深埋隧洞开挖卸荷引起的围岩开裂特征及影响因素

通过理论分析和数值计算研究深埋地下隧洞开挖卸荷引起的围岩开裂,并分别对准静态和瞬态开挖缷荷引起的围岩开裂机制与开裂特征进行分析。采用双向受压条件下的压剪裂纹扩展模型和应力强度因子计算公式,分析了开挖面上岩体应力瞬态释放和围岩应力瞬态调整对围岩开裂过程的影响,并分别对准静态和瞬态卸荷引起的围岩开裂机制及影响因素进行探讨。研究结果表明,围岩开挖缷荷是深埋隧洞围岩发生开裂的重要原因之一,高地应力条件下围岩以剪切型断裂破坏为主;瞬态卸荷存在动态拉应力效应,开挖卸荷时间越短,引起的拉应力区及围岩开裂范围越大;围岩开裂深度及范围随着侧压力系数增加而增大,且开裂区近似成V型。深埋隧洞围岩开裂特征及影响因素研究,对进一步认识围岩开挖破坏的力学机制具有重要的意义。     

深埋隧洞爆破开挖荷载诱发围岩损伤特性

深埋隧洞爆破开挖荷载构成复杂,对围岩损伤区的孕育发展具有重要影响。利用颗粒流程序（PFC）软件,讨论了不同初始地应力状态下爆炸荷载及地应力瞬态卸载所分别诱发围岩损伤的特性,并通过锦屏2级水电站引水隧洞爆破开挖损伤区检测数据对数值模拟的结果进行了验证。研究表明,爆炸荷载和地应力瞬态卸载所诱发的围岩损伤程度和范围均随地应力量级的提高而显著增大;爆炸荷载作用条件下损伤区的分布有随着侧压力系数的增大而向应力集中区发展的趋势,而地应力瞬态卸荷所产生的围岩破坏以受拉破坏为主,表层损伤区沿开挖呈轮廓均匀分布的趋势;在相同的初始地应力状态下,爆炸荷载和地应力瞬态卸荷所分别诱发的围岩损伤区深度均明显小于实测值,考虑二者的耦合效应后,计算值与实测值基本吻合。这说明这两种荷载是高应力条件下爆破开挖荷载的主要成分,但二者耦合作用对围岩的损伤大于它们单独作用效应的线性叠加。     

高地应力条件下地下厂房开挖动态卸荷引起的变形突变机制研究

分析了高地应力条件下地下厂房高边墙变形突变的形成机制,认为地应力动态卸荷引发的围岩松动是导致地下厂房高边墙变形突变的重要原因之一。基于瀑布沟地下厂房高边墙变形突变的实测资料,利用理论分析和数值模拟,计算了高地应力准静态和动态条件下地下厂房开挖卸荷引起的厂房高边墙的水平向位移。与实测资料对比表明,在动态卸荷过程中,结构面的张开和滑移是引起地下厂房围岩变形突变的主要原因,而在准静态卸载条件下,这种结构面张开变形却并不明显。在实际工程中应考虑开挖引起的地应力动态卸荷效应,尽量减小每次开挖对围岩扰动,谨防引起变形突变甚至失稳破坏     

锦屏二级水电站引水隧洞爆破开挖损伤特性研究

爆破开挖导致的围岩损伤是围岩稳定性的重要影响因素。采用数值分析及现场检测的方法研究了锦屏二级引水隧洞岩体爆破开挖损伤特性。数值模拟结果表明,引水隧洞开挖引起的围岩应力重分布是围岩损伤的主要原因,爆炸荷载和应力重分布的耦合作用将增大引水隧洞围岩损伤区范围,增大的损伤深度可达1.5 m,考虑开挖荷载瞬态卸荷动态损伤效应的损伤区范围最大,较单独考虑围岩地应力准静态重分布所导致的损伤深度可增大1.9 m,平均损伤深度增大近1倍。现场检测成果较好地验证了数值模拟结果,表明爆破开挖可显著增大围岩的损伤范围。锦屏二级水电站引水隧洞开挖过程中,不可忽视爆炸荷载及开挖瞬态卸荷对围岩的损伤作用。     

