INSTABILITY OF SHAFT EXCAVATION AND MECHANISM OF ROCKBURST

基于稳定性理论和弹塑性厚壁筒的解析解,研究了竖井开挖过程的平衡路径,并将屈服后的井壁压力--位移平衡路径曲线应用到围岩的稳定性分析.研究表明,竖井围岩的不稳定及其岩爆的发生不仅取决于岩石材料应力应变全过程曲线的峰后特性,还取决于竖井开挖过程对应的平衡路径曲线的类型.平衡路径曲线能够描述围岩结构加载屈服后的力学行为.平衡路径的曲线形状只可能有两种类型,一种曲线上的点都处于稳定的平衡状态,虽有塑性变形的累积,但不会失稳崩落;另一种曲线则发生极值点型井壁失稳并伴有位移突跳.竖井开挖过程的平衡路径曲线是判定围岩岩爆发生的关键因素.极值点型失稳和位移突跳是均质围岩中岩爆可能发生的一种力学机制.     

弹性结构的分岔点失稳和极值点失稳

以浅桁架为例, 介绍了弹性结构两类不同的失稳形态: 分岔点失稳和极值点失稳. 浅桁架失稳形态与斜杆的柔度λ和倾角α₀ 有关. 当α₀λ < 3^3/4π 时为极值点失稳, 发生突跳; 否则为分岔点型失稳.     

工程因素对围岩稳定性影响三维数值模拟分析

结合某地下工程实际,运用FLAC^3D模拟了巷道断面形状、开挖面距离以及开挖顺序对巷道围岩稳定性的影响,并模拟了围岩深部多点位移规律。结果表明,相同围岩条件下,不同断面形状其力学效应不同,同一断面在不同围岩条件下变形不一样;围岩水平位移曲线随开挖面的距离呈“S”形,围岩水平最大位移主要发生在距开挖面后方 2倍巷道长径的范围内;Ⅲ级围岩深部位移影响范围约 2 .8～ 4 .3m,Ⅳ级围岩影响范围 6 .9～ 7.8m;对较大断面,分步开挖有利于围岩控制。     

岩爆的压缩流体包裹体膨胀力源假说

岩爆是地下工程中的一种奇异力学破坏现象. 开挖后的围岩块石突然、猛烈地向开挖空间弹射、抛掷和喷出. 它具局部性、突发性、隐蔽性、滞后性、无前兆性、高初速度和高冲击动能. 岩爆常常导致深部岩石工程重大人员伤亡和经济损失. 虽然人们对岩爆做了大量研究, 岩爆的成因机理依然是公认的"国际岩石力学领域的世界性难题". 本文指出、分析、论证了造成这个"世界性难题" 的原因是, 国际岩石力学领域忽略了连续完整岩石中微小流体包裹体的存在和异常作用. 本文进一步提出、分析和论证了封闭在完整岩石中的微细流体包裹体可能处于被压缩状态, 能够拥有高压强, 能够造成完整岩石内部的局部异常高地应力场. 岩石开挖可导致封闭在岩石内部的众多微细高压缩流体包裹体重新随时间而渗流、移动和相变, 再造成局部完整脆性围岩的岩爆. 对岩石流体包裹体的力学研究能让我们破解世界性岩爆难题.     

扰动法在结构分枝失稳分析中的应用

对结构进行平衡路径的跟踪分析，是全面了解该结构的受力性能所必须进行的一项工作。目前的结构非线性稳定分析技术一般仅对极值点失稳型问题较为有效，而对分枝点失稳型问题则困难较多。对于具有缺陷敏感性的结构，如拱结构、壳体等，在普通荷载作用下，其失稳路径常包含分枝点。文献[1]提出并认为位移扰动法和力扰动法在分析结构分枝失稳时具有很好的效果。本文采用多个不同类型的算例，对扰动法在结构分枝失稳问题中的应用进行了分析比较，表明该方法具有较强的跟踪能力。最后，就扰动法在结构分枝失稳问题中的应用提出几点建议。     

