地下洞室变形破坏物理模拟的力学相似畸变映射原理与实例分析

相似物理模拟是研究地下工程变形破坏问题的重要手段,然而经典相似理论关于相似模型与工程原型之间的几何相似比和材料力学参数相似比的相互约束,导致室内物理相似模型尺寸和材料力学参数一直面临难以完全满足相似准则的困局,从而产生力学畸变和模拟试验结果解译困难。为此,提出了地下洞室变形破坏物理模拟的力学相似畸变映射处理方法,引进畸变系数和映射系数,通过耦合解析法或数值法来映射畸变效应,实现地下洞室物理模拟结果对原型力学行为的定量解译;以圆形隧洞为工程原型,采用水泥基3D打印隧洞物理模型进行相似物理超载试验,基于提出的耦合力学相似畸变法与解析法对物理模拟结果进行了定量分析和对比验证;以某水电站地下洞室群为研究原型,通过砂岩3D打印洞室群物理模型的超载试验获得洞室破坏的变形值,采用耦合力学相似畸变法与数值方法对物理模拟结果进行定量分析。实例分析结果表明,在物理相似模拟中几何相似比和力学相似比不满足经典相似准则条件下,该方法可实现圆形隧洞或复杂洞室群原型的相似物理模拟结果的定量映射分析,对非恒定相似比的地下洞室物理模拟畸变分析具有普适性。

开挖面失稳导致地下结构变形破坏的离心模拟

城市密集地下工程结构群下进行地下空间开发遭遇复杂地质环境时,可能会导致隧道开挖面失稳从而对既有结构的安全造成巨大威胁。开展了三个离心模型试验,模拟均质粉土地基和有黏土夹层的粉土地基中多层既有地下结构,研发了模拟隧道开挖面失稳的试验技术,再现了施工扰动引发的土体破坏模式和既有结构变形破坏机理。试验表明,控制开挖面位移(0.48H,H为开挖面高度)或者开挖面附近存在黏土夹层时,其附近形成的土拱有效地控制破坏区域,显著降低既有隧道的变形和应变,最终竖向变形为0.3~0.35 m,最大拉应变为850微应变;如果开挖面位移增大至0.86H,均质粉土地基出现整体失稳,既有隧道的最终竖向变形0.48 m,最大拉应变达到1900微应变。

多源煤基固废胶结充填体力学及变形破坏特征试验研究

【目的】为研究多源煤基固废胶结充填体的力学特性及变形破坏规律,选择5种典型煤基固废,开展了煤基固废胶结充填体(Coal-Based Solid Waste Cemented Backfill,CBSWCB)的单轴压缩、声发射响应及微观结构测试试验。【方法】分析了CBSWCB单轴抗压强度的影响因素和交互作用,建立了基于交互作用的抗压强度影响因素四维空间可视化模型,结合CBSWCB的声发射及微观结构特征,阐明了单轴压缩条件下的力学演化特征及宏观变形破坏规律,从微观角度进一步论证了CBSWCB承载过程中水化反应机理及宏细观联系。【结果和结论】试验结果表明:(1)单轴抗压强度的主要影响因素是质量分数,而炉底渣掺量的影响程度最小。(2)单轴压缩下CBSWCB的宏观变形破坏由塑性、弱劈裂破坏逐渐向脆性、剪切破坏转化。(3) CBSWCB试件声发射参数演化可以分为上升期、平静期、活跃期、稳定期,声发射累计振铃计数曲线呈现明显的“阶梯状”增长,累计振铃计数在上升期和平稳期内缓慢增加,在活跃期急剧增加,在稳定期逐渐趋于平缓。(4)水泥掺量偏低以及多源煤基固废充填材料属性差异导致水化反应程度有限,水化产物数量较少是CBSWCB单轴抗压强度普遍偏低的主要原因。研究结果可为多源煤基固废用于充填开采提供一定参考依据。

