深部硬岩开挖损伤区时效行为的中间主应力效应研究

为探究中间主应力对深部硬岩开挖损伤区时效行为的影响,基于Perzyna弹粘塑性理论和应变能理论及考虑中间主应力的三维屈服准则,建立了硬岩蠕变全过程的粘塑性损伤耦合本构模型,并将其嵌入到工程岩体破裂过程分析软件(CASRock)中,通过比较模拟结果与试验结果,验证了模型和程序的有效性。进一步模拟了锦屏地下实验室二期工程#1实验室的时效行为,并探究了不同中间主应力作用下硬岩开挖损伤区的时效破裂过程,发现硬岩的时效破裂行为表现出明显的中间主应力区间效应;通过总粘塑性应变与中间主应力的等时曲线簇发现中间主应力的区间效应受时间影响;开挖损伤区的存在能促进其内部围岩时效破裂发展,从而扩大塑性区的范围。

开挖损伤区(EDZ)对核素迁移的影响

随着核电的发展,核电站产生的乏燃料处理处置受到了大众的高度关注。通过对嬗变法、稀释法和隔离法等方法的综合对比,目前,高放废物深地质处置是国内外公认处理核废物的最佳办法。在处置库建造阶段,由于开挖使得围岩中应力重新分布,围岩发生扰动,岩体内部原生裂隙出现扩展、连通,产生新生的微裂隙,岩体的渗透系数变大,这种区域即为开挖损伤区(excavation damaged zone,EDZ)。EDZ位于高放废物处置库工程屏障和远场围岩中间,是放射性核素迁移的重要迁移通道。地下水流经深部围岩裂隙与扰动层破碎带发生水岩反应导致成分发生变化,进而影响高放废物中核素释出速率与迁移参数,需要在地下实验室开挖过程中获取大尺度裂隙围岩及扰动层破碎带,建立核素释出和迁移装置,获得地下水侵入深部围岩裂隙与扰动破碎带导致高放废物核素释出与迁移参数变化规律,对于整个地质处置场的安全评价具有重要意义。研究人员通过实验和计算机软件进行模拟分析发现,EDZ区的裂隙水、Eh-pH、裂隙充填物、裂隙中的胶体以及裂隙中的腐殖酸等,均会对核素迁移产生影响。开展EDZ对高放废物体核素源项释放的影响研究和深部围岩条件下核素迁移行为研究,掌握关键核素在深部地质条件下的释出规律及其在EDZ区域和裂隙中的迁移规律,优化迁移模型,将为地下实验室运行阶段开展核素迁移实验提供技术储备,为我国高放废物处置库场址比选、概念设计和安全评价提供技术支撑和科学依据。

深部岩体开挖方式对损伤区影响的试验研究

深埋隧洞开挖过程中,钻爆法和TBM开挖所对应的不同围岩应力调整路径对开挖损伤区的形成有重要影响,但这一影响尚未引起足够的重视。依托锦屏二级水电站深埋隧洞群的开挖,通过损伤区原位检测试验对比分析2种不同开挖方式下围岩损伤区的特性及形成原因;作为现场试验的补充,在考虑锦屏大理岩基本力学特性和应力瞬态调整效应的基础上,采用数值方法比较应力瞬态和准静态调整所分别形成的开挖损伤区大小。试验结果表明,锦屏二级引水隧洞钻爆开挖的洞段,内损伤区(即严重损伤区)深度可以占到总损伤区深度的50%以上,岩体基本失去承载力。另外,此区域在断面上的分布特性受到开挖二次应力场的影响,表明伴随爆破过程发生的地应力瞬态卸载效应是内损伤区形成的直接原因之一;而TBM开挖洞段,内损伤区深度约占总损伤区深度的30%,该区域的形成可能更多地受到锦屏大理岩强度时间效应的影响,是表面应力松弛破坏逐渐发展的结果;考虑锦屏大理岩脆-延-塑性转换特性和应力瞬态调整效应后,可以利用数值计算方法较为客观地估计不同开挖应力路径下围岩开挖损伤区的范围。研究结论对深埋隧洞开挖方式选择及支护策略制定具有借鉴意义。

