巷道围岩状态的等效应力等效应变表述

在体积应变为零的条件下,根据巷道围岩属简单加载的特性得到围岩中同时关联三向应力 , , 和三向应变 , , 的,用等效应力 和等效应变 表示的对围岩加载-形变关系式。严格地论证了巷道围岩的弹性、硬化、软化和流动区的应力应变状态分别与围岩的等效应力-等效应变曲线各阶段的应力应变状态相对应。以等效应力、等效应变为中间变量可以简化围岩弹性分析,简捷地写出巷道围岩偏应力应变能的计算公式。等效剪应力 是围岩中的最大剪应力 ,等效剪应力单元受正应力和剪应力作用,但其上只有剪切应变,这突出了巷道围岩形变破坏是由于最大剪应力和偏应力应变能所致的实质。根据等效剪应力概念确定的滑移线,可适用于材料应变硬化和软化阶段,不要求刚塑性假定条件。     

基于两种颗粒体模型的巷道围岩应力应变分析

本文将岩石视为颗粒体材料,采用两种模型对巷道围岩的应力、应变及破坏区的分布规律进行了数值模拟。第一种模型是连续介质模型,其中考虑了颗粒、界面及基体。第二种模型是将第一种模型中的基体去掉。研究结果表明:当基体强度参数降低较少时,巷道围岩中的环向和径向应力在传统结果附近波动;当基体强度参数降低较多时,两种应力的波动幅度提高,而且,基体位置的应力向其周围的颗粒或界面转移。第二种模型结果的波动幅度更大。随着基体强度参数的降低,巷道围岩中的应变集中区向深部转移,形成相互交织的滑移线网,滑移线网的位置主要位于基体和界面中,这与第二种模型的结果有明显的差异(多个环向的应变集中区)。     

高应力软岩巷道围岩与支护结构相互作用分析

基于Mohr-Coulomb应变软化模型,将收敛-约束法应用于高应力软岩巷道围岩-支护相互作用分析中,构建典型支护结构特征曲线。以FLAC3D数值模拟软件为工具,分析应变软化模型、剪胀角及不同巷道断面类型对围岩-支护相互作用的影响,并对支护系统稳定性进行评价。研究结果表明：考虑应变软化行为的围岩所需支护压力与Mohr-Coulomb模型计算结果相差较大,剪胀角对围岩应力释放过程及围岩-支护相互作用影响较小,巷道不同断面形式及断面不同位置点围岩所需支护压力有一定差异性;初期支护系统的稳定性是围岩与支护系统最终稳定的关键,采用收敛-约束法评价高应力软岩巷道初期支护系统的稳定性,对高应力软岩巷道的支护结构设计及施工具有一定指导意义。     

脆性岩石破坏的能量跌落系数研究

从能量角度出发,分析了脆性岩石的整个变形破坏过程。列举出岩石破坏过程的各种能量类型并对其分类,通过分析机械能和热能在岩石破坏过程中的不同影响,提出了用能量法分析岩石破坏过程必须区分热能与机械能。根据循环加、卸载曲线讨论了在岩石变形破坏的不同阶段输入的机械能?W与可释放应变能增量e?U以及耗散能增量d?U之间的关系及变化规律。分析了应力脆性跌落系数存在的不足,提出了一个新的表征岩石破坏的参量,即脆性岩石的能量跌落系数。对不同围压下大理岩和花岗岩破坏过程的应力-应变曲线分析计算,得到了能量跌落系数与围压的关系,以及损伤程度和泊松比对其影响。并通过与现有的应力脆性跌落系数进行对比,说明了本模型的合理性,并认为用其描述岩石的脆性程度在更广泛的围压条件下的适用性。     

基于颗粒-界面-基体模型圆形巷道围岩中应力与应变演变分析

视岩石将由3种成分构成：颗粒、界面和基体,采用FLAC模拟圆形巷道开挖之后围岩中的剪切应变增量、最小及最大主应力的分布及演变规律。在静水压力条件下,剪切应变增量的高值区主要分布在软弱的基体之中,形成了相互交织的剪切带网格,而最小主应力的高值区（环向高受压区）主要分布在相互接触的颗粒之中,形成了若干圆环。当侧压系数不等于1时,剪切带网格的轮廓呈三角形。颗粒尺寸的增加使剪切带的数目降低,长度增加,最小主应力的高值区的数目降低,间距增加;颗粒尺寸大时的结果与分区破裂化现象相近。由此提出一种可能的裂化机制：节理岩体中的若干岩块由于自组织作用而被挤成1圈,如果应力水平足够高,就可以形成多条环向的被未破坏区隔开的破坏区。     

