锚杆支护方式对深埋洞室隔冲击效果影响的数值模拟研究

与浅埋洞室相比,随着埋深增加而产生的高地应力现象使深埋洞室安全性评价更加复杂。本研究在考虑地应力平衡的前提下,采用有限元与无限元相结合的方法,对冲击荷载作用下深埋洞室的锚杆支护方式进行了设计与优化。计算结果表明：在平衡初始地应力之后,Mises应力会随着锚杆长度、疏密程度的增加略有增长。当锚杆长度和疏密程度增至某一特定值时,洞室洞壁的位移和塑性应变将达到最小值,洞室围岩将达到相对安全状态。锚杆间隔布置下,长锚杆数量的增加将提高洞室围岩的安全性。当对洞室拱脚进行重点支护时,整个洞壁的位移均有所减小。     

澜沧江某电站左岸地下洞室群围岩稳定性的FLAC~(3D)分析

在岩体结构模型概化的基础上,采用FLAC3D数值分析方法,系统研究了澜沧江某大型水电站大跨度、高边墙地下洞室群开挖完成后围岩的二次应力场、变形场和塑性破坏区的变化特征。总结了地下洞室群围岩应力、变形和破坏区的分布特征和变化规律,为洞室群稳定性评价和工程施工设计提供了基础资料和参考依据。     

小间距隧道爆破开挖动力效应数值模拟研究

从爆破施工的特点入手，对小间距隧道在采用典型双侧导坑法时的爆破施工动力效应进行了数值模拟研究，给出了爆破施工在已有洞室周边产生的动力效应的一般规律，指出在爆破（后开挖洞室）开挖影响区以内，合理确定已有洞室二次衬砌施作时间的重要性，并给出了爆破施工对已有洞室稳定性影响较大的关键开挖位置。研究表明，爆破动载荷对小间距隧道围岩稳定性的影响主要表现为爆炸应力波造成围岩临空面的反射拉伸破坏，破坏较严重的是已有洞室的迎爆墙、拱脚、拱顶等部位。所得结论对小间距隧道爆破施工有一定的参考价值。     

基于离散-连续耦合方法的隧道压力拱特性研究

隧道压力拱问题一直是隧道工程研究的关键问题,目前常用的连续介质数值模拟方法对于隧道压力拱特性的微观研究有所欠缺,而擅长微观力学研究的离散元数值模拟方法对计算机存储空间和计算时间的要求太高。基于现有离散-连续耦合思路,通过力的传递实现离散-连续模型的耦合;研究了耦合算法中的平均应力计算方法、平均应力计算区域面积及耦合程序遍历颗粒方法;基于自行开发优化的离散-连续耦合程序,模拟了隧道开挖后的围岩受力特性,研究了隧道压力拱形成机理及压力拱特性;计算了埋深分别为10 m,14 m,18 m,22 m,26 m,30 m和34 m情况下的隧道开挖产生的压力拱应力集中等效区域,揭示了隧道压力拱随着隧道埋深的变化规律。研究结果表明,自行开发优化的离散-连续耦合程序能在保证计算精度的前提下,充分发挥离散元方法在微观力学研究方面的优势;隧道开挖后,开挖面周边范围出现层状压力环,但在拱顶和仰拱底附近区域的围岩压力环的环间接触力降低,围岩承载能力急剧降低,形成压力拱;随着隧道埋深的增加,隧道压力拱应力集中等效区域减小,隧道周边围岩的压力拱承载能力越来越大;但当隧道埋深达到一定界限后,隧道压力拱高度趋于稳定。     

深埋地下洞室局部让压效应及能量演化规律

为了更大程度地降低岩爆所带来的动力灾害，基于岩爆能量原理，提出了隧道内壁或掌子面前方产生的应力集中现象为非均匀薄壁应力集中的概念，分析认为诱发岩爆的位置为应力集中且应力梯度较大处。以实际工程为依托，通过FISH语言编译计算代码对三维有限差分数值软件进行二次开发，系统地从围岩局部让压的角度研究深部地下洞室在动载作用下的能量演化规律以及钢架合理支护让压间距对洞室破坏形式和动态响应规律，研究表明：由于围岩的局部让压效应，对围岩的扰动减少，冲击波能量在掌子面处被吸收和反射，导致动力响应减弱，使动力荷载有所消减。洞室开挖后，围岩在破坏初期首先出现张拉破坏而后以剪切破坏为主，剩余弹性应变能以动能形式向外剧烈释放，发生岩爆现象的部位与岩体最大主应力方向具有直接关系。     

