双轴应力状态下围岩的力学特性研究综述

双轴应力状态是地下洞室群洞周围岩的一种典型受力形态.针对开挖卸载下围岩的破坏机理及流变特性,结合现有岩样试验以及相关的理论模型,从岩样的加载破坏、岩石的蠕变效应以及围岩的卸载机制等方面进行了总结与归纳,并对深部地下洞室开挖过程中围岩发生的岩爆和劈裂破坏现象进行了综述.分析评价了双轴应力状态下围岩的力学特性研究成果以及最新进展,同时指出目前研究中存在的问题和进一步研究的方向.     

关于土体隧洞围岩稳定性分析方法的探索

 长期以来,地下隧洞围岩稳定性分析没有科学合理的方法,一直停留在以洞周某点位移或塑性区大小的经验值作为判断稳定性的依据。隧洞洞周位移或收敛位移受围岩弹性模量、洞室形状大小等因素影响,洞周不同部位的位移值也不相同,很难找到统一的位移判据标准。以塑性区大小作为围岩稳定性的判据要优于位移标准,但围岩塑性区受泊松比、洞室形状大小等因素影响,不同软件计算出的塑性区大小也有差异,这种方法同样也不可靠。由此可见,传统的经验分析法不够合理。为此,提出将基于有限元强度折减法求出的安全系数作为稳定性分析判据,该判据有严格的力学依据,有统一的标准,而且不受其他因素的影响。以黄土洞室为例,提出洞室的剪切与拉裂安全系数的概念,通过不断折减土体的抗剪强度参数c,j 值或c,j 与抗拉强度,使黄土隧洞围岩塑性区不断扩展,直至塑性应变或位移发生突变时,即表明隧洞发生剪切破坏,此时的折减系数即为剪切安全系数。通过不断折减土体的抗拉强度参数,使黄土隧洞内临空面处(不包括底部临空面)围岩出现第一个单元拉裂破坏时,即表明隧洞发生拉裂破坏,此时的折减系数即为拉裂安全系数。该研究仅是对围岩稳定性分析方法的尝试性探索,供同行分析、讨论。     

围岩卸载损伤演化及应力场调整有限元分析

隧道、洞室等地下工程的修建过程，是洞室壁面附近围岩不断发生应力卸载的过程。在这一过程中围岩力学性质与加载过程中表现出的力学性质存在一定的差别，本文通过引入服从韦伯分布函数的细观岩石微元体，运用连续介质损伤力学理论，得出了可以反映岩石非均匀性的本构关系式，然后运用岩石破裂与失稳过程RFPA分析系统，对隧道，洞室等地下工程由于洞室开挖引起的围岩卸载过程中，洞室孔壁附近围岩发生的损伤演化和应力场调整全过程进行了有限元分析，得到了洞室壁面附近围岩损伤演化和应力场调整过程图。     

在轴向压力作用下洞室破坏特征模型试验研究

通过模型试验对洞室在较大轴向压力作用下的破坏特征进行了研究.试验结果表明,洞室在较大轴向压力作用下产生的破坏是:对于直墙拱顶洞室,洞周围岩发生环形断裂；对于圆形洞室,在洞壁附近产生两组共轭的滑移线型破坏；在离洞壁较远处(滑移线型破坏区外围)也发生环形断裂；这种破坏特征与最大压力垂直于洞室轴线情况下的破坏特征具有显著的不...     

大型地下洞室断层破碎带变形特征及强柔性支护机制研究

锦屏一级水电站地下洞群规模巨大,布置复杂,且位于3条大断层及多组节理切割的高应力地质体内。多洞交叉大型洞群多步开挖强卸荷过程中,主洞室结构面或断层破碎带的支护方式、参数选取与优化以及支护时机的确定是影响整个设计洞群稳定的关键问题之一。结合地下厂房洞群的开挖支护过程,研究主洞室围岩断层带变形破坏力学机制,探讨围岩分层次支护的耦合作用机制以及力学与变形特征。基于对洞室围岩不同支护形式的数值模拟和原位监测,研究在挂网喷射混凝土支护系统中增加钢筋拱肋这一强柔性支护技术。结果表明,该种支护技术措施能有效地控制围岩变形,避免局部失稳导致洞群不稳定或垮塌现象的产生,对大型洞群开挖支护设计与施工具有重要参考价值和指导意义。     

