非线性硬化与非线性软化的巷、隧道围岩塑性分析

在符合岩体实际的弹性、应变非线性硬化和具拐点的非线性软化的三段式光滑连接应力-应变关系条件下,求得静水压力下圆形巷、隧道围岩塑性硬化区和软化区的应力分布表达式。证明了所求得的巷道围岩径向和切向应力曲线在硬化区半径 和软化区半径 处均光滑连接,特别是所求得的切向应力 - 曲线没有尖峰向上的应力集中,此结果与日本学者久武胜保的试验结果一致。指出基于理想弹、塑性本构模型的Kastener解有明显缺陷,其 - 曲线尖峰向上的应力集中与实际不符。     

巷道围岩状态的等效应力等效应变表述

在体积应变为零的条件下,根据巷道围岩属简单加载的特性得到围岩中同时关联三向应力 , , 和三向应变 , , 的,用等效应力 和等效应变 表示的对围岩加载-形变关系式。严格地论证了巷道围岩的弹性、硬化、软化和流动区的应力应变状态分别与围岩的等效应力-等效应变曲线各阶段的应力应变状态相对应。以等效应力、等效应变为中间变量可以简化围岩弹性分析,简捷地写出巷道围岩偏应力应变能的计算公式。等效剪应力 是围岩中的最大剪应力 ,等效剪应力单元受正应力和剪应力作用,但其上只有剪切应变,这突出了巷道围岩形变破坏是由于最大剪应力和偏应力应变能所致的实质。根据等效剪应力概念确定的滑移线,可适用于材料应变硬化和软化阶段,不要求刚塑性假定条件。     

深埋圆形巷道围岩塑性区位移及特征曲线新解和参数分析

考虑中间主应力、脆性软化、剪胀特性、塑性区弹性模量及弹性应变定义等综合影响,提出深埋圆形巷道弹塑性计算的基本假定,进而建立围岩塑性区位移及特征曲线新解,对其进行可比性分析与比较验证,并详细探讨各因素影响特性。所得围岩塑性区位移及特征曲线新解是不需要借助任何数值算法的理论解析解,具有广泛的适用性和很好的可比性。研究结果表明:巷道结构的强度理论效应即中间主应力影响显著,相应的支护可以减弱或改用轻型支护;不考虑脆性软化或剪胀特性都将低估围岩实际位移,工程设计偏危险;半径相关的塑性区弹性模量得到的围岩变形及特征曲线处于上、下限之间,能体现巷道开挖卸载受扰程度的距离渐进性变化;塑性区弹性应变应优先选用更合理和准确的第三定义,且各因素之间存在相互影响。     

地下洞室开挖过程围岩应变能调整力学机制

深埋洞室岩体开挖过程中,围岩应变能的聚集和释放是洞室发生灾变破坏的重要诱因。针对圆形洞室开挖,分析和比较初始地应力准静态和动态两种不同卸载方式下围岩应变能的调整过程,基于能量角度判定了围岩损伤范围。研究表明：伴随地下洞室的开挖,岩体能量靠径向应力做功的方式在围岩中由远及近传递,并导致近区围岩应变能聚集;初始地应力动态卸载诱发围岩应变能先减小后增大,先对靠近开挖面的相邻岩体通过径向应力做功的方式释放自身的应变能,随着卸载应力波的继续向前传播,远离开挖面的相邻岩体又通过径向应力对其做功的方式促使其应变能聚集;相比初始地应力准静态卸载,动态卸载条件下高应变能聚集程度导致围岩损伤破坏范围更大。     

