深部极高地应力花岗岩隧道岩爆破坏特征及成因机理研究

深部极高地应力花岗岩隧道施工过程中,岩爆灾害异常突出,硬岩岩爆不同程度地造成岩体片状剥落、棱板状破裂、岩块抛掷及强烈弹射等。为了揭示花岗岩隧道岩爆成因机制,综合地质调绘、监控量测、岩爆实录统计、室内岩石力学试验、微观分析和数值模拟分析等方法对隧道高地应力及岩爆的形成、破坏特征及影响因素进行探讨分析。根据现场岩爆实录统计分析,花岗岩隧道岩爆破坏特征复杂多样,发生时间集中,高水平构造应力使靠近雅鲁藏布江河谷一侧岩爆烈度显著增大,大埋深高自重应力导致岩爆主要分布在隧道掌子面和拱顶。基于钻孔实测地应力数据和初始地应力场反演分析,发现花岗岩隧道地应力场由构造应力和自重应力共同主导,隧道沿线82.0%的区段处于高到极高地应力状态,为岩爆的发生提供内动力地质条件。室内岩石力学试验表明二长花岗岩和花岗闪长岩均具有中等岩爆倾向性,厚层状、强度大、刚度高、完整性好的岩体为岩爆提供充足的物源条件。受控于雅鲁藏布江缝合带地质构造作用以及新生代岩浆活动作用影响,花岗岩隧道呈现高地温特征,地温梯度为5.5℃/100 m,最高实测地温达到89.6℃,高温热力耦合作用加速岩爆发生并提高岩爆危险性等级。隧道施工工艺会改变围岩应力重分布,影响围岩的应力集中,造成一定的尺寸效应,影响岩爆发生的烈度等级、时间和空间分布。

基于“接触摩擦-梁-接头”模型的矿山法隧道预制拼装二次衬砌分块方法研究

为分析矿山法隧道复合式衬砌中预制拼装二次衬砌的分块方式和承载特性,根据荷载与结构模型的分析方法,建立考虑衬砌间相互作用的“接触摩擦-梁-接头”复合式衬砌的计算模型,并考虑围岩对初期支护的法向和切向约束作用,分析矿山法隧道复合式衬砌中初期支护与二次衬砌之间的接触压力以及二次衬砌的内力,并讨论预制拼装二次衬砌的6种分块方案及预制块接头的位置和接头抗弯刚度对二次衬砌内力的影响。研究结果表明:接触刚度对层间接触压力影响较大,最大接触压力均位于隧道衬砌拱脚部位,建议接触刚度系数在接触压力稳定段取值;二次衬砌预制块接头位置对二次衬砌的弯矩影响较大,但对其轴力影响较小;当接头抗弯刚度介于0~100 MN·m·rad^(-1)之间时对衬砌间的接触压力、内力和变形产生的影响最大,建议预制拼装二次衬砌的接头抗弯刚度的取值介于50~400 MN·m·rad^(-1)之间。

城市深埋黏土隧道变形破坏机制试验研究

为研究城市深埋黏土隧道受力特性及变形破坏机制,开展室内相似模型试验。采用自主研制的隧道全断面掘进试验装置,运用位移、土压力、应变量测装置及石英砂标记方法,研究开挖过程及不同埋深下隧道受力与变形特征,分析衬砌结构的最终破坏形态,通过数值模拟证实模型试验的有效性。研究结果表明:隧道开挖后土体裂纹集中分布于开挖面左上方且以压剪破坏为主,隧道开挖引起了土体的纵向不均匀沉降且邻近洞口段土体沉降最大;在50~500 m埋深条件下,土体沉降随着深度的增大而减小,土压力竖向衰减幅值大于横向,隧道结构拱底土压力最大,右拱腰和拱顶次之,左拱腰最小,隧道能够承受的埋深极限为150m;受非对称荷载作用,衬砌右部结构破坏比左部严重,衬砌结构收敛变形类似“横鸭蛋”形状,洞口段拱顶向内收敛最显著,而衬砌末端水平扩张变形明显。试验结果揭示了深埋黏土隧道地层–结构相互作用机制,为深埋地铁隧道安全施工提供了参考依据。

