深部层状节理岩体分区破裂模型试验研究

随着地下工程开挖深度的增加,深部洞室围岩将产生不同于浅部洞室的分区破裂现象。为深入研究深部岩体分区破裂现象的形成机制和影响因素,以淮南矿区丁集煤矿的深部巷道为工程背景,利用模型相似材料和高地应力真三维加载模型试验系统,首次开展了带有软弱夹层的层状节理岩体的真三维地质力学模型试验。结果表明：（1）在满足一定应力条件下,带有软弱夹层的层状节理试验模型出现明显的分区破裂现象;（2）软弱夹层是影响层状节理岩体分区破裂现象的重要因素,在相同的应力条件下,软弱夹层使得巷道围岩的径向位移和应变明显增加;并且软弱夹层的间距越小,洞周破裂区的层数越多,范围越大;（3）洞周破裂区的形状近似为圆形,与是否存在软弱夹层及软弱夹层间距均无关。模型试验结果有效揭示了分区破裂的影响因素,为深入研究高地应力深部岩体的非线性变形破坏特征奠定了坚实的试验基础。     

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。     

金川矿区深部巷道开挖损伤数值模拟研究

在地下深处开挖巷道会诱发应力的急剧调整,无疑会使围岩产生不同程度的损伤。开挖的动态作用虽然持续时间较短,但造成的损伤为后续时效变形和工程扰动影响下的失稳破坏提供了基础条件。为了能够得到开挖作用引起的金川矿区深部巷道损伤区演化规律,从而对巷道损伤破坏进行针对性的防治,本文基于矿区的实际巷道埋深和岩体结构种类,采用等效开挖模拟方法和非均质模型进行了巷道开挖损伤问题的数值模拟研究。模拟结果揭示了在不同水平和岩体结构条件组合情况下开挖损伤区的演化过程和规律。根据研究区巷道的损伤破坏规律,本文提出了深部巷道开挖损伤演化的5种模式,并揭示了各种模式的诱发条件、表现特征、力学机制及发展趋势。相关认识和结论期望为理论和工程实践提供一定的借鉴和参考。     

开挖条件下节理围岩锚固效应的模型试验研

介绍了节理岩体中开挖洞室并加以锚固的模型试验。模型尺寸为180cmX140cmX15cm。共研究对比了14个不同工况。其变换因素为：两相互为正交的节理组具有不同倾角；不同节理间距；不同初始地应力和施加锚杆或不施加锚杆。结果表明，围岩变形主要受节理变形控制而垮落区则完全由开挖自由面与不连续面的不利组合所制约。岩锚可以显著地减少围岩变形和破坏。最后，用离散元方法对一个试验工况做了数值计算对比分析。     

节理围岩特性及其锚固效应模型试验研究

通过堆砌尺寸为１８０ｃｍ×１４０ｃｍ×１５ｃｍ的大比尺结构模型，依据两组正交节理的不同倾角和间距、地应力及洞周有无锚杆等不同组合的１６种工况进行地下洞室分步开挖模型试验，研究节理对洞室围岩变形破坏的影响及锚杆对节理围岩的锚固效应．试验首次应用ＣＣＤ画像处理法和光学照相法进行位移观测．结果表明，岩体的变形大部分是由节理变形引起的，围岩塌落区完全由开挖自由面与节理的不利组合所控制，围岩变形主要由洞室尺寸、节理倾角及间距、地应力等决定．锚杆能大幅度减少围岩的变形破坏，垂向位移减少更甚，预应力锚杆使围岩变形进一步减小．     

节理分布空间变异的地下洞室稳定性概率分析

以岩土材料力学参数空间变异性的"点估计-有限元"分析方法为基础,结合节理分析时自身存在几何模型、网格划分等特性,扩展了该方法在节理分布空间变异性分析方面的适用性,明确了具体的研究步骤与方法。以某抽水蓄能水电站为例,通过分析节理空间变异性对围岩变形与塑性区的影响,验证了扩展后该方法的准确性和合理性。对工程案例开挖揭露的1400余条节理进行概率统计,建立了节理空间变异性的有限元分析模型;采用扩展后的概率分析方法,研究了节理分布对地下洞室群围岩开挖稳定性的影响。研究结果表明:(1)对比概率分析得到的围岩变形概率分布与现场监测结果,发现剔除变形异常点后监测变形量值大部分位于得到的位移概率分布范围内,说明节理的空间变异性是导致监测变形波动的主要影响因素;(2)围岩变形概率分布的标准差能有效识别出围岩开挖变形受节理空间变异性的影响程度,对于所给出的案例依次为:机窝>边墙>顶拱;(3)围岩塑性区的概率分区能合理判断地下洞室群开挖时受节理影响较大的区域和范围,为工程施工的支护设计提供依据。     

