大伙房水库输水隧洞地应力场特征

为了解大伙房水库输水隧洞地应力场分布对洞室围岩稳定性的影响,采用地质力学方法研究了该区构造形迹特征,阐明了地应力场演化特征,首次将应力场演化划分为4个期次,并结合实测地应力数据建立了工程区地应力场分布模型。结果表明该区是以水平残余构造应力为主的中应力区,最大水平主应力方向为近EW,与洞轴线夹角为39°~46°,对围岩稳定性影响较大。     

考虑卸荷时间的深埋巷道附近破坏特性研究

巷道开挖卸荷即巷道附近围岩应力重分布,卸荷速率影响应力场,开挖卸荷本质上是动力问题。根据弹性力学知识并假定卸荷过程符合时间参数 的函数,基于Hamilton原理,获得考虑卸荷时间的巷道附近应力场演变规律。系统概括不同埋深条件下巷道附近应力场特征,并针对深埋巷道地应力较围岩强度大的特点,详细地分析考虑剪切及拉伸破坏时巷道附近破坏特征。结果表明,自巷道壁由近及远出现以剪切破坏、未破坏、拉伸破坏为主要特征的现象,也即以“剪切破坏+未破坏+拉伸破坏”为主要特征的状态是巷道附近可能破坏模式之一,并且该现象与围岩性质及卸荷时间相关。     

地下洞室分期开挖应力扰动特征与规律研究

针对地下洞室开挖扰动分析中常忽略应力主轴旋转以及应力扰动无法量化的现状,以大岗山水电站地下厂房为研究实例,根据主应力方向与洞室横断面及洞轴线之间的几何关系,定义了描述应力主轴旋转的特征角。研究表明,洞室开挖引起了顶拱和边墙不同程度的应力释放和主方向旋转,围岩主应力均在开挖当期卸荷强烈,主应力方向在开挖当期和后继一个开挖期中旋转强烈,且顶拱和边墙部位主应力方向调整具有一定的共性,表现为最小主应力方向最终近似垂直于洞室开挖面,而最大主应力与中主应力方向则近似在平行于开挖面的平面内调整。在此基础上,考虑应力主轴旋转影响,定义应力扰动指标SDI作为描述洞室围岩应力场扰动程度的力学表征量,研究了大岗山水电站地下厂房围岩应力场扰动的时间演化过程和空间分布特征,并将数值模拟得到的强应力扰动区与现场测试的开挖损伤区进行了对比分析,相关认识和结论具有一定理论和工程意义。     

基于斜坡变形演化的岩体强度估算方法

由于斜坡岩体所受的应力场在空间上具有分区性,导致相同岩性与结构特征的岩体其强度参数是不同的。研究斜坡变形演化过程中应力场的空间分布特征,揭示斜坡演化过程对岩体强度参数的影响,对斜坡岩体稳定性评价与优化设计起着举足轻重的作用。以北盘江善泥坡水电站上坝址岩体为例,在工程地质岩组划分的基础上,利用Hoek-Brown强度准则初步估算各岩组强度参数;恢复斜坡的原始地形并建立相应的数学力学模型,根据斜坡不同时期的变形演化特点,应用FLAC3D软件模拟斜坡岩体变形演化过程中应力场的空间分布特点,以此为基础进一步划分上述岩组,最后根据岩体所受的真实应力与Hoek-brown准则估算新分组后的斜坡岩体强度参数,得出更加符合实际情况的强度参数。      

考虑开挖损伤的高放废物地质处置库温度-渗流-应力耦合数值模拟方法

高放废物地质处置库处于温度-渗流-应力（THM）多场耦合环境中,对高放废物处置库进行安全评估时,需进行多场耦合分析。然而高放废物处置库开挖引起硐壁附近围岩应力重分布,产生损伤,导致围岩热学参数（T）、渗流参数（H）和力学参数（M）发生变化,且在空间上分布不均匀,这将会对运营期处置库THM耦合演化过程产生显著影响。通过分析高放废物处置库温度-渗流-应力三场的耦合原理和处置库围岩损伤的分布和演化规律,定义了损伤变量和损伤演化准则,并将损伤变量与热学参数、渗流参数、力学参数以及多场耦合参数（Biot系数、Biot模量和温度排水系数）建立联系,将围岩损伤与温度-渗流-应力建立联系,形成了一个弹塑性损伤温度-渗流-应力多场耦合数值模型,然后利用建立的模型对瑞士Mont Terri高放废物地质处置库围岩加热试验进行模拟,对比了模拟值和试验值,比较了考虑开挖损伤和不考虑开挖损伤对高放废物地质处置库温度-渗流-应力的影响,并分析了在多场耦合作用下开挖损伤的演化规律。     

