深部沿空掘巷含软弱夹层顶板离层破坏特征及控制研究

含软弱夹层顶板对深部沿空掘巷稳定性具有重要影响,为有效控制深部高偏应力沿空掘巷含软弱夹层顶板离层破坏,基于含软弱夹层组合体试件力学试验及受采动影响下沿空掘巷数值模拟试验,获得了软弱夹层层厚、层数和层位对顶板的影响以及偏应力条件下含软弱夹层顶板离层演化规律,阐释了含软弱夹层顶板沿空掘巷失稳主要原因,结合顶板支护载荷和煤柱支撑载荷下的悬臂梁力学模型,对含软弱夹层顶板控制要点进行分析,进而提出离层控制方法。结果表明:随着软弱夹层厚度和层数增加,对组合体力学特性劣化影响逐渐变大,软弱夹层位于低位时对组合体试件的劣化影响强于高位,组合体试件破裂均由软弱夹层产生,并随着层厚、层数和层位的不同呈现差异化破裂发育特征。沿空掘巷后主剪切破裂带由顶板左肩角产生并与软弱夹层邻近岩层破裂区相互连接,导致软弱夹层离层严重,主剪切破裂带发育形态和顶板非协调变形程度随主应力偏转角度以及软弱夹层层厚、层数和层位变化,揭示了含软弱夹层顶板沿空掘巷失稳机理。推导了顶板支护载荷和煤柱支撑载荷下的巷道顶板离层解析式,发现软弱夹层在锚固区内的离层量比在锚固区外减少79%,离层大小各主控因素影响程度及其控制优化顺序依次为煤柱支撑载荷—顶板支护载荷—顶板弹性模量。针对深部沿空掘巷含软弱夹层顶板的离层规律和控制要点,提出了“提高煤柱承载能力、减少顶板裂隙发育、增加软弱夹层顶板变形协调性”的离层联合控制方法。现场离层监测显示顶板最大离层量为10 mm,表明该方法能有效控制含软弱夹层顶板离层。

下卧软弱夹层地基ALE法强夯加固数值分析

随着高能级强夯快速发展,软弱夹层对地基加固影响问题凸显,其吸能缓冲作用机理尚不清晰,夯击参数选取经验性强。基于现场试验和任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrange-Euler, ALE)法强夯加固仿真开展地基应力波传播过程研究,探讨下卧软弱夹层对加固效果影响机理。对夯击能级、夹层埋深、夹层厚度等因素进行参数研究,改进强夯参数设计流程。结果表明:软弱夹层对夯击应力波向下传播过程有迟滞作用,地基应力场在此深度内发生断层;当首击地基加固深度为1/2软弱夹层埋深时,可兼顾能级控制与施工效率需要;当软弱夹层埋深大于10 m或厚度超过2 m时加固难度较大,需配合其他工法共同加固处理。

含软弱夹层顺层岩质边坡开挖稳定性分析

以都安高速公路某段含软弱夹层顺层岩质边坡为例,采用极限平衡法对开挖后的边坡进行稳定性分析,基于FLAC3D软件模拟分析边坡分级开挖、分级支护过程中的位移、最大剪切应变增量、应力特征及抗滑桩的承载性能。结果表明:严格条分法的安全系数为1.011,强度折减法安全系数为条分法的97.13%,当考虑岩土体变形时,传统计算方法可能会高估边坡自身的稳定性;边坡采用抗滑桩+框架锚索+框架锚杆的联合支护方式,并进行分步开挖及分级支护,对坡体扰动小,支护效果良好,能很好地控制坡体变形,避免边坡因软弱夹层塑性区贯通而发生失稳破坏。

基于分数阶积分的软弱夹层蠕变损伤模型研究

软弱夹层作为边坡的“薄弱环节”,时刻威胁着边坡的稳定性。以我国西南地区广泛存在的二叠系炭质泥页岩软弱夹层为研究对象,开展了软弱夹层蠕变特性的研究,在常规剪切试验的基础上进行分级剪切蠕变试验,系统分析了软弱夹层的剪切变形规律,并采用稳态蠕变速率法确定了软弱夹层的长期强度。基于Riemann-Liouville分数阶积分理论及统计损伤理论对传统西原模型进行了改进,利用自适应差分进化算法结合软弱夹层剪切蠕变试验曲线验证了模型的准确性,并进行了参数敏感性分析。研究表明,改进后的模型可以完整地描述软弱夹层蠕变的3个阶段;蠕变曲线的变化由微分阶次γ、形状参数m及比例参数F0共同控制;m反映软弱夹层的脆性特征,F0则表征软弱夹层的物理力学强度。该研究结果可为含软弱夹层边坡的防灾监控与稳定性分析提供理论依据。

