关键词： 软岩   三轴卸载蠕变试验   蠕变规律  

摘要： 为探究软岩在长期载荷作用下的变形特性,以红庆梁煤矿11307工作面的软岩为研究对象,进行三轴卸载蠕变试验,研究了偏应力恒定的条件下,巷道软岩的蠕变规律。结果表明,红庆梁11307巷道软岩在蠕变全过程中,其轴向变形量增至7.34%,岩石破坏;在第2、第5应力阶段的试样蠕变应变和蠕变速率均大于第3、第4阶段,当σ_(1)/σ_(3)值在2.5455~2.8889范围内时,软岩试样较为稳定,其蠕变应变现象不明显。该研究可为相似地质条件下软岩巷道围岩控制提供重要的参考依据。

关键词： 大断面软岩隧道   围岩   卸荷   变形   空间效应  

摘要： 我国修建的数量众多的大断面隧道工程,极大地提高了交通的便捷度。然而,在软弱岩层中修建大断面山岭隧道时,施工过程并不顺利,经常会遇到掌子面失稳、地表塌陷等工程问题。对此,文章以乌鲁木齐绕城高速(西线)工程西山隧道为工程背景,针对软岩及复杂地质大断面长大隧道的施工问题,立足隧道施工过程中不同部位的受力情况,结合现场的工程实例,进行理论分析研究,设计数值仿真试验,并用极差分析法分析试验数据,对大断面软岩隧道开挖过程中,开挖工法、断面大小及围岩等级对围岩卸荷和变形的影响程度进行深入研究,以期为同行提供一定的理论参考。

关键词： 软岩   卸荷蠕变   蠕变特性   长期强度   室内试验  

摘要： 软岩蠕变对地下岩体工程变形控制及长期稳定的影响极为重要,为研究不同初始应力下软岩分级卸荷蠕变行为,以四川省大渡河丹巴水电站右岸平硐的软岩为研究对象,开展了不同轴压下分级卸荷-蠕变试验,分析了软岩在恒轴压和分级卸围压下的蠕变特性及长期强度特征。结果表明:破坏围压下,软岩蠕变曲线和蠕变速率均表现出衰减、稳态和加速三个典型阶段;初始轴压能显著影响软岩的蠕变破坏特征,初始轴压越大,软岩在卸围压时越容易破坏,且均以压剪破坏为主,较高初始轴压会造成试样端部出现拉剪裂隙;软岩长期强度和蠕变破坏强度的比值均在90%以上,卸荷时初始轴压越大,软岩越早进入屈服阶段。

关键词： 高地应力软岩隧道   围压卸荷   围岩力学参数   预应力锚杆   早高强喷射混凝土  

摘要： 我国幅员辽阔,地质条件复杂,随着西部开发、“一带一路”等战略规划的实施,我国隧道工程逐渐向西部高地应力挤压区域延伸。由于极高的地应力造成软弱围岩挤压严重,变形较大,在这一地区修建隧道,常常面临软岩大变形问题,严重危及支护结构安全,该问题已成为制约隧道正常修建的瓶颈。围岩的变形及破坏与其应力状态密切相关,故解决该问题的前提是充分认识高地应力软岩由于开挖卸荷所表现出的力学特征,并在此基础上进一步明晰支护构件对围岩产生的力学影响,同时,虽然隧道软岩种类繁多,但是其力学性质具有一定程度的相似性。故本文综合采用文献调研、理论分析、数值模拟等研究方法,以典型软岩——泥岩隧道为例,基于其在高地应力卸荷路径下的力学特性,对主动支护——预应力锚杆及早高强喷射混凝土的支护作用力学机理进行研究,得到主要结论如下:1.采用文献调研、理论分析,以典型软岩——泥岩隧道为例,分析了软岩在三轴加载、卸荷路径下的受力特征,给出了在高地应力卸荷条件下对岩石强度参数的修正关系与变形参数随围压的变化公式,明确了软岩卸荷破坏后的力学参数劣化规律,并基于其揭示了主动支护力学机理。2.采用文献调研、理论分析和数值模拟,明确了预应力锚杆在围岩中产生的压应力分布规律,得出了系统预应力锚杆产生的连续压应力范围计算公式,基于典型软岩卸荷破坏后的力学参数劣化规律,探明了预应力锚杆对围岩的加固机理,明确了考虑围岩力学参数变化的预应力锚杆支护效果。3.采用文献调研和数值模拟,明确了喷混凝土支护的作用效果及各参数对其的影响,基于典型软岩卸荷破坏后的力学参数劣化规律,探明了喷混凝土的支护力学机理,明确了考虑围岩力学参数变化的早高强喷射混凝土的支护效果。以上研究成果可为高地应力软岩隧道支护结构的设计提供一定的参考。

