层状岩体地下洞室破坏模式数值模型及验证

基于层面法向局部坐标系中的横观各向同性弹性本构模型,根据层面产状方位角,推导出整体坐标系中弹性应力的转换方法。针对层状岩体的各向异性特征,将岩体的破坏模式细分为5种,分别对每一种破坏模式建立各自的判别函数和屈服准则,根据塑性流动正交法则推导出相应的应力修正迭代计算方法。通过单轴、三轴压缩数值试验,对层状岩体的强度和变形性质进行研究,分析层面倾角和围压对层状岩体力学行为的影响。将所建模型与FLAC3D自带的横观各向同性弹性模型以及遍布节理模型进行对比,验证模型的正确性及精度。同时,将模型应用于三向等压理想圆形隧洞的开挖计算中,分析层状岩体破坏方式受层面方位角影响的变化规律,分析结果表明层面对围岩破坏模式和塑性区扩展方向起到了控制作用。     

层状盐岩体三维Cosserat介质扩展本构模型的程序实现

对层状盐岩体内的油（气）储存硐室进行稳定性计算时,如何选用恰当的本构模型来反映层状盐岩体的特点是至关重要的。针对我国大多数盐矿为多层盐岩的地质构造特征,基于宏观平均意义下的考虑细观弯曲效应的三维Cosserat介质扩展本构模型,结合FLAC3D软件的主要计算思路,使用VC++平台开发了该模型的FLAC3D接口程序,并编译成动态链接库DLL文件。经算例验证,该程序的计算结果可靠,不仅可以考虑不同力学特性的岩层先后破坏引起复合体单元的渐进损伤破坏,而且引入了夹层体积含量等统计参数后可大大节省单元网格数量,为大型层状岩体内的地下硐室稳定性数值模拟计算奠定了基础。     

基于3D打印的含复杂节理岩石直剪特性及破坏机制研究

岩体中节理的几何形态及力学特性是影响其剪切力学特性及破坏模式的重要因素之一。基于3D打印技术,建立了不同节理粗糙系数(JRC)的节理模型、几何形态节理模型和复杂裂隙网络物理模型,通过开展室内直接剪切试验分析了各组试件的剪切强度及破坏模式。结果表明节理模型的抗剪强度随JRC波动性较大,波动幅值越高,峰值剪切位移越低;平面形节理模型的峰值抗剪强度最低,矩形节理模型的峰值抗剪强度最高,正弦形和三角形节理试件的抗剪能力相近;离散裂隙网络模型和粗糙裂隙网络模型的峰值抗剪强度显著低于实心试件,考虑了节理粗糙性的裂隙网络模型抗剪强度高于直线型节理模型;实心试件破坏模式为典型脆性剪切破坏,裂隙网络模型的破坏模式相对复杂,沿着剪切方向主剪切裂面波动萌生,破断面由多个节理面的交叉点破坏与沿节理面的滑移构成。研究成果可以为3D打印技术的推广和复杂节理岩体剪切力学特性的室内试验研究提供参考。     

降雨条件下露天平台边坡的稳定性研究

节理、裂隙控制着地表岩体的力学强度和导水特性。采用遍布节理力学模型和饱和非饱和等效连续介质渗流模型反映节理的主导作用,基于节理连通率将岩体的渗流特性与力学特性耦合起来,分析了在FLAC3D中实现渗流与力学耦合机制、降雨边界条件处理以及连通率演化,并开发了适用于FLAC3D的多组遍布节理模型,模拟了海南矿业联合有限公司一顺层平台边坡降雨过程中渗流场和力学场的变化。计算结果表明,降雨开始后边坡地表迅速饱和并形成暂态饱和区,随着降雨的继续,边坡负压区进一步缩小,同时暂态饱和区也不断扩大;在降雨结束后,由于水压力迅速消散造成暂态饱和区开始减小,在降雨过程中渗流也会引起层面的破坏和其裂隙连通率的演化。因此,运用上述耦合分析模型计算降雨入渗对边坡稳定性的影响是可行的。     

