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岩石力学与工程学报 2013年第04期杂志 文档列表

岩体非协调变形对围岩中的应力和破坏的影响649-656

摘要：讨论研究岩体非协调变形的重要性,提出岩石非协调变形的物理和数学含义,介绍研究岩体非协调变形的技术思路,阐述岩体非协调变形和协调变形的基本不同点。通过含微裂纹的岩体中开挖圆形洞室的计算实例,具体分析岩体非协调变形的研究对围岩应力和破坏的影响,确定非协调变形产生的自平衡封闭应力,研究微裂纹的密度和长度对自平衡封闭应力和岩体破坏的影响。

破断岩体裂隙的流体流动特性分析657-663

摘要：讨论立方定律成立的前提条件,指出立方定律只有在裂隙隙宽波动极小的情况下才能近似成立,对于岩体粗糙裂隙来说,此种状态只会出现在裂隙的局部区域,即局部立方定律;而在裂隙隙宽波动较大的区域,则需准确表述裂隙粗糙对流体流动的影响作用。提出天然粗糙裂隙的多平行板离散等效模型,可以有效地适用局部立方定律,推导粗糙裂隙的隙宽表示和流量计算公式;借助数值软件分析隙宽波动对等效模型单元体内部流体压力的作用规律,并定义一个过量压力降损耗系数,基于该系数对粗糙裂隙的流量计算方法进行修正。

深孔爆破一次成井技术与应用实例分析664-670

摘要：深孔爆破一次成井是解决天井掘进困难、加快天井施工和降低掘进成本的有效方法。介绍多孔球状药包爆破一次成井和直孔掏槽爆破一次成井2种模式,说明选择一次成井模式应考虑的因素,分析深孔爆破一次成井的技术难题,并提出相应的解决措施。研究认为,岩性、孔偏大小、成井断面大小和成井高度是影响模式选择的主要因素。通过圆形布孔、不等高分层、设置中间分层、分层同响、多分层上下依序起爆和分层间合理延时爆破等技术措施解决多孔球状药包一次爆破成井的夹制性难题;通过4空孔桶形掏槽,计算确定空孔参数和分段高度,试验确定槽孔装药结构和分段间炮孔堵塞长度等技术措施解决直孔掏槽方式与相关参数确定难题。最后,以某露天矿为工程背景,介绍了23m和32 m天井一次爆破成井的工程实例。

爆炸地震波作用下深埋圆形隧道的动力响应分析671-680

摘要：深地下结构在爆炸地震波作用下的动力响应是防护工程设计和评估的重要问题,发展适应深部特点的快速计算方法具有重要意义。采用集中质量方法将圆形隧道离散为有限自由度体系,并将爆炸地震波的作用看作一系列作用在集中质量上的动力,利用局部变形理论将围岩的弹性抗力简化为弹性链杆,采用矩阵力法考虑结构在各种内力作用下产生的自身变形和弹性半空间的变形,并据此建立结构动力方程矩阵。通过对结构动力方程的求解,可以得到结构的动力集中系数和结构内力、弯矩、位移等参数。采用所提出的方法计算一个算例,分析围岩等级、荷载作用位置、正压作用时间以及入射波角度等因素对隧道衬砌结构动力响应的影响。

高应力取芯卸荷损伤及其对岩石强度的影响681-688

摘要：合理准确地获得深部岩石的强度对岩爆等动力地质灾害的预报和防治具有重要意义。针对高应力条件下钻孔取样过程造成的应力卸载对岩样的损伤问题,通过现场取样、数值模拟和室内试验等方法,比较不同应力水平下钻孔取样的损伤范围及程度。数值模拟和现场所取岩芯的饼化现象证实,所设计的应力解除取样方案切实有效,可有效降低取样区域的应力水平（约30%）,可在同一地点取得不同应力水平的岩样;CT扫描结果表明,在锦屏二级水电站1 900 m深条件下常规岩石取样导致的卸荷损伤范围可能超过岩样横截面的50%。低应力取样方案所获得的大直径岩样通过套钻取得中心标准样的平均强度要比常规取样条件提高5%～15%,平均约8%,表明卸荷损伤对岩样强度的影响不容忽视;另外,前者单轴压缩时加载初期的声发射事件数明显少于后者,这表明即便是经过套钻,也不能完全消除取样损伤的影响,与CT扫描的结果相符。