锦屏二级水电站深埋隧洞开挖损伤区特征分析

在高应力条件下,岩体强度和应力之间的尖锐矛盾将导致围岩出现损伤,损伤是不同应力条件下围岩状态的直接体现。利用声波检测和钻孔电视对锦屏二级深埋引水隧洞的一典型断面进行全断面测试,声波测试结果显示,断面上低波速带断面形态呈不对称状,与断面应力分布也并不完全对应。在每个声波钻孔中补充钻孔电视,对破裂发育深度和围岩内部实际构造特征有了更直观的认识。为对损伤区特性进行更加准确的描述,利用FLAC3D计算在洞周不同位置处关键点的应力路径,对关键点的应力状态进行分析。在UDEC泰森多边形离散的基础上增加对于节理的描述,分析节理对损伤区分布的影响,模拟结果表明,节理的存在改变了隧洞开挖后洞周的应力分布,从而导致围岩破损和破坏区域的差异。最后,借助于颗粒流程序PFC对隧洞开挖后围岩的损伤区进行模拟,所揭示出的损伤局部化特征和损伤区、破裂区分布特征与现场实际具有很好的一致性。

深埋隧洞TBM开挖损伤区形成与演化过程的数字钻孔摄像观测与分析

以锦屏II级水电站3#引水隧洞为研究对象,通过事先开挖的平行于引水隧洞的2-1#试验支洞,利用数字钻孔摄像技术,对TBM掘进过程中围岩的开挖损伤区进行原位测试。基于对一系列不同时段的360°钻孔全景数字图像的综合分析,给出岩体的结构特性,得到隧洞开挖全过程中围岩裂隙的产生、发展和闭合的演化过程,分析该施工条件下的开挖损伤区范围、裂隙演化与TBM施工的关系,并探讨开挖损伤区的形成和演化机制。研究成果为现场支护设计、支护时机、围岩变形特性和地质资料分析提供直接依据。

岩石高边坡爆破开挖损伤区岩体力学参数弱化规律研究

岩石边坡爆破开挖引起的岩体力学性能劣化对边坡稳定具有不利的影响,Hoek-Brown(H-B)准则是快速估算损伤岩体力学参数的有效途径之一。针对白鹤滩水电站左岸834~750 m高程拱肩槽边坡爆破开挖,通过分析爆破后边坡岩体的声波速度,定量确定了H-B准则中扰动因子D的取值及其随深度的变化规律,在此基础上研究了损伤区内岩体力学参数的弱化规律。研究结果表明:随着岩体深度的增加,扰动因子D线性降低,损伤区内岩体变形模量线性增大,岩体单轴抗压强度、单轴抗拉强度、内摩擦角和黏聚力非线性增大;爆破开挖扰动下岩体单轴抗压强度弱化最为严重,内摩擦角弱化程度最小。研究成果可为边坡稳定性分析与支护设计的岩体力学参数取值提供参考。

大岗山水电站地下厂房洞室群围岩开挖损伤区研究

以大岗山水电站地下厂房洞室为研究对象,通过施工阶段的围岩力学性状测试、开挖变形长期监测研究地下洞室开挖损伤区的分布范围和损伤劣化特征。以围岩变形和损伤区实测成果为基础,建立基于正交设计–支持向量机–粒子群算法的反演分析方法。通过对地下厂房洞室开挖损伤区的测试与监测、反演分析表明,损伤区分布范围约为临空面向岩体内部3～7 m范围,其中,围岩类别不同,其损伤区分布范围不同,损伤劣化程度也不同,具体表现为围岩质量越好,其损伤范围越小,但是损伤区岩体损伤劣化程度越高。相关认识是初步的,对类似重大工程的设计施工有一定的参考价值,但还需要进一步开展理论与工程实践研究。

高应力区大尺度隧洞开挖损伤区范围预测研究

通过理论公式和数值模拟方法进行了高应力区大尺度隧洞开挖损伤区范围预测研究。当圆形隧洞开挖后,根据工程经验得到的破坏准则,结合隧洞周围的应力经典求解结果,可以推导出损伤区范围的理论公式,并且水平方向与竖直方向的范围能够直接得到,可以作为估测开挖损失区的实用方法。当把破坏准则与有限元方法结合,能够得到更为精确的损伤区分布,改变隧洞的形状与尺寸,得到主要结论如下:当初始水平应力小于竖直应力时,圆形隧洞的直径增大后,水平方向的开挖损伤区范围比竖直方向更大;隧道形状对开挖损伤区分布范围和特性有着显著影响,在相同地应力和围岩条件下,开挖相同面积的圆形和矩形隧洞,圆形隧洞的损伤区范围比矩形隧洞更小;3当矩形隧洞的宽高比增大后,开挖区附近出现拉应力,水平方向的损伤区范围最大。

