基于扩展有限元的深部岩体分区破裂化现象初步数值模拟

通过轮廓法追踪岩石裂纹扩展轨迹,将其嵌入ABAQUS扩展有限元（EFE）平台,对单轴压力下裂隙试件受压过程进行了模拟验证,裂纹起裂扩展效果良好。以此为平台,将推导得到的弧形裂纹应力强度因子嵌入其中,以最大周向拉应力准则为开裂准则,认为当其大于岩体断裂韧度时,硐室围岩体内初始裂纹将开始扩展。在此基础上,以发现分区破裂现象的圆形隧道模型试验为背景开展了分区破裂的数值模拟试验。模拟结果发现,深部巷道围岩出现了3~4层破裂分区,证实深部巷道围岩存在分区破裂现象。将数值模拟结果与模型试验完成后模型围岩破坏状态对比,发现二者破裂区分布特征基本一致。数值模拟结果表明,EFEM方法在处理复杂岩体裂纹问题方面的有效性。     

不同倾角多层节理深部岩体开挖变形破坏规律模型试验研究

深部资源开发中地下洞室围岩稳定控制必须面对峰后碎裂岩体的变形和破坏问题,目前深部多裂隙岩体开挖强卸荷引起的围岩变形破坏规律尚不清楚,常导致大体积塌方、大变形等重大工程事故。采用大尺度三维模型相似试验系统,分析具有不同倾角的多层节理的岩体在高地应力下开挖变形破坏规律。试验结果表明：裂隙倾角较小时,隧道上、下侧围岩主要发生大变形,左、右侧围岩呈现分层破裂现象,随着裂隙倾角增大,破裂区从洞室左、右两侧逐渐扩展到洞室全周,顶部岩体越容易发生大体积滑塌;隧道围岩由内向外应力和位移值呈波动状分布;洞周塑性区范围随裂隙倾角增大而增大,裂隙倾角越大,洞周塑性区越容易与洞室上、下侧裂隙面连通。该研究为保障深部工程的安全修建与运营提供了试验基础。     

深部洞室开挖卸荷分区破裂机制的动力分析

随着地下工程开挖深度的增加,深部岩体将处于高应力和复杂的地质环境中,产生与浅埋洞室破坏模式迥异的分区破裂现象。深部洞室在动力卸荷作用下,基于应变梯度理论和损伤软化模型,建立了弹塑性损伤软化动力模型,推导了含有应变梯度项的运动方程、平衡方程和边界条件,提出相应的破坏判据,采用Runge-Kutta方法和Matlab数值软件求得不同卸载时刻围岩附加位移场、应力场和开挖后围岩总位移场、应力场,得到深部洞室围岩分区破裂的动态形成过程和发展规律。由理论计算值与地质力学模型试验实测值对比分析得知,围岩的径向位移、径向应力和切向应力出现波峰和波谷交替振荡的变化规律,理论计算得到的破裂区和非破裂区的宽度和数量与试验实测值有很好的一致性,证实了该模型分析分区破裂现象的适用性,对以后深部地下工程围岩变形破坏和支护设计提供理论支持。     

水电站大型地下洞室长期稳定性数值分析

围岩的流变特性是影响地下洞室变形及长期稳定的重要因素。在长期荷载作用下岩体会发生流变现象,特别软弱夹层在较高应力作用下其流变特性更为显著。以某水电站大型地下洞室为例,针对该地下洞室附近围岩存在着软弱夹层,且有些软弱夹层与开挖的洞室相互交汇,基于大型岩土工程分析软件FLAC3D,采用黏弹塑性流变本构模型（Cvisc）,模拟了地下洞室围岩的流变力学行为;根据主厂房顶拱位移变化率规律确定出了开挖洞室2次支护的时间,对比分析了瞬时弹塑性条件下与考虑流变特性条件下洞室开挖后围岩的位移变形、应力场及塑性区的分布。数值模拟结果表明,由于着软弱夹层的影响,洞室围岩发生较大的变形,特别是在开挖洞室与软弱夹层的交汇处围岩随着时间的长期变形量会更大,这对洞室的稳定性有着一定的影响;对于水电站地下洞室的长期稳定性分析,充分考虑岩体流变效应是非常重要和必要的。     

基于应变梯度的深部洞室围岩在动力卸荷作用下的分区破裂机制分析

随着地下工程开挖深度的增加,深部岩体将处于高应力和复杂的地质环境中,产生与浅埋洞室破坏模式迥异的分区破裂现象。深部洞室在动力卸荷作用下,基于应变梯度理论和损伤软化模型,建立了弹塑性损伤软化动力模型,推导了含有应变梯度项的运动方程、平衡方程和边界条件,提出相应的破坏判据,采用Runge-Kutta方法和Matlab数值软件求得不同卸载时刻围岩附加位移场、应力场和开挖后围岩总位移场、应力场,得到深部洞室围岩分区破裂的动态形成过程和发展规律。理论计算值与地质力学模型试验实测值对比分析得知,理论计算值在量值与变化规律两方面均符合较好,围岩的径向位移、径向应力和切向应力出现波峰和波谷交替振荡的变化规律,理论计算得到的破裂区和非破裂区的宽度和数量与试验实测值有很好的一致性,证实了该模型分析分区破裂现象的适用性,对以后深部地下工程围岩变形破坏和支护设计提供理论支持。     