地下工程岩体参数场反演分析应用研究

 在施工过程中,由于开挖方式、爆破以及支护施作滞后等因素的影响,洞周岩体会有不同程度的“劣化”。一般而言,受开挖施工影响,离洞室表面越近的岩体劣化程度越严重;支护施作滞后时间越长岩体劣化程度越严重。因此,提出参数场的概念,将洞周围岩物理力学参数看作受初始地质状态、施工影响而随空间变化的非稳定参数场。采用三维弹塑性损伤有限元及位移反演分析方法,经敏感度分析确定恰当的待反演岩体参数,使用局部断面模型快速反演计算方法获得各监测断面区域岩体参数场,再通过插值方法得到三维整体模型参数场,适当修正后即可用于洞室后期开挖围岩变形及稳定预测。结合瀑布沟水电站地下厂房工程,建立有限元模型,代入监测数据,反演获得洞周围岩参数场,并将计算结果用于预报后续洞室开挖的围岩变形趋势,结果显示岩体计算预测反演参数与实际监测值符合较好。     

海底隧道风化囊围岩-支护系统相互作用的流变时效研究

厦门海底隧道工程穿越四条断层破碎带,破碎带处洞体围岩软弱、破碎,岩石主要为风化破碎类花岗岩,其流变时效属性非常显著。通过对风化破碎类花岗岩试样进行流变试验研究,建立适合风化囊围岩特点的流变力学模型;再在考虑围岩流变时效的基础上,采用有限元数值模拟方法,开展风化囊围岩-支护系统的相互作用研究。研究表明:松散破碎岩体的流变时效作用明显,在隧道的设计施工中必须计入粘性蠕变的影响;风化囊区段的隧道二衬厚度采用60cm是合适的,不宜再过分增厚;为确保工程安全,开挖后立即施作初期支护,紧跟施作二衬支护。最后,阐述了围岩变形速率比值判别的施工变形控制方法,在判据认定的险情区段,必须实时加固,避免塌方。     

大岗山地下厂房洞室群围岩力学参数的动态反演与开挖稳定性分析研究

岩体力学参数是影响地下工程围岩稳定的重要因素,随着地下洞室开挖进度的发展,岩体力学参数将产生明显变化。为实时反映开挖过程中围岩的力学参数变化,建立正交试验设计效应优化位移反分析法,应用该方法对大岗山水电站地下厂房洞群分步开挖过程中围岩的力学参数进行实时动态反演。利用动态反演的力学参数对各开挖层围岩进行稳定性分析,揭示出洞群开挖过程中围岩位移场、应力场和塑性区的变化规律,反演计算位移值与实测位移值吻合较好。根据分步开挖计算结果,提出地下厂房洞室群的加固处理建议,并及时反馈给设计单位,实时指导和优化工程的设计与施工。     

高地应力条件下大型地下洞室群稳定性综合研究

 从认识论的角度提出数值仿真技术服务于地下工程实践的PFP分析方法,并随拉西瓦水电站地下厂房工程开挖进度分3个阶段对洞群围岩稳定性进行系统地分析和预测。研究成果表明：在高地应力硬岩洞室群开挖过程中,不同部位围岩位移具有明显的空间差异性和时间渐变性;岩体中应力表现出一定的波动性、转移性;多洞室交叉使得围岩松弛区域具有一定的特殊性;围岩破损模式和深度也具有区域差异性等。其成果为洞室开挖与围岩支护改进提供了科学依据,也被实际洞室开挖过程揭示的变形规律和围岩开裂、掉块等破坏模式所证实。这些高地应力下硬岩力学行为规律对其他类似地下工程围岩稳定性研究也具有较好的借鉴意义。     

