深部隧道框架式真三轴物理试验系统研制与应用

为了研究深部隧(巷)道围岩稳定性机理与支护控制技术,以千米埋深为基本条件,考虑三轴六面恒压加载和数字照相量测先进技术的应用,研制了一套结构紧凑、特色鲜明的真三轴框架式大型物理模拟试验系统。该系统由模型加载反力框架、以扁油缸与真空回油为特色的液压加载控制系统、自行研制的数字照相变形量测与围岩应力测试系统和开挖支护辅助装置4部分组成,可用于长1000 mm×宽1000 mm×厚1000 mm的深部隧(巷)道大型物理相似模型试验研究。最后给出在深部矿山巷道围岩变形受力观测分析与围岩分区破裂化现象再现试验的应用实例。应用结果表明,本套试验系统对于研究包括矿山巷道、TBM隧道在内的深部隧(巷)道工程开挖与支护过程中围岩变形与应力分布规律及其稳定控制作用机理都具有重要价值。     

数字照相量测在大型洞群模型试验中的应用研究

地质力学模型试验和数值模拟方法是研究深埋、高地应力条件下大型地下洞室群围岩稳定性状况的重要方法。以双江口水电站地下洞群模型试验为研究对象,为解决洞周边墙关键点微小位移的量测问题,通过在洞周表面布置人工量测标志点和全程数字图像采集,应用PhotoInfor图像分析软件系统对洞室拱顶及边墙收敛位移进行了计算分析。获得了洞室加载与开挖过程中位移的变化过程与规律曲线。同时,利用FLAC3D软件模拟了洞群围岩的稳定性状况。研究结果表明:在大型洞群模型实验中,数字照相量测能够识别0.02 mm以下的微小位移;数值计算结果与照相量测结果规律基本吻合;数字照相量测弥补了三维模型试验中传统预埋量测仪器而破坏模型整体性的缺点,能够广泛应用在岩土工程试验之中。     

不同洞形与加载方式对深部岩体分区破裂影响的模型试验研究

 随着地下工程开挖深度的增加,深部洞室围岩将产生不同于浅部洞室的分区破裂现象。为研究分区破裂的破坏机制和形成机制,以淮南矿区丁集煤矿高地应力深部巷道为工程背景,采用模型相似材料和数控真三维加载模型试验系统,开展圆洞、城门洞和马蹄形洞在沿洞轴向和垂直洞轴向加载条件下的洞室开挖真三维地质力学模型试验。模型试验研究表明：(1) 初始最大主应力平行于洞轴方向且其量值超过1.5倍围岩单轴抗压强度是深部岩体产生分区破裂的重要条件;(2) 洞室分区破裂的范围与洞形和洞室尺寸有关,洞室尺寸越大,分区破裂范围越大。模型试验结果有效揭示分区破裂的形成条件和破坏规律,为深入研究高地应力深部岩体的非线性变形特征与破坏机制奠定了坚实的试验基础。     

高地应力条件下洞群稳定性的地质力学 模型试验研究

以大渡河上双江口水电站为工程背景,综合介绍高地应力条件下洞群稳定性的地质力学模型试验,其中包括模型试验钢结构台架、液压系统、围岩岩土相似材料、模型试验测试技术及元器件的研制、锚索和锚杆的制作与埋设技术、洞群的开挖及测试等.研制出的钢结构台架可成功模拟大埋深、高地应力的条件,与之相配套的全自动液压系统可实现同步非均匀梯度加载,具有压力高、持荷稳定等优点.以高精度的光栅尺为传感器制成的新型多点位移计,对开挖过程中洞周围岩位移进行实时监测,并采用先进的数字摄像技术成功测量洞周收敛.研制可施加预应力的微型锚索及提出和实施了独特的埋设注浆锚杆的锚固技术.开挖支护与监测同步进行并对开挖后的测试成果进行相关分析,并建立三维有限元模型并用FLAC3D数值分析软件进行相应的对比计算.计算结果与测量结果相比较,二者规律基本吻合,表明模型试验取得了预期效果.在正常开挖支护和监测试验工作完成后,又开展超载试验.模拟埋深达1 000 m乃至2 200 m时洞群变形和围岩破裂的规律并观察相关现象.研究工作的结果对实际工程有一定的指导意义.     

