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深埋地下洞室局部让压效应及能量演化规律

应用力学学报 2023年第1期40卷 116-126页

作者：刘希亮孙飞跃郭佳奇武文龙河南理工大学土木工程学院焦作454000 河南省地下工程与灾变防控重点实验室焦作454000 河南省地下空间开发及诱发灾变防治国际联合实验室焦作454000

为了更大程度地降低岩爆所带来的动力灾害,基于岩爆能量原理,提出了隧道内壁或掌子面前方产生的应力集中现象为非均匀薄壁应力集中的概念,分析认为诱发岩爆的位置为应力集中且应力梯度较大处。以实际工程为依托,通过FISH语言编译计算代... 详细信息

为了更大程度地降低岩爆所带来的动力灾害,基于岩爆能量原理,提出了隧道内壁或掌子面前方产生的应力集中现象为非均匀薄壁应力集中的概念,分析认为诱发岩爆的位置为应力集中且应力梯度较大处。以实际工程为依托,通过FISH语言编译计算代码对三维有限差分数值软件进行二次开发,系统地从围岩局部让压的角度研究深部地下洞室在动载作用下的能量演化规律以及钢架合理支护让压间距对洞室破坏形式和动态响应规律,研究表明:由于围岩的局部让压效应,对围岩的扰动减少,冲击波能量在掌子面处被吸收和反射,导致动力响应减弱,使动力荷载有所消减。洞室开挖后,围岩在破坏初期首先出现张拉破坏而后以剪切破坏为主,剩余弹性应变能以动能形式向外剧烈释放,发生岩爆现象的部位与岩体最大主应力方向具有直接关系。

关键词：深埋洞室局部让压效应能量演化岩爆数值模拟

深埋洞室镶有圆形衬砌的复变函数弹性应力解析

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现代隧道技术 2017年第5期54卷 30-35页

作者：袁维傅鹤林张加兵黄震中南大学土木工程学院长沙410075 中国电建集团中南勘测设计研究院长沙410014

针对深埋洞室镶有圆形衬砌的应力接触问题,文章利用复变函数幂级数解法,从边界条件和接触条件出发,推导出衬砌与围岩的应力分量表达式,并采用弹性力学轴对称应力的一般性解答式进行验证求解,得到相同的弹性精确解,从而验证了该复变函数... 详细信息

针对深埋洞室镶有圆形衬砌的应力接触问题,文章利用复变函数幂级数解法,从边界条件和接触条件出发,推导出衬砌与围岩的应力分量表达式,并采用弹性力学轴对称应力的一般性解答式进行验证求解,得到相同的弹性精确解,从而验证了该复变函数求解方法的正确性,为利用复变函数法求解不规则荷载作用下的围岩及衬砌应力提供了新的思路。

关键词：深埋洞室圆形衬砌复变函数弹性应力

基于变分模态分解的深埋洞室爆破开挖围岩振动特性分析

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岩土力学 2021年第12期42卷 3366-3375页

作者：杨建华章伟鹏姚池张小波周创兵南昌大学建筑工程学院江西南昌330031

深埋洞室高地应力爆破开挖产生的围岩振动包含爆炸地震波和爆破开挖面上地应力快速释放诱发的地震波,二者在时域上没有明显的分界点,这给单独研究爆炸地震波和诱发地震波的振动特性及其围岩动力响应带来了很大的不便。首次采用变分模态... 详细信息

深埋洞室高地应力爆破开挖产生的围岩振动包含爆炸地震波和爆破开挖面上地应力快速释放诱发的地震波,二者在时域上没有明显的分界点,这给单独研究爆炸地震波和诱发地震波的振动特性及其围岩动力响应带来了很大的不便。首次采用变分模态分解(variational mode decomposition,VMD)方法对典型深埋洞室爆破开挖产生的爆炸地震波和诱发地震波进行了分离,并对其可靠性进行了验证,在此基础上基于实测数据分析研究了爆炸地震波和诱发地震波的频率特性及其质点峰值振动速度(PPV)衰减规律。研究结果表明,VMD方法因能自适应地确定所给信号的模态分解个数并匹配每种模态分量的最佳中心频率和有限带宽,可以有效实现深埋洞室爆破开挖爆炸地震波和诱发地震波的分离;诱发地震波的中心频率明显低于爆炸地震波的中心频率,诱发地震波的存在使得围岩振动低频成分显著增加;相比于爆炸地震波,诱发地震波随距离衰减较慢,是中远区围岩振动的主要成分。

