《学报》创刊30周年系列报道(六)朱维申教授谈《学报》创办30年感想

大地回春，万物复苏。今年是《岩石力学与工程学报》（以下简称《学报》）创刊30周年。回忆起《学报》这30年的发展历程，不禁感慨万千。《学报》的发展与我国岩石力学与工程学会的发展是密切相关的。

地下大型洞室群稳定性的系统性研究

以某大型水电站洞室群工程的地下结构模式为背景,用数值模拟方法计算了上百个算例,研究了4大岩类、4种埋深在不同侧向地应力条件下洞壁位移量的变化规律,并拟合出用多项式表达的公式,它可以预测围岩在不同条件下的位移量。在此基础上,提出了以相对位移量为围岩稳定性判据的具体数值,它可做为是否需施加长锚索加固围岩的参考依据。同时提出,在许多情况下,需在围岩近区考虑存在一个松弛开裂区,使数值分析更为接近实际。最后通过一个工程实例,模拟计算了存在松弛区时的围岩位移量。计算结果与实测结果相符良好。

高地应力条件下洞群稳定性的地质力学模型试验研究

以大渡河上双江口水电站为工程背景,综合介绍高地应力条件下洞群稳定性的地质力学模型试验,其中包括模型试验钢结构台架、液压系统、围岩岩土相似材料、模型试验测试技术及元器件的研制、锚索和锚杆的制作与埋设技术、洞群的开挖及测试等。研制出的钢结构台架可成功模拟大埋深、高地应力的条件,与之相配套的全自动液压系统可实现同步非均匀梯度加载,具有压力高、持荷稳定等优点。以高精度的光栅尺为传感器制成的新型多点位移计,对开挖过程中洞周围岩位移进行实时监测,并采用先进的数字摄像技术成功测量洞周收敛。研制可施加预应力的微型锚索及提出和实施了独特的埋设注浆锚杆的锚固技术。开挖支护与监测同步进行并对开挖后的测试成果进行相关分析,并建立三维有限元模型并用FLAC3D数值分析软件进行相应的对比计算。计算结果与测量结果相比较,二者规律基本吻合,表明模型试验取得了预期效果。在正常开挖支护和监测试验工作完成后,又开展超载试验。模拟埋深达1 000 m乃至2 200 m时洞群变形和围岩破裂的规律并观察相关现象。研究工作的结果对实际工程有一定的指导意义。

真三轴荷载条件下大型地质力学模型试验系统的研制及其应用

为研究深埋、高地应力条件下地下洞群围岩稳定性,新研制大型真三轴加载地质力学模型试验系统,该系统主要由三维钢结构台架装置和液压加载控制系统组成,可实现全三轴应力状态下在侧向施加梯级荷载。在各加载面上研制和布设组合型滚珠式滑动墙,实现新型超低减摩技术。用该系统开展洞群开挖支护的模型试验,在试验技术和模型制作工艺上有了创新和重大改进:采用预制模块堆砌黏结成型的工艺方法制作模型,提高全模型在力学性能上的一致性;采用数字照相变形量测技术、基于光纤Bragg光栅的棒式位移传感器和新研制的高精度光栅尺型微型多点位移计进行围岩内变形量测;新研发施作注浆锚杆和预应力锚索的独到工艺技术;还开展大埋深条件下的超载试验,观察到围岩破坏的发展过程,试验结果还与数值分析进行对比。研究的方法技术及结果将对类似工程研究有一定的指导和借鉴意义。

施工过程力学原理的若干发展和工程实例分析

进一步发展和补充了岩体施工过程力学原理、围岩和支护的能量转化原理以及时空变载分析原理,并结合金川镍矿、淮南新庄孜矿的巷道支护工程的时空效应和小浪底工程的洞群稳定做了实例分析。

大型洞室边墙松弛劈裂区的室内和现场研究及反馈分析

中国西南的许多大型地下电站建在高山峡谷地区,该地区普遍有较高的初始地应力。若岩体呈脆性,则在地下厂房的高边墙常常产生劈裂裂缝区。通过室内试验、现场监测和分析方法来研究这一现象。首先,在实验室利用脆性似岩石材料块体开展三向加压然后一侧卸压的试验,来模拟高边墙的开挖状态,并观察到劈裂破坏现象。然后,利用前期提出的预测劈裂区公式判断工程岩体劈裂区的深度;同时,在一个洞室工程现场进行围岩松弛劈裂区和变形的观测,这里采用滑动测微计、高密度电法仪等仪器做测试。最后,结合工程现场的开挖进程开展反馈分析,在分析中采用最新建立的"能量耗散劈裂分析法",预测后续开挖工程引起的后期围岩变形和松弛劈裂区的发展,取得了良好效果。

