软岩高边坡开挖卸荷变形研究

以大型岩土工程数值分析软件（ADINA）为研究手段,基于卸荷岩体力学理论与方法,对某公路开挖高边坡进行了开挖卸荷分析,综合考虑了初始工况、开挖工况、卸荷工况,加固工况,并与监测数据进行了对比分析,卸荷岩体力学理论考虑了边坡开挖面附近的强卸荷区域以及该区域岩体参数的劣化,计算结果与监测数据吻合较好,进而也验证了卸荷岩体力学理论在边坡开挖计算分析中的合理性。研究成果对边坡的后期运营提供了指导,对其他工程也有一定的借鉴作用。     

小湾拱坝右岸缆机基础开挖边坡的优化分析

基于加锚节理岩体力学模型应用三维弹粘塑性有限元法,对小湾拱坝右岸缆机基础高边坡的开挖过程和加固措施进行了数值仿真计算,进行了两种设计方案的比较和优化分析,对缆机荷载移动、地下水位、岩体强度参数等影响因素进行了敏感性分析,并在此基础上评价了边坡支护加固措施和边坡的稳定性.     

路堑边坡工程的动态仿真分析

高速公路建设中不可避免地会遇到各种结构类型的斜坡,其稳定性状况在很大程度上决定了工程的投资和工期。因此,研究其工程适宜性具有较大现实意义。从影响路堑边坡稳定性的各种因素出发,应用岩体力学理论和数值模拟技术研究边坡开挖过程中的变形破坏特征,分析地下水、时效特性和工程措施优化等对边坡稳定性的影响,对边坡信息化设计和施工具有一定指导意义。研究表明,路堑边坡岩体的变形破坏特征符合卸荷岩体力学行为,在最优坡度设计基础上,应当及时进行加固。     

考虑卸荷作用的裂隙岩体渗流应力耦合研究

大量试验证明,裂隙岩体在加载和卸荷的条件下其渗流与应力特性是不完全相同的。近年来,加载条件下的裂隙岩体渗流应力耦合研究得到了长足的发展,但卸荷作用下的水岩耦合分析还处于初始阶段。基于现有裂隙变形曲线的研究结果,建立了渗透系数与卸荷应力、应变间的本构关系,在此基础上,根据算例分析了各种工况下的渗流和应力特征,其计算结果表明,考虑卸荷后应力场的改变增加了临近坡面的岩体渗透系数,降低了地下水浸润线,增加了边坡的稳定性;考虑渗流后,边坡的位移场和应力场有较大改变,但考虑耦合后位移和应力分布和大小与不耦合时的相差不大;边坡开挖后应力场改变对渗流的影响远大于渗流对位移、应力等的影响。     

岩体卸荷力学特性的数值仿真研究

岩体卸荷力学性质主要表现为非线性和各向异性等特征,与常规岩体试验结果和假定存在着差别,采用数值仿真的方法对卸荷岩体力学特性进行研究,阐述卸荷岩体力学特性研究的重要性;给出了数值仿真分析研究的岩体加、卸载条件;利用大型有限元软件ADINA建立数值仿真模型,对模型进行计算分析,并和已有试验成果进行对比,得出了卸荷岩体力学特性的有关规律。     

卸荷条件下锚杆对节理岩体力学参数的影响

岩体在加载和卸荷条件下,其力学性质有本质的区别。采用数值模拟方法,以ADINA软件为计算平台,研究了卸荷条件下,锚固密度、锚杆长度和岩体性质3个因素对节理岩体力学参数的影响。采用等效变形参数的方法计算节理岩体和锚固体的等效变形模量和泊松比。在分析数值计算结果的基础上,分析了加锚后等效变形模量En与锚固密度N和锚杆长度L之间的关系。     

考虑岩体开挖卸荷边坡岩体质量评价

正确评价开挖后岩体质量并对其进行分类,对研究岩石边坡开挖卸荷后的稳定性有十分重要的意义。以某水电站坝肩高边坡开挖工程为背景,运用卸荷岩体力学的理论与方法,对坝肩边坡开挖岩体进行三维有限元分析。根据边坡岩体开挖后应力应变场的动态变化情况,确定岩体开挖卸荷后质量损伤劣化程度,并根据岩体开挖卸荷后的力学参数,采用RMR法对开挖后的边坡岩体质量进行评价。结果表明,边坡岩体RMR值随开挖后卸荷量的增大基本呈线性递减趋势,进而考虑开挖卸荷影响因素,修正了RMR法中的评价参数,为以后用该法评价开挖后的岩体质量提供参考。     