关键词：深埋洞室爆破开挖振动变分模态分解中心频率

真三轴单面卸荷条件下中间主应力对深埋洞室岩爆影响特征

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煤炭学报 2023年

作者：孙飞跃郭佳奇刘希亮郝宪杰王树仁中国矿业大学(北京)能源与矿业学院河南理工大学土木工程学院河南省地下工程与灾变防控重点实验室

岩爆灾害已成为国内外深埋洞室建设的重大安全隐患。利用新型真三轴岩爆试验系统，开展了不同中间主应力下“单面侧向卸荷-三向五面受力-竖向持续加载”的室内物理模拟试验，对比分析了不同中间主应力下岩样的弹射破坏过程、破坏形态特... 详细信息

岩爆灾害已成为国内外深埋洞室建设的重大安全隐患。利用新型真三轴岩爆试验系统，开展了不同中间主应力下“单面侧向卸荷-三向五面受力-竖向持续加载”的室内物理模拟试验，对比分析了不同中间主应力下岩样的弹射破坏过程、破坏形态特征、声发射特性、碎块特征以及弹射动能等变化规律；基于三维离散元理论和多晶建模技术（随机生成Voronoi矿物晶粒），研究了真三轴单面卸荷条件下岩爆“孕育-发生-发展-破坏”全过程及能量演化特征。研究结果表明：不同中间主应力下岩爆弹射破坏过程可概括为颗粒局部弹射、岩石劈裂成板、板折断裂成块及块片全面弹射；其中，岩石劈裂成板是岩爆孕育过程中必然经历的破坏现象。岩样临空面破坏形态具有相似的多元分区破坏特征，即临近临空面区域产生以张拉破坏为主的劈裂裂缝，远离临空面产生以剪切破坏为主的贯穿性斜裂缝。声发射撞击数演化过程可分为相对平稳阶段、快速上升阶段、整体破坏阶段及平静期阶段。随着中间主应力的不断增大，碎块的弹射动能呈增大的变化趋势。岩爆碎块质量多以粗粒、中粒与细粒碎块为主，且随中间主应力的增加，微粒碎块质量百分数基本不变，细粒、中粒与粗粒碎块质量百分数则呈现出平稳增加的趋势。利用考虑颗粒矿物成分的晶体尺度精细仿真模型（CSFM）成功地模拟了岩爆“孕育-发生-发展-破坏”全过程，获得了岩样的应力-应变曲线变化趋势与室内试验测试结果基本一致且曲线吻合度较好，弹性应变能的演化曲线大致可分为早期增长速率递增阶段、近似线性增长阶段、屈服平台期间增长速率递减阶段及峰后急剧下降阶段。

关键词：深埋洞室岩爆中间主应力真三轴试验离散元方法

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

深埋洞室围岩分区破裂演化规律及支护技术研究

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深埋洞室围岩分区破裂演化规律及支护技术研究

作者：陈宝平西安科技大学

学位级别：硕士

随着世界经济的高速发展,深部岩体工程的开发与利用成为土木工程领域最活跃的研究方向之一,大量深逾千米的矿山巷道、引水隧洞及石油战备储存工程等大型深埋岩体工程相继开建。然而,深部地下岩体工程的开挖出现了有别于浅部洞室围岩破... 详细信息

