新型让压锚杆力学特性试验及承载变形机理研究

针对现有锚杆结构在市政丁程、隧道及边坡支护结构中的不足,提出了一种新型让压锚杆,分析了其力学特征及承载变形机理,并对比了普通锚杆、普通让压锚杆、新型让压锚杆在岩土体中的能量变化原理。首先,对新型让压锚杆进行了室内拉拔试验,得到了其力学特征曲线;然后,基于锚固力增长曲线,对新型让压锚杆与普通锚杆、普通让压锚杆的承载形变机理进行了比对分析,得到新型让压锚杆3方面的优势:即适用性更广、性能更优、变形可控更具灵活性;最后,基于能量原理,构建了3种不同类型锚杆的能量积分表达式,并依据能量本构关系,对3种锚杆的极限能量值进行了对比分析。试验研究及理论分析均验证了新型让压锚杆更适合具有膨胀性的隧道及边坡岩土体支护加固,可为新型锚杆的支护使用提供重要指导,为类似工程的设计、施工提供重要参考。     

大变形锚杆支护效应分析

根据大变形锚杆的力学和变形特性,建立大变形锚杆–围岩相互作用结构模型,研究锚杆加固圆形隧道时的支护效应,并通过数值模拟验证了模型和求解方法的有效性。采用上述求解方法,定量分析了原岩应力、岩体强度以及大变形锚杆安装密度、长度和安装时间对其支护效果的影响规律。结果表明,在高应力或极软岩等恶劣地质条件下,围岩产生较大位移的情况下,大变形锚杆可以更好的发挥支护效应。大变形锚杆加固的主要作用在于限制塑性区围岩的变形,对塑性区边界的位置以及弹性区岩体变形的控制效果不明显。还通过改变安装锚杆时等效内支撑力的大小,揭示了锚杆安装时间对其支护效应的影响规律。研究结果可为大变形锚杆支护设计及参数优化提供基础理论依据。     

滑坡治理中勘查要点及支护结构稳定性分析

文中结合滑坡工程实际,开展滑坡勘查要点分析,以支护结构的变形监测成果为基础,通过变形预测评价支护结构的稳定性。结果表明,滑坡勘查要点控制非常重要,包括地质调查及测绘要点、地质钻探要点、原位试验要点、室内试验要点和报告编制要点。在勘查成果要点控制基础上,结合滑坡工程实际,将滑坡支护设计为“抗滑桩+挡土板”,结果显示,19根抗滑桩变形趋于稳定,最终预测值范围为13.86～16.48 mm,小于20 mm的变形控制值,说明滑坡支护结构十分稳定,验证了滑坡支护结构的合理性和有效性。     

高应力软岩巷道可接长锚杆让压支护技术

高应力软岩巷道的塑性区范围和变形量均较大,其稳定型控制需要支护材料具备良好的延伸性能及深部锚固特性。基于“高阻让压”而研发的可接长锚杆长度大于4 m、延伸率为17%,破断载荷为195 kN,能够适应此类巷道的变形破坏特征。根据支护材料和围岩的变形破坏特征,分别建立了可接长锚杆和“锚杆+锚索”支护系统的本构模型,结果表明：为保证支护结构稳定,避免支护系统本构模型失稳后应变量剧增,支护系统本构模型的应变上限不能超过支护元件的最大应变量;可接长锚杆能够能提供远大于锚索的让压距离,保障软岩巷道支护系统的支护强度和稳定性。试验条件下,可接长锚杆的平均支护阻力约为170.2 kN,顶板0~4 m内围岩理论变形量为264 mm,与工程实际变形量比较接近,起到了对高应力软岩巷道顶板的让压支护的目标。     

