的产生机制和发展规律研究深埋隧道的带状解体

文摘

在地下空间的发展,我们发现岩体的力学性能经常展示很强的非线性特征。深部岩体工程中一些新的现象出现。这包括带状解体和岩石破裂。带状解体是非常重要的在深隧道。在本文中,我们从深层岩石力学性能的了解带状解体的先决条件。使用故障方法指数(FAI),纬向解体的过程可以通过FLAC建模语言(鱼)。在支持我们的研究结果表明,拉伸断裂压力区(SPZ)内是一个带状解体的先决条件。各种因素影响一代的带状解体进行了研究。最大应力时,在轴向方向上,纬向解体将出现在隧道深处。高轴向应力为带状解体是必要的。 We will present a zonal disintegration simulation in one coal mine for comparison with the borehole teleview data. We suggest some measures to prevent the development of zonal disintegration.

1。介绍

深部岩体位于一个独特的环境与高压力、温度和水(1- - - - - -3]。带状解体在这种环境下对稳定很重要,开挖和设计。这是模拟隧道浅松、塑料、和弹性区(4- - - - - -10]。了解岩石力学行为在这种环境下防止开挖和爆破过程的冲击压力。许多作品在这方面进行了过去。在1980年代,Shemyakin et al。11)发现间隔分布的环形断裂区出现在开挖。1.0∼1.5米宽度的裂缝区域经常出现,它们的频率取决于压力。破裂带的形状类似于隧道的形状。使用钻孔潜望镜,亚当斯和Jager [12)发现有断裂区宽度5∼150毫米在金山矿业、南非。有一个完整岩石地带interfracture区之间的厚度约1.0米。在12米的深度、断裂和nonfracture区交替。马伦和Spottiswoode13]研究了带状解体的影响时间和开挖方法基于现场监测。他们发现我的地震是区域发展的主要因素在隧道顶部解体。Metlov et al。14)模拟过程从弹性到失败利用热力学平衡理论。李等人。15]发现带状解体出现在6 - 1 #辅助隧道Jingping水电站从弹性波数据。方(16]研究了围岩的力学性能现场测试Jingchuan和Zhangjiawa矿山和他发现拉伸和压缩区域或者出现。随着时间的推移这种替代拉伸和压缩模式发展。

卖家和Klerck [17)的影响研究不连续区域解体的替代模式。深隧道的实验方法,他们已经表明,带状解体的不连续是至关重要的。顾et al。18)带状解体的存在高压缩试验来验证与圆形气缸和拱矩形空心形状的中心。结果表明,滑移线附近出现隧道墙和圆形失败出现在环形隧道的深度剖面。滑失败出现在顶部和底部的隧道和分层故障出现在拱矩形隧道侧壁。当隧道墙的曲率大或边墙高,膨胀对自由面在高轴向压力和分层出现故障。钱(19)指出,带状解体当初始压力大于岩石的单轴抗压强度。骨折区域的数量取决于初始应力。带状的解体似乎更经常比机器钻孔爆破开挖。这是因为带状解体取决于卸载过程。王等人。20.)可以预测变形和破坏的整个过程通过静态模型基于压力和体积变化之间的关系。层将首先出现故障时,那么“新”隧道是由于快速卸载。许多研究人员(21)研究从理论分析这一过程,现场监测,实验室实验和数值模拟。然而,我们应该很好地理解这个过程。带状解体的建模需要岩体的非线性特性。我们仍然困惑故障判据。在本文中,我们提出一个带状解体模拟在一个煤矿井下收看电视的比较数据。这样的比较指出了未来的研究方向。

2。应变软化模型

在这项研究中,带状形式的解体破碎带围岩并非完全是不连续的。岩体断裂而不是分离被认为是研究纬向断裂问题,所以FLAC,通常作为连续介质数值模拟数值分析软件,是选择。