大型洞室群高边墙位移预测和围岩稳定性判别方法

以二滩地下厂房群的结构形式为主要背景,考虑4种基本因素,经过大量的数值分析算例,拟合出一个可预测地下厂房高边墙关键点位移的推算式。所考虑的基本因素为岩体变形模量、洞室埋深、主厂房高度和水平初始地应力测压系数。在岩体参数中已隐含着配套的岩体强度参数。首先,采用国际上通用的FLAC3D软件进行准三维大量围岩稳定性分析计算,通过拟合得到预测位移的推算式为二阶代数方程,可迅速推算出边墙关键点的弹塑性和弹性位移值。然后,对国内已建成或在建的8个地下工程运用该推算式对关键点的位移值进行推算,并将结果和这些工程的数值分析值进行对比。结果表明,二者相符较好,从而说明该推算式的有效性。之后,又提出3种用于判定围岩稳定性的方法。建议采用普适性较好的弹塑性位移和弹性位移的比值判别方法。运用该判别方法对上述8个地下工程的围岩稳定性状态进行判断。同时,在大量算例总结基础上,对不同埋深给出相对位移比θ的临界预警值θc,并拟合出临界预警值随埋深变化的线性方程式。在考虑一定的安全系数后,将上述8个地下工程边墙位移比kθ与相应的临界预警值θc进行对比。最后,认为该8个地下工程中有4个稳定性差,建议需考虑施加长锚索加固以保证工程的稳定性。从该4个地下工程的实际设计来看,这些地下工程都已采用长锚索加固高边墙的方案,说明所提出的判别方法是有效的。

损伤流变模型在三峡船闸高边坡稳定分析的初步应用

将损伤力学理论应用于岩石力学，建立节理岩体的损伤力学模型，并采用粘弹－粘塑性理论和有限元法，编制了平面有限元计算通用程序对三峡船闸高边坡稳定性进行了模拟边坡开挖过程的损伤流变分析。

雁形裂纹扩展的模型试验及断裂力学机制研究

通过相似材料模拟试验的方法研究了双轴压缩载荷作用下闭合雁形裂纹的起裂、扩展和岩桥的贯穿机理，得到了双轴压缩载荷作用下，不同方位雁形裂纹的开裂角、起裂载荷、岩桥贯通载荷及临界失稳载荷等重要的断裂力学参数．提出岩桥的破坏模式有剪切破坏、拉剪复合破坏和翼裂纹扩展三种．

系统锚杆对三峡船闸高边坡岩体加固作用的块体相似模型试验研究

通过室内相似模型试验，对三峡船闸高边坡岩体的分离块体经系统锚杆加固后，其抗压强度、弹性模量及Ｃ、值的提高、锚固岩体的各向异性进行了初步研究，得出了相应的结论。

锦屏I级水电站地下厂房围岩变形破裂的三维损伤流变分析

锦屏I级水电站处于高地应力区,地下厂房围岩在此是表现有一定塑性的大理岩。在工程开挖后围岩和支护结构的变形开裂特征明显。针对这些特点,采用损伤流变耦合的三维模型和分析方法,结合运用裂隙张开产生的附加变形分析法,对该工程地下厂房洞室群的稳定性进行分析,将厂房若干关键点的位移量与实测值进行对比,取得了较好的结果;同时,对洞室的长期时效变形进行预测分析。

脆性裂隙围岩的损伤力学分析及现场监测研究

我国西南地区许多水电站基岩为脆性围岩或位于高地应力区。其地下式厂房洞群边墙经常出现较深的开裂区。采用断裂和损伤力学模型结合现场监测工作来研究此现象。该模型可考虑多组节理中裂隙面的各种几何损伤参数。根据应变等效假设可得到基于莫尔-库仑准则的损伤本构方程。运用断裂力学原理分析岩体在开挖过程中原有裂隙产生次生裂纹的现象,推导出岩桥贯通的破坏准则和损伤演化方程并将前述的模型程序化。再运用该新的分析程序对一个水电站洞群工程进行稳定性分析。最后,运用该工程现场监测数据得到的围岩松弛开裂区深度与程序推算的结果做比较,说明二者的劈裂区发育规律很相近。

