深埋硬岩隧洞围岩板裂化破坏研究的关键问题及研究进展

规律性的板裂化破坏是深埋硬脆性岩体开挖卸荷造成的典型围岩破坏现象,给隧洞的安全施工建设带来了严峻挑战。板裂化破坏的研究主要涉及两个关键问题：板裂化破坏的形成机制及其影响因素,板裂化破坏与岩爆的关系。多年来,国内外学者通过理论分析、现场及室内试验、数值模拟等不同途径对板裂化破坏问题进行了系统的研究,取得了丰富的研究成果。在系统分析有关板裂化破坏两个关键问题研究进展的基础上认为,板裂化破坏的形成机制复杂、影响因素众多。基于板裂化破坏形成的细观机制,建立不同类型板裂化破坏的力学准则与力学模型是揭示板裂化破坏形成机制的关键所在;板裂化破坏现象与岩爆之间具有很强的相关性和本质的联系,深入揭示板裂化破坏特征所包含的岩爆前兆信息是板裂化破坏与岩爆关系研究的关键与难点问题。     

预应力锚杆对岩体板裂化的控制机制研究

为探究预应力锚杆对岩体板裂化破坏的控制机制,首先进行了岩体板裂化破坏的室内物理模型试验,并运用FLAC数值模拟技术,模拟了平面应变状态下板裂化破坏的形成过程;在此基础上,通过3种不同的预应力锚杆施加方案,进行预应力锚杆对岩体板裂化破坏控制机制的数值试验。研究结果表明：预应力锚杆的作用削弱了裂隙尖端应力集中现象,有效地抑制了岩体内裂隙的扩展与贯通、板裂化破坏的形成;作用在板裂区边界的预应力锚杆,不仅能够抑制板裂化破坏的形成,而且能在一定程度上控制板裂化破坏的范围;作用在板裂破坏区内的预应力锚杆,可有效限制板裂岩体向临空面的位移,体现出提高板裂岩体整体变形刚度的作用。研究结果对认识深埋隧洞围岩板裂化破坏的形成机制、板裂化破坏的合理支护控制以及岩爆防治具有重要指导价值。     

煤体静载破坏微震、电磁辐射及裂纹扩展特征研究

为研究型煤在单轴压缩破裂过程中产生的微震、电磁辐射信号与裂纹演化特征的对应关系,利用自主设计的低噪声静态加载试验系统,对0～0.25、0.25～0.5、0.5～1.0、1～2 mm共4种不同粒度的型煤进行了单轴压缩破坏试验,同步采集了煤样破坏过程中的微震、电磁辐射信号及破坏视频图像,提出了一种煤体裂纹快速提取方法并计算了型煤裂纹面积的变化规律。研究结果表明:型煤在单轴压缩过程中产生的微震、电磁辐射信号及裂纹面积在时域上具有良好的同步性。型煤破坏过程中裂纹面积随时间变化曲线可分为4个阶段。第1阶段为压实阶段,煤样所受应力值较小,其表面的裂纹面积以极为缓慢的速率增加。第2阶段为初始破裂阶段,随着应力的增加和内部弹性势能的积聚,型煤表面裂纹面积的增加速率较压实阶段有明显提高,伴随产生许多细小裂纹。第3阶段为加速破裂阶段,随着应力继续增加以及材料内部积聚弹性能的释放,试样变形过程加速,导致裂纹面积增速进一步增大。第4阶段为卸压阶段,试样的裂纹面积达到最大值,承载能力急剧降低,发生失稳破坏。     

加锚岩石力学性质及破坏特征试验研究

采用煤矿煤层顶板岩石作为加锚基体,用钢丝模拟锚杆,对由二者组成的加锚岩石进行了巴西劈裂、单轴压缩和压剪试验研究。结果表明,当加锚试件岩石基体出现塑性屈服裂纹开始扩展后,锚杆逐渐取代岩石基体成为外荷载的承载主体,试件的破坏特征由脆性向延性转变。加锚试件劈裂过程中,圆盘中心出现裂缝后,部分试件仍具有一定的承载能力,其抗拉强度提高了51.1%;另有部份试件则表现为迅速破坏并丧失承载能力,其抗拉强度提高了91.6%。单轴压缩试验中,加锚试件的破坏形式可分为两类:一类为裂纹平行锚杆轴向发展;另一类为裂纹垂直锚杆轴向发展,加锚试件的抗压强度提高了34.6%。加锚试件剪切过程中,其承载能力出现了明显的二次劣化现象,回归试验结果可得加锚试件的内摩擦角基本不变,而凝聚力提高了22.9%。     

