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。     

深部洞室围岩分区破裂化的冲击破坏机制研究

提出了深部洞室围岩分区破裂化的冲击破坏机制。即在岩体开挖引起的围岩应力重分布过程中,径向应力波波前产生应力不连续间断面,当波前应力降满足一定条件时,产生局部冲击破坏。根据弹性动力学理论,应用位移势函数,通过Laplace变换简化计算,推导了洞室开挖瞬间围岩径向应力场的动力学理论解,得到了发生各次分区破裂化时,波前径向应力降的统一计算公式。根据质点速度、间断面压力降,由动量守恒定律推导了围岩分区破裂化的冲击本构方程和破坏准则,得到了产生冲击破坏的间断面压力降临界值计算公式。给出了分区破裂形成后各破裂区半径的表达式,关系式表明,各破裂区之间存在等比关系,其等比值为 。     

深部层状节理岩体分区破裂模型试验研究

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。为深入研究深部岩体分区破裂现象的形成机制和影响因素,以淮南矿区丁集煤矿的深部巷道为工程背景,利用模型相似材料和高地应力真三维加载模型试验系统,首次开展了带有软弱夹层的层状节理岩体的真三维地质力学模型试验。结果表明：（1）在满足一定应力条件下,带有软弱夹层的层状节理试验模型出现明显的分区破裂现象;（2）软弱夹层是影响层状节理岩体分区破裂现象的重要因素,在相同的应力条件下,软弱夹层使得巷道围岩的径向位移和应变明显增加;并且软弱夹层的间距越小,洞周破裂区的层数越多,范围越大;（3）洞周破裂区的形状近似为圆形,与是否存在软弱夹层及软弱夹层间距均无关。模型试验结果有效揭示了分区破裂的影响因素,为深入研究高地应力深部岩体的非线性变形破坏特征奠定了坚实的试验基础。     

深部巷道围岩分区破裂的非线性连续相变模型研究

深部巷道围岩中会形成分区破裂现象。围岩分区破裂的形成过程可以看作是围岩内部结构的连续相变过程,因此,连续相变模型可以描述分区破裂的主要特征。基于文献[15-16]中利用连续相变理论,结合经典弹塑性理论建立了围岩分区破裂的非线性相变模型。运用相平面分析法研究了非线性连续相变模型方程的解的性质,得到了非线性解的3种形式。用数值方法求解了非线性连续相变模型方程,并与线性相变模型的解进行了比较,展示了非线性模型能够更好地描述围岩变形的空间分布。最后分析了非线性模型方程中各系数对方程解的影响及其物理意义,其研究结果对于应用非线性连续相变模型模拟分区破裂具有指导意义。     

高应力深部洞室模型试验分区破裂现象机制的初步研究

以经典的芬纳公式为手段,以观察到分区破裂现象的模型试验为背景,通过对简化后的圆形巷道围岩应变场和能量场的分析,发现极限平衡区边界存在径向应变的不连续性和弹性变形能的聚集性。认为与开挖洞室呈同心圆的环状断裂的形成,是极限平衡区在边界上由于应变场的不协调而导致的与弹性区的断裂分离。而分区破裂的产生,则是这种断裂分离形成后极限平衡区向深处发展的结果。解释了分区破裂产生时洞周围岩应变和位移随距离洞室增加呈波浪形变化的非单调性规律,给出了分区破裂形成后各破裂区半径的表达式,关系式表明各破裂区之间存在等比关系,比值与地应力状态及围岩力学参数有关。将分区破裂模型试验的参数代入该式,可得,n =1.1左右,与实验完成后剖开模型的各破裂区分布特征基本相符。     

