高应力泥质粉砂岩蠕变特性及长期强度研究

岩石在高应力状态下呈现蠕变特性是深埋硐室稳定性研究的热点问题之一。为研究高应力泥质粉砂岩蠕变特性及长期强度,采用分级增量加载方式,对泥质粉砂岩试样进行三轴压缩流变试验,试验表明:泥质粉砂岩在低应力状态下表现为黏弹性蠕变特征,高应力状态下呈现黏弹塑性蠕变特征。通过将高应力岩石蠕变的瞬弹、黏弹、黏塑性蠕变进行分离,建立稳态黏塑性蠕变速率与应力的函数关系,提出以稳态黏塑性蠕变速率的阈值应力作为高应力泥质粉砂岩的长期强度。研究表明,基于稳态黏塑性蠕变速率与应力的函数关系确定的高应力泥质粉砂岩的长期强度为单轴抗压强度的70.5%,该方法可以较好地解决高应力岩石长期强度求解的问题。     

三轴压缩分级卸荷条件下粉砂岩蠕变特性及蠕变模型

针对深井巷道开挖卸载围岩蠕变特性问题,以袁店二矿西风井马头门巷道粉砂岩为研究对象,基于巷道围岩开挖过程中应力的实际调整路径设定试验加载方式,开展三轴压缩分级卸荷蠕变试验,系统分析粉砂岩在不同围压下的蠕变特性,基于分数阶导数引入黏塑性蠕变启动元件,建立粉砂岩卸荷蠕变模型,并得到试验验证。研究表明：当应力水平低于粉砂岩准破坏应力时,其只呈现衰减和稳态2个蠕变阶段;高于粉砂岩准破坏应力时,则进入非线性加速蠕变阶段直至发生破坏;不同初始围压下粉砂岩发生蠕变破坏的总时长以及非线性加速蠕变破坏的启动时间均明显不同;粉砂岩试样轴向蠕变变形与初始围压正相关。研究提出的蠕变模型具有参数相对较少,易于引入数值分析软件等优点。对今后分析该类岩层井巷施工卸载后围岩稳定性具有一定的应用价值。     

软弱围岩偏压连拱隧道正洞合理施工布局研究

浅埋偏压连拱隧道左右洞的施工顺序和布局对围岩稳定和支护受力影响较大,为了明确浅埋偏压连拱隧道合理施工顺序,本文依托广东省南山路连拱隧道工程,结合现场监测以及数值模拟方法,研究了软弱围岩浅埋偏压连拱隧道左右正洞不同开挖布局时初期支护受力变形规律。通过建立数值模型对先开挖浅埋侧正洞和先开挖深埋侧正洞两种分案下的拱顶沉降、初期支护受力、塑性区分布、中隔墙水平侧向位移及受力等模拟结果的分析,得出:(1)不管采用哪种开挖顺序,先行洞的拱顶沉降均小于后行洞的拱顶沉降;(2)后行洞上台阶开挖后为中隔墙倾斜最为严重阶段,隧道施工完成后中隔墙向浅埋侧倾斜;(3)先行洞的初期支护整体受力较大,后行洞的初期支护受力较小;受力较大的部位一般在先行洞上台阶与中隔墙连接处以及靠近中隔墙侧拱腰处;(4)先开挖浅埋侧正洞方案较优,该方案支护受力变形较小,有利于支护结构的稳定。研究结果指导了现场工程施工,现场监测数据与计算结果较为吻合,研究结论可为类似工程提供参考。     

