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注浆加固对岩体裂隙力学性质影响的试验研究

岩石力学与工程学报 2017年第A1期36卷 3140-3147页

作者：刘泉声雷广峰卢超波彭星新张静王俊涛中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 武汉大学土木建筑工程学院湖北武汉430072 武汉大学岩土与结构工程安全湖北省重点实验室湖北武汉430072 广西交通科学研究院广西南宁530000

注浆技术对裂隙岩体的加固效果显著,对岩体裂隙面的力学特性产生极大影响。为研究注浆加固对岩体裂隙力学特性的影响规律,创新性地提出一种岩体裂隙试件制作方法,克服了原岩裂隙取样困难的难题。将该方法制取的裂隙试件在自主研发的裂... 详细信息

注浆技术对裂隙岩体的加固效果显著,对岩体裂隙面的力学特性产生极大影响。为研究注浆加固对岩体裂隙力学特性的影响规律,创新性地提出一种岩体裂隙试件制作方法,克服了原岩裂隙取样困难的难题。将该方法制取的裂隙试件在自主研发的裂隙岩体注浆系统平台上进行注浆加固试验,并对注浆加固后的岩体裂隙试件开展相关的法向及切向力学加载试验。试验结果表明:人工制取的裂隙试件与原岩裂隙几何相似性良好,符合室内物理试验要求;注浆加固会显著改变岩体裂隙面的法向切向力学特性,注浆加固后岩体裂隙的峰值抗剪强度及残余强度得到极大提高,裂隙面的抗变形能力增强;裂隙面法向加载会影响其切向力学行为,切向抗剪强度随法向应力增加而增加;注浆加固通过提高岩体裂隙面的力学性能来增加岩体的整体强度及稳定性。

关键词：岩石力学注浆加固岩体裂隙力学性质

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节理岩体中锚杆剪切力学模型研究及试验验证

岩土工程学报 2018年第5期40卷 794-801页

作者：刘泉声雷广峰彭星新魏莱中科院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 武汉大学岩土与结构工程安全湖北省重点实验室湖北武汉430072 中国科学院大学北京100049

依据最小余能原理,在考虑节理岩体中锚杆剪切变形的基础上,分析了节理面水平剪切位移与锚杆轴向及切向变形之间的关系。结合锚杆受力特点拟定了锚杆屈服模式的判定流程。建立了考虑＂等效剪切面积＂的加锚节理面抗剪强度理论计算模型,... 详细信息

依据最小余能原理,在考虑节理岩体中锚杆剪切变形的基础上,分析了节理面水平剪切位移与锚杆轴向及切向变形之间的关系。结合锚杆受力特点拟定了锚杆屈服模式的判定流程。建立了考虑＂等效剪切面积＂的加锚节理面抗剪强度理论计算模型,并通过室内物理试验验证了理论计算模型的准确性。讨论了锚杆倾角、围岩抗压强度、锚杆直径、法向应力等因素对加锚节理面抗剪强度的影响规律。结果表明：所建立的锚杆剪切力学模型能够较好的反映锚杆轴向力及剪切力对节理面抗剪强度的贡献;考虑＂等效剪切面积＂的加锚节理面抗剪强度计算结果与试验结果较为吻合;锚杆倾角及围岩抗压强度越大,锚杆轴向力越小,剪切力越大;锚杆直径增大,锚杆轴向力及剪切力都会增大;节理面法向应力会显著影响剪胀效应,法向应力越大,节理面抗剪强度越高。

关键词：节理岩体锚杆锚固抗剪强度物理试验

复合地层TBM双滚刀破岩过程数值流形模拟研究

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煤炭学报 2015年第6期40卷 1225-1234页

作者：刘学伟魏莱雷广峰刘泉声中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 武汉大学水工岩石力学教育部重点实验室湖北武汉430072

大型交通、矿山和水利工程TBM施工中不可避免会遇到复合地层,复合地层中TBM双滚刀破岩特征与均质岩层有较大差异。基于数值流形方法处理非连续问题的能力,引入弱不连续物理覆盖来对复合地层层理面进行表征,提出了模拟裂隙网络扩展过程... 详细信息