乌兰木伦煤矿大断面硐室围岩变形破坏规律及控制

针对煤矿井下巷道大断面硐室的围岩变形破坏问题,以乌兰木伦煤矿井下分选及充填大断面硐室为研究对象,采用相似模拟实验方法,进行单调递增加载和恒定荷载加载单轴压缩实验,对大断面硐室围岩变形破坏规律进行了研究。结果表明:①2种加载方式在压密阶段、弹性变形阶段及微破裂稳定发展阶段破坏演化和变形位移趋势相似。②采用单调递增加载方式的试样裂纹较少但裂纹缝隙较大,试样沿着主裂纹突然发生破断,期间有大量碎屑飞出,试样变形位置主要集中在围岩边界,破坏时释放能量较多,但峰后释放能量持续时间较短。③采用恒定荷载加载方式的试样应力保持不变,应变缓慢增加,期间产生大量微小裂纹,试样变形位置主要围绕在硐室周围,破坏时释放能量较少,但峰后释放能量持续时间较长。依据大断面硐室围岩变形破坏规律,提出了锚杆索支护方案:硐室顶部打长锚索,将顶板和上方坚硬岩石连成整体;在硐室煤岩交界处打倾斜锚杆,将煤岩交界面与周围岩体紧密连接。数值模拟结果表明,支护后围岩应力、位移、塑性区均明显减小,围岩稳定性大幅提高,支护效果良好。

供水工程新近系红层区斜坡深层变形破坏模式分析

针对新近系红层区斜坡变形破坏模式认识不足的问题,通过对以往工程区斜坡破坏现象的调查分析,寻找已有深层破坏形成的滑坡体,反分析滑坡体破坏前原始斜坡地质结构模型,并建立典型斜坡深层破坏模式,根据变形体主要工程地质条件,建立红层斜坡变形体的三维数值模型,分析其在天然、地震及降雨等条件下的稳定性。结果表明,通过建立的新近系地层不同岩段区斜坡深层破坏模式,识别出新近系地层区供水工程20#支线沿线有一个大型深层破坏斜坡变形体。该斜坡变形体在降雨条件下的稳定性较差。

含断层构造露天边坡变形破坏特征及稳定性研究

为了探究断层构造对露天边坡变形破坏特征及稳定性的影响,采用遥感影像、现场调查与数值模拟研究手段开展了含断层构造的露天边坡变形破坏特征及安全系数计算研究,并进行了边坡变形破坏发展分析,揭示了含断层构造露天边坡变形破坏特征规律。结果表明:露天采场北部边坡产生滑塌灾害是断层构造(内因)、井下矿体开采卸荷(外因)共同作用的结果。在地下矿体开采扰动与F15断层切割的作用下,边坡易形成沿断层构造滑坡垮塌并不断扩大滑塌区域。F15断层构造以上坡体的变形位移相对较大,且沿F15断层构造向东部沟谷发展,F15断层构造改变了北部边坡上部坡体的变形破坏趋势。露天采场边坡安全系数为1.45时,潜在滑动面为F15断层构造;北部边坡沿断层构造尚未出现大变形。

供水工程民和组地层区斜坡深层变形破坏模式分析

目的红层软岩斜坡深层变形破坏具有一定隐蔽性,为解决寻找和识别具有一定隐蔽性的民和组地层区斜坡深层变形破坏变形体的问题。方法结合引黄济宁供水工程,依据民和组地层区斜坡变形破坏现象的调查分析,寻找已有深层破坏形成的滑坡体,反分析滑坡体破坏前原始斜坡模型,模拟分析原始斜坡滑动破坏触发因素,建立民和组地层区典型斜坡深层变形破坏模式;然后根据建立的斜坡深层变形破坏模式,寻找识别民和组地层区深层变形破坏斜坡变形体,对典型斜坡变形体构建三维数值模拟模型,分析天然、地震及降雨等条件下的斜坡变形体的稳定性。结果通过研究,建立了民和组地层区不同岩段典型斜坡深层变形破坏模式,识别出民和组地层区供水工程22#支线沿线有一个大型深层变形破坏斜坡变形体,在暴雨条件下会沿砾岩层与泥岩夹层交接面发生深层滑动破坏。结论通过建立典型斜坡深层变形破坏模式识别深层变形破坏斜坡变形体并分析其工程稳定性,可以减少意外发生斜坡深层变形破坏现象,研究成果可为工程施工图设计提供依据,也为民和组地层区地质灾害分析提供参考。

深部顶板夹煤层巷道变形破坏分析及其控制

为了探究深部顶板夹煤层软岩巷道大变形破坏问题,以平煤六矿三水平戊二胶带运输巷为工程背景,开展夹煤层巷道围岩破坏分析及控制对策的研究。首先,构建原支护体系组合拱力学模型,推导出直墙半圆拱形巷道稳定判别式;其次,提出“锚网索-梁-注浆-组合砂浆锚索”联合返修控制对策,即沿戊8煤层顶板进行巷道扩刷,采用锚网索、梯子梁完成基本支护,对围岩进行深浅孔注浆加固、顶板及两帮关键部位布置组合砂浆锚索等加强支护,并通过数值模拟分析返修前后应力、位移场分布特征;最后,开展工业性试验,并监测矿压。结果表明:两帮及顶底板最大收敛量分别为93、112 mm,后期变形速率均低于1 mm/d,围岩变形得到有效控制,返修效果良好。