卸荷条件下围岩的细观损伤及力学特性研究

为了获得卸荷破坏过程中巷道/隧道围岩的细观损伤演化规律及力学响应,使用颗粒离散元法对围岩卸荷内部细观损伤进行了数值模拟,结合卸荷试验厚壁圆筒围岩试样卸荷破坏特征,分析了初始应力对围岩破坏及力学特性的影响。研究发现：（1）卸荷诱发的裂纹分布于试件内孔壁周围,在卸荷应力调整影响下,裂纹聚集并逐渐向外壁发散扩展,呈现类似沙漏型的损伤破坏。（2）卸荷作用产生的裂隙数量随着应力增加呈现指数增长,且卸荷后裂隙数量增长速度显著高于卸荷过程中裂隙数量增长速度。（3）当卸荷应力低于围岩单轴峰值强度的80%时,卸荷过程中应力能够充分调整,且在卸荷后保持稳定;而当卸荷应力高于围岩单轴峰值强度时,卸荷过程中应力调整不充分,卸荷后一段时间内应力会继续调整,导致围岩破坏。（4）初始应力对围岩卸荷损伤破坏及力学特性影响显著,应力越大,卸荷后围岩出现损伤破裂的时间越早。     

考虑开挖损伤的高放废物地质处置库温度-渗流-应力耦合数值模拟方法

高放废物地质处置库处于温度?渗流?应力（THM）多场耦合环境中,对高放废物处置库进行安全评估时,需进行多场耦合分析。然而,高放废物处置库开挖引起硐壁附近围岩应力重分布,产生损伤,导致围岩热学参数（T）、渗流参数（H）和力学参数（M）发生变化,且在空间上分布不均匀,这将会对运营期处置库THM耦合演化过程产生显著影响。通过分析高放废物处置库温度?渗流?应力三场的耦合原理和处置库围岩损伤的分布和演化规律,定义了损伤变量和损伤演化准则,并将损伤变量与热学参数、渗流参数、力学参数以及多场耦合参数（Biot系数、Biot模量和温度排水系数）建立联系,将围岩损伤与温度?渗流?应力建立联系,形成了一个弹塑性损伤温度?渗流?应力多场耦合数值模型,然后利用建立的模型对瑞士Mont Terri高放废物地质处置库围岩加热试验进行模拟,对比了模拟值和试验值,比较了考虑开挖损伤和不考虑开挖损伤对高放废物地质处置库温度?渗流?应力的影响,并分析了在多场耦合作用下开挖损伤的演化规律。     

深部高应力软岩巷道耦合支护效应研究及应用EI北大核心CSCD

巷道要经历开挖前稳定、开挖扰动、支护稳定或再破坏的演化过程,巷道稳定状态受原岩应力场-开挖扰动应力场-支护应力场相互作用的影响。采用FLAC^(3D)分析了不同预紧力与间排距条件下锚杆、锚索产生的围岩支护应力场的分布特征,定义了围岩应力扩大系数k来表征围岩应力的扩散效果,揭示了锚杆、锚索预紧力耦合支护效应。针对朱集西矿深部巷道特征与地质条件,提出了锚网索喷+U型钢支架+注浆+底板锚注分步联合支护技术方案,开展了三维相似材料模型试验,验证了该支护技术方案的合理性与可行性,揭示了深部高应力软岩巷道围岩变形破坏与支护结构受力演化规律,并成功应用于工程实践,解决了深部高应力软岩巷道支护难题。监测结果表明,该联合支护方案有效地控制了深部高应力软岩巷道围岩大变形与底臌,保证了巷道围岩与支护结构的长期稳定及安全。     

