考虑托板作用的深埋岩体分区破裂时空效应

分区破裂是深部岩体在众多敏感因素综合作用下发生的复杂时空演化过程。以深埋硐室围岩初期支护后的预应力全长锚固锚杆为研究对象,考虑不同大小托板反力作用对硐室围岩强度参数的影响,基于分区破裂条件下锚杆所呈现的拉-压交替受力特征,建立了杆体与围岩协调变形的力学分析模型,推导了围岩分区破裂后锚杆中性点位置的计算公式,进而对不同托板反力作用下的围岩分区厚度、破裂范围及数量进行了反演分析;根据围岩弹塑性界面上岩体的非线性流变模型及其在切向与径向所受的最大偏应力,提出了弹塑性界面岩体破裂发生时刻的理论公式。结果表明:①在分区破裂条件下,深埋硐室围岩与预应力锚杆产生协调变形,沿杆体长度方向存在多个处于拉-压受力平衡的中性点,在各中性点附近的弹塑性界面上岩体具有显著的流变特性。当该界面岩体所受最大偏应力超过其长期强度时即发生脆性拉裂;②预应力全长锚固锚杆对围岩强度参数具有重要影响,预应力的增加能够有效改善围岩的承载特性,围岩分区厚度、破裂区宽度与数量以及弹塑性界面上岩体破裂发生时刻随锚杆预应力的变化而变化;③在锚杆预应力作用下围岩强度的提高对硐壁岩体破裂具有一定的抑制作用。随着锚杆预应力的逐渐增大,靠近硐...     

最大地应力方向对硐室受力和破坏影响的模型试验研究

深部巷道围岩变形控制是深部岩土的重点课题之一,针对最大地应力方向对硐室受力和破坏形态的影响,采用深部巷道围岩破坏机理模拟试验系统进行模型试验研究。模型试验硐室采用直墙拱顶形硐室,利用应变片记录硐室围岩应变值,分别进行了最大荷载与硐室轴线成90°、60°、0°(平行)的3组试验。模型试验的研究表明:最大荷载与硐室轴线呈60°和90°时,仅硐室侧墙部位发生破裂,拱顶和底板下部产生的径向应变为受压状态,对硐室的破坏形态影响不明显;0°(平行)时,硐室拱顶、底板及侧墙部位均发生破裂,拱顶和底板下部产生的径向应变为受拉状态,对硐室的破坏形态影响较显著;深部巷道围岩破坏机理模拟试验能够较好的模拟深部巷道围岩破坏机制。     

基于约束收敛法的Hoek-Brown岩体巷道大变形分析

轴对称圆形巷道的弹塑性理论分析是深部软岩巷道施工过程的基础问题和重要问题。基于约束收敛法、有限变形次弹塑性理论、Hoek-Brown破坏准则、应变软化本构模型等基本理论,开展了深埋软弱围岩圆形巷道开挖诱致挤压大变形现象的基础研究。在相关大变形研究的基础上,以巷道开挖后围岩脆塑性解析解来表征岩体应变软化区划分圆环岩体响应解析解的方法,简述Hoek-Brown岩体深埋软岩巷道围岩各分区应力与变形解析解求解思路。通过现场监测数据和不同力学模型的计算结果分别进行模型有效性对比验证,并对m、s、a等岩体强度相关参数进行了影响分析。基于大变形和小变形理论下围岩特征曲线差别,提出软弱破碎岩体的支护建议,为深部不利赋存条件下软弱围岩支护工程设计提供理论分析手段和指导。     