开挖条件下节理围岩锚固效应的模型试验研

介绍了节理岩体中开挖洞室并加以锚固的模型试验。模型尺寸为180cmX140cmX15cm。共研究对比了14个不同工况。其变换因素为：两相互为正交的节理组具有不同倾角；不同节理间距；不同初始地应力和施加锚杆或不施加锚杆。结果表明，围岩变形主要受节理变形控制而垮落区则完全由开挖自由面与不连续面的不利组合所制约。岩锚可以显著地减少围岩变形和破坏。最后，用离散元方法对一个试验工况做了数值计算对比分析。

能量耗散模型在大型地下洞群施工顺序优化分析中的应用

对复杂围岩提出了能量耗散本构模型 ,提出了考虑单元损伤、塑性和受拉破坏情况下的能量耗散公式。对洞群开挖支护提出了岩体施工过程力学 ,能量转化和时间空间载荷变化分析等 3个原理。结合溪洛渡水电工程洞群稳定问题做了 4个方案的施工顺序优化比较分析 。

小浪底水利枢纽地下厂房岩体支护效果数值分析研究

介绍了小浪底水利枢纽地下厂房岩体力学行为数值分析的过程和方法,包括采用的屈服准则、三维几何模型、岩体力学参数、地应力场、开挖过程模拟和支护结构模拟方法。给出了1.0和0.8两种侧压力系数下,无支护结构、无预应力锚索有锚杆有衬砌、有预应力锚索有锚杆有衬砌3种情况的计算结果,研究结果表明:(1)支护结构对限制围岩位移和塑性区开展作用不大,但对于固定松动破碎岩块、防止洞周局部崩塌脱落有不可缺少的作用;(2)开挖过程对预应力锚索拉力影响不大;(3)开挖过程引起混凝土衬砌较大拉应力,围岩表面的钢筋网,对于限制衬砌开裂和防止其脱落,有重要作用。

三维脆弹塑性断裂损伤模型在裂隙岩体工程中的应用

根据Ｂｅｔｉ能量互易定理、修正自洽法理论和节理裂隙断裂扩展过程中的能量转换与能量耗散建立了岩体的能量损伤演化方程，在此基础上通过有效应力体现损伤与塑性变形的耦合效应，建立了裂隙岩体的三维脆弹塑性断裂损伤本构模型，并将该模型应用于三峡船闸高边坡，进行了边坡节理岩体开挖卸荷稳定三维非线性有限元计算。

能量耗散本构模型及其在三峡船闸高边坡稳定性分析中的应用

从不可逆过程的原理出发 ,分析了岩体开挖中的能量耗散。考虑了能量耗散对本构方程的影响 ,结合三峡工程实例进行弹塑性和流变状态的稳定性计算 。

小湾水电站坝前堆积体三维有限元加固分析

小湾水电站坝前堆积体规模较大且坝肩开挖时下侧局部被挖除 ,水库蓄水后堆积体下部将浸于水体中。水库水位的变化也将影响其稳定性 ,故需对其进行稳定性分析和加固方案的分析。作者在先前使用平面离散元法(UDEC)及有限元法对该堆积体在自然状态下的稳定性初步进行二维数值计算与分析的基础上 ,对堆积体又进行了预应力锚索加固方案的三维有限元分析 ,取得了相应的研究成果。

清江水布垭工程地下厂房围岩锚固方案优化研究

介绍并分析了清江水布垭工程地下厂房洞室群的锚固方案。在二维分析中比较了无锚工况和有锚工况围岩状况的差异以及不同初始地应力场时的差异。对系统锚杆做了3种不同方案的比较。在三维分析中,比较了3种不同吨位长锚索的加固效果。最后,得出了相应的结论。

棒式光纤传感器在地下洞群模型试验中的应用

地质力学模型试验是在复杂条件下进行大型地下洞室围岩稳定性分析的重要研究手段,能够真实地反映地质构造和工程结构的空间关系,准确模拟施工过程对厂房稳定性的影响以及岩体的破坏特征。双江口水电站地下洞群模型试验中采用预留孔径灌胶方式进行高精度的棒式光纤光栅(FBG)位移传感器的埋设,以便对洞室周边的位移进行量测,同时应用FLAC3D进行数值模拟比较。结果表明:棒式光纤光栅传感器量测方法解决了模型试验中内部变形小、量测精度要求高的问题,与数值模拟结果相吻合;试验中传感器埋设的方法是成功的,无论是开挖阶段还是超载阶段传感器均能有效地监测模型内部变形,揭示地下洞室群模型在开挖阶段和超载阶段的变形机制和破坏特征。