2.1。针对摩尔-库仑模型应变软化

图1(一)显示了应力和应变之间的关系模型。应变是由弹性和塑料两种病毒后产生的趋势。一些参数的变化,比如凝聚力,内部摩擦,和剪胀角,可以视为塑性剪切应变相关。抗拉强度是塑料拉伸应变的函数。

2.2。故障判据

应变软化模型在软件FLAC3D软件针对摩尔-库仑的相关法律是基于拉伸剪切流流和非伴生定律。因此,屈服函数、势函数和塑性流动莫尔-库仑定律是一致的将军之一。 在哪里f^年代剪切屈服函数;f^t抗拉屈服函数;σ₁最大主应力;σ₃最小主应力;φ内摩擦角;c凝聚力; σ_t抗拉强度。是相对应的剪切势函数非伴生流定律: 是拉伸势函数对应于相关联的流动法则:

纬向强度准则的瓦解,我们使用的最大拉应力在莫尔-库仑模型软件FLAC3D软件。

2.3。FAI指数

因为FLAC3D软件对连续介质力学,不方便来判断岩体的失败状态。我们引入YAI指数来表示程度的收益。YAI从0到1的值。在塑料力学中,莫尔-库仑屈服函数 在这我₁是第一个不变的压力张量;J₂第二偏应力张量不变量;φ内摩擦角;c凝聚力;θ_σ脉角。

如果我们表达公式(4)的正常压力σ_π和剪切应力τ_π,我们有 在这 ; 。

假设 , , ,然后

任意一点的应力状态问在π平面如图1 (c)。点的坐标问是(σ_π,τ_π)。点的坐标C在π飞机是(σ_π,τ_π′)。我们定义YAI =质量控制/一个₀C= 1−τ_π/τ_π′和应用公式(6),表示τ_π′为τ_π′= (ασ_π+γ)/β。我们获得

因此,YAI的表达在剪切和拉伸屈服准则 在这σ_t抗拉强度; 。当(σ₁+σ₃)/ 2≤σ_R,YAI剪切屈服准则。当(σ₁+σ₃)/ 2 >σ_R,YAI抗拉屈服准则。主要为岩石材料剪切断裂,塑性剪切应变通常是用来描述应变软化。这也被称为失败程度(FD)。 在这是限制塑性剪切应变,这是由以下公式: 在哪里塑性应变偏量,由以下公式: 和γ_p是岩石材料的塑性剪切应变22,23]。

方便分析数值模拟结果,我们介绍了危险系数 因此,我们可以把FAI写成

从公式(12),危险系数是用来评估危险程度之前应力达到屈服状态。失败度表示为1 + FD后岩体达到屈服状态。FAI在0和1之间时,它代表岩体不屈服。当FAI = 1.0,岩体开始进入塑性状态。FAI超过2.0时,它代表塑性剪切应变达到其极限。在这个国家岩体受损。从方程(8)和(12我们可以模拟整个过程使用FAI在软件FLAC3D软件故障。显示骨折区域的位置和范围,FAI大于2.0的元素将被放入“shear-break”小组的项目和他们的应力状态将显示在云图。

3所示。针对摩尔-库仑模型实现应变软化

3.1。模型建设圆形隧道深处

展示我们的模拟方法,我们使用带状解体的情况下在一个圆形隧道深处。模型的尺寸为60 m×10 m×60 m和隧道半径是5.0米。表1列出了岩石的物理力学参数(21,24]。模型的约束条件下是固定的。模型的初始位移和速度为零。当两次抗压强度的轴向压力(约177 MPa)是对的,其他飞机的压力移除。其他飞机上的约束条件,同时修改。我们使用针对摩尔-库仑模型应变软化本构模型和失效准则的最大拉应力是在这个模型中使用。侧壁施加与动态加载控制卸载速度来模拟开挖的过程。使用的计算模式是一个动态的一个。最终的计算是由默认的位移值。

