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岩石力学与工程学报 2011年第11期杂志 文档列表

岩石力学与工程学报杂志陈宗基讲座

三维地应力BWSRM测量新方法及其测井机器人在重大工程中的应用2161-2180

摘要：地壳上层岩体的应力状态是地壳最重要的性质之一，获取岩体应力状态最直接、可靠的手段是原位地应力测量。首先简要回顾地应力测量的研究历程及其发展现状，分析岩石力学与工程中常用的几种地应力测量方法和技术。重点介绍钻孔局部壁面应力解除法（BWSRM）这一新的三维地应力测量方法的原理，以及基于BWSRM的地应力测井机器人研制过程和具体实施步骤。最后给出地应力测井机器人在锦屏水电站埋深达2430m处科研试验洞内的试验结果。研究表明，测点位置的围岩地应力以水平主应力为最大主地应力，而接近竖直方向的地应力分量则为最小主地应力；第一和第二主应力量值比较高，而且两者量值也比较接近。

岩石力学与工程学报杂志学术论文

裂隙岩体水一冰相变及低温温度场一渗流场一应力场耦合研究2181-2188

摘要：岩体冻融损伤涉及低温环境下温度场、渗流场和应力场的耦合问题。基于水一冰相变理论和能量守恒原理，得出冻结率表达式。运用双重孔隙介质模型理论，根据质量守恒定律、能量守恒定律及静力平衡原理，得出冻结条件下裂隙岩体的温度场一渗流场一应力场（THM）耦合控制方程。最后，通过1个含裂隙隧道低温THM耦合算例，将围岩当作岩块与裂隙介质组成的系统，采用等效热膨胀系数法对夹冰（含水）裂隙的冻胀效应进行模拟，并考虑冻结过程对岩体渗透系数的影响，研究低温THM耦合条件下的温度场、应力场及孔隙压力等的分布规律。

岩质边坡爆破振动速度的高程放大效应研究2189-2195

摘要：岩质边坡爆破振动的高程放大效应是边坡上振动速度传播规律的重要研究内容之一。基于岩质边坡爆破振动高程响应机制的理论分析以及边坡开挖爆破振动的数值模拟与实例分析，研究边坡爆破振动速度的高程放大效应。结果表明，边坡爆破振动速度的高程放大效应是在一定的条件下产生的，受爆破振动荷载特性及边坡坡形等因素的影响。爆破振动荷载作用下，边坡坡面不同高程台阶岩体结构的自振主频率处于爆破振动荷载主频带范围内，台阶部位岩体结构的振动响应会产生“鞭梢效应”，导致台阶部位岩体振动速度放大。在边坡坡形骤变、坡度增大时，边坡上一级台阶岩体的振动速度可大于下一级台阶岩体的振动速度，产生显著的振动速度高程放大效应。坡形相近的条件下，台阶坡脚处的振动速度随高程的增加逐渐减小，不出现振动速度高程放大效应。“鞭梢效应”影响下，边坡台阶边沿的振动速度较大，但应力、应变较同高程台阶坡脚处的小，边沿部位的振动速度不适宜评价边坡的稳定性。

富水软岩隧洞变形特征及变形机制分析2196-2202

摘要：基于库尉引水隧洞现场监测资料，对富水软岩隧道的变形特性及变形机制进行分析。研究表明：侧墙收敛变形是拱顶沉降变形的2～3倍，且前者稳定时间长。土质软岩隧道的变形受时空效应综合作用的影响，即使在开挖面影响范围之内，时间效应也能产生很大比例的变形。侧墙变形受空间效应影响范围为4D-5D，与拱部变形相比，其时间效应更为屈著。围岩一支护结构的变形在不同部位的特性主要是由各部位的围岩变形方式和应力释放规律所决定的，侧墙处围岩应力释放时间效应明显，塑性区不断增长发展，形变压力也随时间增长难卜稳定。拱顶处存在一定深度范围内的围岩整体下沉现象，围岩压力稳定时间短。该研究对软岩隧道施工、监测具有一‘定指导意义和参考价值。