跨断层隧道围岩渐进性破坏模型试验及数值模拟

 断层及其破碎带是隧道开挖过程中常见的不良地质现象,也是围岩不稳定且容易出现事故的地段。以山区隧道施工中常见的IV级围岩为参照对象,利用地质力学模型试验和数值模拟研究跨断层隧道施工过程中围岩的渐进性破坏过程及其受力变形特性。研究结果表明：(1) 位于拱顶之上的断层下盘岩体在隧道开挖后呈悬挑状态,且在靠近断层部位易出现拉裂缝;(2) 隧道开挖使得上覆荷载向隧洞左、右两侧转移,从而导致拱腰以下的岩体往往率先剪切破坏,尤以断层下盘一侧岩体为甚;(3) 隧道开挖将引起围岩应力重分布,若调整后的围岩应力超出岩体自身强度极限时,洞周岩体就会塌落成拱,且位于塌落范围内的岩体切向应力呈“跌落式”下降,此特征可用于判断岩体塌落范围;(4) 隧道开挖后,由于断层的阻隔作用,岩体应力在跨越断层上、下盘时呈不连续、非线性分布的特征。     

隧道各向异性软岩力学参数反演及蠕变研究

在高地应力条件下具有层理构造的横观各向同性软岩中开挖隧道后,软弱围岩会发生显著的流变变形,直接影响隧道围岩的稳定性及支护结构的长期服役性能。采用数值模型模拟木寨岭隧道大战沟斜井试验洞的开挖蠕变过程,建立并验证了隧道宏观变形特征值与围岩力学计算参数之间的BP神经网络。在此基础上根据6+90试验洞现场变形监测数据,反演得到了该处炭质板岩的塑性及蠕变力学参数。应用另两处监测断面的现场监测曲线验证了基于BP神经网络的反演方法及所得炭质板岩力学参数的可靠性。另外分析了横观各向同性炭质板岩的开挖蠕变力学变形性质,对高地应力条件下横观各向同性软弱围岩中隧洞开挖及支护结构的设计、施工具有重要的指导意义。     

“红层”软岩隧道进口段CRD法数值模拟及现场实测研究

受岩体赋存条件、隧道设计和施工方案等因素的共同影响,软弱围岩在隧道开挖应力重分布过程中较易发生塌方破坏,尤其是在隧道洞口段部分。本文结合具体工程实践,对软岩隧道进口段CRD法施工过程进行了非线性数值仿真模拟和现场实测分析,在此基础上开展了隧道围岩和支护结构的施工力学行为和变形性状的研究。研究结果表明:(1)由于隧道围岩较为软弱,隧道施工对周边围岩变形影响较大,纵向约2倍洞径、横向一倍洞径为施工的强烈扰动区域,施工时应加强支护;(2)隧道施工后,拱顶处围岩应力由于围岩变形释放使得其值大幅度减小,而拱腰处岩体应力上升,并出现塑性破坏,故在实际施工时应对该部位加强支护;(3)采用CRD法施工后,实测围岩变形在隧道开挖约20天后趋稳,而围岩压力、钢拱架和初期衬砌受力均在隧道开挖后的前10天内受力增幅最为明显,之后才逐渐趋稳。     

偏压连拱隧道渗流-应力耦合分析及处治技术研究

基于渗流-应力耦合分析理论模拟偏压连拱隧道开挖过程,分析连拱隧道在偏压条件下围岩位移变形特性及稳定性的影响,给出偏压连拱隧道施工过程中左洞上台阶与中隔墙连接处、以及右洞拱腰处为相对薄弱位置并有针对性地进行处治。     

N-J水电站引水隧洞大变形段长期稳定性分析

深埋软岩隧洞围岩蠕变特性将会对隧洞的长期稳定性产生重要影响。以巴基斯坦N-J水电站深埋引水隧洞的泥质粉砂岩为研究对象,通过室内的三轴蠕变试验,建立了适用于该岩石的幂指数蠕变模型。通过对大变形段围岩变形监测结果的反演分析,得到了围岩体的蠕变参数,并基于此对引水隧洞软岩大变形段的长期稳定性进行了分析。结果表明,引水隧洞运营10年后,围岩的拱顶下沉增量为20.3mm,水平变形增量为18.1mm,衬砌的受力主要以压应力为主,最大压应力达到了63.4 MPa,主要出现在拱顶和拱腰部位,出现了局部的受压破坏,为保证隧洞安全,需在拱顶和拱腰部位进行加强支护。     

