热-应力耦合作用下深部软岩隧洞大变形三维数值模拟分析

高地温是深部隧洞的一个重要特点，温度场的存在必然会影响到深部隧洞的变形和应力状况，特别是考虑到深部隧洞的高地应力和大变形的特性，温度场的影响就更加显著。因此，本文基于摩尔-库仑本构模型，利用FLAC^3D软件对深部软岩隧洞洞室围岩的力学响应及其在不同温度场作用影响下的应力、变形及塑性区分布等指标的分布及变化情况进行模拟计算及研究分析，得出了一定基本规律，为工程设计提供参考。     

上覆堆载对既有排水隧洞衬砌及围岩应力和变形的影响规律研究

该文以云南柳树箐尾矿堆积坝下伏的排水隧洞为研究对象,通过Flac3D数值模拟软件建立了堆载与排水隧洞的三维模型,运用极限平衡原理研究了分级堆载时下伏地层中排水隧洞主洞衬砌和围岩的应力变化规律及衬砌的变形特征。结果表明:隧洞衬砌和围岩应力随上覆堆载高度的增加而增加,且隧洞侧壁衬砌应力增长速率远大于隧洞顶拱衬砌增长速率,最大主应力方向发生改变,应力在隧洞侧壁集中,形成应力拱效应;堆填影响下的隧洞围岩应力重分布范围主要集中在一倍洞宽范围内,在一倍洞宽范围外,应力集中效应逐渐减弱;随着堆载高度的增加,隧洞衬砌的变形也随着增加,且上部位移较两侧增长快,产生不均匀变形。分析结果表明虽然高填方堆载对隧洞衬砌和围岩应力与变形有较大影响,但目前衬砌仍处于较稳定状态。     

深部高应力软岩巷道断面形状优化设计数值模拟研究

选取矩形、梯形、直墙拱形、马蹄形、椭圆形和圆形等共6种不同断面形状的巷道进行优化研究,基于FLAC3D模拟研究了这6种典型巷道开挖后的巷道围岩变形特征及围岩塑性区分布规律,分析了不同侧压力系数对它们的影响。数值模拟结果表明,巷道断面形状对高应力巷道围岩变形特征及围岩塑性区分布影响较大;根据侧压力系数的大小及主应力方向,圆形、椭圆形为深部高应力巷道最优断面形状,选择圆形、椭圆形巷道可改善巷道围岩应力状态,降低围岩变形量,减少围岩塑性区损伤破坏范围,有利于深部高应力软岩巷道的长期稳定。     

岩性及层位对巷道非对称变形的影响

为研究深部开采时,岩性和位置关系对巷道围岩非对称变形的影响,运用FLAC3D对深部倾斜巷道进行不同岩性和位置关系下的位移变化特征、应力分布和塑性变形模拟分析。研究表明:巷道布置于偏硬岩层中时,岩性及位置关系对巷道围岩非对称变形影响较大;巷道布置于较软岩层中时,岩性及位置关系作用效果不明显;巷道布置于较硬岩层中时,位置关系影响较小,巷道所处层岩性对围岩变形、围岩应力分布起关键作用,岩性愈硬,应力集中愈严重,最大水平应力与最大垂直应力差值也随之变大。位置关系的改变对围岩塑性变形范围作用较小,但对围岩塑性破坏类型作用明显。     

地下水和温度影响下的深部巷道变形特征

由于深部岩体长期处于应力场、渗流场和温度场三场耦合环境中,导致岩石性质已经不同于浅部。深入了解和掌握深部环境中的岩体工程的力学特性显得非常重要且急迫。因此总结分析了应力场、渗流场和温度场三场之间的耦合关系,并给出了三场平衡方程。运用FLAC3D软件建立起包含应力场、渗流场和温度场的数值计算模型,根据模拟所得的应力、位移分析了孔隙水压、温度和热对流系数对巷道变形破坏的影响。     

不同侧压下底板切槽对围岩稳定性影响模拟研究

底板切槽是一种通过改变围岩应力状态抑制底鼓的主动防治措施。采用数值模拟研究不同侧压系数条件下底板切槽对围岩变形及应力演化规律的影响,研究结果表明:底板切槽会引起帮、顶位移的增加,从控制围岩变形的角度,底板切槽更适合于侧压系数较大的巷道;底板切槽对顶板围岩应力分布没有明显影响,随切槽深度的增加,帮、底围岩应力峰值向深部转移同时峰值降低,帮部以应力峰值降低为主,底板以应力峰值向深部转移为主;侧压系数越大,帮、顶应力峰值向深部转移的距离越小。     

注浆岩石锚杆锚固机理影响因素分析

为了进一步研究隧洞等地下工程中锚杆支护锚固机理,根据微段锚杆的受力平衡以及载荷传递机理建立了锚杆的载荷传递微分方程,同时根据隧道围岩安装锚杆前后的应变变形建立了锚杆的轴向载荷传递方程,结合圆形隧洞围岩的径向变形方程,推导了理想弹塑性围岩中注浆岩石锚杆的轴向应力的计算模型,以及锚固段与围岩体界面之间摩阻力的计算模型。通过分析锚杆应力的分布特征以及影响应力分布趋势和大小的因素,得到了影响其锚固效应的因素是锚杆的安装施工时机、围岩的力学特性以及锚杆的长度等。     

