峡谷地区大型地下洞室群岩体初始地应力场反演分析

合理地确定地下洞室群岩体初始地应力场对于地下洞室群的总体布局、支护设计有着重要的意义。本文提出了一种依据少量实测地应力资料反演地下洞室群岩体初始地应力场的方法。这种方法假设远古地形是一无起伏的夷平面,认为岩体初始地应力场主要由处于远古地应力状态下的远古地形经过漫长的地形剥蚀形成,而远古地应力场由地质构造运动和岩体自重形成。以有限元数值分析为基本手段,提出了可以考虑构造运动、岩体自重和地形剥蚀等多因素的岩体初始地应力场反演思路。通过某水电站地下厂房区域岩体初始地应力场反演的工程实例分析,验证了这一方法的可行性和实用性。     

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。     

初始地应力场对洞室围岩稳定性的影响

基于施工力学分析方法,考虑岩体的宏观各向同性,建立了从施工开挖到适时支护的有限元列式,给出了模拟锚杆作用的加锚岩体组合单元模型及相关计算公式。针对影响洞室围岩稳定的主要因素,提出了基于实测点地应力的多元回归反演初始地应力场的分析方法。结合工程实例,探讨了不同初始地应力场及支护时机对洞室群围岩稳定的影响。结果表明,洞室变形量值和各洞室顶拱环向压应力均随着侧压系数增大而增大,而洞周的变形随支护时机的提前而减少,尤其是各洞室拱顶沉降位移减少更为明显。     

高地应力区大型洞室锚索时效受力特征及长期承载风险分析

深层预应力锚索支护是大型地下洞室围岩稳定控制的主要工程措施。针对高应力区岩体开挖卸荷稳定与锚固支护系统长期承载安全问题,通过对系统锚索安全长期监测成果深入分析,研究锦屏一级水电站地下厂房系统锚索开挖期和开挖完成后5年时间的受力特征、时空变化规律,分析锚索预应力随时间演化的时效特征,探讨锚索结构受力影响因素和高应力下长期承载风险,同时辅以数值模拟等手段对锚固系统长期安全性进行综合评价。研究结果表明,与常规洞室表现不同,该地下洞室大部分深层锚索超过设计锁定值,锚索系统负载高,持续增长时间长,时效性十分显著,开挖全部完成后2年内才逐步趋于收敛,2～5年基本稳定;锚索长期承载能力影响因素主要有岩体蠕变、锚索初始张拉应力、锚索施工与应力不均匀等;锚索系统长期承载安全是有保障的。     

高地应力区大型洞室锚索时效受力特征及长期承载风险分析

深层预应力锚索支护是大型地下洞室围岩稳定控制的主要工程措施。针对高应力区岩体开挖卸荷稳定与锚固支护系统长期承载安全问题,通过对系统锚索安全长期监测成果深入分析,研究锦屏一级水电站地下厂房系统锚索开挖期和开挖完成后5年时间的受力特征、时空变化规律,分析锚索预应力随时间演化的时效特征,探讨锚索结构受力影响因素和高应力下长期承载风险,同时辅以数值模拟等手段对锚固系统长期安全性进行综合评价。研究结果表明,与常规洞室表现不同,该地下洞室大部分深层锚索超过设计锁定值,锚索系统负载高,持续增长时间长,时效性十分显著,开挖全部完成后2年内才逐步趋于收敛,2～5年基本稳定;锚索长期承载能力影响因素主要有岩体蠕变、锚索初始张拉应力、锚索施工与应力不均匀等;锚索系统长期承载安全是有保障的。     

对岩体初始应力的初步认识

为了保证地表工程,特别是地下工程的安全性和经济性,了解和掌握岩体初始应力状态是非常必要的。岩体初始应力;就是天然岩体在工程建设开挖之前所具有的自然应力状态,通常也叫做地应力,主要决定于重力场和构造应力场。 研究岩体初始应力有两种方法,即理论的方法和经验的(实测的)方法。理     

