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岩石力学与工程学报 2012年第A02期杂志 文档列表

岩石力学与工程学报杂志第一部分：岩石力学与工程应用

岩块尺度对摆型波传播影响研究3459-3465

摘要：基于深部非连续自应力岩体介质的等级块系构造理论,研究块系岩体不同等级尺度对摆型波传播的影响。对冲击载荷作用下块系岩体介质动力模型进行求解得到各岩块的加速度响应。计算在相同的冲击能下,不同等级尺度块系岩体中,各岩块加速度及相应的频域特性包括频域曲线中心频率和中心频带宽度。通过比较得出,块系岩体等级越高,在冲击扰动下块体加速度衰减越快且衰减区域主要集中在初始端块体,同时相比于纵波和横波在块系岩体介质中传播的摆型波是一种低速波且块系岩体等级越高波速越低;块系岩体等级越高初始端岩块中心频率越大、中心频带宽度越宽,随着摆型波的传播块体中心频率向低频移动,中心频带宽度逐渐缩小表现出低频波的特性,且等级越高这种变化趋势越明显。借助于时域和频域内的分析结果和相应的测试技术,有助于反演岩体的破碎程度和节理的发育情况。

大理岩受压破坏的数字图像界面元法模拟3466-3470

摘要：从岩体内部细观组成出发,以结构控制论为指导,研究其受压的破坏机制。以锦屏水电站大理岩为例,利用Matlab软件数字图像处理工具编制图像处理程序,对大理岩试样的照片进行分析,得到大理岩试样的灰度图像,像素灰度值可以描述试样表面的细观非均匀性,同时利用几何转换和网格生成技术将像素单元转化为力学计算需要的网格单元;基于室内单轴压缩试验,得到大理岩试样破坏现象,获得数值模拟所需的力学参数,结合像素单元灰度信息对材料单元材料属性赋值,得到细观非均质结构模型;然后利用不连续介质力学的界面应力元法对大理岩单轴受压破坏过程进行数值模拟,得到考虑非均质性引起的局部应力和变形,根据局部的应力和变形可以解释由于内部细观结构非均匀性产生的宏观破坏现象。

边坡爆破开挖对邻近已有洞室影响研究3471-3477

摘要：边坡爆破施工振动对邻近已有洞室的影响及其控制是工程中的关键技术问题。新建边坡在与已有洞室间距比较小的情况下进行爆破开挖,爆破开挖产生的爆破波会危及已有洞室围岩和衬砌结构的安全与稳定性。结合锦屏一级水电站左岸坝肩边坡施工爆破对洞室影响的分析课题,应用动力有限元数值模拟,研究不同的边坡与已有洞室间距、岩体阻尼比、最大单响药量情况下边坡爆破振动对洞室围岩和衬砌结构的影响问题。根据洞壁质点振动速度允许值与洞室衬砌在边坡爆破振动波作用下的动拉应力值,考虑不同阻尼比,得出不同围岩级别下,不同边坡与洞室间距的最大单响药量控制Ⅲ类岩体边坡,坡面距已有洞室20,50 m时,边坡开挖爆破最大单响药量分别控制在100和300 kg以内;IV类岩体边坡,坡面距已有洞室20,50 m时,边坡开挖爆破最大单响药量分别控制在150和450 kg以内,研究结果为实际工程的施工和设计提供参考和依据。

侧向爆炸作用下地下拱形结构动力响应3478-3481

摘要：当爆点偏向结构一侧时,结构会发生部分受荷的情况,从而导致结构的内力及破坏形式发生变化;讨论爆点位于侧向时结构的受荷范围,给出荷载计算公式;将地下结构与周围介质的相互作用关系等效成为一种阻尼作用,从而在结构动力方程中加入相互作用因素,通过方程求解得到结构振动响应的解析解;利用这种方法推导出远场任意角度爆炸荷载作用下结构的响应计算公式,并在侧向爆炸条件下得到结构的位移和最大弯矩分布曲线。

边坡工程中监测数据场三维云图实时动态可视化方法3482-3490

摘要：实现监测物理量空间数据场的三维实时动态可视化表达,是边坡工程安全监测三维可视化在线分析的关键。空间数据场三维可视化最直观的表达形式是三维云图,其绘制方法包括面绘制和体绘制,而体绘制方法是实现三维数据场实时动态云图绘制的首选方法。鉴于X3D灵活的场景交互和丰富的三维几何造型节点,通过生成用于监测数据场三维云图显示的几何载体TEN模型,在提取监测点坐标并形成监测数据场的基础上,应用空间插值算法得到TEN网格节点的监测物理量数值,并按照特定颜色表映射到网格节点的颜色域值,提出基于X3D技术的空间数据场三维云图体绘制方法。以某水电站坝肩边坡和某水电站谷肩堆积体为例,应用该方法实现边坡和堆积体监测数据场三维分布云图的实时动态可视化显示,直观地揭示监测对象的变形趋势和可能的变形破坏模式,为该方法在水利水电和岩土工程的边坡及地下工程安全监测领域的应用提供参考。

