节理岩体巷道围岩稳定性的颗粒离散元分析

节理岩体具有不连续和大变形等特征。为研究节理岩体巷道围岩的稳定性,基于离散单元法的颗粒流程序,为设于节理岩体中(考虑其节理连通率为0,50%和70%的3种情况)的巷道建立模型,分析巷道围岩的变形以及微裂纹分布。结果表明,当巷道处于完整岩体时,巷道围岩变形较小;当围岩节理连通率达到50%时,巷道围岩出现局部脱落但没有明显的破坏面;当围岩节理连通率为70%时,巷道围岩容易形成破坏面,围岩出现块体状脱落,巷道围岩变形破坏严重。随着节理连通率的增加,围岩微裂纹急剧增加,围岩四周主要分布剪切裂纹,岩体巷道的破坏方式以剪切破坏为主。     

综合拉底、扩漏和出矿全过程的底部结构安全性颗粒流模拟技术研究

为探明自然崩落法从拉底崩落至出矿全过程中底部结构节理连续扩展过程与破坏过程规律，采用PFC2D软件，结合RocLab软件反演节理岩体参数，建立229 m×129 m的岩体扩大模型，对拉底崩落至出矿过程进行连续综合计算。研究结果表明:模拟结果及破坏现象与现场监测结果相近，建模与细观参数反演方法适用于该类岩体工程研究；裂纹扩展贯通导致岩体失稳破坏，破坏过程与裂纹扩展具有相对应的阶段特征，裂纹扩展分为崩落前稳定扩展期，崩落与聚矿槽开挖过程加速扩展期和后续持续扩展期；结构破坏分为蕴育过程，扰动失稳过程和宏观破坏过程；较大范围的宏观破坏主要在出矿阶段。该模拟方法与结果可为底部结构维护以及节理岩体长期稳定性研究提供参考。     

孔隙水作用下深埋硐室稳定性分析及破坏机制

为获得孔隙水作用下深埋硐室的围岩压力及其潜在破坏面，将Hoek-Brown破坏准则和极限分析定理结合，改进传统的深埋硐室“楔形体”破坏机制，并将孔隙水作用考虑到优化的深埋硐室围岩稳定性计算模型中；然后根据虚功率原理推导出孔隙水作用下深埋硐室围岩压力解析解，通过序列二次规划(SQP)算法优化得到围岩压力上限解以及拱顶、拱肩破坏范围。研究表明：Hoek-Brown准则参数中地质强度指数(GSI)、岩体常数、岩体单轴抗压强度增大时围岩压力减小，硐室的潜在塌落范围也减小，而扰动因子、岩体容重和硐室直径的增大会对硐室的稳定性产生不利影响。此外，孔隙水压力系数增大时围岩压力和塌落范围也不断增大，且随着水位线高度的增加，影响程度越加明显。     

深埋水平岩层隧道开挖稳定性分析及控制*

针对深埋高地应力水平岩层掌子面开挖稳定性及支护结构失效问题,以大峡谷隧道为工程背景,通过现场测试、室内试验、数值模拟等方法,探究深埋高地应力水平岩层失稳机理及控制措施。研究结果表明:坚硬岩体被节理面切割后,在高地应力作用下容易发生挤压破碎,破碎岩体遇水发生软化,导致掌子面发生大范围塌方,初支和超前支护失效;隧道开挖后岩层发生不均匀沉降,浅部岩层最先发生弯折破坏,层内块体错动滑移,继而向上方岩层发展,并伴随层间分离和层内裂隙发育,最终形成宏观破裂面;提出的台阶法、2 m开挖进尺、砼喷层、双层小导管、提高初支强度的整体优化控制措施,可有效提高现场支护效果。     

倾斜岩层大断面隧道塌方机制的数值模拟

塌方是隧道施工中出现的主要安全事故,研究隧道塌方产生的机制对于保证隧道施工安全具有重要意义。以穿越倾斜岩层段某隧道塌方事故为工程背景,基于围岩的工程力学特性,采用数值分析和现场监测方法研究隧道塌方的力学机制。结果表明:在开挖爆破振动荷载作用下,隧道断面拱部左侧节理岩层极易出现超挖,隧道左侧拱腰处的塑性区显著大于右侧,使左侧拱腰处内侧出现拉应力;左侧拱腰处围岩压力显著大于右侧,造成支护结构的受力不均,初支喷层极易开裂,随着松动区范围逐渐增大,围岩压力逐渐增大,隧道变形迅速增大,极易造成围岩失稳而导致隧道坍塌。     