含软弱夹层场地的一维等效线性化地震响应研究

为了探明软弱夹层对场地的地震动响应影响,明确软弱夹层对地震场地的影响方式,基于等效线性化方法构建一维场地模型,对场地进行不同幅值的基岩地震动输入的响应计算,得到了多种地震工况下场地的PGA和地震波傅里叶谱.分析了地震波频谱在场地自然频率附近波段的谱值比曲线变化和软弱夹层对不同频率波段的消减情况,并根据滞回理论探明了地表加速度减小的原因.研究结果表明:在受到地震作用时,场地中的软弱夹层的剪切模量减小并且阻尼比增大,使得软弱夹层出现大应变并消耗了高频段的地震能量,使得传输到地表的地震波PGA减小;且当基岩输入地震强度增大时,地表PGA放大系数曲线呈现出逐渐减小并趋于平稳的规律性.

锚固钻孔软弱夹层结构特征智能识别方法

【目的】锚固孔钻进作成孔质量深受岩体内存在的软弱夹层结构面的影响,这些软弱夹层往往是岩体中的隐患,影响钻进的稳定性和效率,关系到整个支护结构的稳定性和安全性。当钻头钻进软弱夹层时,其动态响应特征会变得明显起来,这种响应反映了钻进过程中岩体结构的变化情况。【方法】基于钻进比能的研究视角,利用自主研发的随钻测量系统,开展含有软弱夹层的类岩体试件数字钻探试验。这一系统能够实时、准确地监测并记录随钻过程中的各项参数,如钻压、扭矩、转速以及钻进速度等。通过对这些参数的敏感度分析、主成分分析和熵值分析,评估不同参数对软弱夹层响应特征的反馈程度,从而确定了影响最为显著的参数指标。其次,基于显著参数指标,建立钻进功率比识别法,实现类岩体软弱夹层智能化识别。【结果和结论】研究结果表明:(1)扭矩参数在随钻破岩和软弱夹层特性识别中起主要作用,其权重最大,反馈度效果最佳。(2)以扭矩参数变化为主要识别特征而建立的钻进功率比识别法,成功将软弱夹层厚度识别的平均准确率由原先的72.943%提高至88.268%,同时基于钻进功率比提出的倾角识别法,经计算倾角识别平均准确率高90.833%,软弱夹层特性识别精确度得到显著提高。这一显著的提升不仅证明了新方法的有效性,也为实际工程中的岩体软弱夹层识别与处理提供了准确和可靠的依据。

摩擦摆支座在软弱夹层场地地下结构中的减震效果分析

较一般成层场地而言,软弱夹层场地中地下结构抗震与减震问题更为突出。以双层双跨矩形框架地铁车站结构为研究对象,基于有限元软件ABAQUS,建立土-结构体系的静动力耦合有限元分析模型,研究软弱夹层对地铁车站结构的地震响应规律的影响,并对比分析了设置摩擦摆支座的车站结构在均质场地和软弱夹层场地的减震效果。结果表明:软弱夹层穿越地铁车站结构时,结构的整体和中柱的变形以及中柱底部的内力会大幅度增加,且随着夹层厚度增加,结构变形和内力的增加幅度更为明显。在中柱顶部设置摩擦摆支座,中柱的最大位移以及内力值均减小,且软弱夹层场地中摩擦摆支座的减震效果要明显优于一般均质场地,建议在软弱夹层场地地下结构中采用摩擦摆支座进行减震设计。

干湿循环下炭质泥岩软弱夹层剪切强度及渗透性演化规律研究

针对云南某露天矿边坡中的炭质泥岩软弱夹层,开展了室内干湿循环加速模拟试验、直接剪切试验和变水头渗透试验,研究了干湿循环作用下炭质泥岩软弱夹层抗剪强度和渗透性的演化规律,分析了循环次数对抗剪强度和渗透系数的影响,结果表明:干湿循环对炭质泥岩软弱夹层的抗剪强度影响显著,不同竖向荷载下,抗剪强度劣化趋势基本相同;随着干湿循环次数的增加,其内摩擦角基本不变,但黏聚力显著减小,且在干湿循环1次时黏聚力减幅最大,2~7次时黏聚力劣化速率较快,在干湿循环超过7次时,炭质泥岩软弱夹层的黏聚力变化速率趋于平缓,最终拟合得出黏聚力与干湿循环次数之间的指数函数关系模型;炭质泥岩软弱夹层的渗透系数和干湿循环次数呈正相关,循环次数在0~4次时渗透系数变化较为平缓,4次之后渗透系数显著增大,在7次循环时达到最大值,之后渗透系数基本不变。研究结果可为类似矿山边坡软弱夹层的强度和渗透系数预测提供参考。