地下坑道对其临界震塌爆距处钻地武器爆炸载荷的动力响应

利用非线性显式动力有限元程序,采用多物质流固耦合计算方法,就GBU-28钻地弹在地下坑道临界震塌爆距处爆炸时,对地下直墙拱坑道的动力响应进行数值模拟。根据围岩动力稳定性和混凝土动态强度判据,结合模拟结果,分析衬砌结构与围岩的相互作用。钻地弹在直墙圆拱断面的坑道临界震塌爆距处爆炸时:围岩处于临界破坏状态,但混凝土衬砌结构处于稳定状态;拱顶的应力峰值明显,且柱状装药情况下,爆炸近区的应力较集团装药情况下的大;拱肩位置出现应力集中;围岩与衬砌结构特征位置处的相互作用载荷与对应质点的振动速度相互耦合,基本成对应的关系。     

基于实测地应力深埋巷道塑性区定量分析

深埋巷道大变形、强流变的破坏特征源于其高地应力的作用,准确分析已开掘巷道塑性区分布对巷道围岩变形影响、开掘方案选择及后续类似条件巷道布置意义深远。在围岩力学参数测试、地应力场测试的基础上,采用弹塑性理论、M-C准则、修正的“当量半径”理论简化计算了直墙半圆拱形断面布置下深埋巷道的围岩塑性区大小,分析了巷道围岩塑性区受采动应力、侧压系数单独及耦合作用影响规律。在侧压系数为0.5、垂直压力为35MPa时底板塑性区最大,其值为2.65m,建议加强巷道底板的支护与维护,并给出了塑性区控制方案。研究结果可为后续类似条件下巷道开掘方案优选、支护设计及围岩稳定性判定提供一定的借鉴。     

隧道围岩弹-脆-塑性应力的三剪统一解

基于三剪统一强度准则,采用更符合脆性岩石峰后强度特性的弹-脆-塑性模型,推导了考虑第二主应力和脆性软化共同影响的隧道围岩应力解,并与广义Hoek-Brown强度准则解进行了比较。研究结果表明:第二主应力、围岩材料模型、脆性软化均对围岩应力大小及分布具有显著影响。本文准则参数b=0时的应力解析解与广义Hoek-Brown强度准则应力解的峰值和分布规律均有较好的一致性,说明了本文应力解的合理性;当岩体强度具有明显的第二主应力效应时,广义Hoek-Brown强度准则已不再适用,但本文准则参数b>0时的应力解则具有很好的适用性。同时,理想弹-塑性模型低估了围岩塑性区范围,在准则参数b分别为0、0.05、0.1的情况下,弹-脆-塑性模型的围岩塑性区半径R相比理想弹-塑性模型平均可以增大45.5%;考虑第二主应力效应可以更加充分发挥岩石材料的强度潜能,随着准则参数b的增大,即第二主应力σ2效应的增大,围岩塑性区半径R和临界支护力py均不断减小,相比准则参数b=0时最大值分别减小了18.9%和10.8%。峰后粘聚力cr对围岩应力的影响也很显著,随着峰后粘聚力cr的增加,塑性区半径R不断减小,cr=0.11 MPa时的塑性区厚度比cr=0.055 MPa时减小43.3%。     

SOLUTION AND ANALYSIS OF CIRCULAR TUNNEL FOR THE STRAIN-SOFTENING ROCK MASSES CONSIDERING THE AXIAL IN SITU STRESS AND SEEPAGE FORCE

为了研究轴向应力和渗透力共同作用下软化围岩的应力与位移的变化及分布规律. 基于摩尔-库伦屈服准则及应力-应变软化模型并考虑轴向应力和渗透力的共同作用,将整个塑性区分为有限个同心圆环,以弹塑性交界面处的应力、应变为初始值,并采用微小径向应力增量逐步求出各个圆环上的应力应变及塑性区半径,据此重构了考虑渗透力和轴向力共同作用下软化围岩应力应变特性的逐步求解方法. 利用该方法,推导出软化围岩应力应变的解. 计算结果表明：在考虑轴向应力作用下,塑性区半径和隧道围岩位移都随着渗透力的增加而有所减小;当轴向应力为最小主应力时,渗透力的影响更为显著. 这说明渗透力的存在对于隧道围岩的应力应变分布以及塑性半径和围岩的位移有不可忽略的影响.     