不同深度玄武岩的三点弯曲细观破坏实验研究689-695

摘要：现有深部岩石力学研究大多是从某一深度取出岩样,然后施加不同围压用于模拟不同深度,由此来研究不同深度情况下岩石的物理力学行为这一情况,然而实际中如果深度发生变化,不仅围压发生变化,岩石自身的微细观结构也会发生变化。针对此情况,选取北京门头沟一个有特点的区域,该区域从地表到深度1 100多米都有玄武岩。借助带加载装置扫描电镜（SEM）系统实时观察中心预制缺口不同深度玄武岩、偏心单裂纹及双裂纹玄武岩的细观破坏行为,揭示深度导致岩石力学性能变化的细观机制。研究发现,三点弯曲玄武岩试样中裂纹多数从预置缺口处萌生,进而发展成一条连续主裂纹。不同深度玄武岩的破坏荷载及断裂能随埋深呈增加趋势,主要原因是随着深度增加玄武岩更为致密,孔隙率小;相同偏心距下,偏心单、双2组试样峰值荷载和断裂能都几乎相同,且都随偏心距的增大而线性增加,主要原因是偏置裂纹试件缺口附近受到剪切力和弯矩的双重影响,但随着偏心距离的增加,弯矩影响在逐渐减少,这导致了峰值荷载和断裂能增加。

基于声发射定位的自然裂隙动态演化过程研究696-704

摘要：利用MTS815岩石力学试验机和PCI-II声发射三维定位实时监测系统对取自锦屏II级水电站交通辅助洞的含自然裂隙大理岩岩样进行单轴压缩条件下的声发射（AE）测试,并结合AE振铃数实现对不同空间分布类型自然裂隙时空演化过程的精确定位和追踪。试验结果表明：含自然裂隙大理岩岩样受压破坏过程中的局部渐进特征显著,AE累计数曲线的上升与试验的加载过程和岩样内部的应力调整关系密切;单一型和平行型自然裂隙空间分布形式相对简单,在压应力水平较低时AE大事件（振铃数〉20）随着压应力的渐增沿自然裂隙面展布,当压应力接近峰值强度时,AE大事件在裂隙面末端部位大量集聚,并朝着最终的实际破裂方向扩展;含交叉型自然裂隙岩样体内的AE大事件在初始压密阶段分布相对均匀,但随着压应力的持续增加,裂隙面附近的AE数量逐渐增加,并向裂隙面的交叉部位集聚;混合型自然裂隙结构最复杂,但仍不难根据AE大事件的空间分布确定岩样内部的软弱部位及相应的应力场变化规律。以上试验和分析结果对于深入研究岩体破裂失稳机制具有一定的意义,也可为现场微震监测提供指导。

圆盘冲击劈裂试验中岩石拉伸弹性模量的求解算法705-713

摘要：提出圆盘冲击劈裂试验中求解岩石拉伸弹性模量的解析算法。结合圆盘对心受力的理论弹性解和实际试验过程中方便测量的物理参数,基于微积分原理,得到岩石拉伸弹性模量和垂直加载方向上总位移变形量之间的定量关系式。在此基础上,考察试样中心平行加载方向和垂直加载方向位移量之间的关系,认为两者之间存在线性关系,可以用比例函数进行表示。最后,结合SHPB冲击劈裂试验原理,通过测量得到平行加载方向位移,利用得到的比例函数进行换算,代入到拉伸模量和垂直加载方向上总位移变形量之间的定量关系式中,进而得到圆盘冲击劈裂试验中岩石拉伸模量的求解公式。该式包含冲击加载力、试样直径、试样厚度、岩石泊松比和试样中心平行加载方向上总位移变形量5个物理量,意义明确,运用简便,为求解圆盘劈裂试验拉伸弹性模量提供了一种新的方法。