非均质共面断续节理岩体拉伸剪切破裂机制研究

工程开挖面附近卸荷扰动区的岩体,受结构面和拉应力共同影响作用,其变形和破坏具有拉剪复合特征。为研究节理岩体的拉剪力学特性,基于颗粒离散元法针对共面断续节理岩体开展了系列数值模拟研究。通过假设粒间接触的力学参数服从Weibull分布表征岩体的非均质性,探讨了非均质性、均质度、法向拉应力和节理连通率对节理岩体拉剪强度和破坏模式的影响。研究表明:拉剪应力条件下非均质性节理岩体主要沿阶梯型破裂面破坏,剪应力-水平位移曲线可以分为线性变形阶段、非线性变形阶段、峰值及峰后阶段;随均质度提高,节理岩体的剪切强度逐渐增加且提升幅度逐渐减弱,趋于均质岩体,岩体中微裂纹由弥散型分布向破裂面集中;节理岩体峰值剪切强度和法向拉应力的大小呈非线性负相关关系;岩体剪切强度随节理连通率增加而显著降低。     

锚杆锚固对节理岩体剪切性能影响试验研究及机制分析

为研究锚杆锚固对节理岩体剪切性能的影响规律及锚杆抗剪作用机制,开展不同锚杆倾角及不同法向应力作用下加锚节理岩体室内剪切试验研究,探究加锚节理岩体在法向力及剪切力作用下的变形和受力特征,对比分析节理岩体锚固前与锚固后的剪切变形规律,讨论锚杆倾角、节理面法向应力等因素对节理岩体抗剪性能的影响。试验结果表明,锚杆锚固能够有效地增加节理面的黏聚力和内摩擦角,提高节理岩体的抗剪强度;锚杆倾角对加锚节理岩体的抗剪强度及剪切变形规律有重大影响,较大的锚杆倾角有利于发挥锚杆的"销钉"抗剪作用;节理岩体施加锚杆后其剪力–位移曲线存在弹性阶段、屈服阶段及塑性变形阶段3个区段;在锚杆倾角相同的条件下加锚节理岩体的抗剪强度随节理面法向应力的增加而增大。分析试验后试件破坏形态可知,加锚节理岩体中锚杆的屈服破坏主要发生在节理面附近的区段,岩体材料由于锚杆横向的挤压作用,也会在节理面附近发生局部破坏现象。     

佛子岭抽水蓄能水电站地下厂房施工开挖过程的FLAC3D数值模拟

选取佛子岭抽水蓄能水电站地下厂房区,采用三维快速拉格朗日法（FLAC3D）模拟施工开挖过程,研究了洞室群围岩的开挖变形形态和应力状态,分析了围岩和调压井高边坡在自重荷载作用下的开挖稳定性。通过对地下厂房洞室群区的加固处理,分析了围岩在加固后的力学特性。利用FLAC3D程序的Ubiquitous模型,引入了一组主要节理裂隙,分析了此组节理裂隙对地下洞室群围岩的开挖变形及整体稳定性的影响,并与无节理裂隙的数值模拟结果进行对比,综合评价了节理裂隙对洞室群围岩稳定性的影响。     