隐伏非贯通软弱夹层岩质边坡剪切蠕变特征及稳定性研究

针对隐伏非贯通软弱夹层岩质边坡滑移机理复杂这一关键科学问题。设计一种隐伏非贯通软弱夹层缩尺制备方法,开展考虑夹层埋深、岩层倾角、含水率因素影响下岩体剪切蠕变特性试验。引入多参数岩体渐变损伤变量,分阶段建立剪切蠕变损伤本构模型,并通过相似模拟试验验证模型的合理性,分析此类边坡的稳定性。研究表明:(1)隐伏非贯通含软弱夹层岩体随夹层埋深增加、倾角减小、含水率减小而稳定性升高,反之稳定性降低,且夹层含水率对岩体稳定性影响最大,埋深影响相对较小;(2)考虑多参数渐变损伤本构模型能够反映隐伏非贯通软弱夹层岩体剪切蠕变全过程,且加速蠕变阶段拟合效果优于西原模型;(3)隐伏非贯通软弱夹层缩尺制备方法较为合理,所推剪切蠕变本构模型能够较好拟合边坡蠕变滑移各阶段情况,边坡滑移呈坡脚剪胀、后缘拉裂的整体性滑移,对隐伏非贯通含软弱夹层岩体蠕变滑移具有参考意义。

露天矿山岩质边坡软弱夹层赋存状态影响边坡稳定性规律研究

软弱夹层作为一种典型地质结构是影响整个边坡安全稳定性的关键因素。为了更好地分析软弱夹层的性质及对边坡稳定性的影响,针对某含软弱夹层矿山露天岩质边坡,运用正交对照法对边坡软弱夹层的埋深、倾角、数量及夹层间结构面间距等4种夹层赋存状态,进行变量4×4正交模拟,揭示了不同赋存状态下边坡稳定性及变形规律。研究结果表明,1)边坡软弱夹层的赋存状态对边坡稳定性有显著影响,随软弱夹层埋藏深度的增加边坡安全系数随之增大,当埋深达到一定值后,边坡安全系数趋于稳定;2)随着软弱夹层角度的增大,破坏机制表现为层间错动、顺层蠕滑和沿软弱结构面的剪切滑移递进式变化;3)随软弱夹层层数增多,边坡整体性下降致使变形不均匀,边坡安全系数减小,水平方向位移增大;4)对比同等埋深结构面间距较小的软弱夹层边坡,结构面间距对边坡安全系数的影响较小。

地下连续墙对软弱夹层场地地下结构地震反应影响研究

在地下结构抗震分析中,软弱夹层场地较一般成层场地而言问题要更为突出。本文以双层双跨矩形框架地铁车站结构为研究对象,基于有限元软件ABAQUS,建立土-地下连续墙-地铁车站结构体系的静动力耦合有限元分析模型,研究地下连续墙对软弱夹层场地地下结构地震反应的影响,对比分析了在不同场地工况下地连墙以及地连墙的连接方式对地铁车站结构的地震响应规律。研究结果表明:地下连续墙与车站结构协同作用使得车站结构整体水平变形减小,且减小效果随着软弱夹层厚度的增加更加明显;地下连续墙同时会引起附加的侧向土压力作用到车站结构上,对上层中柱和侧墙顶部等部位存在不利影响,建议工程实践中采取一定的加强措施。

裂隙发育区软弱夹层隧道病害机理及处治措施

围岩裂隙发育且存在软弱夹层时,将显著影响隧道衬砌结构的受力特性,导致出现不同程度的病害问题。本文针对某复杂地质条件下公路隧道出现的衬砌开裂、路面沉陷等病害,采用现场检测、室内试验和数值仿真相结合的方法对隧道病害产生机理进行深入分析,并提出综合处治措施,最后对处治后结构受力特性进行长期监测和评价。研究表明:病害段围岩破碎、节理裂隙发育且存在巨厚泥岩夹层;同时支护结构施工存在严重缺陷,两种不利因素的共同作用导致软弱夹层部位衬砌结构产生显著的应力集中,出现超过混凝土抗拉承载力的拉应力,导致混凝土开裂掉块,诱发隧道病害产生。