随着世界经济的高速发展,深部岩体工程的开发与利用成为土木工程领域最活跃的研究方向之一,大量深逾千米的矿山巷道、引水隧洞及石油战备储存工程等大型深埋岩体工程相继开建。然而,深部地下岩体工程的开挖出现了有别于浅部洞室围岩破坏的现象,即分区破裂化现象。由于深部岩体工程是地下工程未来发展的主要趋势,研究深部岩体分区破裂化现象具有极其重要的现实意义。本文在总结分析前人研究成果的基础上,以分区破裂条件下的全长锚固锚杆为研究对象,通过对锚杆受力特征的系统分析,对深埋洞室围岩分区的演化规律进行了反演分析,并提出了针对性的围岩支护方案,主要结论如下:(1)分析了深埋条件下围岩分区破裂的形成过程。深埋洞室开挖初期,围岩应力二次分布,洞壁处形成第一个破裂区。应力再次释放并重新分布,此时该破裂区外边界相当于新的开挖边界,若再次分布的切向峰值支承压力大于弹塑性界面上岩体的极限强度,将形成第二个破裂区。依此类推,直至破坏停止。(2)分析了分区破裂条件下全长锚固锚杆的受力特征。深部洞室开挖后,围岩应力将发生多次重分布,形成围岩分区破裂现象。在此过程中,同段锚杆表面摩阻力在不同时刻的大小不等,同一时刻不同段锚杆表面摩阻力分布情况也不尽相同,表现为锚杆承受拉—压交替的受力特点。基于围岩—锚杆协调变形原理,建立了分区破裂条件下的锚杆受力分析模型。(3)提出了确定围岩各破裂区发生时刻的理论公式。深埋洞室开挖后,围岩应力发生重新分布,弹塑性界面处岩体显著的流变特性是产生分区破裂现象的关键性因素。结合弹塑性界面处岩体流变特性及最大偏应力强度理论,推导了各分区弹塑性界面上岩体发生破裂时刻的表达式。结果表明:岩体的破裂时刻与岩体的力学性质以及承受的最大偏应力、径向应力等因素密切相关。(4)建立了围岩分区厚度、非破裂区及破裂区宽度的理论计算公式。根据锚杆中性点处杆体与岩体的位移特征,推导了围岩分区破裂现象中锚杆中性点位置分布的多解性理论计算公式。在确定锚杆中性点位置的基础上,运用锚杆中性点理论和围岩弹塑性变形理论推导了反演计算围岩分区厚度、非破裂区及破裂区宽度的理论公式。结果表明:破裂区的相对外径随岩体粘聚力、内摩擦角的增加而减小,随开挖半径的增大急剧增大。其厚度随岩体粘聚力及内摩擦角的增加快速减小。(5)提出了分区破裂条件下的针对性围岩支护方案。在确定围岩各分区范围、破裂时刻、破裂区厚度的基础上,通过合理布置锚杆和确定各破裂区岩体的注浆量,提出了“定位+定时+定量”的锚注联合支护技术,为国内外深埋岩体工程的支护设计提供了新的思路。

关键词：深埋洞室分区破裂流变模型演化规律支护技术

深埋地下洞室软弱围岩破坏机理及稳定性试验研究

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深埋地下洞室软弱围岩破坏机理及稳定性试验研究

作者：武庆祥河南理工大学

学位级别：硕士

进入21世纪以来随着我国地下工程建设逐渐向着“长、大、深”方向发展,岩体工程的规模、数量及复杂性均显著增加,其中软岩大变形地质灾害尤为突出。本文采用室内相似模型试验和数值模拟相结合的手段,对不同工况下洞室围岩体变形、破坏... 详细信息