开挖条件下节理围岩锚固效应的模型试验研究

介绍了节理岩体中开挖洞室并加以锚固的模型试验，共研究对比了１４个不同工况，其变换因素为：两相互为正交的节理组具有不同倾角；不同节理间距，不同初始地应力和施加锚杆或不施加锚杆。结果表明，围岩变形主要受节理变形控制而垮落区则完全由开挖自由面与不连续面的不利组合所制约，岩锚可以显著地减少围岩变形和破坏，最后，用离散元方法对一个试验工况做了数值计算对比分析。     

高强石膏材料配比研究及其在围岩试件(厚壁圆筒)开挖卸荷试验中的应用

研究巷道(隧道)围岩的开挖卸荷效应的有效途径之一是进行小型围岩试件的开挖卸荷试验。为便于制备和掌控小型围岩试件的强度,首先选用高强石膏类材料进行了配比试验,获得了试件强度范围5~20 MPa所对应材料的配比,研究各相似材料成分对试件强度的影响规律。其次制作、加工了小型围岩试件(高290 mm、内径为100 mm、外径为200 mm厚壁圆筒型)。采用具有自主知识产权的巷道围岩开挖卸荷模型试验系统,对小型围岩试件进行了缓慢开挖卸荷和破坏的模拟试验。开挖卸荷过程在力学原理上可以模拟实际工程的开挖条件,即先对围岩试件施加轴压、外压和内压,以模拟原岩应力。开挖(即卸荷)时,卸载内压,保持其他两向压力不变。试验过程中采集到围岩试件轴向和切向两个方向的应变数据,获得了开挖卸荷全过程的应变–时间曲线及应变随内外压差的变化关系。试验结果表明,轴向应变和切向应变随卸荷幅度加大而逐渐增大,而且呈现内侧应变大于外侧,试件在卸荷过程中向内膨胀;同一测点其切向应变大于轴向应变。卸荷破坏时围岩试件破坏发展路径朝向洞内即沿径向发生破坏,破坏形态呈现分层破裂现象。     

洞群模型试验中微型多点位移计的设计及应用

地质力学模型试验是研究大型地下洞室群围岩稳定性状况的重要方法,但是,许多制约因素使得这类试验难以达到预期效果,其中包括试验过程中物理量的量测问题。以双江口水电站地下洞群稳定性为研究对象,开展了模型试验为准确量测三维应力状态下洞群模型试验中围岩内部的微小位移,设计、制作和安装了高精度微型多点位移计,获得了围岩在开挖全过程中的位移变化规律曲线,同时,还开展了与模型试验相对应的数值模拟。将试验结果与数值模拟结果进行了对比分析。研究结果表明,设计成功的微型多点位移计能够广泛应用在各类岩土工程模型试验之中。     

基于非连续变形分析方法的深部沿空掘巷围岩变形破坏及控制机制对比研究

利用非连续变形分析方法（DDARF）对单节理锚固试件在单轴压缩条件下的变形破坏及裂隙扩展过程进行分析,并以深部厚顶煤综放沿空掘巷--赵楼煤矿11302工作面轨道巷为工程背景,应用DDARF对沿空巷道围岩的变形破坏及控制机制进行研究,同时利用地质力学模型试验及现场试验进行对比验证。重点分析了沿空巷道围岩裂隙演化规律,并定义裂隙率 及裂隙减少率 两个指标对DDARF计算中的沿空巷道裂隙演化规律进行定量分析。研究结果表明：采用DDARF方法对单节理试件在无锚和加锚条件下的单轴压缩试验计算与室内试验结果相吻合;对沿空掘巷过程中巷道围岩变形情况进行DDARF计算,结果显示,围岩变形呈现沿空帮>顶板>实体帮>底板的变化趋势,与模型及现场试验监测数据相符;根据 及 两个指标对计算得到的无锚和加锚沿空巷道围岩裂隙发育情况进行定量分析,结果显示,沿空巷道围岩破坏趋势为 ,与变形趋势相一致;虽然锚固效果明显,但由于Ⅰ区、Ⅱ区本身围岩破碎严重,支护后裂隙率最大的 仍然是裂隙率最小的 的2.13倍,为了维护围岩稳定性,除了进行锚杆（索）非对称支护外,还应对Ⅰ区、Ⅱ区关键部位增加支护措施。DDARF方法关于沿空巷道围岩变形破坏的计算结果与实际工程相近,可有效开展裂隙演化与变形破坏机制研究,分析此类巷道的控制对策。     

