层状岩体结构面特征及其拟合描述模型

为了研究层状岩体的压缩破坏特征,并建立相应的理论描述模型,利用快速拉格朗日元法对三轴压缩情况下的层状岩体进行数值计算,分析了层状压缩强度与结构面倾角的关系,建立了相应的理论模型。利用所建模型,对参考国外文献中的试验结果进行描述,并探讨了加载速率和岩体压缩强度的关系。结果表明：所建拟合模型能够较好描述层状岩体的强度特征,得到了数值试验和室内试验的验证;岩体压缩强度随加速速率增大而增大,二者符合线性关系特征。     

基于层状岩体宏细观结构的水力耦合数值模型研究

基于层状岩体宏细观结构,在热力学框架下推导水力耦合荷载作用下饱水层状岩体的各向异性多尺度损伤模型和渗透性演化方程,进而结合流体流动模拟开源程序TOUGHREACT建立层状岩体水力耦合数值模型。该模型可较好地考虑任意微裂纹损伤扩展、滑移剪胀和法向压缩闭合以及层面剪切滑移等力学行为,反映岩体内部微裂纹、层面等不同尺度结构变化对层状岩体水力耦合过程的影响。采用岩石注水试验成果对数值模型的可靠性进行验证,进而开展现场尺度层状岩体注水响应的应用模拟研究。模拟结果表明,注水引起的岩体损伤、水压力增高、层面张开、渗透性演化等水力耦合响应同时受微裂纹和层面结构变化以及层面空间发育特征的影响。层状岩体水力耦合响应的模拟有赖于内部宏细观结构的准确表征。研究成果对水力耦合条件下深部层状围岩工程扰动效应评价具有一定应用价值。     

深井巷道层状围岩变形破坏特征及机制研究

层状岩体变形破坏特征与均质岩体存在很大差别,深入揭示层状围岩在掘进过程中的变形破坏特征和机制,对于确保矿井安全生产具有重要的理论意义。本文通过进行层状岩石室内试验,建立了横观各向同性应变软化力学模型,通过掘进全过程的现场监测和数值模拟结果揭示了深井层状围岩的变形破坏特征和机制,采用相似材料试验揭示了预应力锚杆支护结构对层状围岩变形破坏的控制作用。学位论文完成的主要工作有:(1)分别开展了不同层理角度时的互层状砂岩三轴压缩试验、岩样破裂面的电镜扫描和巴西劈裂试验。分析结果表明:层状岩石强度随层面角度增大呈U型分布规律,层状岩石的各向异性程度随围压增大而降低;层状岩石破坏形式由围压、层理角度和岩石细观结构共同控制;竖直层理岩样弹性模量大于水平层理,倾斜层理岩样最小,这主要是由不同层理倾角时层状岩石的承载方式决定的;岩样抗拉强度随线荷载与层面角度增大而增大,其机制为岩样破坏由层理面的剪切破坏演化为穿过层理面的剪切–拉伸破坏,并最终过渡为基质的拉伸破坏。(2)针对现有横观各向同性力学模型未考虑单元应力状态的不足,基于互层状砂岩压缩试验结果,提出了考虑体积应力的塑性内变量表达式,并以此为基础分别研究了基质和层理的应变软化规律,建立了考虑体积应力的横观各向同性应变软化力学模型。基于该模型编制了相应的岩石变形破坏有限差分程序,并通过试验结果进行了检验。结果表明,无论从曲线的变化规律还是定量描述上,数值计算结果和试验曲线均体现了很好的一致性,说明利用该模型可以较好地反映层状岩石的力学特性和变形特征。(3)采用单因素分析方法对建立的横观各向同性力学模型的参数进行了敏感性分析,确定了对围岩变形敏感的参数;通过设计基于粒子群(PSO)优化算法的参数反演程序并将其嵌入FLAC3D程序中,建立了对变形敏感的力学参数的反演方法,为深井巷道层状围岩开挖模型参数的确定奠定了基础。(4)以济宁三号煤矿深井层状围岩为研究对象,通过布置超前监测断面,首次获得了煤矿深井巷道掘进全过程的变形规律,将巷道围岩变形划分为缓慢增长、迅速增加和变形稳定三个阶段,得出其演化机制主要与围岩的瞬间卸荷及应力调整有关。通过掘进面后方收敛变形的监测,将巷道表面收敛变形划分为失稳破坏、持续变形和变形稳定三个阶段,得到围岩变形的空间效应主要集中体现在第一阶段,而时间效应则主要体现在第三阶段。(5)基于深井巷道围岩深部位移实测数据,采用前文确定模型参数反演方法,得到了对变形敏感的七采区层状围岩力学参数。将所建立的横观各向同性应变软化模型应用于深井层状围岩巷道的分步开挖过程的模拟,获得了围岩的应力、塑性区和变形等参数随掘进面推进的演化规律,并给出了相应的巷道支护建议。通过相似材料试验分别模拟了未施加锚杆和施加预应力锚杆后含人工预制层理试样的变形破坏特征,揭示了预应力锚杆支护结构对于层状岩体变形破坏的控制作用和效果,为现场施工及支护设计提供了理论支撑和依据。     