基于层状岩体卸荷演化的锦屏I级地下厂房洞室群稳定性与调控2203-2216

摘要：锦屏I级水电站地下厂房洞室群开挖支护设计与施工控制以及整体稳定性等问题十分突出，施工期已经明显呈现出高应力、低强度应力比条件下围岩的卸荷变形与破坏特征。根据锦屏I级地下厂房层状岩体力学特性，采用考虑卸荷演化的层状岩体本构模型及其数值模拟方法，反演获得初始地应力场以及层状岩体力学参数。在此基础上，对锦屏I级地下厂房洞室群进行三维数值模拟分析，获得一些对高应力下锦屏I级水电站大型地下洞室群施工期围岩稳定与支护安全等方面的认识，提出洞室群围岩应力释放调控、松弛区承载力调控以及变形开裂调控等适时工程调控措施与建议。研究结果表明，洞室群整体开挖完成后的现场监测结果和围岩稳定现状等证实了所提出的认识和调控措施的合理性，表明层状岩体本构模型及其数值模拟分析方法能够较好地反映高应力下层状岩体中大型地下洞室群施工期的工作性状。

岩质边坡开挖过程模拟的动态有限单元法2217-2224

摘要：借鉴流形元的思想，提出三维岩质边坡开挖过程模拟的动态有限单元法。该方法在模拟边坡开挖过程中，建立有限元网格时仅需考虑结构面和复杂地形，而不用考虑开挖面的位置；开挖面信息仅作为动态参数在计算过程中实时输入，大幅度降低了前处理的难度。该方法根据几何拓扑判断，计算确定单元中的保留域和开挖域。运用常规有限元的位移插值模式，组装整体刚度矩阵和荷载向量，并运用加密高斯点法完成数值积分。其中，整体刚度矩阵来源于保留域，开挖域则提供开挖荷载。编制相应的计算程序，并将其应用于小湾孔雀沟料场边坡的开挖仿真分析中，通过该方法计算结果与常规有限元法计算结果进行对比，证明该方法的有效性。该方法的最大优点在于前处理简单，能运用于复杂边坡、洞室的快速开挖仿真和体型优化分析中。

隧道瞬变电磁多点阵列式探测方法研究2225-2233

摘要：针对传统的隧道瞬变电磁探测与解释仅主要依靠二维视电阻率断面图的不足，借鉴地面大回线中心装置瞬变电磁的观测方式，提出隧道瞬变电磁多点阵列式探测方法。研究瞬变电磁非中心点垂直分量频率域响应双重贝塞尔函数强振荡型积分的计算方法，以中心点频率域响应多项式为基函数，定义多项式形式的非中心点频率域响应表达式，通过最小二乘拟合的方法得到多项式系数。推导瞬变电磁非中心点时间域响应公式，在瞬变电磁场晚期近似条件下，给出非中心点垂直分量晚期视电阻率公式，实现隧道瞬变电磁探测时观测回线内非中心点垂直分量响应能够转换为视电阻率图像进行解释，为隧道瞬变电磁多点阵列式探测提供理论基础，提出利用隧道瞬变电磁阵列式探测响应数据进行三维视电阻率综合解释的方法。在理论研究的基础上，结合现场试验，开展隧道瞬变电磁多点阵列式实际探测研究，对隧道底板下方含水构造进行多点阵列式探测，对探测结果进行对比和解释，形成三维视电阻率图，分析得到含水构造的三维空间展布规律。

高温岩体地热钻井施工关键技术研究2234-2243

摘要：高温岩体地热开发中首先需要解决的问题是深钻施1二。根据中国高温岩体地热资源赋存的地质特征，在试验研究、理论分析和数值模拟的基础上，提出高温岩体地热钻井施工中三大关键技术问题：钻井围岩稳定性控制技术、高温高压破岩技术、高温高压钻井液技术。进而从高温岩体地热开采中钻井围岩失稳的主要因素、热力耦合作用下钻井围岩流变特性、高温高压下钻井围岩变形破坏规律与失稳临界条件，提出高温岩体地热深钻施工中钻井围岩稳定性控制技术。通过对高温高压下花岗岩中冲击破岩、切削破岩、冲击一切削复合破岩的试验研究及不同温度下3种破岩方式的比较，获得高温高J玉下3种破岩方式的破岩规律。最后从高温对钻井液的影响、地热钻井对高温处理剂的一般要求、钻井液的性能对井壁稳定的影响及应对措施，提出解决高温岩体地热深钻施工的钻井液技术要求。高温高压下深钻施工关键技术的研究，对于人类探索地球、开发地球深部的能源与资源具有重要的科学与工程意义。

