陡倾薄层围岩开挖卸荷破坏机理与稳定性分析

本书聚焦陡倾薄层小夹角围岩的变形破坏机制与工程控制技术，以乌东德水电站为依托工程，系统开展理论、试验与实践研究。通过室内试验，揭示层面产状、应力路径对岩体强度及变形各向异性的影响规律，明确薄层围岩弯折溃屈、沿层面剪切滑移等破坏机制的力学本质。基于等效连续介质思想，构建考虑层面产状与层厚依赖性的增强型彻体节理模型，提出适用薄层围岩的破坏度评价指标，实现开挖损伤的定量表征。针对锚杆（索）支护设计，建立杆体三阶段拉伸与界面剪切滑移软化模型，提出基于破坏接近度的安全度评价指标，形成薄层围岩支护时机的数值模拟确定方法。结合工程实例，验证理论模型的可靠性，为地下洞室陡倾薄层围岩稳定性控制提供科学依据与技术支撑。

(1)徐鼎平(1/15, 2023J-242-1-039-025-R01). 大型地下工程陡倾薄层围岩灾变机理与控制关键技术. 湖北省科学技术进步一等奖, 2024. 03(2)徐鼎平(1/1, 2024YQ-10-07). 钱七虎奖. 中国岩石力学与工程学会科技奖, 2024. 10. (3)徐鼎平(4/6, 2023-CAICX-1-G07). 深部工程硬岩冲击型灾害预警与控制关键技术及应用. 中国发明协会发明奖一等奖, 2023. 08.

目录
第1章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 2
1.2 研究进展 3
1.2.1 层状岩体力学特性研究 3
1.2.2 层状岩体力学模型研究 6
1.2.3 层状岩体损伤评价指标研究 7
1.2.4 层状岩体支护效果评价研究 8
1.3 主要研究内容 9
第2章 陡倾薄层小夹角围岩工程地质特征 11
2.1 地层岩性 12
2.2 岩体结构特征 13
2.3 围岩破坏的层面依赖性 15
2.3.1 导流洞陡倾极薄层围岩 15
2.3.2 地下厂房陡倾薄层小夹角围岩 16
2.4 围岩变形破坏的链式特征 19
2.5 围岩分类 20
2.6 小结 21
第3章 模拟实际应力状态的薄层岩石力学试验 23
3.1 岩石物理特性 24
3.1.1 矿物组分与细观结构特征 24
3.1.2 基本物理参数 26
3.2 复杂应力状态及路径下的层状岩石力学特性 27
3.2.1 试验方案 27
3.2.2 试验过程 30
3.2.3 压致拉裂条件下的力学特性 36
3.2.4 卸围压及循环加卸载条件下的力学特性 40
3.2.5 真三向应力条件下的力学特性 46
3.2.6 受弯条件下的力学特性 50
3.3 层面剪切力学特性 56
3.3.1 层面分类 56
3.3.2 剪切试验过程 60
3.3.3 试验结果及影响因素 64
3.3.4 岩体强度的层面弱化效应 76
3.4 室内试验成果对理解围岩破坏机制的意义 77
3.5 小结 78
第4章 薄层岩体增强型彻体节理模型 79
4.1 基本假设 80
4.2 基本理论 80
4.2.1 坐标系 80
4.2.2 弹性应力-应变关系 81
4.2.3 岩层弹塑性力学模型 83
4.2.4 层面弹塑性力学模型 90
4.2.5 模型参数、含义及获取方式 94
4.2.6 模型破坏类型标识 95
4.3 数值实现 96
4.3.1 网格与单元尺度计算条件判定 96
4.3.2 计算流程 96
4.4 参数敏感性 98
4.4.1 强度影响参数 98
4.4.2 裂纹影响系数 102
4.4.3 变形影响系数 104
4.4.4 网格尺寸 107
4.5 可靠性验证 108
4.5.1 与解析解对比 108
4.5.2 与室内试验结果对比 110
4.5.3 与节理单元法结果对比 112
4.5.4 与其他模型对比 118
4.6 小结 120
第5章 薄层围岩开挖卸荷损伤评价指标 121
5.1 薄层围岩损伤区定义 122
5.2 薄层围岩损伤评价 123
5.2.1 基本公式 123
5.2.2 指标参数 127
5.3 数值实现 127
5.4 案例验证 128
5.4.1 三轴压缩试验 128
5.4.2 巴西圆盘劈裂试验 130
5.4.3 地下洞室开挖 130
5.5 小结 132
第6章 陡倾薄层围岩锚杆（索）支护时机的数值确定方法 133
6.1 锚杆三阶段强度模型 134
6.1.1 杆体三阶段拉伸强度模型 134
6.1.2 杆体-砂浆界面三阶段剪切强度模型 135
6.2 锚杆安全度评价 136
6.2.1 杆体安全度指标 136
6.2.2 杆体-砂浆界面安全度指标 137
6.2.3 锚杆安全度指标 137
6.3 强度模型与安全度评价指标可靠性验证 137
6.3.1 案例1：钢质杆体拉伸数值试验 137
6.3.2 案例2：杆体-砂浆界面拉拔试验 139
6.4 陡倾薄层围岩支护时机 141
6.4.1 基本思想 141
6.4.2 确定方法 142
6.5 应用案例 144
6.6 小结 149
第7章 大型洞室陡倾薄层围岩力学响应分析与工程实践 151
7.1 乌东德水电站地下洞室群简介 152
7.2 陡倾薄层围岩宏观力学响应预测：以左岸主厂房2#～4#机组为例 156
7.2.1 几何模型构建 156
7.2.2 初始、边界条件及力学参数 157
7.2.3 围岩变形特征 158
7.2.4 围岩应力特征 160
7.2.5 围岩损伤区分布特征 161
7.3 右岸主厂房7#～8#机组上游边墙位移突增及破坏机制 163
7.3.1 局部地质条件 163
7.3.