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。     

岩石弹塑性损伤-渗流参数反演及其在小净距隧道中的应用

分析地下工程施工过程中围岩稳定性时,应考虑到岩石损伤演化对宏观力学性质的影响;在富水地区,地下水的渗流作用对围岩稳定性的影响也不容忽视。实验室所确定的本构模型参数与现场实际参数有较大的偏差,因此根据现场位移进行参数反演是十分有必要的。本文以在建的大东山隧道为工程依托,将差异进化算法与自行开发的弹塑性损伤-渗流耦合计算模型相结合,对损伤参数和渗透系数进行参数反演,并将所得结果用于有限元正算当中,分析了不同水头高度下岩石的损伤演化规律。     

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.     

深埋特长公路隧道岩爆预测综合研究

岩爆预测一直是地下工程世界性难题之一。以台缙高速公路苍岭隧道的岩爆预测为例,从隧道区围岩的岩体特征和隧道区初始应力场两方面着手,通过工程地质调查研究和区域地质资料分析,对隧道区进行工程地质分类。划分隧道沿线各洞段隧道围岩类别,通过室内岩石力学试验,掌握隧道沿线围岩的物理力学特性;分析区域地震震源机制解、地应力实测资料,揭示区域构造地应力场环境。在研究过程中选取典型部位,采用水压致裂法实测工程区地应力的大小和方向。通过三维有限元反演工程区的初始应力场,在初始应力场和隧道围岩岩石力学性质研究的基础上,结合各洞段隧道断面开挖数值分析结果和现有国内外多种岩爆判别准则,对苍岭隧道岩爆发生的部位和等级进行预测,为制定合理的开挖支护方案提供依据。     

考虑累积微震损伤效应的荒沟电站地下洞室群围岩稳定性分析

微震监测作为开挖岩体附加损伤的指示器,已被广泛应用于地下工程施工期的围岩损伤区识别、圈定及稳定性分析评价中。然而,如何利用丰富的微震信息来标定岩体动态损伤过程中的力学参数,是定量评估围岩损伤程度及稳定性的关键。依托首座采用微震法岩爆监测的抽水蓄能电站工程——荒沟抽水蓄能电站,首先分析了地下洞室群施工期的微震活动性及围岩损伤情况;其次,建立以微震视体积确定岩体损伤尺度并考虑累积损伤效应的岩体劣化模型;最后,编写FISH语言将微震数据嵌入数值模拟中,首次实现了考虑累积微震损伤效应的地下洞室群围岩稳定性分析。结果表明:考虑累积微震损伤效应的围岩稳定性分析方法,有效利用了反映外界施工扰动和地质构造等异常活化的微震信息,岩体损伤程度、应力场和塑性区等分析结果与微震监测结果具有很好的一致性,对支护方案的优化设计具有指导意义。     

圆形巷道两帮水平切槽对围岩卸压的数值分析

处于深部高应力的岩体中储存有大量的弹性应变能,它是引发深部硬岩巷道发生岩爆的内因。卸压法可以用于改变巷道和洞室附近围岩的应力场,使这部分围岩处于应力降低区,从而达到保持其稳定性的目的。本文用岩石破裂过程分析RFPA系统模拟圆形巷道周边开卸压槽前后巷道围岩的变形、损伤与破坏过程,分析了不同原岩应力状态(侧压力系数)和切槽长度条件下围岩的应力和损伤区的分布特征,揭示了围岩中开槽卸压的力学机理。数值模拟结果表明,数值模拟证实了当卸压槽深度为巷道直径的0.5倍左右时,围岩的卸压效果明显,但过长的卸压槽长度会导致整个巷道围岩结构体的承载力降低和变形过大。该项研究对于巷道卸压的工程实践具有一定的理论指导意义。     

地下工程应力松弛效应的初步理论解

蠕变和松弛是岩土材料常见的2种流变特性,岩土工程地下结构支护与围岩的相互作用不是一个单纯的蠕变过程,围岩的应力松弛对于衬砌的长期稳定性具有重要的影响.围绕地下工程圆形洞室松弛的等效蠕变过程,采用非线性蠕变模型,建立圆形洞室黏弹性围岩应力松弛效应的初步理论解,给出解答的量纲一的表达式.研究结果表明:岩土体的松弛特性可以通过蠕变参数进行表述;在没有考虑围岩松弛情况下,地下工程衬砌长期强度的设计偏于安全.从能量观点看,应力松弛可以看作是洞室围岩集中应力衰减的一个过程,该过程与材料本身力学性质和洞室围岩初始条件有关,同时受时间和空间因素控制,且微观结构演化趋势与蠕变过程相反.岩土介质松弛效应的研究成果不但可以应用于软岩地下工程开挖的工程实践,而且还可以提高对岩土材料流变性的认识.     

