龙游石窟3-2号岩柱变形破坏对3号洞应力变化的影响

作为具有大跨度、超浅埋等特点的千年古地下洞室群,龙游石窟吸引着众多前来研究的岩石力学家和工程地质学家。近些年来,龙游石窟的3号洞顶板多处出现了开裂和离层。安装在3-1号岩柱周围起支撑洞室作用钢柱上的应变片数值也发生了变化。据分析,这些现象出现的一个重要原因是3-2号岩柱强度降低引起洞室围岩受力条件的改变。利用FLAC3D数值软件,借鉴强度折减法,对3-2号岩柱强度降低引起上述变化的情况进行了模拟。数值模拟的结果可以较好地解释上述现象。在此基础上,进一步对3号洞顶板和其他岩柱的应力变化等进行了数值分析。结果表明:①3-2号岩柱的强度已有所下降,并有继续降低的趋势;②随着3-2号岩柱强度的降低,顶板的裂缝将不断增长、增多。其结果可为3-2号岩柱强度降低过程中洞室围岩力学行为的科学分析、预测及石窟的保护等提供依据。     

采矿巷道围岩变形机制数值模拟研究

研究了大冶铁矿龙洞-62 m、-74 m水平采矿巷道开挖后的二次应力分布及巷道变形机制。首先根据现场工程地质勘查和室内岩石力学试验对巷道围岩进行了工程地质分组和岩石力学参数确定;在此基础上运用FLAC3D数值模拟软件研究了巷道开挖后的应力应变状态,分析了围岩变形机制;并根据-74 m水平采矿巷道的收敛监测数据对比验证了数值模拟结果。研究结果表明,围岩条件不同的采矿巷道其二次应力分布影响范围有所差异,但围岩主应力总体上表现为由巷道边墙中下部位的压应力集中带逐步过渡到拱顶、底板一定范围内的拉应力集中带。     

深部高应力巷道变形特性与支护时机

岩石的赋存环境及结构特征决定了岩石的强度准则,从而影响围岩的力学特征与变形特性。依托云南某矿山深部接替工程,以岩石强度准则为基础,分析围岩力学及变形特性,对巷道合理二次支护时机进行研究,以降低深部巷道高地应力环境下围岩呈现出的明显流变性能对巷道支护效果的影响。结果表明:以偏差绝对值之和为目标得出广义H-B准则平均拟合偏差mf最小;对摆佐组围岩进行力学及变形特性分析,最大塑性区半径及范围、最大巷道周边位移随围岩应力的增加近似呈线性增加,且随支护阻力增大逐渐减小;原岩应力大于36 MPa时,围岩流变现象显著,围岩应力增至51 MPa时,随支护阻力增加,巷道周边位移降低明显,但收敛变缓;引入蠕变损伤变量,以稳定蠕变速率为判据,得出当前巷道围岩应力41.5 MPa下巷道合理二次支护时机为开挖后133 h。      

三峡引水工程秦巴段输水隧洞稳定性分析

三峡引水工程秦巴段隧洞总长占线路总长的80%。为了分析隧洞施工及运营中可能发生的工程地质问题,在地质调查、地应力测量和岩石力学参数测试的基础上,利用Ansys有限元软件对引水工程北部不同深度、不同截面形态的隧洞围岩的应力重分布情况进行了模拟计算,得到了圆形隧洞、城门形隧洞和马蹄形隧洞围岩的应力分布结果。利用Hoek-Brown强度准则,得到了隧洞围岩的强度/应力比值,进而对不同深度、不同截面形态的隧洞围岩的稳定性进行了分析。初步认为:隧洞埋深小于1000m时,应优先考虑圆形隧洞和马蹄形隧洞;埋深大于1000m时,应优先考虑城门形隧洞。这项研究成果为引水工程深埋隧洞的设计提供了参考依据。     