基于现场实测的炭质板岩隧道围岩大变形与衬砌受力特征研究

炭质板岩是西南地区普遍存在的一种典型软岩,隧道开挖过程中极易发生大变形、局部垮塌等灾害,甚至造成重大经济损失与人员伤亡。以香丽高速公路海巴洛隧道典型炭质板岩工程为背景,通过对炭质板岩围岩位移、初支内力和二衬内力的施工全过程进行监测,探讨不同施工阶段隧道大变形段衬砌受力特征。分析结果表明:上台阶开挖是围岩变形的主要发生阶段,且围岩变形呈现出"左小右大"的不对称变形模式,最大沉降(208.9mm)发生在右拱肩处;钢拱架应力沿洞周分布特点为"上大下小",上台阶最大压应力值为550.4 MPa,下台阶最大压应力值为134.9 MPa;初支拱顶、左拱肩、右拱肩监测点及二衬混凝土左仰拱处安全系数均小于规范限值,支护结构偏于危险。研究成果可为类似炭质板岩隧道工程的设计、施工等提供借鉴和参考。     

三峡库区泥质粉砂岩非线性蠕变模型辨识

 针对三峡库区泥质粉砂岩非线性蠕变模型,提出一种可较好描述该类岩石蠕变特性的非线性黏弹性模型,并反演获得模型参数。基于非线性流变力学理论,在T2b2泥质粉砂岩应力–应变关系研究基础上,首先提出一种修正的Kelvin模型并建立该模型蠕变方程;将一种可用阶跃函数表示的开关元件与牛顿体并联建立修正牛顿体,然后将修正牛顿体、修正Kelvin体、Hoek体串联得到可描述岩石非线性蠕变特性的mBurgers模型。最后基于非线性最小二乘理论,结合T2b2泥质粉砂岩单轴蠕变试验结果,对mBurgers模型参数进行回归反演,将反演得到的参数代入模型进行计算,得到的理论曲线与试验曲线相比吻合较好,表明mBurgers模型能较好地描述T2b2泥质粉砂岩的单轴蠕变特性。     

开挖方式对跨基覆界面浅埋偏压隧道变形的影响分析

崩坡积～灰岩交界段(土岩交界段)一部分为松散的坡积体,一部分为岩体,工程性质相差较大,不同的隧道开挖方式会对隧道的稳定产生较大的影响。基于四川省九寨沟—绵阳高速公路某隧道工程,采用模型试验和数值模拟的方法,对有挡土墙预加固措施情况下崩坡积～灰岩接触地段浅埋偏压隧道在环形开挖预留核心土法、三台阶七步开挖法、CD法和CRD法4种开挖方式下的受力和变形特性进行研究。结果表明:土岩交界段浅埋偏压隧道的地表沉降呈现出明显的不对称特征,4种开挖方式下的最大地表沉降均向左侧偏移; 4种开挖方式产生的最大围岩位移都发生在隧道的拱顶处,且右拱肩、右拱腰的沉降值小于左拱肩、左拱腰; 4种开挖方式最大主应力的最大值出现在隧道右拱腰位置处,最小主应力的最大值出现在隧道右拱脚位置处; 相较于三台阶七步开挖法,环形开挖预留核心土法、CD法及CRD法都能够最大限度地保证隧道施工的安全。     

锦屏一级水电站地下厂房围岩开裂变形机制研究

针对锦屏一级水电站地下厂房高应力、低强度应力比条件下开挖施工引起的围岩变形开裂及相关力学问题,从全空间赤平投影解析、平面投影应力特征等多角度全方位研究地下厂房区地应力场分布特征及规律;并结合力学定性分析和三维数值模拟等手段对地下洞室群围岩变形开裂机制进行深入分析,研究洞室群围岩开挖损伤演化规律。研究表明,锦屏一级地下厂房区域出现的围岩、喷层较大变形乃至破坏现象本质上是由高地应力和相对较低的岩体强度形成的不利组合所造成的,在主厂房、主变室的拱腰、拱座和边墙以及母线洞侧墙等部位出现的开裂破坏,属于典型的高应力、低强度应力比条件下围岩的卸荷变形与破坏。提出锦屏地下厂房围岩变形开裂概化模型,为地应力场反演和施工过程的数值仿真分析提供重要参考和定性依据;最后针对开挖维护围岩稳定性问题提出相应的建议,为锦屏一级地下厂房的开挖施工及动态支护设计提供技术支持。     