深部围岩开挖损伤区数值模拟研究

针对深部围岩体卸荷的特点,引入拉伸应变来描述损伤,得到了岩石损伤弹塑性耦合本构模型,并将其编译为计算软件FLAC的用户自定义本构模型。在此基础上,对深部围岩开挖损伤区进行了数值模拟,分析了围岩和支护的相互作用以及不同支护形式对开挖损伤区的影响,为选择合理的支护形式和施工设计等环节提供参考。

岩体开挖损伤区的表征及热-流-力耦合模型:研究现状及展望

地下岩体工程的开挖必然在巷道周边形成了开挖损伤区.认清开挖损伤区的物理力学性质及其时空演化规律,对于工程稳定性和安全性评价及支护参数优化是至关重要的.针对能源深部战略储备和核废料深部地下处置等工程问题,近年来岩体开挖损伤区表征及其热-流-力(THM)耦合模型方面取得了较大的进展.文中对岩体开挖损伤区的表征方法及岩体多场耦合模型的研究现状进行了综述和归纳,对其中的一些关键和热点问题进行了分析,并对今后需要开展的研究工作提出了一些看法.

结晶岩开挖损伤区的温度–水流–应力–化学耦合研究

介绍国际合作研究计划DECOVALEX-THMC的TASKB关于结晶岩开挖损伤区温度–水流–应力–化学耦合研究的部分进展情况,给出结晶岩开挖损伤区温度–水流–应力–化学耦合研究的基本研究思路,以典型地下实验室(如瑞典?sp?硬岩实验室)的试验为基础,进行开挖损伤区的形成与演化机制规律分析,建立弹性、弹塑性、黏弹塑性的THMC分析模型,开发高效的数值分析软件系统,并分析结晶岩开挖损伤区温度–水流–应力–化学耦合作用行为,通过各个研究小组背靠背的研究,然后进行成果对比、相关专家对分析结果的技术审查,以及修改和更新,以获得比较准确模拟结晶岩开挖损伤区的THMC模型。在此基础上,形成结晶岩开挖损伤区温度–水流–应力–化学耦合研究工作指南,为高放核废物地质处置研究工作提供理论、方法和技术支持。

开挖损伤区近场模型THM耦合过程的BMT模拟

以正在进行的大型国际合作项目DECOVALEX-THMC为背景,利用自行开发的弹塑性细胞自动机模拟系统,对开挖损伤区近场模型域进行程序校验(BMT)模拟研究,揭示高放废物从处置开始直至1×106a的演化过程中,裂隙的存在对开挖损伤区力学性能的影响。首先进行的是弹性分析,研究对象包括开挖损伤区近场均质模型和包含复杂裂隙网络的非均质模型域,该裂隙网络是瑞典?sp?硬岩实验室根据裂隙映射得出的真实裂隙网络分布。引入简单的弱化参数表达式,用弱化元胞单元来代表模型中的复杂裂隙网络,以模拟裂隙的软化效应。采用项目指导委员会提供的随时间变化的温度、应力、水流边界条件,模拟地质围岩从开挖、核废物处置、加热100～1×106a的力学演化过程。模拟结果显示,裂隙的存在对应力场、变形场和破坏过程有较大的影响,并将模拟的结果与国际上其他研究小组的模拟结果进行对比,吻合较好,说明该模型和方法的合理性,并可适合于该项目下一步的研究工作。在此基础上,采用弹塑性细胞自动机模拟系统,对裂隙网络模型和均质模型进行弹塑性破坏过程分析,结果表明,由于裂隙的存在,裂隙网络模型的破坏过程更加复杂。

