开挖断面曲率半径对高应力下硬脆性围岩板裂化的影响

围岩板裂化是深埋高地应力条件下硬脆性围岩开挖后出现的一种典型破坏形式。影响围岩板裂化形态和形成机制的因素很多,开挖断面的曲率半径是其中的关键因素之一。为了研究开挖断面曲率半径对深部硬脆性围岩板裂化的影响,首先总结、分析了锦屏二级水电站深埋隧洞不同开挖断面曲率半径所对应的板裂化形态和特征。在此基础上,设计了室内物理模型试验,研究不同孔径的圆形洞室和不同尺寸的直墙拱洞室在平面应变条件下的板裂化破坏形态。研究结果表明,开挖断面的曲率半径对围岩板裂化的影响机制表现在尺度效应和结构效应两个方面,影响着板裂化的破坏形态和破裂机制,当同一洞室断面包含不同曲率半径段时,板裂化破坏表现出曲率半径影响下的组合破坏特征。最后,利用数值模拟结果分析和验证了开挖断面曲率半径对围岩板裂化的影响效应。     

高地应力大型地下洞群围岩变形破坏响应特征分析

我国西南地区的水电工程多拥有尺寸规模庞大的地下厂房洞室群,受高地应力及复杂地质条件影响,洞群施工期间围岩变形破坏问题十分突出。文章以白鹤滩水电站右岸地下洞室群为工程案例,基于多点变位计连续监测成果,从量值、空间分布和时间演化3个方面分析了主副厂房围岩变形响应规律。并基于现场调查情况,对地下洞群施工期多种围岩破坏现象的响应特征进行了分析。最后结合初始地应力状态、岩体特性等影响因素,对上述围岩变形破坏的作用机制进行了探讨。研究结果表明,厂区方向与厂房轴线近似垂直的第二主应力对厂房应力调整起控制作用,开挖后在厂房上游拱肩和下游墙脚处产生应力集中,应力集中区内发生片帮、围岩破裂及喷护混凝土开裂等应力主导型破坏;高地应力环境下开挖使围岩强烈卸荷,导致厂房围岩变形整体较大并具有时间效应,拱圈及边墙局部围岩变形随开挖持续增长、收敛性较差。     

地下洞室围岩脆性破坏时的应力特征研究

在高应力作用下,岩爆、钻孔崩落、片帮都是地下空间硬脆围岩中常见的破坏现象,这三类现象本质上均可归于完整岩体的脆性破坏,它们分别反映了高应力作用下完整岩体不同的破坏程度。通过对前人关于岩爆判据、钻孔崩落判据和片帮应力强度比判据研究成果的类比分析可知,这些脆性破坏现象在破坏时具备相同的应力背景条件。脆性破坏的应力条件可以用地下空间周边切向最大应力与岩石单轴抗压强度之比（ / ）或者工程区最大主应力与岩石单轴抗压强度之比（ / ）来描述,两种指标本质上反映了相同的应力背景条件。对于 / , / = 0.4 ± 0.1是发生脆性破坏的应力临界条件;对于 / , / = 0.15 ± 0.05是发生脆性破坏的应力临界条件。大量的工程实例和基于Hoek-Brown强度准则的力学分析也证明了这一背景条件的正确性。这里两种指标都取了一个范围,主要是由于不同的岩体分级、岩性和工程地质条件会对指标的界定产生较为显著的影响。     