3.2。仿真结果

图2给出了仿真结果。许多云图,如内聚力、内摩擦角,艾,FAI,最大主应力、最小主应力,塑性区状态,和断裂带的状态,显示。

在高轴向压力,两个断裂区出现。的凝聚力和内摩擦角云图,凝聚力和内摩擦角的最小值出现在某些距离隧道。从YAI云图,YAI 0和0.2之间在特定距离侧壁。我们认为这是一个断裂带。YAI增加逐渐增加的距离。有足够的距离,YAI减少到0 0.2∼间隔。这表明,另一个断裂带的形成。FAI的云图,FAI 0 2.0∼4.64∼5.03米的间隔距离。这表明一个断裂带形成间隔2.5∼4.64米的距离。另一个断裂带距离大于5.03米也形成了因为FAI达到超过2.0在本节中。 From the maximum and minimum principal stress nephograms, the maximum and minimum principal stresses increase gradually with the distance. The stress concentration emerges at the second fracture zone with the minimum principal stress demonstrating no change. It indicates that this location is very vulnerable to fracture. From the plastic and fracture zone nephograms, there is a nonfractured zone at the distance between 4.70 and 5.31 m. The plastic shear strain reaches its limit when FAI is equal to or larger than 2.0. To show the nonfractured zone and fractured zone clearly, the element with FAI equal or larger than 2.0 is marked as “shearbreak” group in Figure2 (h)。第二个小断裂区出现在nonfractured区。nonfractured和破碎带分布2.5∼2.5、4.73∼4.73,和5.33∼5.33。骨折区域的宽度是2.23米和1.60米,而nonfractured区域的宽度只有0.60米。

3.3。带状衰变机制

3.3.1。一代带状瓦解的过程

深隧道的失败的侧壁出现在开挖初期,由于应力集中。径向和切向应力的分布如图3(一个)。径向应力增加从0到初始应力和切向应力减少集中应力初始应力。这种应力分布如图3 (b),在这R距离隧道中心吗C是弹性的距离/塑料接口隧道中心。当R小于C径向和切向应力增加R。当R等于C,切向应力达到其最大的增加将减少R,直到它返回到初始应力。径向应力增加R,直到它返回到初始应力。这表明,在弹性和塑性界面的位置,一个特殊的区域存在支持围岩的压力。我们称之为区域压力支持区域(PSZ)。有两个在PSZ应力状态。一个是σ_θ>σ_z>σ_r,切向应力的最大主应力、最小主应力径向应力,轴向压力是中间。另一种是σ_z>σ_θ>σ_r,轴向应力最大主应力,切向压力是中间主应力和径向压力是最小主应力。在SPZ,内拉应力达到抗拉强度时,将出现失败和断裂。失败将会形成一个环形拉伸裂缝,因为圆形隧道应力分布有轴对称性。从本质上说,更大的失败使得新隧道半径。重新分配压力图所示3 (c)。新的骨折区出现在高切向和轴向应力和压力下经历另一个再分配如图3 (d)。这个过程将PSZ区向外,直到压力区不会创建拉伸失败。带状解体的生成过程如图3。

从图2 (f)我们可以看到,最小主应力增加R。这山峰之间第一nonfractured区,第二区骨折。界面的最大主应力峰值第一破碎区和nonfractured区,如图2 (e)。

3.3.2。带状解体时的影响因素

有许多因素影响带状解体。接下来,我们将介绍所有主要因素如围岩的力学性能,卸货速度,压力,隧道尺寸和形状。

(1)卸货的过程。隧道开挖卸荷的过程。来模拟这一过程,我们使用动态和静态加载的逆方向应用于隧道侧壁。卸货速度的控制是通过施加静态负载的反方向,如图所示4。

从我们的建模、裂隙带的宽度由快速卸荷比缓慢卸载。都快和慢卸载可以产生带状解体。

(2)最大主应力的方向。我们考虑两种情况下最大主应力的方向平行或垂直于隧道轴。图5显示了断裂和塑性区最大主应力与隧道轴线垂直。在比较数据5,2 (g),2 (h),我们发现塑性区范围顶部和底部的隧道小于隧道一侧。没有带状解体时,最大主应力与隧道轴线垂直。这证明高水平应力是必要的带状解体的一代。主要原因是高轴向应力引起的变形对自由面开挖。侧壁的径向位移引起大的径向拉伸应变。拉伸断裂发生时径向拉伸应变达到极限。