层状岩体多节理本构模型与试验验证

 根据含多节理层状岩体典型力学特征,在所提出的考虑一组节理面的层状岩体复合材料模型基础上,建立考虑多组结构面特性的层状岩体多节理本构模型,用来描述其在强度和变形方面的各向异性以及应变硬化–软化特征,进而采用VC++编程语言将该模型嵌入到FLAC3D软件中,实现其非线性数值计算功能。然后,利用所提出的本构模型与三维节理网络模型相结合,初步提出基于连续介质力学理论的合成岩体模型(SRMM)分析方法。基于这些模型理论和分析方法,建立现场真三轴试验岩样的三维合成岩体计算模型,通过与现场试验结果对比,表明所提出的本构模型在描述多节理岩体力学特性方面是可行的、合适的。     

层状各向异性岩体破坏模式判据数值实现及工程应用

基于FLAC3D平台,针对层状岩体的力学行为和变形破坏机制建立反映横观各向同性的层状岩体各向异性模型。根据层状结构特性及变形特征,将层状岩体的破坏模式分为层间破坏和岩块破坏。层间破坏又分为层间拉裂、层面滑移、弯曲破坏,岩块破坏又分为拉裂破坏和剪切破坏,建立各种破坏模式的判据及计算方法。将计算过程应用于某水电站泄洪建筑物围岩稳定性分析中,各向同性和层状各向异性计算结果的对比分析说明层状岩体中的层面方位对围岩变形分布、破坏模式和塑性区扩展方向起到了控制作用。     

冲击加载下板岩压缩破坏层理效应及损伤本构模型研究

为探究动态加载条件下层状板岩的各向异性行为,采用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)获得江西层状板岩在高应变率下5组层理面倾角(θ=0°,30°,45°,60°和90°)临界破坏状态力学特征及破坏机制,进而利用元件组合模型理论,建立考虑宏观层理影响的层状岩体动态损伤本构模型。试验及理论分析结果表明:各层理角度试样应力–应变曲线峰值大小不同,但总体变化规律相近,均包含加载前期的弹性压缩阶段,中期的塑形阶段和塑性加强阶段,以及达到峰值后的峰后曲线;临界破坏状态下层理面在试样的破坏中起到重要作用,除θ=0°为穿越层理面的劈裂破坏外,其余层理倾角的破坏模式主要包括:偏向层理面方向的剪切破坏、沿层理面的滑移破坏和沿层理面的劈裂破坏。新建立的层状岩体动态损伤本构模型,综合考虑岩体自身微观损伤和宏观层理面损伤叠加影响,该模型不仅能较好地描述冲击条件下层状岩体应力–应变曲线变化规律,且峰值强度吻合较好,有助于更为准确地描述层状板岩在高应变率下变形破坏行为。     

层状复合岩体宏观力学参数的计算机模拟试验

以清江水布垭水利枢纽工程为背景,结合现行的岩石力学试验方法,对层状复合岩体进行了三轴压缩试验的计算机模拟。研究了层状复合岩体宏观变形参数的各向异性以及岩层倾角、埋深、变形模量等因素对层状复合岩体宏观力学参数的影响,其结果可望对人们认识岩体的宏观力学参数有所裨益。     

