深部洞室开挖卸荷分区破裂机制的动力分析

随着地下工程开挖深度的增加,深部岩体将处于高应力和复杂的地质环境中,产生与浅埋洞室破坏模式迥异的分区破裂现象。深部洞室在动力卸荷作用下,基于应变梯度理论和损伤软化模型,建立了弹塑性损伤软化动力模型,推导了含有应变梯度项的运动方程、平衡方程和边界条件,提出相应的破坏判据,采用Runge-Kutta方法和Matlab数值软件求得不同卸载时刻围岩附加位移场、应力场和开挖后围岩总位移场、应力场,得到深部洞室围岩分区破裂的动态形成过程和发展规律。由理论计算值与地质力学模型试验实测值对比分析得知,围岩的径向位移、径向应力和切向应力出现波峰和波谷交替振荡的变化规律,理论计算得到的破裂区和非破裂区的宽度和数量与试验实测值有很好的一致性,证实了该模型分析分区破裂现象的适用性,对以后深部地下工程围岩变形破坏和支护设计提供理论支持。     

深部洞室围岩分区破裂化的冲击破坏机制研究

提出了深部洞室围岩分区破裂化的冲击破坏机制。即在岩体开挖引起的围岩应力重分布过程中,径向应力波波前产生应力不连续间断面,当波前应力降满足一定条件时,产生局部冲击破坏。根据弹性动力学理论,应用位移势函数,通过Laplace变换简化计算,推导了洞室开挖瞬间围岩径向应力场的动力学理论解,得到了发生各次分区破裂化时,波前径向应力降的统一计算公式。根据质点速度、间断面压力降,由动量守恒定律推导了围岩分区破裂化的冲击本构方程和破坏准则,得到了产生冲击破坏的间断面压力降临界值计算公式。给出了分区破裂形成后各破裂区半径的表达式,关系式表明,各破裂区之间存在等比关系,其等比值为 。     

深部层状节理岩体分区破裂模型试验研究

随着地下工程开挖深度的增加,深部洞室围岩将产生不同于浅部洞室的分区破裂现象。为深入研究深部岩体分区破裂现象的形成机制和影响因素,以淮南矿区丁集煤矿的深部巷道为工程背景,利用模型相似材料和高地应力真三维加载模型试验系统,首次开展了带有软弱夹层的层状节理岩体的真三维地质力学模型试验。结果表明：（1）在满足一定应力条件下,带有软弱夹层的层状节理试验模型出现明显的分区破裂现象;（2）软弱夹层是影响层状节理岩体分区破裂现象的重要因素,在相同的应力条件下,软弱夹层使得巷道围岩的径向位移和应变明显增加;并且软弱夹层的间距越小,洞周破裂区的层数越多,范围越大;（3）洞周破裂区的形状近似为圆形,与是否存在软弱夹层及软弱夹层间距均无关。模型试验结果有效揭示了分区破裂的影响因素,为深入研究高地应力深部岩体的非线性变形破坏特征奠定了坚实的试验基础。     

深部厚顶煤巷道围岩变形破坏机制模型试验研究

为研究深部厚顶煤巷道围岩变形破坏特性及其机制,以赵楼煤矿千米深井厚顶煤巷道为工程背景,开展了大比尺地质力学模型试验,对让压型锚索箱梁支护系统作用下的巷道围岩位移、应力演化规律进行的研究表明：巷道顶底板围岩竖向应力释放较两帮剧烈,水平应力释放反之,巷道顶板中部围岩是顶板竖向应力释放的主要部位。通过与现场试验结果对比验证,总结出深部厚顶煤巷道围岩变形破坏的3个主要特征：顶板变形破坏较两帮和底板严重、顶板围岩变形破坏主要发生在煤岩交界面以下的煤体中、巷中是顶板变形破坏的关键部位,并进一步分析了相应机制：顶板煤岩松软破碎、自承能力差、顶板及其巷中竖向应力释放相对更为剧烈、矩形巷道顶板受力状态差等因素,导致顶煤所受径向应力低,碎胀变形剧烈,且弯曲变形、离层严重,顶板受力结构恶化,最终导致顶板控制困难。     