深隧道围岩分区破裂的数学模拟

该研究为先前深隧道围岩分区破裂现象内变量梯度塑性模型的进一步发展。利用应变梯度模型研究了深隧道围岩的分区破裂现象。作为额外的状态变量,在此引入应变梯度这一新变量。利用虚功原理得到了深隧道围岩的平衡方程、边界条件和流动准则,利用Clausius-Duhem不等式获得了岩体的本构方程。对于圆形深隧道,由上述模型的一般方程得到了弹性变形情况下、具有下降段的弹塑性变形情况下和不考虑弹性变形的塑性变形情况下圆形深隧道围岩的支配方程,得到了解析解,并讨论了解析解的性质。这一模型不仅扩展了隧道围岩的经典弹塑性模型,也为下一步数值研究深隧道围岩的分区破裂现象奠定了理论基础。     

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。      

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。     

深部开采底板岩体卸荷损伤的强扰动危险性分析

为研究深部高应力岩体强烈的卸荷效应扰动底板破坏并诱发突水的危险性,根据卸荷力学理论,研究了深部开采卸荷对底板扰动破坏的影响,运用离散元软件计算了深部开采底板卸荷损伤的强扰动特征,基于三轴卸荷试验及损伤因子概念推导了卸荷量与损伤因子的关系,获得了底板岩体卸荷的扩展破坏条件,划分了底板卸荷扰动分区,分析了深部开采底板岩体卸荷损伤破坏的强扰动危险性。结果表明：随采深增加,底板卸荷起点及卸荷应力增加,卸荷量却降低,而深部开采较小的卸荷量便造成底板严重损伤破坏;岩体卸荷量越大,卸荷速率、位移量及渗透系数越高,越易致其扩展破坏;裂隙倾角及水平应力与垂直应力比值越小,越易满足底板岩体卸荷的扩展破坏条件。     

深部岩体分区碎裂化进程的时间效应研究

论文对现场观测和相似材料模拟实验中岩石分区碎裂化的时间效应进行了总结。得出岩石分区碎裂化现象是岩体经蠕变产生的。破碎带的形成需要经过一定的时间。但这段时间不会很长。采用蠕变理论对岩石分区碎裂化的时间效应进行了分析,推导了能够描述加速蠕变阶段的流变模型———改进的西原模型的本构方程和蠕变方程。在此基础上求出了岩石分区破裂化发生时破裂带半径(破碎带距巷道中心的距离)的公式。     

考虑卸荷效应的深埋隧洞围岩分区破坏数值模拟

基于卸荷岩体力学基本理论,运用三维有限差分软件,提出以塑性体积应变增量变化区间与不同卸荷区域岩体力学参数相对应的卸荷模拟方法,模拟了不同侧压系数条件下开挖洞周附近围岩最大体积应变增量以及围岩损伤范围的变化情况。数值模拟结果表明：当侧压系数较低时,洞周附近围岩的塑性体积应变增量区域的外边界近似为竖向椭圆形,随着侧压系数的增大,其外边界逐渐向圆形变化,最后变为横向椭圆形。侧压系数越大,围岩的卸载效应越显著,洞周附近围岩的塑性体积应变增量就越大,其所产生的围岩损伤范围也相应越大。利用所获得的结果,可以为深埋隧洞的稳定性分析以及支护设计提供依据。     

考虑卸荷的加锚裂隙岩体力学参数研究

加锚岩体的力学参数确定一直是岩土工程中的一个重要和困难的问题,在考虑卸荷的情况下,对边坡岩体的分离块体经系统锚杆加固后的抗压强度、泊松比、弹性模量及c,?值的变化规律进行了数值模拟计算和分析,并考虑了不同的加卸载路径、锚固角和岩体强度对加固效果的影响,计算结果表明,在分析卸荷岩体边坡加固时,必须考虑裂隙岩体卸荷历史的影响。最后用试验结果验证了等效数值计算方法的正确性。     

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。     

无临空面深层岩体爆破增渗模型试验相似律研究及相似条件的实现

依据所分析的无临空面深层岩体爆破增渗的特点,在模型试验相似理论基础上进行无临空面深层岩体爆破增渗模型试验相似律研究。结合内蒙某低渗透砂岩型铀矿工程地质及水文地质实际情况,根据所推导的模型试验相似准则,通过理论分析及试验研究,实现了模型试验的几何条件、边界条件、爆炸荷载及材料的相似,为实施爆破增渗模型试验打下基础。