均质各向同性硬岩统一应变能强度准则的建立及验证714-727

摘要：在大量硬岩多轴加、卸荷强度试验成果分析基础上,研究硬岩强度及强度准则的基本特性,指出硬岩多轴加、卸荷强度均具有中间主应力效应、最小主应力效应、静水压力效应、应力Lode角效应和拉压异性效应。以强度准则的Zienkiewicz一般形式为基础,提出在Rankine型强度曲线和Drucker-Prager型强度曲线过渡的两参数表征的偏平面形函数,与有效应变能理论为基础的Wiebols-Cook强度准则的改进型子午面形函数相结合,建立均质各向同性硬岩统一应变能强度准则。大量硬岩加、卸荷试验数据验证了该强度准则能客观地反映各向同性硬岩强度基本特性和硬岩强度的非线性特征。通过参数调整,提出的统一强度准则将大量现有强度准则统一到同一强度理论框架下,极大地方便了强度理论的数值实现,适用于多种各向同性硬质岩类,进一步丰富了统一强度理论研究成果。

裂隙单元修正等效渗透率模型及其验证728-733

摘要：采用裂隙单元表征裂隙网络,引入裂隙单元等效渗透率的概念,按照流量等效的原则计算其大小,然而阶梯状裂隙单元造成渗流流程的增加,同时压差不变导致流量的减少,为解决这一问题,用裂隙在网格中的实际流程长度与裂隙迹长之比来修正裂隙单元等效渗透率,并且针对复杂裂隙网络,对其进行预处理——删除孤立裂隙、死端裂隙、孤立裂隙簇等非连通裂隙。用此修正模型对单裂隙、相交裂隙、复杂裂隙网络进行渗流数值模拟,并与理论解及离散裂隙网络模型方法渗流结果进行比较,结果显示：研究区域下游出口总流量及出口处流量分布均取得较好一致性;同时,此裂隙单元修正等效渗透率模型也能反映出裂隙岩体渗流的非均质和各向异性。

大岗山水电站地下厂房洞室群围岩开挖损伤区研究734-739

摘要：以大岗山水电站地下厂房洞室为研究对象,通过施工阶段的围岩力学性状测试、开挖变形长期监测研究地下洞室开挖损伤区的分布范围和损伤劣化特征。以围岩变形和损伤区实测成果为基础,建立基于正交设计–支持向量机–粒子群算法的反演分析方法。通过对地下厂房洞室开挖损伤区的测试与监测、反演分析表明,损伤区分布范围约为临空面向岩体内部3～7 m范围,其中,围岩类别不同,其损伤区分布范围不同,损伤劣化程度也不同,具体表现为围岩质量越好,其损伤范围越小,但是损伤区岩体损伤劣化程度越高。相关认识是初步的,对类似重大工程的设计施工有一定的参考价值,但还需要进一步开展理论与工程实践研究。

含偏置缺口玄武岩原位三点弯曲细观断裂研究740-746

摘要：通过含偏置缺口的玄武岩试件在扫描电镜（SEM）下的三点弯典实时加载试验,得到不同偏置缺口的荷载–位移曲线以及高倍率裂纹扩展照片。一方面,根据矿物颗粒在岩石中总是以一定三维尺度存在,认为裂纹不仅在表面非线性扩展,而且沿厚度方向也是非线性扩展,结合断裂力学中表面能S的计算公式,给出一个考虑岩石非均值和裂纹纵向非线性扩展的表面能密度表达式,并用这个表达式成功解释裂纹扩展中的一些随机现象;另一方面,通过对不同偏置量的荷载–位移曲线对比分析,给出含偏置缺口玄武岩三点弯典荷载–位移曲线的3个典型阶段,并解释各个阶段的微观机制,提出用偏置量影响系数计算偏置缺口三点弯典试样的断裂性能并给出其计算公式,通过对不同偏置缺口试件峰值荷载以及断裂耗能的分析计算,得到峰值荷载与断裂耗能的偏置量影响系数表达式。

