不同TBM掘进速率下洞室围岩开挖扰动区研究

在不同卸荷速率下三轴加卸载室内试验成果的基础上,以Hoek-Brown经验强度准则为依据,拟合出在不同卸荷速率下板岩的力学参数(黏聚力和内摩擦角)。在分析TBM掘进特点的基础上,提出能反映其特点的数值模拟方法,并在FLAC3D程序中引入加卸载准则,对不同掘进速率下隧洞围岩的开挖扰动效应进行数值模拟研究。结果显示:掘进速率越快,围岩开挖扰动效应越小,围岩越稳定;隧洞围岩在开挖后变形较为均匀;在隧洞的径向,位移和应力变化较为明显的呈现为3个区域,即强变化区、弱变化区和平稳区;最大主应力随着洞径方向逐渐由单向应力状态向二向应力状态和三向应力状态转变,第二偏应力不变量在隧洞轴向方向形成一闭合的应力集中区域,称为"应力墙",该区域在TBM掘进过程中对刀头切割岩体达到破岩的效果极为有利;隧洞围岩开挖扰动区随TBM掘进速率变化较大,当掘进速率增加一倍后,其扰动区由1.1m降低到0.4m,减小了64%。

地下洞室开挖扰动区研究进展

地下洞室开挖会形成新的临空面,这种卸荷作用使洞室周围一定范围内的岩体应力场发生改变,岩体力学性质及水力性质发生降低。发生这种改变的区域,一般称为开挖扰动区或开挖损伤区(EDZ)。研究开挖扰动区的特征及演化规律具有重要的理论价值及工程意义。本文从地下工程EDZ的概念分区、现场测试及实验研究、理论研究和数值模拟四个方面,对地下工程中现有的开挖扰动区的研究工作进行详细的总结和分析,认为如何根据测得的多个参数来综合评估开挖扰动区的范围和岩体力学性状是值得进一步研究的课题;深部的开挖扰动特征不同于浅部,需要进一步的深入研究;应该进一步加强数值模拟方法对开挖扰动区影响因素的研究。

考虑自愈合效应的泥岩巷道开挖扰动区渗透性反演分析

泥岩自愈合特性是核废料库选址评价及储库安全稳定性分析的一项重要研究内容。以某泥岩高放废物处置库为研究背景,在室内和现场试验的基础上,采用指数模型建立了巷道围岩渗透性分布模型和裂隙渗透性自愈合模型;结合巷道围岩孔隙水压力的多年观测资料,通过建立能够反映实际施工过程的水-力耦合计算模型,采用精确罚函数法以及Nelder-Mead算法相结合的有限元优化反分析程序,对巷道围岩渗透性参数进行反演研究。结果表明:反演所得的围岩渗透系数量级与试验值量级均为10-12m/s,反演孔隙水压力值与实测值比较接近;围岩垂向渗透系数的扰动程度和范围明显大于水平向渗透系数,垂向渗透系数提高了2个数量级,扰动范围约为25 m,渗透性恢复到初始水平时间约需5 a。

开挖扰动区内岩石的压密特性和强度恢复性研究

利用交替变换荷载速率试验研究压密后岩石试样的强度恢复和荷载速率依存性。首先,分别对田下凝灰岩、来待砂岩、河津凝灰岩和三城目安山岩4种岩石试样在空心圆筒内进行压缩破坏,然后持续轴向加载,压密破坏后的岩石试样。从空心圆筒中推出压密后的试样,进行单轴压缩下的交替变换荷载速率试验,即按一定应变或位移间隔,对同一试样交替施加高低2种不同的荷载速率,得到对应于2种荷载速率的应力-应变曲线。在整个交替变换荷载速率试验过程中,应力随荷载速率的切换而增减。从交替变换荷载速率试验得到的应力-应变曲线上的荷载速率切换点出发,利用3次样条曲线拟合得到2条对应于高低2种荷载速率的应力-应变曲线,并求解强度点处荷载速率依存性参数n。试验结果表明,田下凝灰岩、来待砂岩和河津凝灰岩的强度恢复现象明显,单轴抗压强度随着压密试验中轴向最大荷载的增加而增加,但没有观察到三城目安山岩的强度恢复现象。当压密试验中的最大轴向荷载较大时,压密后的试样的荷载速率依存性与完整试样的基本一致。当压密试验中的最大轴向荷载较小时,从极大和极小2个方面求解荷载速率依存性参数n,得出完整试样的n值介于压密试样的极大值n1和极小值n2之间,且差值不大。研究结果表明,在进行适当支护之后,随着时间的推移,开挖扰动区内的岩石存在强度恢复的可能性,且今后利用数值模拟考虑开挖扰动区内的岩石强度恢复特性和时间依存性时,在本构方程中可以采用与完整围岩区域一样的参数,从而简化数值模拟程序。

基于声波速度及岩块强度的开挖扰动区岩体力学参数预测

针对目前在水利水电工程中开挖扰动区的岩体力学参数取值问题,将岩体的声波速度与岩体质量指数Q、岩体分类指数RMR及地质强度指标GSI联系起来,并将声波速度引入到广义Hoek-Brown强度准则中,建立了由岩体声波速度及岩块单轴抗压强度预测开挖扰动区岩体的变形及强度参数的方法.利用三峡工程永久船闸边坡开挖扰动区的检测参数,结果表明,基于Hoek-Brown准则由声波速度及岩块强度预测的岩体变形模量与实测结果基本吻合,本方法可预测开挖扰动区的岩体力学参数.