大型地下洞室群地震模拟振动台试验研究(Ⅱ):试验方案设计

为了解大型地下洞室群在地震过程中的动态响应特征,以大渡河流域的大岗山水电站大型地下洞室群为原型,开展地震模拟振动台物理模型试验研究。作为国内外首次进行此类振动台试验研究,系统介绍整个试验的方案设计。首先,根据本次试验的目的和特性,给出试验基本简化原则,并对模型体系进行相似设计,按照完全相似模型推导出各物理量的动力相似常数、确定模拟范围、模型尺寸和相似材料配比。然后,对试验边界条件进行设计,确定了作为柔性边界的聚苯乙烯泡沫板的材料和几何参数,制作了用于测量围岩内部应力的应变砖传感器,并介绍模型制作、洞室成型与开挖等工艺步骤;最后,确定试验输入波形,并按相似理论要求进行调整,给出模型试验的加载工况。经后期试验数据的分析,证明试验条件简化合理,模型设计与制作成功。一整套模型设计方法与制作工艺,可供今后类似试验作为参考。     

基于遍布节理模型的竖井工程破坏机理研究

为揭示金川二矿区14行风井的破坏机理,本文首先根据井筒工程地质条件,建立了集1#矿体和14行风井在内的三维数值模型;然后,采用遍布节理模型分析了采动对14行风井稳定性的影响,从井壁位移和应力方面探索了金川二矿区14行风井的破坏位置和破坏时间。结果表明,导致金川二矿区14行风井破坏的直接原因为采动引起竖井围岩沿弱面的滑移,除此之外,复杂的工程地质条件和低强度的支护形式也是造成14行风井破坏的原因,为14行风井返修加固提供依据。     

武汉岩土所三项成果分别荣获93年度中科院科技进步一等奖和三等奖

武汉岩土所三项成果分别荣获９３年度中科院科技进步一等奖和三等奖１、金川镍矿二矿区不良岩层巷道稳定性研究（一等奖）本研究解决了金川镍矿岩层破碎和高地应力条件下的地下巷道开挖、支护难题。本课题从地质力学调查、现场岩石力学试验、数值分析到工程实践等７个专题...     

弱胶结西域砾岩引水隧洞围岩抗力特性试验研究

弱胶结西域砾岩物质成分复杂、胶结较差,其力学性质十分不稳定,为科学反映弱胶结西域砾岩地层高压引水隧洞围岩的抗力特性,采用径向液压枕现场试验方法与基于传统承压板变形试验结果的完全弹性模型以及考虑开挖卸荷影响的弹塑性模型的理论估算方法,对弱胶结西域砾岩引水隧洞围岩的抗力特性进行综合研究。分析结果表明:(1)径向液压枕现场试验方法获得弱胶结西域砾岩围岩抗力系数为6.02~26.03MPa/cm;(2)根据承压板法等常规变形试验结果,采用完全弹性模型估算弱胶结西域砾岩围岩单位抗力系数为7.46~13.54MPa/cm,采用考虑开挖卸荷影响的弹塑性模型其估算结果为5.00~13.54MPa/cm;(3)受西域砾岩的颗粒组成特征及现场变形试验承压面积限制,根据承压板法获得的岩体变形模量,采用理论估算方法获得的围岩抗力系数较径向液压枕法试验结果偏低;(4)径向液压枕法现场试验结果反映了地应力环境、围岩材料特性、开挖卸荷影响等多因素影响下的围岩抗力特性,可为西域砾岩引水隧洞开挖及围岩衬砌提供直接可靠的围岩综合抗力系数。     

八字岭分岔式隧道的三维地质力学模型试验研究

用地质力学模型试验成功地模拟一段分岔式隧道是一项系统工程,它包括确定模型试验模拟的范围和比尺,正确地选择模型试验的相似材料,设计并加工模型试验的台架和模型的制作,开挖与测试。对模型试验这一系统工程做了较为详细的介绍。模型试验结果表明,按照设定的试验工序,试验的新材料适合各类模型试验,试验台架满足试验所需要的刚度,模型易于制作和开挖、测试效果良好。     