锚固洞室中不同方向爆炸应力波传播规律及裂纹形成机理研究

基于抗爆模型试验结果,利用数值分析软件研究锚固洞室中不同方向爆炸应力波传播规律及裂纹形成机理。通过分析锚固洞室爆炸压应力时程曲线规律,发现压应力时程曲线特征符合应力波的一般传播作用规律,这说明数值分析的结果比较合理。集中装药爆炸后,应力波以球面向四周扩散传播,随着时间推移,快速衰减。当应力波向上传播到地表时,会在地表附近发生多次“层裂”形成大面积裂纹,爆源从拱顶至侧墙,地表面附近受拉破坏越来越轻,其中直墙侧爆不发生受拉破坏;当应力波向下传播至地下洞室时,由于反射拉伸,会在锚固区及其末端发生“层裂”。随着应力波继续传播,经由上地表反射的拉伸波会与由洞室表面反射的拉伸波发生相遇,形成加载波,一旦加载波的强度大于围岩的动态抗拉强度,会在相应的位置形成裂纹。     

圆宝山隧道炭质板岩大变形段初期支护结构受力特性研究

为了准确掌握丽香铁路圆宝山隧道炭质板岩大变形段初期支护结构受力特性,结合深埋炭质板岩隧道大变形特点,通过调查分析发现炭质板岩具有显著的各向异性特征,在地下水、高地应力及施工扰动等复杂因素作用下表现出显著的蠕变特性,从而导致隧道发生大变形。同时,对圆宝山隧道展开围岩变形及初期支护受力监测,监测结果表明,薄层炭质板岩段围岩的变形速率、变形量整体上较中厚层炭质板岩段围岩大,且达到稳定所需的时间更长;围岩压力与钢拱架应力基本呈从拱顶到拱脚减小的趋势,且围岩压力最大值出现在拱肩,而钢拱架应力最大值分布位置不固定,常见分布位置为两侧拱墙上下,这与钢拱架因发生扭曲而设置横支撑基本吻合;变更支护参数后,围岩的时效特性有明显改善,尤以薄层炭质板岩段围岩最为明显,同时围岩压力分布更加均匀,钢拱架出现拉应力现象不再集中。基于上述研究成果,选择I18型工字钢焊制钢架、设置间距为0.6m、喷射厚为27cm的C25混凝土作为初期支护,同时采用"弱爆破、短进尺"的掘进方式,以达到控制深埋炭质板岩隧道围岩变形的目的。     

爆炸荷载作用下围岩与地下结构的动力相互作用

利用ANSYS/LS-DYNA非线性显式动力有限元程序和流固耦合计算方法,对炸药在地下拱形结构上方岩石中垂直爆炸过程进行数值模拟,借助波动理论p-u Hugoniot线对爆炸冲击波在围岩与结构之间的传播和加卸载过程进行理论分析;得到了不同跨度拱形结构与围岩之间的最大相互作用力及相互作用力分布图。研究结果表明:冲击波由高阻抗围岩向低阻抗混凝土传播时,围岩卸载,应力减小;反向传播时,岩石加载,应力增大;爆距为5 m时爆炸冲击波对40 m跨度拱形结构整体产生拉压震荡,引起的震动效应显著。     

岩石在不同加载波条件下能量耗散的理论探讨

采用脆性体动态断裂准则和富氏分析方法，给出了矩形波、钟形波和指数衰减波加载于岩石的能量耗散差异。在此基础上，就应力脉冲的形状、延续时间等对岩石破碎效果的影响进行了讨论，得到了与不同加载波下岩石耗能实验研究相吻合的结果。     

基于广义非线性统一强度理论的隧道塌落拱分析

基于广义非线性统一强度的剪切破坏理论,在平面应变状态下,根据极限上限定理和隧道顶部的围岩塌落机制,在耗散能中引入了包含曲线型破裂面方程的目标函数,建立了围岩中任意断面的隧道顶部围岩的塌落机制。基于塑性位势理论,考虑塑性应变增量与塑性势函数的应力梯度成正比,由此得出了在速度间断线上任意点内能的耗散率;再运用虚功原理,建立内能耗散率和外力做功相等的关系式,从而通过变分原理得出了隧道顶部塌落面的解析表达式,由该表达式计算出隧道顶部塌落面的形状。以圆形断面隧道为例,对影响塌落拱形状的隧道半径和中间主剪应力系数等相关参数进行了讨论分析。由此得出:在平面应变状态下,隧道顶部围岩塌落体的宽度和高度随着中间主剪应力系数的不断增大而减小;塌落面的高度随着广义非线性统一强度参数的不断增大而增大,而塌落面的宽度则不断减小;塌落宽度和塌落高度随隧道半径的增大而增大。     

