深部开挖洞室围岩分层断裂破坏机制模型试验研究

根据对深部岩体的地应力特征分析和对洞室围岩受力变形特点的分析,提出深部开挖洞室围岩分层断裂破坏机制:由于深部开挖工程中岩体地应力数值较大,且最大地应力方向可能与洞室轴线平行,从而使洞室围岩在较大的轴向压应力作用下产生较大的朝洞内的膨胀变形,并在围岩内产生较大的径向拉应变。该拉应变的分布特征是在洞壁处较小,在介质内较大,当洞壁介质内的拉应变值达到其极限值时,那里的围岩便发生断裂,这种断裂可以产生一层或多层,决定于轴向压应力数值的大小。上述认识采用洞室模型试验结果作了验证。研究结果不仅对民用深部开挖工程具有重大指导意义,对国防工程中的某些方面,如导弹发射井等也有重要启示作用。

在爆炸荷载条件下锚固洞室破坏形态对比试验研究

通过物理模型试验,研究洞室在平面装药和集中装药爆炸荷载作用下不同加固方案的对比抗爆效果。简要介绍新研制的岩土工程抗爆结构模型试验装置、模型试验相似条件、平面装药和集中装药爆炸模拟方法,着重给出在爆炸荷载条件下几类锚固洞室模型的破坏形态试验结果。模型试验结果表明,对相同试验条件下的洞室,在平面装药爆炸试验中洞室拱部材料均发生脱落,在集中装药爆炸试验中洞室拱脚均产生剪切错动裂缝;全长黏结式锚索加固的洞室比自由式锚索加固的洞室抗爆效果好;只增加锚杆长度对阻止围岩裂缝的发展不起控制作用,必须在锚杆间距达到一定密度时才可以阻止围岩裂缝进入锚固区;在拱脚局部加长的密锚杆支护可以有效地阻止或者阻断围岩裂缝的发展,或者迫使裂缝绕过锚固区,从而提高锚固洞室的抗爆能力。研究结果对改进地下抗爆结构加固措施,提高其抗爆能力具有重要参考价值。

锚索预应力在岩体内引起的应变状态模型试验研究

介绍锚索预应力在岩体内引起的应变状态模型试验研究成果 ,其中包括由锚索预应力引起的岩体轴向应变沿锚索轴线分布状态 ,岩体表面及断层面上岩体法向应变分布状态 ,岩体内部不同深度上岩体轴向应变沿水平方向分布状态等。上述成果对正确分析预锚加固作用机理和进行合理锚固工程设计具有重要指导意义。

岩体加固技术研究之展望

简要介绍了岩体加固技术研究的工程意义及发展概况 ,在此基础上 。

锚固洞室洞周应变分布特征模型试验研究

根据模型试验结果，提出了锚固洞室的洞周应变分布特征，并分析了产生这种应变分布特征的原因。

预应力锚索对均质岩体的加固效应模拟试验研究

本文采用相似材料模型试验方法研究了单根预应力锚索对均质岩体的加固效应，给出了在三种不同长度的锚索作用下，岩体中受力变形规律，分析了锚索长度、预应力数值等对加固效应的影响，并与有限元计算结果作了对比。

地质力学模型试验技术应用研究

介绍了地质力学模型试验技术的新近研究成果,内容包括获国家科技进步一等奖的PYD-50三向加载地质力学模型试验装置、获国家科技进步三等奖的拉-压真三轴仪和YD-A型岩土工程多功能模拟试验装置等模型试验设备的主要功能、特点,并简要介绍了与上述试验设备配套使用的多项模拟试验技术研制情况,包括岩体介质材料的模拟技术、喷锚支护施工工艺过程模拟技术、岩体介质变形量测技术、模型平面变形控制技术、模型边界柔性加载与横向变形同步技术等试验技术及其在工程中的应用情况。

岩土工程多功能模拟试验装置的研制及应用

岩土工程多功能模拟试验装置由主机与配套装置组成,具有一机多用的特点。利用它可对洞室、洞群、边坡和基坑进行平面地质力学模型试验;对预应力锚索加固的岩体模拟试件进行抗剪强度试验;对混凝土或钢筋混凝土梁进行抗弯强度试验。它具有双向旋转功能,可使模型平面旋转360°,立面旋转35°。由于采用了首次研制成功的活塞式均布压力加载器加载,可在模型块体内产生大范围的均匀应变场,可对模型边界施加均布荷载和阶梯形荷载,并能满足不同侧压系数的要求。在剪切试验中可给出t-u全过程曲线等。6次工程试验结果表明,该装置具有良好的力学性能,可满足大型岩土工程试验研究的需要。