软岩隧道NPR锚索主动控制关键技术

为解决横断山区软岩隧道的大变形问题,本文以云南省昌宁至保山高速公路昌宁隧道为工程背景,采用理论分析、现场试验等方法,从作用机理、支护方案、施工工艺等方面对软岩隧道开展了高预紧力恒阻大变形(NPR)锚索主动支护及关键技术研究。结果表明：被动支护下,隧道围岩节理裂隙发育、黏土矿物含量高、围岩强度低、微观结构存在细小溶蚀孔、结构疏松等是昌宁隧道围岩发生变形破坏的主因;提出了“NPR锚索+PR锚索+“W”钢带+高强柔性网”主动支护技术,并通过现场松动圈测试等试验,确定了NPR锚索、PR锚索等的支护参数;针对极破碎围岩及含水软岩的特殊环境,提出了“先喷后支+复喷”和“锚固端下缘封堵+钢绞线端头加丝”NPR锚索主动支护优化技术;现场试验结果表明,NPR锚索主动控制技术能够有效控制软岩隧道围岩大变形,最大变形量由原来的2 125 mm控制到300 mm以内,保障了隧道支护结构的安全。     

恒阻大变形锚索弹塑性解析模型及数值分析

为了分析恒阻大变形锚索超常力学机制,首先,建立弹塑性框架下NPR锚索的解析模型,经室内试验结果验证了该解析模型的正确性。其次,进行若干参数的敏感性分析,揭示恒阻力与锚索几何、力学参数之间的关系。最后,建立NPR锚索三维数值模型,根据室内试验结果标定了相应的参数,使得数值结果与试验结果吻合,讨论套筒的径向位移量和轴向位移量的变化趋势。解析模型和数值模型为今后NPR锚索的设计和改进提供了可靠的辅助工具。     

寒区格构梁与锚杆复合结构的冻胀效应计算方法

为了研究寒区格构梁与锚杆复合结构变形和内力在冻胀作用下的变化规律,基于Winkler弹性地基梁理论,建立考虑冻胀作用的复合结构计算模型。考虑到土体与支护结构协调变形的特点,将土体的冻胀位移视为自由冻胀和复合结构约束冻胀两部分的叠加,推导出冻胀力计算公式,并采用有限差分法推导冻胀作用下格构梁变形和内力的计算公式。通过算例分析得出,考虑冻胀作用后复合结构的变形和内力十分显著,在寒区边坡支护工程设计时,应当考虑冻胀力的作用并预留足够的安全度。模型试验结果显示,格构梁位移、内力以及锚杆拉力的计算值与试验值分布规律及变化趋势基本一致,说明给出的冻胀效应计算方法合理、可行,为寒区格构梁与锚杆复合结构的分析与设计提供了一种新的思路。     

基坑预应力锚杆支护非线性有限元分析

运用MIDAS/GTS非线性有限元分析方法,对预应力锚杆柔性支护体系进行了数值分析,基于锚杆支护的左右原理和支护方式,对锚杆支护下土体位移的变化、坑底变形,以及锚杆轴力的力学特性进行了模拟和曲线拟合。结果表明:需正确结合土质参数,设计锚杆支护,发挥其承载力,有效控制变形。     

考虑横向抗剪效应的节理岩体全长黏结型锚杆锚固机制研究及进展

全长黏结型锚杆在岩质边坡和洞室支护等领域有着广泛的工程研究背景,由于岩体的结构效应,全长黏结型锚杆除发挥轴向抗拉作用外,同时因不稳定岩体具有沿结构面发生滑动或滑动趋势而发挥横向抗剪效应。拉剪作用下,节理岩体锚杆与纯受拉荷载作用的锚杆在地质特征、力学机制、失效模式以及评价方法上存在本质的差别。近些年来,国内外相关学者针对节理岩体锚杆的力学与变形特征、岩石/浆体与锚杆的相互作用和锚杆破坏机制及模式等方面开展大量的试验研究与理论分析,以揭示与其地质力学特征相适应的锚固机制、建立相应的锚固理论体系和工程设计方法。本文从结构控制稳定的角度出发,系统地分析节理岩体锚固机制研究的工程背景和科学意义,探讨拉剪作用下节理锚杆的力学与变形演化规律,揭示基于岩石/浆体与锚杆相互作用的节理岩体内在锚固机制,对比分析节理岩体锚固弹性地基梁模型和结构力学模型的优缺点。在总结分析节理岩体锚固研究成果的基础之上,指出当前研究重点及存在的问题,提出节理岩体锚固理论与评价方法的研究方向,有望对完善节理岩体锚固理论体系及建立工程设计方法提供参考。     

