基于ABAQUS的岩爆形成机理研究

本文对岩爆进行了分类,从建立岩石材料的损伤本构模型出发,结合断裂力学的有关概念给出了岩石破坏发生的判别准则,从而系统地解释了岩爆的形成机制.结合圆形洞室围岩应力分布,对具体的工程实例运用ABAQUS进行数值模拟,分析了发生岩爆的地下洞室围岩的应力状态及相应的灾变位置.     

基于非线性屈服准则及主应力判据的圆形巷道围岩岩爆过程的数值模拟

鉴于考虑拉伸截断的线性莫尔-库仑屈服准则不能考虑岩石在高应力条件下的非线性屈服特征,根据虎克-布朗本构模型,将上述屈服准则在受压区的线性屈服函数修改为非线性形式。采用3种岩爆的主应力判据,判别圆形巷道开挖之后围岩中各种级别岩爆的分布及演变规律。计算采用"先加载,后挖洞"的方式,岩石服从弹—脆—塑性本构模型。研究发现,发生高级别岩爆的单元数少于发生低级别岩爆的单元数;轻微岩爆区的形态更接近于塑性区及剪切应变增量的高值区。根据巴顿判据,发生重岩爆的单元数较多,而且主要发生的是拉伸岩爆;根据陶振宇判据,发生轻微及中等岩爆的单元数均多于根据谷明成-陶振宇判据判别的结果。上述两种判据判别的结果均表明,在不考虑拉伸岩爆的条件下,只有位于围岩内部的单元才有可能发生高级别的岩爆,而位于巷道表面的单元一般仅发生轻微岩爆。     

不同围压条件下的圆形巷道岩爆过程模拟

利用FLAC模拟了不同围压条件下圆形巷道的岩爆过程。为了模拟巷道开挖,利用编写的FISH函数删除巷道内部的单元。岩石服从摩尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为。模拟结果表明:当围压较低时,剪切应变集中区域呈圆环状,围岩能保持稳定,不出现剪切带;当围压增加到一定程度时,围岩中出现了"狗耳"形的V形坑,发生岩爆,但围岩也还能保持稳定;当围压进一步增加时,围岩中出现了多条狭长的剪切带,巷道的整个断面均遭到了破坏,发生强烈的岩爆。随着围压的增加,V形岩爆坑变大、变深,剪切带花样的对称性变差;在高围压时,剪切带花样与塑性力学中的滑移线网有类似之处。     

复杂应力条件下地基岩石细观破坏研究

为了研究复杂应力条件下的深基坑岩石细观破坏问题,本构方程采用由应变空间导出的弹塑性损伤细观力学模型,借助有限元计算方法,实现了岩石三维破裂过程的数值模拟。采用细观破坏单元网格消去法,实现了有限元模拟裂纹扩展过程;利用位移加载来实现岩石逐渐破裂过程;数值模拟灰岩单轴拉伸及压缩破坏试验、双轴拉伸破坏试验和三轴受压破坏试验,得到其非线性应力—应变曲线和不同载荷阶段弹塑性损伤破裂演化系列图像;分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响。研究表明,在复杂应力条件下,随着围压增大,峰值抗压强度明显提高,塑性变形明显增大。本文研究对深基坑施工过程中预防工程事故的发生具有借鉴意义。     

长大隧道岩爆灾害研究进展

岩爆是长大隧道施工中发生频率较高的突发性地质灾害;岩爆研究对于隧道的勘测设计、施工组织及安全生产具有重要的现实意义.岩爆机理研究是岩爆预测及控制技术发展的基础;由于现有理论的不完善,以之为基础的预报体系及控制技术还不能对岩爆灾害进行准确预报和有效控制.岩石静力学理论在岩爆研究中是重要的,但它还不能阐明岩爆的全部机理.钻爆法开挖过程中,各炮层的顺序起爆、周边眼起爆后开挖轮廓面的瞬时大幅卸载及岩爆事件本身所产生的各类高幅值、陡波前应力波以及它们的叠加效应对于围岩,尤其是处于双向受压、一侧临空、具有发生破坏潜势的既有炮次围岩的扰动作用应该是显著的.围岩也许不会在上述动荷载的一次作用下就发生宏观破坏,但这些应力波的多次扰动,却会在微观-细观尺度上引起围岩累积性损伤的加剧与局部应力环境的恶化,并最终导致裂纹的大规模瞬时动力扩展,伴随晶间、粒间瞬态应变能的高速释放,围岩便会以岩爆的形式失稳.因此,系统进行岩爆灾害的岩石动力学机理研究是必要的.     