软岩加固中锚索张拉吨位随时间变化规律的模型试验研究

根据模型试验研究结果，给出了模拟软岩材料的蠕变方程，探讨了锚索张拉吨位随时间的变化特征，分析了张拉吨位损失后的稳定值与初始张力之间的关系。在此基础上，提出了锚索张拉吨位随时间而损失的估算方法。

拱脚局部加长锚杆锚固洞室抗爆模型试验研究

根据Froude相似理论,开展拱脚局部加长锚杆和等长锚杆加固洞室抗爆对比模型试验,分析各洞室受力变形特性和围岩破坏形态。研究结果表明:与等长锚杆相比,在爆心离洞室很近的极端情况下,拱脚局部加长锚杆起到"密闭"爆炸荷载的作用,增大洞室拱部的爆炸荷载,带来洞室拱顶底板相对位移的快速增长;在爆心离洞室较远的一般情况下,拱脚局部加长锚杆具有承担或转移较多爆炸荷载的作用,不仅能明显减小洞室附近的爆炸压力、洞室拱顶底板相对位移、拱脚压应变峰值和残余值,而且还能明显减少和减轻围岩裂缝数量和开裂程度,有效阻断裂缝的发展和延伸,有利于提高洞室的抗爆能力。

真三轴软岩非线性力学试验系统研制

根据深部软岩非线性力学行为研究的需要,针对目前的试验系统不能进行三向拉压、拉剪复合应力试验及加卸载过程模拟的不足,研制了一套能进行三轴拉压、拉剪等多种组合试验和对不同加卸载过程进行模拟的试验系统。介绍这一试验系统的主要结构、技术标准、功能和为取得满意的试验效果所研制和采用的减摩、传力和应力集中消除等技术,所述的试验系统为深入研究深部工程岩体的力学行为提供新手段。

锚固洞室抗爆模型试验锚索预应力变化特性研究

采用抗爆模型试验的方法,进行预应力锚索对洞室的抗爆加固效应的模型试验研究,探讨试验中爆炸引起的锚索预应力变化特点,得出不同锚索加固洞室的预应力变化特性和一些规律性的认识。对试验内容进行相应的动力数值计算,从而证明试验结果的可靠性,并提出合理的锚固工程抗爆加固设计建议。

端部消波和加密锚杆支护洞室抗爆能力模型试验研究

利用抗爆模型试验装置,研究在集中装药爆炸应力波的作用下,端部消波和加密锚杆支护洞室的抗爆能力;分析和比较3个洞室的拱顶垂直压应力、顶底板相对位移、洞壁应变、顶底板加速度及洞室围岩宏观破坏分布形态的差别。试验结果表明:在爆炸应力波的作用下,当洞室没有发生严重破坏时,端部消波和加密锚杆支护洞室顶底板相对位移和拱脚处最大应变都有减小;拱顶加速度整体上都有不同程度的降低;3个洞室都在拱脚处两侧产生断裂缝,但端部消波和加密锚杆支护洞室在拱顶方向断裂缝明显减少,其拱顶破坏程度得到减轻。说明端部消波和加密锚杆支护洞室能够提高锚固洞室抗爆能力。

拱顶端部加密锚杆支护洞室抗爆加固效果模型试验研究

采用抗爆模型试验方法,研究了在集中装药爆炸应力波的作用下,拱顶端部加密锚杆支护洞室抗爆效果。通过分析压力时程曲线,证明测试数据规律性合理,数据可靠。分析和比较了拱顶端部加密锚杆支护洞室与不加密锚杆支护洞室所造成的洞室围岩拱顶位移、洞壁应变、顶底板加速度和洞室宏观破坏形态,得出拱顶端部加密锚杆支护洞室抗爆加固效果不佳。

拉力型和压力型自由式锚索现场拉拔试验研究

通过现场拉拔试验的方法,给出岩质边坡体内拉力型和压力型自由式锚索注浆体与孔壁间的剪应力分布曲线及拉力型锚索钢绞线与注浆体间剪应力分布曲线,获得剪应力沿锚固段长度的分布规律。试验结果表明,对于拉力型锚索,注浆体与孔壁间的剪应力峰值要小于注浆体与钢绞线间的峰值,但剪应力分布长度要长,峰值剪应力出现点后移;无论是何种自由式锚索,剪应力在注浆体与孔壁间的分布都是很不均匀的,峰值剪应力在锚固段出现的部位不同。在相同的荷载作用下,压力型锚索的剪应力峰值大,分布长度短,衰减快。随着锚索荷载的增大,拉力型锚索锚固段的有效长度增加明显,而压力型锚索剪应力峰值增加明显。拉力型锚索的承载力是一定的,当需要提供较小的锚固力时,常采用该种型式的锚索,其施工关键是要保证注浆体的长度;压力型锚索的承载力与承压锚固段分级的数量成正比,当需要提供较大的锚固力时,需采用压力分散型的锚索,其施工关键是要保证注浆体的饱满程度,避免注浆体的收缩。

