深埋硬岩隧洞围岩板裂化破坏研究的关键问题及研究进展

规律性的板裂化破坏是深埋硬脆性岩体开挖卸荷造成的典型围岩破坏现象,给隧洞的安全施工建设带来了严峻挑战。板裂化破坏的研究主要涉及两个关键问题：板裂化破坏的形成机制及其影响因素,板裂化破坏与岩爆的关系。多年来,国内外学者通过理论分析、现场及室内试验、数值模拟等不同途径对板裂化破坏问题进行了系统的研究,取得了丰富的研究成果。在系统分析有关板裂化破坏两个关键问题研究进展的基础上认为,板裂化破坏的形成机制复杂、影响因素众多。基于板裂化破坏形成的细观机制,建立不同类型板裂化破坏的力学准则与力学模型是揭示板裂化破坏形成机制的关键所在;板裂化破坏现象与岩爆之间具有很强的相关性和本质的联系,深入揭示板裂化破坏特征所包含的岩爆前兆信息是板裂化破坏与岩爆关系研究的关键与难点问题。     

单侧限压缩下预制裂隙试样力学特性及板裂化机制细观研究

岩体板裂化破坏是地下工程中一种常见的破坏现象。采用等效岩体技术,将岩体中裂隙(平行于临空面)和岩块分别用光滑节理模型及颗粒体模型表征,通过试验和计算对比,研究单侧限压缩条件下裂隙岩体强度、裂纹分布、裂纹孕育演化规律及裂隙岩体板裂化形成机制。研究表明:(1)随裂隙数量的增加,岩体单侧限抗压强度近似呈线性降低的规律。(2)单侧限压缩下裂隙岩体中产生的裂纹可划分为Ⅰ型～Ⅴ型裂纹,其中Ⅰ型、Ⅱ型(剪切)裂纹是由加载端部效应导致,Ⅲ型～Ⅴ型裂纹由岩体板裂化破坏导致。(3)单侧限压缩下岩体板裂化破坏过程中,导致无侧限边界处岩体剥落的Ⅴ型裂纹最先产生,原生裂隙进一步扩展的Ⅳ型裂纹随后产生,最后产生的是板裂化现象向岩体深部发展的Ⅲ型裂纹。(4)各类裂隙试样在单侧限压缩下的声发射数量与破裂强度均近似服从高斯函数分布关系。     

基于裂隙扩展的多级岩质边坡开挖卸荷破坏路径分析

开挖卸荷作用下裂隙岩体边坡的破坏模式与路径分析是边坡工程灾害研究的热点之一,准确识别边坡的潜在破裂路径对工程安全施工和支护优化设计具有重要意义。依据断裂扩展分析方法,将裂隙扩展判别的理论方法开发并应用于数值模拟分析中,通过裂隙尖端应力强度因子计算、裂隙扩展模式识别、裂隙起裂角演算、裂隙扩展交汇等技术实现了岩体中断续裂隙的起裂、扩展与贯通演化过程的快速模拟;以某高速公路沿线裂隙岩体路堑边坡为对象,采用提出的模拟方法分析了多级开挖卸荷作用下坡体裂隙的扩展机制与边坡的破坏路径。结果表明：裂隙岩体边坡从上至下多级开挖过程中,坡肩裂隙首先起裂,并通过拉张型扩展逐渐发展为优势裂隙;随着边坡下挖,优势裂隙沿坡面向下逐步发生拉张/剪切混合型扩展并与既有裂隙交汇,在边坡中上部形成阶梯状扩展破坏路径;裂隙扩展至边坡下部及坡脚后扩展模式由拉张/剪切混合型转化为剪切型,并最终以弧形剪切面从坡脚出露。研究揭示了裂隙岩体边坡多级开挖卸荷作用下上部阶梯状拉张/剪切混合型破裂-下部弧形剪切型破裂的复合破坏模式,可为边坡工程支护设计和施工稳定性控制提供新思路。     

