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。

爆破地震波在结构面的传播特性与结构面倾角判断

地震波斜入射结构面时,会产生2种不同类型的透射波,引起波场极性变化。采用弹簧模型描述非充填型结构面,运用弹簧模型讨论爆破地震波在结构面的传播特性。研究结果表明,爆破地震波在结构面处的波形转换系数以及P,SV波峰值比和偏振角的变化规律均能有效反映结构面刚度和入射角变化。结合现场试验方案,提出计算P,SV波峰值比和偏振角的方法,建立偏振角与入射角和结构面透射系数的关系;由现场试验数据得到空间各测点的P,SV波峰值比和偏振角的变化规律,进而确定结构面倾角。现场试验结果表明,根据各测点的P,SV波峰值比和偏振角变化规律可以准确确定结构面倾角。

三轴试验下结构面倾角对制备岩样力学特性的影响

结构面倾角对岩样的力学特性有很大影响。人工制备了结构面倾角为15°、30°、45°、60°(水平面为0°面)的单贯通结构面岩样和完整样,并进行了单轴压缩试验和围压为100、200、300 kPa的三轴压缩试验来探讨结构面倾角对其力学和变形特性的影响。试验结果表明:①当倾角小于等于30°时,出现了岩样应力-应变曲线中典型的4个阶段。而当倾角等于45°和60°时,最后阶段变为先软化再硬化的特征;②结构面岩样均先体缩再体胀。随着围压增加,体缩最大值接近,而体胀呈明显减小趋势。随结构面倾角增加,体缩呈缓慢增长趋势,并在30°和45°时出现体缩突变。而体胀显著的减小。最后,指出了耶格尔单结构面判据的不足,并对其进行了修正,验证结果表明改进的耶格尔判据与试验结果吻合较好。

不同结构面倾角对深埋隧道开挖方法的影响规律研究

某深埋公路隧道地质条件复杂,围岩软硬交替,且具有高地应力特点,施工过程中多处出现挤压掉快、支护结构扭曲等现象,对隧道施工安全造成严重威胁。结合隧道施工过程,利用有限差分软件FLAC3D对隧道围岩稳定性进行数值模拟分析,对比分析不同结构面倾角下全断面法和下导洞超前开挖法模拟计算结果。结果表明:结构面倾角对软弱围岩区位移和塑性区分布特征影响较大,坚硬围岩区影响较小;两种开挖方法下隧道周边位移和塑性区分布特征基本一致,所得结论可为同类隧道的设计、施工和研究提供参考。

结构面倾角对岩块力学特性影响的离散元模拟

结构面的存在对岩块力学性质具有弱化作用，为揭示硬岩岩样单结构面倾角α大小对其力学性质影响的变化规律，同时检验Jaeger单结构面理论模型的可靠性，基于PFC2D建立了完整岩样及α分别为0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°的双轴模型进行试验。研究表明：①α介于45°～75°时，试样沿结构面滑动，其余均为贯穿结构面的剪切破坏，围压增大使α＝75°试样的破坏模式向贯穿结构面剪切发展；②α＝60°时，位移场与完整岩样存在明显差别，其破坏模式不受围压影响；③试样微裂纹主要由切向黏结破坏引起，当强度超过峰值后法向黏结破坏逐渐增加，相同围压下贯穿结构面破坏引起的微裂纹数比沿结构面滑动的多；④结构面倾角和围压对试样峰值强度、轴向等效弹性模量和峰值前应变具有明显影响，理论的结构面倾角阈值并不明显存在。

不同结构面倾角及间距下煤柱变形分析

针对目前的煤柱变形研究大都将煤柱处理为连续体,没有考虑煤柱中广泛存在的结构面破坏及失稳问题,采用3DEC软件对不同结构面倾角及间距下煤柱最大主应力及变形量进行了数值模拟,结果表明:煤柱最大主应力随结构面间距增大而增大,随结构面倾角增大而减小;随着结构面倾角的增大,结构面间距对煤柱最大主应力的影响越来越小;煤柱变形量随结构面间距增大而逐渐减小,随结构面倾角增大而增大;当结构面间距小于1.5m,结构面倾角大于45°时,煤柱变形量显著增大。

含倾角结构面的胶结充填体动态力学特性研究

为探求充填过程中多次充填产生不同倾角充填面对充填体产生的影响,制备含不同倾角结构面的胶结充填体(CTB)试件以及完整试件,并采用分离式霍普金森压杆(SHPB),对CTB试件进行单次与循环冲击破坏试验。试验得出:在单次冲击试验中,完整试件峰值应变和平均应变率小于含结构面倾角的试件,随着试件倾角的增加,试件的动态抗压强度逐渐降低;含结构面倾角试件表现出两种不同的应力-应变曲线特征。循环冲击试验下,结构面倾角越大试件抵抗冲击的能力越弱;含结构面倾角试件在第一次循环冲击下的应力-应变曲线与完整试件特征一致,而当循环次数增加时,应力-应变曲线特征与单次冲击下类似,在达到动态峰值应力前后,出现了显著的低应力波峰现象。随着结构面倾角的增加,充填体基体之间结构的致密性降低,导致结构面上裂纹数量的增多以及裂纹宽度的扩大,在微观结构上验证了结构面倾角的增加会引起结构面处剪应力的增大及充填体破坏模式发生改变,同时充填体容易沿着结构面处发生断裂。