单轴压缩下基于全局应变场分析的岩石裂纹扩展及其损伤演化特性研究

 采用自主开发的图像分析软件结合数字图像相关技术对含预制单裂纹的类岩石材料在单轴压缩下的变形破坏特性进行试验研究。基于试件全局应变场角度从细观层次量化分析、总结裂纹起裂、扩展的规律及岩石变形损伤演化特征。并采用断裂分析软件FRANC2D/L对相似模型进行数值模拟,分析在加载全程不同阶段的裂纹扩展路径及其应力场分布特征。结合试验与数值研究结果,细致地探讨裂隙岩石的细观力学机制与宏观力学响应之间的内在联系,该研究有助于提升人们对节理岩体工程灾变机制的认识。     

深埋隧洞围岩板裂化机制与岩爆预测研究

板裂化和岩爆是高应力条件下深埋硬脆性岩体开挖后常见的2种破坏形式,板裂化岩爆是以板裂化破坏为前兆信息的岩爆,是由于板裂面切割围岩形成的岩爆结构发生突发性失稳破坏而形成的,在深埋隧洞中发生频率最高。对深埋隧洞围岩板裂化机制和板裂化岩爆预测开展了相应研究,重点研究了围岩板裂化破坏的形态特征、类型、数值计算的实现及其影响因素。论文主要内容包括以下几个方面:(1)统计和整理了锦屏二级水电站隧洞内的围岩板裂化破坏形态,重点分析了围岩板裂化在隧洞断面不同方位上的三维分布特征,提出了板裂化形态的描述指标,总结了影响板裂化形态的因素和工程尺度板裂化的破坏机制;对现场板裂化岩爆的发生情况进行了统计,得到了板裂化形态描述指标和板裂化岩爆之间的关系,并根据现场板裂化岩爆的特征将其进行细分类,简要阐述了各类板裂化岩爆的发生过程和机制。(2)针对锦屏二级水电站工程现场的硬脆性大理岩,详细分析了其在单轴、常规三轴、真三轴等室内试验条件下的破裂形态,并通过破裂面断口形态特征揭示了试样破裂面的破裂机制,据此将大理岩脆性破坏分为张拉破坏、压剪破坏和张剪混合破坏三类;分析了弹性均质条件下,地下洞室开挖过程围岩内主应力值的变化规律,对照大理岩各破坏类型的应力条件分析了围岩各部位易发生的脆性破坏形式;结合锦屏二级水电站现场板裂化的形态特征,将板裂化破坏分为张拉型、剪切滑移型和张拉–剪切滑移型板裂化破坏三种;通过模型试验验证了剪切型板裂化形态的存在,试验结果与上述板裂化分类具有很好的一致性。(3)开展了大理岩试样的拉剪和压剪试验,分析了拉剪和压剪条件下试样破坏特征,获得了破裂面上剪应力–正应力的全段强度曲线,基于试验结果,对Mohr-Coulomb准则进行了修正,建立了考虑张拉剪切破坏机制和应力状态影响的板裂化力学模型,并将该模型嵌入FLAC3D程序进行数值计算。考虑岩体参数非均质,采用破坏接近度(FAI)表征板裂化破坏,建立了板裂化数值模拟方法,数值算例表明,所建立的数值模拟方法可以确定围岩不同部位的板裂化类型,且受网格尺寸大小影响较小,可适用于工程计算。(4)分别采用室内模型试验和数值模拟确定了不同因素对围岩板裂化破坏的影响规律。通过在模型试件中预制含不同孔径和不同断面形状的隧洞,揭示了洞室断面曲率半径对围岩板裂化的影响机制和规律;采用数值模拟给出了侧压系数、主应力方向、岩体空间变异性(岩体参数非均质和结构面产状)及开挖过程对围岩板裂化的影响规律,研究表明各影响因素均会影响不同类型板裂化的位置和范围。(5)基于可靠度理论中最易实现的蒙特卡洛法提出了板裂化岩爆的预测方法。以锦屏二级水电站试验支洞F的板裂化岩爆作为案例,通过数理统计方法获得岩体力学参数的概率分布,采用蒙特卡洛抽样方法抽取多组力学参数进行岩爆数值试验,数值计算结果与案例相符合,说明该方法可以很好地预测板裂化岩爆的发生。     