大型水电站厂区三维地应力场回归反演分析

岩体初始地应力场是地下洞室围岩稳定与支护结构设计所需要的基本因素之一,初始地应力场是否可靠将直接影响到工程设计与施工的可靠性与安全性。结合某水电站厂区的地质条件及地应力实测资料,引入灰色控制系统理论,采用三维有限元法和采用静态的三因素灰色计算模型GM(0, 3)对厂区岩体初始应力场进行回归反演分析。计算结果表明,厂区存在较大的水平向地质构造作用,岩体的地应力由自重和构造应力叠加而成。实测点的计算应力值与实测值在量值上和方向上都较为接近,表明经过回归得到的地应力场是合理的,从而获得地下厂房厂区初始应力场较为合理的分布规律,为地下厂房的开挖模拟及稳定性分析提供了合理的初始应力场。     

水工建设中岩石力学试验研究的进展(下)

五、岩体应力测试 岩体应力是指岩体内部存在的应力。在天然状态下,岩体内部存在的应力,常称为岩体的一次应力或初始应力;在扰动影响范围内的应力称为二次应力或扰动应力。 岩体的初始应力是一个复杂的随时间和空间而变化的量。为了便于研究和应用,在工程上我们可以把它看成是一个不随时间和空间变化的应力常量。     

清江隔河岩坝基工程岩体质量评价研究

采用《工程岩体分级标准》定性和定量相结合的方法,根据岩石坚硬程度和岩石完整程度决定岩体的基本质量,然后考虑地下水状态、初始应力状态、工程轴线方位与主要软弱结构面产状的组合关系等修正因素,确定坝基工程岩体的级别。针对隔河岩工程考虑岩溶、层间剪切带、应力水平、岩体所处工程部位等因素,给出隔河岩工程坝基工程岩体分级。     

金沙江某水电站引水洞出口边坡稳定性分析

金沙江某水电站引水洞出口边坡为千枚岩类软岩边坡,其地质条件复杂、结构面发育。由于边坡特殊的岩体结构及其重要性,其稳定发展趋势便成为工程技术人员关心的主要问题。本文在地质调查的基础上,分析了边坡岩体结构特征,建立边坡地质模型,并采用3D-FLAC模拟边坡-洞室组合开挖后的应力、变形分布特征及破坏区范围。结果表明,洞室开挖主要影响6倍洞径范围内围岩应力分布状态,对边坡整体稳定性影响不大;但边坡开挖会使得坡面产生不同程度的受拉区域,对边坡稳定性影响较大。另外,在此基础上选取典型的边坡进行稳定性分析,分析表明,天然状态下,边坡开挖后局部岩体稳定性较差,存在块体失稳的可能,但整体稳定性较好;暴雨、地震条件下,边坡稳定性较差,边坡顶部岩土体有沿结晶灰岩与千枚岩的地层分界面发生失稳的可能。     

大型地下洞室群开挖支护弹塑性损伤优化研究

正在设计施工的某大型水电站地下洞室群地质条件复杂,其开挖支护方案对围岩稳定性非常重要,因此,对支护方案进行优化研究非常必要。为更真实地模拟岩体的力学特性,研究施工过程中岩体的损伤破坏,根据不可逆热力学理论建立了弹塑性损伤模型和损伤演化方程,并编制了三维弹塑性损伤有限元程序D-FEM,具有模拟开挖与支护、计算速度快、群组功能等特点。建立大型地下洞室群三维数值模型,将通过实测地应力反演的应力作为初始地应力。采用D-FEM模拟了不同支护方案洞室群的施工过程,通过分析洞室围岩的应力、位移和破损区,支护方案2的支护效果最好,建议采用此方案。考虑岩体损伤演化后与FLAC3D塑性区相比,洞室群边墙中部的破损区显著增加,因此,程序可应用于地下工程的稳定性分析     