大型交通、矿山和水利工程TBM施工中不可避免会遇到复合地层,复合地层中TBM双滚刀破岩特征与均质岩层有较大差异。基于数值流形方法处理非连续问题的能力,引入弱不连续物理覆盖来对复合地层层理面进行表征,提出了模拟裂隙网络扩展过程的数值流形算法,进一步建立了模拟复合地层滚刀破岩过程的数值流形模型。同时,对软硬不均复合地层中不同刀间距的双滚刀破岩过程进行了模拟分析,研究发现:在相同贯入度下,不同滚刀间距的应力分布均具有明显的不对称性,硬岩中滚刀推力远高于软岩,从而易造成滚刀偏磨;当滚刀间距为100 mm时,两滚刀间岩片厚度达到最大值23.7 mm,刀间距增大或减小时,岩片厚度均出现降低趋势;不同刀间距条件下,软岩的破碎率均高于硬岩,其中软岩破碎率随刀间距的增加而增大,硬岩破碎率则在刀间距为100 mm时达到最大值10.5%。上述结果表明,在复合地层中,岩性对于TBM岩机安全及破岩效果的影响要大于滚刀间距,研究成果可以反映复合地层滚刀破岩规律。

关键词： TBM 复合地层滚刀数值流形方法

锚杆锚固对节理岩体剪切性能影响试验研究及机制分析

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岩土力学 2017年第S1期38卷 27-35页

作者：刘泉声雷广峰彭星新魏莱刘建平潘玉丛中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 武汉大学岩土与结构工程安全湖北省重点实验室湖北武汉430072 中国科学院大学北京100049

为研究锚杆锚固对节理岩体剪切性能的影响规律及锚杆抗剪作用机制,开展不同锚杆倾角及不同法向应力作用下加锚节理岩体室内剪切试验研究,探究加锚节理岩体在法向力及剪切力作用下的变形和受力特征,对比分析节理岩体锚固前与锚固后的剪... 详细信息

为研究锚杆锚固对节理岩体剪切性能的影响规律及锚杆抗剪作用机制,开展不同锚杆倾角及不同法向应力作用下加锚节理岩体室内剪切试验研究,探究加锚节理岩体在法向力及剪切力作用下的变形和受力特征,对比分析节理岩体锚固前与锚固后的剪切变形规律,讨论锚杆倾角、节理面法向应力等因素对节理岩体抗剪性能的影响。试验结果表明,锚杆锚固能够有效地增加节理面的黏聚力和内摩擦角,提高节理岩体的抗剪强度;锚杆倾角对加锚节理岩体的抗剪强度及剪切变形规律有重大影响,较大的锚杆倾角有利于发挥锚杆的"销钉"抗剪作用;节理岩体施加锚杆后其剪力–位移曲线存在弹性阶段、屈服阶段及塑性变形阶段3个区段;在锚杆倾角相同的条件下加锚节理岩体的抗剪强度随节理面法向应力的增加而增大。分析试验后试件破坏形态可知,加锚节理岩体中锚杆的屈服破坏主要发生在节理面附近的区段,岩体材料由于锚杆横向的挤压作用,也会在节理面附近发生局部破坏现象。

关键词：锚杆锚固节理岩体剪切性能试验研究

白砂岩、大理岩及花岗岩加锚剪切力学特性研究

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岩石力学与工程学报 2018年第A2期37卷 4007-4015页

作者：刘泉声雷广峰彭星新魏莱罗慈友中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 武汉大学岩土与结构工程安全湖北省重点实验室湖北武汉430072 中国科学院大学北京100049 山东矿业学院

为研究不同自然岩石材料锚杆锚固前后剪切力学特性的改变,选取白砂岩、大理岩及花岗岩3种代表性的岩石,对其切割、钻孔、锚固、养护后进行直接剪切试验,每种岩石材料分为无锚与加锚2种情况,试验中设置3组法向应力级别,探究不同自然岩石... 详细信息