基于动-静应力耦合的深埋隧道岩爆灾害控制

岩爆灾害严重威胁着施工人员及设备的安全,影响施工进度,已经成为硬岩隧道勘测设计及施工组织中必须考虑的重要问题之一.到目前为止,岩爆控制领域已取得了若干重要进展,但这些进展主要是建立在岩石静力学理论基础之上的,据此提出的大部分措施的控制效果还不甚理想,与从根本上控制岩爆还有较大距离.完整硬脆性岩体、较高地应力和一次或多次动力干扰应该是岩爆发生的3个必要条件,岩爆控制应综合考虑动-静应力的耦合效应.基于动-静应力耦合的岩爆控制已经引起部分学者的关注并已取得一定进展,但还缺乏深入研究.开展基于动-静应力耦合的深埋长大隧洞岩爆灾害控制研究具有重要的理论意义和实用价值.     

发电机定子冷却水管路堵塞的原因分析及处理

利用FLAC模拟了不同岩石峰后脆性条件下圆形巷道围岩的破坏区分布及能量释放规律。在计算中,采用了应变软化本构关系及"先加载,后挖洞"方式。模拟结果表明,随着峰后脆性的增加,围岩中发生破坏的单元变多,释放的弹性应变能总量增加,巷道围岩越来越难于再次达到平衡状态;尽管在一些算例中出现了沿环向发展的破坏区,但是不认为这与分区破裂化现象有关;难于采用二维的滑移线或破坏特征线解释分区破裂化现象。围岩分区破裂化现象的研究可从三维连续介质模型的空间局部化视角出发,亦可从二维颗粒体模型的颗粒相互作用机制视角出发,这两种思路都引入了二维连续介质模型中不具备的因素。     

黑石岭隧道围岩岩爆灾害的研究

地应力环境与围岩力学属性是隧道工程中引发岩爆的两大决定性因素。为了研究黑石岭隧道开挖过程中围岩岩爆灾害的潜在威胁及其表现规律,通过对岩爆里程段的现场采样、运用Kaiser效应法测量原岩应力和室内岩石力学实验,探讨了工程区内白云岩的岩性特征及其破坏规律,并基于强度理论和冲击能指标分析了发生岩爆的可能性及其发生方式。分析得知,该工程区内岩爆的潜在威胁较大,尤其是测点1和测点2处发生强岩爆的可能性最大,须在工程开挖过程中加强防治。     

弹性模量依赖围压的圆形洞室围岩破坏行为数值模拟

在考虑拉伸截断及非线性屈服准则的自定义本构模型中,又考虑了弹性模量(弹模)受围压的影响,模拟了两种网格、不同本构模型及加载方式条件下的洞室围岩的破坏行为。在第1种网格中,洞室围岩被剖分为辐射网格,采用"先挖洞,后加载"的方式及理想弹-塑性本构模型进行计算;在第2种网格中,洞室围岩被剖分为矩形网格,采用"先加载,后挖洞"的方式及弹-脆-塑性本构模型进行计算。计算结果表明,对于第1种网格,随着弹模的围压影响系数的增加,洞室围岩的应变、位移及塑性区半径均有所减小,被监测单元的环向应力的峰值有所降低,不同本构模型的计算结果的差别逐渐显现。对于第2种网格,当弹模的围压影响系数较低时,围岩中形成了4个对称的V形坑,随着弹模的围压影响系数的增加,V形坑的个数及尺寸明显减少,这可由洞室围岩的应力、位移及剪切应变增量均有所减小得到解释。     

不同强度岩石中开挖圆形巷道的局部化过程模拟

利用FLAC模拟了不同粘聚力条件下圆形巷道的局部化过程。为了模拟巷道开挖,利用编写的F ISH函数删除巷道内部的单元。岩石服从莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为。文中模拟分为3步:首先,将静水压力施加在模型上,直到达到静力平衡状态;然后,利用编写的F ISH函数开挖巷道;最后,计算重新开始,直到达到静力平衡状态或者塑性流动状态。模拟结果表明,随着粘聚力的降低,巷道围岩的破坏模式首先由孔壁附近零星单元的破坏向4个对称的小V形坑式剪切破坏转变,然后由包含若干小V形坑的大V形坑式剪切破坏向巷道全断面的破坏转变。前三者破坏发生后,巷道围岩仍然能保持稳定。与最大塑性拉伸应变相比,最大剪切应变增量、最大塑性剪切应变要高得多;最大剪切应变增量、最大塑性剪切应变相差不大;随着粘聚力的增加,三者均越来越小。     