灰岩单轴压缩实验室尺度效应研究3491-3496

摘要：尺度效应广泛存在于缺陷材料中,尺度效应根源于材料的非均匀性。而目前尺度效应研究大都沿用混凝土材料强度负幂率尺度效应研究成果。通过细观结构分析发现,岩石材料和混凝土材料存在较大差别。以灰岩为试验材料,通过单轴压缩试验,获得岩石材料的单轴抗压强度与应力–应变曲线等试验数据,进而分析研究岩石材料的尺度效应及其影响因素,得到与混凝土材料不同的尺度效应规律。研究结果表明：灰岩材料内部的缺陷层次直接决定岩样的强度、变形破坏方式等力学性质;每种非均匀岩石材料都存在一个明显的特征尺度,它与岩石材料内部微缺陷的构造层次（微缺陷自身尺度大小及其相对于岩样尺度的大小）密切相关;岩石材料的尺度效应根源于材料的非均匀性,而并非试件与加载端头之间的端部摩擦效应所造成。

平面SH波作用下套管-水泥环的动力响应3497-3502

摘要：套管完井结构（套管＋水泥环＋围岩）的长度远大于直径,将平面SH波作用下套管完井结构的动力响应问题简化为二维平面问题,假定套管、水泥环和围岩均为各向同性的均质弹性体,运用波函数展开法和复变函数的保角映射法,根据套管内边界自由、套管与水泥环完全联结和水泥环与围岩完全联结的边界条件,得到散射和折射SH波势函数展开式的待定复系数的理论解。以某气田102井的套管结构为实例,计算地震SH波产生的套管动应力,其最大值大于套管屈服应力,由此说明地震是导致该气田套管变形的直接原因。最后,通过引入动应力集中因子概念,分析围岩和水泥环对动应力集中的影响,结果表明：（1）降低水泥环的强度可以减小水泥环的动应力集中;（2）围岩越硬,水泥环的动应力集中越小;（3）围岩的动应力集中基本不受围岩软硬程度和水泥环强度的影响。

岩体中地下多层圆形结构动力响应分析3503-3507

摘要：在城市地铁隧道结构以及其它地下工程选型方面,常常采用圆形结构。根据地下圆形结构和围岩的特点,建立平面冲击波载荷作用下有岩石中多层圆形结构体系的动力广义泛函,并采用变分原理推导出体系的线性和非线性动力微分方程组。采用该方法对承受平面应力波的有软回填层的岩石中多层圆形结构进行弹塑性动力响应计算,研究地下多层圆形结构的动力特性和回填层厚度对结构体系动力响应的影响。给出软回填层削波减振的最佳厚度和围岩与回填材料的最佳声阻抗比。该研究结果适用于平面应力波荷载或地震荷载下,地下工程结构选型及结构动力学分析。

“S”型覆岩空间结构煤柱导致冲击失稳的力学机制探讨3508-3513

摘要：进入深部开采后,决定矿山压力显现程度的运动岩层在厚度和层面方向上已经超出传统的平面模型范围,所形成的覆岩空间结构的运动影响着采动应力场的分布,煤柱及其周围由于采动引起的应力重分布和应力集中是诱发煤柱冲击失稳的应力条件和根本原因。因此,通过分析覆岩空间结构的运动规律及其采动应力场分布,并以此探讨作用在残留煤柱的力源,是研究煤柱诱发冲击失稳机制的理论基础。以华丰煤矿六层煤残留煤柱为研究对象,通过研究四层煤开采形成的＂S＂型覆岩空间结构岩层运动特点和六层煤上覆岩层运动规律,分析作用在煤柱上的复合应力,探讨煤柱力源,通过应力计算和微地震监测分析煤柱及其周围的应力场的分布规律,研究煤柱导致动力失稳的应力条件和机制,研究结果表明,四层煤和六层煤开采形成的高应力是煤柱诱发动力失稳的应力条件,而煤柱及其周围形成的高应力差是动力失稳的根本诱因;基于煤柱应力分析,探讨高应力区煤柱卸压解危的措施。