冻融作用下裂隙岩体锚固效应研究

用相似材料制作含预制裂隙岩体无锚和加锚试样,以锚杆与裂隙呈45°、90°打入锚杆制作3组试样,进行60次冻融循环,对冻融过程中裂隙进行应变监测并对冻融循环60次后的试样进行单轴压缩试验,探讨冻融循环作用下不同角度的锚杆支护对裂隙岩体的裂隙扩展规律、锚固效应及破坏模式的影响。研究结果表明:裂隙岩体在经历30次冻融循环之前,两种支护方式对裂隙的控制效果相当,随着冻融循环的进行,锚杆支护角度会对作用于锚杆的摩阻力产生一定影响,锚杆与裂隙夹角越大,作用于裂隙的摩阻力越大;天然状况下一个冻融循环周期内裂隙的应变大致经历了冷缩→冻胀→冻胀稳定→融缩→回弹→稳定6个阶段,两种支护工况均未出现明显的融缩阶段和回弹阶段,且90°支护工况效果比45°支护工况效果更加明显;对裂隙岩体采用水泥浆进行压力灌浆,由于水泥浆的保护作用可以对整个锚固系统起到一定的修复作用;锚杆增强了裂隙岩体抵制裂隙扩展的能力,降低了裂隙岩体劈裂破坏的突然性,且破坏模式由张拉破坏转换为张剪复合破坏。     

开挖断面曲率半径对高应力下硬脆性围岩板裂化的影响

围岩板裂化是深埋高地应力条件下硬脆性围岩开挖后出现的一种典型破坏形式。影响围岩板裂化形态和形成机制的因素很多,开挖断面的曲率半径是其中的关键因素之一。为了研究开挖断面曲率半径对深部硬脆性围岩板裂化的影响,首先总结、分析了锦屏二级水电站深埋隧洞不同开挖断面曲率半径所对应的板裂化形态和特征。在此基础上,设计了室内物理模型试验,研究不同孔径的圆形洞室和不同尺寸的直墙拱洞室在平面应变条件下的板裂化破坏形态。研究结果表明,开挖断面的曲率半径对围岩板裂化的影响机制表现在尺度效应和结构效应两个方面,影响着板裂化的破坏形态和破裂机制,当同一洞室断面包含不同曲率半径段时,板裂化破坏表现出曲率半径影响下的组合破坏特征。最后,利用数值模拟结果分析和验证了开挖断面曲率半径对围岩板裂化的影响效应。     

含交叉裂隙节理岩体单轴压缩破坏机制研究

对含交叉裂隙相似材料试件进行单轴压缩试验,用Abaqus对含交叉裂隙节理岩体进行应力分析,研究了含交叉裂隙节理岩体单轴压缩下的破坏机制。结果表明：交叉裂隙的主裂隙与加载方向呈30°、45°时,主裂隙是裂隙扩展及破坏的控制裂隙,此时含交叉裂隙岩体强度高于含单向裂隙岩体,是由于主裂隙裂尖最大环向应力σθmax低于单向裂隙;主裂隙与加载方向呈0°或90°时,次裂隙是控制裂隙;主裂隙与加载方向呈0°时,大部分次裂隙裂尖σθmax及裂尖最大应力强度因子KⅡmax高于单向裂隙,因此,此时大部分含交叉裂隙岩体强度低于含单向裂隙岩体;在主裂隙与加载方向呈90°工况组中,主、次裂隙夹角为45°时,次裂隙裂尖KⅡmax最大,所以此工况组中此时强度最低。     

加锚预制裂隙类岩体锚固机制试验研究及其数值模拟

为研究锚杆对裂隙岩体的锚固机制及其影响因素,对预制锚固单排裂隙试件进行单轴破断试验。提出了主控裂纹的概念,即控制试件强度弱化和最终破坏的一条或几条大裂纹称为主控裂纹。在不同的锚固条件下主控裂纹会有不同的产状：在有效锚固范围内,裂隙试件具有横向和纵向两类主控裂纹,而在无锚或有效锚固范围之外的试件仅有纵向一条主控裂纹贯通。通过声发射和应力监测表明,在有效锚固范围内锚杆能延迟主控裂纹产生和提高裂隙试件强度。另外,利用ANSYS软件对不同锚固条件下的裂隙尖端应力强度因子进行数值计算,得到了锚固距离和锚固倾角与裂隙尖端应力强度因子之间的关系;通过FLAC3D模拟了不同锚固距离下主控裂纹贯通模式,数值模拟与试验结果比较吻合。     