为研究不同自然岩石材料锚杆锚固前后剪切力学特性的改变,选取白砂岩、大理岩及花岗岩3种代表性的岩石,对其切割、钻孔、锚固、养护后进行直接剪切试验,每种岩石材料分为无锚与加锚2种情况,试验中设置3组法向应力级别,探究不同自然岩石材料在不同法向力及剪切力作用下的受力和变形特征,对比分析岩性及节理面法向应力等因素对加锚节理岩体剪切力学特性的影响规律。试验结果表明:自然岩石与水泥砂浆等类岩石材料的加锚力学特性具有一定差别,锚杆锚固能够增加岩石节理面的当量黏聚力及内摩擦角,岩石材料的抗压强度对加锚节理面力学特性具有重大影响,岩性越软,岩石的加锚力学特性与类岩石材料越相近,岩性越硬,锚杆对岩石节理面抗剪强度的提高幅度越大,锚杆加固效果越显著。

关键词：岩石力学自然岩石锚杆锚固抗剪强度试验研究

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十字岩柱法隧道开挖地质力学模型试验研究

岩石力学与工程学报 2016年第5期35卷 919-927页

作者：刘泉声雷广峰肖龙鸽王俊涛张静中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 武汉大学土木建筑工程学院湖北武汉430072 武汉大学岩土与结构工程安全湖北省重点实验室湖北武汉430072 中建南方投资有限公司广东深圳518022

以重庆市轨道交通三号线为工程背景,开展十字岩柱暗挖法地质力学模型试验研究,优化大断面隧道开挖工序,进行围岩岩土相似材料配比试验、模拟洞室开挖过程中锚固注浆加固作用、洞室开挖过程的围岩位移变形监测分析。试验结果表明:研制的... 详细信息

以重庆市轨道交通三号线为工程背景,开展十字岩柱暗挖法地质力学模型试验研究,优化大断面隧道开挖工序,进行围岩岩土相似材料配比试验、模拟洞室开挖过程中锚固注浆加固作用、洞室开挖过程的围岩位移变形监测分析。试验结果表明:研制的钢结构台架可成功模拟加围压条件下的洞室开挖,可直观地观察到模型开挖时围岩的渐进破坏过程。模型试验采用的监测系统能对开挖过程中洞室围岩的位移进行实时监测,实现了开挖支护与监测记录同步进行。根据相关参数建立数值分析模型,将数值计算结果与试验实测结果进行对比分析可知:二者结果基本一致,规律大致相同,且最终位移值满足试验要求,表明模型试验取得了较为理想的效果。研究工作对实际工程施工及今后类似模型试验研究的发展具有一定指导作用。

关键词：隧道工程隧道开挖十字岩柱模型试验相似材料

引大济湟工程TBM挤压大变形卡机计算分析与综合防控

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岩土力学 2017年第10期38卷 2962-2972页

作者：黄兴刘泉声彭星新雷广峰魏莱中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 武汉大学土木建筑工程学院岩土与结构工程安全湖北省重点实验室湖北武汉430072

针对青海省引大通河济湟水河(引大济湟)工程频繁遭遇挤压大变形和卡机灾害难题,基于挤压大变形本构模型和全断面隧道掘进机(TBM)卡机事故预测分析理论,提出了挤压大变形和卡机计算方法,进行了引大济湟工程TBM掘进围岩挤压大变形与卡机计... 详细信息

针对青海省引大通河济湟水河(引大济湟)工程频繁遭遇挤压大变形和卡机灾害难题,基于挤压大变形本构模型和全断面隧道掘进机(TBM)卡机事故预测分析理论,提出了挤压大变形和卡机计算方法,进行了引大济湟工程TBM掘进围岩挤压大变形与卡机计算,结果表明:(1)TBM穿越F5断层区段时,当扩挖间隙为10 cm时,开挖卸荷后护盾所受摩阻力将达到推进系统提供的最大推力,易发生卡机事故;(2)挤压变形、围岩-护盾接触面积和护盾所受摩阻力随停机时间不断增大,停机1 d内增大的速率越来越大,停机后7 d起,围岩流变速率和护盾所受摩阻力增加速率均减缓,直到停机后13 d时,围岩-护盾相互作用达到平衡,护盾所受摩阻力趋于稳定。同时为了防止和控制卡机事故,对该工程后续施工提出了最佳扩挖间隙和许可停机时间等卡机综合防控的3个对策:即扩挖间隙至少要增大到15 cm,此时停机初始时刻不发生卡机,许可停机时间为2 d;扩挖间隙增大到18 cm时,许可停机时间为4 d;扩挖间隙增大到20 cm时,就选取的围岩条件下,停机7 d内TBM基本不发生卡机,7 d后也很容易克服卡机。提出的卡机防控措施对引大济湟工程TBM安全高效掘进具有一定的指导意义,并得到工程实际控制对策的验证。