地下洞室围岩稳定流变分析的数值计算法

本文把岩体作为粘弹性介质,用伯格斯模型描述岩体的流变特性,对均质、连续、各向同性的岩体在围岩稳定分析中如何考虑岩体的流变特性,提出了一种数值计算方法,并对较坚硬的正长岩和较软弱的砂岩进行了流变计算。算例表明:岩体的流变特性对岩体,特别是软弱岩体的围岩稳定影响是不容忽视的,在围岩稳定分析中,粘弹性方法比弹性方法具有更好的近似性,它能更好地为我们预示洞室围岩塑性区的发展和洞周位移的变化情况,并为寻求有利的支护时间和支护形式提供依据。     

基于三维离散–连续耦合方法的跨活动断裂隧洞错断破坏机制研究

在中国西部强震区兴建的大型水利工程中,输水隧洞常不可避免地横跨多条区域性活动断裂,受活断裂错断运动影响,这些输水隧洞面临着严重的错断威胁。传统隧洞抗错断数值模拟方法多将围岩简单考虑为等效连续体,不能从细观尺度模拟断裂错动时围岩的破裂过程和大变形现象。将三维离散–连续耦合方法引入跨活动断裂隧洞抗错断问题的研究上,研究在断裂错动作用下衬砌的内力响应,及围岩破裂的细观特征。在该分析方法中,采用离散元球形颗粒表征围岩,同时将隧洞衬砌结构考虑为连续单元体。验证接触边界上耦合力的相容性与连续性的同时,通过参数标定使离散区域与连续区域的宏观属性一致,在此基础上建立穿越活动断裂隧洞的三维离散–连续耦合数值模型。利用这一方法,讨论了不同断裂错距影响下隧洞因断裂错动而产生的位移变化与力学响应,并从细观角度对围岩破坏特征进行了探讨。获得的结论可以为穿越活断裂隧洞的抗错断设计提供一定参考。     

泥质粉砂岩隧道变形及长期稳定性研究

以广东省惠清高速太和洞隧道工程为依托,通过室内试验和数值模拟,对典型软岩隧道大变形问题进行了研究.首先通过FLAC3D数值模拟软件对隧道开挖阶段的受力特征、施工变形进行计算;其次考虑了流变效应,通过单轴压缩流变试验得到泥质粉砂岩的应变-时间曲线,选取伯格斯黏弹性模型拟合出相关流变参数并运用于隧道长期变形的模拟计算中,对...     

软弱夹层厚度模拟实用方法及其应用

 围岩中分布的软弱夹层对地下洞室围岩稳定性、支护结构安全性有着重要的影响,以软弱夹层的变形、强度等效为出发点,基于接触面单元和软弱夹层影响带概念,提出一种在固定的有限元网格中模拟不同厚度的软弱夹层的实用化模拟方法,并初步验证该方法的合理性、正确性、实用性;利用提出的模拟方法,以奥地利岩土工程有限元分析软件FINAL为平台,系统分析地下洞室分别位于II,III,IV级3种围岩,软弱夹层分别分布在顶部、拱肩、边墙3种不同部位,软弱夹层厚度分别为0.000D,0.005D,0.010D,0.020D,0.200D 5种厚度等条件下,软弱夹层对洞室围岩位移场、应力场、塑性区以及喷层结构受力的影响,着重讨论不同软弱夹层厚度条件下,围岩位移场、应力场、塑性区及喷层内力随夹层厚度的变化差异;总结当前试验条件下,软弱夹层厚度对地下洞室围岩稳定性与支护结构安全性影响的一般规律;研究成果可望为地下洞室的规划、设计、施工,尤其是遭遇软弱夹层等特殊工程条件下的设计、施工、维护等提供一定的参考与指导作用。     

一种新的岩石流变模型

根据岩石加速蠕变阶段的力学特性,提出了一种非牛顿流体粘滞阻尼元件,将该阻尼元件与描述岩石减速蠕变和等速蠕变特性的传统模型结合,构成了新的综合流变力学模型,并应用于描述某大型水电工程坝区断层岩蠕变特性,效果良好。     