强冲击地压矿井地表非连续移动变形特征3514-3519

摘要：随着工作面的开采,上方覆岩体内软岩层出现明显离层特征,离层上方硬性巨厚覆岩层逐渐下沉。当工作面推进到一定距离时,离层量加大,为巨厚覆岩层提供一定运动空间,进而造成巨厚覆岩层的破断;由于瞬间的能量释放,对围岩造成强冲击性,同时造成地表呈现斑裂等非连续性特征。较大的斑裂均位于地表水平变形较大的位置,随着井下沿走向开采尺寸的加大,斑裂的宽度和深度也逐渐扩大,斑裂最宽可达1.5～3.0 m,深度可达50～70 m。同时,采动覆岩岩层运动,也导致地表变形出现明显的集中与滞缓现象,当离层范围大于砾岩体折断步距时,地表变形加剧,就会出现斑裂现象。同时探讨地表移动变形与冲击地压发生具有的显著相关性,进而可对冲击地压做预测辅助参考。

邻近隧道的岩质深基坑开挖影响研究3520-3526

摘要：目前基坑开挖对邻近隧道的影响研究主要集中于软土地层,在土岩组合地层当中研究较少。以重庆临江门开挖深度近30 m、邻近隧道的岩质深基坑工程为例,运用数值模拟方法与工程现场监测成果对基坑开挖所造成的影响进行分析研究。研究结果表明：岩质基坑变形总体较小,支护桩加分阶预留岩墙作为围护体系比较有效,支护结构变形主要集中于土层部分;有邻近隧道时,拱圈所对应支护桩弯矩比无隧道时要大,直墙段所对应支护桩弯矩比无隧道时要小;由于受连续介质及隧道几何形态的影响,隧道会改变位移场传递的方向,并且竖直方向改变大于水平方向,隧道主要表现为横向变形。衬砌拱顶、左拱脚、左墙中的弯矩明显增加,隧道具有明显的偏压效应。

岩石冲击倾向与其波速变化的相关性研究3527-3532

摘要：为探求岩石受载过程中波速变化规律与其冲击倾向的关系,建立单轴压缩下不同冲击倾向岩石波速随变形的变化关系式,并通过实验室试验对其进行初步验证。研究结果表明：（1）当岩石冲击倾向性较强时,随着应变量的增加,波速开始基本没有变化,当所加荷载达到约90%峰值应力后,波速发生急剧下降;当冲击倾向性较弱时,波速基本呈线性降低。（2）定义波速衰减因子的概念,用来表征岩石冲击倾向性的强弱,并初步确定其判别准则。（3）对3种不同冲击倾向性岩石进行单轴压缩及波速测试试验,试验结果与理论关系式吻合较好。

金沙江白鹤滩水电站坝区左岸边坡变形特征及机制分析3533-3538

摘要：左岸河谷边坡的稳定问题是白鹤滩水电站重要的工程地质问题之一,在地质历史过程中,随着河谷下切,岸坡不同部位不同高程的岩体均产生不同程度的卸荷变形,研究这些变形特征及变形机制对于从宏观上定性把握左岸边坡的稳定性至关重要。根据勘察成果初步分析,左岸河谷边坡变形受缓倾角错动带以及NW向断层控制明显,具体地,卸荷裂隙的空间分布和发育规模均与其相对这些控制性结构面的位置相关,并且表现出较强的规律性。总结这些规律并采用离散单元数值分析软件UDEC和3DEC模拟河谷下切过程中这些控制性结构面对边坡变形的控制作用,进一步印证地质上的分析成果,同时结合地质勘察与数值计算成果分析左岸边坡的变形机制。

单轴压缩下含孔洞裂隙砂岩力学特性试验分析3539-3546

摘要：利用岩石力学伺服试验机与岩石声发射仪,对含孔洞裂隙砂岩（尺寸为60 mm×120 mm×30 mm）的力学特性进行单轴压缩试验。基于试验结果,首先分析含孔洞裂隙砂岩岩样的强度和变形特性,结果表明,含孔洞裂隙砂岩岩样的力学参数均显著低于完整岩样,但降低幅度与孔洞直径及缺陷对称分布密切相关,随着孔洞直径的增加,含单孔洞砂岩的峰值强度与峰值应变均呈衰减趋势,而不对称分布的孔洞裂隙砂岩岩样的力学参数均低于对称分布;然后基于含孔洞裂隙砂岩加载过程中的声发射特征,揭示声发射分布显著受孔洞裂隙等缺陷分布的影响,这主要是由于含不同孔洞裂隙砂岩中裂纹扩展模式存在着显著差异;最后通过照相量测技术,探讨含不同孔洞裂隙砂岩的裂纹扩展特征,分析含缺陷砂岩裂纹扩展过程及其对宏观应力–应变曲线的影响规律。