不同倾角隐伏结构面类岩石材料动力学破坏特性试验研究

为探究不同倾角隐伏结构面岩体的动态力学特性与破坏规律,使用相似模拟材料制作完整试件和不同倾角的隐伏结构面试件,并利用改进的分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统,以不同速度对试件进行单次破坏冲击和循环冲击试验。研究结果表明:在单次破坏冲击下,随结构面倾角增大,试件的平均应变率逐渐增加,峰值应变出现先增大后减小的趋势;含隐伏结构面试件动态应力-应变曲线的裂纹扩展阶段出现明显的应力“双峰”现象,试件破坏出现弧形剪切裂纹,与张拉裂纹垂直;随着结构面倾角增大,剪切裂纹更易出现且逐渐向试件端面靠近。循环冲击下,试件累计冲击总次数随结构面倾角增大而减少;含隐伏结构面试件应力-应变曲线并没有出现单次破坏冲击下的应力“双峰”现象,但随着冲击次数增加,应力-应变曲线的裂纹扩展阶段有逐渐下凹的趋势;含隐伏结构面试件的宏观裂纹演化过程为张拉裂纹萌生—张拉裂纹发育扩展—剪切裂纹形成—裂纹相互贯通破坏。

基于真三轴卸载试验不同倾角组合煤岩力学特性研究

为深入研究煤炭开采过程中顶板结构面倾角对煤岩力学特性的影响,通过自主研发的地声过程模拟试验系统,开展不同结构面倾角条件下组合煤岩真三轴加卸载试验,并利用声发射探测系统进行监测。研究结果表明:随着结构面倾角的增大,试样的破坏强度逐步下降,裂隙发展也逐渐减弱,其破坏形态从张拉剪切破坏逐渐向剪切破坏转变,直至倾角达到40°时,试样整体发生滑移破坏;在卸载破坏前,倾角<30°的试样发生充分的塑性变形,其承载力得到充分发挥,而倾角≥30°的试样达到临界破坏极限时迅速破坏,出现部分或完全滑移破坏;声发射信号集中于卸载破坏阶段,试样的结构面倾角越大,声发射累计计数越少,当倾角达到40°时发生滑移破坏,最大振铃计数大幅下降,对其累计计数略有影响。研究成果可为深入认识顶板结构面倾角引起的卸载破坏机制及矿山安全开采提供参考。

中缓倾角结构面分类及其抗剪强度的研究

西南某坝区中缓倾角结构面具有分别倾向上游和下游的空间分布规律。根据结构面接触情况,首先将结构面分为刚性结构面和软弱结构面两大类。其中,刚性结构面属于裂隙型;软弱结构面根据其物质组成和结构特征,可以细分为岩块岩屑型、岩屑夹泥型、泥夹岩屑型3个亚类。断层类结构面具有垂直于断层走向,由高高程到低高程,由泥夹岩屑型→岩屑夹泥型→岩屑砾型→裂隙型逐渐过渡的发育规律。最后在分析抗剪试验资料和分类及发育规律的基础上,提出了抗剪强度指标的建议值。

结构面产状对深埋互层隧道稳定性影响与变形控制研究

深埋互层隧道极易发生大变形,严重危害隧道施工安全。以中兰客专尖山隧道为依托,对不同结构面产状、不同角度和长度的锚杆等工况进行数值分析,结果表明:层理面倾角对隧道周边位移影响较大,且当层理倾角与地应力方向呈一定角度时,支护结构受明显偏压作用;隧道轴向与层理面的夹角对隧道开挖轮廓附近围岩水平变形影响显著。在系统锚杆支护的基础上进行锚杆布置角度和长度的优化,并对其支护效果进行评价。现场采取优化锚杆角度和长度技术措施后,深埋互层段隧道稳定性和变形控制效果良好。

从力矩效应和地下水分析缓倾角结构面成因

在岩石剪切破坏中引入力矩模型并就剪切破坏过程进行了分析。在发生剪切破坏时岩石的破坏带有一定宽度,剪切带上的剪应力和支持力不是均匀分布的,在剪切过程中存在一个调整过程,并在局部集中,导致了剪切力矩的存在。当轴向压力σ1较小时,支持力和剪切力都很小,可视为均匀分布;随着σ1的增大,支持力和剪切力都增大,出现非均匀分布,局部表现为应力集中,出现局部破坏,而在整体上表现为力矩平衡。当剪切力矩大于支持力矩时,宏观上剪切破坏出现;分析研究了地下水引起的接触面积的变化,由此并推导了静水压力情况下结构面的稳定性。随着水压力p的增大,除了对岩体材料力学性质的弱化外,结构面上有效压力σn和结构面上、下岩体的接触面积率λ变小,使得发生失稳破坏的临界角θ降低,也就是发生滑动的条件更容易满足。