深部高应力软岩巷道耦合支护效应研究及应用

巷道要经历开挖前稳定、开挖扰动、支护稳定或再破坏的演化过程,巷道稳定状态受原岩应力场-开挖扰动应力场-支护应力场相互作用的影响。采用FLAC~(3D)分析了不同预紧力与间排距条件下锚杆、锚索产生的围岩支护应力场的分布特征,定义了围岩应力扩大系数k来表征围岩应力的扩散效果,揭示了锚杆、锚索预紧力耦合支护效应。针对朱集西矿深部巷道特征与地质条件,提出了锚网索喷+U型钢支架+注浆+底板锚注分步联合支护技术方案,开展了三维相似材料模型试验,验证了该支护技术方案的合理性与可行性,揭示了深部高应力软岩巷道围岩变形破坏与支护结构受力演化规律,并成功应用于工程实践,解决了深部高应力软岩巷道支护难题。监测结果表明,该联合支护方案有效地控制了深部高应力软岩巷道围岩大变形与底臌,保证了巷道围岩与支护结构的长期稳定及安全。     

深隧道围岩稳定性的数值模拟与模型试验研究

在大型真三轴模型试验机上进行隧道的超载试验,试验过程中采用内窥摄影实时监测试件的破坏演化全过程,确定了高应力条件下隧道的变形特征和裂纹演化特征;采用应变测量技术对隧道关键部位的应变值进行了测量,据此分析了围岩体的应力变化规律。针对相似材料的力学特性,建立了应变软化模型,采用与模型试验相同的边界条件进行了数值模拟分析,对围岩体的塑性应变变化过程和应力场进行了研究。结果表明,两种手段反映的破坏演化过程是基本吻合的,所反映的围岩体应力变化规律也是一致的。     

某工程大型地下厂房围岩应力状态研究

以某大型水利工程拟建地下厂房为典型实例 ,应用二维非线性有限元分析方法 ,研究大跨度、高边墙地下厂房区二次应力场分布规律 ,并评价围岩的稳定性。     

澜沧江某电站左岸地下洞室群围岩稳定性的FLAC~(3D)分析

在岩体结构模型概化的基础上,采用FLAC3D数值分析方法,系统研究了澜沧江某大型水电站大跨度、高边墙地下洞室群开挖完成后围岩的二次应力场、变形场和塑性破坏区的变化特征。总结了地下洞室群围岩应力、变形和破坏区的分布特征和变化规律,为洞室群稳定性评价和工程施工设计提供了基础资料和参考依据。     

二郎山隧道围岩二次应力场特征分析

围岩二次应力场是地下工程开挖后地应力释放并重新进行调整形成的,其分布和大小与工程地质条件及施工状况有关,并且直接影响着施工安全和支护措施的优化。本文利用适于现场操作的改进型应力恢复法现场测试围岩的二次应力场,结合数值模拟研究其沿隧道轴线及横断面方向的变化,分析其与原始地应力场、围岩类别、断裂构造、浅表生改造、地下水状态及施工状况等因素的相关性,不仅为地下工程围岩二次应力场研究提供了资料,而且为隧道信息化施工及时提供了信息。      

南京石膏矿特大突水灾害机理研究

发生于2006年9月11日的南京石膏矿特大突水灾害不仅改变了矿区及外围的地下水流场, 并引发了矿区地面沉降变形, 对地表附属物产生了一定的破坏作用, 造成了包括矿山关闭在内的巨大财产损失。南京石膏矿涉及典型的深部矿山地质工程问题, 影响地下开采稳定、矿山灾害和环境问题的主要因素是矿体及围岩的岩性结构及岩体结构构造, 特别是断裂构造及其影响带裂隙发育情况、富水性、导水率。围岩的岩溶强烈富水带的存在是矿坑突水的直接水源; 矿体的软岩特性、矿山开采扰动使采场周围的应力场重新分布、开采对断裂构造及裂隙带等结构体的活化作用都加剧了突水灾害的发生。     