受载砂岩变形破坏过程磁场响应规律研究

探寻岩石破坏过程新的物理响应规律,将会推动岩体监测预警技术的发展。利用磁通门弱磁检测技术,开展了单轴加载和循环加卸载砂岩受载破坏磁场监测试验,测试了砂岩在变形破坏过程中的磁场信号,分析了磁场与载荷、声发射之间的关系。结果表明:砂岩在变形破坏过程中能够产生磁场信号,在单轴加载过程中,随着载荷增加,压密阶段磁场信号波动上升,波动系数较大;弹性阶段磁场信号稳定增大,波动系数变小;塑性阶段磁场信号显著增加,塑性阶段后期波动系数开始增大;破坏阶段磁场信号快速增加,波动系数变化较大,与试样载荷降和主破坏对应。相对于波动系数,磁场信号方差在前3个受载阶段较为稳定,破坏阶段的方差逐渐增大,并出现显著突变。在循环加卸载过程中,当载荷增加时磁场信号逐渐增大,载荷减小时磁场信号逐渐减小,试样临近失稳破坏时,磁场信号快速增加,显著高于前期循环加卸载过程。磁场信号与声发射计数具有较好的对应关系,表明磁场的产生与试样变形破坏密切相关。在岩体变形破坏过程中,矿物颗粒发生非均匀变形,界面处的电平衡被打破,自由电荷产生、迁移,引起电流变化,运动电荷或电流变化产生了磁场信号。利用磁场信号评估岩体的稳定性,有望成为一种无损、非接触、可连续监测的新方法。

地下采动作用下超高陡中缓倾逆向坡变形破坏过程研究

我国西南地区地质环境条件复杂,多发育上硬下软、上陡下缓的二元山体结构。频繁的地下开采活动,极易导致崩滑灾害,因此对此类崩滑灾害的研究迫在眉睫。本文以攀枝花煤矿崩塌为例,总结崩塌体变形破坏特征,同时基于PFC^(2D)软件模拟地下开采作用下坡面和上覆岩体的变形趋势、力学行为、裂隙演化过程以及地质破坏模式。研究表明:在地下开采作用下,采空区边界应力集中效应显著,导致裂隙最先发育,应力调整下呈现拱形应力分布。坡脚处向坡外剪应力集中显著并具有明显的鼓胀现象,坡顶位移和接触力增量均较坡脚慢,变形和应力的传递具有明显的时间滞后效应。位移和裂隙范围随地下开采区域增加而增大,并始终向坡面临空方向偏转,对于坡脚至永宁镇组第二段软硬互层岩体变形方式表现为软岩的塑性挤出、硬岩的折断破坏以及整体弯曲下沉和向临空方向的倾覆,坡顶主要表现为悬臂弯曲和断裂。该斜坡地质力学模式可分为:“表生”改造、塑流-拉裂、弯曲-拉裂以及溃屈崩塌4个阶段。

正断层错动下地铁盾构隧道变形破坏模型试验研究

为揭示跨隐伏断层地铁盾构隧道结构变形破坏特征,采用自主设计的模拟隐伏断层错动加载试验装置,开展1∶25几何比例的跨断层盾构隧道模型试验,分析正断层错动下盾构隧道的力学响应规律及变形破坏特征.试验结果表明:在2 cm正断层错动影响下,隧道纵向差异变形呈现非线性增大趋势,环缝接头张开变形主要位于断层下盘隧道拱顶及断层上盘隧道拱底,且环缝峰值张开量已超过盾构隧道接缝防水限值;断层延长线与隧道交界处管片直径收敛变形较为严重,该处管片呈现拱腰外侧受拉、拱顶及拱底外侧受压的受力状态;管片与地层之间接触压力受断层错动的影响较大,存在围岩挤压区与围岩松散区,但接触压力峰值相对较小;盾构隧道的主要变形破坏特征为环缝接头拉裂破损、管片纵向开裂及环缝接头变形,管片发生斜向剪切破坏及局部压溃破坏的概率较低.基于盾构隧道环纵向变形破坏特征,建议将管片环缝变形及接头混凝土拉裂破损作为界定跨断层盾构隧道结构破坏的主要控制指标.基于隧道的变形破坏模式,提出了跨断层盾构隧道结构设计及应对措施的建议.