高应力软岩巷道围岩与支护结构相互作用分析

基于Mohr-Coulomb应变软化模型,将收敛-约束法应用于高应力软岩巷道围岩-支护相互作用分析中,构建典型支护结构特征曲线。以FLAC3D数值模拟软件为工具,分析应变软化模型、剪胀角及不同巷道断面类型对围岩-支护相互作用的影响,并对支护系统稳定性进行评价。研究结果表明：考虑应变软化行为的围岩所需支护压力与Mohr-Coulomb模型计算结果相差较大,剪胀角对围岩应力释放过程及围岩-支护相互作用影响较小,巷道不同断面形式及断面不同位置点围岩所需支护压力有一定差异性;初期支护系统的稳定性是围岩与支护系统最终稳定的关键,采用收敛-约束法评价高应力软岩巷道初期支护系统的稳定性,对高应力软岩巷道的支护结构设计及施工具有一定指导意义。     

岩爆破坏过程能量释放的数值模拟

岩爆是地下岩石开挖中的一种工程灾害现象,是岩体结构发生破坏时,由于内部储存的弹性能释放并转换为动能而造成动力形式的破坏。岩爆破坏过程中的能量释放与岩体在应力峰值前后的应力-应变特性紧密相关。另外,施工中开挖速度引起的加载速率的变化也会对岩爆的产生有明显影响。以岩体全过程应力-应变曲线试验为基础分析岩爆破坏过程。分析中采用的模型考虑了岩石峰值后应力-应变特性及加载速率的影响。运用数值方法对岩石洞室的开挖过程进行了模拟,在模拟中对岩体破坏的发生及弹性能释放过程进行了分析。数值分析结果显示,岩体洞室开挖过程中岩石破坏由岩体表面向岩体内部发展,岩石的弹性能释放率也随着破坏的发展而不断增加。分析结果还显示,岩体破坏时的弹性能释放速率会随着开挖速率的提高而明显增加。     

矿井深部巷道围岩变形浅析及控制

矿井深部巷道开挖后处于裂隙、塑性、弹性围岩包围范围内。通过计算对包围巷道围岩的3种圈层范围的力学性能进行分析,进而阐述了巷道的变形机制,得出了塑性圈层围岩内的应力应变表述式。对于选择巷道的支护机制,经济有效的控制裂隙化圈层范围的扩大,改善其应力状态,提高其自身的残余强度和承载能力,对深井巷道锚杆综合支护体系的选择,提供了一定的理论支持。     

圆形硐室岩爆的折迭突变模型

均匀围压下圆形硐室岩爆是传统意义上的软化区内岩环经过塑性变形局部化阶段完成的。当处于极限状态的塑性变形集中区承载能力下降时, 岩环中相对完好部分以弹性方式卸载,当后者释放的弹性能超过前者塑性变形所耗散的能量时便发生岩爆。简捷地通过等效应力 和等效应变 关系建立突变模型对硐室岩爆进行了分析, 将状态变量 用软化区半径 来表示。分析表明: 岩爆发生条件与硐室岩体的升降模量比 和岩体裂隙发育程度 的乘积有关; 对于特定冲击倾性的岩体,存在对应的临界软化区深度 , 即软化区深度达到 时便发生岩爆;还给出硐室岩爆释放地震能等计算式,岩爆释放的地震能量级则与硐室软化区深入程度有关。     

基于统一强度理论深埋圆形隧道围岩的剪胀分析

基于连续介质理论中岩体的剪胀角与围压和塑性剪切应变密切相关,隧洞周边岩体的应力状态因开挖卸荷而发生应力重分布,迫使其围压由原地应力逐渐衰减,塑性剪切应变不断增加,引起剪胀效应呈非线性变化。首先,基于统一强度理论和非关联流动法则,将潜在塑性区围岩按等围压释放划分为若干同心圆,提出了考虑中间主应力和非线性剪胀性的有限差分法,计算应变软化围岩的力学问题,并以实例验证其正确性。其次,通过参数分析,研究塑性区内岩体的剪胀角受中间主应力、临界软化系数和支护力的影响规律。研究结果表明,中间主应力主要影响剪胀角的峰值,随着中间主应力效应增加,剪胀峰值增加;临界软化系数主要影响剪胀角的变化率,随着临界软化系数的增加,剪胀角变化缓慢;中间主应力和临界软化系数共同影响塑性区剪胀角的变化;随着支护力的增加,洞壁处的剪胀角增加;双剪强度理论计算的位移值较小,应谨慎采用,同时采用Mohr-Coulomb强度准则时可以适当考虑围岩的承载潜力。     