复杂地下洞室围岩开挖扰动空间效应参数化研究

复杂地下洞室围岩开挖扰动区的形成和发展具有明显的空间效应。岩体开挖扰动损伤总体上表现为岩体变形模量的劣化。考虑到基于厚壁圆筒弹性力学分析的弹性模量压力和半径相关模型的应用局限性,提出开挖扰动区岩体变形模量的半径-位移相关模型,并对模型的多洞室适用性和参数敏感性进行了分析。该模型实质上是一个参数场模型,通过变形模量劣化参数场分布量化揭示开挖扰动的空间效应。以瀑布沟水电站大型地下厂房洞室群工程为例,基于位移监测信息,应用半径-位移相关模型对主厂房围岩开挖扰动的空间效应及围岩稳定性进行了参数化分析。围岩变形模量劣化参数场沿厂房轴线具有明显的空间不均匀性,沿深度方向呈现指数函数分布特征。结果表明:该模型为开挖扰动区岩体变形模量参数的确定提供了合理的数值计算方法;通过岩体变形模量半径-位移相关模型参数化分析开挖扰动的空间效应,对于地下洞室施工期快速监测反馈和围岩安全稳定性评判以及支护优化设计具有显著的工程适用性。

深部开采中的强扰动特性探讨

深部岩体具有高地应力、高地温、高渗压的独特赋存环境,其采动影响远较浅部复杂。通过将深部岩体的赋存环境和深部开采的扰动特征两方面相结合,系统分析了深部岩体开采中的强扰动特性。首先对扰动激励的动静组合特点进行了分析。根据深部开采中的应力变化路径,给出了不同深度类型下原岩应力状态以及扰动应力状态的分布区域,揭示了深部开采中应力变化更加复杂的必然性,并初步给出了考虑赋存深度、开采工艺、岩体重度、残余应力以及采动速度影响的岩体卸荷速率计算公式。根据深部开采中的动力扰动类型和波动传播规律,分析指出了深部岩体中的流体压力传播特征,揭示了深部动力扰动时间延长和扰动范围扩大的特点。然后基于扰动状态概念(DSC)对扰动影响水平进行了分析。通过对深部岩体能量蓄积、能量耗散以及释放规律的分析,定义了基于能量特征的扰动函数,可以籍此构建基于DSC的深部岩体统一本构模型,并定量描述深部岩体扰动的大小。最后定性描述了深部岩体开采中开挖扰动区的分布特点以及相应的应力应变状态,将其划分为原岩弹性区、开挖损伤区(EDZ)以及开挖破碎区,其中开挖损伤区又可分为峰前损伤区、塑性流变区、外部损伤区。并初步给出了开挖损伤区大小的计算公式,讨论了各项参数的意义及影响因素。研究表明,深部岩体的高应力状态以及复杂的多场多相耦合环境使其在更大范围内受到扰动的影响,EDZ的范围将显著增大,并表现出复杂的时空演化特征。利用扰动状态概念(DSC)建立的扰动函数,以及基于能量分析建立的开挖损伤区(EDZ)大小计算公式,可以定量刻画深部扰动的程度,分别反映了深部扰动激励增大和扰动影响增大的特点。

断续节理岩石中开挖附近扰动区失稳行为的实验

目的是用实验方法研究在一定加载条件下,断续节理岩体中裂纹萌生、扩展、贯通机制及开挖扰动区的破坏行为。实验试样用作者配制的模拟材料制成。利用作者设计的小型开挖系统,在双轴加压下,当轴向压力达到峰值力的75%时,保持径向加载和轴向加载的比值λ恒定,模拟开挖过程,并用数码摄像机全程跟踪开挖过程。实验结果显示开挖附近断续节理滑移、贯通以及扰动区的变形决定了巷道的失稳行为和最终的破坏模式;开挖过程明显影响着内部扰动区和外部压缩区的变形。开挖后,内部扰动区的变形大于外部压缩区;开挖后,继续保持λ恒定时,应力和变形作为时间的函数逐渐释放,并且造成一些节理的滑动和微破裂的相互作用;λ越大,则巷道破坏的时间越短。