地质力学模型试验技术应用研究

介绍了地质力学模型试验技术的新近研究成果，内容包括获国家科技进步一等奖的PYD-50三向加载地质力学模型试验装置、获国家科技进步三等奖的拉．压真三轴仪和YD-A型岩土工程多功能模拟试验装置等模型试验设备的主要功能、特点，并简要介绍了与上述试验设备配套使用的多项模拟试验技术研制情况，包括岩体介质材料的模拟技术、喷锚支护施工工艺过程模拟技术、岩体介质变形量测技术、模型平面变形控制技术、模型边界柔性加载与横向变形同步技术等试验技术及其在工程中的应用情况。     

高地应力真三维加载模型试验系统的研制及其应用

为模拟深部岩体在高地应力条件下的非线性变形破坏特征,研制出一种高地应力真三维加载地质力学模型试验系统,该系统主要由高压加载系统、智能液压控制系统和反力装置系统组成。高压加载系统用于给试验模型施加三维高地应力荷载,主要包括加载板和大吨位液压千斤顶。为解决相邻加载板因三维加载引起模型体压缩而出现的相互妨碍,即"打架"现象,在试验模型体外设置了中空的正方体导向框。通过前后加载板上设置的导洞盘保证了模型洞室在轴向地应力状态下进行开挖,解决了地下洞室试验模型轴向加载开挖的难题。智能液压控制系统用于试验模型的自动加载与稳压,主要包括试验控制台和智能控制传感器。反力装置系统用于给试验模型提供加载反力,主要包括模型反力架、法兰盘和反力传递板。通过工程应用,有效模拟出深部巷道围岩分区破裂–的非线性变形破坏现象。     

海底隧道流固耦合模型试验系统的研制及应用

 围岩与水体的流固耦合作用对海底隧道的稳定性具有重要影响,很有必要开展流固耦合模型试验研究。根据流固耦合模型试验的特点,研制可用于模拟准三维平面应力和平面应变的新型流固耦合模型试验系统。该系统的整体尺寸为3.4 m×3.0 m×0.8 m(宽×高×厚),由钢结构架、钢化玻璃试验箱和水压加载装置组成。其中钢结构架由6榀可独立操作的高强度合金铸钢构件通过高强螺栓连接组合而成;钢化玻璃试验箱结构,既能保证试验要求的密封性,又便于可视化观察施工过程中海底隧道围岩渗流、变形特征。同时,采用研制的新型流固耦合模型试验系统和独立研制的新型流固耦合相似材料依托青岛胶州湾海底隧道开展流固耦合模型试验研究,揭示海底隧道施工过程中洞壁压力和围岩位移场、渗流场等的变化规律。研究方法技术及结果对类似工程研究具有一定的指导和借鉴意义。     

贵阳轨道交通1号线地铁隧道某区间围岩力学性质研究

基于相似原理,采用模型试验和数值模拟方法对贵阳轨道交通1号线地铁隧道某区间围岩力学性质进行研究。经过系统分析和系列试验,设计并制作了试验模型箱和调配出模型材料的配合比。试验采用电钻模拟掘进机并模拟不同埋深条件下的隧道全断面开挖过程,观察隧道围岩应力变化规律和围岩体变形破坏情况;采用有限差分软件FLAC3D建立隧道模型,分析和观察隧道围岩变形、围岩应力及围岩塑性区的基本情况和变化规律。研究表明,模型试验开挖过程受电钻和围岩体坍落影响较大,出现应力曲线交叉现象,与数值分析结果比较规律不明显,但总体符合一般规律性。     

数字照相量测在岩石隧道模型试验中的应用研究

在节理岩石隧道的三轴相似模型试验研究中,应用数字照相变形量测技术,采用自行研发的岩土工程数字照相量测软件系统PhotoInfor,对隧道围岩的变形破坏模式和不同围压作用下的变形破裂演变过程进行试验观测和定性、定量分析;针对隧道围岩破裂带量测难点问题,提出一种基于图像相关分析的围岩破裂带的准确识别新方法——图像钻孔法,通过在试验图像上沿着隧道周边径向设置多组pixel测点(一组测点称之为一个图像钻孔,各组测点间距为1pixel),利用PhotoInfor得到隧道围岩破裂带分布图,根据各组图像钻孔测点位移的突变位置,可对围岩破裂带的范围进行准确界定,同时发现,隧道围岩破裂带产生后破裂区内岩块再破裂的现象,这将有助于进一步深入分析岩体破坏后的力学行为。研究结果表明:数字照相量测不仅在砂土模型试验中应用效果良好,也是岩石相似模型试验中有效的变形量测手段,在岩土力学与岩土工程试验研究领域中可广泛进行推广应用。     