Analytical solution for the excavation of circular tunnels in a visco-elastic Burger’s material under hydrostatic stress field

By excavating an underground space, the state of stress and displacement are changed in comparison to the initial state. This variation depends on the advance of the tunnel and on the rheological behavior of the hosting rock mass. In this paper, the effect of creep, in the response of the tunnel is discussed. The objective of the paper is to predict time–dependent displacement of the tunnel wall, after stopping the excavation or after installing the support system. The rock mass is assumed to be isotropic and homogenous and incompressible. The tunnel is assumed to be circular and driven in a hydrostatic stress field. The rate of excavation is considered to be infinitely large. The Burger’s body which is able to model the primary and secondary creep regions of the rock mass is applied. In such a condition, an analytical solution for predicting time-dependent deformation of tunnel wall is derived. Thereafter, the application of the proposed solution is illustrated through three examples. The examples are analyzed numerically using the finite difference code FLAC. The results obtained from numerical analyses show proper agreement to the results of proposed solution.     

陡倾岩层隧道开挖力学特性研究

陡倾岩层隧道由于层状结构的存在,在开挖过程中,围岩的破坏机理与方式、围岩与结构的变形、受力等特征明显不同于其它岩体隧道。本文在陡倾岩层隧道开挖破坏机理探讨的基础上,通过三维数值模拟,对不同陡倾角条件下围岩与结构的变形、受力特征进行了计算,分析了隧道开挖力学特性与倾角的关系,提出了陡倾岩层隧道设计施工建议。计算结果表明:倾角越大,隧道发生顺层滑移破坏的概率越大,地表沉降、拱顶位移、围岩主应力随倾角的增大而增大,但拱脚位移、围岩剪应力、喷射混凝土内力与倾角并非一致性关系。     

通透肋式拱梁隧道结构分析

 基于对浅埋傍山隧道稳定性控制因素以及传统设计方案缺陷的分析,提出一种全新的隧道结构——通透肋式拱梁隧道,该隧道由拱顶山坡横向管棚支护体系和肋式拱梁结构有机组成,形成了完整的承力体系,最大程度地避免了山坡切削,无需通风采光系统,综合体现了工程安全、环保、节能和景观协调的统一。结合实际工程,对通透式拱梁隧道设计原理和结构特征进行分析,并采用数值模拟方法对其变形受力特征和整体开挖加固方案进行了系统研究,确定隧道围岩的松弛范围,制定拱顶山坡横向管棚注浆的加固方案,并通过不同开挖方案的对比分析,提出“先暗后明”的总体建设方案。最后,以施工监测数据及其工程实践的成功实现,验证分析成果的合理性和通透肋式拱量隧道建设方案的可行性。     

层间孔隙岩溶影响隧洞稳定性的数值模拟研究

以重庆巴南区某引水工程为研究背景,采用基于流固耦合理论的二维有限元数值模拟方法,通过有限元软件ABAQUS对隧洞工程选取13个主要断面建立相应的数值模拟模型,分析不同位置水工隧洞断面的围岩在开挖过程中的应力、位移和涌水量变化情况,得出层间孔隙岩溶对隧洞开挖稳定性的影响并提出建议。研究结果表明:隧洞跨层时应力及位移均会产生复杂变化;透水层的存在一定程度上加快了应力消散,并减弱隧洞变形速度;隧洞涌水量与其在透水层中的面积大小有关。     