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。     

高应力深部洞室模型试验分区破裂现象机制的初步研究

以经典的芬纳公式为手段,以观察到分区破裂现象的模型试验为背景,通过对简化后的圆形巷道围岩应变场和能量场的分析,发现极限平衡区边界存在径向应变的不连续性和弹性变形能的聚集性。认为与开挖洞室呈同心圆的环状断裂的形成,是极限平衡区在边界上由于应变场的不协调而导致的与弹性区的断裂分离。而分区破裂的产生,则是这种断裂分离形成后极限平衡区向深处发展的结果。解释了分区破裂产生时洞周围岩应变和位移随距离洞室增加呈波浪形变化的非单调性规律,给出了分区破裂形成后各破裂区半径的表达式,关系式表明各破裂区之间存在等比关系,比值与地应力状态及围岩力学参数有关。将分区破裂模型试验的参数代入该式,可得,n =1.1左右,与实验完成后剖开模型的各破裂区分布特征基本相符。     

深部复合地层TBM开挖扰动模型试验研究

针对全断面隧道掘进机(TBM)开挖过程掌子面岩体软硬交替变化的特点,以兰州水源地建设工程为背景,采用模型试验与数值模拟方法研究了复合地层TBM开挖过程隧洞围岩的动态响应规律。通过开展相似配比试验配制了不同围岩强度比的复合地层岩体相似材料,运用光纤光栅技术全程捕捉了隧洞开挖过程复合地层应变演化规律,并分析了隧洞围岩的宏观破裂形态。模型试验结果表明:TBM推进过程中复合地层应变变化规律体现了掌子面推进的空间效应,软岩部分应变要大于硬岩部分应变,且随着开挖步数的增加两种岩层应变差值越大;隧洞内岩体完全挖除后,围岩宏观破裂形态表明因复合地层岩体物理力学性质的差异,上覆软岩变形破坏较为严重,破裂和变形较为显著,在软、硬岩层交界面出现"变形不协调"现象。选取工程沿线某洞段的地质力学参数,基于破坏接近度(FAI)指标评价了隧洞开挖过程中复合地层围岩的稳定性,数值结果表明:开挖过程软岩中FAI变化较为明显,塑性区和破坏区分布范围更广,而下部硬岩受开挖扰动影响较小,只有拱底小范围岩体进入破坏状态。模型试验和数值结果均说明交替变化的掌子面岩体在开挖过程中其围岩在变形破坏等规律方面存在明显差异,因此,TBM...     

深部巷道围岩分区破裂的非线性连续相变模型研究

深部巷道围岩中会形成分区破裂现象。围岩分区破裂的形成过程可以看作是围岩内部结构的连续相变过程,因此,连续相变模型可以描述分区破裂的主要特征。基于文献[15-16]中利用连续相变理论,结合经典弹塑性理论建立了围岩分区破裂的非线性相变模型。运用相平面分析法研究了非线性连续相变模型方程的解的性质,得到了非线性解的3种形式。用数值方法求解了非线性连续相变模型方程,并与线性相变模型的解进行了比较,展示了非线性模型能够更好地描述围岩变形的空间分布。最后分析了非线性模型方程中各系数对方程解的影响及其物理意义,其研究结果对于应用非线性连续相变模型模拟分区破裂具有指导意义。     

金属矿山深部巷道围岩分区破裂现场监测研究

近年来浅部资源的不断减少使得对深部资源的需求不断增大,国内外千米级以上的深部岩体工程早已成为常态。金川二矿区目前深部工程已经深达1000 m以上,面临着深部开采巷道的工程安全性问题。深部巷道围岩中出现的分区破裂化现象一直是深部工程研究的热点。为监测金属矿山深部巷道中的分区破裂化现象,在金川二矿区700m水平巷道选择了6个断面,每个断面布置2个监测点,借助松动圈监测仪对围岩内部的破裂区范围进行了监测,发现了深部工程围岩的分区破裂化现象。监测结果表明,所监测断面内存在有分区破裂化现象,破裂区的厚度随着距离巷道表面的距离增加而减小,而破碎程度降低,完整程度增加。分区破裂现象的再发现对于深部工程围岩稳定性分析与支护设计方案的改进具有重要的意义。     

