基于GDEM的结构面型岩爆孕育演化机制

深部硬岩工程开挖过程中,洞壁围岩常常因结构面的存在发生岩爆地质灾害,造成人员伤亡和设备损毁等事故。通过采用有限元、离散元相耦合的GDEM数值仿真技术研究了边墙含竖向结构面的数目和尺度对深部硬岩直墙拱形隧道在开挖卸荷作用下,围岩裂化扩展行为、应力、位移、片状块体速度等力学运动特征的影响,以此揭示围岩板裂化、结构面型岩爆之间的演化机制。结果表明:开挖卸荷后,含多结构面数目隧道的破坏模式及强度与结构面控制效应有关(洞壁径向距离1.5 m范围内结构面的作用影响大),且结构面具有主导控制岩爆爆坑边界的作用,而多节理岩板裂化的演化机制为切应力不均匀分布,致使岩板实际承载偏心受压,产生二阶弯矩效应,诱发强烈的张拉板裂型岩爆,呈现出“平底锅状”C字型的爆坑;围岩破坏强度与岩板的尺度效应有关且结构面具有削弱应力向径向深部围岩转移的阻碍作用,从而不断加剧结构面围岩之间卸荷应力波的相互反射,增大了岩板内的应力积聚与能量积累。且尺度不同,其切应力调整分布演化差异大,大尺度高柔度的三节理岩板,其端部载荷强度高、岩板的屈曲效应较明显,导致径向内部岩板易屈曲失稳而引发边墙围岩板端部的剪断失稳破坏,诱发强烈岩爆。而中小尺度的三节理岩板,柔度小不易失稳,且载荷作用小,裂纹易沿结构面尖端扩展贯通破坏,呈现为脱落型静态脆性破坏,形成小V型破坏断口。

隧道围岩结构面倾角对诱发岩爆的影响研究

为了解结构面倾角对诱发岩爆动力失稳行为的影响,通过采用GDEM数值模拟软件,开展了含不同角度闭合多节理的直墙拱形隧道在全断面开挖卸荷作用后对诱发结构面型岩爆的数值模拟研究,分析了隧道在开挖卸荷下围岩的裂纹扩展行为、应力变化、碎块体的体积与块体的弹射速度等力学特征。研究表明,由于围岩内节理倾角空间位置的不同,导致在隧道开挖卸荷后,容易在节理尖端围岩处形成应力集中,造成不同程度的应力重分布,改变了围岩裂纹的扩展行为和承载能力。且围岩破坏模式受结构面倾角的影响明显,缓倾角强化了结构面的抗剪切作用,不易形成岩爆。陡倾角易诱发压剪滑移破坏,诱发岩爆。研究结果对含节理隧道的开挖设计与灾害防治有重要的工程意义和学术价值。

节理裂隙岩体力学特性的研究进展

岩体中节理裂隙的存在是影响岩体宏观力学性能的关键因素。岩体因节理面诱发的破坏(剪切、拉伸及复合型破坏)是一种非常常见的工程灾变形式,因此开展不同应力、温度、加载速率等条件下含节理裂隙岩体力学特性的研究具有重要的科学意义和工程意义。前人针对节理裂隙岩体的力学特性开展了大量的研究工作,并取得了丰富的研究成果。近几年随着测量方法、试验技术等的发展和生产需求的变化,出现了一些新的研究方向(如高应力、高温度、冻融循环、高速冲击荷载下节理力学特性),发展了一系列新的测试分析方法(如DIC技术、CT扫描、激光扫描、声发射高精度定位、3D打印、3D雕刻),并涌现出众多新颖的研究成果。从节理裂隙岩体力学特性的研究方向、研究方法和研究进展等方面做了详细总结,着重论述了在节理裂隙力学特性的室内试验方面取得的一系列研究成果,并且分析了目前研究内容所存在的不足,对促进人们对不同环境下节理裂隙力学特性的理解、指导相关科研人员开展后续的节理裂隙力学行为研究具有重要的参考价值。

岩石热损伤实时监测试验装置的研制与应用

为模拟地下岩层高温赋存环境,研究岩石在热作用过程中的渐进热破裂特征,研制了岩石热损伤实时监测试验装置。该装置主要包括箱式加热炉、导波杆、变形标定杆、变形监测系统和声发射测试系统,可以在实时高温作用下同步监测岩样因温度变化产生的声发射信号和变形,从而量化岩石的热损伤。实测结果表明:随着目标温度的升高,累计声发射撞击数和声发射能量量级显著增加,即目标温度越高形成的热损伤越多,且目标温度时的热变形越大。随着加热速率的增加,岩石起裂时对应的表面温度增加。采用室内冷却方式时,累计声发射撞击存在突增,冷却阶段变形表现为极速变形恢复段与平稳恢复段。不同加热速率和冷却方式没有造成明显的声发射结果和热变形大小差异,目标温度大小对岩石热破裂特征的影响占主导。通过对岩样进行高温作用的多种加热冷却路径试验,验证了该岩石热损伤监测试验装置的准确性与可靠性。