深部高应力、超厚软岩体下大断面巷道施工支护技术与应用

深部高应力、超厚软岩体自身膨胀给巷道带来支护困难的问题,采用高强锚杆+锚网喷支护技术不能解决困难巷道支护的稳定,通过实践对巷道顶板的下沉和两帮的收敛量数据统计计算,分析巷道破坏机理,适当的优化原设计巷道掘进断面,在巷道压力释放周期结束后采用大型号U型可缩性金属支架再喷浆封闭的复合支护技术,能有效地控制大断面巷道变形,达到了预期支护效果。

软-硬互层岩体节理峰前循环剪切疲劳损伤机理研究

三峡库区频发微小地震下岩体节理循环剪切疲劳损伤对边坡动力稳定性具有重要影响。通过室内峰前循环剪切试验和PFC2D细观数值计算,研究了考虑一阶起伏角、含水率、剪切速率、剪切幅度、法向应力及循环剪切次数影响的软-硬互层岩体节理宏细观疲劳损伤机理。研究表明:①岩体节理剪切应力-剪切位移曲线历经初始非线性压剪变形、近似线弹性压剪变形、循环剪切疲劳损伤变形、应力缓升压剪变形、应力陡升压剪变形及应力脆性跌落压剪变形六个演化阶段。②岩体节理峰值(残余)剪切强度和疲劳剪切(法向)位移在相同一阶起伏角、含水率、剪切速率、剪切幅度或法向应力下随循环剪切次增多而分别降低和增大;且其在相同循环剪切次数下随一阶起伏角或法向应力变大而分别增大和降低,而随含水率、剪切速率或剪切幅度变大则分别降低和增大。③宏细观结果总体上吻合较好,且岩体节理细观剪切疲劳损伤裂纹数量随剪切位移变化呈前期微增-陡增、中期缓增及后期陡增-缓增-陡增的发展特征,而其随循环剪切次数变化则呈前期陡增和后期缓增的发展特征。④岩体节理宏细观剪切疲劳损伤典型演化过程可概述为压密-起裂破坏、循环错动-贯通破坏及分离-啃断破坏3个渐进性发展阶段,且宏细观剪切疲劳损伤裂纹近似呈“倒U形”密集分布于岩体节理附近。

软硬层叠岩体巷道分级支护方法及其应用

针对软硬层叠岩体巷道稳固性差异大,巷道支护质量参差不齐、支护成本高、掘进速度慢等问题,采用综合方法对软硬层叠岩体巷道围岩进行分级,结合技术标准要求和典型巷道支护工程实践经验,提出了软硬层叠岩体Ⅰ~Ⅴ级巷道的支护方式及其参数指标范围。在蒙库铁矿床东矿段铁矿典型软硬层叠岩体工程地质条件下,巷道分级支护设计和施工简洁高效,应用效果明显。

深部软破岩体巷道失稳机理分析与支护优化研究

为解决锦丰金矿深部回采过程中巷道失稳问题,通过分析原巷道支护方案失效特征,进行了深部巷道变形破坏机理分析,并据此提出了以“控制高应力+封闭岩面阻止围岩劣化”为原则的三套支护优化方案,综合采用FLAC3D数值模拟及现场监测两种手段,对原支护方案以及优化方案分别进行了支护效果对比分析。结果表明:变形破坏机制属于应力扩容型与软化膨胀型,受自身矿物组分特性以及以高应力为主导力源共同影响、控制,其破坏机理以剪切破坏为主,少量拉伸破坏并存;在支护效果控制上,湿喷混凝土一、二次支护喷层厚度并不起决定性作用,但二次支护时各锚杆单体之间所形成的联合支护体支护效果,随二次喷层厚度优化而得到显著改善;现场试验结果与模拟结果一致,“钢网+树脂锚杆+纤维混凝土”联合支护优化方案为最优方案,支护效果显著,两帮、顶板累积位移量较原方案分别下降了48.67%、72.85%。

动力荷载下软硬互层岩体力学特征

针对动力荷载下软硬互层岩体破坏问题,以汶川水磨沟滑坡层状岩体为研究对象,依据相似理论,制作软硬互层岩质试块,开展单轴压缩及变上下限等幅值循环荷载试验,研究其动力特性及破坏过程。结果表明:随岩层倾角的增大,其破坏模式为贯通层面的张拉破坏(0°~30°)、沿层面的剪切破坏(45°~75°)及沿层面的劈裂破坏(90°),而试样的强度及应变先增后减。对于相同倾角的试样,强度随加载频率及围压增大而增大。应变随加载频率增大而减小,随围压增大而增大。加载频率的增大会导致竖向拉张裂缝贯通、破裂程度降低。