试样形状对含倾斜软弱夹层复合岩体力学性质的影响

为研究试样形状对含有倾斜软弱夹层的复合岩体力学性质与破坏模式的影响,对长方体、圆柱体两种复合岩体试样进行了单轴压缩试验。研究结果表明:试样形状引起了软弱夹层破坏形态的不一致,圆柱体试样中倾向于产生斜裂纹破坏并引起复合试样侧向滑移,长方体试样倾向于产生端部的剥落与颈缩破坏;软弱夹层不同的破坏形态也导致硬岩初始压缩状态下的受压面积均存在不同形式的折减,实际受力出现不同情况的应力集中,长方体试样总体产生垂直于软弱夹层面发育的裂纹,圆柱体试样总体产生垂直于实际受压面发育的裂纹。同时,长方体试样无论是软弱夹层的弹性模量与峰值强度还是硬岩的峰值强度都明显高于圆柱体试样,但是应力分布相较圆柱体试样也明显更不均匀。

软弱夹层位置与厚度对隧道开挖影响数值模拟分析

针对软弱夹层对隧道开挖的影响问题,以软弱夹层的位置(1.5 d、2 d、2.5 d)和厚度(1 m、1.5 m、2 m)为研究对象,利用数值模拟分析软件Midas GTS NX,建立了9种工况下全断面分步开挖的数值模型并通过监测断面A(y=5 m)、B(y=10 m)、C(y=15 m)进行计算分析。结果表明:监测面A、B、C上各关键点的变形值中拱顶与拱底的变形量最大,其次为拱墙与拱脚。软弱夹层的位置越靠近隧道,各关键点的变形量越大,其次是软弱夹层的厚度越大,各关键点的变形量越大。在具有软弱夹层的隧道开挖工程中,应采取措施控制软弱夹层对隧道开挖的影响。

邻洞爆破下软弱夹层对洞库稳定性的影响研究

为了研究邻洞爆破下软弱夹层对压气储能洞库稳定性的影响,基于弹塑性损伤理论框架,采用COMSOL Multiphysics数值仿真,将储气过程视为静态过程,考虑了岩石的塑性变形机制和刚度退化,通过对等效塑性应变表征岩石损伤变量的演化研究,分析夹层厚度、倾角和位置对内衬洞室稳定性的影响。结果表明:①随着夹层厚度的增加,靠近夹层部分的衬砌塑性应变增量增加,且最靠近夹层处受夹层影响最大。②夹层倾角从30°增加至90°过程中,会增加洞室左侧塑性变形,当夹层倾角小于45°时,倾角改变对质点峰值摇动速度PPV最大值影响较小,而当夹层倾角大于45°后,PPV最大值随夹角增加显著增大。③夹层距离洞室边界小于0.2 r时,距离的增加使最靠近夹层处衬砌最大塑性应变增量显著下降;间距大于0.2 r时,最大塑性应变增量随间距增加的变化较小,对稳定性影响相对较小。研究成果可以为压缩空气储能洞库的设计和施工提供参考。

常法向刚度下软弱夹层结构面剪切特性试验研究

【目的】为研究常法向刚度条件下软弱夹层对岩石结构面稳定性的影响,对不同充填度的结构面剪切特性进行试验研究。【方法】基于Barton经典形貌曲线的粗糙度系数(joint roughness coefficient,JRC),采用3D雕刻技术制作了15组岩石结构面上下盘,开展了不同法向刚度(K_(n)=10、20、40 kN/mm)及充填度(Δ=0.0、0.5、1.0、1.5、2.0)的结构面直剪试验。【结果】充填度为0.0时,结构面剪应力随剪切位移增加呈非线性振荡上升,且最大剪应力随法向刚度增大不断增大;同一法向刚度(K_(n)=20 kN/mm)条件下,充填度为0.5和1.0时,结构面剪应力随剪切位移增加呈非线性增长,充填度为1.5和2.0时,结构面剪应力随剪切位移增加而增加并趋于平稳;结构面最大剪应力随充填度增加呈非线性减小,且临界充填度介于1.5~2.0之间;软弱夹层结构面剪胀量随法向刚度增大而减小,且随着充填度继续增加,法向位移由剪胀逐渐转为剪缩,破坏模式也转为夹层剪切破坏。【结论】本研究结果为地下工程中软弱夹层围岩稳定性评价提供了试验依据。