基于开挖卸荷劣化的边坡岩体宏观力学参数USMR分析评价方法及验证

为研究锦屏某边坡岩体在开挖卸荷条件下的岩体宏观力学参数,对该区砂岩进行室内卸荷试验研究,结果表明：相对于加载试验,卸荷过程中岩样的强度及变形参数发生了劣化,低、高围压下岩石变形及破裂形式也有所不同。为此,在对SMR及CSMR修正的基础上,提出了考虑开挖方式、边坡形态及卸荷损伤的边坡卸荷岩体的评价体系USMR法。基于USMR法对研究区边坡开挖岩体宏观参数（变形模量Em、岩体抗压强度 、岩体抗拉强度 、岩体抗剪强度参数cm和 ）进行了动态分析,并分别考虑了不同围压 及卸荷损伤De条件下岩体参数的劣化规律。分析表明：开挖卸荷过程中岩体宏观参数发生了不同程度的劣化,拉应力区、低应力区和高应力区岩体参数的劣化规律有所不同,拉应力区及低应力区岩体力学参数对开挖卸荷更加敏感。研究结果对边坡开挖卸荷岩体的稳定性分析与评价具有一定指导意义。     

锦屏一级左岸导流洞出口边坡开挖支护有限元模拟

锦屏一级水电站左岸导流洞出口边坡岸坡陡峻,层间挤压破碎带、顺坡卸荷裂隙及深部裂缝发育。边坡开挖将切除部分维持边坡稳定的坡脚岩体,从而对工程边坡及上部变形拉裂岩体的稳定性产生不利影响。基于锚固岩体弹塑性等效本构关系,采用弹塑性有限元法对边坡开挖、加固及地震作用进行了数值模拟,分析了开挖边坡的稳定性,并对初拟的“先锚后挖、边挖边锚”的施工程序的合理性进行了评价,提出了若干对工程建设具有一定指导意义的建议。     

基于卸荷岩体力学的大岗山坝肩边坡水平位移发育的多因素影响分析

在现阶段工程运用中,卸荷岩体力学理论中还需完善和扩充的几个方面为①锚索施加前后卸荷效应对边坡水平位移的影响;②超前开挖锚固滞后的方案会对具体工程岩体水平位移产生的影响;③关键工程结构面连通率对卸荷岩体位移的影响;④地震作用下卸荷岩体的水平位移响应;⑤地震作用下不同连通率对水平向位移的影响。针对此,以大岗山坝肩边坡为对象展开研究。分析指出岩体开挖卸荷后回弹变形和压缩变形都会大于未考虑岩质劣化时的计算变形。同时指出,卸荷条件下两种施工方案对坡面的水平向位移造成的影响较小,为超挖多级而锚固措施相对滞后的现场施工过程的可行性提供依据。统计出各剖面在不同高程水平位移随地震加速度发展特征,建议水平位移随地震加速度呈非线性变化区域为防震抗震重点加固区域。研究发现,连通率的增大会导致卸荷裂隙XL9-15,XL316-1的塑性区发育明显增大,而裂隙范围内塑性区的加剧不会明显地反映在坡面关键点的变化上,开挖工况可能造成表观位移较小的突发性崩塌。     

节理岩体卸荷强度特性的试验研究

卸荷状态工程岩体的强度特性与传统的加载岩体有本质的区别。目前对于岩石卸荷强度特性的研究比较多见,但对于含节理的岩体在卸荷应力状态下的强度特性,尤其是节理面对其强度的影响研究实属少见。本文通过岩体三轴模拟试验研究了卸荷应力状态下节理岩体的破坏特征,突出考虑了节理面性质对卸荷强度的影响,在此基础上提出了节理岩体卸荷强度准则的一般表达式并进行了对比验证。     