基于层状岩体卸荷演化的锦屏I级地下厂房洞室群稳定性与调控

 锦屏I级水电站地下厂房洞室群开挖支护设计与施工控制以及整体稳定性等问题十分突出,施工期已经明显呈现出高应力、低强度应力比条件下围岩的卸荷变形与破坏特征。根据锦屏I级地下厂房层状岩体力学特性,采用考虑卸荷演化的层状岩体本构模型及其数值模拟方法,反演获得初始地应力场以及层状岩体力学参数。在此基础上,对锦屏I级地下厂房洞室群进行三维数值模拟分析,获得一些对高应力下锦屏I级水电站大型地下洞室群施工期围岩稳定与支护安全等方面的认识,提出洞室群围岩应力释放调控、松弛区承载力调控以及变形开裂调控等适时工程调控措施与建议。研究结果表明,洞室群整体开挖完成后的现场监测结果和围岩稳定现状等证实了所提出的认识和调控措施的合理性,表明层状岩体本构模型及其数值模拟分析方法能够较好地反映高应力下层状岩体中大型地下洞室群施工期的工作性状。     

考虑扩容碎胀特性的岩石本构模型研究与验证

 高应力卸荷条件下岩石扩容碎胀非连续变形行为研究对揭示深部巷道围岩稳定性演化及控制机制,分析预测围岩稳定性具有至关重要的意义。为此,依托室内岩石三轴卸荷试验,首先研究全应力–应变曲线各特征应力值随围压变化的演化特征,提出岩石进入峰前损伤扩容与峰后破裂碎胀阶段的临界条件准则,并考虑扩容碎胀破裂演化过程中岩样力学性质劣化规律,建立描述卸荷条件下岩石损伤扩容和破裂碎胀演化机制的本构模型,采用VC++编程语言将该模型嵌入到UDEC软件中,实现其非线性数值计算功能。同时,通过室内岩石试验曲线的模拟拟合,表明该模型在描述岩石扩容碎胀特性方面的合理性。最后,将该模型应用于一典型深部巷道围岩破损区分布的模拟研究中,通过与经典模型的对比分析,验证该模型在工程应用方面的可行性,并有针对性地提出深部巷道稳定性分析与维护的合理化建议。     

地下洞库围岩外加固抗炸弹侵彻性能研究

 通过相似模型试验研究交叉锚索对均质、层状和块状3种典型岩体加固前后的抗炸弹侵彻能力,试验结果表明,介质类型(均质、层状、块状)对侵彻深度影响不大,岩体质量越好,抗侵彻能力的提高量越小,在弹体动能相同的条件下,均质模拟岩体的侵彻深度最大,层状模拟岩体侵彻深度最小;分析弹体在加固模拟岩体与未加固模拟岩体内侵彻深度相差不大的根本原因,指出提高模拟岩体抗炸弹侵彻能力的首要条件是提高模拟岩体材料的抗压能力,在模拟岩体内配置的锚索含筋率较小时,虽然能够提高模拟岩体材料的抗拉强度,但对模拟岩体的抗炸弹侵彻能力没有明显改善;利用LS-DYNA软件对模型试验结果进行模拟计算,表明锚索角度和间距变化对加固岩体抗炸弹侵彻深度影响不大。尽管交叉锚索对模拟岩体的抗炸弹侵彻能力提高不大,但岩体材料的抗拉、抗剪能力的显著提高可明显减小洞库的变形,有利于洞库的稳定。     

裂隙岩样力学特性细观数值试验方法探讨

 节理裂隙岩体力学性质研究是非常复杂的课题。物理模型试验由于制样难、耗资大、结果有限,研究者难以利用其开展系统深入的研究。提出以典型的物理模型试验结果标定数值模型,再利用标定后的数值模型开展系统数值试验研究的思路,既可充分发挥物理模型试验接近实际情况的优势,又可充分利用数值模型试验建模快、成本低等优点。同时,还对数值试验模型的建立、数值试验的定性与定量、数值试验模型的改进、数值试验模型的标定等方面进行了讨论。最后,利用标定、修正后的数值模型试验研究了侧压、裂纹面摩擦因数等在物理模型试验中难以实现的因素对含两条共面裂纹岩样的应力场、强度和宏观破坏模式的影响范围规律。     

用遗传算法求解节理岩体三维连通率

应用节理岩体三维网络模拟技术建立结构面在三维空间分布的概率统计模型，将连通率的概念和求解均建立在岩体潜在破坏路径之上，通过连通率的求解米搜索岩体的最可能破坏路径。在搜索结构面和岩桥搭接组合破坏的临界路径过程中，应用了具有鲜明生物背景的遗传算法，并将这一结果应用于实际岩体工程，取得很好的效果。     