高地应力条件下围岩质量分类方法研究

围岩质量分类是隧道及地下工程领域重要的技术工作之一。限于经验,目前常用的围岩质量分类方法主要适用于中低应力、低应力环境,而在高地应力地区的适宜性较差。文章结合某水电工程实例,先后采用BQ分类、HC分类、RMR分类以及Q系统分类方法,分别就4种方法分类结果的相关性、吻合率和一致性等方面开展了系列对比研究和初步的成因分析。发现无论是上述4种方法各自的分类依据和指标,还是各指标权重的大小均有较大差异。故针对高地应力环境,以及研究区高地应力条件下的岩爆问题,分别对现行Q系统分类、HC分类和RMR分类方法逐一进行了修正。如Q系统重点修正了地应力折减系数、节理粗糙度系数Jr和节理风化蚀变系数Ja;HC分类提出了考虑高地应力和岩爆烈度的地应力折减系数,而取消了强度应力比S;RMR方法主要修正了R6,并增加了地应力折减系数K等。修正后的Q、HC、RMR方法所得结果更接近实际情况。最后,基于概率统计方法,建立了采用多种方法的围岩综合分类方案。     

大埋深高地应力硬岩TBM隧洞围岩破裂变形规律研究

大埋深、高地应力隧洞围岩变形问题是制约TBM隧洞安全及高效施工的关键性因素之一。隧洞埋深大、地应力高、岩石强度高、工程条件复杂,在施工过程中因开挖卸载,围岩变形随时间及应力集中程度不同表现出不同的破裂变形形式,引发拱顶沉降、拱底隆起,严重威胁施工人员及机械设备安全。本文选取引汉济渭工程秦岭隧洞岭北段K45+534.70～K45+701.92区间,分析了围岩破裂形式、隧洞拱肩及拱顶变形特征,探讨了高地应力条件下围岩破裂变形过程,揭示了围岩破裂变形规律及内在机制,提出了高地应力硬岩隧洞围岩破裂变形支护措施。结果表明：大埋深、高地应力围岩在切向应力作用下发生以劈裂为主的张剪破坏,表现为岩爆及静态脆性破坏(片帮、溃屈、板裂)两大类。隧洞围岩破裂变形分为急剧变形、快速变形及缓慢变形3个阶段,前两个阶段可达总变形量的60%～80%;隧洞拱顶变形随应力条件不同可能出现二次甚至三次加速变形,初次加速主要原因为张开裂隙、岩板剪胀及部分岩板挠屈弯折,发生速度快、持续时间短;二次加速主要由岩板挠屈弯折及岩块碎胀引起,变形速度小但持续时间长。针对高地应力隧洞围岩破裂变形特征,提出了包括吸能锚杆、钢筋挂网、钢纤...     

硬脆性大理岩拉剪破坏特征与屈服准则研究

岩土工程中常用的屈服准则多以压缩剪切为其破坏机制,然而硬脆性岩体的脆性破坏包括拉伸破坏、张拉剪切破坏和压缩剪切破坏3类,且随着岩体工程向深部发展,张拉剪切破坏成为了洞壁围岩的主要破坏机制。针对此问题,开展了硬脆性大理岩的室内拉剪试验,分析了大理岩拉剪破坏特征,并结合压剪试验结果,建立了考虑张拉剪切破坏机制和应力状态影响的Mohr-Coulomb准则。研究结果表明,硬脆性大理岩破裂面在拉剪应力状态和低正应力压剪应力状态下均具有张拉剪切破坏特征,高正应力压剪应力状态下则只具有压缩剪切滑移特征;拉剪应力状态下,大理岩破裂面张拉破坏特征明显,无明显剪切痕迹,剪切力固定时,剪切位移随着轴向拉力增加而增加;凝聚力和内摩擦角受应力状态影响,凝聚力随正应力增大先减小后增大,内摩擦角则随正应力的增大而减小;凝聚力、内摩擦角随正应力的变化趋势可分为4段,拉剪段、低压应力段、中压应力段和高压应力段,每段的凝聚力、内摩擦角与正应力皆可认为是线性关系,靠近抗拉强度处,内摩擦角趋近90°,凝聚力趋于无穷大;考虑张拉剪切破坏机制和应力状态影响的Mohr-Coulomb准则曲线分为两部分,可采用二次抛物线进行拟合的拉剪段和考虑凝聚力、内摩擦角随正应力演化的压剪段,由此建立的Mohr-Coulomb准则更全面、精度也更高。     