矿山采动卸荷岩体力学参数劣化规律研究

矿山开采对采动影响区域内的围岩形成扰动,弱化岩体力学性质,其参数劣化规律是数值模拟与分析计算的主要问题之一。以铜坑矿92#矿体连续采矿顶板诱导崩落试验采场为对象,运用卸荷岩体力学理论,确立了开挖卸荷岩体力学参数计算模拟的计算流程。结合有限元数值模拟方法,建立了岩体卸荷等效模型,进行了6步连续卸荷的计算,得到了地下连续采矿顶板卸荷岩体力学参数的变化规律,并运用多项式实现了卸荷岩体力学参数与卸荷量变化值的函数拟合,获得了采动卸荷岩体力学参数的劣化规律。结果显示,卸荷第6步时,计算不收敛,表明此时顶板已经完全破坏而发生崩落;在卸荷过程中,岩体力学参数均呈逐渐弱化的趋势,其中内摩擦角、凝聚力和弹性模量随开挖卸荷的推进呈逐渐减小的趋势,最终的参数分别相当于初始值的55%、50%和50%,但泊松比呈逐渐增大的趋势,最终值相当于初始值的1.15倍。其结果说明了采动卸荷导致了岩体质量的劣化,卸荷岩体力学参数与卸荷量的函数为采动卸荷力学响应的动态分析提供了理论基础。     

含预制节理岩体卸荷条件下力学特性试验研究

节理对卸荷条件下岩体的力学性质有重要影响。通过含2条不同间距预制断续节理岩体的三轴卸荷破坏试验,研究了节理岩体在卸荷应力条件下的应力-应变特征、强度、变形特征、破坏规律及节理间距对岩体力学性质的影响。研究表明：相比于完整岩体,节理岩体卸荷破坏时从峰值强度跌落至残余强度过程中轴向应变较大,为完整岩体的3～4倍,岩体破坏时极限强度明显低于完整岩体,脆性特征不如完整岩体明显;节理岩体卸荷破坏时,变形模量有较大幅度的降低,其降低程度是同条件下完整岩体的6～7倍,节理间距越大,变形模量降低程度越大;与含预制节理岩样三轴加载试验结果相比,节理岩体卸荷条件下破坏程度更为强烈,除剪切破裂面外,沿最大主应力方向分布的不同级别的张性裂隙非常发育,预制节理的间距对岩体破坏形态影响不大。     

开挖卸荷对砂岩力学特性影响试验研究

卸荷作用广泛存在于人类的工程活动和地质作用过程中,岩体在卸荷条件下的力学特性研究一直是工程界探讨的热点问题之一。根据实际边坡工程开挖后应力变化状态确定试验方案,进行了砂岩三轴卸荷破坏试验,研究了卸荷状态下岩体的应力应变特征、破坏特征及力学参数变化规律,并与加载破坏试验数据进行了对比分析。试验结果表明,卸荷破坏时岩样变形模量随着卸荷量的增加可降低5%～42%左右,二者之间的关系可用指数函数拟合;卸荷破坏时岩体的峰值应变随围压线性增长,残余应变与围压无明显关系;相比于加载破坏,卸荷破坏时岩体凝聚力c值降低了4%左右,内摩擦角? 增加了12%左右;卸荷速率对岩样强度和变形参数有较大影响;卸荷条件下岩体破坏具有沿卸荷方向强烈扩容特征,主要表现为张剪破坏,并伴随有环向裂纹,初始围压越高,卸荷程度越强烈,岩体的破碎程度越高。     

深部开采底板岩体卸荷损伤的强扰动危险性分析

为研究深部高应力岩体强烈的卸荷效应扰动底板破坏并诱发突水的危险性,根据卸荷力学理论,研究了深部开采卸荷对底板扰动破坏的影响,运用离散元软件计算了深部开采底板卸荷损伤的强扰动特征,基于三轴卸荷试验及损伤因子概念推导了卸荷量与损伤因子的关系,获得了底板岩体卸荷的扩展破坏条件,划分了底板卸荷扰动分区,分析了深部开采底板岩体卸荷损伤破坏的强扰动危险性。结果表明：随采深增加,底板卸荷起点及卸荷应力增加,卸荷量却降低,而深部开采较小的卸荷量便造成底板严重损伤破坏;岩体卸荷量越大,卸荷速率、位移量及渗透系数越高,越易致其扩展破坏;裂隙倾角及水平应力与垂直应力比值越小,越易满足底板岩体卸荷的扩展破坏条件。     