进入21世纪以来随着我国地下工程建设逐渐向着“长、大、深”方向发展,岩体工程的规模、数量及复杂性均显著增加,其中软岩大变形地质灾害尤为突出。本文采用室内相似模型试验和数值模拟相结合的手段,对不同工况下洞室围岩体变形、破坏演化过程,应力与应变变化规律进行了研究。本文的研究内容主要包含以下几个方面:(1)研究出以硫化铁砂和重晶石粉为骨料,松香和酒精为胶结材料的混合料为泥岩的相似材料,该型材料具有组分简单、养护周期短、同配比材料可循坏利用等优点。并在此基础上结合正交试验原理开展配比试验,深入探讨相似材料各物理量的变化规律及敏感因素,以模糊数学分析方法确定最优相似材料配比,并基于多元回归分析建立材料控制因素与力学参数间的定量关系,为泥岩相似材料配比的相关研究提供参考和依据。(2)在多功能模型试验机上进行了洞室在毛洞和不同支护条件下的超载试验。试验过程中记录洞室围岩破坏演化全过程,并采用位移传感器监测不同埋深洞壁位移情况,确定了高应力条件下隧道的变形特征和破坏演化特征;在洞室周边围岩埋设压力传感器和应变砖进行测量,据此分析了围岩体应力、应变场随埋深变化规律。(3)采用和模型试验相同尺寸和相同边界条件的数值模型开展洞室在毛洞和不同支护条件下的超载试验,对围岩体的塑性区、应力场和位移进行了研究,并将数值计算结果与模型试验相对比,结果表明模型试验结果与数值计算相吻合。并用数值模拟方法验证了开挖加载步续对试验结果的影响,结果表明不同试验步骤对试验结果存在影响,但影响在可接受范围内。(4)在M3模型基础上利用数值模拟方法探究高地应力条件下(模拟埋深1800m)洞室围岩的最佳支护形式,结果表明通过调整钢拱架间距和锚杆索的锚固范围能有效提高围岩支护体系的支护能力。

关键词：深埋洞室软弱围岩破坏机理支护体系相似材料物理模型试验

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冲击荷载作用下深埋洞室稳定性分析

应用力学学报 2016年第4期33卷 646-651,739页

作者：邓博团马宗源西安科技大学建筑与土木工程学院西安710054 西安理工大学岩土工程研究所西安710048

建立了反映高应力状态下岩石材料塑性变形及损伤破坏的弹塑性损伤本构模型。通过ABAQUS显式有限元计算程序及其二次开发平台,使用FORTRAN语言编制本构计算程序,将本构模型导入ABAQUS计算软件当中。将本文提出的岩石材料弹塑性损伤本构... 详细信息

建立了反映高应力状态下岩石材料塑性变形及损伤破坏的弹塑性损伤本构模型。通过ABAQUS显式有限元计算程序及其二次开发平台,使用FORTRAN语言编制本构计算程序,将本构模型导入ABAQUS计算软件当中。将本文提出的岩石材料弹塑性损伤本构模型应用于深埋地下洞室受冲击地压作用问题的计算分析。计算分析结果说明:在应力较低时,受冲击作用后的洞室围岩表现出明显的脆性开裂破坏特征;随着地应力水平的提高,围岩变形及承受冲击荷载的能力均明显变大,洞室在发生较大塑性变形后才出现整体性破坏。

关键词：冲击荷载深埋洞室高应力状态损伤

锚杆支护方式对深埋洞室隔冲击效果影响的数值模拟研究

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应用力学学报 2024年第1期41卷 129-139页

作者：王雪杨帅史志杰郑际镜王艳锋天津大学机械工程学院天津300350 安阳师范学院建筑工程学院安阳455000 96911部队北京100120

与浅埋洞室相比,随着埋深增加而产生的高地应力现象使深埋洞室安全性评价更加复杂。本研究在考虑地应力平衡的前提下,采用有限元与无限元相结合的方法,对冲击荷载作用下深埋洞室的锚杆支护方式进行了设计与优化。计算结果表明:在平衡初... 详细信息

与浅埋洞室相比,随着埋深增加而产生的高地应力现象使深埋洞室安全性评价更加复杂。本研究在考虑地应力平衡的前提下,采用有限元与无限元相结合的方法,对冲击荷载作用下深埋洞室的锚杆支护方式进行了设计与优化。计算结果表明:在平衡初始地应力之后,Mises应力会随着锚杆长度、疏密程度的增加略有增长。当锚杆长度和疏密程度增至某一特定值时,洞室洞壁的位移和塑性应变将达到最小值,洞室围岩将达到相对安全状态。锚杆间隔布置下,长锚杆数量的增加将提高洞室围岩的安全性。当对洞室拱脚进行重点支护时,整个洞壁的位移均有所减小。

关键词：深埋洞室地应力平衡锚杆支护围岩应力