工程擾動圍巖壓力拱表征及其演化機制內容簡介

《工程擾動圍巖壓力拱表征及其演化機制》針對圍巖承載理論滯后于工程實踐的現狀，采用理論分析、室內試驗、數值模擬與現場監(jiān)測相結合的研究方法，對室內巖板斷裂鉸接成拱過程及其失穩(wěn)特征、單拱隧道開挖圍巖壓力拱形成機制及演化特征、連拱隧道分步開挖圍巖壓力演化及偏態(tài)效應、采動覆巖復合壓力拱結構演化特征及失穩(wěn)機制等進行系統(tǒng)研究，得出的相關結論對指導采掘工程擾動圍巖穩(wěn)定性分析與控制以及類似工程實踐具有重要的理論意義和工程實用價值。

目錄

《巖石力學與工程研究著作叢書》序

《巖石力學與工程研究著作叢書》編者的話

前言

第1章 緒論 1

1.1 國內外研究現狀 1

1.1.1 采掘巷道圍巖壓力拱研究現狀 2

1.1.2 采場圍巖三維壓力拱研究現狀 2

1.2 本書主要研究內容 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 5

2.1.1 巖板試樣及加載裝置 5

2.1.2 試驗步序及試驗過程 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 巖拱結構承載力學分析 16開

2.2.1 工程力學模型 16開

2.2.2 豎向荷載與水平反力關系式 17

2.2.3 豎向荷載與水平反力關系曲線 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 構建計算模型 19

2.3.2 單層巖板模型參數標定 22

2.3.3 單層巖板斷裂鉸接成拱過程模擬分析 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 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 構建計算模型 33

2.5.2 組合巖板斷裂鉸接拱失穩(wěn)破壞過程 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 建立數值計算模型 41

3.1.3 隧道圍巖壓力拱尺寸效應 43

3.1.4 隧道圍巖壓力拱圍巖差異效應 44

3.1.5 隧道圍巖壓力拱應力狀態(tài)效應 45

3.2 沿隧道軸向分步開挖圍巖壓力拱分布形態(tài) 48

3.2.1 三維數值計算模型 48

3.2.2 靜水應力狀態(tài)沿隧道軸向壓力拱分布形態(tài) 49

3.2.3 不同應力狀態(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調控技術 52

3.3.1 組合錨桿支護尺寸效應 52

3.3.2 不同應力狀態(tài)組合錨桿支護特性 55

3.3.3 錨桿與錨索聯(lián)合支護隧道圍巖壓力拱特征 55

3.4 圓形隧道開挖圍巖應力演化熱輻射特征 57

3.4.1 熱輻射紅外成像技術簡述 57

3.4.2 熱輻射紅外成像技術原理 59

3.4.3 圓柱試樣單軸壓力試驗熱輻射效應 60

3.4.4 不同圍壓圓形隧道圍巖應力-熱輻射試驗 66

3.4.5 圓形隧道圍巖應力演化熱輻射監(jiān)測及分析 68

第4章 連拱隧道分步開挖圍巖壓力偏態(tài)效應 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 數值計算模型 71

4.1.3 模擬分析方案 73

4.1.4 連拱隧道分步開挖圍巖壓力拱演化過程 73

4.1.5 不同工況連拱隧道圍巖壓力拱演化特征 77

4.2 連拱隧道開挖偏態(tài)壓力等效荷載計算 81

4.2.1 普氏壓力拱圍巖荷載計算 82

4.2.2 連拱隧道圍巖等效荷載計算 83

4.2.3 隧道圍巖等效荷載計算影響因素 85

4.3 連拱隧道偏態(tài)壓力熱紅外試驗 87

4.3.1 相似模型制作 87

4.3.2 模擬試驗步驟 88

4.3.3 臺階法開挖隧道圍巖應力熱紅外特征 89

4.3.4 拓展法開挖隧道圍巖應力熱紅外特征 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 煤層傾角變化采場壓力拱演化特征 105

