大型地下洞室群围岩应力-损伤-渗流耦合分析

以渗透体力来考虑渗流场的力学效应,建立了应力-损伤-渗透系数关系方程来考虑应力和损伤对渗流场的影响,结合岩体结构的三维弹塑性损伤有限元分析,建立了大型地下洞室开挖围岩应力-损伤-渗流耦合的计算模型。该计算模型求解的难度主要体现在岩体材料弹塑性、损伤、渗流自由面边界、渗流溢出边界、应力-损伤-渗流相互影响关系等。提出分步迭代法对以上因素进行归纳后按一定顺序分别进行迭代求解,取得了良好的计算效果。将该方法应用于某水电站大型地下洞室群分析,得出了一系列有意义的结论。     

温度-渗流-应力耦合作用分类

根据耦合作用实现方式的不同,将温度-渗流-应力耦合作用分为“力学”耦合和“参数”耦合两大类,“力学”耦合通过场之间的某种力学作用或过程实现,而“参数”耦合则通过场的控制参数的变化而体现出来。     

热-应力-损伤耦合作用下深埋隧洞围岩稳定性分析

以热力学和弹塑性力学理论为基础,分析岩石热-力完全耦合作用及其对力学参数和热特性参数的影响,建立了岩石热-力-损伤耦合模型及其参数演化方程,以ABAQUS软件为平台对其进行二次开发,并通过典型算例验证了岩石热-力完全耦合的重要性。然后以某深埋软岩隧洞为例,研究温度和开挖卸载共同作用下的隧洞围岩力学行为和损伤过程。计算结果表明：温度对岩石的力学性质和损伤演化过程影响显著,开挖损伤和热应力诱发的损伤对围岩热力学参数的影响不可忽略;所提出的力学模型可以有效反映围岩损伤演化、调热圈演化以及热力学参数演化,具有一定的借鉴作用。     

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。     

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。     

煤矿深井巷道掘进全过程围岩变形破坏原位测试

传统研究对于煤系地层巷道围岩的变形破坏监测均在掘进面后方进行,无法获得巷道掘进全过程的围岩变形,更缺乏对煤矿深井巷道掘进全过程中围岩变形破坏规律的认识。为此,针对济宁三号煤矿深井巷道,通过超前布置监测断面,首次获得了煤矿深井巷道掘进全过程的围岩变形破坏规律;利用考虑体积应力的改进横观各向同性应变软化模型对巷道开挖全过程的围岩变形破坏特征进行分析。研究结果表明：在济宁三号煤矿七采区巷道地质条件下,浅部围岩的累计变形量和变形速率均大于深部围岩;巷道掘进全过程中,围岩变形随掘进面的推进经历了缓慢增长、迅速增长和变形稳定3个阶段;变形稳定后围岩松动圈深度约为1.0 m;巷道两帮围岩位移与破坏深度均在控制范围内,顶底板围岩破坏相对严重,并给出了相应解决方案。研究成果可为揭示煤矿深井巷道掘进围岩的变形破坏规律以及合理确定支护方案和参数提供重要的科学依据。     

高水压隧道围岩渗流-应力耦合作用模式研究

近年来,我国修建的长大隧道经常遭遇高压地下水作用,隧道围岩中渗流场与应力场存在着耦合作用。对于高水压隧道而言,按照耦合过程中围岩的破坏情况,可以分为变形过程中的耦合作用和破裂过程中的耦合作用。如果只考虑隧道开挖后围岩的变形,则渗流-应力耦合作用可概括为天然充填物变形、无充填裂隙接触变形、裂隙时效变形和人工充填物变形等模式。考虑隧道开挖过程中围岩的破坏,则渗流-应力耦合作用可以概括为卸荷和水力劈裂裂隙模式。在隧道二次应力场中,变形和破裂过程相伴而生,耦合作用模式的建立可以为隧道设计、施工及地质灾害防治提供明确的概念模型和参考依据。     

渗流应力耦合下含裂缝页岩力学特性和破坏模式研究

为研究在渗流应力耦合作用下含裂缝页岩的力学性质以及破坏模式,利用岩石破坏过程分析系统RFPA2D-Flow,建立7组含不同角度预制裂缝的页岩模型,并对其破裂过程进行了数值模拟。研究表明：页岩的破裂过程分为线性变形、屈服变形以及完全破坏三个阶段,源于裂缝的存在,页岩的弹性模量和抗压强度均表现出明显的各向异性的特点,且试样的最终破裂模式可分为斜线型、X型、λ型与崩坏型四种。对于不同层理倾角下的裂纹分布,渗流—应力耦合作用下页岩试样的破坏主要是拉伸破坏,并伴随着剪切破坏,其中试验表明,当α=90°时,试样所受的剪切破坏最严重。该研究结果对页岩开采具有重大的意义。     