露井联采逆倾边坡稳定性数值模拟

为最大限度回收资源,倾斜矿体开发时常采用露天与井工联合开采方式,形成露井联采逆倾边坡,由于受到双重采动效应影响,其变形破坏机理及稳定性问题变得极为复杂,是采矿工程领域研究的难题之一。以平庄西露天矿顶帮边坡为研究对象,同时考虑拉伸和剪切两种破坏判据,应用RFPA强度折减法对露井联采逆倾边坡岩移规律及稳定性进行了数值模拟。通过对比分析单一露天开采和露井联采条件下边坡岩体变形破坏规律、位移演化规律及应力分布特征的差异,揭示了地下开采对露天矿逆倾边坡岩移规律及稳定性的影响和原因。结果表明:单一露天开采时边坡发生滑移型破坏,而露井联采条件下边坡发生滑移-塌陷复合型破坏;受两种采动效应叠加的影响,地下采空区上方岩体以下沉为主,同时上山一侧岩体向露天采空区方向发生明显位移;受地下采动影响时,逆倾边坡稳定性下降,其根本原因是坡体内剪应力的大范围叠加升高,造成上部一定范围的岩体在边坡发生滑移前就遭到破坏,从而加剧了滑坡的发展。     

某公路隧道围岩稳定性及支护方式分析

跟踪某隧道施工,进行地质素描和节理统计,通过赤平投影分析节理发育分布规律,建立岩体结构模型;根据隧道围岩结构模型,运用离散元分析方法计算围岩稳定性,并结合现场塌方分析围岩破坏模式。通过离散元分析及时支护和无支护情况下围岩稳定性,探讨钢格栅锚杆组合进行初次支护的力学机理;根据现场钢格栅承受压力和隧道收敛监测,分析某隧道施工中围岩和支护体系的稳定性,总结出隧道施工中安全事故的主要原因,并给出合理的支护建议。     

层状节理岩体模型冲击实验

为研究层状节理岩体在冲击荷载作用下的力学特性,实验采用水泥砂浆预制层状节理岩体模型,设计4个落锤高度对不同节理组数的岩体进行冲击加载。通过对冲击过程中载荷及加速时程信号的分析处理,得出节理岩体动态承载力与节理组数呈负相关性,压缩位移与冲击高度呈正相关性;当冲击荷载较小时,节理岩体动态压缩位移主要来自节理法向闭合,节理周边开始产生细微裂缝;随着冲击荷载的逐渐增大,裂缝逐渐沿节理面扩展贯通导致岩体破坏。     

三维流固耦合数值模拟在铜锣山隧道安全性评价中的应用

隧道施工破坏了原有的岩体平衡，可能引发塌方、突水等安全问题，为了评估隧道建设的安全性，基于三维稳定渗流问题的基本控制方程，对铜锣山隧道全线的开挖和支护方案进行了三维流固耦合模拟，在应力、应变、渗流分析的基础上，评估了隧道建设发生岩爆、坍塌、突水灾害的风险，预测了可能出现大变形和突水灾害的工段，对于隧道安全建设具有指导意义。     

在高地应力作用下近水平岩层隧道掌子面稳定性分析及控制*

为了研究大峡谷隧道开挖中掌子面大范围塌方及支护失效问题,分析现场水平层状围岩失稳特征,基于3DEC离散元软件探究掌子面失稳机理,提出塌腔处治及支护整体优化控制措施。研究结果表明:掌子面塌方主要表现为顺层滑移、挤压离层、局部掉块。开挖后拱顶沿水平层理面发生离层,导致掌子面分层垮落,层间错动掉块。围岩拱顶块体呈斜向下45°变形发展,掌子面中部和底部呈平行隧道轴向变形发展,根据塑性区和剪切滑移区扩展范围,最终形成宽5 m、高4 m的塌腔,掌子面前方岩体受影响深度3~4 m。对易塌方段提出台阶法开挖等控制措施,现场监测洞周位移收敛量不超过5 cm,整体优化后支护效果明显。     

煤层底板隐伏陷落柱突水预测及采前注浆加固评价

华北型煤矿开采受底板岩溶强含水层威胁，通过对淮南张集矿1613A工作面底板隐伏岩溶陷落柱突水危险性分析，采用FLAC3D方法模拟采动条件下岩溶陷落柱活化过程。模拟结果显示:陷落柱上方的煤层底板岩体发生塑性变形，导致陷落柱附近岩体失稳，陷落柱筒壁产生局部剪切破坏，剪切破坏位置易导致奥灰强含水层发生陷落柱突水。采前采用注浆方法改造岩溶陷落柱，对改造后的陷落柱进行数值模拟分析，其内部注浆岩体对陷落柱筒壁具有良好的支撑作用，抑制了筒壁位置剪切破坏的发生，使有效隔水层厚度增大，降低了陷落柱突水的危险性。     