深部平行巷道在构造应力场中的稳定性分析

选用 2D—σ有限元计算软件 ,对深部平行巷道在构造应力场中的稳定性进行了数值分析 ,着重讨论了深部平行巷道围岩的变形特征、塑性区发育特征、围岩应力分布特征和动态演化过程 ,探明了构造应力作用与深部平行巷道围岩变形破坏的动态关系及围岩破坏机理 ,给出了合理的岩柱间距。     

深部松软煤层钻孔孔周煤体变形产渣特征研究

针对煤矿井下高瓦斯软煤顺层长钻孔排渣困难、成孔率低、施工困难等问题,通过数值模拟实验研究了井下深部软煤体变形破坏特征,分析了顺层长钻孔孔周松软煤体变形特征及应力变化,以揭示顺层长钻孔孔周松软煤体变形产渣规律。研究表明:深部高瓦斯软煤顺层钻孔孔周煤体的应力平衡临界条件破坏后将发生大体积突然垮落;钻孔水平最大变形位移为1.22mm,垂直方向最大变形位移为10.7mm;径向孔周煤体垂向变形呈现逐渐减小趋势,且垂向变形明显大于钻孔水平变形。在水平方向上,钻孔孔周煤体应力分布呈现先增大再逐渐减小的变化规律,径向距离对水平应力分布的影响逐渐减小;随着径向距离的增加,钻孔孔周煤体应力分布逐渐降低,钻孔孔壁处煤体的应力出现最大值,且垂直方向处应力值最大。     

不同分布距离的软弱夹层对巷道稳定性影响分析

通过FLAC软件模拟了软弱夹层对深部巷道稳定性影响,主要模拟研究顶部分布有软弱夹层的回采巷道的围岩稳定性,总结了软弱夹层分布距离与巷道围岩位移、围岩塑性区及应力的关系,得出了软弱夹层的不同位置对围岩变形、应力影响的一些量化成果。     

温度-应力-化学三场耦合作用下深部软岩巷道蠕变规律数值模拟

描述了所建立的连续介质温度场-应力场-化学场三场耦合控制方程。使用有限元程序对地下1 500 m的深部软岩巷道蠕变规律进行了温度场、应力场和化学场三场耦合过程的三维数值模拟,分析了温度场、应力场和化学场对深部软岩巷道蠕变规律的影响。结果表明,深部软岩巷道产生大应变,主要来源是蠕变,弹性应变和热应变次之;温度场、应力场和化学场对深部软岩巷道蠕变都产生不可忽视的影响,就影响程度来看,应力场影响最大,化学场和温度场次之。     

深部岩体初始高构造应力场的3DEC模拟反演方法分析

深部岩体初始水平构造应力场反演的可靠性对于工程后续计算结果的影响至关重要。为了研究深部矿区岩体初始构造应力场的3DEC模拟反演方法,对比分析了位移边界条件和基于初始应变能理论的反演方法两种地应力反演结果。表明位移边界条件仅能够模拟初始自重应力场,基于初始应变能理论的反演方法能够较好地反演深部岩体初始水平构造应力场,应用该方法对狮子山矿区40号剖面线地应力场进行反演分析,深部各点最大水平主应力迹线水平展布,等值线间隔较好,研究成果对于运用3DEC进行高构造应力型矿山初始地应力场的生成及其开采模拟具有重要的意义。     

深部高应力下数值模拟本构模型差异性探讨

深部高应力环境下,围岩力学响应特性要异于浅部开采。为研究更符合深部高应力环境下的围岩力学特性的数值模拟方法,结合围岩条件较稳固的某铜矿深部开采工程实例,采用FLAC3D 软件,分别以摩尔-库伦模型与应变软化模型建立计算模型,对深部采场开采后顶板围岩的应力、位移、塑性区等情况进行分析对比。研究结果表明：在深部高应力采场大范围开挖的情况下,摩尔-库伦模型个别应力指标要小于应变软化模型,但应变软化模型顶板变形及塑性区更大,摩尔-库伦模型的总体计算结果偏向安全。即应变软化模型能够更好地反映高应力环境下,围岩在非线性阶段的应变软化特性,计算结果更接近于工程实际。计算结果也表明了对于深部高应力下采场的开采模拟,仅靠单一应力或位移指标,难以得出客观结论,可通过多种计算模型及多种分析指标来进行综合分析对比,以提高计算结果的客观性。     

Strain Gradient Model of Zonal Disintegration of Rock Mass near Deep-Level Tunnels

This paper presents one strain gradient model of zonal disintegration of rock mass near deep level tunnel. The governing equations and boundary conditions of the model are established. Numerical methods (quasi-Newton method and shooting method) are adopted to solve the obtained fourth-order equilibrium equations with higher order boundary conditions in terms of displacement. The stress field in elastic and plastic zones is obtained. The effects of model parameters on stresses distribution in surrounding the tunnel rock mass are examined. The necessary conditions for the formation of zonal disintegration are elucidated.     

