工程擾動(dòng)圍巖壓力拱表征及其演化機(jī)制

目錄

《巖石力學(xué)與工程研究著作叢書(shū)》序

《巖石力學(xué)與工程研究著作叢書(shū)》編者的話(huà)

前言

第1章 緒論 1

1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1

1.1.1 采掘巷道圍巖壓力拱研究現(xiàn)狀 2

1.1.2 采場(chǎng)圍巖三維壓力拱研究現(xiàn)狀 2

1.2 本書(shū)主要研究?jī)?nèi)容 3

第2章 層狀巖板斷裂鉸接拱失穩(wěn)破壞特征 5

2.1 層狀巖板斷裂鉸接拱試驗(yàn) 5

2.1.1 巖板試樣及加載裝置 5

2.1.2 試驗(yàn)步序及試驗(yàn)過(guò)程 7

2.1.3 單層巖板斷裂鉸接成拱失穩(wěn)特征 8

2.1.4 雙層組合巖板變形破壞失穩(wěn)特征 11

2.1.5 雙層組合巖板斷裂失穩(wěn)破壞模式 14

2.2 巖拱結(jié)構(gòu)承載力學(xué)分析 16開(kāi)

2.2.1 工程力學(xué)模型 16開(kāi)

2.2.2 豎向荷載與水平反力關(guān)系式 17

2.2.3 豎向荷載與水平反力關(guān)系曲線(xiàn) 18

2.3 集中荷載作用下單層巖板斷裂鉸接失穩(wěn)分析 19

2.3.1 構(gòu)建計(jì)算模型 19

2.3.2 單層巖板模型參數(shù)標(biāo)定 22

2.3.3 單層巖板斷裂鉸接成拱過(guò)程模擬分析 22

2.3.4 單層巖板斷裂鉸接成拱聲發(fā)射特征 23

2.3.5 單層巖板斷裂鉸接拱失穩(wěn)尺度效應(yīng) 24

2.4 集中荷載作用下雙層巖板斷裂鉸接失穩(wěn)分析 25

2.4.1 雙層巖板斷裂鉸接拱失穩(wěn)特征 25

2.4.2 雙層巖板斷裂鉸接拱失穩(wěn)過(guò)程 26

2.4.3 雙層巖板斷裂鉸接成拱聲發(fā)射特征 27

2.4.4 雙層巖板斷裂失穩(wěn)影響因素分析 29

2.4.5 雙層巖板斷裂失穩(wěn)能量耗散特征 30

2.5 固定邊界條件巖板斷裂失穩(wěn)破壞特征 33

2.5.1 構(gòu)建計(jì)算模型 33

2.5.2 組合巖板斷裂鉸接拱失穩(wěn)破壞過(guò)程 34

2.5.3 組合巖板斷裂鉸接拱失穩(wěn)破壞特征 35

2.5.4 組合巖板斷裂鉸接拱失穩(wěn)影響因素分析 36

第3章 公路隧道圍巖壓力拱演化特征 40

3.1 隧道圍巖壓力拱特性 40

3.1.1 隧道圍巖壓力拱表征 40

3.1.2 建立數(shù)值計(jì)算模型 41

3.1.3 隧道圍巖壓力拱尺寸效應(yīng) 43

3.1.4 隧道圍巖壓力拱圍巖差異效應(yīng) 44

3.1.5 隧道圍巖壓力拱應(yīng)力狀態(tài)效應(yīng) 45

3.2 沿隧道軸向分步開(kāi)挖圍巖壓力拱分布形態(tài) 48

3.2.1 三維數(shù)值計(jì)算模型 48

3.2.2 靜水應(yīng)力狀態(tài)沿隧道軸向壓力拱分布形態(tài) 49

3.2.3 不同應(yīng)力狀態(tài)沿隧道軸向壓力拱演化特征 51

3.3 隧道圍巖壓力拱主動(dòng)調(diào)控技術(shù) 52

3.3.1 組合錨桿支護(hù)尺寸效應(yīng) 52

3.3.2 不同應(yīng)力狀態(tài)組合錨桿支護(hù)特性 55

