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深部围岩相变理论与分区破裂化现场实测对比研究

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煤炭学报 2023年

作者：燕发源王恩志刘晓丽戚承志马庆谢维强马前驰北京建筑大学土木与交通工程学院清华大学土木水利学院

高地应力作用下的深部围岩巷道分区破裂化现象，一直是岩土工程领域研究的热点和难点，其产生和发展对深部工程安全造成了很大影响。当材料发生屈服破坏时，能量出现一定耗散，随着耗散的进行，材料结构也产生相应变化形成新的组织结构... 详细信息

高地应力作用下的深部围岩巷道分区破裂化现象，一直是岩土工程领域研究的热点和难点，其产生和发展对深部工程安全造成了很大影响。当材料发生屈服破坏时，能量出现一定耗散，随着耗散的进行，材料结构也产生相应变化形成新的组织结构，该过程类似于协同学上的自组织过程，此时传统弹塑性力学已经不太能发挥作用，需要借助物理学理论；深部巷道围岩在高地应力作用下，当变形超过弹性极限之后，也会出现类似于耗散结构现象，围岩结构需要经历自组织过程形成新的耗散结构，此过程和物理学中的渐进相变现象类似；实际上，深部巷道围岩的变形破坏过程是一个固体向流体转换的二级相变过程，即其具有渐进相变特征。文中首先对现场尺度、实验室尺度以及模拟试验中出现的各种分区破裂化现象进行了比较分析；随后，基于相变理论模型，通过Poincare解析的参数摄动方法对非线性高阶控制方程进行了近似解析，各参数在近似解中的敏感性也得到了分析；最后，将理论模型计算结果和金属矿山金川二矿700m深的水平巷道中监测到的分区破裂化现场实测数据进行对比验证，结果表明理论半解析解的计算结果与实际测量数据高度符合，验证了针对分区破裂化的相变理论模型和计算方法的正确性。使得相变理论模型在工程尺度上的应用更进一步，为深部岩石工程变形破坏和支护等提供了一定的理论参考。

关键词：岩石力学深部围岩分区破裂力学机理非线性相变理论

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深部巷道围岩分区破裂化的三维光弹试验

有色金属工程 2023年第3期13卷 102-109页

作者：胡南燕刘兰心黄建彬付晗陈敦熙罗斌玉武汉科技大学资源与环境工程学院武汉430081 冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室武汉430081

为研究深部巷道围岩分区破裂的形成机理,采用三维光弹应力冻结试验法研究深部巷道围岩的应力分布。光弹试验模型在径向约束条件下分别沿巷道轴向施加5、30、50、70和90 kN的荷载,光弹切片直观地呈现分区破裂围岩应力场。结果显示:当轴... 详细信息

为研究深部巷道围岩分区破裂的形成机理,采用三维光弹应力冻结试验法研究深部巷道围岩的应力分布。光弹试验模型在径向约束条件下分别沿巷道轴向施加5、30、50、70和90 kN的荷载,光弹切片直观地呈现分区破裂围岩应力场。结果显示:当轴向应力达到一定水平时,巷道围岩应力分布呈现与巷道同心的完整圆环形,巷道附近围岩应力最大。随着巷道轴向应力的增大,与巷道同心的圆环形应力圈数增多,应力水平提高,且最大应力有远离巷道表面的趋势。研究表明:巷道轴向应力决定了分区破裂产生的破裂圈数,是影响巷道分区破裂的主要因素。随着轴向应力的增大,高地应力“绕过”巷道。三维光弹试验法为分区破裂力学研究带来方法上的进步。研究成果可为巷道围岩稳定性控制提供新的思路,为巷道的开挖和支护设计提供理论基础。

关键词：深部巷道分区破裂三维光弹试验应力分布应力冻结

基于锚杆受力分析的深埋洞室围岩分区破裂演化规律研究

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岩石力学与工程学报 2018年第7期37卷 1629-1640页

作者：于远祥陈宝平王赋宇王京滨柯达西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054

合理确定深埋洞室围岩破裂区厚度及数量可以为洞室开挖及支护提供重要的理论依据。根据围岩分区破裂条件下锚杆拉-压交替分布的受力变形特点,提出一种通过锚杆受力规律反演分析围岩分区破裂的新方法:基于杆体与围岩的协调变形原理,建立... 详细信息

合理确定深埋洞室围岩破裂区厚度及数量可以为洞室开挖及支护提供重要的理论依据。根据围岩分区破裂条件下锚杆拉-压交替分布的受力变形特点,提出一种通过锚杆受力规律反演分析围岩分区破裂的新方法:基于杆体与围岩的协调变形原理,建立全长锚固锚杆与围岩相互作用的力学模型,推导锚杆中性点沿杆体分布位置及其最大轴力的理论公式,分析各分区范围内围岩的破裂区与非破裂区厚度;基于格里菲斯强度理论,提出围岩应力重分布后弹塑性界面岩体发生拉裂的力学判据,进而确定围岩的破裂区数量。结果表明:洞室开挖后围岩应力发生重分布,当弹塑性界面上的岩体在最大切向支撑压力下所产生的拉伸应力超过其极限抗拉强度时,岩体将产生径向拉裂并出现多个破裂区和非破裂区交替分布现象;破裂区和非破裂区内岩体位移速率的差异将导致锚杆沿长度方向出现多个中性点;基于各中性点半径反演分析得到的围岩破裂区厚度大致呈依次递减的趋势,直至围岩破裂停止。最后,运用实例计算结果对上述认识进行验证,研究成果对深埋洞室开挖及围岩支护具有重要参考价值。