考虑统计损伤模型的非均质节理岩体拉剪破坏机制研究

拉剪应力状态极易导致岩体破坏乃至失稳,为研究节理岩体拉剪破坏规律,开展了拉剪荷载下共面非贯通节理岩体变形破坏的理论与数值计算研究。通过自定义考虑岩石统计损伤演化的Mohr-Coulomb和最大拉应力准则模型,编写力学参数服从Weibull分布的fish函数,研究了拉剪条件下非均质节理岩体的破坏模式及破坏规律,讨论了岩石均质度、法向拉应力及剪切速率对岩体破坏模式及其力学性质的影响。结果表明,(1) 拉剪应力状态下节理岩体的破坏模式以张拉破坏为主,加载初期破坏位置分布散乱,随着加载和损伤演化逐渐形成带状破裂面,岩体宏观力学性质明显降低;(2) 非均质性对岩体破坏影响显著,主要表现为均质度的增加,岩体由弥散型破坏向集中型破坏转变,破裂面起伏度增大,同时岩体的宏观力学性质增强并最终趋向于均质岩体;(3) 低应力水平下拉应力增大不改变节理岩体以拉张破坏为主的破裂模式,但剪切破坏比例明显减少,同时岩体抗剪强度降低,破裂面的粗糙度增大;(4) 剪切速率对岩体力学性质的影响显著,静态加载范围内岩体抗剪强度随剪切速率的增大而增大,且增幅越来越小。     

采动影响下巷道围岩变形与破坏的弱结构面效应

岩体中弱结构面的产状要素和力学参数是影响深部巷道围岩变形和破坏的重要因素。通过对金川矿区地下开采过程中发生的与弱结构面效应有关的巷道变形特征、破坏模式与机理分析得出,在断层附近或穿过断层开挖时,往往会引起断层活化,引发巷道变形和破坏。当在节理岩体中开挖时会使围岩中低强度的节理裂隙等弱结构面正应力减小,抗剪强度降低,从而发生相对滑移、变形。此外,与巷道开挖相比,矿体开采的影响不仅在持续时间上,还是在影响以及程度上都是造成巷道变形和破坏的弱结构面效应更加显著的主要原因。     

节理岩体大型地下洞室群稳定性分析

深入研究了加锚节理面的变形特点和节理面附近锚杆的变形特点;把断裂力学与损伤力学相结合,采用应变能等效的方法,建立了加锚断续节理岩体在压剪应力作用下的本构关系;按自洽理论的方法,得到了加锚断续节理岩体在拉剪应力状态下的本构关系,并将其理论模型应用于某大型地下厂房的三维稳定性分析中。应用加锚断续节理岩体断裂损伤模型模拟锚杆的支护效应,锚杆通过与围岩的联合作用,有效地限制了围岩变形,改善了围岩的应力状态,阻止了围岩破损区的发展演化,从而提高了围岩的稳定性。将断裂损伤计算结果与一般弹塑性（FLAC3D）计算结果进行了对比分析。相比于普通的弹塑性模型,加锚断续节理岩体断裂损伤模型考虑了岩体中节理裂隙对洞室围岩稳定性的影响,以及锚杆针对节理裂隙的加固作用,能更好地反映裂隙岩体洞室围岩稳定性特征,从而验证了该模型的有效性和优越性。     

强地震动作用下层状岩体破坏的物理模拟研究

岩体地震动力破坏现象是常见但研究较少的复杂课题。利用物理模拟试验,研究了层状岩体边坡在强地震动作用下的变形破坏问题。按结构面走向平行和垂直地震动方向,对不同岩体结构特征的模型施加不同的幅值和频率的水平向地震动荷载,进行岩体的振动破坏试验。结果表明,结构面空间展布方向与地震动荷载的相互关系不同、结构面软弱程度不同,岩体变形破坏的形式和分布特征也不相同。岩体的动力破坏主要是岩体结构的破坏,即岩体结构的宏观破坏和微观损伤,岩体结构特征是控制其动力变形破坏的主要因素。极大的不均匀性是岩体动力破坏的显著特点,这与大量极震区岩体破坏的现象类似。但岩体动力破坏模式的建立和定量的力学分析还需更多研究。     

