不同倾角多层节理深部岩体开挖变形破坏规律模型试验研究

深部资源开发中地下洞室围岩稳定控制必须面对峰后碎裂岩体的变形和破坏问题,目前深部多裂隙岩体开挖强卸荷引起的围岩变形破坏规律尚不清楚,常导致大体积塌方、大变形等重大工程事故。采用大尺度三维模型相似试验系统,分析具有不同倾角的多层节理的岩体在高地应力下开挖变形破坏规律。试验结果表明：裂隙倾角较小时,隧道上、下侧围岩主要发生大变形,左、右侧围岩呈现分层破裂现象,随着裂隙倾角增大,破裂区从洞室左、右两侧逐渐扩展到洞室全周,顶部岩体越容易发生大体积滑塌;隧道围岩由内向外应力和位移值呈波动状分布;洞周塑性区范围随裂隙倾角增大而增大,裂隙倾角越大,洞周塑性区越容易与洞室上、下侧裂隙面连通。该研究为保障深部工程的安全修建与运营提供了试验基础。     

大埋深高地应力硬岩TBM隧洞围岩破裂变形规律研究

大埋深、高地应力隧洞围岩变形问题是制约TBM隧洞安全及高效施工的关键性因素之一。隧洞埋深大、地应力高、岩石强度高、工程条件复杂,在施工过程中因开挖卸载,围岩变形随时间及应力集中程度不同表现出不同的破裂变形形式,引发拱顶沉降、拱底隆起,严重威胁施工人员及机械设备安全。本文选取引汉济渭工程秦岭隧洞岭北段K45+534.70~K45+701.92区间,分析了围岩破裂形式、隧洞拱肩及拱顶变形特征,探讨了高地应力条件下围岩破裂变形过程,揭示了围岩破裂变形规律及内在机制,提出了高地应力硬岩隧洞围岩破裂变形支护措施。结果表明:大埋深、高地应力围岩在切向应力作用下发生以劈裂为主的张剪破坏,表现为岩爆及静态脆性破坏(片帮、溃屈、板裂)两大类。隧洞围岩破裂变形分为急剧变形、快速变形及缓慢变形3个阶段,前两个阶段可达总变形量的60% ~80%;隧洞拱顶变形随应力条件不同可能出现二次甚至三次加速变形,初次加速主要原因为张开裂隙、岩板剪胀及部分岩板挠屈弯折,发生速度快、持续时间短;二次加速主要由岩板挠屈弯折及岩块碎胀引起,变形速度小但持续时间长。针对高地应力隧洞围岩破裂变形特征,提出了包括吸能锚杆、钢筋挂网、钢纤维混凝土等在内的围岩支护措施,为相似工程TBM隧洞安全高效施工提供了工程经验与理论依据。     

铁矿深埋巷道围岩变形与地应力关系研究

随着大量深埋地下工程的建设,尤其是大型矿山,与巷道围岩稳定有关的各种地质灾害问题突出,因此其一直备受关注。某铁矿巷道埋深450～800m,变形剧烈,局部持续大变形,呈条带状臌出。地应力实测结果表明,矿区地应力总体特征为σv≥σH〉σh,现今水平构造作用明显,最大水平主应力为13-21MPa,接近岩体自重。大变形洞段围岩为裂隙化岩体,强度低,蠕变性明显。有限元分析表明,巷道开挖后在边墙与顶拱和底板交界处产生约40MPa的高应力,造成了围岩变形破坏。后期围岩在高应力作用下产生大变形,其宏观变形破坏特征与软岩相似。另围岩加固与支护发现,普通的挂网喷锚支护已很难适应高应力条件下的岩体大变形。论文基于地应力实测结果,通过对巷道围岩大变形成因机制的探讨以及原加固支护效果的总结,为后期巷道围岩变形破坏的防治提供了参考。     