采动影响下巷道围岩变形与破坏的弱结构面效应

岩体中弱结构面的产状要素和力学参数是影响深部巷道围岩变形和破坏的重要因素。通过对金川矿区地下开采过程中发生的与弱结构面效应有关的巷道变形特征、破坏模式与机理分析得出,在断层附近或穿过断层开挖时,往往会引起断层活化,引发巷道变形和破坏。当在节理岩体中开挖时会使围岩中低强度的节理裂隙等弱结构面正应力减小,抗剪强度降低,从而发生相对滑移、变形。此外,与巷道开挖相比,矿体开采的影响不仅在持续时间上,还是在影响以及程度上都是造成巷道变形和破坏的弱结构面效应更加显著的主要原因。     

高应力区露天转地下开采岩体移动规律

以金川龙首矿为例,基于2003―2008年长达12期的GPS实测数据,按照时空分布比较分析总体变形趋势,得出整个矿区的地表沉降特征、平面位移特征、行线（勘探线）随时间变化的沉降和平面位移特征。据此分析了以水平构造应力为主导的高应力区露天转地下开采引起岩体的变形规律,并与该矿闭坑之初的变形规律比较,通过理论分析的方法对产生差异的原因进行初步解释,并用数值模拟的方法加以验证,其研究结果对认识露天转地下开采引起的岩体移动、破坏特征,指导矿区安全生产有积极意义     

我国某地下油库预可行性研究地应力测量及其应用分析

本文运用水压致裂地应力测量方法,对我国某地下油库预可行性研究工程场区两个钻孔进行了地应力测量。测量结果表明:最大和最小水平主应力(S_H,S_h)都远大于对应深度处的垂向应力(S_v),三向主应力的关系为:S_H > S_h > S_v,应力大小在该深度范围属中等偏大级别;工程场区最大水平主应力方向近EW方向,与测点外围确定的区域最大水平主应力总体方向较为一致;建议未来地下硐库长轴按近EW分布,地应力状态、岩体结构构造、岩石强度等基本保证了其岩体稳定性。      

“构造地质学”发展方向的一些思考

构造地质学是地质学的核心基础学科,其发展方向是目前构造地质学家面临的挑战之一。本文从构造作用的本质出发,试图对构造地质学的发展方向进行思考。构造作用本质上是岩石和矿物对应力作用的响应,包括物理响应和化学响应,进而用数学方法进行表达:(1)物理响应主要表现为变形,包括脆性变形和韧性变形。岩石的力学性能决定了其变形特征。岩石圈力学性能在时间和空间上的不均一性一直是研究岩石圈变形行为的巨大挑战。需要结合野外观测、岩石力学和流变学研究,并借助多尺度模拟方法来建立不同时间尺度和空间尺度下岩石的变形行为和变形准则。(2)化学响应主要指构造应力作用下岩石和矿物发生化学变化的过程,即应力化学作用。变形变质作用、剪切带成矿作用、剪切带石墨化、应力生气和生烃等方面都可能存在应力化学过程,但其详细过程和反应机理还需要进一步探究。(3)运用数值模拟、量子计算对以上这些构造过程进行数学表达,也是构造地质学未来发展值得关注的方向。总之,构造地质学未来的发展方向应是与物理学、化学乃至数学等基础学科的深度融合。     

澜沧江某电站左岸地下洞室群围岩稳定性的三维数值模拟

在岩体结构模型概化的基础上 ,采用三维有限元数值分析方法 ,系统研究了澜沧江某大型水电站大跨度、高边墙地下洞室群开挖完成后围岩的二次应力场、变形场和塑性破坏区的变化特征。总结了地下洞室群围岩应力、变形和破坏区的分布特征和变化规律 ,为洞室群稳定性评价和工程施工设计提供了基础资料和参考依据。     

深部岩体非线性蠕变规律研究

对深部工程中不同深度的巷道围岩在高地应力作用下的蠕变破坏过程进行了数值模拟，得到了时间-蠕变、水平地应力-蠕变曲线组和时间-水平地应力-蠕变三维曲面。应用Mohr-Coulomb和Griffith破坏准则，获得了高地应力岩体的蠕变破坏规律，并计算验证了郑榕明和孙钧提出的非线性流变理论。