脆性岩体开挖损伤区范围与影响因素研究

在脆性岩体地下工程开挖损伤区中,由应力导致的围岩损伤破裂占据主要地位。基于地下洞室开挖破坏数据库,修正了Kaiser等人提出的预测硬岩损伤区深度的经验公式,通过考虑原位应力比的影响,修正后的经验公式在拟合优度和预测准确性方面均有了一定程度的改善。为进一步研究开挖损伤区的范围及影响因素,提出了起裂判据CIC作为损伤区的力学表征指标,经对比验证,采用CIC判别的损伤区深度与经验公式预测值及现场实测值较为吻合,表明CIC作为损伤区表征指标具有较好的可行性;在CIC基础上,分析了洞室形状、方位对围岩诱发应力和损伤区范围的影响,研究表明,在高地应力场条件下,"谐洞"并不是最合理的洞形,而通过在小主应力方向上设置小曲率半径,可将高压缩应力限制在局部范围内,从而避免洞室围岩大范围的损伤破裂。相关认识和结论具有一定理论和工程意义。

北山坑探设施开挖损伤区现场声发射监测试验研究

为研究爆破开挖对围岩的损伤,在高放废物地质处置地下设施(北山坑探设施)开展了开挖损伤区(EDZ)的研究。对多个爆破回次开挖全过程进行了声发射监测试验,根据声发射撞击数演化特征,将爆破开挖围岩的损伤过程分为爆破损伤段和渐进损伤段,分析了声发射信号频率演化规律。根据两阶段信号参数特征分析了对应阶段微破裂机制,通过高频探地雷达圈定了开挖损伤区范围,发现各回次开挖损伤区的厚度与声发射撞击数具有较好的相关关系,并分析了室内及现场试验岩石(体)的"蠕变"特征与声发射演化规律。分析认为,爆破后声发射演化特征是围岩渐进损伤过程的直接体现,渐进损伤在位移上表现为"蠕变"特征,声发射能有效地表征围岩的变形过程及其所处的损伤状态。研究成果对声发射现场应用表征围岩的损伤状态具有一定参考价值。

高放废物处置库围岩开挖损伤区研究的关键问题及进展

高放废物(HLW)地质处置是将高水平放射性废物埋存于地下500～1 000 m地质体中,使放射性废物与生物圈长期隔离。地质处置库对核素的长期隔离能力是安全评价的关键课题。地下硐室的开挖将不可避免地对围岩造成损伤,形成开挖损伤区(EDZ),改变围岩的物理力学特性,对高放废物地质处置长期安全性存在潜在的影响。目前多个国家建成了高放废物处置地下实验室,并开展了大型原位开挖损伤区的研究,研究开挖损伤区的形成过程及其物理力学特性的变化。本文综述了国外结晶岩地下实验室开展的开挖损伤区研究,总结了EDZ关键研究问题;梳理了加拿大、瑞典、芬兰3个地下实验室多年来开展的系统的EDZ研究工作,对当前EDZ预测模型及模拟技术进行了总结;对我国地下实验室将开展的开挖损伤区研究工作进行了初步探讨,期望为我国的相关研究提供借鉴。同时,高放废物处置库是地下工程新实践,其EDZ的研究成果,形成的技术方法将对其他行业地下工程的建设,如引水隧洞、公路铁路隧道等也有重要的参考价值。

基于微震监测的高速铁路大跨度过渡段隧道开挖损伤区分布特性及演化规律

基于微震监测技术具有识别岩体损伤位置、程度和大小以及破坏进程的优势,以新建京张高速铁路八达岭长城站大跨度过渡段隧道为研究对象,在隧道地表与洞周布设微震测点,实现立体式、全方位的微震事件监测。根据监测结果,分析围岩损伤区分布特性及演化规律。结果表明:根据微震事件分布密度,可将微震事件分为高密度区、中密度区和低密度区;微震事件累计分布频率为60%的边界可作为高密度区与中密度区的交界,累计分布频率为80%的边界可作为中密度区与低密度区的交界;微震事件高密度区对应为围岩高损伤区,围岩高损伤区受围岩级别和隧道跨度的双重影响,给出基于这2个参数的隧道不同位置处围岩高损伤区深度预测公式;围岩损伤程度采用微震事件的平均矩震级参数标度;围岩损伤区深度与围岩变形之间存在较强的正相关性及阶段性。基于围岩高损伤区深度,进行预应力锚索(杆)设计,结合围岩变形结果,验证了锚索(杆)设计参数的安全性。