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。     

深隧道围岩分区破裂的数学模拟

该研究为先前深隧道围岩分区破裂现象内变量梯度塑性模型的进一步发展。利用应变梯度模型研究了深隧道围岩的分区破裂现象。作为额外的状态变量,在此引入应变梯度这一新变量。利用虚功原理得到了深隧道围岩的平衡方程、边界条件和流动准则,利用Clausius-Duhem不等式获得了岩体的本构方程。对于圆形深隧道,由上述模型的一般方程得到了弹性变形情况下、具有下降段的弹塑性变形情况下和不考虑弹性变形的塑性变形情况下圆形深隧道围岩的支配方程,得到了解析解,并讨论了解析解的性质。这一模型不仅扩展了隧道围岩的经典弹塑性模型,也为下一步数值研究深隧道围岩的分区破裂现象奠定了理论基础。     

深隧道围岩稳定性的数值模拟与模型试验研究

在大型真三轴模型试验机上进行隧道的超载试验,试验过程中采用内窥摄影实时监测试件的破坏演化全过程,确定了高应力条件下隧道的变形特征和裂纹演化特征;采用应变测量技术对隧道关键部位的应变值进行了测量,据此分析了围岩体的应力变化规律。针对相似材料的力学特性,建立了应变软化模型,采用与模型试验相同的边界条件进行了数值模拟分析,对围岩体的塑性应变变化过程和应力场进行了研究。结果表明,两种手段反映的破坏演化过程是基本吻合的,所反映的围岩体应力变化规律也是一致的。     

深部岩巷分区破裂围岩稳定性控制方法及应用

深部高地应力岩巷开挖后围岩内出现分区破裂现象,采用传统的原设计方案巷道稳定性差。根据巷道围岩变形破坏的现场监测结果,经过理论分析和支护试验,提出了“提高法向约束、锚杆增韧止裂、协调耦合支护、应力内部转移、分区充填注浆、增强围岩强度”的锚注一体化综合控制方法理念。并提出了相对应的综合支护技术,即首先采用高预紧力超强锚杆及时支护围岩,锚杆的长度和数量分别由监测结果和分区支护能量判据确定;其次采用高强锚索让压梁支护巷道顶板,实现锚杆、锚索的协调耦合支护和围岩应力内部转移;最后采用中空分段螺旋式注浆技术进行滞后加固。最后针对监测巷道采用锚注一体化综合控制方法和技术进行了支护优化设计并进行现场支护试验,监测结果表明,优化支护的巷道稳定性良好。     

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。     

深埋隧道锚杆支护作用的数值模拟与模型试验研究

以重庆至长沙公路共和隧道为研究对象,研制出环氧-硅橡胶的相似模型材料,在大型真三轴模型试验机上进行了隧道在毛洞和锚杆支护条件下的超载试验,采用应变测量技术对隧道关键部位的应变值和锚杆的应变值进行了测量,据此分析了围岩体在锚杆支护后的应力变化规律和锚杆的轴力变化规律。采用与模型试验相同的边界条件进行了隧道在锚杆支护条件下的数值模拟工作,对围岩体的塑性区、应力场和锚杆轴力随荷载的变化过程进行了研究。结果表明,两种手段反映的围岩体应力变化规律和锚杆轴力随荷载的变化规律是一致的     

深部巷道围岩变形破坏机制分析

采用弹脆性本构模型以及滑移破坏理论,对深部围岩应力分布以及变形破坏机制进行分析。计算结果表明,开挖卸荷将引起剪应力的增长,滑移剪切变形的发展将围岩划分成具有一定尺度的块体（或条带）,它们之间的相互摩擦决定着残余强度的大小;在各向不均匀压缩的作用下,深部围岩能够产生区域拉伸破碎,使围岩开挖断面监测到的位移大大超出按连续介质理论计算得到的数值。采用考虑扩容的计算模型可以得到围岩产生区域拉伸破碎的条件,计算得到的该条件与岩体力学性质以及破碎尺度密切相关。