孔隙压力对含随机缺陷岩石破坏过程及全部变形特征的影响

对于平面应变压缩条件下含有随机缺陷的岩样,利用FLAC研究了孔隙压力对岩样破坏过程、全部变形特征及前兆的影响。以前编写的若干FISH函数,被用于生成缺陷和计算轴向、侧向、体积应变及侧向应变与轴向应变比值的负值(计算得到的泊松比)。在峰值应力之后,密实岩石单元服从线性应变软化行为及随后的理想塑性行为,而材料缺陷呈现理想塑性行为。当孔隙压力较高时,应力—侧向应变曲线具有一平台;破坏的前兆更明显;变形后岩样的体积总是大于原始体积;在初始加载阶段、均匀变形阶段及峰后变形阶段,由于明显的侧向膨胀,计算得到的泊松比远大于0.5。当孔隙压力较低时,在峰值应力之前,变形后岩样的体积小于原始体积,体积扩容出现于峰值应力之后,引起了负的体积应变。利用广义虎克定律,解释了平面应变弹性状态下数值结果的合理性。对岩样进行带状区域扫描后,确认随机缺陷的初始分布与岩样的最终破坏形态紧密相关。     

颗粒体材料在压缩位移控制加载条件下的力学行为及界面参数对它的影响

采用连续介质快速拉格朗日分析程序(FLAC),模拟了颗粒体材料在压缩位移控制加载条件下的力学行为及破坏过程.颗粒及它们之间的界面被离散为尺寸相同的单元.颗粒被视为各向同性的弹性材料,而界面被视为弹性-应变软化-理想塑性材料.界面完全破坏之后,其内聚力为零而内摩擦角不为零,因而适于模拟颗粒之间的摩擦行为.在双轴压缩条件下...     

卸荷时间对圆形巷道围岩开裂及径向应力波传播影响的数值模拟

采用提出的连续-非连续方法,研究了卸荷时间(卸荷快慢)对圆形巷道围岩开裂、径向应力波传播及围岩径向应力随时间演变规律的影响。该方法借鉴了拉格朗日元法、变形体离散元法及虚拟裂纹模型的思想。首先,研究了卸荷时间对围岩开裂的影响;然后,研究了卸荷时间对径向应力波传播的影响;最后,研究了卸荷时间对围岩径向应力随时间演变规律的影响。结果表明:卸荷越快,围岩中产生的裂纹越多,最大不平衡力越大,波动越剧烈。增加卸荷时间,开挖边界附近的开裂位置由连续分布向间隔分布转变:当卸荷时间较短时,开挖边界附近围岩呈现连续分布的开裂形态,与这些位置的最大主应力均超过抗拉强度引起拉裂有关;当卸荷时间适中时,围岩呈现出与V形坑类似的开裂形态,可能与这些位置存在剪应力有关。卸荷越快,处于扰动区(径向压应力下降区)内的应力环越多,越清晰,围岩径向应力波动越剧烈,所达到的最大径向拉应力越大或最小径向压应力越小。     

油页岩地下开采巷道围岩的流变特性及工程应用

为研究油页岩巷道围岩的流变特性,采用岩土SJ-1B三轴蠕变仪对油页岩进行了三轴蠕变试验。根据试验结果,建立了油页岩非线性蠕变方程。根据上述非线性蠕变方程,以吉林桦甸油页岩矿一井运输大巷为工程背景,分析了围岩的应力场和位移场,并对不同支护强度和应力状态下的蠕变变形进行了系统的分析。研究结果表明,油页岩蠕变具有非线性,控制油页岩巷道围岩过量变形的根本途径是改变围岩的应力状态,以及适当提高锚杆、锚索的初始预应力。本文为有效控制油页岩开采时巷道围岩的有害变形提供了理论依据。     

高速公路连拱隧道开挖三维稳定性分析

通过对金丽温高速公路湾连拱隧道工程区的地质特征的详细分析和现场调查,系统研究了湾隧道开挖及加固全过程的围岩应力场、变形场的状况及变化特征。结果表明,湾连拱隧道围岩应变率较高,围岩衬砌后的位移值比未衬砌时减小了50%,采用目前的衬砌类型后,衬砌变形将较大幅度地变小,衬砌应变值基本满足要求;虽然围岩拉应力值随着隧道的开挖逐渐变大,除局部位置外,衬砌整体基本满足抗拉的要求。