变形多孔介质温度-渗流-应力完全耦合模型及有限元分析3547-3556

摘要：根据多孔介质中温度、渗流及应力之间复杂的耦合关系,基于连续介质力学和混合物理论,导出变形多孔介质热–流–固三场耦合模型及其控制方程,探讨有限元法的求解过程,以ABAQUS软件为求解器,在MATLAB语言环境下编制相应的计算程序,并通过典型算例考证程序的正确性。然后研究石油钻井过程中的热–流–固耦合作用过程,详细分析场耦合作用对井壁孔隙压力、温度和应力的影响,计算结果表明,热–流–固耦合作用对井壁稳定有重要的影响,应全面考虑各物理场之间的耦合作用。研究成果为分析岩土介质多场耦合过程提供一条有效的途径,从而为进一步研究温度–渗流–应力–化学（THMC）耦合问题奠定基础。

深埋大理岩脆性破裂细观特征分析3557-3565

摘要：脆性材料的破裂过程与裂纹的扩展密切相关,其细观结构特征直接决定宏观力学行为表现,但目前受限于试验仪器,还无法完全把握脆性破裂的细观机制,必须将试验方法和数值方法有机结合。首先利用MTS完成大理岩的单轴和三轴压缩试验,并在试验过程中对声发射信号进行全程监测,利用获得的试验数据详细分析深埋大理岩破裂特征,明确内部裂纹的发展演化规律以及对大理岩宏观力学特性的影响。通过引入颗粒流程序（PFC）,借助于已经完成的单轴和三轴试验成果获得PFC计算中的颗粒参数和颗粒胶结面参数,利用BPM模型模拟脆性岩石的破坏。结果表明,PFC能够从细观尺度准确地再现深埋大理岩试验过程中的裂纹扩展和破裂特征,并且能够展现在实际试验过程中无法监测和获得的有价值的细观破坏特征,为描述脆性岩石的破裂特征和复杂力学行为提供可以依赖的描述方法。

节理岩体中隧道围岩变形特征分析3566-3570

摘要：金鸡山隧道是国内首例双向八车道连拱隧道,隧道区域内节理发育,围岩破碎,隧道围岩位移受节理展布特征影响显著。通过对施工中中导洞开挖掌子面、区段断面及其它出露区域节理的采集,利用统计分析方法对隧道正洞区域内的节理展布预测。在此基础上,利用自行编制的非连续变形分析计算的断续节理扩展过程的模拟算法,对金鸡山隧道的位移特征进行分析。结果表明,金鸡山隧道在2组节理作用下隧道围岩位移以竖向位移为主,且最大位移发生在外侧拱肩部位,研究成果为隧道施工中支护加固提供依据。

锦屏一级水电站f5断层置换硐及其交叉硐段稳定性及支护结构设计研究3571-3578

摘要：f5断层为锦屏一级水电站坝区内规模最大的一条断层,为提高坝肩岩体质量,设置f5–1,f5–2平硐及4条斜井对其进行置换。综合诸多研究成果,对设置置换网格的必要性进行论述。采用三维有限元方法模拟天然地形与地质条件,仿真跟踪置换硐群开挖步序,从应力、变形等多角度评价置换硐整体稳定性,并与监测成果进行对比,分析表明：f5–1和f5–2平硐整体上满足施工期稳定性要求,局部硐段受断层影响支护力不足。对f5–2平硐采取预应力锚杆、钢拱架支护及加厚喷层和提前施作二次衬砌2种补强措施进行数值模拟分析,2种补强措施均能使平硐满足稳定要求,在考虑支护效果、施工等因素下,认为提前施作二次衬砌更为合理;对于平硐与斜井交叉部位,建议在平硐施做完成后对交叉部位前后10 m进行衬砌支护,再对斜井进行开挖,此时衬砌最大压应力不超过6.5 MPa,最大拉应力不超过1.7 MPa;f5–1平硐与5#传力硐交叉部位,建议先对5#传力硐施作衬砌支护,再对部分较薄岩柱固结灌浆,然后再进行平硐施工。数值分析成果为置换硐支护措施的设计提供科学依据,对其他类似工程具有较强的借鉴意义。