3.3.3 錨桿與錨索聯(lián)合支護(hù)隧道圍巖壓力拱特征 55

3.4 圓形隧道開(kāi)挖圍巖應(yīng)力演化熱輻射特征 57

3.4.1 熱輻射紅外成像技術(shù)簡(jiǎn)述 57

3.4.2 熱輻射紅外成像技術(shù)原理 59

3.4.3 圓柱試樣單軸壓力試驗(yàn)熱輻射效應(yīng) 60

3.4.4 不同圍壓圓形隧道圍巖應(yīng)力-熱輻射試驗(yàn) 66

3.4.5 圓形隧道圍巖應(yīng)力演化熱輻射監(jiān)測(cè)及分析 68

第4章 連拱隧道分步開(kāi)挖圍巖壓力偏態(tài)效應(yīng) 70

4.1 連拱隧道圍巖壓力拱演化特征 70

4.1.1 工程概況 70

4.1.2 數(shù)值計(jì)算模型 71

4.1.3 模擬分析方案 73

4.1.4 連拱隧道分步開(kāi)挖圍巖壓力拱演化過(guò)程 73

4.1.5 不同工況連拱隧道圍巖壓力拱演化特征 77

4.2 連拱隧道開(kāi)挖偏態(tài)壓力等效荷載計(jì)算 81

4.2.1 普氏壓力拱圍巖荷載計(jì)算 82

4.2.2 連拱隧道圍巖等效荷載計(jì)算 83

4.2.3 隧道圍巖等效荷載計(jì)算影響因素 85

4.3 連拱隧道偏態(tài)壓力熱紅外試驗(yàn) 87

4.3.1 相似模型制作 87

4.3.2 模擬試驗(yàn)步驟 88

4.3.3 臺(tái)階法開(kāi)挖隧道圍巖應(yīng)力熱紅外特征 89

4.3.4 拓展法開(kāi)挖隧道圍巖應(yīng)力熱紅外特征 93

4.4 連拱隧道富水條件下壓力拱演化特征 96

4.4.1 計(jì)算模型及模擬方案 96

4.4.2 飽水與干燥隧道圍巖壓力拱演化特征 97

4.4.3 不同埋深連拱隧道圍巖壓力拱演化特征 101

4.4.4 不同開(kāi)挖順序隧道圍巖壓力拱演化特征 102

4.4.5 不同滲透條件隧道圍巖壓力拱演化特征 103

第5章 煤層傾角變化采場(chǎng)壓力拱演化特征 105

5.1 工程背景 105

5.1.1 工程地質(zhì)條件 105

5.1.2 主要工程問(wèn)題 107

5.2 不同工況采場(chǎng)壓力拱演化特征 107

5.2.1 采場(chǎng)壓力拱邊界形態(tài) 107

5.2.2 采場(chǎng)三維數(shù)值計(jì)算模型 109

5.2.3 采面不同推進(jìn)距離采場(chǎng)壓力拱演化特征 110

5.2.4 采動(dòng)覆巖軟硬變化采場(chǎng)壓力拱演化特征 113

5.2.5 不同回采速度變化采場(chǎng)壓力拱演化特征 115

5.2.6 煤層傾角變化采場(chǎng)圍巖壓力拱演化特征 116開(kāi)

5.3 層狀結(jié)構(gòu)頂板采場(chǎng)壓力拱分布特征 118

5.3.1 層狀結(jié)構(gòu)采場(chǎng)力學(xué)模型 118

5.3.2 數(shù)值計(jì)算模型及模擬方案 120

5.3.3 頂板發(fā)育夾層采場(chǎng)壓力拱變化特征 123

5.3.4 受應(yīng)力狀態(tài)影響采場(chǎng)壓力拱演化特征 127

5.4 采場(chǎng)壓力拱力學(xué)模型及失穩(wěn)機(jī)制 130

5.4.1 采場(chǎng)壓力拱力學(xué)模型 131

5.4.2 采場(chǎng)壓力拱力學(xué)分析 132開(kāi)