基于切向应变软化的深埋圆形隧道围岩弹塑性分析

为了研究深埋圆形隧道围岩的应变软化行为,首先通过引入应变软化度,即软化区与残余区交界面处的切向应变和弹塑性交界面处的切向应变的比值,来表征应变软化程度。其次,推导了求解软化区与残余区位移方程,并将该方法求得的位移曲线与Lee法和Cui法对比,验证了方法的正确性。最后,通过算例分析,研究不同力学模型对塑性区半径的影响,以及应变软化度对塑性区中软化区与残余区比例和位移的影响。结果表明：弹塑性交界面处的围压与软化度和支护力均无关,塑性区半径与支护力有关;软化度直接影响软化区与残余区的比例,随着软化度的增加,软化区范围增加,相应的残余区范围减小;软化区与残余区交界面的位移随着软化度的增加而逐渐增加,应变软化度的增加,支护力对其影响增加;洞壁处的位移受支护力的影响较大,随支护力的增加而减小。     

非线性硬化与非线性软化的巷、隧道围岩塑性分析

在符合岩体实际的弹性、应变非线性硬化和具拐点的非线性软化的三段式光滑连接应力-应变关系条件下,求得静水压力下圆形巷、隧道围岩塑性硬化区和软化区的应力分布表达式。证明了所求得的巷道围岩径向和切向应力曲线在硬化区半径 和软化区半径 处均光滑连接,特别是所求得的切向应力 - 曲线没有尖峰向上的应力集中,此结果与日本学者久武胜保的试验结果一致。指出基于理想弹、塑性本构模型的Kastener解有明显缺陷,其 - 曲线尖峰向上的应力集中与实际不符。     

考虑围岩软化特性和应力释放的圆形隧道黏弹塑性解

将围岩的塑性应变软化特性引入到考虑应力释放的圆形隧道黏弹塑性解中,并且在围岩的软化和残余强度阶段考虑围岩的塑性体积膨胀特性,提出了考虑塑性软化以及塑性体积膨胀和围岩应力释放的圆形隧道弹塑性解。当软化系数k = ∞、膨胀系数h = s时,该解转化为黏弹-脆塑性解;当k = 0、h = s时,则转化为黏弹-理想塑性解,进一步令h = s = 1,则转化为不考虑塑性体积膨胀的黏弹-理想塑性解。通过具体实例计算,分析了掌子面与研究断面间距x、围岩的软化系数k、膨胀系数h和s、支护结构等对围岩塑性区、破碎区半径和变形的影响。当开挖面与研究断面间距x在(0~4)D（D为隧道直径）范围内,随着时间增加塑性圈和破碎区迅速增大;超过4D,塑性区和破碎区半径增量逐渐变小,趋于稳定值;围岩中包含塑性区和破碎区时,二者半径的比值只取决于围岩的性质,与支护结构无关,但支护结构可以限制塑性区及破碎区的范围;考虑应变软化和塑性体积膨胀时,围岩径向位移和塑性区及破碎区半径均大于不考虑应变软化和塑性体积膨胀时的结果;软化系数k增大,围岩位移、塑性区和破碎区半径增加、塑性区半径和破碎区半径之间的比值变小。得到的结果对于隧道工程设计和施工具有一定的指导性和参考价值。     

滨海盐渍土的固化方法及固化土的偏应力-应变

滨海盐渍土可使用水泥、石灰、粉煤灰和高分子材料SH固土剂单独及联合固化,以提高土的强度、抗变形能力和水稳性。为研究各种固化方法固化盐渍土的抗变形能力和偏应力-应变特征,通过三轴UU压缩试验得到盐渍土和6种固化盐渍土的偏应力-应变曲线。曲线显示：水泥＋石灰类固化土呈应变软化型、石灰＋粉煤灰类固化土呈应变软化型、石灰类固化土呈应变硬化型。掺入SH固土剂,提高了固化土的浸水前后的强度,同时也增强了固化土的水稳性。掺入SH固土剂使固化土达到偏应力峰值所需的应变增加,即抗变形能力增强;0.9%SH固土剂+12%石灰+36%粉煤灰固化土具有适中的强度、良好的弹性变形和水稳性的优点,作为轻质路堤填料使用,还可减少滨海地区软土路基的沉降量,这使其成为滨海盐渍土的6种固化方案中的最适宜方案。     