青藏铁路昆仑山隧道稳定性分析

在地质构造分析，地应力测量，地应力场的反演和岩石力学实验的基础上，对昆仑山隧道多种断面的应力分布进行了有限元计算，给出了不同断面的应力分布图象，指出了不同断面应力分布的特点以及断面形状对应力分布的影响，同时计算了围岩的强度与应力比，对围岩稳定性进行了分析对比，优选了隧道断面形状。     

典型隧道断面形态对拟建滇西大理至瑞丽铁路高黎贡山隧道稳定性影响的数值模拟分析

拟建的大理—瑞丽铁路穿越横断山区南段的滇西南地区,地形、地貌和地质条件都极为复杂,其中高黎贡山深埋超长隧道的工程稳定性问题一直是困扰铁路选线、设计和施工的重大工程难点。针对不同形态隧道断面可能对高黎贡山超长隧道工程稳定性产生的影响问题,在充分综合该区野外地质调查、地应力测量、岩石力学实验等成果与资料的基础上,利用ANSYS有限元应力分析软件对不同形态隧道断面的应力分布进行了有限元计算,给出了应力分布图像,分析了断面应力分布的特点和断面形状对应力分布的影响。同时,计算了围岩的应力与强度比,对2种不同断面的围岩稳定性进行了分析对比,最后根据分析结果对不同隧道断面形态下的隧道稳定性进行了综合评价,并据此提出了铁路隧道断面设计与施工中应重点关注的问题。     

典型隧道断面形态对拟建滇西大理至瑞丽铁路 高黎贡山隧道稳定性影响的数值模拟分析

拟建的大理—瑞丽铁路穿越横断山区南段的滇西南地区,地形、地貌和地质条件都极为复杂,其中高黎贡山深埋超长隧道的工程稳定性问题一直是困扰铁路选线、设计和施工的重大工程难点。针对不同形态隧道断面可能对高黎贡山超长隧道工程稳定性产生的影响问题,在充分综合该区野外地质调查、地应力测量、岩石力学实验等成果与资料的基础上,利用ANSYS有限元应力分析软件对不同形态隧道断面的应力分布进行了有限元计算,给出了应力分布图像,分析了断面应力分布的特点和断面形状对应力分布的影响。同时,计算了围岩的应力与强度比,对2种不同断面的围岩稳定性进行了分析对比,最后根据分析结果对不同隧道断面形态下的隧道稳定性进行了综合评价,并据此提出了铁路隧道断面设计与施工中应重点关注的问题。     

奠基岩石封闭应力假说的气体包裹体和膨胀能力

陈宗基先生在1979年提出了封闭应力假说,认为它是岩石工程灾害的原因。近年来,钱七虎院士和王思敬院士分别对封闭应力假说作了肯定的定性讨论。30多年过去了,这个封闭应力假说仅得到极其少的定量研究和发展。在本文中,我提出和试图论证流体包裹体是一种具体、实在、可测量和计算的应力包裹体。它在地质岩石与矿物中普遍存在。它有压强和体积膨胀能。它是一种封闭应力和内应变能的具体存在和作用形式。我给出了这个压强、体积膨胀能和封闭应力包裹体对围岩作用的计算公式和算例。这个包裹流体压强值与深部岩石高地应力场值相当。我进一步分析和讨论了,岩石微小、密封、压紧的流体包裹体应该是深部工程岩石开挖洞室或巷道出现的岩爆、冲击地压、矿震、洞壁劈裂、围岩分区破裂和巷道大变形的一个共同张性体积力源。我认为,这个地质岩石与矿物内紧压膨胀的流体包裹体封闭应力能够完整逻辑一致地、符合自然规律地解释人们所见到的、报道的、与这些深部工程灾害相关的所有事实。并且,它能将这些事实和现象合理地、随时间演变地联系和重塑起来。这种实在、可测试、可定量的封闭应力源和能源的提出和研究能为岩石力学工作者,更好地沿着老一辈岩石力学专家们指引的途径和思路,来建立新的地质岩石力学理论、方法和技术,以更加符合自然规律地解决岩石力学领域世界性难题的深部工程灾害问题。     