深部大变形回采巷道围岩拉压分区变形破坏的模拟研究

为研究深部回采巷道围岩大变形破坏规律,在地质力学评估及矿压显现特征实测的基础上,采用真三轴相似模拟方法,模拟了不同加载梯度下巷道围岩应变特征。结果显示,在浅埋静水压力条件下,巷道围岩呈现“浅部拉应变、深部零应变”的特征;深埋静水压力及初掘采动应力下巷道围岩出现“径向应变拉压交替分布”现象;当采动应力集中系数大于2时,深埋巷道围岩应变进入非线性大应变状态。采用FLAC3D的应变软化模型与摩尔-库仑模型,对比研究了深部回采巷道围岩位移、塑性区分布规律。结果表明,应变软化条件下,巷道围岩产生拉、压分区破坏且软化后的围岩位移与实测结果更吻合。综合研究结果,揭示了深部回采巷道围岩拉、压分区的产生机制,初步提出了注浆、喷层等措施,防止过度应变软化引起深部回采巷道围岩大变形,为类似巷道稳定性控制提供了一定的参考。     

降雨入渗引起非饱和土边坡破坏的水-土-气三相渗流-变形耦合有限元分析

为了全面地了解降雨入渗引起的边坡失稳破坏机制,基于有限元-有限差分理论(FE-FD scheme)的水-土-气三相渗流-变形耦合有限元数值分析方法被提出。程序中采用了Zhang等~([1])提出的以Bishop有效应力和饱和度作为状态变量的非饱和土弹塑性本构模型,从而可以连续地描述在降雨入渗时土体由非饱和状态转化为饱和状态过程中力学特性的变化。同时用Green-Naghdi客观应力速率张量来考虑边坡失稳过程中的大变形问题。程序不仅可以模拟由于降雨入渗引起的水分迁移、孔隙水/气压力变化的过程,而且可以很好地反映出由于降雨入渗所引起的边坡变形、塑性剪切带形成等力学行为。选取室内边坡模型试验为研究对象,用所提出的水-土-气三相渗流-变形耦合有限元程序来进行数值模拟,并与试验结果对比,验证了所提出的有限元数值方法的有用性。     

考虑卸荷作用的裂隙岩体渗流应力耦合研究

大量试验证明,裂隙岩体在加载和卸荷的条件下其渗流与应力特性是不完全相同的。近年来,加载条件下的裂隙岩体渗流应力耦合研究得到了长足的发展,但卸荷作用下的水岩耦合分析还处于初始阶段。基于现有裂隙变形曲线的研究结果,建立了渗透系数与卸荷应力、应变间的本构关系,在此基础上,根据算例分析了各种工况下的渗流和应力特征,其计算结果表明,考虑卸荷后应力场的改变增加了临近坡面的岩体渗透系数,降低了地下水浸润线,增加了边坡的稳定性;考虑渗流后,边坡的位移场和应力场有较大改变,但考虑耦合后位移和应力分布和大小与不耦合时的相差不大;边坡开挖后应力场改变对渗流的影响远大于渗流对位移、应力等的影响。     

渗流-应力耦合作用下砂岩声发射及分形损伤特征研究

为探究渗流-应力耦合作用下岩石内部微元体的损伤演化特征,对取自某矿井的砂岩进行了三轴渗透及声发射试验。研究结果表明:砂岩的渗透率变化历经降低、动态平衡、快速增加以及略微回落四个阶段;声发射现象呈阶段性变化特征,随着围压的升高,声发射最大值越滞后;基于柱状分形理论得到的分形特征表明,分形维数逐渐降低,表明砂岩内部损伤经历了一个从无序到有序的变化趋势,分形维数突变点的出现,可作为砂岩即将失稳破坏的前兆;渗流-应力耦合作用下砂岩的损伤值呈指数型函数增加,渗透损伤Ds主要集中于屈服阶段之后,渗透损伤与总损伤的比值随围压的升高呈线性减小;应力加载是损伤产生的主要因素,渗透作用为次要因素;分形维数df与损伤D、渗透损伤Ds之间呈良好的负指数型函数关系。     

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。     

渗流作用下深埋巷道围岩热交换过程的数值模拟

为了研究深埋巷道围岩温度场的分布规律,基于传热学和渗流理论建立了深埋巷道围岩的热扩散数学模型,结合边界条件采用MATLAB对其进行了数值求解,获得了在风流和渗流耦合作用下围岩的温度场和温度矢量分布。研究结果表明,渗流改变了围岩初始温度场和温度矢量的对称分布的状态,围岩内部的温度场可划分为向内扩散区和向外扩散区。在围岩与风流的热交换作用下,巷道的壁面温度将接近风流温度,温度矢量零点的范围呈现出逐步增大的趋势。当热交换达到平衡状态时,向内扩散区的温度场呈现为环状对称分布状态;而向外扩散区等温线的形状没有明显的改变,但等温线的分布逐渐稀疏。     