寒区非圆形隧道冻胀力的解析解

利用复变函数相应理论引入一种求解考虑衬砌结构的季节性冻土地区非圆形隧道冻胀力和冻胀变形的方法. 方法克服了隧道断面形状为非圆形状并且同时考虑非圆形隧道支护、冻胀圈、未冻围岩时, 经典的复变函数理论不能直接应用求解非圆形隧道应力和位移的问题. 方法通过将经典复变函数理论与连续性条件结合, 导出了非圆形隧道衬砌-冻胀圈-未冻围岩系统在正交曲线坐标系$\zeta $平面内的解析式, 然后通过保角变换求得直角坐标系$Z$平面上考虑衬砌支护的寒区非圆形隧道冻胀力和冻胀变形. 将推导的解析式应用于鹧鸪山隧道洞口段研究中, 得到鹧鸪山隧道洞口段冻胀应力和冻胀位移解析解, 并将解析解与数值解进行对比,验证解析解的正确性. 由结果可知: 围岩冻胀力对衬砌影响明显, 在拱顶、拱脚、拱底处因冻胀造成的环向附加应力显著增大; 在拱脚及两侧拱肩处会受到较大的法向附加应力; 由于衬砌几何形状的原因, 造成了衬砌冻胀变形的不均匀, 进而造成冻胀力分布不均.应用复变函数理论将冻胀圈考虑为马蹄形、直墙拱形等非圆形状较以往将冻胀圈考虑为单一圆环的冻胀力研究更符合实际, 较以往研究更能反映实际工况. 研究结果为季节性冻土地区非圆形隧道冻胀力的弹塑性分析奠定了基础.      

锦屏一级水电站地下厂区破坏成因分析

锦屏一级水电站地下厂区位于雅砻江右岸一套大理岩地层中,埋深350m,地下厂区洞室在开挖过程中,围岩出现各种变形破坏现象。通过分析破坏现象,总结了破坏现象的规律性：主厂房及主变室破坏现象主要集中在下游边墙顶拱,破坏方式以岩体开裂为主; 母线洞及压力管道下平段破坏现象主要集中在顶拱外侧,破坏方式以弯折破坏为主。最后利用数值模拟结果解释了径向应力大于岩体强度是引起锚索超限的原因。     

深部回采巷道围岩零应变交界圈现象的模型试验研究

以淮南矿区口孜东矿深部回采巷道为工程背景,采用真三轴模型试验装置模拟了从浅埋静水压力、深埋静水压力、初掘采动应力(K=1.5为1.5倍900m埋深静水压力,后同)到回采动压(K=2~3)等不同应力条件下,大、小两种尺寸的直墙拱形回采巷道围岩应变状态,获得了浅埋条件下巷道围岩浅部拉应变、深部零应变,以及深埋静水压力及初掘采动应力下,巷道围岩出现"零应变交界圈"现象及深埋回采高应力下非线性大应变的围岩应变特征。应变监测结果反映了深部回采巷道围岩变形破坏的动态演化过程,为巷道的稳定性控制提供了一定的思考。     

深部岩体圆形巷道围岩松动圈形成机理数值试验研究

采用损伤力学和统计理论的单元本构模型,探讨深部岩体巷道围岩破坏规律, 利用岩石破裂过程分析软件RFPA$^{\rm 2D}$, 对深部 岩体中的圆形巷道的变形及非线性渐进破坏特征、巷道周边关键部位的位移和应力变化进行 了分析,研究了圆形巷道围岩松动圈的形成机理. 研究表明：巷道开挖后,其周边形成应力 集中带,随着围岩压力的持续作用,巷道周边产生塑性变形区,并沿径向形成裂纹;随着裂 纹的不断扩展,巷道周边出现松动破裂区,即松动圈. 产生破裂区后,应力集中程度减弱, 应力高峰点向远处转移.