基于LS-DYNA的交错扇形深孔崩落法排间间隔时间优化研究

为了同时解决"隐患资源高效回收"和"空区隐患安全治理"这对矛盾问题,提出交错扇形深孔崩落法;采用室内试验和数值模拟相结合的方法,根据交错扇形布孔形式建立数值计算模型,按照1#矿体岩石的物理力学指标确定模型材料参数,采用LS-DYNA动力仿真软件优选扇形排间间隔时间.研究结果表明:当采空一区排间间隔为100 ms时,岩石...     

饱水作用对锁固型岩体变形特性影响研究*

为了研究饱水作用对锁固型岩体力学性质和变形特性的影响,对干燥与饱水状态下的岩体进行单轴压缩试验,利用数字图像相关方法对岩体加载过程进行非接触式实时变形监测。研究结果表明:饱水作用弱化了岩体的单轴抗压强度和弹性模量;应变场演化特征表明饱水作用增大试件的变形量,但未改变试件的裂纹扩展路径和最终破坏模式;岩桥锁固段剪切裂纹起裂和峰值应力时伴随着应变场分异速率突增,可作为锁固型岩体滑动和失稳破坏的前兆信号,饱水作用对应变场分异速率峰值有削弱作用;通过计算预制裂隙两侧的错动位移,定量揭示岩体失稳过程中岩桥的“锁固效应”。研究结果可为涉水环境下锁固型岩体的稳定性问题和灾变监测提供参考。     

软岩大断面隧道二次衬砌支护时机的选择研究

为探明软岩大断面隧道开挖后围岩的变形与支护时机的相关关系，利用监控测量数据反演分析中获得的蠕变参数，校正ABAQUS的D-P蠕变模型；在此基础上建立数值计算模型，对具有代表性的围岩进口浅埋段、出口浅埋段和洞身段进行了相关的数值分析，研究软岩大断面隧道岩体的变形规律和支护时机之间的关系；通过埋设现场监控量测点对二衬支护时机的结果进行了验证。研究结果表明:出口和进口浅埋段的V级围岩，开挖后岩体的变形速率大、时间短，选择以最终位移量的80%为最佳支护时机，二衬的最佳支护时机为隧道开挖支护后的15 d左右；洞身段IV级围岩具有变形速率小、时间长，以最终位移量的90%为最佳支护时机，洞身段二衬的最佳支护时机为隧道开挖支护后的30 d左右。现场验证表明，选择的二次衬砌支护的时机是可行的。     

软弱围岩隧道洞口浅埋段变形特征及控制措施研究*

为解决洞口浅埋段软弱围岩隧道大变形控制难、施工风险高的问题。依托在建隧道工程，对洞口浅埋段初支变形及破坏特征进行分析，提出适合该隧道的变形控制措施。结果表明:洞口浅埋段围岩松散破碎受开挖扰动和地表水影响显著，隧道破坏形式多样，围岩纵向变形不规律，随埋深增大，局部渗水严重段存在拱腰挤出现象；开挖初期围岩变形速率高，最高达到86.8 mm/d，累计变形量大，其中上、中台阶围岩变形量占比为80%~90%，变形主要分为“加速增长—缓慢增长—再次增长—趋于稳定”4个变化阶段，再增长阶段持续时间较短，约6~10 d。根据围岩预留变形量建立各施工阶段的变形控制基准及超限应对处置措施，并提出工法优化，通过数值模拟验证该优化工法有利于支护结构及时封闭，可控制前期围岩变形，保证施工安全和进度。     

溜石坡崩塌体运动过程与防治措施研究*

为降低中巴公路沿线溜石灾害风险,以中巴公路K777桩处溜石坡为研究对象,定性分析溜石崩塌体运动特征并设计格栅挡墙防护结构。采用有限差分与离散元耦合方法对溜石灾害进行数值模拟,定量分析溜石崩塌体运动状态及公路挡墙动力冲击响应。结果表明:不同粒径下溜石平均速度变化趋势相同,溜石崩塌体运动速度与溜石粒径呈正相关,溜石在自然条件下对公路挡墙冲击集中且受力较大,通过布置格栅挡墙可降低公路挡墙受力,分散溜石冲击,有效拦截大粒径溜石,降低溜石灾害影响。在相同格栅挡墙孔径下,降速效果与溜石粒径呈负相关。可通过考察溜石坡实际情况设计格栅挡墙尺寸,降低中巴公路沿线溜石灾害风险。