对坝基岩体内缓倾角结构面的初步研究

研究缓倾角结构面的成因类型、发育特征及分布规律、自然特征及定量描述方法等工程地质特性,对坝基稳定具有重要的工程意义。

含不同倾角结构面的重力坝坝基深层抗滑稳定研究

为研究存在不同倾角结构面时的重力坝坝基深层抗滑稳定问题,基于超载理论的地质力学模型试验,对含双倾斜结构面的某水利枢纽中的C#坝段进行破坏试验,得到坝基的破坏机理及超载安全系数Kp=3.0;采用有限元,对天然坝基存在的不同倾角结构面进行多种组合计算分析,得到含单倾斜结构面坝基超载安全系数Kc=2.6,双倾斜结构面坝基超载安全系数Kc=2.4。研究结果表明:对于含双倾斜结构面的重力坝坝基,模型试验与有限元计算所得的大坝破坏失稳过程相似,模型试验得到的超载安全系数略大于有限元计算所得超载安全系数;含不同倾角结构面重力坝坝基,其失稳滑动模式和破坏机理均不同。研究采用两种不同的方法进行对比分析,相互验证,揭示了含不同倾角结构面重力坝坝基深层滑动的破坏机理。

结构面对板岩力学特性影响研究

运用单弱面理论研究含单组结构面的板岩岩体抗压强度随结构面方位的变化情况,建立了相应的一维、三维抗压强度的变化规律。将该规律运用到南水北调西线的板岩试验结果分析中,研究结果表明:(1)运用单弱面理论建立的强度变化规律较好地吻合了单轴、三轴试验结果,可以认为正确反映了板岩的强度变化规律;(2)当结构面倾角在51.7°左右时,板岩的抗压强度取得最小值;并以此为对称中心,倾角向大小两个方向变化时,抗压强度逐渐增大,到一定角度后将变为岩块的强度;(3)板岩的破坏形式随结构面的变化而不同,可以产生沿结构面滑移、剪切破坏及复合破坏3种类型的破坏形式;(4)围压的增大会使得板岩的破坏方式由复合破坏向剪切破坏转变,结构面的密度对岩体的强度影响不大。

含结构面板岩变形特征分析

在三轴压缩实验基础上,研究含一组结构面的板岩在不同湿度与压力下的力学特性及变形规律,利用Hoek-Brown强度准则分析了板岩的破坏特征,建立了相应的岩体强度准则与力学参数求取方法;利用FLAC程序模拟计算了不同埋深条件下板岩岩体中开挖隧洞后洞周变形规律,分析了岩体变形特征。研究结果表明:1)基于Hoek-Brown准则建立了含结构面的板岩岩体强度破坏准则,确定出的不同地质条件下板岩岩体力学强度参数;2)扰动程度对岩体强度参数有较大的影响,且影响程度随着隧洞埋深的增加而增大;3)数值模拟结果显示,西线工程软岩隧洞的围岩变形主要受开挖断面、埋深及物理力学参数等多因素的影响。

葛岙水库缓倾角结构面深层抗滑稳定分析及处理

本文以葛岙水库工程为例,描述了主坝河床15#~17#坝段坝基开挖揭露的缓倾角结构面产状、走向等,并详细分析了计算条件及参数,然后采用规范推荐的等安全系数法进行计算分析。根据计算成果,提出了一些进一步确保坝体安全稳定性的缓倾角结构面处理措施,以期为类似坝基地质情况的重力坝工程提供参考。

非贯通锯齿状结构面剪切破裂演化机制试验研究

岩体是由岩石和结构面两部分组成,结构面对岩体的变形和破坏常常起决定性作用。在工程中,所遇到的岩体多为非贯通结构面岩体,研究非贯通结构面岩体的破坏模式和强度准则具有非常深远的意义。利用人工浇铸的非贯通锯齿状结构面试样,基于控制变量法,通过直剪试验,研究在不同轴向压力下不同结构面倾角的非贯通锯齿状结构面的变形破坏特征及抗剪强度变化规律。结果表明:随着预设结构面倾角及法向压应力的增大,非贯通锯齿状结构面的破坏机制会逐渐由拉剪-剪胀破坏、拉剪-剪胀剪断破坏向剪切破坏转变,且其抗剪强度也会增大,并据此修正了抗剪强度经验公式。

娘娘滩坝基缓倾角结构面工程地质性质分析及评价

通过对娘娘滩坝址区中生代花岗岩体中缓倾结构面特征的分析,探讨了花岗岩地区缓倾角结构面的生成机制和工程地质性质,评价了缓倾角结构面对坝基(坝肩)抗滑稳定性影响。

岩体高倾角结构面抗剪试验方法探讨

岩体高倾角结构面抗剪试验较平缓倾角结构面抗剪试验而言，无论在试体加工或试验技术方面，其难度和复杂程度都将增加不少。笔者就福堂水电站、狮子坪水电站为满足地质要求所开展的、近９０°高倾角岩体结构面的抗剪试验方法进行技术总结。试验表明：其成果与平缓倾角结构面抗剪试验值类比无显著差异。反映了高倾角岩体结构面在一定的地质条件下特有的强度特性。