基于突变理论深埋硬岩隧道的失稳分析

在分析隧道开挖引起围岩扰动和损伤的基础上,运用突变理论探讨了深埋硬岩隧道失稳的机理;基于势能原理,建立了深埋硬岩隧道失稳的尖点突变模型,导出了失稳的力学判据条件。结果表明:深埋硬岩隧道的失稳不仅受岩体特性及所受载荷的影响,而且与围岩中弹性区刚度和塑性区刚度的比值有关;开挖过程中,围岩受扰动和损伤程度越大,岩体完整性系数越小,力学参数指标弱化程度越高,塑性区范围越大,刚度比越小,围岩系统发生失稳的可能性就越大。工程实例分析表明,分析结果与实际经验基本一致;研究成果可为预防隧道失稳、采取合理的施工工艺和支护措施提供参考依据。     

深埋隧洞岩爆时间滞后性机理研究

深埋隧洞内岩爆生成的时间滞后性与硬脆性围岩的蠕变力学特性密切相关,通过结合理论模型(包含深埋隧洞弹塑性模型及岩石脆性蠕变失效模型)与数值模拟对岩爆的时间滞后性机理及其规律进行了分析讨论.结果表明:深埋隧洞在开挖卸荷后围岩内部因微缺陷的萌生及演化引起损伤累积,在无及时支护条件下短时期内易引发时滞性岩爆;围岩在塑性区内更易...     

混凝土拉伸断裂的细观数值分析

根据混凝土试件拉伸和三点弯曲的物理模型,用梁-颗粒模型BPM 2D(B eam-Particle M ode l)模拟了混凝土拉伸和三点弯曲试件微裂纹的萌生、扩展直至试件宏观破坏的全过程。在梁-颗粒模型中用三种类型梁单元形成混凝土细观数值模型,每种类型梁单元的力学性质均按韦伯(W e ibu ll)分布随机赋值以模拟混凝土细观结构的非均匀性。数值模拟结果给出了混凝土拉伸应力-应变曲线和三点弯曲载荷-位移曲线,以及混凝土试件破坏过程最大应力分布图和裂纹扩展图。数值模拟结果显示混凝土破坏过程实际上就是微裂纹萌生、扩展、贯通,直到宏观裂纹产生导致混凝土失稳断裂的过程。通过对数值模拟结果的分析,揭示出混凝土在拉伸条件下裂纹尖端的拉应力集中是裂纹扩展的动力,混凝土组成材料力学性质的非均匀性是造成裂纹扩展路径曲折的重要原因。     

高地应力围岩流变特性及竖井长期稳定性分析

基于自行研制的重力加载流变仪,采用多级加载对4种典型矿岩开展了三点弯曲蠕变试验研究,获得了蠕变试验曲线. 将Burger's模型与Mohr-Coulomb准则相结合,形成改进的Burger's模型. 并通过最小二乘法对均质混合岩进行蠕变参数拟合,获得了与蠕变试验曲线相吻合的蠕变理论曲线. 结果表明改进的Burger's模型能较好地描述均质混合岩的蠕变特性. 在此基础上,采用该流变模型,对返修后的竖井工程进行三维流变数值模拟和稳定分析,为竖井工程的长期稳定预测和失稳风险预测提供了理论依据.      

花岗岩破坏过程能量演化机制与能量屈服准则

为了明确岩石破坏的能量演化特性，结合单轴实验和颗粒流程序获得花岗岩的细观力学参数，进行不同应力状态的花岗岩实验，研究不同围压下花岗岩破坏过程的能量演化机理并推导能量屈服准则。获得以下主要结论:花岗岩破坏过程中低围压下内部损伤出现较早而高围压较晚，表明低围压花岗岩内部损伤是渐进发展过程，而高围压下内部损伤一旦出现便快速发展破坏；高围压花岗岩峰值前一定应变范围弹性应变能基本保持不变，吸收的能量全部转化为耗散能，表明高围压破坏时花岗岩内部损伤程度严重；弹性应变能经历不断积累并达到弹性储能极限而后减小的变化过程，而弹性储能极限与围压之间存在线性变化规律，因此高围压下岩体开挖卸荷时极易诱发大量弹性应变能的急剧释放，引起围岩失稳甚至发生岩爆；花岗岩峰值破坏时的能量比与围压无关，为一定值；基于能量原理导出了能量屈服准则，该准则包含岩性参数和所有主应力，能够综合反映岩石破坏影响因素。     