高地应力“强度 & 应力”耦合判据及其分级标准

众多地下工程建设始终处于高地应力环境中,岩体初始应力是地下工程围岩变形破坏的先天条件和主导因素。“高地应力”术语及概念出现和地下工程围岩特殊破坏现象紧密联系,属于工程概念范畴。随着地下工程数量越来越多并逐渐向深部发展,高地应力诱发的围岩破坏现象日益显著,严重影响工程稳定性。现有的高地应力定量分级判据多采用强度应力比值形式,没有充分考虑岩石强度、应力两个指标的绝对值大小和耦合关系。本文在讨论现有分级判据、收集实际工程案例数据以及分析高地应力破坏现象显现过程的基础上,提出了高地应力“强度& 应力”耦合判据及其定量分级标准。高地应力“强度& 应力”耦合判据的表现形式为3条考虑岩石饱和单轴抗压强度R_c以及和初始最大主应力σ₁耦合的边界线,边界线以内的区域为高地应力区、边界线以外的区域为低地应力区。该判据特点是既考虑初始最大主应力、岩石饱和单轴抗压强度的绝对值边界条件,同时也考虑两者耦合区间。研究结果表明:基于二维尺度提出的“强度& 应力”耦合判据,针对86个典型地下工程的高地应力判别结果和工程现场高地应力显现形式完全相符,可以在实际地下工程中推广应用。基于“强度& 应力”耦合判据的高地应力区分级标准能较好地判别围岩破坏现象的剧烈程度,可为工程灾害的预防提供参考。     

冻融作用下岩石力-热-水耦合本构模型研究

在寒区隧道工程中,冻胀的水分迁移作用加剧了隧道围岩的冻融破坏。耦合水分迁移作用的岩石本构模型对防治冻融渗漏、崩塌等隧道围岩灾害有着重要意义。基于内状态变量理论,将冻胀过程中的水分迁移量作为本征变量引入Helmholtz自由能,在热力学框架下建立了一个岩石力-热-水耦合本构模型。模型描述了温度和水分迁移对冻融后岩石损伤阈值、等向强化饱和值、等向强化速率等力学参数的影响。模拟了岩石冻融后力学性质的劣化。区别于全量经验公式,本模型以增量形式给出,为复杂应力历史条件下的数值模拟提供了便利。通过将模型模拟曲线与冻融后岩石常规三轴压缩试验曲线进行对比,初步验证模型的可靠性,为实际寒区工程的冻胀破坏预测提供参考。     

三江造山带玉峰寺深埋隧道岩爆危险性综合评价

深埋隧道的岩爆机理和岩爆预报预测一直是工程地质和岩石力学的热点和难点问题,已成为困扰地下工程发展的瓶颈之一。以滇藏铁路穿越三江造山带玉龙雪山南段的玉峰寺深埋隧道方案为例,在野外工程地质调查的基础上,对影响隧道岩爆的相关因素进行了系统分析。根据岩石力学试验、地应力分析和数值模拟计算结果,采用多种判据对玉峰寺隧道岩爆危险性进行了分析预测和综合评价。研究结果对于地质构造复杂区深埋隧道规划设计和岩爆灾害防治具有一定指导意义。     