超高压智能数控真三维加载模型试验系统的研制及应用

 随着世界对矿物资源和能源需求的增加,人类地下开采活动不断走向地球深部。为了揭示超深埋地下洞室在高地应力条件下的非线性变形特征与强度破坏机制,采用数控技术和光电装换技术研制了超高压智能数控真三维加载模型试验系统,该系统主要由模型反力架、超高压加载系统、智能液压控制系统、模型位移自动采集系统、高清多探头窥视系统组成。系统额定出力63 MPa、最大加载45 000 kN、加载精度0.05 MPa。通过智能数控技术实现模型超高压真三维梯度非均匀加载;通过光电转换技术实现模型洞室任意部位位移的自动测试,位移测量精度0.001 mm;通过高清多探头窥视系统实时动态观测模型洞室的破坏状况。利用研制的整套模型试验系统对新疆塔河油田超深埋油藏溶洞的成型垮塌破坏过程进行相似材料三维地质力学模型验,揭示出古溶洞成型垮塌破坏模式、非线性变形特征和应力变化规律。通过地质力学模型试验验证超高压智能数控真三维加载模型试验系统的可靠性,该系统在研究超深埋地下洞室的非线性变形破坏机制方面具有广泛的应用前景。     

Displacement measurement techniques and numerical verification in 3D geomechanical model tests of an underground cavern group

In this paper, the stability of an underground cavern group is investigated on the basis of large-scale 3D geomechanical model tests and numerical simulations. Multiple measurement techniques are developed to measure the convergence of deformation in the cavern, displacements at key points in the side walls and the damage pattern during the excavation simulation process. The digital photogrammetric technique and fiber Bragg grating (FBG) based displacement sensing bars are applied to measure displacements in the surrounding rock masses. Mini multi-point extensometers with high-precision grating scales are developed as transducers for displacement monitoring. Afterward, a nodal-based Discontinuous Deformation Analysis (NDDA) method is applied to simulate the whole process of the physical model tests and to compare with experimental results. The variation process and law curves of the displacements in the surrounding rock and at key points in the side walls are obtained at excavation stages. The study shows that the application of the displacement measurement methods used in the surrounding rock masses for large-scale model tests of cavern group under true 3-D stress state have achieved satisfactory results.     

洞室围岩三种破坏形式的试验研究

 为探讨洞室围岩的破坏过程和机制,进行拉断裂和远场断裂破坏、V型坑破坏及分区破裂化3种破坏形式的试验研究。试验中采用平面和空间加载方式对预制洞室模型进行加载,通过白光散斑数字相关方法和声发射对模型洞室围岩的破坏过程进行监测,进而对3种破坏形式的形成机制进行分析。拉断裂和远场断裂破坏试验表明：远场断裂产生的力学机制主要是以拉应变集中,即拉断裂为主,拉压联合作用的结果;V型坑破坏试验表明：洞室围岩从局部破坏发展形成V型断裂区,后续断裂从V型断裂区尖端形成,向洞室围岩深部扩展;分区破裂化试验表明：洞室围岩深部的环向断裂是从洞室边界的局部破坏区尖端开始,向洞室围岩深部扩展,并在洞室边界与围岩深部环向断裂之间形成完整的没有破坏的区域。     

交变气压风险条件下层状盐岩地下储气库注采气大型三维地质力学试验研究

利用深部盐岩洞穴进行天然气储备是目前国际上广泛采用的一种方法。为研究注采气交变气压、气压变化速率对储气库运行安全的影响,设计研制出三维梯度非均匀加载地质力学模型试验系统、注采气智能控制系统以及基本满足相似条件且具有显著流变特性的层状盐岩模型相似材料。通过江苏金坛盐岩地下储气库注采气大型三维地质力学模型试验,有效获得交变气压、气压变化速率等风险因素对储库运营安全稳定的影响。试验结果表明:采气降压和注采气压变化速率是影响盐腔运营安全的重要因素,洞腔径向收敛位移和径向应变随储气内压的减小逐渐增大,为保证储库运行安全,储库储气内压应大于4MPa。注采气压变化速率越快,洞腔径向收敛位移和径向应变变化速率越大,因此,应有效控制储气库的注采气压变化速率。研究成果为储库运营安全控制提供可靠的试验依据。     