高应力软岩巷道围岩变形破坏研究

 以某有色金属矿山巷道为例, 给出了高应力软岩的定义, 论述了高应力软岩的特征、形成条件以及高应力软岩巷道围岩的变形破坏特征和类型, 分析了巷道开挖前后地应力状态的变化及其对围岩变形破坏的影响, 并从岩体和工程岩体围压状态变化和强度变化角度探讨高应力软岩围岩的变形破坏机理。     

隧洞围岩损伤演化与时效破坏过程的模拟分析

依据对岩石长期强度的认识,基于环境因素影响下岩石强度、弹模等物理力学性质随时间劣化及其内部细观损伤积累等观点,应用RFPA数值模拟方法,模拟了隧洞围岩的时效破坏过程,并与相应的物理模型试验结果进行了对比。隧洞数值模拟试验得到了拱顶、拱底以及两侧帮的时效变形特征曲线,与实际物模试验结果表现出了较好的一致性,并且发现隧洞围岩宏观破坏是细观损伤实时演化及逐步积累的最终表现。进一步模拟分析了侧压系数对隧洞时效变形破坏特性的影响,模拟结果显示,随着侧压系数的增大,隧洞左右边墙间的闭合位移逐渐增大,而隧洞拱顶拱底间的收敛位移随侧压系数的增大逐渐减小,并对隧洞围岩的局部的细观损伤演化过程及宏观时效破坏模式做出了清晰的解释。     

深部软岩隧道施工性态时空效应分析

随着我国交通事业的迅速发展,在深部岩体中修筑隧道工程已必不可少,随之而来的深部岩体所具有的特殊工程地质问题也更加突出。主要对深部软岩隧道工程中施工力学性态和变形时空效应进行三维非线性黏弹性数值模拟,并将计算结果与现场实测数据进行比较验证。研究结果表明,计入围岩流变效应,考虑深部软岩隧道时空效应影响,在作业面影响范围内,开挖面空间效应占主导因素,围岩应力随距作业面距离的加大而逐步释放;在此范围外,软弱岩体流变属性得以充分发挥。通过分析和施工实践证明,对于深埋软岩隧道应尽早施作衬护,以改善承载环范围内围岩受力,减少扰动,提高围岩自承能力;由于软岩流变效应显著,必须适时设置二次衬砌以承受来自围岩的后期流变压力,限制围岩大变形。研究成果丰富了地下工程施工力学理论,可应用于工程实践。     

深部巷道围岩的分区破裂机制及“深部”界定探讨

通过分析巷道围岩的应力状态和变形破坏多阶段、多水平的性状，揭示巷道围岩最大支撑压力区的体积变形状态及其后果，得出深部围岩区域破裂现象的发生条件、岩体的初始压力和围岩全过程变形状态，尤其是围岩峰值后状态下材料的残留强度芙系。根据分区破裂现象的出现条件，提出界定浅部及深部工程活动的标准：浅部工程——坑道最大支撑压力区不破坏的深度：深部工程——坑道最大支撑压力区发生破坏的深度。     

中部“砥柱”锁固平面旋转切向层状岩质滑坡启动力学机理与稳定性判据

中部“砥柱”锁固平面旋转滑坡,是切向层状岩质斜坡在特殊的边界条件控制下,发生渐进性变形而形成的。其主要特征是：在平面上,滑体中部的潜在滑床面部位,岩层抗剪强度较高,出现坡体变形的相对锁固段：而由滑体中部向周围边界,坡体变形逐渐增大。且变形岩体围绕着滑体的中部呈现出平面旋转变形之趋势。引起滑坡平面旋转的根本原因是滑体在变形时,其所受诸力的合力不通过滑体重心,从而产生了使滑体发生旋转的力矩。其变形与破坏模式可以概化为：在自重力、滑床摩擦力、滑床锁固段阻力和滑体周围边界处围岩切层阻力的共同作用下,圆环状岩块(岩板)所发生的平面旋转变形以及临界状态下“锁固段”的旋转破坏问题。基于弹性力学的平面应力问题,分析了圆环状岩块的旋转应力场：并应用极限平衡方法,分析了旋转滑坡下滑失稳的启动条件和旋转滑动的力学机理,建立了滑坡稳定性的判据。