考虑裂隙的含孔洞软岩体力学特性模拟分析

天然岩体常含有节理裂隙与孔洞等缺陷,为研究含4条均布不同倾角裂隙、中心孔洞软岩体在单、双轴作用下的力学特性与破裂模式,基于自行配制的石膏试样的基本物理力学参数,采用FLAC3D对加载情况进行模拟。结果表明:1)单轴压缩条件下,根据裂纹分布规律的不同,提出了3种破裂形态,分别为"X破裂形态"(α=90°)即裂隙的存在与否对试样破裂模式几乎无影响、"完全破裂形态"(α=0°)即围绕中心圆孔试样出现贯通破碎带、"中间形态"(α=45°)即剪切裂纹呈近似45°扩展至试样边界;2)试样单轴、双轴峰值强度和脆性指标与裂隙倾角密切相关,随倾角增加呈现先减后增的"对勾"形趋势;3)侧压力增加,试样峰值强度呈对数形式增长,45°倾角裂隙试样峰值强度对侧压力敏感度最高;4)双轴压缩对比单轴压缩,新生裂纹数量显著减少,细长裂纹转变成片状破碎区域。

反倾软硬互层岩体边坡地震响应的数值模拟研究

反倾软硬岩体互层边坡是公路建设中经常遇到的一类边坡,在不利条件下有失稳破坏的可能,特别是在坡脚受到扰动、降雨、地震等作用时。以"5.12"地震期间都汶公路(都江堰—汶川)上一处边坡的地震响应为例,采用离散元UDEC软件对其进行模拟,系统研究了其地震响应的变形破坏机制。研究结果表明,地震作用下,软弱岩层挤压变形强烈,有向外剪出的趋势。同时,在地震波反复拉张作用下,软弱岩层位置容易开裂,成为坡体变形破坏的优势拉裂区域。地震波加速度、速度随高程变化放大显著,在坡体表部位移量随高程增高而逐渐增大。就整体而言,岩体内部的节理裂隙进一步张开,并产生了一些新的裂隙,弯曲倾倒有加剧的趋势;而坡表覆盖层普遍具有表部拉张开裂和掉块现象,特别是在地形几何形态突变处,破坏更为显著。

让压开拓技术在眼前山铁矿深部高应力软破岩体中的应用

眼前山铁矿上盘开拓工程一般布置于软破岩体之中,随着开采深度的不断增加,上盘开拓工程在深部高应力作用下变形破坏严重。通过调研查明了矿山深部地压的显现部位及显现形式,分析了开拓巷道在深部地应力作用下的稳定性,并计算了上盘楔形体对开拓工程施加的附加应力,最终提出了让压开拓方案及让压参数的确定方法。实践证明,让压开拓方案可以有效减小深部高应力对上盘软破岩体中开拓工程的破坏作用,同时可为每个中段节省500 m左右的开拓工程量,为矿山带来较好的经济效益。

软硬互层岩体卸荷蠕变力学特性试验研究

利用岩石全自动三轴蠕变仪对锦屏二级水电站辅助交通洞典型灰白色细晶大理岩与绿片岩软硬互层岩样开展卸荷蠕变试验,得到岩样轴向、侧向典型的蠕变全程曲线。蠕变试验结果表明:围压较高时,试样的轴向与侧向变形随时间的推移变化不大,蠕变现象不明显;随着围压逐渐减小,试样的蠕变变形越来越显著,在最后一级出现了典型的蠕变3个阶段并发生了非线性加速蠕变现象直至试样破坏。软硬互层岩样三轴卸荷蠕变破裂形式主要以剪切破坏为主,局部伴随着一定程度的张拉破坏,主裂纹与水平面大致呈45°角,剪切破裂面较为单一平整,且破坏面基本是沿着强度较低的绿片岩层理内部并平行于层理面产生和扩展贯通而形成的。在加速蠕变阶段之前,其侧向蠕变变形比轴向蠕变变形小,但试样处于加速蠕变阶段时,侧向蠕变变形量与蠕变速率均要高于轴向蠕变;这表明随着时间的增长和围压的降低,岩样的侧向蠕变比轴向蠕变更为灵敏,而且体积扩容效应显著。卸荷条件下,蠕变力学参数表现出较为显著的非定常性规律,当外荷载小于岩样长期强度时,岩石卸荷蠕变力学参数与卸荷量有关,随着卸荷量的增大逐渐弱化;当外荷载大于岩样长期强度时,岩石卸荷蠕变力学参数不仅与卸荷量有关,而且还与蠕变时间有关。