锦屏一级水电站左岸抗力体基础处理洞室群围岩稳定性分析

通过对锦屏一级水电站左岸抗力体五层洞室岩体结构特征详细调查,采用水电围岩分类的方法对抗力体洞室进行围岩分类。分类结果表明：抗力体洞室围岩以Ⅲ2类围岩居多,占了50％左右,其次为Ⅳ类,占36％左右,Ⅲ1和Ⅴ类围岩所占比例较少。通过对洞室施工开挖失稳破坏现象的调查研究,分析了洞室失稳破坏的机制及破坏形式,认为围岩主要的破坏形式为弱面控制型的块体滑移塌落。对洞室监测资料的分析结果表明,在目前的支护条件下,总体监测未见异常,整体上基础处理洞室监测状态稳定。但F5、F42-9断层及煌斑岩脉等软弱部位应力及变形缓慢增加,需要加强监测。最后根据分析结果提出了建议。     

高地应力条件下大型地下厂房松动区变化规律及参数反演

松动区是控制地下洞室围岩变形及失稳的重要因素。以锦屏一级水电站为例,结合声波测试及多点位移计监测成果,对高地应力和低强度应力比条件下大型地下厂房围岩松动区的分布及变化特征进行分析,并采用BP网络和遗传算法对围岩参数进行反演。研究表明,声波测试的围岩松弛深度与多点位移计监测得到的围岩主要变形深度具有一致性,围岩松弛深度变化趋势与岩壁位移变化也存在对应关系,两者结合可以对围岩松动区的变化规律进行连续的分析。高地应力和低强度应力比条件下的松动区深度远大于一般应力条件,由于围岩应力状态调整、岩体破坏所导致的卸荷松弛成为围岩松弛的主要因素。开挖过程中,由于围岩应力状态的逐步调整,导致围岩的破坏和松弛的渐进发展,其中松弛深度在水平向的扩展较为明显。反演得到的松动区岩体变形模量及黏聚力较未松动岩体有明显降低,而摩擦角降低较少。因此,对松动区岩体进行灌浆加固,将有助于提高松动区岩体的变形模量和粘聚力,从而增强围岩的稳定性。     

宜兴抽水蓄能电站试验洞的反分析研究

结合江苏宜兴抽水蓄能电站地下厂房试验洞量测资料的分析,研究了成层各向异性岩体中洞室工程问题的反分析方法。采用分层均质模型进行反分析计算。计算区域的各层岩层均被分别视为均质各向同性体,初始地应力假设呈线性分布。有限元分析中,对倾斜成层的岩层、软弱夹层及断层节理等分别划分了单元,据以模拟成层岩体的各向异性特征。为使计算过程简化,对离洞室较远的岩层拟按地质资料对材料特性参数赋值,反分析计算的目标未知数为初始地应力和试验洞相邻围岩的弹性模量。结果表明,与工程实践符合较好。     

节理网络模拟的程序实现及其在地下洞室中的动态响应分析

随着岩体工程的日益发展,人们愈发认识到岩体裂隙发育情况对工程影响的重要性,而岩体节理裂隙网络模拟是研究该类问题的重要手段。基于节理网络模拟结果,建立岩体力学分析模型,然后开展进一步的数值计算分析,在岩体工程中具有良好的发展前景。在岩体结构统计理论的基础上,自行编制了节理岩体裂隙网络模拟分析程序,直观再现了岩体内部的节理分布情况;将程序生成的可执行数据文件与离散元软件相融合;以含节理岩体的地下洞室为例,分别计算了静力和地震荷载作用下地下洞室围岩在不同时段的应力及位移变化情况。计算方法与结果对含节理岩体地下洞室围岩变形和破坏机制以及抗震工程设计具有指导意义     