乌东德水电站地下厂房层状岩体稳定性及变形机制

乌东德水电站右岸地下厂房洞室群密集、开挖规模大、地质条件复杂,开挖期间变形破坏问题突出。在地应力实测资料、工程地质特性、开挖过程分析的基础上,利用离散元程序对右岸地下厂房开挖过程进行数值模拟,再现不同模型的应力场、位移场演化过程,分析陡倾角层面对于主厂房变形的影响作用。同时,构建高精度微震监测系统,对开挖诱发的微震活动实时在线监测;分析微震事件聚集规律、S波及P波能量比值Es /Ep分布特征,识别和圈定潜在风险区域,揭示围岩变形机制。微震监测与数值模拟结果表明：在开挖卸荷作用下,陡倾角层面附近岩石破裂,微震事件聚集,能量释放,引起围岩变形破坏。围岩以结构面控制的应力驱动型张拉破坏为主,并伴随少量重力驱动型变形。该研究结果为乌东德水电站地下厂房的开挖和支护设计方案提供重要依据。     

白鹤滩水电站左岸坝肩开挖边坡稳定性分析

白鹤滩水电站左岸坝基边坡地质构造错综复杂,坡内多条陡倾断层和顺坡向错动带是控制边坡稳定性的主要因素。结合现场地质资料、监测数据及勘察认识,利用通用离散元软件UDEC建立左岸边坡开挖变形分析模型。首先在无支护开挖工况下研究主要结构面F17、LS331、LS3319上下盘岩体关键点应力及位移变化,并指出潜在失稳破坏区;同时采用预应力锚索单元在不同施工时序下对潜在不稳定块体进行加固计算,对比研究了不同方案下左岸边坡的变形破坏机制和整体稳定性。计算结果和现场监测表明：左岸边坡变形破坏与结构面密切相关,在开挖卸荷作用下主要表现为沿错动带的压剪破坏和陡倾断层的张拉破坏,采用预应力锚索加固处理能够有效提高边坡稳定性,并且在开挖后及时跟进支护可以有效抑制边坡剪切变形。研究结果对白鹤滩左岸坝基边坡后续工程加固和施工工序具有一定的参考价值。     

Analytical Model of Stress Field and Failure Depth in Multilayered Rock Masses of Mining Floor Based on the Transfer Matrix Method

Accurate calculation of stress distribution and failure depth of coal seam floor is the key to the floor water inrush risk evaluation. In consideration of the fact that the floor rock masses are multilayered distribution due to deposition, this paper presents a mathematical model for calculating stress field and failure zones in the floor strata caused by coal mining. By the application of the Fourier transform, the transfer matrix describing the relationship between the abutment pressure of stope and the stresses in arbitrary depth of multilayered rock masses is derived in the transformed domain. Then, the actual solution in the physical domain can be obtained by the inversion of Fourier transform through a MATLAB program. Finally, numerical examples are presents to verify the model and study the influence of the layered rock mass properties on the stress distribution and failure depth of mining floor.     

含结构面岩体试样单轴强度与变形特征

结构面是岩体区别于岩石材料的一大特征,其产状、迹长、密度等参数对岩体的力学性质有着重要影响。本文利用FLAC3D对含结构面岩体试样的单轴压缩特性进行了较为系统的数值模拟研究。文中建立了含不同组贯通性结构面的岩体试样模型和含不同倾角及迹长的非贯通结构面岩体试样模型,对每个试样进行单轴压缩试验的数值模拟,结构体和结构面均采用Mohr-Coulomb剪切和拉伸破坏准则。模拟中用编制的伺服控制程序通过调节加载速度,控制试样内最大不平衡力,研究含结构面试样单轴压缩情况下的变形、强度及破坏方式等特征。模拟结果显示,含1-3组贯通性结构面试样呈现各向异性特征,而含4组贯通性结构面试件呈现各向同性特征。随着贯通性结构面数量的增多,同尺寸试件的变形强度参数劣化。含单组非贯通性结构面试件,其单轴压缩模拟试验的应力-应变曲线峰值后出现应力降。基于Mohr-Coulomb抗剪强度准则和损伤理论所得的解析解与数值模拟结果所得的非贯通性结构面试件的单轴压缩强度不符,说明用抗剪强度准则与损伤理论刻画非贯通结构面试样的强度并不合理。随着非贯通性结构面贯通率的增大,试件的变形、强度参数劣化。含单组结构面试件的破坏方式可分为结构面控制破坏,结构面部分控制破坏和结构面不控制破坏3种类型,而随着结构面组数的增多,结构面控制试样破坏的概率增加。     