深部高应力双巷掘进巷道围岩稳定性及控制

内蒙古自治区葫芦素煤矿13号煤层埋藏较深,煤层处于高应力环境中,区段准备巷道采用双巷掘进的方式.针对辅助运输巷道围岩变形严重以及难以二次利用的问题,通过对巷间煤柱分别在不同阶段建立力学模型以及结合葫芦素煤矿的地质条件,对巷间煤柱留设宽度进行理论分析,最终确定该宽度应不小于35.57 m.结合获取到的覆岩物理力学参数,采...     

应变软化挤压岩体巷道扩挖力学响应研究

针对深部高应力软弱破碎岩体巷道变形侵限及重复返修维护的问题,基于有限变形理论和Lagrange物质观点,建立了考虑岩体峰后行为的大变形巷道重塑扩挖力学模型,实现了重复开挖扰动引起围岩累积劣化的定量表征,依次分析了不同岩体条件下维持巷道净断面所需的最小刚性支护载荷和返修效率,同时对实际工程中超前导洞施工法用于释放主洞围岩压力和挤压势的有效性进行了探讨。研究结果表明:①巷道的重塑扩挖是控制挤压变形的有利方式,能显著降低岩石压力和作用在支护结构上的载荷,并得到了基于洞壁收敛位移的巷道稳定性图表;②重塑扩挖施工需事先尽量释放初次开挖产生的应力和变形能,以提高巷道的返修效率;③超前导洞施工法对于降低主洞洞壁变形以及释放围岩压力的有效性与其开挖尺寸和岩体峰后本构关系密切相关,当导洞半径较大(至少超过0.3~0.5倍主洞设计尺寸)及岩体呈现出应变软化或理想塑性特征时,超前导洞施工法能有效改善主洞附近的围岩应力条件,降低挤压势和洞壁收敛变形。     

深部煤巷围岩变形与控制机理的数值模拟分析

 摘要：为解决深部煤巷支护难题,应用FLAC数值模拟程序研究了深部煤巷围岩变形全过程、地应力对巷道变形的影响和巷道变形控制机制。得出了围岩开挖变形应力场、位移场和塑性区变化规律,地应力对巷道变形的影响规律以及深部煤巷围岩变形控制的内在机制。结果表明：随着开采深度的加大,巷道变形对地应力的敏感度增强;底板是巷道整体稳定的关键,底板变形加剧两帮及其它部位的变形;巷道底板控制应当从围岩整体相互作用的角度实现变形控制。     

深部隧硐锚杆支护结构系统中锚杆受力研究

依据柏格斯（Burgers）模型，对深部围岩隧硐进行了应力与位移场的解析分析研究，建立了柏格斯模型下隧硐围岩的位移方程、应力方程；基于载荷传递机理，建立了锚杆受力的微分方程，通过求解锚杆受力的微分方程得到了锚杆与围岩相互作用下的轴向载荷分布函数。然后对锚杆的轴向受力与摩阻力进行了计算分析，通过结果分析得出：粘弹性围岩中的应力分布与时间无关；隧硐围岩中任一点的位移随时间而增长，同时，随着时间将趋向于一定值；锚杆的受力符合中性点理论。同时，通过分析深部围岩隧硐发生破坏的原因，建立支护结构与围岩共同作用的特性曲线，提出了一种符合NATM核心思想的，能够科学确定支护结构最佳架设或安装施工时间的新思路。     

不同开挖方式下深部岩体应变能的释放机制

深部岩体开挖过程中,围岩应变能的释放是岩体破坏的诱因之一,而不同开挖方式下应变能的释放机制存在较大差异。通过理论分析,探讨了钻爆法和TBM开挖条件下应变能释放规律,并结合锦屏二级水电站实测深埋隧洞开挖引起的围岩振动的组成分析,讨论了不同开挖方式下的应变能释放机制。研究表明：高地应力下爆破开挖过程岩体所储存的应变能伴随爆破破岩过程高速释放,诱发围岩振动,此时实测振动由爆炸荷载诱发振动和应变能瞬态释放诱发振动二者组成;而TBM开挖条件下,岩体内应变能缓慢释放,不会引起围岩动力响应,实测振动主要是滚刀在机械力作用下破岩或液压加载装置的振动引起的。而应变能不同的释放机制将导致岩体出现不同形式和程度的破坏,且现场对两种方式下围岩损伤及应变型岩爆的监测也证实这个结论。     

深部岩体非线性蠕变变形预测的研究

利用蠕变实验数据进行数值模拟，得出了深部软岩巷道围岩在高地应力作用下的蠕变方程，建立了蠕变与时间和应力的定量关系.通过计算得到了应力差-蠕变曲线；时间-应力差-蠕变三维曲面.得出了地应力差是引起蠕变的主要因素，对深层软岩巷道进行了变形仿真分析，并实现了与实测变形的对比.