复杂地应力环境大型地下洞室围岩时效变形机制及力学模拟

提出复杂地应力环境下大型地下洞室开挖围岩时效变形机制及其力学模拟方法。基于变形监测资料和岩体力学分析认为,中高地应力条件下岩体由高围压环境急剧转变为低围压、高应力差环境的力学机制和工程开挖引致围岩扰动破坏的空间效应是复杂地应力环境中洞室围岩时效变形的主要作用机制。采用应力释放有限单元法模拟洞室动态开挖过程,通过引入时间因子,建立开挖荷载释放与空间扰动效应的时间相关函数,提出基于时效变形过程的开挖荷载分时分级释放方法和基于主、次级开挖松动区的围岩变形模量劣化模型。工程实例表明:该方法通过将开挖荷载释放与开挖扰动空间效应耦合计算,能够合理有效地模拟大型地下洞室施工开挖全过程围岩的时效变形力学行为,对于理解和控制复杂地应力环境大型地下洞室高边墙变形破坏行为和时空效应,优化洞室施工开挖支护与监测反馈等具有一定的应用价值和实践意义。

高孔低渗泥岩渗流-损伤耦合模型与数值模拟

以泥岩高放废物处置库为研究背景,在室内试验和现场试验研究的基础上,以泥岩损伤为主线,研究开挖扰动对泥岩渗透性的影响规律,通过在渗流-应力耦合控制方程中引入损伤变量,建立泥岩的渗流-损伤耦合模型,完成了有限元程序的二次开发。对泥岩巷道由于开挖施工引起的围岩卸载以及支护过程进行数值模拟,探讨开挖扰动影响下围岩的损伤分布形态以及渗透性质的演化规律。研究结果表明:计算所得的渗透率分布规律与实测结果一致,渗透性扰动区近似为椭圆形,扰动区最大渗透率约为原岩的397倍,与工程实际相吻合。

变形多孔介质流固耦合模型及数值模拟研究

假定骨架、固体颗粒和水均是可压缩的,在此基础上采用两相不混溶流体的理论推导了水的连续方程,通过引入气压恒定这一假定进一步简化为水的非饱和渗流连续方程。基于广义Biot理论给出了固体骨架积分形式的平衡方程,结合非饱和渗流连续方程采用加权残值法推导了流固耦合方程组的有限元列式。通过干燥介质吸水的数值模拟来考察非饱和流固耦合模型的预测能力,数值模拟的结果表明耦合模型可以准确地反映吸水过程的规律。将耦合模型应用于水下大断面隧洞开挖的瞬态分析,可以模拟出开挖引起的EDZ区域孔隙水压力急剧升高、有效应力减小、渗透系数动态变化以及排水对洞室稳定性的影响,计算的结果与国外大型原位实验的一般性观测结论相吻合。

不同温度条件下盐岩卤水浸泡后损伤自恢复特性

为了研究地下盐穴开挖扰动区(EDZ)损伤盐岩在盐穴综合利用过程中的自恢复特性,设计了损伤盐岩在卤水温度作用下的自恢复试验。结果表明:损伤盐岩经过卤水浸泡后在不同温度下烘干时力学性质可以得到恢复,在试验温度范围35～80℃内,其恢复效果随着温度的增加而增强。经过恢复处理的损伤盐岩试件二次加载时的声发射特征显示,其Felicity比低于0.1,Kaiser效应基本不成立,说明损伤盐岩在自恢复处理过程中其内部损伤在细观尺度上发生愈合。根据损伤盐岩试件自恢复处理后的细观形貌特征,总结出盐岩损伤恢复3种不同的细观机制:基于扩散作用的损伤微裂纹愈合,基于NaCl晶体重结晶作用的微裂隙充填以及破碎区NaCl晶体颗粒的愈合黏结。盐岩损伤恢复过程中,裂纹中充填的饱和卤水为裂纹中的物质传递提供了通道,同时提供了大量的结晶基础物质,为盐岩损伤愈合奠定了基础。温度的升高为盐岩损伤恢复提供了更高的能量,提升了损伤愈合速度,同时使氯化钠重结晶密度增加,从而提高了损伤恢复程度。

急倾斜煤层煤岩变形局部化特征现场监测

急倾斜煤层开挖扰动区煤体动态变形具有明显局部化特征,易诱致动力学破坏。以大洪沟矿巷道动压防治为目标,通过煤岩局部化变形指标分析,室内测试、现场光学观测和表面变形监测等方法,定量分析了动压巷道两帮和顶板不同深度的侧向与垂直变形及演化特征。结果表明:巷道局部化变形差异性显著,在两巷交汇区域,B3巷道最大侧向变形达0.5 m,顶板最大垂直变形达0.6 m.确定动压破坏严重区域范围为15.0～20.0 m.这为现场灾害预测和调控提供判据。