大型地下洞室位移量级预测初步探讨747-753

摘要：位移是岩体最容易测量与控制的参数,其量级与速率是隧道工程围岩稳定评判或位移监控的基本参数。但对于大型地下洞室而言,目前尚未建立相应的标准。以我国西南地区已建或开挖完毕的6个水电站大型地下厂房的位移监测成果为基础,总结影响地下厂房围岩位移量级的因素,提炼出主要影响因素,即围岩初始地应力水平和岩体性状,分别用最大主应力max与岩块饱和单轴抗压强度c表征。引入围岩应力强度比代表2个主要因素,建立其与边墙最大和平均位移量级的2个经验关系式,取得了较好的研究结果,该成果可为地下洞室位移监测设计、预警与监控标准的建立提供参考。最后,对经验公式的适用性与改进途径进行分析。

基于多方法联合的崩落法崩矿步距优化754-759

摘要：为准确获得大结构参数下的最优崩矿步距,以梅山铁矿为工程背景,联合应用相似材料试验方法和PFC2D软件数值模拟方法,开展18 m×20 m结构参数下崩矿步距的优化研究。基于相似材料试验,绘制出该结构参数下的放出体形态,并结合崩矿步距与矿石损失贫化的数学模型,计算得到该结构参数下的最优放矿步距为6.12 m。利用PFC2D软件对放矿步距为4.5,5.0,5.5,6.0,6.5 m共5种方案进行数值模拟研究,计算结果表明,当放矿步距为6.0 m时,矿石的回收指标最优。将相似材料试验和计算机数值模拟所得结果进行对比分析,并考虑最优崩矿步距与最优放矿步距之间的关系,最终确定该矿山在18 m×20 m结构参数下的最优崩矿步距为4.4 m。将该结果与梅山铁矿现场工业试验结果相对比,验证了该结果的正确性。

土压平衡盾构刀盘扭矩计算方法与多因素量化分析760-766

摘要：刀盘扭矩是设计刀盘驱动的关键参数,是设计经济型盾构、决定盾构是否高效率掘进必不可少的参数之一。以土压平衡盾构为背景,在充分理解刀盘与土体相互作用的基础上,分析影响刀盘扭矩的7个因素,并基于现场测试和理论分析分别推导出各因素的计算模型。同时,以土耳其伊兹密尔地铁和伦敦机场隧道为例,通过与实际测得的刀盘扭矩对比分析,验证理论模型的准确性,所构建的计算模型可适用于黏性土和非黏性土地层中。对各影响因素进行量化分析,分析表明刀盘各面与地层的摩擦阻力扭矩约占总扭矩的80%,其中刀盘与土体的摩擦角、刀盘直径、土体的黏着力以及土仓内的土压支撑强度都是影响刀盘扭矩大小的重要参数。