软硬互层岩体模型单轴压缩破损规律研究

鉴于正确认识软硬互层岩体力学特征、分析其变形和强度规律,是大型岩体工程设计和施工需解决的关键问题,开展了一系列的物理模型试验和数值模拟试验,研究了软硬互层岩体的力学特征,探讨了互层的存在以及倾角变化对岩体变形破损的影响规律。结果表明,当岩层倾角由0°增加至90°时,试样的单轴抗压强度存在明显差异,抗压强度随岩层倾角的增大呈U型分布;试样的破损特征随倾角变化和分层变化呈不同破坏形态,破裂面主要沿软硬分层薄弱面发育,层间破坏主要由软弱分层的破坏引起;软硬分层薄弱面处切应力明显增大,相邻软硬夹层的应力分布有明显间断。

重庆市涪陵区厚层软硬相间岩体失稳模式

重庆市涪陵区厚层软硬相间公路高边坡的详细调查发现,不同的岩层产状,不同开挖方向其斜坡变形破坏模式不同。本文根据野外实例总结了不同岩层产状与开挖方向对应的破坏模式,平缓层状斜坡破坏方式有滑塌式崩塌、倾倒式崩塌和坠落式崩塌;中倾角层状斜坡破坏方式有顺层滑移和崩塌;高陡倾角层状斜坡坡破坏方式有滑移式崩塌和坠落式崩塌。表明斜坡变形破坏地质力学模式与斜坡岩体结构之间存在着密切的成生联系。通过对不同倾角的斜坡岩体破坏方式研究,可以达到系统评价预测斜坡稳定性的目的;通过公路开挖对不同产状岩层可能造成灾害的预期,可以采用不同的预防措施,避免大型灾害的发生。

单一层状岩体和软硬复合岩体单轴压缩破损特征试验研究

针对层状岩体的破损特征开展了一系列的物理模拟试验,分析了单一层状岩体和软硬复合岩体在单轴压缩情况下的破损特征,并对倾角、夹层的变化对岩体破损的影响规律进行了研究。试验结果表明,当岩层倾角较小时,单一层状岩体和软硬复合岩体破坏主要为岩石先破坏,后层间错动破坏,破损模式与无分层的岩石破损相似;当倾角增大时,单一层状岩体的破损以层间的剪切破坏为主,而软硬复合岩体的破坏同时伴有内部硬夹层的劈裂破坏;当角度增大到90°时,单一层状岩体的破坏为沿层间直接破坏,软硬复合岩体则同时伴有边缘硬质夹层的失稳劈裂。

软硬互层岩体结构面宏细观剪切力学特性

针对“软+硬”和“硬+软+硬”组合形式下的2类典型软硬互层岩体结构面,通过开展恒定法向压力下的室内直剪试验和PFC^(2D)细观模拟,研究了不同含水率、法向压力及一阶起伏角下结构面的宏细观剪切力学特性,据此提出了其剪切强度估算公式并进行了算例验证分析。研究表明:①结构面剪切应力(法向位移)随剪切位移的变化具有显著阶段性发展特征,即第1类结构面历经初始非线性压剪变形、应力稳定增长压剪变形和应力陡升-脆落塑性压剪变形3个阶段,第2类结构面历经初始非线性压剪变形、应力陡-缓升压剪变形和应力恒定塑性压剪变形3个阶段;②2类结构面的峰值(残余)剪切强度和峰值剪切位移均随含水率增加而减小(最大法向位移则增大);2类结构面的峰值(残余)剪切强度和峰值剪切(最大法向)位移均随法向压力增加而增大;第1类结构面的峰值剪切强度随一阶起伏角增加而增大(残余剪切强度则先增大后减小),第2类结构面的峰值(残余)剪切强度随一阶起伏角增加而增大,且2类结构面的峰值剪切位移总体上均随一阶起伏角增加而减小(最大法向位移则增大);③2类结构面的细观损伤裂纹数量(能量)随剪切位移的变化均可划分为3个发展阶段,即初期微增、中期近似“下凹弧形”陡增和后期近似线性缓增(裂纹数量)以及初期微增、中期近似“上凹弧形”缓增和后期近似线性陡增(能量);④宏观试验结果与PFC^(2D)细观模拟结果吻合较好,统一概化描述了结构面宏细观损伤劣化机理,并将第1类和第2类结构面的典型破坏模式分别概括为压剪-起裂破坏、错动-脱空破坏和贯通-啃断破坏以及压剪-起裂破坏、磨损-啃断破坏和贯通-滑移破坏各3种基本类型;第1类和第2类结构面的细观损伤颗粒分别近似呈“倒U形”和“S形”分布于剪切面附近,且颗粒间接触力倾角于0°~90°时损伤颗粒数量分布最多;⑤着重考虑硬性岩层起伏度的影响,提出了2类结构面的剪切强度估算公式,并采用极限平衡法和强度折减法对含典型结构面的边坡算例进行了稳定性分析,验证了该公式的合理性。