断续三裂隙砂岩强度破坏和裂纹扩展特征研究

利用岩石力学伺服试验机,对尺寸为80 mm×160 mm×30 mm的断续三裂隙砂岩试样进行了单轴压缩试验,研究了岩桥倾角? 2对断续三裂隙砂岩（? = 30°和? 1 = 60°）强度破坏和裂纹扩展特征的影响规律。与完整砂岩试样相比,断续三裂隙砂岩试样应力-应变曲线显示了较多的应力跌落,其峰值强度也呈显著降低趋势,但降低程度与? 2密切相关,随着? 2从75°增加到90°,峰值强度从82.04 MPa 降低到77.82 MPa,而当? 2从90°增加到120°,其峰值强度无明显变化。完整砂岩试样呈现轴向劈裂脆性破坏,而断续三裂隙砂岩试样是由许多从裂隙尖端产生的裂纹扩展与汇合,导致了其失稳破坏。通过照相量测技术,探讨了? 2对断续三裂隙砂岩试样裂纹扩展特征的影响：? 2为75°、90°和105°的断续三裂隙试样中裂隙①、③和②、③之间均出现了贯通,而裂隙①、②之间无任何贯通;? 2为120°的断续三裂隙试样中裂隙①、③和①、②之间均出现了贯通,而②、③之间无任何贯通。最后给出了断续三裂隙砂岩试样宏观变形特性与裂纹扩展过程之间的关系。     

岩石失稳破坏的键弹簧模型研究

岩石的失稳破坏是岩石力学的一个重要课题。本文根据微观原子键作用的特征,揭示了固体材料宏观破坏本质必然是微观键的拉破坏,发明了键弹簧,用以表征岩石宏观力学性质。在综合分析岩石破坏的宏细观特征及声发射特性的基础上,建立了岩石破坏的键弹簧模型,推导出用以判别系统失稳的虚余能判据。利用虚余能判据,对各种加载状态下岩石的失稳破坏进行了综合分析,讨论了岩石在单轴拉伸、压缩、剪切、真三轴单面卸载等条件下的失稳条件,及岩石系统失稳破坏的尺度效应和围压效应。进一步提出了岩石系统失稳的统一判据公式,指出系统加载失稳由加载条件、应力状态、几何参数共同决定,区别于传统系统失稳的刚度理论。最后介绍了岩石键弹簧模型失稳判据在工程上的应用。     

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。     

隐晶质玄武岩破裂演化及破坏特征试验研究

隐晶质玄武岩是白鹤滩水电站超大规模地下厂房洞室群中广泛揭露出的主要围岩类别之一,且普遍赋存隐微裂隙,开挖过程中展现出特殊的力学响应特征。综合采用CT扫描、高速摄像、声发射、扫描电镜等手段,分析了隐晶质玄武岩的变形破坏特征、裂纹扩展及声发射演化规律等,并探讨了其细观破坏机制。结果表明:完整试样应力-应变曲线光滑,加载至峰值强度时瞬间爆裂,声发射信号异常集中,碎裂破坏;含隐微裂隙试样应力-应变曲线呈锯齿状,出现多次表面剥落,整个过程声发射信号非常活跃,以劈裂破坏为主;含宏观裂隙试样应力-应变曲线呈双峰或多峰状,峰前原生裂隙局部滑移,第1次峰值时宏观破裂面形成,声发射信号集中于峰值应力跌落瞬间,以剪切破坏为主。隐晶质玄武岩细观破坏机制主要为矿物颗粒沿晶断裂和穿晶断裂。研究成果为准确认识并科学掌握白鹤滩地下厂房洞室群围岩的力学响应及其破裂演化特征奠定了坚实基础,也可为硬脆岩体高应力破坏的认识和灾害控制提供参考和借鉴。     