隧道施工岩爆的预防与技术措施综述

在高地应力条件下或者隧道洞室开挖中,围岩因为卸载而发生的围岩松脱或剥落、甚至弹射的地质灾害即为岩爆。岩爆的发生主要与隧道围岩的性质、施工地质条件以为隧道围岩应力状态有关。为了避免或减少岩爆造成的损失,需要正确预测岩爆。笔者对岩爆发生的规律、岩爆的分类以及岩爆相关预测方法进行了总结,并从施工组织、释放地应力、严抓初期支护规避岩爆威胁、控制隧道开挖进尺、加强爆破控制等方面论述了隧道施工过程中所采取的岩爆防治技术措施。     

基于连续损伤理论的巷道围岩弹脆性损伤分析

考虑岩石的脆性损伤特性,引入非线性的岩石脆性损伤本构模型,将损伤演化方程从一维推广到三维,建立岩石损伤变量与脆性参数的关系。将圆形巷道围岩划分为损伤残余区、渐进损伤区和弹性区,采用弹脆性连续损伤理论,对巷道围岩损伤范围及应力进行求解。当巷道周边围岩只出现渐进损伤区时,推导出巷道围岩发生不同程度损伤的极限地应力及损伤半径;当巷道出现损伤残余区时,考虑围岩破坏后仍然具有残余承载能力的特点,推导出巷道围岩损伤区半径及围岩应力的表达式。通过算例分析了岩石损伤程度和脆性强弱对巷道围岩损伤半径及围岩应力场分布的影响,研究结果表明:岩石的脆性对损伤半径的影响跟损伤程度有关,岩石脆性越强,围岩切向应力的峰值越大;岩石损伤程度越大、损伤半径越大,切向应力峰值离巷道壁面越远。     

下期内容预告

正下期《岩石力学与工程学报》主要发表下列内容的文章:(1)裂隙岩体地下工程稳定性研究发展趋势;(2)不同温差冻融后砂岩蠕变特性及分数阶损伤模型研究;(3)不同频率增幅疲劳荷载下双裂隙花岗岩破裂演化声发射特性与裂纹形态研究;(4)动荷载与地应力对岩石响应特性的影响试验研究;(5)应力波作用下含大型结构面岩体垮塌动力失稳机理;(6)基于循环加卸载的矿物定向排列致各向异性岩石损伤演化规律—以黑云母石英片岩为例;(7)连续充填型结构面峰前循环破坏特征及再载强度特性试验研究;(8)隧道断层带注浆加固围岩体爆破动力损伤特征。     

深埋隧道围岩损伤破坏模式的数值试验研究

 深部岩体具有内禀特性。在开挖过程中，由于应力重分布导致围岩损伤破坏，传统岩体力学未能有效揭示其破坏机制。随着细观损伤岩体力学的发展，采用损伤观点解决深埋隧道围岩破坏问题逐渐显示出其优越性，但目前仅在均质性假设的基础上对应力状态和破坏判据进行研究，缺乏对其破坏全过程的相关研究。采用RFPA2D软件对通渝隧道二叠系栖霞组岩性为石灰岩且埋深超过1 000 m的K22+029断面在开挖过程中围岩的渐进破坏过程进行模拟，使用EMS–2型工程多波地震仪实测围岩破坏前、后波速的变化，定量模拟计算围岩损伤度的变化，揭示深埋隧道围岩破坏过程的损伤演化特性及损伤破裂过程中声发射、剪应力及岩体纵波波速等因素的变化特性，得出深埋硬岩隧道以拉剪型破坏为主，围岩破坏顺序依次为拱顶开裂→左、右拱肩裂纹扩展→左、右拱肩围岩深部裂纹；损伤过程中声发射事件数与围岩损伤程度近似成正比关系；损伤围岩表现出明显的非线性特性和损伤局部化特征。所得结论对于隧道施工支护具有指导意义，也为揭示深埋隧道围岩破坏机制进行有益的尝试。     

Damage around a cylindrical opening in a brittle rock mass

This paper presents an application of the sliding/wing crack model to the problem of a cylindrical opening in a brittle rock mass subjected to a hydrostatic stress field. The rock mass is assumed to contain a uniform initial distribution of microcracks. These microcracks serve as sources of stress concentration, and can propagate tensile wing cracks at their tips in a compressive stress field. It is shown that the sliding/wing crack model can essentially reproduce the complex stress–strain response obtained in laboratory experiments. The stress and displacement field induced by excavation of a tunnel in such a brittle rock mass is determined using the Biot Hodograph Method. The condition for instability of the tunnel can be inferred from the wing crack density, which characterizes the degree of rock damage around the tunnel.     