锚杆对围岩的加固效果和动载响应的数值分析

利用数值分析软件LS-DYNA3D程序,对锚杆对围岩的加固效果和动态力学性能进行了显示动力分析,比较了洞室围岩是否用锚杆加固时,爆炸波引起的岩体中垂直应力、拱顶位移以及锚杆本身轴向应变的变化特点。结果发现:同毛洞相比较,加固洞室围岩应力较大,拱顶位移较小;通过分析锚杆轴向应变-时程曲线,发现不同安装角的锚杆其轴向应变对动载的响应不同,拱部锚杆先受压后受拉,直墙部锚杆全受拉,两部位锚杆均产生轴向拉应变;将模拟的锚杆应变-时程曲线同模型试验的相应曲线进行了比较,两者一致性较好,其结果为动载作用下坑道围岩锚杆加固的布置方法提供了参考。

深部围岩分区破裂化模型试验研究

为研究深部巷道围岩破裂机理,在"深部巷道围岩破裂机理与支护技术模拟试验装置"进行了模型试验,系统研究了深部巷道围岩在最大初始开洞荷载与洞室轴线平行作用下直墙拱顶试验的破坏形态和机理。模型试验表明:当最大主应力与洞室轴线平行,在较大轴向压力作用下产生较大的朝洞内的膨胀变形,使得在围岩内产生较大的径向拉应变,其产生的拉伸断裂是出现分层破坏现象的关键,分布特点是随着轴向应力的增加其拉应变值增加,随距洞壁距离的增大其拉应变值减小。拉伸断裂面形成后,相当于在原来的介质内又形成了一个新的半径增大的洞室,洞室在较大的轴向压应力持续作用下,拉伸破坏过程不断重复出现,就会形成交替的破裂区域和未破裂区域,即分层破裂现象。

锚固洞室在顶爆作用下破坏形式及破坏过程研究

利用抗爆模型试验和数值分析方法,研究锚固洞室在顶爆作用下的破坏形式及破坏过程。根据锚固洞室破坏模型试验,发现锚固洞室主要有:受拉破坏、剪切破坏、受压破坏和压剪破坏4种破坏形态。通过分析试验解剖图和应力波传播规律发现:爆炸应力波作用下,锚固洞室首先在拱顶锚固区发生"层裂"现象,在自由面附近有类似半椭圆拱岩石介质脱落;同时两侧容易形成"八"字型剪切裂纹,随着爆炸荷载强度增加,如果锚杆加固较弱会在洞顶产生局部坍塌,一旦锚杆加固较强就会发生从爆心至洞室整体坍塌。最后利用数值分析方法分析了洞室受力情况和塑性区发展过程,进一步探讨了锚固洞室在顶爆作用下破坏形式和破坏过程。

锚杆长度和间距对洞室抗爆性能影响研究

根据Froude相似理论,通过模型试验,对普通锚杆、中密锚杆、长密锚杆、短密锚杆、长短相间密锚杆加固洞室的抗爆性能进行了研究,分析了不同长度、间距的全长粘结式锚杆加固洞室在围岩应力、洞壁加速度、洞室拱顶底板相对位移、洞壁环向应变、洞室破坏形态等方面的不同特点。采用FLAC3D对模型试验进行了模拟,并利用参数化建模方法分析了洞顶位移随锚杆长度、间距的变化规律。研究结果表明:减小锚杆间距比增加锚杆长度更能有效地提高洞室抗爆能力,且锚杆间距必须达到一定密度时才可以阻止围岩裂缝进入锚固区;在锚杆长度相同的情况下,密锚杆能明显减小洞室拱顶加速度峰值、拱顶底板相对位移峰值、残余值和拱脚部位压应变峰值、残余值;当锚杆长度增加到一定程度后,加固的效果并不明显,而且带来了底板加速度峰值、拱顶拉应变峰值的增加;锚杆的最佳长度可取为1/3洞室跨度,锚杆的最佳间距可取为1/15洞室跨度。

预应力锚索的长度与预应力值对其加固效果的影响

根据模型试验结果,重点分析了块状岩体中锚索长度及预应力值大小对其加固效果的影响,并给出了影响范围及特征,为进一步分析预锚加固作用机理和探讨预锚加固设计方法提供了基础性依据。