锚板抗拉破坏机制试验研究

锚板上拔过程是一个复杂的锚土相互作用过程,锚板周围土体在上拔过程中的变形破坏机制对于锚板抗拔力的可靠预测具有重要意义。为了对锚板破坏机制进行量化分析,基于LabVIEW软件开发环境,开发了力、位移和图像同步采集系统,该系统由力传感器、位移传感器、相机和一台计算机组成,可对锚板上拔过程中的力、位移和图像进行自动同步采集,从而保证了力、位移和图像的一一对应关系。基于PIV（particle image velocimetry）无干扰测量技术对砂土中锚板在上拔过程中的图像进行了测量分析,得到了锚板周围土体的位移场、剪切应变场和体积应变场。变形场试验结果表明：锚板上拔过程中,锚板上部土体中间部分位移大、两边小,最终形成一个倒置的梯形;剪切应变场显示锚板上拔过程经历了局部剪切带形成,扩展并最终在锚板两侧形成一个倾斜向上并贯通到地面的对称剪切带,剪切过程中剪切带内伴随着剪涨。在峰后阶段,剪切带形状由峰值点内倾转为外倾,锚板两侧边缘处出现局部土体流动软化。该试验结果可为锚板上拔预测模型建立以及设计提供参考依据。     

多节理岩体裂纹扩展及变形破坏试验研究

为了研究不同倾角下多节理岩体力学行为,采用10 MN微机控制电液伺服大型多功能动静力三轴仪,开展包含较多预制非贯通节理类岩石试件的单轴压缩试验,研究了多节理岩体裂纹的特征、贯通模式、破坏模式、应力-应变特征等与节理倾角之间的关系。试验结果表明,（1）多节理岩体的裂纹类型主要有翼裂纹和次生共面裂纹,翼裂纹的扩展路径与单个节理情况下的扩展路径差异较大,翼裂纹起裂后沿起裂方向存在较长的扩展长度,直接与相邻节理或翼裂纹形成贯通,并且裂纹的贯通表现出四种不同的模式;（2）多节理岩体的破坏模式归纳为3种类型：平面破坏、块体转动式破坏和台阶式破坏;（3）根据多节理岩体的应力-应变曲线在应变软化阶段所表现出的不同非线性变形行为特征,可以将曲线归纳为4种类型;（4）多节理岩体的强度和变形各向异性特征非常显著,强度和弹性模量均在节理倾角30°时最小,90°时最大。     

自由边界形状与近边界裂纹相互作用模型研究

大量的研究表明, 岩爆发生条件与岩石的力学性能有关。岩体中微裂纹的形成、扩展和汇合对岩体的力学性能产生显著影响,可以导致材料的逐渐劣化直至破坏。对于单轴压缩的岩石试件,其破坏型式主要是微裂纹的摩擦滑移、自相似平面扩展和弯折扩展。基于断裂力学机制,对单轴压缩荷载下3种不同边界形状,即直边、凸形、凹形情况下近边界原生斜裂纹的扩展进行了理论研究,并运用FLAC数值模拟技术,建立了基于Interface界面单元的裂纹扩展数值模型。近直边界及凸形边界情况的裂纹扩展使用梁渐近模型来解析薄片岩层的屈曲断裂问题,对于近凹形边界情况给予简化,提出了裂纹－圆－椭圆相互作用的修正模型并进行理论分析。研究结果表明,基于Interface界面单元的裂纹扩展的数值模型正确,解析解与数值解吻合较好,相应的梁渐近模型及裂纹-圆-椭圆模型可以合理地分析应力调整过程中裂纹的扩展和裂纹与不同洞室表面形状的相互作用问题,为岩爆工程及理论研究提出了新的理论依据。     

孔槽式圆盘破坏特性与裂纹扩展机制颗粒流分析

基于室内岩石类脆性材料圆盘试样巴西试验结果,利用颗粒流程序（PFC）,获得一组能够反映其力学特征的细观参数。在此基础上,对孔槽式圆盘试样进行巴西试验模拟,分析了裂隙倾角和半径比变化对孔槽式圆盘试样力学参数和裂纹扩展规律的影响。孔槽式圆盘试样力学参数显著低于完整圆盘试样,降幅与孔槽几何参数密切相关。劈裂荷载随裂隙倾角的增大呈非线性变化,而随着半径比的增大呈近似线性减小规律。通过分析认为,在试验模拟范围内保持半径比不变,当裂隙倾角较小时,孔洞是主裂纹起裂的主要诱因;裂隙倾角较大时,裂隙成为主裂纹起裂的主要诱因。保持裂隙倾角不变,当半径比较小时,裂隙是主裂纹起裂的主要诱因;半径比较大时,孔洞成为主裂纹起裂的主要诱因。最后,从细观层面探讨了孔槽式圆盘试样裂纹扩展机制。     