一种基于弹性能释放率的岩石新型统计损伤本构模型

为了揭示岩石变形的破坏机理以及岩石材料产生损伤的本质原因,文章对岩石材料变形规律和力学特性进行分析后,再以损伤变量作为影响岩石变形和力学性能变化的内变量,采用能量原理、有效应力原理和统计损伤理论构建了一种基于弹性能释放率的新型岩石统计损伤本构模型。该损伤模型进一步完善了岩石损伤本构模型的理论体系,弥补了传统损伤模型无法合理解释引发岩石破坏原因的不足。利用岩石试验数据对损伤模型的参数进行确定,并将损伤演化模型代入弹性能-应变模型中,分析在加载过程中岩石弹性能变化的规律。结果表明:模型曲线与试验曲线在峰前变形阶段几乎重合,说明损伤模型可以很好地反映岩石的变形特性;在初始加载阶段,岩石的损伤变量随着轴向应变的增大而增大,说明在荷载作用下,岩石内部裂隙逐渐发展发育,使得岩石材料的损伤逐步积累;在围压达到10 MPa以上时,损伤-应变曲线基本重合。同时,在初始加载时刻,损伤-应变曲线增长率急剧上升,大约在岩石应变为0.01%时,损伤-应变曲线趋于平稳变化状态;且由于岩石在峰值应力点附近损伤迅速累积,进而使得损伤变量在数值上快速增大到1,这说明了围压的增大使得岩石破坏极限得到显著的提升。     

某深埋长隧地应力演化及围岩应力位移模拟研究

结合西部地区某深埋长大公路隧道信息化施工,对深埋长隧地应力演化及围岩应力位移进行了弹塑性有限元数值模拟研究.研究结果表明,隧道轴线现代地应力状况与隧道埋深、地层岩性及构造发育程度有关,最大地应力为40.0MPa左右;隧道周边围岩应力在曲边墙底部最大,约38.0MPa,隧道开挖引起的围岩应力影响范围约25.0m;隧道水平收敛和拱顶下沉位移与隧道埋深近于成直线关系.这些研究结果为深埋长隧信息化设计和施工以及围岩稳定性分析提供了科学依据.     

铁矿深埋巷道围岩变形与地应力关系研究

随着大量深埋地下工程的建设,尤其是大型矿山,与巷道围岩稳定有关的各种地质灾害问题突出,因此其一直备受关注。某铁矿巷道埋深450～800m,变形剧烈,局部持续大变形,呈条带状臌出。地应力实测结果表明,矿区地应力总体特征为σv≥σH〉σh,现今水平构造作用明显,最大水平主应力为13-21MPa,接近岩体自重。大变形洞段围岩为裂隙化岩体,强度低,蠕变性明显。有限元分析表明,巷道开挖后在边墙与顶拱和底板交界处产生约40MPa的高应力,造成了围岩变形破坏。后期围岩在高应力作用下产生大变形,其宏观变形破坏特征与软岩相似。另围岩加固与支护发现,普通的挂网喷锚支护已很难适应高应力条件下的岩体大变形。论文基于地应力实测结果,通过对巷道围岩大变形成因机制的探讨以及原加固支护效果的总结,为后期巷道围岩变形破坏的防治提供了参考。     

考虑中间主应力影响水底隧道围岩与衬砌流固耦合弹塑性解

裂隙岩体在渗流水荷载作用下的裂隙围岩流-固耦合研究是隧道工程研究的热点问题,而计及中间主应力影响的隧道围岩流-固耦合应力计算鲜见介绍。采用双剪统一强度理论屈服模型,计及中间主应力影响,分析了在渗流水荷载作用下隧道围岩处于弹性、软化、塑性流动时的流-固耦合问题,并给出了含水围岩、衬砌应力、位移与变形区界面半径解析计算式。其结果对水底隧道围岩稳定分析与衬砌结构设计计算具有工程实用意义。     

隧道开挖中围岩损伤演化分析及力学参数预测

数值方法所得出结论的可靠性很大程度上取决于岩体力学参数的选取,因此基于损伤演化分析,对损伤变量与围岩力学参数之间关系进行了研究。在各向同性损伤的假定下,通过分析开挖过程中围岩损伤演化,建立了采用损伤变量对弹性模量、泊松比、黏聚力、摩擦角等围岩材料参数进行估算的方法。采用弹性纵波波速定义初始损伤,根据壁城隧道现场监测资料建立ANSYS渐进性数值模型,反演典型断面开挖过程中围岩的宏观力学参数。分析结果表明,该方法可以有效地确定围岩力学参数的变化情况,与实际情况吻合较好。     