非协调变形下深部岩体破坏的非欧模型767-774

摘要：将岩体看成不含原生宏观裂隙而仅含原生微裂纹的颗粒材料。在开挖卸荷过程中,原生微裂纹启裂、扩展并穿过岩石基质,产生次生裂纹。此时,岩体出现非连续和非协调变形,经典的弹塑性力学理论不再适用于研究岩体的非连续和非协调变形情况。基于自由能密度、平衡方程和变形非协调条件,提出一种新的非欧模型,确定微裂纹半长度和密度对标量曲率和自平衡应力的影响,获得深部圆形洞室围岩应力场,它包括弹性应力和自平衡应力。由于自平衡应力的影响,当微裂纹的密度和半长度较大时,深部圆形洞室围岩的应力场具有明显的振荡特性。但是,当微裂纹的密度和半长度较小时,深部圆形洞室围岩的应力场振荡特性不明显。对于位于波峰附近的微裂纹,其尖端的应力集中将导致次生裂纹的失稳扩展、连接、合并成宏观裂隙,形成破裂区;而对于位于波谷附近的微裂纹,其尖端应力集中不足以导致次生裂纹发生失稳扩展,因此出现非破裂区。深部圆形洞室围岩应力场交替出现波峰和波谷现象导致破裂区和非破裂区的交替出现,即分区破裂化现象。通过数值模拟,详细研究微裂纹半长度和密度对深部岩体分区破裂化现象的影响。

地下洞室围岩顶拱承载力学机制及稳定拱设计方法775-786

摘要：受枢纽布置和地形地质条件的限制,三峡工程地下厂房布置于右岸白岩尖山体中,主厂房洞室上覆岩体最薄处仅1倍厂房跨度,显然不满足现行规范关于上覆岩体厚度不小于2倍开挖宽度的要求。对于这类浅埋式的大跨度高边墙地下厂房,在上覆岩体厚度有限及一定初始应力条件下,洞室顶拱的稳定性是必须解决的首要技术问题。从岩体结构、岩体强度和地应力水平对围岩稳定性控制的角度出发,通过对地下厂房洞室围岩顶拱承载力学机制的研究,提出地下洞室岩体稳定拱的定义及其存在的力学条件,给出地下洞室岩体稳定拱的确定方法,分析采用地下洞室岩体稳定拱确定上覆岩体厚度的可行性,形成一套确定浅埋式地下厂房洞室埋置深度的稳定拱设计方法。研究结果表明,三峡工程地下厂房顶拱围岩具备形成稳定拱的埋深条件和水平应力等条件,形成稳定拱的最小埋深约为2/3倍洞跨,在上覆岩体中形成稳定拱的最小水平侧压系数应大于1.5,而最大水平侧压系数不宜高于3.0。据此进行主厂房顶拱设计,多年的应用成效显示,地下厂房顶拱围岩是稳定安全的,表明三峡工程地下厂房顶拱在既定的围岩强度、岩体结构以及初始地应力水平等条件下,采用稳定拱设计方法确定洞室上覆岩体厚度是合适、可靠的,能够保障洞室围岩稳定,满足工程安全的要求,可为解决大型浅埋洞室的设计提供理论基础和科学依据。

岩石破坏声发射时频分析算法与瞬时频率前兆研究787-799

摘要：为得到以时间、频率、幅度和动态过程为特征量的多维度瞬时频率前兆信息,为岩爆等地质灾害的预测提供原理上的支持,开展岩石破坏声发射波形分析的研究。以花岗岩单轴压缩为实例,对声发射大数据的分割、时频分析理论与算法,以及时频分析窗函数的滤波性能的优化进行了理论分析与计算机实验。建立分割短数据的时间/频率分辨率的计算公式与大数据优化分割的基本原则;阐明时频分析窗宽度与频率域指标的优选方法;提出时频分析的综合优化算法,即：先用对声发射大数据进行最优分割、再根据短数据的特点对分析窗进行优选、用优化的短时傅里叶变换进行主频带定位、再用维格纳变换进行主频带中心频率的识别、最后对变换后的时频图进行精细化处理,以充分展现其中蕴含的动态信息。时频分析综合优化算法的应用表明：分割的短数据较好地反映了在不同应力水平下裂纹扩展的动态过程;分析窗的优化提高了时频变换的频率局部化性能并减少了频谱泄漏效应;解决了短时傅里叶变换不能精确描述主频分布的问题,避免了维格纳变换中＂交叉项＂的识别问题。应用多维度瞬时频率前兆可以更好地描述岩石破坏非线性过程的前兆信息,为岩石破坏的预测与机制认识提供新的、有力的手段。