关键词：岩石力学深埋洞室全长锚固分区破裂反演分析演化规律

深部巷道围岩分区破裂的非线性连续相变模型研究

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岩土力学 2017年第4期38卷 1032-1040页

作者：陈昊祥戚承志李凯锐徐琛刘天添北京建筑大学北京市工程结构与新材料工程研究中心北京100044 中国人民解放军理工大学江苏南京210007 北京城建设计发展集团股份有限公司北京100044

深部巷道围岩中会形成分区破裂现象。围岩分区破裂的形成过程可以看作是围岩内部结构的连续相变过程,因此,连续相变模型可以描述分区破裂的主要特征。基于文献[15-16]中利用连续相变理论,结合经典弹塑性理论建立了围岩分区破裂的非线性... 详细信息

深部巷道围岩中会形成分区破裂现象。围岩分区破裂的形成过程可以看作是围岩内部结构的连续相变过程,因此,连续相变模型可以描述分区破裂的主要特征。基于文献[15-16]中利用连续相变理论,结合经典弹塑性理论建立了围岩分区破裂的非线性相变模型。运用相平面分析法研究了非线性连续相变模型方程的解的性质,得到了非线性解的3种形式。用数值方法求解了非线性连续相变模型方程,并与线性相变模型的解进行了比较,展示了非线性模型能够更好地描述围岩变形的空间分布。最后分析了非线性模型方程中各系数对方程解的影响及其物理意义,其研究结果对于应用非线性连续相变模型模拟分区破裂具有指导意义。

关键词：深部围岩分区破裂梯度连续相变非线性

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深部层状节理岩体分区破裂模型试验研究

岩土力学 2014年第8期35卷 2247-2254页

作者：张绪涛张强勇向文高强袁圣渤王超山东大学岩土与结构工程研究中心济南250061 聊城大学建筑工程学院山东聊城252059

随着地下工程开挖深度的增加,深部洞室围岩将产生不同于浅部洞室的分区破裂现象。为深入研究深部岩体分区破裂现象的形成机制和影响因素,以淮南矿区丁集煤矿的深部巷道为工程背景,利用模型相似材料和高地应力真三维加载模型试验系统,首... 详细信息

随着地下工程开挖深度的增加,深部洞室围岩将产生不同于浅部洞室的分区破裂现象。为深入研究深部岩体分区破裂现象的形成机制和影响因素,以淮南矿区丁集煤矿的深部巷道为工程背景,利用模型相似材料和高地应力真三维加载模型试验系统,首次开展了带有软弱夹层的层状节理岩体的真三维地质力学模型试验。结果表明:(1)在满足一定应力条件下,带有软弱夹层的层状节理试验模型出现明显的分区破裂现象;(2)软弱夹层是影响层状节理岩体分区破裂现象的重要因素,在相同的应力条件下,软弱夹层使得巷道围岩的径向位移和应变明显增加;并且软弱夹层的间距越小,洞周破裂区的层数越多,范围越大;(3)洞周破裂区的形状近似为圆形,与是否存在软弱夹层及软弱夹层间距均无关。模型试验结果有效揭示了分区破裂的影响因素,为深入研究高地应力深部岩体的非线性变形破坏特征奠定了坚实的试验基础。

关键词：深部岩体分区破裂数控真三维加载相似材料模型试验软弱夹层

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深部巷道分区破裂化计算理论与实测对比研究

岩石力学与工程学报 2018年第10期37卷 2209-2218页

作者：王明洋陈昊祥李杰李新平陆军工程大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室江苏南京210007 武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室湖北武汉430070

通过深入研究深部工程围岩压力、位移累积大小和应力应变峰后下降快慢对围岩能量汇聚与释放、耗散与储存的特征影响关系,发现随工程埋深增加,围岩释放能量随破坏影响范围具有等级递减特征规律。首次提出围岩压力与扰动荷载"静动"组合作... 详细信息

通过深入研究深部工程围岩压力、位移累积大小和应力应变峰后下降快慢对围岩能量汇聚与释放、耗散与储存的特征影响关系,发现随工程埋深增加,围岩释放能量随破坏影响范围具有等级递减特征规律。首次提出围岩压力与扰动荷载"静动"组合作用理论计算模型,弄清了深部岩体动载扰动下含能岩体势能转化为动能的规律,给出了围岩分区破裂化序列大小规模相适应的特征能量阈值,揭示了"静动"组合特征能量大小是决定产生分区破裂化的关键机制。通过与现场实测和室内模拟实验结果对比,验证了理论与计算方法的正确性。提出的特征能量因子及其理论方法为探寻复杂岩土工程(如复杂边坡等)灾变预测、预报及防控提供了新的理论与技术路线。