考虑岩体峰后非线性软化的衬砌压力隧洞应力解

采用弹性－塑性非线性软化―裂缝区三阶段围岩模型,根据全量理论将真实岩体单轴应变非线性软化特征推广,得到复杂应力状态下岩体等效应力和等效应变关系,在此基础上对衬砌压力隧洞在等压荷载作用下进行弹塑性分析。推导出了围岩裂缝区、塑性软化区、弹性区和衬砌内任一点的应力与位移的解析计算式,得到了衬砌边缘岩体开始产生塑性变形的临界内压力。该解析式具有广泛的适用性,基于理想塑性介质的解答如Kastner解和完全脆性介质的解答均为特例。     

基于厚壁筒三维解析模型的深部洞室围岩分区破裂化机制研究

为研究深部洞室围岩的分区破裂化机制,建立了厚壁筒三维线弹性解析模型。逐步减小厚壁筒均布内压,模拟洞室静力开挖。逐步增加厚壁筒轴向均布压力,模拟洞室开挖导致洞室轴向应力集中。逐步增加厚壁筒外周非均布压力系数,模拟洞室开挖导致洞室水平应力的重分布和集中效应。根据弹性力学知识和边界条件,确定洞室开挖引起的弹性应力场、应变场及位移场。从拉压域、应变梯度及径向压拉蓄能等3个方面入手,分别研究了内压静力卸荷、水平应力重分布、围压均匀部分及轴压对深部洞室围岩分区破裂的作用机制。结果表明：径向弹性拉伸能和径向弹性压缩能的相对变化反映了围岩能量释放速率和释放量。水平应力重分布和轴压是围岩出现分区破裂现象的主要因素,但两者作用机制不同。该模型可为研究高地应力深部洞室围岩破坏提供一个较统一的理论工具,也为深部工程设计提供了理论依据。     

Q2饱和黄土隧洞围岩变形特征研究

Q₂饱和黄土含水率高,强度低、变形大。饱和黄土隧洞围岩变形破坏一直是工程界关心和亟待解决的问题。利用隧洞围岩收敛变形、二次应力场监控量测与数值分析,获取隧洞围岩动态综合信息,研究在一次支护条件下,隧洞围岩的收敛变形和应力变化特征。结果显示,隧洞围岩收敛变形和应力在最初的10~15天呈线性快速增长趋势。后期,收敛变形随时间呈非线性增加,受一次衬砌的限制,其变形在隧洞开挖30~40天后渐趋于稳定,但应力持续增加,反映Q₂饱和黄土隧洞围岩具有显著的时效特性。为避免隧洞围岩压力过大,造成隧洞围岩及支护破坏,建议在开挖后30~40天施作二次衬砌。     

基于能量增减法的深埋绿片岩隧洞稳定性评价方法

基于对现场地质条件和开挖响应的直观认识和对岩石室内试验所得物理力学特性的深刻揭示,建立了深埋条件下软弱围岩大变形挤压程度分级方法及相对应的安全系数计算方法。该方法考虑到隧洞原岩集聚的能量过大是造成开挖后围岩失稳的根本原因,将隧洞原岩能量和围岩的总变形与弹性变形之比相结合,分析了隧洞的围岩稳定性状况,并在此基础上通过增减隧洞原岩能量得到了其安全系数。通过实际工程应用及与传统经验评价方法的对比,验证了该方法的合理性与适用性。该方法考虑了围岩的地质情况、断面形状、尺寸、开挖方式等多种因素,弥补了传统经验评价方法无法适应复杂多变的现场工程施工情况的不足,更加贴近实际。可为大变形隧洞的安全预测、开挖方案、支护设计等提供重要参考依据。     