堆石料平面应变条件下统一强度理论参数研究2244-2253

摘要：堆石料的常规三轴、方形三轴和平面应变试验对比分析表明，方形三轴试验的应力一应变曲线与常规三轴的存在显著差异，方形三轴试验对应的峰值强度高于常规三轴试验，堆石料密度较大时，应力一应变曲线呈现软化特征，存在明显的偏应力峰值。任何一组方形三轴试验对应的莫尔圆大致具有同一条公切线，平面应变试验也具有类似的强度特性，可采用直线型Mohr—Coulomb破坏准则描述堆石料的强度特性，同一种堆石料在平面应变条件下破坏时的Lode参数基本保持不变，且在数值上近似等于方形三轴试验对应内摩擦角的正弦值。在试验结果的基础上，通过双剪强度理论建立平面应变条件下堆石料的强度与方形三轴强度的关系式。对平面应变状态下堆石料强度影响因素分析表明，在本文的模型框架内，平面应变状态下的内摩擦角仅与三轴应力状态下的内摩擦角相关，而对应的黏聚力主要取决于方形三轴试验对应的黏聚力，三轴应力状态下的内摩擦角对其影响较小。通过与试验数据的对比表明，本文建立的强度关系式基本可以描述堆石料在平面应变条件下的强度特性。

深部岩体岩芯饼化特征分析与形成机制研究2254-2266

摘要：以锦屏II级水电站深埋试验洞内长度大于1500m的钻孔岩芯为研究对象，统计饼化岩芯断口的宏观破坏特征、饼化数量和厚度，结合声波和数字钻孔摄像测试结果，分析岩体埋深、岩体结构、洞径尺寸、钻孔直径和钻孔方位对岩芯饼化的影响，得到岩芯饼化的空间分布规律；并通过断El电镜扫描试验，得到岩芯饼化的微观断裂机制。分析结果表明：（1）饼化数量与厚度分布符合乘幂函数形式，饼化程度随埋深和洞径尺寸的增大而增大，3倍洞径内岩芯饼化数量最多；（2）饼化岩芯凹凸面的形成与应力分布、内部损伤和矿物结构类型有关；（3）岩芯饼化是地质作用和外界扰动共同作用下发生的，原生微缺陷、结构面和开挖损伤是岩芯饼化起裂的基础，开挖后地应力调整和取芯局部应力解除是岩芯断裂的动力，而持续钻进是促使岩芯周期性断裂成饼的根本原因；钻孔径向压剪、岩芯侧向膨胀和轴向拉伸是岩芯饼化断裂的力学响应；（4）岩芯饼化分区性特征是围岩损伤弱化分区、岩体结构和应力场分布叠加的综合反映。

基于广义Hoek-Brown破坏准则的边坡临界滑动场2267-2275

摘要：针对岩体介质非线性破坏特点，采取国际广泛接受应用的建立在地质强度指标（GSl）法基础上的Hoek．Brown屈服准则，建立基于广义Hoek．Brown破坏准则的边坡临界滑动场计算的新方法。首先，根据Hoek．Brown准则确定岩体强度参数；然后，将Hoek．Brown准则不同法向应力水平上的剪切强度逐点等效到Mohr-Coulomb强度线上，用等效内摩擦角和等效黏聚力的Mohr．Coulomb准则代替Hoek—Brown准则；最后，将基于Mohr-Coulomb破坏准则的边坡临界滑动场计算方法进行改进，建立新的迭代方法，获得边坡在满足力与力矩平衡条件下的整体和局部临界滑动面和相应的安全系数。将该方法应用于2个算例和一工程实例边坡的稳定性分析，计算结果表明，该方法既继承了临界滑动场方法快速、准确找到边坡整体局部临界滑动面的优点，又能考虑岩质边坡非线性破坏的特点，更加符合工程实际。