高应力区隧道围岩变形破坏的数值模拟及物理模拟研究

隧道失稳和维护困难是高地应力隧道的普遍问题,对隧道的支护设计提出了更高的要求。研究从地下工程岩体应力环境变化和岩体强度变化的角度探讨了高应力隧道围岩的变形破坏机制。根据重庆某深埋隧道围岩实际情况,运用FLAC3D三维显式有限差分法分析软件,建立了摩尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。通过隧道的三维数值计算,分析了高应力环境下隧道周边塑性区分布、应力场、位移场等的分布特点,得到了高应力隧道围岩在高地应力环境下的破坏规律。通过物理模型验证了高应力隧道围岩的破坏特点,并进行了超载试验,将其与数值模拟进行对比,进一步验证了所建数值模型的科学性。     

大型硬岩地下硐室围岩二次应力场特征弹脆塑性分析

结合某水电站硬岩地下厂房开挖,运用FLAC3D软件,对不同地应力环境中大型地下硐室开挖围岩的二次应力场的大小变化、分布特征及其对围岩稳定性的影响进行了三维弹脆塑性数值模拟分析。分析结果表明:①在低地应力环境中,顶拱浅部围岩1σ随开挖逐渐增大,2σ基本不变,3σ在顶拱开挖时迅速降低。而在较高地应力环境中,在顶拱开挖时,应力处于三向迅速卸荷状态;②无论在较高还是低应力环境中,边墙和底板浅部围岩的应力变化路径基本一致,开挖出露时,均处于三向卸荷应力状态;③较高地应力环境中的应力松弛区、集中区及围岩塑性区的分布范围和深度均比较低地应力环境中开挖要大(深);④开挖结束后,围岩的σ1平行于硐室轮廓线,而σ3指向开挖面;⑤硬岩大型地下硐室开挖,由于围岩浅部应力差迅速增大,岩体可能出现脆性破坏,甚至出现岩爆现象。     

基于数字散斑技术的深埋隧道围岩岩爆倾向相似材料试验研究

利用相似材料模拟方法,借助数字散斑观测技术,对深埋隧道围岩岩爆倾向进行试验研究。分析考虑材料强度、开挖速度和支护作用影响下的岩爆发生和破坏规律,寻求岩爆发生与深埋隧道变形破坏之间内在的联系。试验结果与现场实际发生岩爆强度较高的岩石类型花岗岩、闪长岩等相比,破坏特征相似,且围岩强度越高,岩爆发生可能性越大;在高地应力状态和完整岩体中开挖速度对岩爆的发生影响较大;锚网支护对隧道围岩变形有一定的控制作用,也可一定程度上避免岩爆发生。支护试验结果与现场实际支护效果一致,随支护强度提高,隧道抵抗力增加,整体变形减小、稳定性提高。所得试验结论为深埋隧道的合理设计和安全开挖提供技术指导和理论依据,对革新深埋隧道开挖技术和支护技术具有重要的意义     

花岗岩隧道脆性破坏的温度效应研究

目前深埋硬岩隧道的岩爆等脆性破坏研究还较少考虑到温度的作用效应。采用精细网格数值模型,提出热-脆性-精细力学计算方法,应用能反映高地应力下硬岩脆性破坏特点的岩体劣化模型,结合能量计算指标,开展了不同温度作用下隧道硬岩脆性破坏的热力耦合分析。以瑞典APSE花岗岩隧洞岩柱为例,进行不同地温下隧道破坏区、能量释放值和应力指标的定量化对比研究。研究结果表明,隧道地温的增加将使岩体产生附加温度应力,进而增大其脆性破坏程度,计算结果与隧道现场的破坏规律基本一致。热-脆性-精细力学计算能合理描述硬岩的损伤和渐进破坏过程,计算结果较好地揭示了花岗岩等硬岩深埋隧道脆性破坏的温度作用效应,对于高应力、高地温下深部工程的稳定性评价具有指导意义。     