Numerical modelling of three-dimension stress rotation ahead of an advancing tunnel face

As underground excavations and construction works progress into deeper and more complex geological environments, understanding the three-dimensional redistribution of excavation-induced stresses becomes essential given the adverse consequences such stresses will have on the host rock strength and the subsequent excavation stability. This paper presents the results from a detailed three-dimensional finite-element study, which explores near-field stress paths during the progressive advancement of a tunnel face. These results demonstrate that as the tunnel face approaches and passes through a unit volume of rock, the spatial and temporal evolution of the three-dimensional stress field encompasses a series of deviatoric stress increases and/or decreases as well as several rotations of the principal stress axes. Particular emphasis is placed on the rotation of the principal stress axes as being a controlling factor in the direction of fracture propagation. If this orientation changes in time, i.e. during the progressive advancement of the tunnel face, the type of damage induced in the rock mass and the resulting failure mechanisms may also vary depending on the type and degree of stress rotation. The significance of these effects is discussed in terms of microfracture initiation and propagation, brittle fracture damage and rock strength degradation. Further analysis is also presented for varying tunnelling conditions including the effects of tunnel alignment with respect to the initial in situ stress field, excavation sequencing and elasto-plastic material yielding. Implications with respect to the new Gotthard base tunnel, currently under construction in Switzerland, are presented using examples from the nearby Furka tunnel.     

基于特征应力点提出围岩爆破前后损伤比例公式

目前大多数隧道采用的是爆破掘进,炸药爆炸后的冲击应力会对隧道围岩造成不同程度的损伤。隧道围岩的损伤积累会降低围岩强度进而会影响岩体稳定性。岩石的破坏过程在微观上是内部缺陷微裂隙发展、传播、贯通,但岩石的内部微裂隙损伤难于直观观测。笔者通过室内岩石三轴压缩破坏试验和声发射特征试验所获得岩石加载过程的特征应力点判断岩石内部微裂隙发展阶段。特征应力点有裂隙初始应力—原岩损伤强度、爆破应力—凯塞点强度、裂隙贯通应力(长期强度)—原岩强度、抗压峰值强度。基于对围岩破坏过程的特征应力点的研究,提出了围岩爆破前后的损伤比例公式,量化了隧道爆破后围岩相对于原岩的损伤程度。     

深埋隧洞爆破开挖损伤区检测及特性研究

 通过对锦屏二级辅助洞爆破开挖损伤区的检测和数值计算,比较岩体开挖动态过程(包括爆炸荷载和地应力高速释放)及静态过程(地应力重分布)所分别造成的损伤,探明地应力瞬态释放诱发岩体损伤的机制。检测结果表明,地应力的存在对深埋隧洞爆破开挖损伤区具有较大影响。隧洞轴线垂直于最大主应力时的钻爆开挖损伤明显要大于轴线平行于最大主应力时的情况;可以将开挖损伤区分为内损伤区和外损伤区,其中前者主要由爆炸荷载和地应力高速释放二者耦合作用引起,其主要特征是岩体声波速度显著降低;后者主要由应力重分布引起,特征是岩体声波速度缓慢降低。另外,辅助洞实测的岩体内损伤区深度显著大于外损伤区深度,且内损伤区在断面上的分布特性受到开挖二次应力场的影响,表明伴随爆破过程发生的地应力瞬态卸载效应是内损伤区形成的直接原因之一,声波检测检测和数值模拟计算均也证明了这一点。     

Analysis on microseismic characteristics and stability of the access tunnel in the main powerhouse,Shuangjiangkou hydropower station,under high in situ stress