大埋深高地应力关山隧道围岩变形破坏分析

甘肃省关山隧道是一条受高地应力影响的大埋深硬脆性闪长岩铁路隧道,位于青藏高原东北缘,构造活跃,运动速率较大,且方向变化显著的六盘山挤压隆升构造区。在隧道开挖过程中围岩变形破坏现象明显,围岩等级低于前期岩体质量分级,表现出强烈的岩体质量劣化和各向异性。针对该问题,除了采用矿物成分和微结构分析寻找原因,还通过现场结构面统计分析对围岩质量劣化和各向异性进行描述,同时运用自行研发的钻孔电视进一步分析开挖前后一定时间间隔内围岩的渐进式变形和破坏。钻孔电视试验结果表明,尽管闪长岩作为一种硬脆性岩体,单轴抗压强度（UCS）高于现场地应力值,但其变形和破坏却普遍发生,开挖过程中新生裂隙迅速发育,原先在高地应力下闭合的裂隙也会重新张开和发展,围岩劣化,稳定性降低。为了进一步分析围岩的变形破坏过程,设计了变压力大小和方向的单轴抗压试验,试验中闪长岩的单轴压力值低于单轴抗压强度,试验结果与钻孔电视试验观测结果吻合,证明了在开挖引起的地应力剧烈变化条件下硬脆性闪长岩结构劣化,存在变形破坏的可能性。在大埋深高地应力条件下,除了岩体的各向异性,地应力的变化也是硬脆性围岩稳定性的重要考量因素。     

高地应力硬岩洞室开挖破坏区数值模拟方法探讨

随着深部地下洞室的大量兴建,深部开挖过程中开挖破坏区的形成及其预测成为国内外岩石力学研究的焦点。本文首先对硬岩破坏过程的力学特性进行了分析,在此基础上对当前岩石力学工程界惯常采用的连续介质模型和粘聚力弱化-摩擦强度强化（CWFS）模型进行了比较;利用岩土工程分析软件FLAC,采用理想弹塑性、弹脆塑性、应变软化及CWFS模型对加拿大Mine-by Experiment圆形试验洞室进行了数值分析,通过对围岩应力分布、关键点应力大小和塑性区分布的对比分析,发现CWFS模型计算得到的应力场更能准确反映破坏区产生后应力向围岩深部转移并集中的特征;这一应力分布特征与开挖破坏区不存在时的结果更接近;与其它模型相比,CWFS模型计算得到的破坏区范围和深度更大,与现场实测值更加吻合。最后采用CWFS模型对挪威Kobbskaret公路隧道破坏区大小进行了计算分析,再次验证了采用CWFS模型对硬岩开挖破坏区预测的合理性。     

基于可拓理论的高地应力隧道围岩分级法及应用

随着大量深埋特长隧道的修建,地应力问题特别是高地应力问题对围岩分级的影响愈发突出。围岩分级是一个复杂的矛盾问题,目前常用的围岩分级方法是选取固定的几个指标,然后采用集商、求和等方式进行评分分级。但有些围岩分级计算方法不能根据实际地质情况灵活地选取分级指标,而且有些分级指标之间存在相关影响。可拓学理论可将矛盾问题转化为相容问题,是一种值得探索和运用的方法。本文将可拓理论方法与高地应力隧道围岩分级相结合,建立基于可拓理论的高地应力隧道围岩分级法。该方法主要是通过选取能够反映和体现围岩分级的各项重要参数指标岩石单轴抗压强度Rc,RQD指标,岩石完整性指标Kv,地下水状态指标,特别是考虑了地应力值这项重要指标,然后在物元理论、可拓集合论和关联函数运算的基础上,建立了隧道围岩分级的物元模型; 通过实际的隧道围岩级别关联度的计算,最终确定围岩级别。通过可拓理论围岩分级的实际应用表明,该方法在高地应力隧道围岩分级中具有较好的适用性。     