5.1 工程背景 105

5.1.1 工程地質條件 105

5.1.2 主要工程問題 107

5.2 不同工況采場壓力拱演化特征 107

5.2.1 采場壓力拱邊界形態(tài) 107

5.2.2 采場三維數值計算模型 109

5.2.3 采面不同推進距離采場壓力拱演化特征 110

5.2.4 采動覆巖軟硬變化采場壓力拱演化特征 113

5.2.5 不同回采速度變化采場壓力拱演化特征 115

5.2.6 煤層傾角變化采場圍巖壓力拱演化特征 116開

5.3 層狀結構頂板采場壓力拱分布特征 118

5.3.1 層狀結構采場力學模型 118

5.3.2 數值計算模型及模擬方案 120

5.3.3 頂板發(fā)育夾層采場壓力拱變化特征 123

5.3.4 受應力狀態(tài)影響采場壓力拱演化特征 127

5.4 采場壓力拱力學模型及失穩(wěn)機制 130

5.4.1 采場壓力拱力學模型 131

5.4.2 采場壓力拱力學分析 132開

5.4.3 采場壓力拱破壞模式 133

5.4.4 采場壓力拱失穩(wěn)特征 134

第6章 基巖厚度變化采場壓力拱演化特征 137

6.1 工程背景 137

6.1.1 工程地質條件 137

6.1.2 礦壓顯現特征 139

6.2 采場覆巖破斷壓力拱演化特征 141

6.2.1 回采過程關鍵塊體壓力拱結構 141

6.2.2 關鍵塊壓力拱結構穩(wěn)定性分析 146

6.2.3 回采過程壓力拱結構模擬分析 150

6.3 采場覆巖復合壓力拱演化特征 154

6.3.1 構建數值計算模型 154

6.3.2 薄基巖復合壓力拱演化特征 156

6.3.3 厚基巖復合壓力拱演化特征 157

6.4 采場覆巖破斷壓力拱演化試驗 159

6.4.1 伺服控制相似模擬實驗臺 159

6.4.2 相似模擬試驗相似比設計 16開1

6.4.3 模擬試驗方案及材料配比 16開2

6.4.4 薄基巖破斷壓力拱演化特征 16開7

6.4.5 厚基巖破斷壓力拱演化特征 171

6.5 采場圍巖壓力拱能量演化特征 175

6.5.1 采場圍巖力學模型及應變能計算 175

6.5.2 構建三維數值計算模型 178

6.5.3 采場監(jiān)測單元的應力及能量變化特征 178

6.5.4 采場壓力拱的拱腳應力轉移變化特征 181

6.5.5 采場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覆巖運移特征 187

7.1 煤層賦存條件及采動覆巖質量 187

7.1.1 工作面參數及煤層特征 187

7.1.2 主采煤層及頂底板巖性 187

7.1.3 淺埋煤層界定指標 188

7.1.4 采動覆巖質量評價 189

7.2 淺埋煤層采動覆巖運移規(guī)律推斷 191

7.2.1 采動覆巖運移規(guī)律推斷 191

7.2.2 采場覆巖結構及其特點 198

7.2.3 采動覆巖結構概化模型 200

7.2.4 采場圍巖與支架作用關系 202

7.3 綜采軟弱覆巖運移相似模擬試驗 205

7.3.1 相似模擬試驗基礎 205

7.3.2 構建物理試驗模型 206

7.3.3 采動覆巖運移演化特征 209

7.3.4 采動覆巖支承壓力分布 213

7.3.5 采動覆巖結構演化特征 216開

第8章 結論與展望 219

參考文獻 2222100433B

《巖土空洞周圍的壓力拱及其特性》介紹了巖土中的一種與巖土空洞穩(wěn)定性有關的特殊自然現象——壓力拱的概念和研究現狀，著重介紹了作者對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用、煤礦常見斷面錨噴巷道壓力拱特性及穩(wěn)定性研究、采場圍巖壓力拱演化研究與應用、城市深基坑壓力拱成拱特性研究。

《巖土空洞周圍的壓力拱及其特性》可供從事巖土工程、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”的教學參考書。

項目以西南高山峽谷地區(qū)大型水電工程建設為背景，針對深埋隧洞毫秒延遲爆破全斷面開挖和開挖掌子面循環(huán)推進過程，研究了深部高地應力巖體爆破破碎過程，確定了爆破開挖面上地應力瞬態(tài)卸荷力學過程，建立了爆破與巖體開挖瞬態(tài)卸荷耦合作用力學模型；通過研究爆破與巖體開挖瞬態(tài)卸荷耦合作用反復擾動引起的圍巖應力場調整和圍巖損傷演化過程，探明了深埋隧洞爆破開挖誘發(fā)圍巖損傷破壞的動力擾動機制，揭示了深埋隧洞爆破開挖圍巖損傷時域內的演化歷程和空間分布特征，提出了反映爆破開挖擾動反復作用影響的深埋隧洞開挖爆破損傷安全閾值。結合項目研究，發(fā)表論文16篇，其中SCI論文6篇、EI論文6篇，出版專著1部，培養(yǎng)碩士研究生4人。項目成果有助于加深對深部巖體工程開挖擾動區(qū)形成機理與演化規(guī)律的認識，豐富了深部巖體開挖效應的分析理論與計算方法，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域具有推廣應用前景。 2100433B

以深部高應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)，以遠離平衡態(tài)非線性理論為指導，采用原位監(jiān)測與真三軸空心厚壁圓筒卸壓試驗的新方法，緊緊圍繞深部巷道圍巖強度衰減這一關鍵科學問題開展研究。通過采用原位超聲波和雷達持續(xù)測試巷道圍巖破裂演化過程中的強度衰減情況的研究，以及現場多次取巖芯的試驗方法，研究現場高應力條件下巖體強度衰減的力學行為，準確把握深部巷道圍巖破裂演化及其強度衰減的規(guī)律，闡明不同支護加固方法在圍巖破裂演化過程中的作用機理；然后通過真三軸空心厚壁圓筒加卸載試驗方法，真實再現巷道開挖、圍巖強度衰減和支護平衡演化的全過程，選擇確定三維強度的描述方法及參數，完善符合其破壞特點的三維巖石強度理論及其相應的演化動態(tài)力學模型，揭示深部巷道變形破壞的物理本質，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。