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基于光纤光栅的深部硬岩隧洞三维扰动应力测试系统研制及工程应用

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岩石力学与工程学报 2024年第2期43卷 261-274页

作者：李邵军郑民总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

扰动应力及其演化是深埋隧洞围岩稳定性及灾变的最重要因素,目前对硬质围岩三维扰动应力的研究局限于解析解和数值模拟,缺乏可靠的原位测试技术与装备。考虑深部硬岩隧洞工程复杂地质环境,系统分析扰动应力的测试原理和理论基础,研发基... 详细信息

扰动应力及其演化是深埋隧洞围岩稳定性及灾变的最重要因素,目前对硬质围岩三维扰动应力的研究局限于解析解和数值模拟,缺乏可靠的原位测试技术与装备。考虑深部硬岩隧洞工程复杂地质环境,系统分析扰动应力的测试原理和理论基础,研发基于光纤光栅与空心包体的扰动应力综合传感技术,研制三维扰动应力单孔多点分布式原位测试系统;通过密封油压高精度标定设备,实现对空心包体单元光栅和传感器装置的整体精确标定,结合室内混凝土模型试验,验证了应力测试系统的准确性。以锦屏地下实验室二期隧洞工程为依托,开展扰动应力现场测试,首次原位测试获得深部硬岩隧洞开挖过程中不同深度的三维扰动应力变化,系统分析扰动应力大小、方向的演化特征、规律及其与施工活动的关系,并进一步验证光纤光栅空心包体应力测试系统的工程适用性和可靠性。研究成果为深部硬岩工程扰动应力测试和演化特性研究提供了科学方法和技术支撑。

关键词：地下工程深部硬岩隧洞三维扰动应力光纤光栅原位测试

基于脆性缓冲理念的隧道抗错断方法及模型试验

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清华大学学报（自然科学版） 2024年第7期64卷 1116-1125页

作者：曹俊崔臻张翔宇张佳威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武汉430071 中国科学院大学北京100049

针对许多隧道面临的穿越活动断层挑战,该研究提出一种基于脆性缓冲理念的隧道抗错断方法。通过设计并实施模型试验,验证脆性缓冲结构在抗错断方面的有效性。研究结果表明:当断层发生错动时,采用脆性缓冲结构的隧道设计理念是可行的。通... 详细信息

针对许多隧道面临的穿越活动断层挑战,该研究提出一种基于脆性缓冲理念的隧道抗错断方法。通过设计并实施模型试验,验证脆性缓冲结构在抗错断方面的有效性。研究结果表明:当断层发生错动时,采用脆性缓冲结构的隧道设计理念是可行的。通过观察破坏模式发现,脆性缓冲材料的粉碎和衬砌的部分脱空作用可有效分散局部剪切破坏,显著降低断层带区域衬砌的损坏程度。在上盘区域,拱顶处的脆性缓冲结构被压碎,与此同时,拱底处脱空。下盘区域的拱顶处脱空,而拱底的脆性缓冲结构被压碎。这种变形模式有效分散了断层位置的局部剪切变形,显著减轻了衬砌的损坏。在50 mm厚缓冲结构的保护下,即使错动位移达到100 mm,相当于实际情况下的4 m位移,衬砌模型表现出的损坏较小,突显了脆性缓冲结构在保护隧道结构完整性方面的强大性能。此外,从应变监测数据分析可以看出,衬砌的应变峰值并不出现在断层破碎带内,而是迁移至离断层位置较远的区域,显著减轻了断层破碎带内的应变集中现象。该研究为跨越活动断层带的隧道设计提供了重要的理论依据和实践指导,为抗错断方案的选择提供了参考。

关键词：隧道工程活动断层模型试验脆性材料

金属矿山复杂采空区围岩破坏及岩层移动机制研究

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岩石力学与工程学报 2024年第3期43卷 670-682页

作者：孙朝燚陈从新夏开宗张伟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

以武钢资源集团金山店铁矿东区为依托工程,厘清矿区工程地质条件和矿体开采情况;通过地压显现调查和微震破裂监测开展复杂采空区围岩破坏空间特征分析;结合三维数值模拟、围岩破裂监测和巷道破坏调查结果阐明矿区上下盘围岩破坏机制,提... 详细信息