煤岩蠕变模型与破坏特征试验研究

在MTS岩石伺服试验机上对山东某矿3煤进行了短时流变试验,并对试验结果进行了分析。结果表明：该煤岩蠕变门槛系数为0.915、流变系数为0.383;煤岩流变破坏呈现空间不均匀性,整体以塑性破坏为主,但存在剪切主导破坏面;煤岩流变过程中有微破裂破坏即损伤存在,并且这种损伤在较低的应力水平就有所发生,大量微破坏的积累与贯通导致了煤岩试件破坏;煤岩蠕变过程中不仅存在损伤软化,而且存在蠕变硬化,蠕变的过程取决于这两种机制竞争的综合结果;可以用3次多项式经验蠕变模型较好地描述该煤岩的蠕变特性,西原模型可以较好地描述该煤岩的初始蠕变和等速蠕变阶段,但不能描述加速蠕变阶段。     

锦屏深埋大理岩破裂扩展的时间效应试验及特征研究

脆性岩石破裂扩展的时间效应与地下工程的长期稳定性密切相关。针对锦屏深埋大理岩易受高应力卸荷而产生初始损伤的特点,首先利用无损取样技术获得无损岩样,并利用声发射对无损岩样进行初始损伤检测,剔除初始损伤对试验结果的影响。之后利用获得的无损岩样进行一系列的长期加载的静态疲劳试验验证锦屏大理岩强度的时效特性。结果显示,锦屏大理岩表现出强度随时间衰减的特性,当应力驱动比较低时,需要的时间也相应增加,最后得到静态疲劳极限为0.48。分析证明,脆性岩石在稳定荷载作用下蠕变曲线也分为3个阶段,同时应变率也表现出相应的变化趋势,利用扩容指标阐述了岩样在静态疲劳试验中的变形特征和破坏模式。最后,利用FLAC3D计算了开挖引起的应力松弛区和应力集中区,说明了埋深对试验结果的影响。针对试验中出现的含节理岩样强度较低的问题,借助颗粒流程序PFC中的光滑节理模型进行了数值试验,结果显示,节理的存在极大地影响了岩样的整体强度,并且在加载初期,存在压缩紧密,而在残余阶段,存在一定的强化效应和延性特征。     

隧道变形失稳的能量演化模型与破坏判据研究

隧道变形失稳过程与破坏判据研究是地下工程的热点与难点之一。运用耗散结构理论,分析了隧道变形失稳的能量耗散过程与演化特征;结合热力学基本定律,研究了整个隧道系统的能量耗散机制,建立了隧道变形失稳的能量演化模型。在此基础上,分别给出了大数据量（≥3 000）与小数据量（<3 000）条件下稳定性演化过程的能量判别准则;根据隧道系统变形失稳演化各阶段特征,提出了其失稳破坏的能量判据。将研究成果应用于广州地铁某立体交叉隧道的稳定性分析,验证了该能量演化模型与判据的合理可靠性,其结果对隧道稳定性状态的判别具有一定指导意义。     

模拟岩石中裂纹扩展连接的近场动力学方法

脆性岩石材料在压应力作用下常出现两类裂纹：翼型张拉裂纹和次生剪切裂纹。近场动力学是一种新型的无网格数值计算方法。在近场动力学理论中,采用积分形式的控制方程代替微分形式的控制方程使得该数值算法在断裂问题上具有独特的优势。将Mohr-Coulomb准则和最大主应力准则引入非普通“态”基近场动力学理论中,分别用于模拟材料常见的压剪和张拉破坏。这种扩展的非普通“态”基近场动力学可以有效地模拟脆性岩石材料在多种受力状态下的裂纹起裂、扩展和连接问题。通过5个不同的数值算例说明该数值算法在处理脆性岩石材料断裂问题的有效性和准确性。首先,通过模拟含圆孔的弹性板拉伸数值试验说明该数值算法的有效性和准确性。其次,数值模拟了简单三点弯曲试验以及不使用其他外部准则条件下动荷载作用下裂纹的分叉试验,所得结果与其他试验结果或数值结果相吻合,从而验证了该理论的有效性。然后,模拟了包含斜裂纹的巴西圆盘试验,裂纹扩展路径和计算所得的断裂韧度同样吻合于试验结果。最后,模拟了单轴压缩状态下,预制裂纹试样的裂纹扩展和连接问题。将该数值算法与试验结果对比表明,所提出的数值方法可以模拟和预测岩石类材料的张拉和压剪裂纹的起裂、扩展和连接行为。