考虑卸荷时间的深埋巷道附近破坏特性研究

巷道开挖卸荷即巷道附近围岩应力重分布,卸荷速率影响应力场,开挖卸荷本质上是动力问题。根据弹性力学知识并假定卸荷过程符合时间参数 的函数,基于Hamilton原理,获得考虑卸荷时间的巷道附近应力场演变规律。系统概括不同埋深条件下巷道附近应力场特征,并针对深埋巷道地应力较围岩强度大的特点,详细地分析考虑剪切及拉伸破坏时巷道附近破坏特征。结果表明,自巷道壁由近及远出现以剪切破坏、未破坏、拉伸破坏为主要特征的现象,也即以“剪切破坏+未破坏+拉伸破坏”为主要特征的状态是巷道附近可能破坏模式之一,并且该现象与围岩性质及卸荷时间相关。     

深埋隧洞爆破开挖扰动损伤效应的数值模拟

爆破开挖扰动是深埋隧洞损伤区孕育及演化的重要影响因素。根据隧洞岩体钻爆开挖过程分析了爆炸荷载及开挖荷载瞬态卸荷对岩体的扰动作用,基于LS-DYNA动力有限元程序,提出了利用施加节点反力模拟待开挖隧洞岩体的约束作用,通过控制节点反力的变化过程以模拟开挖荷载瞬态卸荷,采用爆炸荷载变化曲线模拟爆炸作用过程的爆破开挖扰动数值模拟方法,并利用该方法模拟分析了爆破开挖扰动对围岩的损伤效应,结果表明,应力重分布对围岩损伤最大,隧洞围岩损伤区主要由围岩初始应力重分布所导致,爆炸荷载作用将增大围岩损伤区范围,考虑开挖荷载瞬态卸荷作用的围岩损伤区最大,且地应力越高,开挖荷载瞬态卸荷作用对围岩的损伤效应越显著     

深埋洞室开挖瞬态卸荷诱发振动的衰减规律

深埋洞室爆破开挖过程中围岩初始地应力的瞬态卸荷会诱发振动。针对圆形隧洞开挖,分析了地应力瞬态卸荷过程中围岩应变能、动能、径向应力做功3者之间的平衡机制,并采用量纲分析,建立了基于开挖岩体应变能的瞬态卸荷诱发振动衰减公式。结合锦屏二级引水隧洞和瀑布沟地下主厂房爆破开挖实例,开展了瞬态卸荷诱发振动的识别分离,并分析了诱发振动的衰减规律。研究表明：地应力瞬态卸荷诱发振动的峰值与被开挖岩体应变能密度的二次方根成正比,且开挖卸荷体积越大,诱发振动越强烈;与Lu-Hustrulid衰减公式相比,新衰减公式应用范围更广,使用精度更高。     

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。     

深埋隧洞钻爆开挖围岩振动频率特性研究

针对深埋圆形隧洞全断面毫秒延迟钻爆开挖,通过建立开挖面上地应力瞬态卸荷与爆炸荷载激发围岩振动的理论计算模型,并结合实测振动信号分析,研究了影响围岩振动频率的因素及其频谱特性。研究结果表明,瞬态卸荷持续时间、爆炸荷载上升时间和开挖面大小是影响深埋隧洞钻爆开挖围岩振动频率的主要因素;在爆源近区围岩振动以爆炸荷载作用为主,但爆炸荷载上升时间远小于瞬态卸荷持续时间,由此导致爆炸荷载激发振动的频率高,其质点峰值振动速度衰减快,在中远区地应力瞬态卸荷可成为引起围岩振动的主要因素;瞬态卸荷与爆炸荷载共同作用产生的振动具有两个优势频带,其低频成分主要由瞬态卸荷引起,而高频成分主要由爆炸荷载引起。     