不同工况下深部围岩分区破坏非连续变形试验研究

以淮南矿区-1000 m为典型代表的深部地下开挖工程引发的支护难题越发突出.针对丁集煤矿-910 m西二11-2采区南轨道大巷实测发现的巷道分区破裂化现象,基于深部巷道围岩破裂机理与支护技术模拟试验系统,开展了4种工况下硐室的模拟试验研究,旨在获取最大荷载方向与硐室轴线垂直、斜交、平行条件下巷道围岩的受力与破坏特征,揭示深部巷道围岩发生分区破坏的条件.试验结果显示,模型拱顶、侧墙和底板周边径向应变均呈现拉应变,形成环状裂缝;在较大轴压作用下,巷道周边产生剪切破坏和拉伸破坏,但拉伸、剪切破坏区的形成不同步,拉伸破坏的速度远大于剪切破裂的速度,使周边岩体产生这种不连续且交替出现的环状裂隙区.直墙圆拱巷道发生分区破裂的特点为帮部呈现分层断裂,拱顶和底部呈现滑移型断裂.研究结果可为深部高地应力下巷道围岩的支护对策及优化提供参考.     

不同工况下深部围岩分区破坏非连续变形试验研究

以淮南矿区-1 000 m为典型代表的深部地下开挖工程引发的支护难题越发突出。针对丁集煤矿-910 m西二11-2采区南轨道大巷实测发现的巷道分区破裂化现象,基于深部巷道围岩破裂机理与支护技术模拟试验系统,开展了4种工况下硐室的模拟试验研究,旨在获取最大荷载方向与硐室轴线垂直、斜交、平行条件下巷道围岩的受力与破坏特征,揭示深部巷道围岩发生分区破坏的条件。试验结果显示,模型拱顶、侧墙和底板周边径向应变均呈现拉应变,形成环状裂缝;在较大轴压作用下,巷道周边产生剪切破坏和拉伸破坏,但拉伸、剪切破坏区的形成不同步,拉伸破坏的速度远大于剪切破裂的速度,使周边岩体产生这种不连续且交替出现的环状裂隙区。直墙圆拱巷道发生分区破裂的特点为帮部呈现分层断裂,拱顶和底部呈现滑移型断裂。研究结果可为深部高地应力下巷道围岩的支护对策及优化提供参考。     

大断面泥岩巷道多级控顶让压支护技术

为了研究深部高应力巷道底板破裂形态及剪切带的发育规律,采用试验、理论分析、数值计算和现场测试等方法,建立一种岩石应变软化模型,对岩石压缩变形破坏过程中剪切带的形成机制进行研究,模拟与试验的峰值应力、残余强度误差在10%~20%,模型能够较好地体现岩石峰后的应变软化力学特征;基于该应变软化本构关系,建立高应力巷道围岩应变局部化分析的数值模型,系统分析了高应力巷道底板剪切带发育规律及破裂形态。巷道钻孔窥视结果表明,深部高应力巷道底板会形成局部破裂与变形,模拟研究结果与实际巷道底板破坏形态相符。

     

内摩擦角对逐步开挖拱形巷道围岩分区破裂化的影响

巷道围岩分区破裂化(或分区破碎化、分区碎裂化)是指在深部开挖巷道时围岩交替呈现破裂区和未破裂区的现象,该现象与对围岩破坏的传统认识不同。正确认识不同强度围岩分区破裂化的发育程度,可为其治理及应用奠定基础。巷道掘进会引起掘进工作面附近岩石涌向巷道,这将导致掘进工作面附近垂直于巷道轴线平面的应力状态并非平面应变,而是三维状态。采用以FLAC~(3D)应变软化模型为基础发展的非均质应变软化模型(通过引入Weibull分布函数实现),研究了内摩擦角对逐步开挖拱形巷道围岩分区破裂化的影响,考察了围岩中剪切应变增量、最小主应力及最大主应力在巷道即将贯穿模型时的分布规律。研究发现:①内摩擦角越小,围岩的破坏越严重,剪切带的发育越充分,分区破裂化越明显;②并非围岩的破坏就会导致分区破裂化,围岩破坏到一定程度后,才会出现分区破裂化;③分区破裂化的机理为:在载荷及开挖作用下,在过巷道轴线的平面上,随机分布的缺陷发展成(共轭)剪切带,从而在垂直于巷道轴线的平面上,形成多个相间隔的圆环形的破坏区。本文过巷道轴线平面上的结果与室内实验结果在定性上一致。根据本文的研究,在垂直于巷道轴线的不同平面上,分区破裂化不同,这意味着不必选择统一的巷道支护参数,例如,在分区破裂化显著的部位,延长锚杆的长度,反之则不然。     