动力扰动下深部开挖洞室围岩分层断裂破坏机制模型试验研究

为研究动、静组合加载下深部巷道围岩分区破裂化的机制,在Instron电液伺服材料试验机上对用石膏制作的深部洞室模型进行了动、静组合加载试验。为进一步分析动、静组合加载下深部巷道围岩分层断裂化的力学本质,将动、静组合加载下深部巷道围岩近似视为若干个二维动、静组合加载试样的组合体,并用红砂岩试样进行了二维动、静组合加载试验。试验结果表明,巷道轴向应力为最大主应力且大于一定值时,围岩会发生分层断裂现象;巷道轴向应力为最大主应力且与外部扰动应力叠加达到一定值时,围岩也会发生分层断裂现象;巷道直径越大,在相同的动、静组合加载条件下,更易发生分层断裂现象;相同直径的巷道,在不同的动、静组合加载作用下,巷道围岩分层断裂化程度不同,动、静组合应力叠加值越大,分层断裂化程度越严重;应力状态对试样裂纹扩展及分布方向起着主导作用,试样破裂面一般垂直于最小主应力方向（在最小主应力面内）,与最大主应力方向一致;深部巷道围岩存在形成破裂圈的应力状态,这样的应力状态可诱发巷道围岩分区破裂现象的发生。     

不同分布距离的软弱夹层对洞室稳定性的影响研究

软弱夹层等不良结构面对地下洞室的围岩稳定与支护结构安全起着决定性的作用,本文研究了顶部分布有软弱夹层隧洞的围岩稳定性与支护结构安全性,重点研究了夹层分布距离分别为0.2B,0.5B,1.0B（B为洞跨）3种情况,总结了夹层分布距离与洞周关键点位移、围岩应力、围岩塑性区的关系,分析了不同的分布距离下喷层的受力状况,并进一步探讨了常见围岩类型(II类、III类、IV类)中不同分布距离的软弱夹层对地下洞室围岩稳定性的影响,得出了不同分布距离软弱夹层对围岩变形、应力、支护结构受力影响的一些量化成果。研究成果可望对地下洞室选线（址）、支护系统优化以及施工有借鉴意义与指导作用。     

爆破开挖诱发的地下交叉洞室微震特性及破裂机制分析

白鹤滩水电站右岸地下多洞室间相互施工扰动,使得母线洞等交叉洞室围岩的微震活动规律及破裂机制十分复杂。引进南非IMS微震监测系统,研究高地应力、多面临空卸荷应力环境下交叉洞室围岩的微震特性及破裂孕育机制。根据地下厂房区围岩岩性、错动带及断层分布,选取监测效果较佳的传感器并合理布置;通过定点敲击试验进行波速反演,分析震源定位的精度;以10#母线洞掉块案例为工程背景,分析爆破开挖诱发的交叉洞室岩体破裂微震事件与能量释放时空演化规律,并基于S波和P波的能量比（ES /EP）,归纳、总结了掉块发生过程中岩体破裂演化机制：大量张拉事件发生（爆破冲击诱发）→拉剪、压剪事件发生→张拉事件、剪切事件交替发生（集中应力和节理综合影响）→掉块发生（重力和节理综合作用）。研究结果有利于优化白鹤滩水电站右岸地下洞室群交叉部位的开挖方案,同时对类似工程的开挖和支护具有重要借鉴意义。     

含软弱夹层深部软岩巷道稳定性研究

随着能源开采由浅部向深部发展（>700 m）,深部软岩巷道在高地应力下的变形破坏及其合理加固技术成为影响资源安全开采的重要因素。结合国投新集刘庄矿深部软岩及其软弱结构面的力学特性试验成果,提出软弱夹层的破坏准则及其损伤演化模型,并将其应用于含软弱夹层的深部软岩巷道围岩稳定性分析,研究不同支护方案下的围岩变形特性、破损区以及软弱夹层的离层和破坏情况,提出了合理的加固技术参数。     

基于厚壁筒三维解析模型的深部洞室围岩分区破裂化机制研究

为研究深部洞室围岩的分区破裂化机制,建立了厚壁筒三维线弹性解析模型。逐步减小厚壁筒均布内压,模拟洞室静力开挖。逐步增加厚壁筒轴向均布压力,模拟洞室开挖导致洞室轴向应力集中。逐步增加厚壁筒外周非均布压力系数,模拟洞室开挖导致洞室水平应力的重分布和集中效应。根据弹性力学知识和边界条件,确定洞室开挖引起的弹性应力场、应变场及位移场。从拉压域、应变梯度及径向压拉蓄能等3个方面入手,分别研究了内压静力卸荷、水平应力重分布、围压均匀部分及轴压对深部洞室围岩分区破裂的作用机制。结果表明：径向弹性拉伸能和径向弹性压缩能的相对变化反映了围岩能量释放速率和释放量。水平应力重分布和轴压是围岩出现分区破裂现象的主要因素,但两者作用机制不同。该模型可为研究高地应力深部洞室围岩破坏提供一个较统一的理论工具,也为深部工程设计提供了理论依据。     

