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。     

分布埋入式光纤与隧道衬砌耦合性能试验及应用

为探究埋入式光纤与隧道衬砌的耦合性能，分别从理论与试验两个方面进行研究，并在实际工程中进行了验证。构建了光纤、中间体和基体结构力学分析模型，进行光纤应变传递机制理论分析，计算了光纤应变传递效率；使用钢筋混凝土梁模拟隧道衬砌，进行了2组不同加载速率的试验。其中，在同一根梁内（同一工况）设计6种光纤的布设方式，以位移控制的方式在梁跨中部位进行单点多级加载，使用BOFDA（布里渊散射光频域分析）技术分别对6条光纤进行监测。试验结果表明：6条光纤均可以有效监测梁从开始加载至钢筋开始屈服阶段，光纤与梁耦合性最好；钢筋开始屈服直至梁破坏阶段，光纤应变不再增加甚至减小或呈现出光纤断裂的状态，此过程光纤与梁耦合性较差；除开槽埋入式光纤的有效监测应变差为3 000×10?6外，其余布设方式光纤有效监测应变差为2 000×10?6；光纤在长距离（>>146 mm）埋入式布设情况下可认为其应变传递效率接近100%，2组不同试验结果呈现相似规律。在北京市新机场线地铁暗挖隧道CRD工法区间进行了工程应用研究，监测结果表明分布埋入式光纤布设工艺是可行的，可为分布式光纤技术在地下工程结构监测中的应用提供有价值的参考。     

煤矿长斜井TBM施工安全风险分析与趋势预测

对煤矿长斜井盾构机（tunnel boring machine,TBM）施工的风险因素进行了识别,建立了二层次的风险评估指标体系,并确定了风险等级分类标准,利用熵权法确定风险指标的权向量,进而建立了基于集对分析法的煤矿长斜井TBM施工同异反评估模型。在此基础上利用偏联系数的理论确定了文中五元偏联系数的计算方法,根据改进的集对势理论给出风险趋势的预测方法。利用该模型对台格庙矿区煤矿长斜井（1#、2#实验井）TBM施工风险进行了评估与趋势预测。研究表明该模型与方法在煤矿长斜井TBM施工风险分析中是有效的、实用的,可为煤矿长斜井TBM施工风险分析与预测提供一种新的途径。     

基于幂强化本构模型的轴对称圆巷弹塑性解

轴对称圆巷的弹塑性求解的关键是选择合适的屈服准则。已经有诸多学者选择Mohr-Coulomb准则、Drucker-Prager准则和Hoek-Brown准则等,进行了相应的求解。为了探讨更符合工程实际需要的准则和求解,在考虑岩石材料的应变强化效应的条件下,建立了轴对称圆巷的幂强化本构模型和基于Drucker-Prager屈服准则的幂强化-理想塑性模型,并进行了弹塑性求解。以工程实例为计算条件,将幂强化-理想塑性模型的计算结果与基于Mohr-Coulomb准则、Drucker-Prager准则的理想塑性模型和幂强化模型的计算结果分别进行了对比,分析幂强化参数对围岩弹塑性解的影响。研究表明,应变强化效应对围岩稳定性有较大影响,对于应变强化效应较强的岩石材料,采用幂强化模型分析更接近工程实际。     

超前锚杆预支护机理研究

在文献「１－７」基础上产超前锚杆预同理研究的理论框架。通过物理模拟试验及力学模型的建立与求解，对超前锚杆预支护结构的支护机理、力学机制、及其上部碎块体的应力场、超前锚杆受力状态和巷道顶板的在拱等进行了系统的研究。     

“对‘岩石蠕变变形的混沌特性研究’的讨论”的答复

<正>首先对潘岳教授等在百忙之中对笔者撰写的论文"岩石蠕变变形的混沌特性研究[1]"(刊登于2009年《岩土力学》第7期,以下简称"原文")进行指正,并开展有益的讨论(以下简称"讨论稿")表示崇高的敬意和衷心的感谢,并对编辑部同志的辛勤工作表示诚挚的谢意!     