关键词： 软岩大变形   弹性模量   随机场   非侵入式随机有限差分法   风险分析  

摘要： 层状软岩是一种常见的工程地质体,其岩体力学参数具有显著的空间变异性特征。开挖卸荷下,层状软岩隧道围岩极易产生大变形失稳破坏,进而威胁施工人员及设备安全。为有效评价层状软岩隧道围岩大变形失稳风险,以郑万高铁保康隧道为研究背景,综合现场监测、统计分析与数值模拟等研究手段,开展了隧道围岩位移与松弛深度监测、岩体弹性模量转换与空间变异性表征、非高斯参数随机场的离散与围岩失稳破坏概率计算等一系列研究,实现了层状软岩隧道围岩大变形失稳的定量风险分析,主要研究内容如下:(1)开展了层状软岩隧道围岩表面位移、拱架压力与松动圈监测。结果表明,围岩劣化迅速,其变形破坏具有显著的左大右小对称特征。以位移监测数据为基础,以双线性遍布节理模型为本构模型,开展了岩体力学参数敏感性分析与智能反演,计算与检验了开挖卸荷下层状软岩隧道围岩变形及破坏分布规律,为以数值模拟为核心手段的定量风险分析奠定了计算基础。(2)通过经验公式实现了弹性波速到层状岩体弹性模量的转换,采用概率论方法拟合了弹性模量的最优概率密度分布函数。以地质统计学理论为基础,开展了弹性模量的空间变异性研究,确定了弹性模量沿岩层走向和倾向上的变异函数及自相关函数。通过理论分析求解了弹性模量的当量均值及标准差、自相关函数特征值及特征函数、标准正态随机变量及截断项数,基于Karhunen-Loève级数展开方法构建了弹性模量参数随机场。以单元遍历为手段,实现了弹性模量参数随机场与FLAC3D网格的耦合。经检验,随机有限差分网格模型中随机参数的分布特征可有效表征层状岩体弹性模量的空间变异性。(3)采用非侵入式随机有限差分法,计算了弹性模量随机分布下隧道拱腰部位围岩的收敛位移。以极限相对位移为指标,确定了隧道初期支护下围岩允许变形的极限状态方程。基于蒙特卡洛方法,计算了围岩变形破坏概率,实现了考虑层状岩体弹性模量空间变异性的围岩变形失稳定量风险分析。采用定量风险分析方法,分别对系统锚杆、钢拱架及超前注浆下围岩定量失稳风险进行了对比分析,确定了能有效抑制围岩大变形失稳的施工方法,为保康隧道安全高效施工提供了技术支撑。

关键词： 深埋软岩   开挖卸荷   流变   二次支护   FLAC3D  

摘要： 由于软岩的流变特性,深埋软岩洞室开挖后的很长一段时间内围岩变形持续发展,支护不当或不及时支护极易引发洞室围岩失稳.以四川省甘孜藏族自治州丹巴县大渡河丹巴水电站工程为背景,以室内试验为基础,开展软岩卸荷力学参数劣化分析,确定开挖卸荷、开挖卸荷-流变的计算参数,对穿越断层破碎带的深埋软岩开展开挖卸荷-流变与支护时机的数值模拟研究.结果表明:洞室的流变变形在选取的4种二次支护时机中均为5年左右洞室变形基本收敛,10年左右洞室变形完全收敛,其后支护结构稳定基本不发生变形;同时考虑工程实际中的“先让后抗”的支护原则,当初衬拱顶拱底相对位移(ΔA1B1)为ΔA1B1max的80%时进行二次支护为4种二次支护时机中相对最佳的二次支护时机.