浅埋软土隧道蠕变问题的有限元分析

应用基于遗传蠕变理论的幂次关系蠕变方程,对浅埋软土隧道施工过程进行了二维粘弹塑性有限元分析。研究了隧道施工时围岩主应力、地表沉降、及支护结构内力随时间的变化规律,并与按弹塑性理论计算结果进行比较,说明了对软土区间隧道施工过程模拟中考虑土体蠕变特性的必要性。     

砂质泥岩卸荷流变本构模型研究

基于隧洞开挖过程中围岩应力的实际调整路径设计加轴压卸围压条件下的分级卸荷流变实验,对某水电站引水隧洞洞轴线主要穿越的砂质泥岩的卸荷流变力学特性进行研究。试验结果表明:1应力水平低于岩石破坏应力时,砂质泥岩的流变只表现出衰减流变阶段和稳态流变阶段,且随着围压的逐级卸除,应力水平逐渐超过岩石的长期强度,试样的稳态流变速率由最初接近于0的常数逐渐增大至一个大于0的常数;2应力水平高于岩石破坏应力时,砂质泥岩经过衰减流变阶段和稳态流变阶段之后进入非线性加速流变阶段直至发生破坏,通过对比发现,不同卸荷初始围压下试样发生流变破坏的总历时不同,且各试样发生非线性加速流变的启动时间也显著不同。对砂质泥岩卸荷流变试验结果分析表明,西元模型能够较好地描述应力水平低于破坏应力时砂质泥岩的流变特性,但却无法反映应力水平高于其破坏应力时的非线性加速流变特征,基于此,引入岩石非线性加速流变启动元件,通过将其与西元模型相结合建立了一个新的非线性黏弹塑性流变模型,对提出的模型进行参数辨识,并将流变模型拟合结果与试验结果进行对比,结果表明,新建立的卸荷流变本构模型能够较全面地描述砂质泥岩卸荷流变破坏的全过程,证明所建模型是正确合理的。     

断层错动作用下隧道衬砌围岩破坏机理研究

依托西南地区某跨断层隧道工程背景,对断层错动下隧道围岩结构影响开展相似模拟试验和数值模拟研究.综合工况及试验条件,对一般三维模型装置和光纤监测布置等进行设计,试验装置可以更好地反映断层蠕滑错动作用下衬砌-围岩-断层带的动态关系及衬砌结构的损伤破坏特征.结果表明,隧道结构对围岩体有一定程度的"追随性"和"抑制性",断层错...     

金川露天矿边坡变形机制及过程

本文介绍了金川露天矿边坡滑动-倾倒复合变形实例,它是在两种机制共同作用下发生的。岩体条块状碎裂结构对变形机制和发展过程起了控制作用。岩体结构的变形特性基本上符合蠕变三阶段发展规律,变形和时间呈幂函数曲线关系。岩体变形在本质上主要是其断层蠕变和结构面的剪切和开裂。岩体蠕变特性是岩体结构效应和时间效应的综合体现。     

软硬互层边坡岩体的蠕变特性研究及稳定性分析

岩体的蠕变性是影响边坡变形与长期稳定性的重要因素之一。以清江水布垭坝址区马崖高边坡为例，针对边坡内具代表性的软岩和硬岩，通过开展室内岩石压缩蠕变试验，研究了不同类型软、硬岩石的蠕变破坏特征，据此建立了岩石的流变本构模型并进行参数辨识。在此基础上，应用三维粘弹塑性方法对马崖高边坡的时效变形及稳定性进行数值分析，探讨了边坡在开挖卸荷及泄洪冲切（运行期）等工程荷载作用下岩体的蠕变变形及塑性区发展。研究结果表明，软硬互层边坡岩体的蠕变效应十分显著，对于大规模开挖的岩质高边坡而言，岩体的蠕变特征不仅影响到边坡的位移量值，而且改变了边坡的位移形态。在工程长期运行过程中，岩体蠕变引起的应力场变化使得坡体内塑性区分布由坡面向坡内延伸，按流变10a计，其延伸深度可达数十米。