软弱夹层结构面剪切特性各向异性试验研究

【目的】研究不同剪切方向下软弱夹层结构面剪切特性的差异。【方法】选取各向异性特征明显的天然三维结构面形貌,制作了具有不同充填度的含淤泥质黏土结构面试样;基于自主研发的软弱夹层岩石结构面各向异性直剪仪,开展了不同充填度下含有软弱夹层岩石结构面各向异性直剪试验,分析了软弱夹层结构面剪切特性的各向异性规律。【结果】1)不同剪切方向下无充填结构面剪应力剪切位移曲线具有峰前硬化和峰后软化特征,其法向与剪切位移曲线表现出先剪缩后剪胀的变化趋势;2)相同充填度不同剪切方向下软弱夹层结构面剪应力剪切位移变化规律存在差异,且剪应力与剪切位移的峰后软化特征随着充填度的增大逐渐消失;3)同一充填度下结构面峰值抗剪强度随着剪切方向的变化呈现差异;各向异性程度随着充填度增大呈现出先增大后减小的规律;4)同一充填度下软弱夹层结构面法向与剪切位移曲线随剪切方向差异呈现不同的变化规律,剪切特性随充填度增大由剪胀转变为剪缩,各向异性程度降低。【结论】本试验结果对研究岩体滑坡的破坏机理具有一定的参考价值。

软弱夹层倾斜结构面剪切试验及抗剪强度模型研究

含软弱夹层倾斜结构面的剪切特性与倾斜角、充填度密切相关,为了获得具有起伏形貌的含软弱夹层倾斜结构面的剪切特性,采用多功能岩土体接触破损测试系统,开展了针对起伏形貌的含软弱夹层倾斜结构面试样的直剪试验。试验结果表明:(1)不含软弱夹层的倾斜结构面剪应力–剪切位移曲线具有峰值剪断特征;含软弱夹层倾斜结构面剪应力–剪切位移曲线具有滑动破坏特征。(2)充填度不同时,倾斜结构面法向位移随剪切位移增大而增大,变化率逐渐增大并趋于稳定,呈剪胀效应特征;倾斜角不同时,结构面法向位移均随着剪切位移的增大而增大,并且法向位移前期增长率明显小于后期增长率。(3)倾斜结构面抗剪强度随充填度的增大呈负指数减小;随倾斜角和法向应力的增大近似呈线性增大。(4)考虑软弱夹层材料、充填度及倾斜角对抗剪强度的影响,在Barton抗剪强度模型的基础上,建立了适用于含软弱夹层倾斜结构面抗剪强度模型。研究成果可为工程岩体稳定性评价提供参考。

充水条件下含软弱夹层顺倾岩质边坡变形破坏演化规律研究

为研究含软弱夹层顺倾岩质边坡在不同充水条件下的变形、破坏及滑动演化全过程,以云南省鹤庆县某金属露天矿山为研究对象,采用基于连续-非连续方法的数值模拟软件GDEM建立二维计算模型,模拟在充水作用下含双弱层岩质边坡的变形、破坏直至最终失稳滑动的演化过程。研究结果表明:(1)矿区充水后,在水压力作用下,抑制边坡坡面横向裂缝发育,从而横向位移及竖向位移也有所减小;(2)无水及充水条件下,含软弱夹层顺倾岩质边坡同样表现出完整的蠕变三阶段理论,即减速蠕变阶段、等速蠕变阶段及加速蠕变阶段;(3)矿坑充水后起到压坡脚效果,但需合理设置水位高度,即能抑制边坡横向及竖向变形,同时也需考虑过高水位对边坡岩体的软化效果。研究结果为采后矿区闭坑充水治理及矿坑水蓄能循环利用提供了依据。

含软弱夹层隧道围岩渗流稳定性离散元分析

软弱夹层和地下水渗流作用均对隧道开挖时的围岩稳定性有重要影响.依托蒙华铁路中条山隧道工程,搭建了PFC-FLAC流固耦合模拟平台,通过与均质围岩隧道位移理论解作对比,验证了该平台模拟渗流作用下隧道开挖时围岩力学响应的可靠性.在此基础上,对地下水渗流作用下含软弱夹层隧道围岩的失稳破坏过程进行了非连续数值模拟,深入分析了隧道开挖后围岩位移场、应力场、裂纹动态发展规律及能量场演化规律,研究了复杂水文地质条件下隧道围岩失稳破坏机理.结果表明:隧道开挖后的围岩破坏形式表现为顶部软弱夹层区域出现大量张拉和剪切裂纹,软弱夹层和少部分砾岩逐渐剥落破坏.洞周围岩迅速形成一个带有缺口的接触力链环,环内围岩应力卸载明显,洞周围岩的应变能密度差值均呈现先减小后回升的规律.