三向应力作用下节理岩体渗流-应力耦合特性

节理岩体渗流-应力耦合特性研究是岩石力学领域的重点和难点。水利水电工程与地下工程中天然节理岩体往往处于三向不等压应力状态,针对三向应力状态下节理岩体渗流-应力耦合特性研究较少。其中,单节理岩体渗流-应力耦合特性研究是基础。首先分析与探究了单节理岩体侧向应力作用效果及渗流作用机制,在单节理岩体渗透性-应力耦合分析模型基础上推导了单节理岩体渗流-应力耦合的理论公式。通过室内真三轴渗流-应力耦合试验,基于全局优化算法的非线性拟合及块体离散元数值仿真,验证了所提出理论公式的合理性。基于电路原理,给出了模拟电路与渗流问题的相似物理量,通过引入等效渗流阻方法,探究了典型的含正六边形主干节理网络的渗流-应力耦合特性。该研究结果对实际工程岩体的渗流分析有一定的参考价值。     

大埋深软岩巷道围岩变形破坏力学机制分析

扩容性、应变软化性和破坏历时性属于岩石的基本力学性质．从岩石的这些力学性质出发．分析了大埋深软岩巷道围岩变形破坏的力学机制．     

基于损伤理论的圆形巷道围岩应力场分析

由于巷道掘进破坏了原岩地应力场,使围岩应力重新分布,应力集中区的高应力造成巷道变形破坏.特别是布置在高地应力区的巷道变形破坏更加严重.因此必须合理准确地计算巷道围岩应力场,为巷道变形破坏计算及稳定性分析提供理论依据.岩体内部存在微裂纹,其发生、扩展、并合,决定了岩石材料的宏观力学性能,因此巷道围岩应力场的计算应该考虑岩石材料的损伤特性.本文基于损伤理论计算得到的不同地应力情况下的圆形巷道围岩应力场,计算结果与实际情况符合得较好.     

考虑开挖损伤的高放废物地质处置库温度-渗流-应力耦合数值模拟方法

高放废物地质处置库处于温度?渗流?应力（THM）多场耦合环境中,对高放废物处置库进行安全评估时,需进行多场耦合分析。然而,高放废物处置库开挖引起硐壁附近围岩应力重分布,产生损伤,导致围岩热学参数（T）、渗流参数（H）和力学参数（M）发生变化,且在空间上分布不均匀,这将会对运营期处置库THM耦合演化过程产生显著影响。通过分析高放废物处置库温度?渗流?应力三场的耦合原理和处置库围岩损伤的分布和演化规律,定义了损伤变量和损伤演化准则,并将损伤变量与热学参数、渗流参数、力学参数以及多场耦合参数（Biot系数、Biot模量和温度排水系数）建立联系,将围岩损伤与温度?渗流?应力建立联系,形成了一个弹塑性损伤温度?渗流?应力多场耦合数值模型,然后利用建立的模型对瑞士Mont Terri高放废物地质处置库围岩加热试验进行模拟,对比了模拟值和试验值,比较了考虑开挖损伤和不考虑开挖损伤对高放废物地质处置库温度?渗流?应力的影响,并分析了在多场耦合作用下开挖损伤的演化规律。     

水压-应力耦合作用下灰岩力学特性试验

为探究富水饱和灰岩体在水压-应力耦合作用下的力学特性,利用自主研发的可实现单轴压缩的渗透试验装置对不同水压强度下的灰岩试样进行压缩破坏试验,测试灰岩应力-应变特性,分析水压对单轴抗压强度、弹性模量、变形模量的影响,灰岩破碎特性与水压强度相关性以及孔隙变化规律。研究表明：增加的水压强度对灰岩应力-应变和强度特性有显著的影响。随着水压强度增大,应力-应变曲线的压密阶段相对延长而弹性相对缩短,峰值强度呈指数减小而弹性模量和变形模量均呈线性下降,表明水压作用显著降低了灰岩脆性。另外,灰岩弹性模量、变形模量均与峰值强度呈线性关系。增大的水压强度对灰岩宏观断裂具有显著影响而未对其破坏类型造成影响,随水压强度增加,碎块均一系数和单位质量孔隙体积均呈指数函数增加。研究成果为隧道建设中富水岩体的开挖稳定性分析提供参考。