深埋脆性岩石力学参数评估与变形特性探讨

隧道工程开挖深度有逐渐增加的趋势,深部岩石具高强度及高应力环境。虽然脆性岩石在高围压应力下,将转而呈现延性特性,但隧道开挖所产生的径向解压,使隧道周边一定范围内的岩体处在低围压状态,故这部分围岩的变形仍由脆性性质所掌控。对于脆性岩石呈现峰后强度弱化特性,文中汇整各种岩石峰后强度弱化参数评估方法后,提出结合Hoek-Brown准则与岩心试验的强度损失试验评估法。以实际工程案例分析结果显示,600 m埋深时岩石峰后强度弱化与否,对隧道围岩变形量影响不大,但隧道埋深超过2 000 m后,变形量的差异将达到3～4倍左右,显示脆性岩石峰后强度弱化特性,对深埋隧道施工变形影响不可忽视。     

隧道的埋深划分

随着大埋深特长山岭隧道的日益增多,过去关于隧道埋深的划分显得过于粗糙,有必要进行更详细的分类.隧道按埋深分类应考虑的主要因素之一是围岩的变形破坏方式,而后者与围岩的初始应力状态密切相关.大多数山脉的初始地应力架构基本类似,即,σHmax、σHmin分别与山脉走向垂直和平行,σv/σHmin随标高的变化而变化.鉴于大多数长隧道都与山脉走向垂直,根据σv/σHmin、围岩变形方式、变形破坏位置及围岩自承能力等,将隧道划分为浅埋隧道、深埋隧道和超深隧道三大类,它们的临界深度分别为(2～2.5)hq和500m.     

基于3D打印的裂隙岩体力学特性尺寸效应及各向异性初探

裂隙岩体力学参数的尺寸效应和各向异性是岩石力学与工程领域亟待解决的难点问题。充分利用3D砂型打印技术快速成型、可批量制备复杂内部结构岩体模型的优势,以石英砂和呋喃树脂为打印基材,制备不同尺寸和旋转角的裂隙网络类岩石试件。通过单轴压缩试验研究裂隙网络岩体力学特性的尺寸效应,揭示裂隙密度与强度之间的相关性,分析表征单元体尺度岩体力学特性的各向异性。结果表明：3D砂型打印试件的力学性能与真实岩体相似,应力-应变曲线可划分为初始压密、弹性变形、裂纹萌生与扩展和峰后破坏4个阶段。试件抗压强度与试件边长之间呈指数衰减关系,存在显著尺寸效应性质。裂隙密度与抗压强度之间呈显著的负指数关系,基于裂隙密度与抗压强度确定的岩体表征单元体尺度具有良好的一致性。裂隙岩体的破坏模式和抗压强度具有显著的各向异性特征。研究方法从3D打印角度为复杂裂隙岩体尺寸效应及各向异性的室内试验研究提供了可靠途径。     

锦屏二级水电站大理岩复杂加卸载应力路径力学特性研究

地下洞室开挖围岩经历典型径向卸载、环向加载应力路径,由此引起的岩体强度、变形特征和破坏机制也不尽相同。针对锦屏二级水电站高地应力赋存环境,对施工排水洞大理岩开展常规单轴全应变、三轴压缩、卸围压、卸围压-加载轴压等4种不同应力路径力学试验,得到应力-应变全过程曲线、变形破坏特征和极限储能变化规律。试验研究结果表明, （1）锦屏二级水电站大理岩破坏时轴向应变一般较小,为硬脆性材料,卸荷应力路径下该脆性特征更为明显;（2）卸围压同时加载轴压试验峰值强度对应轴向应变、环向应变及体积应变值一般高于单纯的卸围压值,而对应峰值强度则一般低于卸围压值;（3）卸荷速率较大时,变形模量越大,大理岩峰值强度越低。加载速率越大,变形模量越小,峰值强度越高。初始围压越高,变形模量值越低,峰值强度越高;（4）无侧限作用时试件主要为张拉破坏,低侧限作用时为剪切破坏为主,局部存在张拉破坏,较高侧限时,剪切面为典型X或Y型;（5）岩石试件具有极限储能值,该值受多种因素的影响。一般情况下试件破坏对应围压越高,极限储能值越高,卸载速率越大,极限储能值越小。研究结果对于岩爆孕育发生机制解释以及工程实际问题的解决均有参考价值。     