高地应力条件下爆破开挖诱发围岩损伤的特性研究

高地应力条件下隧道或硐室钻爆开挖需考虑初始地应力动态卸荷效应,同时其最终损伤形态会受多个因素影响。采用三维有限差分软件FLAC3D讨论了爆破荷载与地应力动态卸荷复合作用下隧道围岩损伤分布,并重点研究了侧压力系数、岩体力学性质、卸荷速率对围岩损伤范围的影响,最后通过赣龙铁路梅花山隧道开挖损伤区检测结果进行了验证。研究表明,考虑动态卸荷效应的围岩损伤范围明显大于只考虑爆破荷载作用下的围岩损伤范围,在中高地应力条件下,初始地应力动态卸荷对围岩的损伤破坏作用不可忽视;随着侧压力系数逐渐增大,损伤区形态呈现明显的方向性,当侧压力系数为1时,损伤区沿开挖轮廓面分布较为均匀,侧压力系数不为1时,损伤区主要向小主应力方向集中;岩石力学性质越好,损伤范围越小;卸荷速率越快,围岩损伤范围越大,但影响并不十分显著。结果可为高地应力下隧道开挖稳定性分析和支护设计提供一定参考。     

隧洞开挖围岩动态卸载响应特征模拟研究

考虑隧洞瞬态开挖卸载并分析围岩的动态响应对研究其变形破坏机制非常重要。在静水压力圆形隧洞动态卸荷模型理论分析的基础上,采用FLAC3D的Fish语言开发了隧洞开挖动态卸载围岩响应模拟计算程序。验证算例模拟结果与理论结果对比,证明了程序的正确性,围岩的应力变化和体积应变增量均呈现由表及里的波浪型变化,能较好地模拟围岩的动态卸荷响应。根据Griffith强度准则计算得到的不同时刻围岩的损伤范围表明,考虑动态卸载时围岩的损伤区比采用静态分析要大。采用该程序分别模拟了不同卸载时间、卸载路径、隧洞形状、隧洞直径、地应力等条件下,隧洞动态卸载围岩的动态响应。结果表明,在卸载时间变短、先慢后快卸载路径、洞形为方形、洞径变大和地应力差值增大的条件下,隧道围岩内最大、最小主应力应力差也增大。深部隧洞采用瞬态卸载分析对于深入研究围岩变形破坏机制具有重要意义。     

深埋隧道围岩系统卸荷演化过程的Lyapunov指数分析

岩石材料本质上是一种物理非线性的材料,在深埋条件下,隧道围岩系统的变形还表现出几何非线性,这两种非线性机制的相互作用使得围岩系统的卸荷演化具有高度的复杂性.根据重庆某深埋隧道围岩实际情况,运用FLAC3D三维显式有限差分法分析软件,建立了摩尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型,采用大变彤方法对深埋隧道围岩系统卸荷进行数值仿真,引入混沌动力学理论对数值模拟的分析结果进行整合,提取了围岩系统演化过程中特征点演化时间序列的Lyapunov指数,对其混沌形态进行了研究.实例分析表明:深埋隧道围岩系统卸荷演化呈现典型的混沌性态,且系统演化具有对初始条件的敏感性.     

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。     

深部岩体地应力瞬态卸载诱发振动效应的影响因素

针对深埋隧洞爆破开挖振动控制,以瀑布沟水电站2#引水隧洞爆破开挖为工程背景,讨论了地应力瞬态卸荷诱发振动特征及影响因素,并结合实测数据采用数值模拟的方法进行了验证分析。研究发现：中、高地应力条件下开挖面初始应力的瞬间释放诱发的振动是爆破开挖诱发振动的重要组成部分;当波阻抗一定时,开挖面初始应力动态卸荷诱发振动由地应力水平、开挖面初始应力、开挖面面积和振动衰减指数共同决定,动态卸荷诱发振动最强段发生在开挖面的初始应力和开挖面面积综合效应最大的位置;深埋隧洞爆破开挖振动的强度是由爆炸荷载和开挖面初始应力动态卸荷效应共同决定的,减小炮孔排距和进尺、采用较小洞径和分部开挖能有效降低地应力瞬态卸荷效应强度,控制深埋隧洞的爆破振动强度。     