基于地下水位变化的滑坡预测时序分析2276-2284

摘要：松散堆积土滑坡受地下水位变化影响显著，地下水位变化先于地表位移，易于监测。在坡体表面位移与地下水位之间建立联系，将地下水位监测作为滑坡预测的手段或辅助预测手段具有广泛的应用前景。相关数据序列分析可借助向量自回归模型，其兼顾数据序列的相关性分析和回归分析，可用于研究时间顺序数据间的滞后效应及多种时序间的联系。基于地下水位变化会引起滑坡下滑推力改变的认识，将实测地下水位变化的时序数据转化为推力引起土体位移加速度的改变，建立实测滑坡位移变化加速度与根据地下水位变化引起滑坡推力变化的计算标称加速度的向量自回归模型，可判断坡体表面位移受地下水位影响的规律及相应的滞后时间。所建立模型应用于上虞～三门高速公路6“滑坡分析，验证模型在滑坡位移预测中的有效性，为相关滑坡工程的预测分析提供了参考和借鉴。

高地应力软岩隧道合理支护方案研究2285-2292

摘要：基于高地应力软岩隧道明显流变效应的特点，提出在喷锚网支护的基础上增设u型钢可压缩支架和泡沫混凝土填充层的支护方案。利用建立的u型钢连接件力学模型和围岩与支架接触模型，分析2种支护方案下，宜昌一巴东（宜巴）高速公路峡口高地应力软岩隧道的长期稳定性。研究表明：（1）建立的U型钢可压缩支架的连接件力学模型和围岩与支架之间的接触模型可以很好地反映支架缩动性与摩阻力之间的关系；（2）U型钢可压缩支架和泡沫混凝土填充层的联合支护既可以吸收围岩的流变变形，减小二次衬砌上的形变压力，又可以提供稳定的支护力，有利于高地应力软岩隧道的长期稳定。

西藏中波河段大型碎屑流成因机制及防治对策2293-2302

摘要：我国西部高寒山区发育一种特殊的地质灾害体——寒冻风化碎屑流。在规模较大的堆积体及其邻近区域开展工程建设时，对工程影响较大。以西藏玉曲河中波河段发育的5处大型碎屑流堆积体为研究对象，基于工程地质测绘、区域地质分析、气象资料收集等工作，认为寒冻风化碎屑流是一种基岩剥蚀现象，其形成与特殊的气候、地形、岩性、构造和地震等条件密切相关，是经过几十万年甚至上百万年历史逐渐堆积而成的。结合碎屑堆积体规模大、分布成群、稳定性差、物源区岩块不断崩落等特点，探讨研究区重大工程项目f滇藏铁路、中波水电站等1宜采取的防治措施（如避让、监测等）。研究结果为辖区工程建设提供技术依据，对类似工程提供技术参考。

基于亚像素圆心检测法的变形监测技术2303-2311

摘要：通过分析当前应用于变形监测的图像处理技术，基于传统的灰度重心法和圆边缘检测法，提出改进的有标点中心定位法——亚像素圆心检测法。为验证其精度，设计对比试验，从标点尺寸、拍摄距离、光源强弱和标点运动状态4个方面，对比分析改进算法相对于传统算法的优越性，并得到改进算法的理论精度。同时，通过研究标点位移的特点，建立基于亚像素圆心检测法的变形监测技术，并设计试验，从拍摄距离、光源强弱、标点运动状态3个方面分析该技术的理论可行性。试验结果表明：有标点亚像素圆心检测法精度较高，在50113拍摄距离内精度达1mm（15cm直径圆）；基于该算法的变形监测技术对标点坐标变化敏感，在40m拍摄距离内，识别误差控制在1．0mm范围内，在25m拍摄距离内，误差严格控制在0．5mm内，可行性强。依托江西省石城一吉安（石吉）线B8标李家寨高边坡，进行现场试验，监测结果显示，监测误差与理论研究结果相符，表明新型监测技术具有较好的工程适用性。经理论研究与实践证明，该算法监测精度高、可行性强、工程适用性强、成本较低、可实时反馈监测信息。