顶板冲击荷载作用下锚网支护巷道变形破坏规律研究

为研究顶板冲击荷载作用下锚网支护巷道的变形破坏规律,以华亭煤矿250104运输巷为背景,采用FLAC^(3D)分析了不同冲击荷载波速、角度以及偏轴距条件下锚网支护巷道围岩的应力、变形以及塑性区变化特征。研究结果表明:顶板冲击作用下,巷道顶板及两帮岩体塑性区将向上方及两侧逐渐扩展,且其最大位移呈指数衰减式增长;随顶板冲击荷载波速增大,巷道周边岩体最大位移呈指数递增式增大;随顶板冲击荷载角度增大,巷道顶板及两帮最大位移呈“S”形增长变化,冲击角度为90°时对围岩稳定性最不利;随顶板冲击荷载偏轴距增大,巷道顶板及冲击侧帮部岩体最大位移出现先增后减的变化规律,冲击偏轴距等于5.0 m时对巷道安全威胁最大。

轴向静载压缩作用下深部砂岩的变形破坏规律

为探究深部砂岩的变形破坏规律,建立塑性区发育、裂纹扩展情况和声发射特征之间的关系。以深部砂岩岩样为研究对象,开展轴向静载压缩声发射试验,并采用数值模拟分析岩样塑性区和内部裂纹的演化规律。结果表明:内部能量密度在压密和弹性阶段耗散比较平稳,塑性阶段耗散能逐渐增大,在破坏前瞬间全部释放。塑性区、裂纹和声发射特征间具有很强的关联性,压密阶段振铃计数、能量均是先增大后减小,弹性阶段前处于平静期,塑性区和微裂纹均从岩样两端侧面出现。弹性阶段,振铃计数和能量继续增大,后者涨幅大于前者,塑性区沿对角线向内发育,裂纹数量增多。塑性阶段,振铃计数持续增大,能量激增,塑性区向外发育。破坏阶段,振铃计数和能量均出现激增,模拟试验为“y”状剪切裂纹,与实际破坏裂纹形态一致。

珠海市南水镇金龙边坡变形破坏特征及稳定性评价

边坡稳定性分析评价是边坡调查评价过程中一个不可或缺的环节。以珠海市金龙边坡为研究对象,分析了边坡的发育特征、影响因素、形成机制。在查明边坡岩土体出露及结构特征基础上,根据典型断面C、ϕ值反演分析及敏感性分析结果,确定金龙边坡岩土体物理力学参数,采用极限平衡法对金龙边坡进行稳定性分析评价。评价结果表明:金龙边坡在天然工况下处于欠稳定状态,在饱和及饱和+地震工况下处于不稳定状态。

不同荷载作用下五边形石墨烯的变形破坏机理研究

五边形石墨烯是一种完全由碳五元环组成的准二维的亚稳态碳结构,在不同载荷作用下其变形破坏机理仍需进一步研究.本文基于ReaxFF反应力场采用分子动力学方法模拟研究了五边形石墨烯的拉伸、剪切和纳米压痕破坏过程,得到了五边形石墨烯的拉伸和剪切应力-应变曲线以及压入载荷-位移曲线,系统分析了五边形石墨烯的变形破坏机理,并验证了五边形石墨烯在不同载荷作用下是否表现出塑性变形特征的一致性问题.研究结果表明,通过拉伸或纳米压入等不同加载方式均可准确测出五边形石墨烯的本征力学性能参数,其杨氏模量265.4~285.1 N/m,与第一性原理计算结果一致.研究还发现,五边形石墨烯在拉伸、剪切和纳米压痕过程中均会出现不可逆的塑性变形特征,而引起塑性变形的原因是由于不可逆的碳五元环向碳多元环结构的转变.以上研究结果可为基于五边形石墨烯的微/纳米机电系统的实际应用提供重要指导.