(3)轴向压力。了解轴向应力的影响在带状瓦解,我们模拟三轴向应力的两倍的情况下,有一次,和抗压强度的0.8倍。图6展示了塑料和破碎带过去两轴向压力。

在比较数据6,2 (g),2 (h),我们可以看到裂缝带的宽度与轴向应力的单轴抗压强度小于1次2次。轴向应力的单轴抗压强度的0.8倍,不产生带状解体。破碎带的宽度与轴向应力增加。隧道周围的塑料圈的带状解体小于不纬向解体。它表明带状解体降低了岩石稳定能力。带状解体时轴向应力大于单轴抗压强度。

(4)隧道半径。节3,我们模拟了2.5米半径。在本节中,5.0和1.0米的半径。图7显示了这两个半径的塑料和断裂区。

nonfractured和骨折区半径5米5.0∼5.0,6.8∼7.1 m,分别和7.1∼7.1。骨折区域的宽度是1.8米和4.7米,分别nonfractured带的宽度是0.3米。nonfractured和骨折区半径1米1.0∼1.0,1.9∼2.7 m,分别和2.7∼2.7。骨折区域的宽度是0.9米和0.8米,分别nonfractured带的宽度是0.8米。破碎带宽度的增加逐渐与隧道半径和nonfractured带的宽度逐渐减小。

(5)隧道的形状。我们比较矩形隧道拱圆形隧道在这一节中。拱半径是2.5 m和侧壁的高度是1.38米。我们保持以前的边界条件和参数不变模型。图8展示了塑料和断裂区。

与圆形隧道相比,虽然断裂区变得更大的范围,没有纬向侧壁的解体。拱的带状解体是类似于圆形隧道。隧道底部的带状解体是不太明显比拱。侧壁的塑性区范围大。带状解体的形状类似的隧道。我们进一步得出结论:带状解体的形状类似于隧道的形状。

4所示。案例研究

4.1。一般设置

深隧道从Huainan-Dingji我中国的模拟来验证带状衰变预测。隧道深约955−910米的海拔高度。隧道拱矩形尺寸为5.00米×3.88米。石河子地区二叠纪上层系列形成围绕着隧道主要岩性是砂质泥岩,中砂岩,silt-fine砂岩和细砂岩。图9给出了岩体类型。我们使用中砂岩物理力学参数的仿真(21,24]模拟物理力学参数如表所示2。

四个部分道路进行彻底调查,陈et al。5为带状瓦解)。三、四孔排列在每一个部分。孔压裂由电视成像和观察带状解体分布在四个部分。地面压力约为25 MPa和侧压力系数是1.5。所示的模型数据10和11。

4.2。模型建设

网格是60 m×10 m×60米(X×Y×Z)和不同方向的静地强调模型的应用在不同的面孔。开挖部分的尺寸是5.00米×3.88米,马蹄的形状。在初始地应力计算,正常的约束条件是仅适用于底部(Z=−30米)限制的位移Z方向。一个力σ_z(25 MPa)应用于上表面(Z= 30米),这是用来模拟上部荷载的影响。水平应力σ_x,其值为37.5 MPa,应用于洞穴的方向垂直于轴向方向(X方向)。轴向应力σ_y,其值为177.1 MPa,应用轴向的室(Y方向)。删除之前开挖模拟,表面压力和轴向压力为177.1 MPa。凝聚力和内摩擦角与塑性剪切应变变化无常。变化规律如图12。使用的计算模式是一个动态的计算。