压气储能地下储气库围岩累积损伤特性数值研究

压气储能电站地下岩穴储气库围岩在循环运行工况下累积损伤效应明显。为研究大规模地下储气库围岩的累积损伤特性,基于损伤理论和FLAC^3D软件平台,二次开发了适用于大规模地下储气库循环加卸载条件下的累积损伤分析程序,并对程序正确性进行了验证。在此基础上,研究了储气库截面型式、洞室埋深和运行下限压力等因素对储气库围岩累积损伤特性的影响。研究表明:①储气库截面型式、洞室埋深和运行下限压力都对储气库围岩变形参数损伤影响较显著,且储气库竖直方向损伤深度都大于水平方向损伤深度;②损伤区内围岩变形参数的损伤程度和损伤变量随着洞室埋深或运行下限压力的增加而减小;③对于相同截面型式的储气库,埋深和运行下限压力不同时,储气库围岩损伤区内同一测点位置的损伤变量或变形参数差值随着循环次数的增加逐渐增大。大规模地下储气库围岩累积损伤特性对全面分析储气库的安全稳定性不可以忽略。     

组合式地质力学模型试验系统及其在分岔隧道工程中的应用

地质力学模型试验是根据一定的相似原理对特定工程地质问题进行缩尺研究的一种方法。地质模型是客观物理实体的再现,在满足相似原理的条件下,能够真实反映岩土介质的基本力学变形特性。要进行模型试验,就必须有相应的模型试验装置。根据地质力学模型试验的特点,本文研制出一种能实施同步非均匀加载的组合式地质力学模型试验系统。该系统主要由盒式台架装置、变荷加载板和液压加载控制试验台组成,其具有尺寸可调、加载规模大、持荷稳定的显著优点。应用该系统对一大型分岔隧道工程进行了三维地质力学模型试验研究,有效揭示了分岔隧道围岩位移场、应力场的变化规律和岩锚支护效应。     

十字岩柱法隧道开挖地质力学模型试验研究

 以重庆市轨道交通三号线为工程背景,开展十字岩柱暗挖法地质力学模型试验研究,优化大断面隧道开挖工序,进行围岩岩土相似材料配比试验、模拟洞室开挖过程中锚固注浆加固作用、洞室开挖过程的围岩位移变形监测分析。试验结果表明：研制的钢结构台架可成功模拟加围压条件下的洞室开挖,可直观地观察到模型开挖时围岩的渐进破坏过程。模型试验采用的监测系统能对开挖过程中洞室围岩的位移进行实时监测,实现了开挖支护与监测记录同步进行。根据相关参数建立数值分析模型,将数值计算结果与试验实测结果进行对比分析可知：二者结果基本一致,规律大致相同,且最终位移值满足试验要求,表明模型试验取得了较为理想的效果。研究工作对实际工程施工及今后类似模型试验研究的发展具有一定指导作用。     

黏塑流变本构模型力学参数辨识研究

伴随着各种复杂地质条件,大型地下洞室围岩流变特性与其长期稳定性密切相关,流变本构模型是认识围岩流变力学特性非常重要的一个方面。流变本构模型力学参数是流变本构模型准确应用的一个首要条件。本文主要开展了三个方面的工作:(1)研究推导了岩体黏塑流变本构模型,对其力学参数进行了理论分析;(2)对砂岩进行了不同围压下瞬时三轴压缩试验和三轴流变压缩试验,得到了砂岩相关试验数据,其可以较好的反映砂岩的瞬时力学特性和流变力学特性;(3)基于不同围压下瞬时三轴压缩试验和三轴流变压缩试验,结合改进粒子群优化算法,对流变本构模型的力学参数进行了拟合优化,得到了不同围压下整体流变力学参数。与试验数据对比发现,拟合得到的流变模型力学参数可以较好的反映岩体的流变力学特性,可以为流变本构模型实际应用提供参考。