软化与膨胀作用下深部巷道围岩黏弹塑性分析

随着煤矿开采的逐渐加深,深部高应力巷道围岩表现出典型的应变软化、破裂膨胀及流变特征.通过建立线性软化模型,进行黏弹塑性力学分析,确定了深部巷道围岩的应力、位移和破裂区半径.以山东省郓城煤矿井底车场泥岩段巷道为研究背景进行实例计算,得出了破裂膨胀和线性软化作用下围岩的变形破坏特征.结果表明:软化和破裂膨胀对巷道的周边位移和破裂区厚度都有显著影响;耦合作用下,围岩的变形和破碎比单因素作用下更加严重;其中线性软化对巷道稳定性的影响比破裂膨胀更大.并通过现场实测,将结果与理论值进行对比,验证了计算的正确性.     

灵湖金矿巷道围岩变形破坏及锚杆支护数值模拟分析

通过现场地质调查和监测,确立灵湖金矿330工程450巷道围岩体地质模型,查明硐室在受低地应力状态下的围岩等级,巷道围岩变形破坏程度及松动圈范围。针对硐顶掉(落)石块典型破坏类型,采用离散元UDEC软件进行数值模拟分析,反演硐室开挖后应力重分布,顶板产生拉应力区,导致围岩体发生变形破坏的过程和力学机制,并采取预应力锚杆支护措施稳固失稳岩体。     

深部巷道破坏分区破裂规律三维相似材料实验

为了探究不同应力状态下巷道围岩的分区破裂规律、影响因素,选择沙土材料为相似材料进行三维模拟实验。试验采用3种加载方式：双向加载、 “圆筒模型加载”和真三轴加载,分别模拟不同采深时围岩的应力状态,巷道的断面形状分别选取了圆形、方形。模型试验研究表明：分区破裂属于空间剪切带破坏,平行于硐室轴线方向应力较大(约是材料抗压强度的1.6倍以上)是形成分区破裂的重要条件。影响分区破裂的因素有围压的大小与分布,开挖巷道所在岩层的相邻岩层性质。围压大且均匀,分区破裂范围大,围压较小且不均匀,分区破裂不明显。层与层之间材料不同时,会影响到裂纹的扩展。而硐室形状对分区破裂的影响因素较小。圆形、方形硐室周围都出现了分区破裂现象。     

渗流作用下圆形巷道围岩弹塑性分析

在假设岩体在无限小的区域内材料属性相同,将岩体划分为若干个塑性区域环的情况下,应用统一强度理论,结合岩石应变软化力学模型与围岩峰后强度和变形演变规律,推导了渗流作用下圆形巷道围岩破裂分区的计算公式,分析了渗流作用下巷道围岩的弹性区、塑性软化区和破裂区的力学性态。结合具体算例,对比分析了渗流作用下和无渗流作用下巷道塑性区范围影响因素,得出支护反力、巷道半径以及采深对渗流作用下的巷道塑性区域影响尤为明显。研究表明,考虑渗流作用使得分析结果更加接近于实际,能显示出巷道围岩变化破坏情况,为地下工程的优化支护设计及安全性评价提供理论依据。     

深部巷道围岩分区破裂化数值模拟

采用有限差分数值计算软件FLAC对巷道围岩分区破裂化进行研究,分析了分区破裂的产生及演化过程,即巷道开挖后,随着原岩应力的释放,多条破裂带从巷道表面或临近周边逐步向围岩深处延伸,在延伸过程中,单条破裂带可能会分叉成两条甚至多条破裂带,这些破裂带互相交叉,在巷道浅部围岩形成网状间隔破裂区,在深部围岩形成环带状间隔破裂区。岩体初始应力水平、侧压系数及巷道断面形状等对巷道围岩分区破裂化都有显著影响。数值模拟结果与前人的现场研究成果有很好的一致性。     