单轴压缩荷载下闭合裂纹扩展的试验和数值研究

岩体内部存在大量的裂隙,由于填充物的存在,在大多数情况下裂纹面是闭合的,受外力作用时会产生摩擦力,进而会影响到岩体裂隙的起裂模式和扩展行为。因此,为了研究闭合裂纹的起裂模式和扩展行为,用类岩石材料PMMA有机玻璃板制成含有闭合裂纹的预裂试样,在试样上进行单轴压缩试验,用数字图像相关系统（digital image correlation,简称DIC）记录并分析了闭合裂纹的起裂和扩展特征。另外,使用扩展有限元法（extended finite element method,简称XFEM）来模拟闭合裂纹的萌生和扩展,通过模拟得到了含闭合裂纹试样的破坏过程,并分析了闭合裂纹的起裂和扩展特征,与试验结果吻合良好,验证了数值模拟的有效性。在此基础上,引入裂纹倾角和裂纹面摩擦系数为变量,模拟研究了其对闭合裂纹起裂和扩展行为的作用机制。研究结果表明,裂纹闭合条件下产生的裂纹为翼型张拉裂纹。裂纹倾角和裂纹面摩擦系数对闭合裂纹的起裂模式和扩展行为有较大影响,裂纹倾角越大,起裂角越大;相反,裂纹面摩擦系数越大,起裂角越小。另外,裂纹面摩擦系数会对闭合裂纹的扩展产生抑制作用,且随着摩擦系数不断增大,抑制作用...     

基于剪切试验的预应力锚杆变形性能分析

为了研究锚杆对节理剪切性能的作用机制和模式,开展了锚固节理岩体的实验室剪切试验,模拟了不同强度的岩体在剪力作用下的变形和受力特征,对比了锚杆加固前、后岩体的剪切变形规律,分析了节理岩体强度、预应力及锚固方式对节理的抗剪能力的影响,试验过程中通过应变片测点监测锚杆轴力的变化规律,研究了节理剪切过程中锚杆的轴向受力机制和变形特性。剪切试验完成后,取出剪切变形后的锚杆,统计了变形段长度与各参数之间的关系。通过试验结果分析,剪力-位移曲线存在明显的3个阶段：弹性阶段、屈服阶段和塑性强化阶段,曲线近似呈现双直线特征,弹性段锚杆主要发挥销钉作用;屈服段锚杆的轴向作用开始调动,锚杆同时存在销钉和约束作用;塑性段锚杆不再发挥销钉作用,只是依靠其轴向约束作用限制岩体的变形;曲线表现出韧性增强的剪切性能,这就使得锚杆锚固节理岩体的破坏特性由脆性转变为塑性,从而提高了岩体的稳定性和安全度。节理面的滑动对锚杆产生剪切作用,由于切向变形而产生了附加的锚杆轴向变形,锚杆的轴向应力随着剪切位移的增大呈增长的趋势,变形剧烈区域集中于节理面附近,且距离节理面越近其轴向应力增大越多。     

不同倾角节理组和锚固效应对岩体特性的影响

首先采用DDARF(discontinuous deformation analysis for rock failure)分析方法对双裂隙岩块进行单轴和双轴压缩模拟试验,研究了裂隙角度和侧向应力大小对岩块特性的影响,得到了裂隙岩块在这两种加载试验中的破坏过程、应力-应变曲线以及岩块中裂隙的起裂应力和岩块的峰值强度。在双轴压缩模拟试验中绘制了裂隙角度为45°的岩块在不同侧向压力下的强度包络线。其次,采用DDARF分析方法模拟劈裂试验中含裂隙试块的锚固效果,得到了4种不同锚固角度试块的轴向荷载–位移变化曲线和裂隙扩展规律。模拟结果与前人的类似条件下的试验结果相符良好。随后又将双裂隙试块双轴压缩模拟试验中得到的参数运用到一个地下洞室的工程实例中,用等效力学特性的方法分析对比了完整岩体和节理岩体洞室开挖完成后的破损状态的差异。最后运用DDARF分析方法研究了随机生成4组节理岩体的地下洞室的稳定性,得到了洞室节理围岩的裂隙扩展过程。同时通过对关键点位移的监测分析了锚杆的锚固效应。     

Rock burst and slabbing failure and its influence on TBM excavation at headrace tunnels in Jinping II hydropower station

Two headrace tunnels and the drainage tunnel were excavated by tunnel boring machines (TBMs) in Jinping II Hydropower Station. During TBM excavation, two types of slabbing failure were encountered in these deep buried marble tunnels. One is rock bursting and the other is non-violent slabbing. In order to study the rock burst and slabbing failure, a unique true triaxial rock burst test was carried out to simulate the rock burst process with different in situ stresses. Four rock samples in different marble layers were obtained in the site, and then four experiments are conducted under the same stressed conditions as the in situ field. The rock burst process and slabbing failure phenomena of the four experiments are in good accordance with the observations of corresponding excavation site. The failure modes of slabbing and rock burst in different rock groups can be predicted based on the experiments. The influence of the slabbing and rock burst failure on TBM excavation is analyzed in depth. Non-violent slabbing is beneficial to the rock breakage process. Rock burst with violent slabbing process greatly affects the tunnel support, cutter and cutterhead damage, gripper movement and force and so on.     