关键词： 软岩隧道   开挖卸荷   空间效应   数值仿真   现场监测  

摘要： 随着我国交通拥堵问题的日益严峻,传统的两车道公路隧道逐渐向三车道甚至四车道等大断面方向发展,而大断面山岭隧道在软弱岩层中修建时经常遇到掌子面失稳及地表塌陷等工程问题,使得施工难度及成本大大增加,也给国家造成了巨大的经济损失。因此,为了探明导致上述工程问题的根本原因,揭示围岩失稳破坏机理,进而提出有效的防治措施,本文以长城岭隧道为工程背景,从隧道施工过程力学的角度出发,通过理论研究、数值仿真与现场监测相结合的方法,对大断面软岩隧道开挖过程中围岩的卸荷及变形空间效应进行了研究。主要研究结论如下:(1)通过对大量文献资料的总结,归纳了适合目前我国隧道建设发展现状的大断面软岩隧道定义,将开挖断面面积大于100m、围岩为IV级及其以下等级且具有抗压强度低、风化程度高、遇水易膨胀软化等特征的隧道称为大断面软岩隧道,并简要介绍了目前关于隧道开挖围岩卸荷及变形空间效应方面的主要研究成果,为本文的研究提供了理论基础。(2)大断面软岩隧道在开挖过程中,围岩的卸荷过程大致可总结为三个阶段,分别为荷载集中阶段、急剧卸荷阶段和卸荷稳定阶段;隧道洞周各处围岩的卸荷情况差异较大,拱顶及拱底位置卸荷程度要大于拱肩及边墙位置,围岩的破坏始于拱顶,随着卸荷程度的增大逐渐向拱肩及边墙发展,最终导致围岩整体失稳;通过正交试验等方法分析了三种因素对围岩卸荷的影响程度为围岩等级>断面大小>施工方法。(3)大断面软岩隧道的开挖不能视为简单的平面应变问题,而应建立三维分析模型,隧道开挖对围岩变形空间效应的影响范围约在掌子面距监测断面前方1倍洞径到通过监测断面后1倍洞径之间的这一段距离;围岩的变形与卸荷过程相对应,主要经历了三个阶段,即预变形阶段、急剧变形阶段和变形稳定阶段;拱顶沉降及拱底回弹变形量普遍大于边墙收敛变形,大断面软岩隧道开挖对拱顶上方的岩体扰动范围最大,这也是导致浅埋隧段地表塌陷的主要原因之一。(4)通过对依托工程进行现场监测试验,分析认为洞周围岩变形随着掌子面的推进存在一定的空间效应,在开挖通过监测断面后约0.5倍洞径范围内,围岩变形增长速率较大,其累计变形值达到总变形量的80%以上,说明此阶段围岩的应力调整最为剧烈,可根据该过程的空间影响范围适当优化超前加固等支护参数,从而防止岩体发生失稳破坏;之后随着掌子面的远离,其变化过程变为缓慢增长阶段,并最终达到稳定状态;由监测分析结果可知,拱顶沉降变形值最大,其次为拱肩,最后为边墙位置。(5)针对长城岭隧道掌子面失稳塌方原因进行了研究分析,将其归结为岩体风化严重、夹杂软弱泥层、埋深较浅及施工不当等四个方面;依据大断面隧道开挖空间影响机制的相关结论,结合现场实际情况提出了综合加固处理措施,分别为地表塌腔回填、掌子面喷浆封闭、拱顶一定范围超前预注浆加固和更改施工方案调整支护参数等,并通过对现场进行监控量测验证了加固方案的合理性,对实际工程具有一定的指导意义。

关键词： 软岩   卸荷-流变   长期稳定   本构模型  

摘要： 在铁路、水电站、矿山等工程施工中洞室开挖中,软岩经常出现,并且软岩的流变特性导致在施工后的变形持续时间久、变形大,对软岩洞室的长期稳定有着因此,。本文采用取自四川甘孜藏族自治州丹巴县四川省大渡河丹巴水电站右岸平垌的软岩,开展了单三轴试验和卸荷-流变试验,主要研究内容如下:1)采用RMT-150C对软岩进行了单三轴压缩试验,得到软岩的单三轴应力应变曲线、不同围压单三轴强度、变形和破坏特征,得到软岩试样在峰值强度状态下的粘聚力c和内摩擦角?等力学参数。2)采用RMT-150C开展三轴卸荷试验,对软岩进行了相同围压不同轴压三轴卸荷试验,得到了三轴卸荷试验曲线。对三轴卸荷试验进行了横向对比,较完整地揭示了软岩三轴卸荷试验的强度特性,变形特征,建立了不同应力水平下弹性模量、变形模量变化关系。3)采用RLW-2000微机控制岩石三轴蠕变试验机开展卸荷-流变试验,对软岩进行恒轴压卸围压路径下的一级和分级卸荷-流变试验,对两种试验轴向及侧向变形随时间的变化规律进行对比;利用流变速率研究了软岩加速流变阶段轴向和侧向流变特征和流变速率变化规律;分析了不同轴压下的长期强度;分析了两种试验中试样的变形破坏特征。4)利用西原模型对软岩衰减流变阶段、稳定流变阶段的力学特性进行拟合,在软岩流变经典本构模型中加入一个非线性流变模型,得到一个新的本构模型,对软岩非线性加速流变进行拟合,通过比较拟合曲线和试验数据发现两者吻合度高,表明所建立的非线性黏弹塑性流变模型是合适的。