围压作用下花岗岩加载过程中波速变化规律试验研究

为获得深部岩石在遭受一定围压并持续受载状态下波速的变化规律,采用GCTS RTX–3000岩石力学试验机对花岗岩进行围压水平分别为40和80 MPa条件下的三轴压缩试验,得到相应的应力–应变曲线以及纵、横波速,结果表明:在围压增加过程中,花岗岩的纵、横波速随围压的增加而增大,呈二次函数关系;纵、横波速在三轴加载过程中均先急剧增加,然后趋于稳定,在开始萌生裂纹到发生破坏的阶段,波速先缓慢降低,之后急剧下降,其中,横波对围压及加载过程的应力状态更敏感;对花岗岩的整个加载过程进行损伤分析,动弹性模量在不同阶段呈现增加、稳定、下降的趋势,动泊松比能够反映岩石的膨胀扩容过程。该研究有助于理解高围压条件下岩石的损伤特征,对深部围岩控制及地震的预测等研究有重要的意义。

不同尺寸含裂缝岩样动态破坏特征的实验研究

为研究不同尺寸含预制裂缝岩样遭受动态冲击过程中的变形和破坏特征,采用直径分别为50,100,150,200 mm的中心直裂缝巴西圆盘(CSTBD)试件,在压杆直径100 mm的SHPB系统上对试件进行相同速度下的径向动态冲击实验,结合应变片和数字图像相关监测系统(DIC)对圆盘2个平面的应变和位移的变化进行了监测,分析了加载过程中压杆上的波形、圆盘试件两端的应变、裂纹的起裂时间和圆盘表面的位移场等。研究表明:加载过程中试件两端的变形存在差异,预制裂缝前后裂尖起裂时间不一致,且这些差异随着圆盘直径的增大而增大;尺寸较小的试样更容易实现应力平衡,试件尺寸越大,应力平衡性越差。试件的破坏主要由拉应变引起,且预制裂缝的裂尖先于试件端部起裂,试件起裂之前的孕育时间、主裂纹的扩展时间与试件尺寸正相关。

落石冲击棚洞复合缓冲垫层动力响应研究

为探明棚洞聚乙烯泡沫、混凝土板复合垫层抗落石冲击性能,以框架型棚洞为研究对象,基于模型试验研究了不同高度落石冲击下落石冲击荷载及棚洞动力响应规律。结果表明:随着落石高度的增大,落石冲击力、冲击压力和棚洞顶板位移峰值、振动加速度峰值增大,线性关系明显。与纯砂垫层相比,聚乙烯泡沫和混凝土板复合垫层落石冲击力、冲击压应力、棚洞顶板位移、振动加速度峰值均显著减小;其中,混凝土板复合垫层落石冲击力、冲击压应力峰值最小,聚乙烯泡沫复合垫层棚洞顶板振动加速度峰值最小;落石冲击能量较大时,聚乙烯泡沫复合垫层棚洞顶板位移峰值最小。研究结果可为防落石棚洞复合垫层设计提供参考。

岩石断裂过程区孕育规律与声发射特征实验研究

为研究岩石断裂过程区孕育规律及声发射特征,采用直裂缝圆盘砂岩试样在GCTS岩石测试系统上进行劈裂加载试验,借助数字图像相关方法(digital image correlation method,DICM)和声发射(acoustic emission,AE)仪进行实时监测,根据裂尖附近测线水平位移随载荷变化趋势和声发射定位点密集区域量化确定了试样断裂过程区长度;同时,考虑Williams级数展开式高阶项,基于修正的最大切向应力准则,确定了断裂过程区长度的理论值;最后探讨了试样的破坏形态。结果表明:DICM确定的试样断裂过程区长度均值为9.07mm,断裂过程区长度理论均值为5.19mm,其差异源于理论计算无法完全考虑岩石的微观特性及加载方式的影响;断裂过程区孕育程度达到最大时对应的载荷更接近塑性屈服点载荷,其载荷约为峰值载荷的92.19%~95.47%范围;声发射信号能够体现试样裂尖微裂纹随载荷孕育和发展过程,声发射定位点确定的试样断裂过程区长度与DICM有较好的一致性。有助于深入理解岩石断裂过程区的孕育规律。