考虑扩容的围岩局部破坏过程中声发射及能量释放的数值模拟

本文模拟了巷道开挖之后,围岩发生局部破坏过程中的声发射及能量释放的演变规律,其中考虑了围岩的峰后扩容特性。介绍了FLAC中扩容角的引入方法,对于剪切而言,仅第3塑性主应变的增量才与扩容角有关。阐述了统计声发射及能量释放的方法,前者仅统计事件的数目,而后者可以考虑事件的大小。研究发现,扩容角的增加会使巷道围岩中的剪破坏单元数及所释放的能量提高;会使V形坑变大、变钝、变深,这是由于第3主应力与剪切带之间的夹角增加的结果。解释了设置固定的抗拉强度,单元却发生拉伸软化及释放拉伸应变能的原因。从与能量释放有关的量的演变规律中一般能发现V形坑式破坏的前兆,而从声发射数上则不然,这反映了统计事件大小的优势。如果将扩容角置零,会低估围岩的破坏范围及释放的能量,但是对于巷道围岩的再次平衡却是有利的。     

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。     

不等跨连拱铁路隧道围岩压力分布及受力特征模型试验研究

以兰渝铁路新作坊隧道洞口明挖段不等跨连拱结构为背景,采用室内模型试验的方法,对不等跨连拱铁路隧道围岩压力分布及受力特征进行研究。试验结果表明：隧道水平侧压力均小于竖向围岩压力,拱顶处侧压力小于墙脚处侧压力,小洞侧侧压力系数平均为0.55,大洞侧侧压力系数平均为0.65;中隔墙顶部围岩压力均大于拱顶处围岩压力,且大洞拱顶围岩压力约为小洞的1.2倍;隧道结构总体为小偏心压弯构件,大洞所承受的轴力总体比小洞承受的轴力大20%～30%;隧道先后在大小洞靠近中隔墙的拱腰及仰拱处破坏,最终发生整体失稳;靠近中隔墙的大小洞拱腰及仰拱是设计施工时应重点关注的部位;最终获得不等跨连拱铁路隧道的围岩压力分布模式,研究结果可以直接指导新作坊隧道结构的设计与施工,有利于完善不等跨连拱隧道设计施工理念。     

深埋隧道地质构造发育段围岩压力的特点

以龙厦铁路象山特长隧道地质构造发育、埋深大于500 m段围岩压力及围岩变形的现场测试资料为依据,对大埋深隧道地质构造发育段围岩压力的特点、变形压力的形成机制等进行了研究。研究表明：大埋深隧道,结构面或褶曲、逆断层发育,但地下水不发育的地段,即使围岩强度较高,隧道开挖后仍可能出现较大的变形;围岩较大变形主要是由于在自重应力和残余构造应力作用下被挤密的结构面在隧道开挖后因侧向限制消除而张开、扩容引起的,受其影响,初期支护将受到较大的围岩变形压力。上述地段围岩压力具有下列特点：（1）地下水不发育区段的围岩压力比地下水发育区段的大;（2）隧道纵向发育向斜的区段,拱顶至拱腰段围岩压力最大,越趋向于向斜核部,拱顶围岩压力越大;（3）发育褶曲的断面,与褶曲轴线垂直方向的围岩压力较大;（4）发育逆断层的断面,与断层倾向相反侧的围岩压力较大,该侧断层面附近的围岩压力最大,对侧断层面附近的围岩压力最小;（5）下台阶的围岩压力比上台阶的小,两者的相对差随上、下台阶施工间隔时间的延长而增大。     

金坪引水隧洞围岩变形稳定性评价

金坪引水隧洞埋深较大,部分洞段岩体强度较低,洞室开挖后由于二次应力的作用围岩有可能产生变形,因此合理的评价隧洞围岩变形稳定性问题具有重要的工程意义。鉴于此,文章针对金坪引水隧洞围岩变形稳定性问题,对隧洞在大埋深环境下的围岩应力分布特征进行了数值模拟分析,利用与围岩的应变率和岩体抗压强度相关的两种评价方法,分析了可能发生围岩变形的部位和洞段,对引水隧洞围岩变形稳定性做出了综合评价。