基于节理岩体损伤本构的洞室位移反分析研究与应用

基于对洞室位移反分析中开挖扰动区处理方法的总结分析,探讨将节理岩体损伤本构应用于反分析研究中的实现方法。通过FLAC3D预留的二次开发接口,修改其内置应变软化模型的数值计算格式,即对位于屈服面以外的应力点采用修正应力张量分量的方式替代主应力修正的方式,使修改后的本构模型可适用于各向异性的节理岩体,同时结合FISH语言编制的节理裂隙几何参数随开挖过程的演化程序实现对节理岩体等效柔度张量的更新,从而完成节理岩体损伤本构的FLAC3D二次开发。采用基于支持向量回归机与PSO-DE优化算法的增量位移反分析方法,应用该本构模型对思林水电站地下厂房围岩参数进行反分析。研究结果表明：对于开挖于含成组展布且相对结构尺寸为小量的断续节理岩体内的地下洞室位移反分析问题,将节理岩体损伤本构引入其中是一个很好的尝试,扰动区内围岩的等效弹模平均降低约为20.13%,计算增量位移值与量测值的相对误差在7.54%~16.56%,反分析成果是合理和可靠的。

压密试验中破碎岩石压密特性的本构方程及数值模拟分析

在以往室内压密试验的基础上,利用变量依存性本构方程对压密试验中试样的压密特性进行数值模拟。本构方程中,假定岩石破坏速度随着破坏接近度Sv的增加而增大;将破坏接近度扩展到三维应力状态,且在破坏接近度为负值的区域,引进强度恢复参数Hp(Hp=-Sv);通过假定压密岩石强度的恢复程度依赖于恢复参数Hp,对本构方程进行修正。从数值模拟结果可以看出:在压密过程中依存性变量λ逐渐变小时,修正后的本构方程可以描述压密过程中岩石的性质;尽管还需进一步研究和完善修正本构方程,但其具有较强的应用前景,能够较好地描述压密试验中破碎岩石的压密特性,解释地下建筑物围岩开挖扰动区的恢复现象。

压密试验后破碎岩石的透水系数试验研究

通过室内试验研究探讨了破碎岩石压密后试样的透水系数降低.对于田下凝灰岩、来待砂岩、河津凝灰岩、三城目安山岩、本小松安山岩等5种岩石,在MTS伺服试验机下压碎空心钢制圆筒中的岩石试样,并持续加载压密至指定的最大轴向荷载.卸载后将钢制圆筒取出置于自制的试验装置中,利用变水头透水试验求解压密后试样的透水系数.试验结果表明,压密后的岩石试样的透水系数变小,透水系数的对数值与压密试验中的最终的轴向应变成反比例关系,且与压密试验中最大轴向应力/完整岩石单轴抗压强度的比值的对数值成反比例关系.挖掘扰动区内的部分岩石在满足一定的支护条件下,强度恢复和渗透性降低是值得期待的.研究结果可以为建立挖掘扰动区损伤恢复模型提供参考依据.

深井巷道掘进围岩演化特征模拟与扰动应力场分析

深井巷道围岩扰动应力场与开挖扰动区的形成密切相关。然而,受现场地质条件和监测技术制约,尚难以准确获得围岩扰动应力的演化过程。为此,首先通过原位监测得到深井巷道围岩开挖扰动区的演化特征;然后,基于监测结果利用反分析的方式构建能较为准确地模拟围岩开挖扰动区演化特征的数值模型;最后,通过这一模型分析了深井巷道掘进过程中围岩扰动应力场的演化特征。研究结果表明:当工作面未掘进至监测断面时,由于工作面前方岩体空间约束,测点应力值基本没有变化;当工作面掘进过监测断面后,巷道帮部、顶底板的主应力大小和方向均发生了变化;通过对比扰动应力场与原位监测得到的开挖扰动区的演化特征,发现两者的部分演化特征较为相似。

渗流-应力耦合作用下高孔低渗泥岩渗透特性演化模型

围岩渗透特性演化是地下工程稳定性分析的一项重要研究内容.以某泥岩高放射性核废料处置库工程为背景,结合相关室内试验和现场试验成果,以泥岩力学损伤为主线,建立了泥岩渗透性演化数学模型;结合处置库巷道围岩孔隙压力的多年观测资料,通过建立能够反映实际施工过程的计算力学模型,采用精确罚函数法以及Nelder-Mead优化算法相结合的有限元反分析程序,对巷道围岩渗透性参数进行了反演研究.结果表明:反演所得的泥岩渗透率数量级与试验值相同,孔隙压力沿围岩径向分布规律一致,反演孔隙压力值与实测值比较接近;围岩扰动区最大渗透率是原岩的381倍,围岩的损伤分布形态与渗透性扰动区相似,均近似为椭圆形.研究成果对软岩隧洞长期稳定性的预测与预报具有一定的参考意义.