松散堆积体隧道围岩变形破坏细观特征研究

隧道穿越复杂松散堆积体地层时,如何确保隧道施工过程的安全是工程人员普遍关心的课题。依托云南省罗打拉隧道,基于Monte Carlo随机原理,结合数字图像处理技术,建立了考虑接触面单元及抗拉强度的堆积体地层隧道开挖细观结构模型,并探讨了隧道开挖引起的堆积体围岩变形、破坏过程以及失稳机制,并在现场进行应用验证。研究结果表明,构建的堆积体地层隧道开挖细观结构模型可有效反映隧道开挖过程中围岩的破坏过程,围岩位移等值线呈波动性与非对称性分布;围岩破坏以剪切破坏为主,局部存在拉裂?剪切复合破坏,且破坏区由边缘块石尖端向深层逐步扩展,形成包裹块石的剪切楔形区及拉剪松动圈,在施工扰动下易发生局部失稳。针对堆积体地层破坏特征,提出了围岩注浆加固措施,地层加固后土石颗粒间胶结良好,开挖轮廓周边形成有效的注浆加固圈,开挖支护过程围岩变形可控,支护结构稳定,效果良好,可为后续类似松散堆积体地层隧道的设计、施工提供新思路。     

岩石破裂滑动过程及其声发射数值模拟

运用岩石破裂与失稳过程分析RFPA2D系统, 对滑动形成过程进行了数值模拟研究。滑动岩体似为非均匀弹 -脆岩石材料, 模拟结果再现了滑动形成从变形到破坏直至失稳的全过程及其声发射规律。     

多轴压缩条件下层状硬质片岩的力学特性研究

在深部工程中经常会遇到层状岩体,由于高应力的影响,在工程活动中发生因层状结构面诱发的岩体灾害问题。这与深部工程中的真三向高应力环境及层状结构面产状密切相关。为此,基于一种取自某深部金属矿山的层状硬质片岩,开展了考虑片理方位的真三轴压缩试验研究,获取了该片岩在两种片理加载方位下,不同应力差条件时,试样的变形、强度及破裂数据。结果表明,该硬质片岩的力学特性受片理加载方位和应力条件影响较大。具体表现在,当中间主应力σ₂平行片理走向时,试样的脆性更强,且最小主应力σ₃ 越小脆性越强。当σ₂垂直片理走向时试样的强度更高,但强度随σ₃增加而增加的敏感性较弱。当σ₂平行片理走向时,试样的破坏均以沿片理的剪切为主;而当σ₂ 垂直片理走向时,试样在低σ₃ 时,主要发生穿片理的拉破坏,高σ₃ 时,则转变为沿片理的剪切破坏。试验结果对陡倾层状硬质岩体工程的稳定性评价有一定的启示意义,即当片理走向与洞轴线的夹角较小时,浅层围岩片理面的法向应力释放程度较高,易发生受片理结构控制的脆性破坏;反之,夹角较大时,岩体的稳定性较强。     

急倾斜软硬互层巷道变形破坏机制及支护技术研究

针对急倾斜软硬互层巷道围岩大变形控制难题,采用现场试验、理论分析和数值仿真等多种手段,研究急倾斜巷道围岩变形破坏机制,研究结果表明：急倾斜软硬互层巷道的变形与破坏具有非对称性,偏压作用明显,呈现顶板下滑,底板臌起的相互错动变形特征,底臌严重且易片帮冒顶。巷道断面与岩层倾斜方向的钝角部位受侧向约束小,因而剪切滑移变形较大,是产生非对称变形破坏的关键部位;下帮围岩变形破坏较上帮更为严重。基于急倾斜巷道的变形破坏特点,提出在锚- 网-索耦合支护的基础上利用锚索、底角锚杆等对产生差异变形破坏的关键部位进行加强支护的方法,巷道大变形得到了有效控制。