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。     

三轴及循环加卸载应力路径下深埋硬岩变形破坏特征试验研究

硬岩应力型脆性破坏对高应力地下工程围岩稳定构成严重威胁。为研究深埋花岗岩在高围压循环加卸载下的变形破坏特征,采用MTS815电液伺服岩石试验系统对某水电站地下洞室群花岗岩进行了10、30、40、50 MPa围压下的常规三轴及循环加卸载试验,得到相应的应力-应变曲线及变形破坏特征。研究结果表明:(1)不同围压下两种应力路径花岗岩试样均呈现明显的脆性破坏特征;(2)两种应力路径下,试样峰值强度、裂纹损伤应力随围压线性增大;弹性模量、起裂应力随围压先增大后减小;泊松比随围压先增大后保持不变或减小;(3)同等围压下循环加卸载的试样峰值强度、起裂应力、裂纹损伤应力和泊松比总体上大于常规三轴下的量值,卸荷弹性模量小于常规三轴下的弹性模量;(4)两种应力路径下试样的宏观破坏均以剪切破坏为主。研究揭示的花岗岩试样变形破坏规律对深埋地下工程围岩稳定的岩体力学模型选择、力学参数随损伤变量演化规律以及围岩支护对策的制定均具有显著的参考价值。     

卸荷损伤原状膨胀土剪切力学特性试验研究

通过GDS三轴试验系统对经历3种卸荷速率损伤后的原状南阳膨胀土样进行再加荷不排水三轴伸长剪切试验,同时考虑了超固结比与固结状态的影响。试验结果表明,膨胀土再加荷剪切力学特性与初始卸荷速率有关。在相同的轴向应变下,初始卸荷速率越小,其偏应力单调越小。在主应力方向改变前后,其应力?应变关系曲线斜率显著变化。相同固结方式与超固结比状态下,孔隙水压力均表现为先增大后减小趋势,孔隙水压力峰值应变随卸荷速率增大而减小。无论是等压固结还是K0固结,初始卸荷速率越大,不排水剪切强度越大。膨胀土样经历了初始卸荷损伤后,再加荷常规三轴伸长试验所得剪切强度均低于无损伤时的强度。以膨胀土破坏强度所得损伤度SD低估了卸荷速率对膨胀土的损伤程度,建议采用孔隙水压力峰值强度进行膨胀土边坡设计计算。原状膨胀土力学性状随卸荷速率损伤的演化规律受卸荷阶段轴向应变大小及裂隙性综合影响。     

峰前卸荷对节理岩体力学特性影响试验研究

实际工程中,岩体的应力变化状态非常复杂,并不只是简单的加载或者卸荷,如水利工程中的大坝,当坝基开挖时其力学条件主要表现为开挖方向的卸荷(其他方向有可能卸荷,也有可能加载),而坝体修筑以后,力学条件又主要表现为加载。因此,对卸荷损伤后的岩体再次加载时的力学性质进行研究具有十分重要的工程意义。通过三轴卸荷及卸荷损伤后加载破坏试验,研究了不同围压下,含断续预制节理岩体经过不同程度卸荷损伤后再次加载时的力学特性。研究结果表明:围压对于含断续节理岩体变形模量影响不明显,岩体弹性模量与围压没有明显关系,相同围压下节理岩体弹性模量和变形模量均显著低于完整岩体:节理岩样峰值应变随着围压的增大线性增大,二者之间有较好的相关性,相比于完整岩样,节理岩体峰值应变随围压增大增长更快:围压越低,卸荷对岩体强度的影响越大,随着围压增加,卸荷量不同造成岩样的损伤差异逐渐减小。     

考虑卸荷效应的深埋隧洞围岩分区破坏数值模拟

基于卸荷岩体力学基本理论,运用三维有限差分软件,提出以塑性体积应变增量变化区间与不同卸荷区域岩体力学参数相对应的卸荷模拟方法,模拟了不同侧压系数条件下开挖洞周附近围岩最大体积应变增量以及围岩损伤范围的变化情况。数值模拟结果表明：当侧压系数较低时,洞周附近围岩的塑性体积应变增量区域的外边界近似为竖向椭圆形,随着侧压系数的增大,其外边界逐渐向圆形变化,最后变为横向椭圆形。侧压系数越大,围岩的卸载效应越显著,洞周附近围岩的塑性体积应变增量就越大,其所产生的围岩损伤范围也相应越大。利用所获得的结果,可以为深埋隧洞的稳定性分析以及支护设计提供依据。     

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。