强度折减有限元在堤防稳定分析中的应用研究

采用强度折减有限元法,研究非均值堤防塑性区的开展特征和失稳破坏过程,并根据堤防应力场分布和临界滑动面的形成来分析堤岸整体失稳破坏的机理。结果表明:把强度折减有限元应用到非均质土层的堤防边坡稳定分析,在理论上、数值模拟实现上都是可行的; 有限元静力平衡和位移计算不收敛作为堤防边坡整体失稳的标志,同时考察滑移面上某些特征点的位移与荷载增量的关系、参考土体内坡脚向坡顶上方贯通的塑性滑动带的形成,可以准确判别堤防边坡失稳破坏状态; 此外,堤防失稳时的应力场分布特征表明,有必要应用张拉-剪切复合屈服准则,以真实反映堤防边坡的临界滑动面形成机理。     

对隧道岩爆现象的一些认识

岩爆因其严重危及施工人员与设备的安全,影响施工进展,以致在现代化国防施工,长大隧道的兴建,水利地下洞室的开凿,以及矿山深部采掘等方面,作为一种特殊的工程地质现象,愈来愈引起人们对它的重视.(一)几座铁路山岭隧道在施工中发生岩爆的实况在成昆铁路北段的关村坝、乌斯河、塔足古等几座隧道中,在施工时发生过岩爆.程度虽有所异,但情况大致相同.在开挖断面围岩压 ...     

金华山软岩铁路隧道施工过程围岩屈服接近度分析

隧道施工过程中围岩处于复杂应力状态下,隧道围岩屈服区演化特征的确定对于围岩稳定性分析和开挖支护方案优化具有重要的意义。采用屈服接近度指标衡量围岩破坏接近程度可以合理地描述复杂应力状态下围岩的应力危险性,对Mohr-Coulomb类岩体材料的屈服接近度函数进行了相应的推导,并在非线性有限元用户子程序上编程予以实现。介绍了赣州-龙岩铁路DKl33+095～DKl38+237段软弱围岩单线隧道正台阶步施工方案以及湿喷纤维混凝土支护方案。为了对该隧道施工过程中隧道围岩屈服区的演化特征进行合理评价,采用非线性有限元法对软弱围岩条件下的铁路隧道施工过程进行了数值模拟,分析了施工过程中隧道围岩屈服接近度分布特征,判定了隧道台阶步施工过程中隧道围岩的稳定性。分析结果表明:该隧道施工过程中围岩破坏区主要发生在下台阶步施工过程中;屈服接近度指标比传统的塑性区分布提供的信息更加丰富,有利于工程技术人员定量地评价隧道开挖支护方案。     

深埋地下洞室断裂型岩爆机理的数值模拟

针对深部岩体中由断层、节理等不连续性结构面引发的岩爆地质灾害, 根据深埋地下隧洞中潜在发震断裂的分布特征和几何形态建立数值分析模型, 采用离散元单元法模拟存在刚性平直断裂的深部围岩的开挖响应, 并分别考察开挖接近并通过断裂附近时围岩应力状态的变化特征。通过探讨断裂的存在对围岩应力状态改变的作用机理, 揭示出断裂型岩爆是开挖面附近一定范围内存在的断裂构造在高应力作用下发生错动, 导致能量突然释放, 对围岩造成强烈冲击作用的结果, 基本与地震的断层“粘滑”机制相类似。     

AFM稳定性研究

“突跳”现象严重影响着原子力显微镜(AFM)的性能。根据W igner-Seitz模型微观连续介质理论,建立了AFM针尖同试样面接触力包含斥力的数学模型;由分析力学的稳定平衡条件,发现了引起AFM“突跳”的本质是不稳定平衡点的存在;通过增加AFM悬臂梁刚度,提出了一种避免AFM“突跳”现象发生的方法,并给出仿真结果。     

岩溶隧道突水灾害形成机理及发展趋势

岩溶隧道突水灾害具有"强突发、高水压、大流量、多类型"等显著特点,其灾变演化过程复杂、动力失稳规律尚不清楚.本文系统提出了不同类型突水灾害的发生条件、判据及安全厚度分析方法,剖析了近期研究进展及发展趋势.首先,给出了隧道突水灾害的概念、类型及构成三要素,从系统论角度分析了隧道突水的灾变过程;其次,总结了隧道突水灾害致灾机理、力学模型、失稳判据和最小安全厚度等方面的近期研究成果;最后,从构成三要素角度分析了隧道突水致灾机理方面的现状与问题,并提出了今后的发展趋势与方向,主要有:(1)灾害源固液气三相置换机制与释能模式,(2)突水通道多相物质迁移与流态演化规律,(3)隔水阻泥结构动力灾变演化机理,(4)突水通道破裂形成过程的模拟分析方法等.     