植入式光纤传感器在隧道结构中的边界效应研究

为探究植入式光纤传感器与隧道衬砌的应变传递的边界效应，分别从理论、试验和现场应用3个方面进行研究，并在实际工程中进行了验证。构建了光纤在混凝土衬砌中的应变传递模型，进行光纤应变传递机制分析，计算了光纤应变传递效率，并与数值计算结果对比，验证了力学计算模型的准确性。使用钢筋混凝土梁模拟隧道的混凝土衬砌，在其表面植入分布式光纤，进行了2组试验。对试验梁进行分级加载并使用BOFDA技术对光纤进行测试。试验结果表明：植入式光纤传感器存在边界效应，结构两端为光纤的低效率应变传递区，不能完全传递试验梁的应变；试验梁中部为光纤的高效率应变传递区，能够完全传递试验梁的应变。基于以上研究成果，在北京市新机场线地铁暗挖隧道CRD工法区间，采用植入式工艺在隧道衬砌内布设了分布式光纤传感器，进行了工程应用研究。监测结果表明，边界效应对工程监测结果影响很小，分布埋入式光纤布设工艺是可行的。该研究可为分布式光纤技术在地下工程结构监测中的应用提供参考。     

不同卸荷速率下矩形巷道变形及声发射特性试验研究

为研究矩形巷道在不同开挖卸荷速率条件下的变形规律和声发射特性,使用水泥砂浆矩形巷道围岩试件进行快、慢速开挖卸荷试验,得到顶板、隅角、帮部围岩的应变特征和声发射(AE)撞击计数、能量、频谱的演化特点。试验结果表明:(1)快速卸荷,应变释放率高,卸荷后变形不稳定;而慢速卸荷,围岩应力充分调整,有利于应变的充分释放,卸荷后变形相对稳定。(2)矩形巷道的快、慢速卸荷,均以顶板和帮部围岩的径向受拉、隅角围岩的切向受压变形为主;随围岩深度增加,卸荷效应的影响逐渐减弱。(3)两种卸荷速率的AE撞击计数和能量演化特征与应变特性形成良好对应,揭示了围岩内部裂隙与损伤随开挖卸荷的发展过程;峰值频率区段变宽和高幅值信号的峰值频率在某一频段增多的现象可看作围岩发生主破裂的前兆信息。(4)快速卸荷,顶板和帮部周边产生大块剥落现象;而慢速卸荷,顶板和帮部周边每隔一段距离产生垂直于隅角的贯通裂缝,碎胀现象明显但未脱落;两者的隅角围岩破坏程度均较小。     

三轴作用下的小型围岩试件在开挖卸荷过程中的声发射特征

为了获得巷道围岩开挖卸荷过程中的声发射特征与开挖卸荷状态之间的关系,使用水泥砂浆厚壁圆筒围岩试样,开展开挖卸荷条件下3种不同卸荷速度的声发射试验研究。利用自主研发的小型巷道围岩开挖卸荷模型试验系统,声发射系统及变形监测系统采集试样卸荷过程中的声发射时频信号及变形信息,并对声发射b值进行研究。研究发现：（1）试验过程具有4个特征阶段：加载段―维持段Ⅰ―卸荷段―维持段Ⅱ,这4个阶段与振铃累计曲线有良好对应关系。（2）加载段,高频高幅信号较多,分布范围广,试样内部原始裂隙在三向应力作用下压密明显;维持段Ⅰ,高频高幅信号明显减小,分布范围变窄,试样三向持续压密,变形微小;卸荷段,高、低频信号增多,幅度增加,应变率较高,变形增加速度快,卸荷对试样内侧影响效应更显著;维持段Ⅱ,较慢速卸荷的高幅信号持续增多,内外侧以较低应变率持续产生变形。（3）卸荷速度越大,卸荷段振铃累计曲线出现“陡升”的幅度越高,维持段Ⅱ“陡升”出现越早,幅度越小。（4）卸荷速度增大,b值整体量值减小且越趋于小波幅平稳变化,相对声发射大事件占比提高,破裂尺度更大。     

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。