节理岩体锚杆的综合变形分析

在总结国内外对节理岩体中锚杆加固机制的试验研究和理论探讨基础上,综合考虑锚杆的切向和轴向变形能力,建立节理锚固锚杆在剪切荷载作用下的变形模型,将节理锚固锚杆的变形区划分为弹性变形段和挤压破坏段,引入表征挤压破坏段长度的变量,对锚杆与岩体的相互作用机制进行理论分析,推导了剪切荷载与剪切位移和轴向荷载与轴向位移的关系。通过分析锚杆的屈服破坏形式,得到了确定挤压破坏段长度的方法。最后,通过算例分析了挤压破坏段长度与锚杆直径、岩体强度、锚固角度等参数的关系,得到了以下结论：（1）节理锚固锚杆抗剪作用的实质是锚杆调动岩体的抗压强度抵抗节理切向荷载。在抗压强度较高的硬岩中,挤压破坏段局限于节理面附近,锚杆影响范围小;而在抗压强度较低的软岩中,挤压破坏段较大,而且会产生较大的剪切变形,锚杆影响范围较大。（2）锚杆屈服破坏形式与岩质和锚杆直径有关。硬质岩体发生剪切屈服,而较软岩体中容易发生弯曲屈服;小直径锚杆一般直接剪切屈服,而大直径锚杆可能发生弯曲屈服。锚杆屈服破坏后出现塑性铰,挤压破坏段范围在节理一侧约为直径的1～2倍,继续增加剪切荷载,挤压破坏段长度不再增大。（3）随岩质的不同,锚杆锚固节理的最优锚固角变化较大。岩质较硬时,最优锚固角度较小,反之则较大。     

溪洛渡水电站某危岩体稳定性及加固措施研究

在现场调查分析的基础上,提出了溪洛渡水电站某危岩体的两种可能失稳模式（剪切坠落或拉裂倾倒失稳）,进而建立了相应的稳定性计算极限平衡力学模型,而且对危岩体的变形和破坏特征进行了数值模拟分析,分析结果表明,危岩体抗拉裂倾倒稳定性较差,剪切坠落失稳的稳定性系数较高。在稳定性分析的基础上,计算出危岩体倾倒失稳时,安全系数为1.5时的锚固力,进而提出了危岩体加固方案：充填凹岩腔+填充裂隙+预应力锚索＋锚杆联合加固,数值模拟表明此加固方案效果良好。     

顺层岩质边坡预应力锚索抗震加固机制研究

将顺层岩质边坡的层面考虑为弱面,将其等效为等间距共线多节理的力学模型。预应力锚索加固边坡的锚固模型等效为平面有限宽度岩体节理问题。并将初始应力和地震荷载引起的附加动应力视为远场作用,锚固边坡的受力问题视为远场作用效果和节理面集中力作用效果的叠加。根据叠加原理计算地震荷载作用下裂纹端部应力强度因子,发现位于裂纹端部的预应力锚索能大幅度降低I型裂纹的应力强度因子。以应力强度因子作为岩体的压剪破坏判据解释顺层岩质边坡预应力锚索的抗震加固机制,能很好地解释汶川地震边坡破坏特点。     

Influence of Sample Height-to-Width Ratios on Failure Mode for Rectangular Prism Samples of Hard Rock Loaded In Uniaxial Compression

Surface-parallel slabbing is a failure mode often observed in highly stressed hard rocks in underground excavations. This paper presents the results of experimental studies on slabbing failure of hard rock with different sample height-to-width ratios. The main purpose of this study was to find out the condition to create slabbing failure under uniaxial compression and to determine the slabbing strength of hard rock in the laboratory. Uniaxial compression tests were carried out using five groups of granite specimens. The mechanical parameters of the sample rock, Iddefjord granite from Norway, were measured on the cylindrical and Brazilian disc specimens. The transition of the failure mode was studied using rectangular prism specimens. The initiation and the propagation of slabbing fractures in specimens were identified by examining the relationship among the applied stress, strain and the acoustic emission. The stress thresholds identified were compared to those reported by other authors for crack initiation and brittle failure. It is observed that the macro failure mode will be transformed from shear to slabbing when the height/width ratio is reduced to 0.5 in the prism specimens under uniaxial compression. Micro σ ₁-parallel fractures initiate when the lateral strain departs from its linearity. Slabbing fractures are approximately parallel to the loading direction. Labotatory tests show that the slabbing strength (σ _sl) of hard rock is about 60% of its uniaxial compression strength. It means that if the maximum tangential stress surrounding an underground excavation reaches about the slabbing threshold, slabbing fractures may take place on the boundary of the excavation. Therefore, the best way to stop or eliminate slabbing failure is to control the excavation boundary to avoid the big stress concentration, so that the maximum tangential stress could be under the slabbing threshold.     