Zonal disintegration mechanism of the microcrack-weakened surrounding rock mass in deep circular tunnels

Rock masses without pre-existing macrocracks are considered as granular materials with only microcracks. During excavation of tunnels, microcracks may nucleate, grow and propagate through rock matrix; secondary microcracks may appear, and discontinuous and incompatible deformation of rock masses may occur. The classical continuum elastoplastic theory is not suitable for analyzing discontinuous and incompatible deformation of rock masses any more. In this paper, a new non-Euclidean model is established to investigate zonal disintegration mechanism of the surrounding rock masses around a deep circular tunnel. Effect of damage variable on the zonal disintegration under non-hydrostatic stress condition is taken into account. Based on non-Euclidean model of the discontinuous and incompatible deformation of rock mass, the effect of the half length and density of microcracks on distribution of stresses in the surrounding rock masses around a deep circular tunnel is investigated. The stress concentration at the tips of microcracks located in vicinity of stress wave crest is comparatively large, which may lead to the unstable growth and coalescence of secondary microcracks, and consequently the occurrence of fractured zones. On the other hand, the stress concentration at the tips of microcracks located around stress wave trough is relatively small, which may lead to arrest of microcracks, and thus the non-fractured zones. The alternative appearance of stress wave crest and stress trough thus may induce the alternative occurrence of fractured and non-fractured zones in deep rock masses.     

深部巷道围岩分区破裂化弹塑脆性分析

考虑围岩在空间轴对称受力状态下弹性、塑性、脆性状态的转化,提出了深部围岩分区破裂化现象是围岩在特定条件下拉伸破坏与脆性张裂破坏不断重复的结果。分析了巷道围岩的弹塑性应力场,说明了支撑压力线处的环状连续拉伸破坏是分区碎裂化产生的必要条件,并给出了拉伸破坏处的半径公式。结合Griffith强度准则,推导了围岩由弹性状态转化为脆性张裂破坏的半径关系式,以此来确定破裂区范围。实例计算结果表明,破裂带的宽度和位置都与现场实际观测结果吻合较好。     

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.     

深部洞室围岩分区破裂化的研究现状与分析

深部岩体工程在开挖洞室或巷道时,围岩的变形和破坏出现了一系列新的科学特征现象,如岩爆和围岩分区破裂化。其中,深部巷道围岩的分区破裂化现象与浅埋地下巷道开挖时在其洞周出现破裂区、塑性区和未扰动弹性区依次排列的现象有很大不同,这引起了国际上岩石力学工程领域专家学者的极大关注。本文根据国内外对分区破裂化研究现状,分析总结了分区破裂化现象的研究成果,并对该领域的研究方向进行了探讨。     

有分区破裂化倾向的深部巷道围岩支护分析

在分析总结巷道围岩分区破裂机理研究现状的基础上,阐述了深部岩体特性对巷道破坏和支护的影响,探讨了现有支护荷载理论用于深部岩体工程的局限性。进一步分析了深部巷道支护方法对有分区破裂化倾向的深部巷道围岩的适用性,并针对深部工程的复杂物理力学特性和地质环境条件,提出了动态联合支护理念。     

One plastic gradient model of zonal disintegration of rock mass near deep level tunnels

In the present paper zonal disintegration phenomenon is investigated within the framework of gradient theories of elastic-plastic solids. Gradient of effective plastic strain is introduced as additional internal variable. Equilibrium equation and boundary conditions are obtained by using virtual work principle. Evolution equations for internal variables are obtained by using Clausius??Duhem inequality. For circular tunnels the governing equation for effective plastic strain is obtained from the above model. Solution of the governing equation for ideal brittle rock mass model is obtained. The obtained solution may describe zonal disintegration phenomenon very well.