以武钢资源集团金山店铁矿东区为依托工程,厘清矿区工程地质条件和矿体开采情况;通过地压显现调查和微震破裂监测开展复杂采空区围岩破坏空间特征分析;结合三维数值模拟、围岩破裂监测和巷道破坏调查结果阐明矿区上下盘围岩破坏机制,提出基于岩体塑性破坏的围岩破坏角不连续变形分析指标,并与陷落角指标进行对比验证,揭示金属矿山复杂采空区引起的平面和剖面方向上岩层移动规律。研究结果表明:围岩破坏和巷道地压显现围绕采空区分布,在平面上半月形采空区凸出形状对两翼围岩破坏具有放大效应,在剖面上分段运输巷道破坏具有高程滞后发生的特点;采空区围岩破坏最初以顶部岩体垮塌冒落为主,随着采矿推进发展为断层滑移控制的筒状冒落破坏,最后扩展成为岩体结构控制的贯通滑移破坏,上盘围岩呈现倾倒-滑移破坏特征,下盘围岩呈现追踪断层和结构面的剪切-滑移破坏特征;不同勘探线剖面的上盘和下盘围岩破坏角和陷落角的数值及变化规律较为一致,均随采矿进程近似呈现先减小后趋于稳定的变化规律;上盘采空区(FeI)为条带状展布,趋于稳定的破坏角在不同勘探线位置近似一致,且主控优势结构面倾角越大,其稳定破坏角越小;下盘采空区(FeII)呈半月形平面形状展布,半月形中间凸出位置的稳定破坏角较大,两翼位置角度较小,且距离中间位置越远其角度越小。研究结果对指导矿山安全生产和保障周边居民正常生活具有重要意义。

关键词：采矿工程金属矿山地下开采复杂采空区围岩破坏岩层移动

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膨胀土残余强度的变速率效应及工程启示

岩土工程学报 2024年第7期46卷 1445-1452页

作者：鄢俊彪孔令伟李甜果周振华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 中国科学院大学北京100049

残余强度对滑坡的变形、稳定性具有重要影响,滑坡运动全过程中往往涉及到变速率问题,具体表现为加速率和减速率作用。为研究膨胀土残余强度的加速率和减速率效应,开展了一系列变速率环剪试验,分析了膨胀土残余强度在不同加速率和减速率... 详细信息

残余强度对滑坡的变形、稳定性具有重要影响,滑坡运动全过程中往往涉及到变速率问题,具体表现为加速率和减速率作用。为研究膨胀土残余强度的加速率和减速率效应,开展了一系列变速率环剪试验,分析了膨胀土残余强度在不同加速率和减速率条件下的变化规律,并讨论了残余强度的加速率和减速率效应在滑坡不同变形发展阶段中起的作用。结果表明:加速率和减速率均对残余强度具有强化作用(正作用),加速率对残余强度的强化作用比减速率的更显著,在较大法向应力条件下残余强度的加速率和减速率效应更显著。残余强度的加速率和减速率效应是剪切速率变化导致剪切面状态变化的结果,剪切面上土颗粒在变速率条件下须重新调整以适应新的剪切速率条件,从而导致了残余强度变化。在滑坡运动全过程当中,残余强度的加速率和减速率效应对滑坡向减速堆积状态演化有利。

关键词：膨胀土残余强度速率效应环剪试验滑坡

基于复变函数理论的无中导连拱隧道应力与位移解析解

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岩土力学 2024年第3期45卷 777-787页

作者：毕钛俊邓琴汤华姜成业秦雨樵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 中国科学院大学北京100049

无中导连拱隧道由于后行洞衬砌搭接于先行洞衬砌拱腰之上,围岩与衬砌受力情况复杂,开展相应的围岩与衬砌应力和位移分析具有重要的工程意义。基于复变函数理论和Schwarz交替法,提出了深埋条件下考虑衬砌的无中导连拱隧道围岩与衬砌应力... 详细信息

无中导连拱隧道由于后行洞衬砌搭接于先行洞衬砌拱腰之上,围岩与衬砌受力情况复杂,开展相应的围岩与衬砌应力和位移分析具有重要的工程意义。基于复变函数理论和Schwarz交替法,提出了深埋条件下考虑衬砌的无中导连拱隧道围岩与衬砌应力和变形的计算方法。针对无中导连拱隧道两洞具有共用边界的特点,在利用柯西积分法进行求解时,将单洞衬砌与围岩接触的边界积分条件转化为仅存在单洞时的完整边界积分与共用边界积分之差,对于Schwarz交替法中求解“附加面力”的过程亦进行类似处理。给出共用边界应力与位移的计算方法。通过算例,将上述解析结果和数值仿真结果进行对比,证明了方法的可行性和准确性。

关键词：无中导连拱隧道复变函数 Schwarz交替法应力场位移场