Evolution of Rock Cracks Under Unloading Condition

Underground excavation normally causes instability of the mother rock due to the release and redistribution of stress within the affected zone. For gaining deep insight into the characteristics and mechanism of rock crack evolution during underground excavation, laboratory tests are carried out on 36 man-made rock specimens with single or double cracks under two different unloading conditions. The results show that the strength of rock and the evolution of cracks are clearly influenced by both the inclination angle of individual cracks with reference to the unloading direction and the combination geometry of cracks. The peak strength of rock with a single crack becomes smaller with the inclination angle. Crack propagation progresses intermittently, as evidenced by a sudden increase in deformation and repeated fluctuation of measured stress. The rock with a single crack is found to fail in three modes, i.e., shear, tension–shear, and splitting, while the rock bridge between two cracks is normally failed in shear, tension–shear, and tension. The failure mode in which a crack rock or rock bridge behaves is found to be determined by the inclination angle of the original crack, initial stress state, and unloading condition. Another observation is that the secondary cracks are relatively easily created under high initial stress and quick unloading.     

张开穿透型单裂隙岩体三轴卸荷蠕变特性试验

高应力条件下较多岩体工程在开挖卸荷过程中表现出显著的时效变形特征。为研究裂隙岩体在卸荷状态下的蠕变特征,以锦屏I级水电站大理岩为原样制备模型试样,开展了恒轴压分级卸围压三轴卸荷蠕变试验。试验结果表明：试件在破坏时对应应力差最小的是倾角为30°裂隙试样,其次为倾角为60°裂隙试样,倾角为90°裂隙试样最大。从破坏形式来看,完整试件与倾角为90°裂隙试件均呈整体剪切破坏模式,倾角为30°和60°裂隙试件均从裂纹尖端扩展至破坏。变形特征方面,均可采用Burgers模型对各裂隙试样不含加速蠕变阶段的蠕变曲线进行拟合,试样在不同裂隙类型和应力水平下的变形特点则通过参数数值加以区分。该结论与Lemaitre应变等效原理和Sidoroff能量等价原理中有关损伤材料和无损材料间相关关系的基本观点一致。基于此,提出了裂隙岩体损伤蠕变模型,该模型建立了完整岩石与裂隙岩体间的相关关系,对裂隙岩体时效变形特征的进一步研究具有较好的参考价值。     

高应力卸荷条件下大理岩破裂面细微观形态特征及其与卸荷岩体强度的相关性研究

岩石的破裂性质及破裂面的起伏粗糙特征对岩石的破裂机制及破裂面的参数取值具有重要的理论和应用意义。采用高精度的三维激光扫描和扫描电镜技术,结合分形理论,揭示高应力条件下大理岩卸荷破裂性质及破裂面的细微观形态特征,阐述主破裂面粗糙度分形维与卸荷岩体强度间的相关规律。在高应力卸荷条件下,大理岩岩样随着卸荷速率的递增宏观破裂性质由剪切、拉剪复合向张拉劈裂发展。初始围压越高卸荷速率越快,主破裂面越起伏粗糙,而初始围压越高卸荷速率越慢,主破裂面越平坦光滑。随卸荷速率的增大,微观上大理岩逐渐由穿晶剪切断裂、沿晶面张裂+穿晶剪切的复合断裂、沿晶面张裂或劈裂的变化特征。卸荷岩体的内摩擦角随破裂面粗糙程度分形维D的增大而增大,而黏聚力随D的增大而减小。     

锦屏大理岩卸荷本构模型与数值模拟研究

锦屏二级水电站深埋引水隧洞位于高地应力区,对取自隧洞内的大理岩进行常规三轴压缩试验、峰前卸围压试验。基于大理岩的峰前卸荷试验,研究峰前卸荷条件下岩石的变形、参数及破裂特征,建立峰前卸荷条件下岩石的幂函数型Mohr强度准则,给出数值仿真试验中大理岩的峰前卸载条件,利用有限差分程序FLAC3D建立了数值仿真模型,对模型进行了计算与分析,最后与室内试验结果对比,得到峰前卸荷状态下大理岩力学特性的相关规律。研究结果表明,幂函数型Mohr强度准则可较好地反映峰前卸荷条件下岩石的强度特性;卸围压初期,岩石试件呈现出明显的弹塑性特征;卸荷过程中岩石试件发生破坏时的峰值强度和围压降值随着围压增加而变大。研究结论揭示了锦屏大理岩卸载应力路径下的力学特性,具有一定的理论参考价值。