砂质泥岩卸荷流变本构模型研究

基于隧洞开挖过程中围岩应力的实际调整路径设计加轴压卸围压条件下的分级卸荷流变实验,对某水电站引水隧洞洞轴线主要穿越的砂质泥岩的卸荷流变力学特性进行研究。试验结果表明:1应力水平低于岩石破坏应力时,砂质泥岩的流变只表现出衰减流变阶段和稳态流变阶段,且随着围压的逐级卸除,应力水平逐渐超过岩石的长期强度,试样的稳态流变速率由最初接近于0的常数逐渐增大至一个大于0的常数;2应力水平高于岩石破坏应力时,砂质泥岩经过衰减流变阶段和稳态流变阶段之后进入非线性加速流变阶段直至发生破坏,通过对比发现,不同卸荷初始围压下试样发生流变破坏的总历时不同,且各试样发生非线性加速流变的启动时间也显著不同。对砂质泥岩卸荷流变试验结果分析表明,西元模型能够较好地描述应力水平低于破坏应力时砂质泥岩的流变特性,但却无法反映应力水平高于其破坏应力时的非线性加速流变特征,基于此,引入岩石非线性加速流变启动元件,通过将其与西元模型相结合建立了一个新的非线性黏弹塑性流变模型,对提出的模型进行参数辨识,并将流变模型拟合结果与试验结果进行对比,结果表明,新建立的卸荷流变本构模型能够较全面地描述砂质泥岩卸荷流变破坏的全过程,证明所建模型是正确合理的。     

昔格达地层隧道变形特性曲线及变形机理研究

昔格达地层隧道围岩开挖后易风化,遇水即泥化等性质严重影响成昆线复线的快速安全施工,因此展开对昔格达地层隧道围岩变形特性曲线及其变形机理等研究具有一定的现实意义。文中通过现场调查,物理力学试验,现场监测,数值模拟和理论研究等手段对昔格达地层隧道变形特性进行深入研究。研究结果表明：昔格达地层隧道主要发生拱顶大变形、水平收敛大和仰拱突泥隆起等,围岩呈现中厚层状、互层状和薄层状等水平层理发育;含水率对昔格达地层隧道围岩的力学性质影响很大;黄色砂岩夹页岩围岩试样压缩模量最小;含水率对灰色页岩夹砂岩围岩试样的黏聚力影响最大,对浅灰色页岩夹砂岩围岩的内摩擦角影响最大;拟合现场监测和数值模拟下的变形特性曲线,得到昔格达地层隧道开挖围岩变形全过程曲线：开挖初期缓慢变形,开挖中期急剧变形,开挖中后期变形减缓和开挖末期变形稳定;同时推导出在弹性、塑性和松动区状态下的昔格达地层围岩变形公式,得到弹塑性昔格达地层围岩变形特性曲线以及四个阶段昔格达地层隧道各部位变形松动区轮廓。最后从力学变形本构模型、物理和化学等角度对昔格达地层隧道围岩变形的力学机理进行分析。     

泥质粉砂岩高围压三轴压缩松弛试验研究

高应力条件下应力松弛特性是岩石长期力学特性研究的重要方面,开展了泥质粉砂岩围压为15~35 MPa的三轴松弛试验研究。高围压下应力松弛曲线的分析表明,岩石的应力松弛可以分为衰减松弛和稳定松弛两个阶段。当松弛初始应力水平较低时,试样主要以衰减松弛为主,很快趋于稳定,当松弛初始应力水平接近岩石峰值应力时,应力松弛明显增大,并出现明显的稳定松弛阶段。不同围压条件下,试样松弛曲线对比分析表明,松弛初始应力水平较低时,岩石处于黏弹性阶段,围压对岩石松弛特性的影响相对较小,随着松弛初始应力水平的增大,当应力水平接近峰值应力时,岩石的应力松弛将随围压的增大而减小。基于三轴松弛试验结果的分析,建立了能够反映泥质粉砂岩三轴松弛特性的西原模型,并验证了模型的合理性。