5.4.3 采場(chǎng)壓力拱破壞模式 133

5.4.4 采場(chǎng)壓力拱失穩(wěn)特征 134

第6章 基巖厚度變化采場(chǎng)壓力拱演化特征 137

6.1 工程背景 137

6.1.1 工程地質(zhì)條件 137

6.1.2 礦壓顯現(xiàn)特征 139

6.2 采場(chǎng)覆巖破斷壓力拱演化特征 141

6.2.1 回采過(guò)程關(guān)鍵塊體壓力拱結(jié)構(gòu) 141

6.2.2 關(guān)鍵塊壓力拱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析 146

6.2.3 回采過(guò)程壓力拱結(jié)構(gòu)模擬分析 150

6.3 采場(chǎng)覆巖復(fù)合壓力拱演化特征 154

6.3.1 構(gòu)建數(shù)值計(jì)算模型 154

6.3.2 薄基巖復(fù)合壓力拱演化特征 156

6.3.3 厚基巖復(fù)合壓力拱演化特征 157

6.4 采場(chǎng)覆巖破斷壓力拱演化試驗(yàn) 159

6.4.1 伺服控制相似模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái) 159

6.4.2 相似模擬試驗(yàn)相似比設(shè)計(jì) 16開(kāi)1

6.4.3 模擬試驗(yàn)方案及材料配比 16開(kāi)2

6.4.4 薄基巖破斷壓力拱演化特征 16開(kāi)7

6.4.5 厚基巖破斷壓力拱演化特征 171

6.5 采場(chǎng)圍巖壓力拱能量演化特征 175

6.5.1 采場(chǎng)圍巖力學(xué)模型及應(yīng)變能計(jì)算 175

6.5.2 構(gòu)建三維數(shù)值計(jì)算模型 178

6.5.3 采場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元的應(yīng)力及能量變化特征 178

6.5.4 采場(chǎng)壓力拱的拱腳應(yīng)力轉(zhuǎn)移變化特征 181

6.5.5 采場(chǎng)壓力拱演化與能量集聚耗散特征 182

第7章 淺埋煤層松軟頂板采場(chǎng)覆巖運(yùn)移特征 187

7.1 煤層賦存條件及采動(dòng)覆巖質(zhì)量 187

7.1.1 工作面參數(shù)及煤層特征 187

7.1.2 主采煤層及頂?shù)装鍘r性 187

7.1.3 淺埋煤層界定指標(biāo) 188

7.1.4 采動(dòng)覆巖質(zhì)量評(píng)價(jià) 189

7.2 淺埋煤層采動(dòng)覆巖運(yùn)移規(guī)律推斷 191

7.2.1 采動(dòng)覆巖運(yùn)移規(guī)律推斷 191

7.2.2 采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn) 198

7.2.3 采動(dòng)覆巖結(jié)構(gòu)概化模型 200

7.2.4 采場(chǎng)圍巖與支架作用關(guān)系 202

7.3 綜采軟弱覆巖運(yùn)移相似模擬試驗(yàn) 205

7.3.1 相似模擬試驗(yàn)基礎(chǔ) 205

7.3.2 構(gòu)建物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ?206

7.3.3 采動(dòng)覆巖運(yùn)移演化特征 209

7.3.4 采動(dòng)覆巖支承壓力分布 213

7.3.5 采動(dòng)覆巖結(jié)構(gòu)演化特征 216開(kāi)

第8章 結(jié)論與展望 219

參考文獻(xiàn) 2222100433B

《工程擾動(dòng)圍巖壓力拱表征及其演化機(jī)制》針對(duì)圍巖承載理論滯后于工程實(shí)踐的現(xiàn)狀，采用理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的研究方法，對(duì)室內(nèi)巖板斷裂鉸接成拱過(guò)程及其失穩(wěn)特征、單拱隧道開(kāi)挖圍巖壓力拱形成機(jī)制及演化特征、連拱隧道分步開(kāi)挖圍巖壓力演化及偏態(tài)效應(yīng)、采動(dòng)覆巖復(fù)合壓力拱結(jié)構(gòu)演化特征及失穩(wěn)機(jī)制等進(jìn)行系統(tǒng)研究，得出的相關(guān)結(jié)論對(duì)指導(dǎo)采掘工程擾動(dòng)圍巖穩(wěn)定性分析與控制以及類(lèi)似工程實(shí)踐具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。