锦屏一级电站地下厂房岩锚梁载荷试验研究

详细介绍了锦屏一级水电站工程地下厂房岩锚梁试验过程、安全监测方法及结果。试验结果表明,岩锚梁锚杆应力、接缝开度、围岩变形及锚索荷载变化主要由围岩二次应力调整引起的,试验荷载引起的增量远远小于各监测物理量,岩锚梁大多数锚杆承受拉应力,C锚杆的应力增量比A、B锚杆的应力增量反应更敏感;锚杆应力增量随着埋深增加迅速减小,岩锚梁荷载试验全过程中各监测物理量变化均小于设计控制标准值。建议在围岩变形较大的条件下,岩锚梁的设计、施工应考虑围岩和岩锚梁共同作用的影响     

强降雨条件下碎裂岩质边坡锚墩式主动网加固机理模型试验

川藏铁路沿线岩体受地质构造、风化作用以及酸雨作用的影响,广泛发育有深厚的碎裂带,工程开挖常形成长大碎裂岩质边坡.该类边坡除坡面碎块石的崩落外,还存在整体失稳风险,常规主动网难以有效加固.基于此,提出锚墩式主动网新型组合结构,以预应力锚索代替主动网中的短锚杆,约束碎裂岩质边坡坡面岩块位移的同时进行边坡的深层加固.设计了1...     

预应力锚索锚固力损失与岩土体蠕变耦合效应研究

因预应力锚索锚固力损失而导致锚固失效的工程事故屡屡发生,锚索锚固力损失与岩土体蠕变之间存在复杂的耦合效应关系,建立二者之间的耦合效应模型,确立二者之间的计算关系式,为预应力锚固工程的设计、施工、安全运行管理以及锚固力损失的控制与补偿技术提供理论基础和技术手段。通过理论分析和模型研究,在岩土体常用流变模型基础上建立了基于应变相等的耦合效应计算模型,并进行了模型验证。研究结论：（1）建立了与工程实际相符合的锚索锚固力变化和岩土体蠕变的耦合效应计算模型,正确反映了预应力锚索锚固力损失和岩土体蠕变之间的关系,推导出了其本构方程、松弛方程和蠕变方程,从理论上解决了锚固力变化与岩土体蠕变之间的计算关系。（2）通过耦合效应计算模型的蠕变方程,在材料参数已知的情况下,可以计算出边坡蠕变影响引起的锚索锚固力损失量,并结合实际工程中监测到的锚索应力数据进行对比分析,就能够准确地了解、评价锚索锚固力的异常变化情况,指导实际工程中的设计和施工,保证工程建设过程中的安全性。（3）通过耦合效应计算模型的松弛方程,可以对预应力锚索受力状态的监测数据进行分析整理,通过对锚索锚固力损失量的数据进行反分析,分析岩土体的蠕变参数,根据蠕变介质的材料特性,计算岩土体蠕变量,根据蠕变量判断预应力锚索锚固工程的安全性和可靠性,指导锚固工程的安全运行管理。     

深部硬岩剪切边界下应力诱发片帮的机制研究

深部工程开挖现场发现硬岩的剪切破坏过程对地下工程稳定性具有重要影响。深埋硬岩隧洞边墙处片帮或板裂主要为压致拉裂的结果,可通过室内单轴压缩试验来模拟;而拱肩和底角处的片帮或板裂多数是在剪切边界下形成的,需通过室内完整硬岩直剪试验来再现。针对不同类型硬岩压致拉裂型片帮,已进行了相当深入的研究,但对完整硬岩剪切边界下应力诱发型片帮的直接研究还存在着不足。为了深入研究深埋硬岩隧洞片帮或板裂的形成机制,采用FLAC3D软件模拟隧洞不同位置处围岩受开挖扰动的应力调整过程,根据中国锦屏地下实验室二期工程区域的片帮统计结果,将深埋硬岩隧洞片帮划分为压致拉裂型和剪切边界应力诱发型两类,提出剪切边界应力诱发型片帮形成过程的概念模型;利用完整大理岩设计了不同正应力下压剪破裂到剪切滑移的连续性直剪试验,试样典型片帮破坏结果验证了概念模型的合理性。