深部巷道区域化交替破碎现象的机理分析

深部巷道因为其埋深大、地质环境复杂等因素,其变形规律一直是工程技术人员关注的问题。区域化交替破碎现象的发现使人们对深部巷道变形规律有了进一步的认识,对其机理的研究也逐渐展开。本文从蠕变角度分析其演化过程,依据“岩石失稳是与应变密切相关的”,认为破碎圈的出现是岩石的蠕变使应变发展到极限值,裂纹交汇贯通而形成的,并用改进的西原正夫模型预测破碎圈出现的时间,为合理利用这一现象指导矿山安全生产提供理论依据。     

深部圆形隧道围岩分区破裂的简化梯度模型

分区破裂化作为深部岩体典型的非线性力学现象而备受关注。基于内变量梯度理论,得到圆形隧道围岩应力场、应变场以及位移场的封闭解析解,并与经典弹性理论结果进行比较;分析内檩长度对应力场和变形场的影响规律。由于考虑了微观结构对围岩宏观应力与变形行为的影响,内变量梯度理论得到的应力场和变形场具有显著的波动性与准周期性。结合Mohr-Coulomb破坏准则,估算圆形隧道围岩破裂区的位置及宽度。研究表明,随着初始地应力的增大,圆形隧道围岩破碎区数量增加,且破坏范围向外扩展。最后通过与模型试验结果对比,验证了梯度模型的准确性。提出的梯度模型可以为解释围岩分区破裂化提供一个有效的理论手段。      

含层间错动带岩体的破坏模式及其剪切特性研究方法探讨

层间错动带存在的普遍性,给世界上许多工程带来了岩体稳定性问题和地质灾害。通过对因层间错动带导致工程岩体结构变形失效或破坏的实例进行归纳总结,采用岩体结构控制理论的观点将含层间错动带的岩体的破坏模式分为拉裂破坏、掉块和层间剪切滑移破坏3大类。以此为基础,提出剪切力学模型是层间错动带力学模型研究的重点。对层间错动带剪切力学特性的现有试验方法和建模理论进行评述,并根据现有的研究基础,提出屈服面蠕变模型是当前层间错动带剪切蠕变模型的较好选择。     

Effect of Tunnel Shape and Support System on Stability of a Tunnel in a Deep Coal Mine in China

Stability level of tunnels that exist in an underground mine has a great influence on the safety, production and economic performance of the mine. Ensuring of stability for soft-rock tunnels is an important task for deep coal mines located in high in situ stress conditions. The aim of this study is to investigate the effect of tunnel shape and support pattern on the deformation, failure zone and stability around a tunnel located in a coal rock mass in China and to select an appropriate tunnel shape and a support pattern to provide a stable stress-deformation condition around the tunnel. Using the available information on stratigraphy, geological structures, in situ stress measurements and geo-mechanical properties of intact rock and discontinuity interfaces, a three-dimensional numerical model was built using the FLAC software to simulate the stress conditions around the tunnel in the coal rock mass. Analyses were conducted for several tunnel shapes and rock support patterns. Results obtained for the distribution of failed zones, and stress and displacement fields around the tunnel were compared to select the best tunnel shape and support pattern to achieve the optimum stability conditions. Also, a comparison is given between the numerical predictions and field deformation monitoring results.     

深部大变形回采巷道围岩拉压分区变形破坏的模拟研究

为研究深部回采巷道围岩大变形破坏规律,在地质力学评估及矿压显现特征实测的基础上,采用真三轴相似模拟方法,模拟了不同加载梯度下巷道围岩应变特征。结果显示,在浅埋静水压力条件下,巷道围岩呈现“浅部拉应变、深部零应变”的特征;深埋静水压力及初掘采动应力下巷道围岩出现“径向应变拉压交替分布”现象;当采动应力集中系数大于2时,深埋巷道围岩应变进入非线性大应变状态。采用FLAC3D的应变软化模型与摩尔-库仑模型,对比研究了深部回采巷道围岩位移、塑性区分布规律。结果表明,应变软化条件下,巷道围岩产生拉、压分区破坏且软化后的围岩位移与实测结果更吻合。综合研究结果,揭示了深部回采巷道围岩拉、压分区的产生机制,初步提出了注浆、喷层等措施,防止过度应变软化引起深部回采巷道围岩大变形,为类似巷道稳定性控制提供了一定的参考。     

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。