《巖土空洞周?chē)膲毫凹捌涮匦浴方榻B了巖土中的一種與巖土空洞穩(wěn)定性有關(guān)的特殊自然現(xiàn)象——壓力拱的概念和研究現(xiàn)狀，著重介紹了作者對(duì)壓力拱及其特性的最新研究成果：大跨度地下巖石工程辱力拱研究、節(jié)理圍巖成拱特性研究、雙隧道圍巖壓力拱研究與應(yīng)用、煤礦常見(jiàn)斷面錨噴巷道壓力拱特性及穩(wěn)定性研究、采場(chǎng)圍巖壓力拱演化研究與應(yīng)用、城市深基坑壓力拱成拱特性研究。

《巖土空洞周?chē)膲毫凹捌涮匦浴房晒氖聨r土工程、土木工程、采礦工程的高校師生閱讀及從事地下巖體穩(wěn)定理論的科研和工程人員參考，也可以作為高校研究生“隧道穩(wěn)定學(xué)”的教學(xué)參考書(shū)。

項(xiàng)目以西南高山峽谷地區(qū)大型水電工程建設(shè)為背景，針對(duì)深埋隧洞毫秒延遲爆破全斷面開(kāi)挖和開(kāi)挖掌子面循環(huán)推進(jìn)過(guò)程，研究了深部高地應(yīng)力巖體爆破破碎過(guò)程，確定了爆破開(kāi)挖面上地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷力學(xué)過(guò)程，建立了爆破與巖體開(kāi)挖瞬態(tài)卸荷耦合作用力學(xué)模型；通過(guò)研究爆破與巖體開(kāi)挖瞬態(tài)卸荷耦合作用反復(fù)擾動(dòng)引起的圍巖應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整和圍巖損傷演化過(guò)程，探明了深埋隧洞爆破開(kāi)挖誘發(fā)圍巖損傷破壞的動(dòng)力擾動(dòng)機(jī)制，揭示了深埋隧洞爆破開(kāi)挖圍巖損傷時(shí)域內(nèi)的演化歷程和空間分布特征，提出了反映爆破開(kāi)挖擾動(dòng)反復(fù)作用影響的深埋隧洞開(kāi)挖爆破損傷安全閾值。結(jié)合項(xiàng)目研究，發(fā)表論文16篇，其中SCI論文6篇、EI論文6篇，出版專(zhuān)著1部，培養(yǎng)碩士研究生4人。項(xiàng)目成果有助于加深對(duì)深部巖體工程開(kāi)挖擾動(dòng)區(qū)形成機(jī)理與演化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，豐富了深部巖體開(kāi)挖效應(yīng)的分析理論與計(jì)算方法，在水利水電、深部采礦和核廢料深埋處置等深部巖體工程領(lǐng)域具有推廣應(yīng)用前景。 2100433B

以深部高應(yīng)力巖石巷道圍巖破壞失穩(wěn)為背景，從巷道圍巖的環(huán)境和歷史條件出發(fā)，以遠(yuǎn)離平衡態(tài)非線(xiàn)性理論為指導(dǎo)，采用原位監(jiān)測(cè)與真三軸空心厚壁圓筒卸壓試驗(yàn)的新方法，緊緊圍繞深部巷道圍巖強(qiáng)度衰減這一關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展研究。通過(guò)采用原位超聲波和雷達(dá)持續(xù)測(cè)試巷道圍巖破裂演化過(guò)程中的強(qiáng)度衰減情況的研究，以及現(xiàn)場(chǎng)多次取巖芯的試驗(yàn)方法，研究現(xiàn)場(chǎng)高應(yīng)力條件下巖體強(qiáng)度衰減的力學(xué)行為，準(zhǔn)確把握深部巷道圍巖破裂演化及其強(qiáng)度衰減的規(guī)律，闡明不同支護(hù)加固方法在圍巖破裂演化過(guò)程中的作用機(jī)理；然后通過(guò)真三軸空心厚壁圓筒加卸載試驗(yàn)方法，真實(shí)再現(xiàn)巷道開(kāi)挖、圍巖強(qiáng)度衰減和支護(hù)平衡演化的全過(guò)程，選擇確定三維強(qiáng)度的描述方法及參數(shù)，完善符合其破壞特點(diǎn)的三維巖石強(qiáng)度理論及其相應(yīng)的演化動(dòng)態(tài)力學(xué)模型，揭示深部巷道變形破壞的物理本質(zhì)，提出具有顯著成效的深部巷道圍巖破壞后二次穩(wěn)定控制的原理和方法。