运用Hoek-Brown经验准则分析圆形硐室围岩弹塑性应力和位移

Hoek-Brown经验准则能够较容易地用来估计节理岩体的强度,在岩石工程界已得到广泛的应用和认可。只要用定量指标合理地描述岩体质量,就可确定岩体的强度,因此Hoek-Brown经验准则为通过岩体质量评分评价岩体稳定性架起了一座桥梁,并对需要采取的加固支护措施提出建议。地下硐室开挖后改变了岩体的初始应力状态,围岩应力产生应力重分布现象。当硐室周边围岩应力状态超过岩体弹性极限状态而进入塑性状态时,塑性区内岩体的应力满足极限平衡条件。本文简单回顾了当侧压力系数为1时,圆形硐室围岩的弹性应力和位移,在此基础上以Hoek-Brown经验准则为极限平衡条件,得到圆形硐室轴对称平面应变问题的围岩弹塑性应力和位移的分析解。     

裂隙岩体渗透性影响因素的研究

采用UDEC离散单元法中关于裂隙岩体开挖模拟及水力全耦合分析模型,分析裂隙岩体洞室开挖后,因围岩应力与水力耦合作用导致裂隙隙宽变化及渗流变化的过程。为了更直观地了解耦合作用对裂隙岩体渗透特性的影响,以隧洞开挖为例,用开挖后隧洞内总涌水量来表征岩体的渗透特性。利用数值试验的方法,研究了块体边界大小、初始应力比、裂隙隙宽和裂隙夹角对开挖后隧洞内涌水量变化的影响,进而可以看出它们对裂隙岩体渗透性的影响。并得出如下结论：随着块体尺寸和初始应力比的增大,隧洞内总涌水量减少;随初始隙宽的增大涌水量增加并当达到某一固定值时保持不变;隧洞涌水量在θ2/θ1=3.5,其中θ1=30°,即两组节理的夹角为75°处达到最大。     

洞室跨度对围岩分类影响探讨

随着大跨度地下工程日益增多,跨度对围岩分类或岩体质量分级的影响越来越受到人们的重视。通过对节理岩体中洞室支护代价、塑性松动区半径和岩体宏观力学参数尺寸效应的分析,根据洞室跨度增加导致围岩稳定程度降低的情况,强调重视围岩分类中洞室跨度因素的影响,并建议通过研究岩体强度等物理力学指标的尺寸效应,在围岩分类中科学地考虑洞室跨度的影响。     

底面摩擦模拟试验的原理与应用

底面摩擦仪是在近十多年来,国外、国内先后建立和发展起来的地质力学试验设备装置。其主要特点是试验直观性强,全过程清楚,试件易干制备,对多种材料破坏判据的定性度好,能模拟所有三大类(洞室、边坡、基础)工程地质结构体。有待改进的主要方面,是建立模拟真实岩体应力状态的三向加力装置和尽可能地使测试手段定量化。一、原理和方法在地质力学模型试验中,底面摩擦模拟法,主要是建立一个以代替岩体自重应力、地应力和工程荷载应力等的,并对应产生在模型中相似应力的力学体     

不同倾角多层节理深部岩体开挖变形破坏规律模型试验研究

深部资源开发中地下洞室围岩稳定控制必须面对峰后碎裂岩体的变形和破坏问题,目前深部多裂隙岩体开挖强卸荷引起的围岩变形破坏规律尚不清楚,常导致大体积塌方、大变形等重大工程事故。采用大尺度三维模型相似试验系统,分析具有不同倾角的多层节理的岩体在高地应力下开挖变形破坏规律。试验结果表明：裂隙倾角较小时,隧道上、下侧围岩主要发生大变形,左、右侧围岩呈现分层破裂现象,随着裂隙倾角增大,破裂区从洞室左、右两侧逐渐扩展到洞室全周,顶部岩体越容易发生大体积滑塌;隧道围岩由内向外应力和位移值呈波动状分布;洞周塑性区范围随裂隙倾角增大而增大,裂隙倾角越大,洞周塑性区越容易与洞室上、下侧裂隙面连通。该研究为保障深部工程的安全修建与运营提供了试验基础。