关键词：引大济湟隧道掘进机(TBM) 挤压大变形卡机防控

砂岩裂纹起裂损伤强度及脆性参数演化试验研究

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岩土工程学报 2018年第10期40卷 1782-1789页

作者：刘泉声魏莱雷广峰刘琪彭星新刘鹤中国科学院武汉岩土力学研究所岩石力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 武汉大学岩土与结构工程安全湖北省重点实验室湖北武汉430072 中国科学院大学北京100049

岩石起裂强度σci及损伤强度σcd作为岩石重要的强度特征值,其研究对于分析岩石的渐进破坏过程及预测隧洞脆性破坏有着重要意义。首先采用应变分析及声发射监测方法,研究了两组硬质砂岩试样在单轴及三轴压缩过程中的裂纹演化特征。试验... 详细信息

岩石起裂强度σci及损伤强度σcd作为岩石重要的强度特征值,其研究对于分析岩石的渐进破坏过程及预测隧洞脆性破坏有着重要意义。首先采用应变分析及声发射监测方法,研究了两组硬质砂岩试样在单轴及三轴压缩过程中的裂纹演化特征。试验结果表明,试样的侧向膨胀变形及声发射计数值可以较好地反映其内部的裂纹演化情况,二者随着裂纹的萌生积累都表现出一致的阶段性变化规律。同时通过进一步分析应变及声发射曲线中的阶段性变化拐点,确定了砂岩试样的起裂强度及损伤强度值。其中青砂岩平均起裂强度约为其峰值强度的0.42倍,红砂岩平均起裂强度则约为其峰值强度的0.48倍。最后通过对比不同围压下的试验结果,发现两组砂岩试样起裂阶段内摩擦角均小于其峰值阶段,初始φ0约为终值的1/2。由此定义了可反映岩石脆性程度的起裂摩擦水平φ0/φ,并建立考虑摩擦作用的线性起裂准则。

关键词：岩石力学裂纹演化裂纹起裂脆性参数声发射

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全断面隧道掘进机护盾受力监测及卡机预警

岩土力学 2018年第9期39卷 3406-3414页

作者：刘泉声彭星新黄兴雷广峰魏莱刘鹤中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 武汉大学土木建筑工程学院湖北武汉430072 武汉大学岩土与结构工程安全湖北省重点实验室湖北武汉430072 中国科学院大学北京100049 中铁十一局集团第四工程有限公司湖北武汉430073

全断面隧道掘进机(简称TBM)在穿越深部软弱地层时围岩收敛变形较大,围岩容易挤压护盾,导致TBM卡机,影响TBM正常掘进。通过分析TBM卡机灾害孕育过程,得到了预测TBM卡机的重要条件:一是围岩变形量大于预留的空间,二是额定推力不能克服摩... 详细信息

全断面隧道掘进机(简称TBM)在穿越深部软弱地层时围岩收敛变形较大,围岩容易挤压护盾,导致TBM卡机,影响TBM正常掘进。通过分析TBM卡机灾害孕育过程,得到了预测TBM卡机的重要条件:一是围岩变形量大于预留的空间,二是额定推力不能克服摩擦阻力。为了监测实际工程TBM卡机状态,提出了一种监测护盾变形的方案以及护盾受力的计算方法,可通过监测得到的变形估算护盾的受力,进而计算出护盾受到的摩擦阻力,得到TBM卡机的状态。根据TBM受到的摩擦阻力、TBM正常掘进时所需推力和TBM额定推力之间的关系,将TBM卡机状态分为4个等级,即无卡机、轻微卡机、卡机和严重卡机,并提出了对应的处理措施。结合TBM卡机条件以及护盾受力监测方案,提出了TBM卡机灾害预警流程。在兰州水源地输水隧洞工程中应用了该监测方案和卡机灾害预警流程,应用结果表明,预测的卡机状态与TBM实际状态基本一致,说明该方法具有一定的可靠性,对指导TBM隧道施工具有重要意义。

关键词：全断面岩石隧道掘进机护盾受力卡机预警