恒阻大变形锚杆力学特性及其工程应用

 传统刚性锚杆允许巷道围岩的变形量一般均在200 mm以下,不能适应巷道围岩大变形破坏而被拉断失效。自主研发的恒阻大变形锚杆能提供恒定工作阻力和稳定变形量,该锚杆主要由恒阻装置和弹性杆体组成,适应于软岩巷道、深部巷道的围岩支护,可以有效控制冲击地压等工程灾害。利用自主研发的恒阻大变形锚杆(索)试验系统对恒阻大变形锚杆进行室内力学特性试验,试验结果表明,恒阻范围内累计变形量最大值可达1 000 mm。在我国典型深部软岩矿井巷道支护进行现场科学试验,效果良好。     

硬脆性岩石热–力–损伤本构模型及其初步运用

热力作用下岩石本构行为的研究对深部资源开采、地热资源开发、深埋长大地下工程设施建设等岩石工程问题具有重要意义。基于现有岩石损伤劣化统计本构模型研究,引入三参量Weibull分布、热损伤、Drucker-Prager屈服准则和残余强度修正系数,经过严密的数学推导,建立了考虑岩石起裂应力的热–力–损伤本构模型,并确定了其参数表达式。采用围压25 MPa、不同温度(20℃,60℃,130℃)条件下黑云母花岗岩三轴压缩试验结果对模型进行了验证。结果表明:模型理论曲线和试验曲线具有较高的吻合度,能够客观地反映岩石热力破裂应力应变全过程和残余强度,且参数物理意义明确。最后,将本构模型嵌入FLAC数值分析软件,对瑞典APSE隧道开挖过程的热力响应进行了数值分析,计算结果较好地反映了隧道现场围岩的破坏规律。     

层状板岩隧道大变形控制参数优化数值模拟分析及现场试验

以木寨岭公路隧道为研究工程背景,木寨岭隧道是全线地质条件最差的隧道,其复杂性主要表现为:断层构造作用强烈、地应力高、隧道埋深较大、地下水发育等。隧道原支护设计下,出现了初支开裂、拱架破坏和围岩渗水等状况。经NPR锚网索支护策略施作,大变形支护控制效果显著,最大变形量为240 mm。为降低工程造价,提高施作效率,对NPR锚网索行间距进行优化设计,利用Flac3D内嵌的fish语言,建立具有高恒阻大变形的NPR锚索结构单元,对不同优化方案进行数值模拟,对比分析各种方案下模拟得出的各项正应力、剪应力及变形云图,再进行现场试验,将现场试验结果与数值解进行对比分析,认为小进尺开挖加NPR锚网索支护体系可能对松动圈产生影响,提出NPR锚网索支护设计的优化方向,为二次优化奠定理论和实践基础,同时该技术也为川藏铁路的实施奠定理论和实践基础。     

超千米深井巷道围岩变形特征与支护技术

为解决超千米深井巷道支护难题,以新汶矿区深井巷道为工程背景,分析深部矿井地应力、围岩强度与结构等地质力学参数分布特征,超千米深井巷道围岩、支护体变形及破坏状况。采用UDEC数值模拟软件,研究不同支护方式与参数下超千米深井岩巷围岩变形、破坏特征与支护作用。基于实测与数值模拟研究结果,确定新汶华丰矿-1180回风大巷采用全断面高预应力、高强度锚杆与锚索及注浆联合支护加固方式。详细介绍-1180回风大巷支护井下试验,包括支护参数设计、支护材料、底板注浆锚索施工工艺及矿压监测结果。通过分析围岩位移、顶板离层及锚杆、锚索受力监测数据,评价回风大巷支护效果。井下试验表明:高预应力、高强度锚杆与锚索及注浆联合加固技术,能够有效控制超千米深井岩巷大变形,保持围岩长期稳定。最后,针对井下试验中存在的问题,提出改进意见。     

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。     

深部储气库群盐层蠕变参数优化研究

 结合我国第一个盐岩储气库群——金坛储气库运行过程中观察井的压力变化监测数据,利用监测观察溶腔腔体卤水压力的变化来分析腔体体积收缩变形,并据此反演分析储气库区盐层蠕变本构方程的主要蠕变参数,使其计算结果与实际吻合,解决数值计算在地下盐岩储气库中很难被验证的问题。结合理论分析和试验的方法,验证利用观察井监测腔体蠕变收缩体积这种方法的合理性。研究成果能用于盐岩储气库运营中的长期体积变形预测、地表沉降预测等研究工作中,为盐岩储气库群的长期稳定安全运行提供技术支持。     