Access tunnel in the main powerhouse of Shuangjiangkou hydropower station was deep buried with high in situ stress and complex geological conditions. Microseismic monitoring technology was established to monitor microcrack evolution process inside the surrounding rock in early excavation stage. Serious falling blocks in the left spandrel of the tunnel were predicted in a timely manner by delimiting major damage areas in the tunnel. Based on comparative analysis on microseismic activity law and field failure characteristics of the access tunnel, a quantitative index was supposed between slight rockburst like falling blocks and microseismic events. Moreover, the change law of daily average apparent stress difference and b value were analyzed based on microseismic event data. In addition, a three-dimensional numerical simulation software (RFPA3D) was used to simulate the damage distribution around the tunnel, and a relationship between spatial position of tunnel damage and direction of the maximum principal stress was qualitatively analyzed. The study results showed that advance speed of the tunnel working face was an important factor affecting the state of stress redistribution in surrounding rock mass, and the change law of b values of microseismic events could be used to predict activity state inside the surrounding rock effectively, which reflected mechanical properties and stress state of surrounding rock. In particular, field falling blocks became more serious with increasing b value, and field surrounding rock was relatively stable with minor b value. A risk of surrounding rock instability was relatively high with small b values. It provided an efficient method of predicting and assessing slight rockburst like falling blocks. The study results can provide significant guidance for field construction and later construction planning.

     

水耦合装药爆破在隧道掘进中的应用

在分析水介质耦合装药结构特点的基础上,根据爆破动力学原理,应用弹性理论和波动理论推导了正入射情况下孔壁岩面上的冲击压力、应力波衰减规律。为了解水耦合装药爆破对岩石的破坏过程,采用有限元软件ANSYS-LSDANA对工程实例进行了数值模拟,并采用数值模拟中的爆破参数进行了现场试验。结果表明:水介质的耦合作用不仅有利于炮孔底部岩石破碎,而且加快了施工进度、改善了施工环境,达到安全增效、降耗的目的。该方法可为其他隧道爆破提供参考,具有重要的推广和应用价值。     

低温冻融条件下岩体温度–渗流–应力–损伤(THMD)耦合模型研究及其在寒区隧道中的应用

 寒区隧道的围岩冻胀问题涉及到岩体温度场、渗流场、应力场以及冻融损伤相互作用的多场耦合问题。在THDM耦合机制分析基础上,基于连续介质力学、热力学、渗流力学、损伤力学以及分凝势理论,建立低温冻融条件下岩体THMD耦合模型。该模型不仅考虑体积应变对岩体温度场和渗流场的影响,温度梯度和渗透压力对岩体应力场的影响,还根据寒区工程实际,考虑冻胀压力和冻融循环对岩体劣化损伤的影响。数值仿真某寒区管道工程的冻胀过程,与现场的实测结果对比表明：该模型能很好地反映岩土体由于负温所产生的冻胀现象。在此基础上,分析极端气候条件下嘎隆拉隧道围岩冻胀力的变化规律,并对隧道在经历不同冻融循环次数后的变形和受力特征进行探讨。研究结果表明：极端气候条件下嘎隆拉隧道围岩的最大冻胀力达到1.6 MPa,冻融循环对隧道衬砌受力影响较大。     

考虑中主应力和剪胀的深埋圆形隧道黏弹塑性蠕变解

深埋圆形隧道的开挖支护是与时间相关的复杂力学过程。为了描述这一过程,假设隧道围岩为Burgers体与Drucker-Prager准则组合的黏弹塑性模型。隧道开挖支护完成瞬时围岩表现为弹塑性,此时考虑中主应力的影响,推导出原岩应力和支护反力共同作用下的应力场;随后,假设此应力场保持不变,隧道围岩表现出随时间变化的蠕变性能,进一步推导出深埋圆形隧道考虑剪胀性能的围岩蠕变位移解析式;结合实际算例,分析围岩剪胀角与支护反力对深埋圆形隧道围岩蠕变位移的影响规律。结果表明,剪胀角的变化会对隧道围岩蠕变位移产生较大影响,而支护反力并不能完全控制高地应力作用下的深埋隧道围岩位移随时间的持续增加。     

浅埋大断面隧道围岩稳定性数值模拟及现场监控量测

浅埋大断面隧道由于开挖断面大、埋深浅、围岩物理力学性质差,开挖后容易产生大变形及变形速度过快,严重影响施工进度和施工安全。本文基于RFPA数值模拟软件,模拟了隧道开挖时掌子面围岩的应力、位移及变形破坏特征;在数值模拟的基础上采用应力和声发射联合法对隧道现场开挖围岩的应力和岩体应力调整进行监测,分析开挖过程中岩体变形与时间和空间的变化关系,得到了掌子面开挖及施工中岩体的变形和变化规律,可以为支护措施的设计与支护时机的选取提供一定的参考建议。