爆破影响下岩质高边坡浅表层块体稳定性研究

摘要：岩质高边坡整体稳定性主要受软弱结构面及其组合控制,在组合有利的情况下,边坡主要发生浅表层块体失稳,开挖时的爆破振动作用是影响浅表层块体稳定的重要因素。本文以大渡河中游某岩质块状结构高边坡为例研究浅表层块体的稳定性,在总结浅表层块体失稳特征的基础上,实测爆破振动曲线,进行块体稳定性评价。研究结果表明,开挖后已失稳浅表层块体大多小于10m3,80%受软弱结构面控制,70%集中在马道下缘;实测的浅表层块体爆破振动加速度曲线显示,与邻近围岩相比,浅表层块体振动持续时间长,频率低,峰值小;等效静力法评价结果较爆破参数推算法更适用于临界失稳浅表层块体的稳定性评价。     

弱动力扰动对花岗岩圆形隧洞岩爆影响的试验研究

为探究弱动力扰动对岩爆的影响，利用高压伺服动真三轴试验机，对含预制圆形贯穿孔洞的红色中粗晶粒立方体花岗岩试样进行弱动力扰动荷载条件下的岩爆模型试验，模拟隧洞洞壁围岩的岩爆弹射破坏过程，并采用声发射系统和视频观测系统对其进行监测、记录。基于无扰动、高应力下开始施加扰动和低应力下开始施加扰动3种加载路径的试验数据，从岩爆弹射破坏、岩爆坑破坏形态、声发射信号特征及岩爆烈度4个方面，详细分析弱动力扰动条件下的岩爆特征。研究结果表明:弱动力扰动会降低洞壁围岩发生岩爆时所需要的应力水平，增大岩爆破坏发生的范围。高应力下开始施加的扰动荷载会促进最终岩爆快速发生；而在低应力下开始施加的扰动荷载，岩爆的发生过程较为缓慢。相比与静应力条件下的岩爆，高应力下开始施加扰动触发的岩爆更剧烈，低应力下开始施加扰动触发的岩爆剧烈程度较弱。这主要是因为在高应力下开始施加的扰动对能量释放起到了激发和放大的作用，低应力下开始施加的扰动对能量释放仅起到激发的作用。     

投影方向极值原理的滑裂面应力矢量极限平衡抗滑稳定计算理论

根据有限元成果的滑动面切向应力达到可用极限值的抗滑稳定极限平衡概念，建立投影方向极值原理单元滑面应力矢量极限平衡抗滑稳定计算理论模型，揭示不平衡虚拟耗散力、耗散能和极值条件方程的力学本质联系。根据投影极值方向平衡状态时的垂直方向还存在不平衡耗散力，提出复杂滑裂面极限平衡状态接近程度系数λ及矢量安全度系数K_λ评价抗滑稳定性能的最佳路径。通过边坡考题和坝基深层抗滑稳定算例的势能极值规律存在性和极值点的吻合度，证明了理论模型的合理可靠性。有限元应力矢量理论模型的建立及其安全度系数K_λ是极限平衡抗滑稳定计算理论发展的重要基础理论突破和全新理论研究成果。     

岩溶隧道突水灾害形成机理及发展趋势1）

岩溶隧道突水灾害具有“强突发、高水压、大流量、多类型”等显著特点,其灾变演化过程复杂、动力失稳规律尚不清楚.本文系统提出了不同类型突水灾害的发生条件、判据及安全厚度分析方法,剖析了近期研究进展及发展趋势.首先,给出了隧道突水灾害的概念、类型及构成三要素,从系统论角度分析了隧道突水的灾变过程;其次,总结了隧道突水灾害致灾机理、力学模型、失稳判据和最小安全厚度等方面的近期研究成果;最后,从构成三要素角度分析了隧道突水致灾机理方面的现状与问题,并提出了今后的发展趋势与方向,主要有：（1）灾害源固液气三相置换机制与释能模式,（2）突水通道多相物质迁移与流态演化规律,（3）隔水阻泥结构动力灾变演化机理,（4）突水通道破裂形成过程的模拟分析方法等.