YXSW-12现场岩体真三轴试验系统及其应用2312-2320

摘要：介绍了长江科学院与长春朝阳试验仪器有限公司联合研制的YXSW-12现场岩体真三轴试验系统，该试验系统具有如下功能：（1）能够开展现场岩体真三轴试验（岛≠g1；（2）可以提供15MPa稳定围压，最大轴压达80MPa；（3）试样尺寸为50cmx50cm~100cm，能表征现场大尺度岩体力学特征；（4）能实现复杂应力路径伺服控制；（5）能获取试样变形、破坏全过程曲线。将YXSW一12试验系统用于研究柱状节理玄武岩力学特性，取得良好的效果，成果如下：（1）获得不同应力水平下岩体各向异性变形参数；（2）得到原岩样在卸围压路径的峰值强度、屈服强度，获得试样在卸围压路径与加载路径下的残余强度，明确了不同类型强度参数之间的差异；（3）了解柱状节理玄武岩在三维应力状态下的破坏机制，认识到岩体的破坏形式主要是在柱状节理面基础上的进一步扩展和贯通。YXSW一12试验系统的成功研制，为深入研究工程岩体在高应力、复杂应力路径条件下的变形、强度及破坏特征提供新的手段。

掺硅粉、钢纤维湿喷混凝土的工程应用研究2321-2329

摘要：针对锦屏II级水电站工程引水隧洞高岩爆、高突涌水等情况，开展掺硅粉、钢纤维湿喷混凝土的工程应用研究，其中，硅粉（水泥质量的10％）采用外掺法。通过比较试验，研究掺硅粉、钢纤维湿喷混凝土与素喷混凝土之间以及掺硅粉、钢纤维湿喷混凝土机口试模成型与现场喷射切割成型试件之间的性能差异。研究结果表明：在相同坍落度情况下，硅粉、钢纤维的掺入使混凝土单方用水量增加，拌和物更加黏稠，喷射回弹率降幅较大，一次喷射厚度明显增加，硬化混凝土早期强度及拉压比提高，弯曲韧性及残余承载能力显著改善。通过观察及分析认为，过水隧洞不宜直接采用掺硅粉、钢纤维湿喷混凝土作为表层支护，若采用，则应采取相关工程技术措施对混凝土表面进行防护处理。通过试验结果的比较分析，在指出喷混凝土机口试模成型与现场喷射切割成型试件存在强度上的差异的同时，对产生差异的原因进行了深入分析。最后，根据工程实际应用提出几个需要注意的问题值得借鉴与参考。

基于激光点云数据的裂隙岩体渗流场的无单元法模拟2330-2337

摘要：利用三维激光扫描技术获取岩体表面高精度激光点云数据，进而得到岩体裂隙网络的几何信息和产状分布情况。研究基于激光点云坐标数据求解含复杂裂隙网络岩体二维渗流场的无单元法，采用罚函数法处理渗流边界条件，并推导无单元Galerkin法的基本方程和积分格式。该方法首先将激光点云数据经坐标投影和抽稀后作为无单元模拟的节点坐标数据；然后结合岩体裂隙网络的几何信息，采用无单元法计算渗流场，进而分析岩体的渗透特性。该方法具有以下优点：（1）可以精确获取高陡边坡的裂隙产状、位置坐标、长度和开度等几何信息；（2）直接将激光点云作为无单元法节点，减少生成裂隙网格和生成节点坐标的工作；（3）将裂隙网络采用裂隙渗透张量表示，可以对非连通裂隙、不同开度和不同充填程度的裂隙进行模拟。在此基础上，应用IDL编制基于海量激光点云数据的岩体裂隙产状分析和无单元法渗流场数值模拟软件LIDAREFM，并计算怀柔县桥梓镇一裸露岩石边坡的渗流场。计算结果表明，该方法是可行、有效的，计算得到的渗流场分布及特性能够反映岩体裂隙网络对渗流场的影响。该方法为研究裂隙岩体真实渗流场分布提供了一种新的研究思路。