准噶尔盆地三叠系百口泉组砂砾岩细观变形破坏数值模拟

我国西部准噶尔盆地三叠系百口泉组砂砾岩致密油资源丰富。因砂砾岩储层中含有众多成分及强度大小不一的砾石,导致砂砾岩力学特征受砾石的形状、尺寸及物性影响较大,进而影响砂砾岩油藏的压裂裂缝复杂程度和压裂改造效果。鉴于此,针对准噶尔盆地百口泉组砂砾岩储层特征,建立了随机不规则多边形砾石的生成方法,并基于颗粒离散元法建立了砂砾岩力学数值模型,研究了典型砾石含量和分布对砂砾岩细观力学特征的影响机理。砂砾岩变形破坏数值模拟结果表明:低强度砾石对裂缝延伸的屏蔽作用较弱,裂缝大多呈“穿砾”模式,而高强度砾石对裂缝的屏蔽作用较强,裂缝更多呈“绕砾”模式;围压增加,岩石抗压强度明显增加,峰值应变能及滑移能也呈线性增加,且应变能增长显著;含不同砾石组合的砂砾岩储层中,剪切微裂缝数量随围压的增加而增加,且具有线性特征关系,高围压下含高强度砾石的砂砾岩具有更显著的塑性及延性特征,且存在明显的二次破坏现象;随低强度砾石的减少或高强度砾石的增加,砂砾岩的弹性模量增大,且抵抗变形能力增强,而不同砾石组合情况下,围压对砂砾岩弹性模量的影响较小;砂砾岩宏观破坏带的形成发育过程很大程度受控于内部细观结构,且受围压、砾石类型(力学强度)等的影响较大。

碳纤维混凝土在恶劣环境中的变形破坏特性

为了研究碳纤维混凝土在恶劣环境中(硫酸盐侵蚀环境下)的变形破坏特性,制备了含碳纤维(质量为水泥质量的1.0%)的混凝土试件,开展了变幅循环受压试验。结果表明:随着干湿循环周期的增加,试件并不会立刻呈现明显的劣化的趋势,在干湿循环60次之前抵抗循环受压能力有所增加,之后开始下降,而在达到150次干湿循环后基本丧失抵抗变形破坏的能力;试件在循环荷载作用下的破坏是压密损伤和能量耗散逐渐积累的过程,而干湿循环周期的增加会逐渐增加耗散能转化率,最终改变了试件的储能机制。建立了基于累积残余应变且考虑初始损伤的损伤模型,该模型能够反映碳纤维混凝土在硫酸盐侵蚀环境下的损伤演化规律,具有一定的参考价值。

掘进巷道巷帮变形破坏特征分析及补强支护技术研究

针对11307运输巷巷帮不牢固易出现变形,存在难控制等问题,基于11307运输巷地质工程概况与支护情况,结合巷道围岩情况与进行钻孔窥视,发现引发巷帮围岩出现变形量大的原因为:巷帮软岩夹矸层发育,浅部裂隙发育与地应力的综合作用,提出了可采用注浆的方式来增强巷帮稳定性,应用锚索来控制浅部煤体变形,并进行补强加固,实际应用结果表明:通过综合应用这些措施后,11307运输巷在掘进期间的煤柱帮变形量为78mm,实体煤帮变形量为36mm,在回采期间的煤柱帮变形量为190mm,实体煤帮变形量为191mm,变形量都相对较小,综合应用这些巷帮加固方案后,很好地控制了巷道围岩变形,更好地保障了矿井安全生产。

焦家金矿破碎岩体变形破坏规律研究

焦家金矿-570~630 m中段矿(岩)体节理裂隙发育,易出现楔形不稳定结构,进而发生岩体冒落。对岩体进行了地质钻孔、结构面条件调查等得出,焦家金矿岩体较为破碎,节理发育,节理产状分布范围广。对开采扰动下巷道收敛变形规律进行研究与总结,并通过雷达测试分析焦家金矿巷道破坏深度,损伤深度基本保持在2 m,存在较多的结构弱面,需及时采取加固措施。此研究对该处矿体的支护等做出合理规划,进一步指导采场结构参数的合理选取,以确保该矿段的安全生产。对类似矿山破碎矿体的治理条件有一定的借鉴意义。

开拓大巷变形破坏机理分析及控制措施研究

针对矿井开拓大巷时有出现支护失效严重威胁矿井安全生产的问题,以潞安集团某矿开拓大巷出现的变形破坏工程概况为例,应用现场钻孔窥视法与数值计算法,找出了造成该大巷变形破坏的主要原因,并针对这些原因提出了具体的联合支护方案,应用该联合支护方案后,发现围岩的移近量显著减少,原支护失效问题得到了合理解决,更好地保障了矿井安全生产,可为类似工况下开拓大巷的处理提供参考。