含预制裂纹的脆性岩石单轴压缩下渐进性破坏过程的试验研究

对含预制裂纹的花岗岩进行单轴压缩试验研究预制裂纹倾角α对脆性岩石渐进性破坏过程的影响。首先埘破坏过程的轴向应力-横向应变曲线进行总结和讨论,然后分析预制裂纹与加载方向夹角α埘岩石的应应力门槛值：裂纹起始应力σci、裂纹扩展应力σed、峰值强度矿σf,由应变片记录的应力-应变曲线和试样的表嘶裂纹扩展情况的影响机制。结果表明,含有预制裂纹的岩石试样进行加载试验过程中,顶制裂纹倾角α的变化成了决定脆性岩石破裂办式的主要因素。故在对含节理、裂隙的脆性岩石的工程应用上,通过对岩休的轴向应力-横向应变向应变典线进行分析,可以对地下开挖工程起到指导设计开挖方式及支护形式的作用。     

大伙房水库输水隧洞地应力场特征

为了解大伙房水库输水隧洞地应力场分布对洞室围岩稳定性的影响,采用地质力学方法研究了该区构造形迹特征,阐明了地应力场演化特征,首次将应力场演化划分为4个期次,并结合实测地应力数据建立了工程区地应力场分布模型。结果表明该区是以水平残余构造应力为主的中应力区,最大水平主应力方向为近EW,与洞轴线夹角为39°~46°,对围岩稳定性影响较大。     

襄渝铁路增建二线--新白岩寨隧道地应力测量及其在岩爆分析中的应用

本文在襄渝增建二线———新白岩寨深埋长隧道(最大埋深近500m)工程区进行了水压致裂地应力测量,叙述了地应力测试方法和结果。测量结果表明:该工程区的原地应力以水平应力为主,最大主应力方向为NNW,与区域地质分析的结果相吻合。根据该工程区应力量值及其方向,分析了隧道区应力作用特征,并结合该工程区地质条件,对隧道的稳定性和地质灾害发生的可能性进行了讨论。     

干热岩地应力测量评价方法与前沿挑战

可靠的地应力数据能够指导开发干热岩资源。本文针对干热岩深部储层地应力调查存在的困难,按照基于钻孔、岩芯和地质的三类调查手段,首先总结提出了适用于干热岩地应力测量与评价的方法,并指出了其基本原理、测试仪器、应用场景与存在的优缺点。然后,以我国青海共和干热岩试采工程为例,提出了干热岩地应力测量与评价模式,给出了储层地应力特征的主要认识,并验证其与工程开发结果的一致性。最后,总结了干热岩地应力测量方法的认识,指出了干热岩开发中与地应力相关的两大前沿科学问题,即储层裂缝控制与诱发地震,并对其发展趋势与挑战进行了展望。     

初始地应力对隧洞开挖爆生裂隙区的影响研究

隧洞开挖过程中控制爆炸对岩体的损伤,减小爆破裂隙范围,对保证工程安全具有重要意义。基于爆炸应力波作用下爆生裂隙形成机制的研究,采用摩尔-库仑准则及最大拉应力准则,研究了初始地应力对爆炸应力波作用下爆生裂隙区比例半径的影响。研究结果表明,初始地应力对爆生裂隙范围有显著影响。在压剪破坏模式下,爆生裂隙区比例半径随地应力的增大而减小,地应力侧压系数影响爆生裂隙区比例半径在洞壁圆周的分布。考虑围岩应力卸荷影响后,沿隧洞径向的爆生裂隙区比例半径比不考虑卸荷的小。拉伸破坏导致的岩体爆生裂隙区比例半径一般比压剪破坏模式下爆生裂隙比例小,爆炸应力波作用下隧洞围岩更容易沿结构弱面发生压剪破坏。     