高地应力硬脆性围岩开挖损伤区时效性扩展案例分析——特征与机制

硬脆性围岩在开挖完成后，其强度在高应力的影响下具有明显的时间效应，这导致围岩开挖损伤区的发展也呈现出与时间相关的特征。在岩石强度时效性演化模型的基础上，以锦屏二级水电站试验洞钻孔摄像、声波、变形监测等开挖损伤区实测结果为目标函数，采用正交设计方法、最小二乘支持向量机模型、粒子群优化算法等方法，建立了考虑时间效应的LSSVM-PSO智能反演分析方法，并以锦屏二级水电站试验洞为例，研究了开挖完成后的25 d里，围岩强度在高地应力条件下的时效性演化特征，进而获得这一时段内开挖损伤区扩展过程。研究结果表明：（1）高应力地区，隧洞开挖后，围岩损伤区的主要扩展方向受地应力控制，且最大扩展方向为最小主应力方向，且破坏区（破坏接近度FAI≥2）也集中于该方向； （2）开挖损伤区面积随时间近似呈S形曲线变化，表明开挖损伤区初始发展较为缓慢，随着时间推移呈现线性增加的趋势，最后又逐渐趋于稳定；（3）开挖后第3～10 d为开挖损伤区快速增长阶段。该研究成果对高应力地区硬脆性围岩开挖损伤区时效性演化研究具有指导意义。     

地下洞室围岩脆性破坏时的应力特征研究

在高应力作用下,岩爆、钻孔崩落、片帮都是地下空间硬脆围岩中常见的破坏现象,这三类现象本质上均可归于完整岩体的脆性破坏,它们分别反映了高应力作用下完整岩体不同的破坏程度。通过对前人关于岩爆判据、钻孔崩落判据和片帮应力强度比判据研究成果的类比分析可知,这些脆性破坏现象在破坏时具备相同的应力背景条件。脆性破坏的应力条件可以用地下空间周边切向最大应力与岩石单轴抗压强度之比（ / ）或者工程区最大主应力与岩石单轴抗压强度之比（ / ）来描述,两种指标本质上反映了相同的应力背景条件。对于 / , / = 0.4 ± 0.1是发生脆性破坏的应力临界条件;对于 / , / = 0.15 ± 0.05是发生脆性破坏的应力临界条件。大量的工程实例和基于Hoek-Brown强度准则的力学分析也证明了这一背景条件的正确性。这里两种指标都取了一个范围,主要是由于不同的岩体分级、岩性和工程地质条件会对指标的界定产生较为显著的影响。     

深部复合地层TBM开挖扰动模型试验研究

针对全断面隧道掘进机（TBM）开挖过程掌子面岩体软硬交替变化的特点,以兰州水源地建设工程为背景,采用模型试验与数值模拟方法研究了复合地层TBM开挖过程隧洞围岩的动态响应规律。通过开展相似配比试验配制了不同围岩强度比的复合地层岩体相似材料,运用光纤光栅技术全程捕捉了隧洞开挖过程复合地层应变演化规律,并分析了隧洞围岩的宏观破裂形态。模型试验结果表明：TBM推进过程中复合地层应变变化规律体现了掌子面推进的空间效应,软岩部分应变要大于硬岩部分应变,且随着开挖步数的增加两种岩层应变差值越大;隧洞内岩体完全挖除后,围岩宏观破裂形态表明因复合地层岩体物理力学性质的差异,上覆软岩变形破坏较为严重,破裂和变形较为显著,在软、硬岩层交界面出现“变形不协调”现象。选取工程沿线某洞段的地质力学参数,基于破坏接近度（FAI）指标评价了隧洞开挖过程中复合地层围岩的稳定性,数值结果表明：开挖过程软岩中FAI变化较为明显,塑性区和破坏区分布范围更广,而下部硬岩受开挖扰动影响较小,只有拱底小范围岩体进入破坏状态。模型试验和数值结果均说明交替变化的掌子面岩体在开挖过程中其围岩在变形破坏等规律方面存在明显差异,因此,TBM在复合地层施工可采取重点部位监测预警、提前采取相应措施等手段,减少或避免卡机事故的发生。该研究成果对于指导复合地层TBM施工具有一定的借鉴和指导意义。     