隧道软弱围岩挤压大变形非线性流变力学特性研究

 讨论高地应力条件下隧道软弱围岩发生挤压大变形的复杂力学行为,将挤压大变形归属为变形速率快而收敛速率慢的非线性流变变形范畴。在分析挤压大变形流变力学机制的基础上,分别提出非线性二维黏弹塑性本构模型和大(小)变形三维弹黏塑性本构模型,并进行相关专用程序的研发。运用所研发的材料子程序,对相关流变模型进行理论分析,就乌鞘岭铁路隧道软弱围岩施工开挖大变形问题进行工程应用研究。     

隧道围岩与支护结构变形协调控制机理及工程应用

为解决高应力下隧道岩爆以及软岩大变形控制难题,本文从隧道围岩荷载与支护平衡、变形协调控制及围岩能量守恒三方面进一步分析地下工程平衡稳定方法的特点;根据不同围岩级别总结地下工程平衡稳定方法中隧道支护结构抗力与围岩变形特征曲线,并提出隧道围岩支护的施工建议;通过分析围岩与支护结构有效荷载传递规律与功能转换特征,揭示围岩平衡与支护结构变形协调控制机理,并结合高应变吸能层材料设计一种表征为“吸能让压 支承抗压”的一体化新型隧道围岩支护工艺。通过工程应用表明,基于新型支护工艺在岩爆、软岩大变形隧道中围岩压力降低28.09%,保障了隧道安全高效施工。     

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。     

Quantification of rock mass damage in underground excavations from microseismic event monitoring

Rock mass damage assessment is required for many applications in rock engineering practice including support design, contamination transport control, stope design, amongst others. While various methods such as displacement measurement, seismic refraction, and direct observation using borehole camera have been used, relatively few efforts have been made to use microseismic monitoring to quantify the rock mass damage. From laboratory tests, it is well known that microseismic events are indicators of fracturing or rock damage as the rock mass is brought to failure at high stress. By capturing the microseismic events, underground excavation induced rock mass degradation or damage can be located but can the amount of damage in terms of changes to strength or deformation properties be measured?

In the present study, a method of characterizing rock mass damage near excavations based on microseismic event monitoring is developed and a damage-driven numerical model is presented that takes the microseismic data as input to determine the damage state described by fracture density. The approach is built on the discovery that a realistic crack size corresponding to a seismic event can be established by applying a tensile cracking model instead of the traditional shear model, commonly used in earthquake analysis. The rock mass is softened by the introduction of cracks and this is simulated by a micro-mechanics based constitutive model. The material property input for the model are Young's modulus, Poisson's ratio of the intact rock, and information obtained from the monitoring of microseismic events such as the location and the source size of each event calculated from source parameters. Using data from the Atomic Energy of Canada Limited Mine-by Experiment, this model has been verified by investigating the linkage between microseismicity, rock mass damage and ground deformation. It is found that when damage related softening based on microseismic data is considered, predicted rock mass displacements are in good agreement with extensometer measurements.     

软岩大变形巷道底臌破坏机制与支护技术研究

 随着资源开采由浅部向深部转移,如何有效地控制底臌成为深部软岩巷道支护中首要考虑的问题。针对国投新集刘庄煤矿围岩破坏严重、难支护的情况,结合刘庄煤矿制冷硐室所处的地质环境特点,在巷道围岩的物理力学特性、岩石矿物成分分析、现场地应力测量、现场大型真三轴流变试验的基础上,分析巷道底臌的主控因素,研究表明：本巷道底臌变形主要是由于软弱围岩在较高的水平构造应力作用下,产生明显的流变变形所致。在此基础上,对该巷道进行支护设计优化,提出一种由U型钢可压缩支架和泡沫混凝土填充结合预应力锚索的被动卸压与主动施压相结合的底臌变形控制方案,并通过数值方法验证该方案的合理性。