高地应力硬脆性围岩开挖损伤区时效性扩展案例分析——特征与机制

硬脆性围岩在开挖完成后,其强度在高应力的影响下具有明显的时间效应,这导致围岩开挖损伤区的发展也呈现出与时间相关的特征。在岩石强度时效性演化模型的基础上,以锦屏二级水电站试验洞钻孔摄像、声波、变形监测等开挖损伤区实测结果为目标函数,采用正交设计方法、最小二乘支持向量机模型、粒子群优化算法等方法,建立了考虑时间效应的LSSVM-PSO智能反演分析方法,并以锦屏二级水电站试验洞为例,研究了开挖完成后的25 d里,围岩强度在高地应力条件下的时效性演化特征,进而获得这一时段内开挖损伤区扩展过程。研究结果表明:(1)高应力地区,隧洞开挖后,围岩损伤区的主要扩展方向受地应力控制,且最大扩展方向为最小主应力方向,且破坏区(破坏接近度FAI≥2)也集中于该方向;(2)开挖损伤区面积随时间近似呈S形曲线变化,表明开挖损伤区初始发展较为缓慢,随着时间推移呈现线性增加的趋势,最后又逐渐趋于稳定;(3)开挖后第3~10 d为开挖损伤区快速增长阶段。该研究成果对高应力地区硬脆性围岩开挖损伤区时效性演化研究具有指导意义。

考虑爆破效应的隧道开挖损伤区及渗流场分析

针对爆破效应对围岩力学参数及渗透系数的劣化问题,根据岩石弹塑性力学、连续损伤力学、有效应力原理及渗透系数演化方程,提出了基于Hoek-Brown准则的岩体弹塑性损伤模型,并给出了模型的有限元数值求解算法.以甄峰岭隧道为工程依托,对所选断面开挖损伤区进行数值分析,通过声波检测手段确定爆破扰动范围及损伤值,修正计算力学参数和渗透系数.结果表明,考虑爆破效应后的开挖损伤区,位移值和涌水量均大于不考虑爆破效应时的数值,进行工程稳定性评价时应充分考虑爆破因素的影响.

节理粗糙度影响下岩体开挖损伤区分布规律

基于Barton-Bandis抗剪强度模型和现场实测的节理粗糙度系数分布模型,采用UDEC程序中的离散裂隙网络模型研究了节理表面粗糙度对裂隙岩体中圆形隧洞开挖损伤区形状和范围的影响,比较了在存在规则裂隙和复杂裂隙岩体中开挖损伤区的异同。节理粗糙度采用能够反映现场实测裂隙粗糙度系数统计结果的正态分布参数,并采用了不同标准差进行对比。结果表明:裂隙岩体隧洞开挖损伤区范围会随着JRC的增大而明显减小;JRC的增大会减小围岩的变形;在JRC符合正态分布的条件下,损伤区范围会随JRC分布标准差的增加而略有增加;复杂裂隙会扩大隧洞周围损伤区,损伤区分布范围也随着JRC标准差的增大而变得不规则。

深层处置库开挖损伤区深度预测

深层地质处置库(DGR)中开挖损伤区(Excavation Damage Zone,EDZ)深度表明三个区域是常见的,并且通常与应力诱发损坏有关。在传统工程软件中捕获损伤的一种方法是损伤起始和剥落限制(DISL)方法且已经评估了使用此方法的适用性,并且建议用于确定在脆性岩体中挖掘的EDZ的深度。通过有限元软件Phase2以北山坑探设施横断面结构形式在700m深度进行开挖模拟,围绕开挖过程中岩石的损伤特性、EDZ的形成机理、深度预测、EDZ数值模拟方法等一系列问题展开研究。研究发现:岩石从高损伤区进入损伤区的迹象是:最小主应力逐渐增大,体积应变与剪应变急剧减小;损伤区内、外边界的分区指标是体积应变趋于零,屈服百分率急剧下降;屈服百分率减小到零时,标志着从损伤区向影响区的过渡;对于深层处置库,上述分区方法为准确确定损伤区域中每个区域的深度提供了新思路。