大理岩单轴压缩时滞性破坏的试验研究

在深埋地下岩石工程开挖过程中,岩爆是多发的工程灾害,且大多表现出明显的时滞性,即大部分岩爆并不是随开挖而即时发生,而是会滞后开挖一段时间。针对深埋地下岩石工程围岩发生时滞性岩爆的实际应力特征,开展了锦屏二级水电站大理岩单轴压缩时滞性破坏试验研究。试验结果表明：在应力峰值前的长时间单轴压缩作用下,硬脆性大理岩的破坏表现出明显的时滞性;大理岩岩样在时滞性压缩破坏过程中会产生大量的竖向裂纹,破坏时会产生大量的片状破裂碎屑;岩样发生时滞性破坏时的环向应变不仅大于自身的轴向应变,而且也大于其常规单轴压缩破坏时的环向应变;当环向应变接近或超过轴向应变时,大理岩发生剧烈脆性破坏的可能性将明显提高。研究结论对于深入认识岩爆的时滞性机制以及建立时滞性岩爆的预测方法具有重要的意义和启示。     

考虑软弱夹层厚度的岩体力学响应及破坏特征研究

作为一种典型的地质结构,软弱夹层与硬脆性岩体共同形成了围岩层状复合结构,进而显著影响着隧洞围岩的稳定。以往对含软弱夹层的复合岩石的研究多集中于单轴、双轴或常规三轴,对隧洞临空面处真三轴应力路径下的复合围岩力学性质和破坏特征缺乏分析讨论。通过制作的含不同厚度的软弱夹层复合岩样,探讨了软弱夹层厚度对隧洞临空面围岩力学响应和破坏特征的影响。研究表明：软弱夹层厚度显著影响着复合岩样峰值应力和应变,随着厚度的增大,软弱夹层上方岩块向临空面方向的滑移变形逐渐增大,软弱夹层压缩变形逐渐减小;复合岩样靠近临空面的岩石单元破坏模式随着软弱夹层厚度的增大逐渐由拉剪混合破坏转变为张拉破坏,且宏观裂隙数量和破坏范围均逐渐减小,而远离临空面的岩石单元则由剪切破坏逐渐转变为基本无损伤断裂;不同厚度的隧洞侧帮复合围岩的破坏区域均集中在软弱夹层及其上方围岩处,软弱夹层下方围岩则基本保持稳定;在应力分布方面,软弱夹层厚度越大,最大压应力越向深部软弱夹层处转移,而拉应力区分布范围越小,但拉应力区深度越大。     

拉-压应力状态下脆性岩石强度及破坏机制颗粒流模拟

高地应力区地下岩体工程开挖常形成围岩拉-压应力状态,发生岩体张性破坏灾害。本文针对传统PFC平行黏结模型不能模拟脆性岩石高单轴压缩与拉伸强度比的问题,建立双抗拉强度参数的平行黏结强度准则,开展岩石拉-压数值模拟试验,得到了与物理试验接近的拉-压强度,实现了岩石高压拉强度比的模拟,并深入分析了破坏机制。研究结果表明随着围压的增加,破裂面倾角逐渐增大,由拉伸破裂转化为拉-剪破裂,发现了拉-压应力状态下破裂面处的雁行裂纹。根据细观颗粒位移场揭示了破裂面力学性质,随着围压的增加(破裂面倾角逐渐增大),破裂面张性逐渐减弱而剪性增强。可将拉-压应力状态下岩石损伤演化过程大致分为弹性变形阶段、稳定破裂发展阶段、不稳定破裂发展阶段和整体破裂阶段(峰后应力跌落及残余阶段)。围压较大时弹性变形和稳定破裂发展阶段相对较短,不稳定破裂发展阶段相对较长较剧烈,峰后残余阶段破裂面摩擦更强、应力波动较大。