安徽金寨沙坪沟矿区地应力测量与现今应力场研究

安徽金寨沙坪沟钼矿位于秦岭—大别山成矿带东段,是近年来我国发现的世界级特大钼矿,其开采设计和地质安全评价备受重视。为了查明沙坪沟矿区现今应力场特征,指导矿区开采设计,在矿区3个700~1000 m深钻孔中开展了水压致裂法地应力测量工作,测量结果表明:(a)矿区最大、最小水平主应力随深度增加梯度系数分别为0.0226和0.0166,与区域地应力背景值基本一致;(b)矿区实测最大水平主应力优势方位为NE-NEE向,与区域构造应力场方向一致;(c)实测地应力数据揭示的应力结构与区域结果存在差异,分析认为,沙坪沟矿区所在的桐柏—大别构造带特殊的构造位置和构造活动机制可能是造成这种差异的主要原因。进一步,利用库伦滑动摩擦准则评价了实测地应力数据,探讨了其对矿区开采设计的意义,结果表明,矿区现今地应力强度不足以导致以断裂失稳活动或地震为表现形式的地应力状态调整事件的发生,从地应力角度讲,沙坪沟矿区目前总体处于稳定的构造应力环境。本文结果,对于沙坪沟矿区开采设计、地质安全评价及大别山造山带东段构造应力场研究有重要意义。     

川西郭达山隧道水平孔地应力测量与工程意义

新建川藏铁路穿越鲜水河活动构造带,沿线构造应力场极其复杂,隧道围岩工程破坏问题突出。为了揭示该区构造应力场特征,为深埋隧道设计、施工提供基础参数,采用新型水压致裂地应力测量系统在川西郭达山隧道水平孔获得10段有效地应力测量数据,最大测量深度达508.10 m,创造了水平孔地应力测量最深记录。测量结果表明,在148.4~508.1 m测量深度范围,郭达山隧道水平孔截面上最大主应力值为3.59~13.72 MPa,最小主应力值为3.28~8.36 MPa。根据印模实验结果,除浅部钻孔截面上最大主应力倾角较大外,深部钻孔截面上最大主应力倾角近水平。根据地应力状态将0~280 m段划分为应力释放区,280~330 m段为应力集中区,大于330 m段为原地应力区。基于地应力测量结果对郭达山隧道水平孔围岩稳定性进行了预判分析,在孔深292.9 m、508.10 m处隧道围岩有轻微至中等程度岩爆可能,其余段无岩爆可能性。     

川西折多山某深埋隧道地应力测量及其应用研究

川西地区地质构造环境复杂,该区深埋隧道建设过程中经常面临岩爆风险,而地应力条件对深埋隧道的规划建设和岩爆风险预判具有重要意义。本研究利用水压致裂法在川西折多山某深埋隧道开展了原地应力测量及其工程效应分析。某钻孔196~650 m深度范围内的地应力测试结果显示,隧址区以水平构造应力为主导,测试深度范围内水平主应力随深度线性增加,且应力增加梯度高于中国大陆背景值。地应力结构整体以逆断型(S_H>S_h>S_v)为主,其中389.50~560.50 m深度范围属应力释放区,地应力结构以走滑型(S_H>S_v>S_h)为主。侧压系数及最大、最小水平主应力比值随深度分布基本符合中国大陆各参数变化特征。最大水平主应力方向为NWW向,与区域应力场分布及周边活动断裂反映的力学机制一致,主要受印度板块向欧亚板块持续俯冲和高原物质东南向扩散作用控制。测点现今地应力强度较高,临近断裂失稳状态,随着应力的不断积累,区内优势破裂方向或已有断裂的特殊构造部位可能发生失稳滑动。最后,基于地应力测量结果对深埋隧道围岩稳定性进行了预判分析,受隧址区高地应力影响,围岩发生中-强岩爆的可能性较大,需优化设计并重点防护。