佛子岭抽水蓄能水电站地下厂房施工开挖过程的FLAC3D数值模拟

选取佛子岭抽水蓄能水电站地下厂房区,采用三维快速拉格朗日法（FLAC3D）模拟施工开挖过程,研究了洞室群围岩的开挖变形形态和应力状态,分析了围岩和调压井高边坡在自重荷载作用下的开挖稳定性。通过对地下厂房洞室群区的加固处理,分析了围岩在加固后的力学特性。利用FLAC3D程序的Ubiquitous模型,引入了一组主要节理裂隙,分析了此组节理裂隙对地下洞室群围岩的开挖变形及整体稳定性的影响,并与无节理裂隙的数值模拟结果进行对比,综合评价了节理裂隙对洞室群围岩稳定性的影响。     

双江口工程地下洞室群围岩损伤及稳定性研究

对四川省双江口水电站工程的地下洞群的节理岩体围岩稳定性进行研究,分别采用了弹塑性模型、节理岩体断裂损伤模型进行数值分析。在弹塑性模型中,采用锚固等效法来模拟锚杆及锚索的支护效果。断裂损伤模型以损伤及断裂力学原理为基础,运用损伤本构模型和损伤演化方程在FLAC3D软件的框架下开发出子程序,考虑了岩体中节理裂隙对洞室围岩稳定性的影响,进而得到用上述的模型和计算程序分析出的围岩塑性区、损伤演化区和位移规律。将两种模型的计算结果与相应工程模型试验的结果进行了比较分析。研究结果表明,损伤模型更接近工程实际情况,与模型试验结果更为接近     

三向FBG应变传感器及在隧道开挖模型试验中的应用研究

基于模型相似材料,研制了适用于模型试验的三向FBG(fiber Bragg grating,光纤光栅)应变传感器,克服了传统的光纤应变传感器力学干扰大等缺点,且简化了力学传递过程。采用有限元方法重点分析了胶体弹性模量对传感器力学传递特性的影响,试验中选择了弹性模量为300MPa的胶体,其应变传递系数为0.662,传感器的灵敏度为0.794pm -1。将该FBG应变传感器用于隧道开挖模型试验中,分别研究支护台阶法开挖、支护全断面开挖及无支护全断面开挖方式下的围岩应变分布状况。传感器监测结果表明,支护台阶法开挖围岩的稳定性较好。该试验为研究隧道不同开挖方式与支护方式提供了可靠的数据支撑。     

不同荷载下矩形巷道围岩变形及声发射特性试验研究

为研究不同初始地应力下矩形巷道在开挖卸荷过程中围岩的变形破坏特征以及声发射(AE)特性,使用水泥砂浆浇筑胚体并加工成矩形巷道围岩试件,进行开挖卸荷模型试验,得到顶板、隅角和帮部围岩的变形破坏特征以及AE撞击计数、损伤变量、频谱的演化特点。试验结果表明:(1)矩形巷道在开挖卸荷过程中以顶板和帮部围岩径向受拉、隅角围岩切向受压变形为主,且顶板围岩变形特征与帮部类似。(2)地应力量级增加,对顶板(巷帮)的径向以及隅角围岩的切向应变速率影响显著,对其他方向影响较小。(3)AE撞击计数和损伤变量的演化特征揭示了围岩试件内部微裂隙萌生、扩展以及宏观裂缝出现直至发生主破裂的损伤过程;地应力越高,主破裂发生的时间会相对推迟,且开挖卸荷后的相对损伤比重随初始地应力增加呈非线性增长。(4)AE信号峰值频率集中区段增多,且幅值逐渐升高的现象可看作围岩即将发生主破裂的前兆信息;地应力越高,峰频集中区段分布越广。(5)随地应力增大,围岩试件内壁展现了从微裂纹―分层碎胀―块状剥落的变化过程;矩形巷道破坏形式主要以顶板和帮部围岩的张拉性隆起为主,并伴随离层碎胀现象,隅角围岩在试件失去承载力时表现为压剪破坏的特征。     

开挖引起巷道变形的弹性软材料物理模拟实验研究

通过室内模拟试验的方法再现工程现场的巷道变形现象,是研究巷道变形发生条件和机理的一个重要途径。鉴于传统水平固化法在模拟开挖位移场方面的不足,本文基于成岩地质体无初始应变能的“记忆”固化压力假说,配制超低强度材料,并通过相似理论分析证实了所选材料的可取性。采用竖直固化的方法并利用自制的实验装置,得到具有记忆固化压力的、无初始应变能的模型体,利用该模型可有效模拟材料在固化或固结过程中物理力学性质随深度变化的特性。对此,以金川二矿区14行剖面为原型,模拟了在自重体积力作用下由于双中段开挖引起的巷道变形现象和规律,模拟结果与现场实测以及数值模拟结果相符合。在此基础上,对开挖引起巷道变形现象的发生条件和机理进行了分析。