卸载速度由应用逆动态控制隧道侧壁上的负载。卸载的时间是2.5毫秒和峰值强度为38.4 MPa。卸载强度和时间之间的关系

4.3。结果

4.3.1。带状的瓦解

图13失败显示了开发和主应力。剪切破坏首次出现在顶部部分,然后侧壁和底部之间的连接。骨折区扩展外,带状衰变产生的侧壁和底部部分。带状解体更非凡的侧壁和有两个断裂区。骨折区传播慢慢地向顶部和底部的隧道。根据主应力云图,侧壁可以看作是塑料宽松的圆。从脆性围岩的性质变化韧性逐渐高地应力条件下的。围岩的抗压强度变得更高,由于大的压力。从数据13 (g)- - - - - -13 (m)隧道,顶部和底部均表现出明显的地带性瓦解45000的计算步骤。三个断裂区出现在顶部和底部两个区域出现骨折。在侧壁骨折区范围的增加与计算步骤。外面不再破碎带的宽度延伸。

上面有三个破碎区和两个故障区域的侧壁当计算达到65000级台阶。底部的带状解体是非凡的。当计算达到75000步,第四区骨折在顶部和底部的第三破碎区形成。

4.3.2。围岩的最终状态

图14显示了隧道开挖后围岩的最终状态。它包括位移矢量、抗拉强度、内聚力、内摩擦角,艾,FAI,塑料和断裂区。位移之间的侧壁和结侧壁和底部很小。顶部和底部的位移在中间部分是大。由于开挖卸载范围从云图可以看出。我们会标记元素在红色FAI大于2.0。骨折区域的数量可以很容易地发现从图14 (h)。

4.4。在围岩破裂区

4.1.1。行安排的调查

16个调查线路安排测试断裂带仿真如图15。九线顶部和七线的侧壁和底部。

每个测线的FAI在数值模拟过程中被监控。有75个元素遍历每个测线。当FAI超过2.0的元素,这个元素失败,因为它的剪切应变已达到极限。图16在每个调查显示FAI线。

表3显示了不同的调查nonfractured区域的分布范围。内径(ID)代表的距离断裂区开始位置侧壁和外径(ED)代表的距离断裂区侧壁沿测线的结束位置。

基于表有四个断裂区3。基于ID和ED的破碎区,断裂的区域的范围和位置。对比数值模拟和现场调查5,23)如表所示4。

隧道顶部的数量、范围和带状解体的位置使用数值模拟与实地调查有很大的协议。模拟第四破碎带宽度大大不同于实地调查。原因是异常数据点(16.61)在调查中线1 #和9 #计算断裂区域时已被删除。四区骨折的宽度是2.95米,1.36米,1.29米,0.06米,分别和三个nonfractured区域的宽度是0.28米,0.70米,0.64米,分别。从断裂的位置和宽度和nonfractured区域调查线,我们画一个草图骨折区使用投机方法如图(17日)。

实地调查只是进行了隧道的顶部。真正的带状衰变的侧壁和底部是未知的。从数值模拟,骨折区域的侧壁和底部是三。骨折区域的平均宽度5.20米,2.54米,4.01米,分别nonfractured区域的平均宽度是0.61米和6.65米。第三区骨折的形状类似的隧道。

5。结论

针对摩尔-库仑模型适合带状解体应变软化模拟。可以使用FAI代表岩石的失败。nonfractured的位置和范围,区域可以通过仿真获得FAI骨折。高轴向应力为带状解体代是必要的。带状衰变产生的前提,拉伸断裂发生在PSZ区。破碎带的宽度由快速卸荷比缓慢卸载。只有当轴向应力比单轴抗压强度、带状出现瓦解。破碎带宽度的增加与隧道半径。矩形隧道拱,没有在侧壁带状解体。带状解体的形状类似于隧道的形状。 With a mine in China as an example, we demonstrated the validity of our numerical approach for zonal disintegration simulation.

数据可用性

为了验证本文的结果,复制的分析,并进行二次分析,对任何读者或研究人员希望获得本文的研究数据,请联系相应的作者通过jinliu920@163.com。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是在经济上支持中国自然科学基金(批准号41672258和41672258)。作者欣然承认m . s . Changfei张在地球科学与工程学院,河海大学,中国,为他贡献数值模拟。

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