深埋隧洞卸荷过程中围岩应力变形的时间效应

深埋圆形隧洞围岩的应力应变状态是深地下工程设计的重要参考依据。针对岩体内部的缺陷引起的应力集中和松弛,建立了局部附加应力与缺陷尺度和卸载时间之间的联系,得到圆形隧洞在卸载时围岩破坏前遵循的一系列方程,进而推导出围岩变形的解析积分表达式。将围岩应力应变的时间效应分为卸载阶段和应力松弛阶段,通过逐步逼近法分别求解了围岩的应力和变形的近似解析表达式。该近似解析式考虑了岩体内部缺陷处应力集中的影响和卸载的时间效应,可用来考察不同半径处缺陷应力集中和卸载快慢对应力变形状态的影响。计算表明,围岩内部在卸载过程中和卸载完成后均存在局部附加拉应力集中,围岩变形在卸载完成后仍会进一步增加。     

公路隧道围岩亚级开挖及支护设计参数研究

为了建立公路隧道在各围岩亚级条件下的支护体系,指导隧道的安全施工,在亚级分级方法、分级标准、物理力学参数等研究基础上,结合双车道公路隧道特点,通过理论分析、实例统计、数值分析等方法,研究了各亚级围岩下隧道开挖方法、预加固参数、支护类型、结构型式和初期支护参数。结果表明,Ⅲ1级围岩可采用全断面法、轻型承载型支护,Ⅲ2级采用台阶法、中型承载型支护;Ⅳ1、Ⅳ2、Ⅳ3级采用台阶法、重型承载型支护,但Ⅳ2、Ⅳ3级需通过预加固措施使加固区围岩强度提高到相当于Ⅳ1水平;Ⅴ1级采用台阶法和使加固区围岩强度提高到相当于Ⅳ1水平的预加固措施,Ⅴ2级采用CRD法和使加固区围岩强度提高到相当于Ⅳ3水平的预加固措施,Ⅴ1、Ⅴ2级也都可采用CD法和使加固区围岩强度提高到相当于Ⅳ1水平的预加固措施,且都采用特殊承载型支护;Ⅳ1、Ⅳ2、Ⅳ3、Ⅴ1、Ⅴ2级均需设置仰拱。     

深埋隧道地质构造发育段围岩压力的特点

以龙厦铁路象山特长隧道地质构造发育、埋深大于500 m段围岩压力及围岩变形的现场测试资料为依据,对大埋深隧道地质构造发育段围岩压力的特点、变形压力的形成机制等进行了研究。研究表明：大埋深隧道,结构面或褶曲、逆断层发育,但地下水不发育的地段,即使围岩强度较高,隧道开挖后仍可能出现较大的变形;围岩较大变形主要是由于在自重应力和残余构造应力作用下被挤密的结构面在隧道开挖后因侧向限制消除而张开、扩容引起的,受其影响,初期支护将受到较大的围岩变形压力。上述地段围岩压力具有下列特点：（1）地下水不发育区段的围岩压力比地下水发育区段的大;（2）隧道纵向发育向斜的区段,拱顶至拱腰段围岩压力最大,越趋向于向斜核部,拱顶围岩压力越大;（3）发育褶曲的断面,与褶曲轴线垂直方向的围岩压力较大;（4）发育逆断层的断面,与断层倾向相反侧的围岩压力较大,该侧断层面附近的围岩压力最大,对侧断层面附近的围岩压力最小;（5）下台阶的围岩压力比上台阶的小,两者的相对差随上、下台阶施工间隔时间的延长而增大。     

洞室和围岩温度对泄洪洞衬砌混凝土温度和温度应力影响研究

以溪洛渡无压泄洪洞为研究对象,采用三维有限单元方法对不同洞室环境温度和围岩温度情况下的施工过程进行仿真模拟,通过比较底板、边墙和顶拱不同衬砌部位的最高温度、最大内表温差、最低温度、早期和冬季最大拉应力等,对洞室环境温度和围岩温度的变化对泄洪洞衬砌混凝土温度和温度应力,以及温度裂缝发生、发展与控制的影响进行分析。结果表明,洞室气温和围岩温度对衬砌混凝土的温度场和应力场均有明显的影响。在冬季施工衬砌混凝土更容易产生早期裂缝,夏季施工时既要防止早期裂缝,也要注意防止冬季裂缝。围岩温度低时,衬砌围岩侧混凝土拉应力明显增大,但对表面和中心的应力影响很小,因而对温度裂缝的发生影响很小。研究成果为隧洞工程衬砌混凝土的设计和施工提供有价值的参考。     

太宁隧道围岩类别的再认识

通过论证比较，按照隧道围岩主要工程地质特征，围岩岩体结构及结构面特征，水文地质特征，围岩弹性纵波波速，变形系数，泊松比，内摩擦角，软化系数等指标，重新划分和确定了围岩类别，分析了产生围岩类别偏差的原因，以期对同类工程勘察起到借鉴和参考作用。