关键词：岩石力学深部围岩有势场能量汇因子分区破裂

基于扩展有限元的深部岩体分区破裂化现象初步数值模拟

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岩土力学 2013年第11期34卷 3291-3298页

作者：陈旭光张强勇李术才梅宇河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室南京210098 河海大学隧道与城市轨道工程研究所南京210098 山东大学岩土与结构工程研究中心济南250061

通过轮廓法追踪岩石裂纹扩展轨迹，将其嵌入ABAQUS扩展有限元（EFE）平台，对单轴压力下裂隙试件受压过程进行了模拟验证，裂纹起裂扩展效果良好。以此为平台，将推导得到的弧形裂纹应力强度因子嵌入其中，以最大周向拉应力准则为开裂... 详细信息

通过轮廓法追踪岩石裂纹扩展轨迹，将其嵌入ABAQUS扩展有限元（EFE）平台，对单轴压力下裂隙试件受压过程进行了模拟验证，裂纹起裂扩展效果良好。以此为平台，将推导得到的弧形裂纹应力强度因子嵌入其中，以最大周向拉应力准则为开裂准则，认为当其大于岩体断裂韧度时，硐室围岩体内初始裂纹将开始扩展。在此基础上，以发现分区破裂现象的圆形隧道模型试验为背景开展了分区破裂的数值模拟试验。模拟结果发现，深部巷道围岩出现了3～4层破裂分区，证实深部巷道围岩存在分区破裂现象。将数值模拟结果与模型试验完成后模型围岩破坏状态对比，发现二者破裂区分布特征基本一致。数值模拟结果表明，EFEM方法在处理复杂岩体裂纹问题方面的有效性。

关键词：分区破裂扩展有限元法应力强度因子子域积分

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深部围岩分区破裂化模型试验研究

煤炭学报 2014年第6期39卷 987-993页

作者：袁亮顾金才薛俊华张向阳深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室安徽淮南232000 淮南矿业(集团)有限责任公司安徽淮南232000 总参工程兵科研三所河南洛阳471023

为研究深部巷道围岩破裂机理,在"深部巷道围岩破裂机理与支护技术模拟试验装置"进行了模型试验,系统研究了深部巷道围岩在最大初始开洞荷载与洞室轴线平行作用下直墙拱顶试验的破坏形态和机理。模型试验表明:当最大主应力与洞室轴线平行... 详细信息

为研究深部巷道围岩破裂机理,在"深部巷道围岩破裂机理与支护技术模拟试验装置"进行了模型试验,系统研究了深部巷道围岩在最大初始开洞荷载与洞室轴线平行作用下直墙拱顶试验的破坏形态和机理。模型试验表明:当最大主应力与洞室轴线平行,在较大轴向压力作用下产生较大的朝洞内的膨胀变形,使得在围岩内产生较大的径向拉应变,其产生的拉伸断裂是出现分层破坏现象的关键,分布特点是随着轴向应力的增加其拉应变值增加,随距洞壁距离的增大其拉应变值减小。拉伸断裂面形成后,相当于在原来的介质内又形成了一个新的半径增大的洞室,洞室在较大的轴向压应力持续作用下,拉伸破坏过程不断重复出现,就会形成交替的破裂区域和未破裂区域,即分层破裂现象。

关键词：深部岩体拉伸断裂分区破裂模型试验

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深隧道围岩分区破裂的数学模拟

岩土力学 2012年第11期33卷 3439-3446页

作者：戚承志钱七虎王明洋陈剑杰北京建筑工程学院工程结构与新材料北京市高校工程研究中心北京100044 解放军理工大学工程兵工程学院南京210007 西北核技术研究院西安710024

该研究为先前深隧道围岩分区破裂现象内变量梯度塑性模型的进一步发展。利用应变梯度模型研究了深隧道围岩的分区破裂现象。作为额外的状态变量,在此引入应变梯度这一新变量。利用虚功原理得到了深隧道围岩的平衡方程、边界条件和流动准... 详细信息

该研究为先前深隧道围岩分区破裂现象内变量梯度塑性模型的进一步发展。利用应变梯度模型研究了深隧道围岩的分区破裂现象。作为额外的状态变量,在此引入应变梯度这一新变量。利用虚功原理得到了深隧道围岩的平衡方程、边界条件和流动准则,利用Clausius-Duhem不等式获得了岩体的本构方程。对于圆形深隧道,由上述模型的一般方程得到了弹性变形情况下、具有下降段的弹塑性变形情况下和不考虑弹性变形的塑性变形情况下圆形深隧道围岩的支配方程,得到了解析解,并讨论了解析解的性质。这一模型不仅扩展了隧道围岩的经典弹塑性模型,也为下一步数值研究深隧道围岩的分区破裂现象奠定了理论基础。

关键词：深隧道分区破裂应变梯度理论