铁路隧道施工中围岩变形失稳工程地质问题

近年来,中国的铁路建设技术明显提高,隧道工程的数量和长度大量增加,工程地质条件越来越复杂多样。在取得显著技术进步的同时,也在施工过程中发生了一些重大设计变更和伤亡事故。作者在参加技术调查中,从分析区域工程地质条件入手,在以往注重研究断裂构造、褶皱构造、岩石强度、岩体完整性、岩溶、特殊土等地质因素的基础上,应用岩石学、矿物学、构造地质学、岩体结构力学等基础知识,深化了对一些特殊工程地质因素的认识,确定高地应力挤压作用、极软岩挤压和卸荷作用、古老变质岩软弱夹层滑移作用、岩脉（墙）体变软化作用、顺层剪切变形作用5类地质因素,是造成隧道施工过程中发生较大规模围岩失稳、坍塌的重要条件。由于以往认识不够深入,缺乏相应的工程措施,给施工、投资、工期曾造成重大不利影响。文章结合11个工程实例,分析了这5类围岩变形失稳的特征和成因,提出了工程对策要点,以期从中吸取经验教训,减少类似问题的发生。     

关于龙游石窟23号古地下洞室23-1号斜坡柱稳定问题的讨论

龙游石窟是一个大型的古地下洞室群,具有重要科学和文物价值。为论证古人在龙游石窟23号古地下洞室的洞口设置23-1号斜坡柱的科学性,开展了稳定问题的相关研究。通过对23号洞的地形地貌、地层、构造、地震等方面开展现场地质调查、三维激光扫描和电镜扫描、X射线衍射试验,分析了23-1号斜坡柱岩体的微观性质。结合岩石的物理力学试验和数值反分析方法,反演分析获得了23-1号斜坡柱的物理力学参数。在以上研究的基础上,通过采用假想相同平均截面,同体积的直立岩柱代替原有的23-1号斜坡柱,利用FLAC3D软件对比分析了两种不同岩柱的洞体力学特征。研究结果证明了古人设置23-1号斜坡柱明显优于直立的同体积岩柱,有利于洞室的稳定性,由此论证了古人设置倾斜岩柱的科学性。这一科学发现对现代采矿工程、地下空间的开发与利用、岩土工程的设计与施工具有重要的参考价值。     

Investigation of a Limestone Pillar Failure Part 2: Stress History and Application of Fracture Mechanics Approach

Summary Observed pillar failure could not be explained by comparing pillar strength with stresses on the pillar induced by mining activities. Instead, the effects of the combined stress history of strata and pillar on the deformational response of rock mass and rock were assessed. Application of the principles of fracture mechanics, i.e., extension strain and strain energy release rate criteria gave a reasonable explanation for the observed pillar behavior. The derivation of the required fracture mechanics parameters from laboratory tests is described, and the necessity of an interdisciplinary approach to rock engineering, i.e., the use of historical geology, engineering geology, mining engineering and rock mechanics, is mandated.     

水平薄层岩体中大跨度地下洞室工程地质研究

山西西龙池抽水蓄能电站地下厂房围岩为水平薄层岩层,工程竣工发电已多年,施工及运行期安全,但工程开工前,还没有在水平薄层岩体中开挖大跨度高边墙地下洞室的成功范例,鉴于此,以山西西龙池抽水蓄能电站工程为依托,从工程地质角度,对水平薄层围岩岩性特征、岩体结构特征、岩体力学特性、大跨度高边墙地下洞室围岩分类、围岩变形特征等方面进行了研究,依据研究成果,对洞室开挖支护施工、围岩变形监测等进行了分析,依据围岩变形监测成果对围岩力学参数进行了反演,验证了前期勘察成果,取得了在水平薄层状地质环境中开挖大型地下洞室的宝贵经验,进而为在水平薄层状地质体中修建大跨度、高边墙地下洞室提供了更多的技术支持,对此类不良地质条件下大型地下洞室群建设具有重要的指导意义。     

通渝隧道涌突泥成因分析

通渝隧道区分布的含水层属海相沉积而成的可溶岩。2004年2月22日,在隧道中间地段k21+780里程,埋深达 940 m的隧道左拱肩发生突发性特大涌突泥的地质灾害。运用3D-σ数值分析软件对隧道k21+780地段的围岩进行应力计算,得出了围岩的应力及破坏域分布特征,结合工程地质及隧道施工分析了深埋隧道涌突泥的形成原因。