软硬互层岩体力学及变形特性的离散元模拟

采用离散元软件PFC2D模拟软硬互层岩体渐进破裂过程,研究倾角、软硬层厚比和围压对其力学特性及变形特性的影响。研究结果表明:(1)软硬互层岩体抗压强度、黏聚力、内摩擦角和弹性模量随岩层倾角的增加先减小后增大,随围压的增加逐渐增大,随软层厚度的增加逐渐减小;(2)软硬互层岩体强度与其单结构面理论强度分布规律大致相同,但实际强度没有保持不变的倾角范围,且在最不利破坏倾角α=π/4+φ_(j)/2附近的变化幅度也没有单结构面理论强度明显;(3)硬层中生成贯穿层理面裂隙所需应变随软层厚度增大,增大岩体裂隙数量发展速度随岩体倾角的增加先增加后减小,在45°或60°时达到峰值,围压增大,岩体裂隙发展越充分;(4)软硬互层岩体在岩层倾角0°时为贯穿层理面的张剪破坏,在30°~60°时为沿层理面的剪切滑移破坏,90°时为沿层理面和局部贯穿层理面的复合张剪破坏;(5)围压的增大会诱发岩体发生剪切破坏,而软层厚度的增加可增强岩体破坏时的完整性。

上软下硬岩体条件下隧道取消仰拱可行性研究

以广东省某城市隧道为工程依托,在上导坑围岩较差,而下导坑围岩较好的上软下硬岩体地质条件下,通过采用数值计算对大断面三车道隧道设置仰拱和不设置仰拱的2种工况进行了模拟研究,并对模拟结果进行了综合比较分析,得出在上导坑Ⅳ级、下导坑Ⅲ级围岩(石英砂岩)的地质条件下隧道仰拱是可以适当取消的结论。

水布垭电站地下厂房软岩置换体施工

水布垭电站地下厂房是目前国内地质条件最复杂且最差的地下厂房,岩性以灰岩为主,岩体强度低,完整性差。在主厂房开挖施工前必须对厂房周边岩石进行混凝土置换,以确保围岩不产生较大的变形,保证厂房大面积爆破开挖安全。主厂房置换洞采用小药量、弱爆破及周边孔爆破的形式进行开挖,并适时进行喷锚支护,地质条件较差的地段及时安装随机锚杆、系统锚杆和喷钢纤维混凝土联合支护。主厂房置换洞混凝土衬砌分三层进行。置换体预埋件较金,其位置和倾角必须埋设准确;置换体混凝土层大体积混凝土,其入仓强度应不小于32m3/h,混凝土拌制和运输能力应与之相适应。

软硬互层状岩体的室内单轴压缩试验及数值模拟

以锦屏软硬互层状岩体为研究对象,基于室内试验分析单轴应力状态下岩样的3种破坏模式并结合数值模拟方法,分别探讨层面倾角、软弱夹层数量、分布及所占体积比等因素对互层状岩体变形特性、强度特征及破坏机制的影响。研究结果表明:锦屏互层状岩体的破坏总体遵循单轴压缩破坏的多裂纹劈裂模式,且在缓层面倾角范围内岩体的破坏以岩质材料自身属性为控制,而在较大倾角水平上则以层理弱面的影响为主导因素;软弱夹层数量对于层状岩体的U形强度规律影响不显著,但随着软弱夹层数量的增加,破坏荷载极小值有向层面倾角较小方向前移的趋势;随着软弱夹层所占体积比的增加,破坏荷载总体呈现下降趋势;当软弱夹层所占体积比接近时,软弱夹层数量的增加对岩样破坏荷载下降的影响与岩层倾角大小具有正相关关系,且当岩层水平时,对强度基本不发生影响。

原状软碎岩体室内被动三轴变形特性研究

岩体变形特征是水利水电工程建设中最重要的参数之一,其可以合理地评价岩体的工程特性,并且科学地获取岩体的变形参数,是岩体稳定性分析、水工支护设计和工程地质定量评价的核心内容。岩石三轴压缩强度是岩石物理力学性质之一,系指岩石试件在三向压应力作用下所能抵抗的最大轴向应力。本次研究依托固增水电站引水隧洞工程,采集典型软碎岩体试样,通过室内试验对岩体的被动三轴变形特性展开研究,对变形参数进行分析,获得了岩体分级加载应力和变形参数之间的关系,进而对其工程特性进行了系统的评价,为地下工程支护设计提供了相对可靠的设计参数。