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岩石力学与工程学报 2014年第09期杂志 文档列表

岩石力学与工程学报杂志动态

高渗压条件下基于非达西流的裂隙岩体渗透特性研究1756-1764

摘要：钻孔高压压水试验是评估高水头条件下岩体渗透特性的主要手段。目前，高水压条件下岩体的渗透特性估算多借鉴基于Darcy流假定的钻孔常规压水试验行业规程推荐公式，尚缺乏成熟、有效的计算方法。基于非线性Izbash定律，建立高渗压条件下岩体渗透系数的估算公式，并将高压压水试验P-Q曲线分为线性段、非线性段和水力劈裂扩展段。提出的公式应用简便，各压水试验段岩体渗透系数的确定只需稳态下的流量和水头，并且表征水流流态的系数m可通过曲线拟合得到。通过对琼中抽水蓄能电站高岔区钻孔高压压水试验数据的研究表明，岩体的渗透特性不受水流流态的影响，在高压压水试验的线性段和非线性段基本保持一致；岩体发生水力劈裂后，岩体的渗透特性将急剧增大。建立的公式可为高渗压条件下岩体的渗透特性取值提供一种有效的途径。

循环加卸载中滞回环与弹塑性应变能关系研究1791-1797

摘要：为了探求煤层冲击倾向性鉴定时循环加卸载中滞回环与弹塑性应变能的关系，利用电液伺服试验机对煤样进行单轴循环加卸载试验。对试验所得循环加卸载应力-应变曲线、循环次数与滞回环面积曲线、弹性应变能与滞回环面积关系等进行分析。得出结论如下：（1）随着循环次数的增加，循环次数和弹性应变能与滞回环面积呈正相关。（2）滞回环产生于循环加卸载过程的压密阶段。当煤样接近破坏时，压密阶段的不可逆塑性形变达到最大。（3）每一次循环的塑性能是新生成裂纹的耗散能，以往的弹性能量指数计算中未将压密裂纹形成的耗散能（滞回环面积）去掉，导致指数计算结果偏小，因此提出弹性能量指数修正计算公式。提出的修正公式可使煤层冲击倾向性鉴定时的弹性能量指数计算更精确。

断续节理岩体渐进破坏数值模拟方法及等效力学参数的测定1798-1805

摘要：工程岩体分级标准一般不考虑工程岩体的本构关系，仅提供黏聚力和内摩擦角，岩石的力学参数及现场小尺度的试验结果也不能直接用于工程计算。针对这一问题，利用岩石及结构面的实测参数建立含随机裂隙的岩体数值模型，模拟裂隙岩体渐进破坏过程，并获取岩体等效力学参数的数值模拟方法。计算结果证实，考虑地应力及卸荷条件下，计算获得的岩体强度参数较基于工程岩体分类体系的经验值高30%～50%，各风化、卸荷区结论一致，数值模拟获得的岩体卸载变形模量与工程实测值反演获得的变形模量一致。采用数值模拟方法获取岩体破坏模式、本构关系及相应的强度、变形参数是可行的。

考虑垫条比与泊松比影响的立方体劈裂强度分析1806-1811

摘要：立方体劈裂试验的应力公式借鉴于传统圆盘巴西试验，忽略了其三维效应，有效性难以保证。为了保证试验的有效性，得到更准确的应力公式，通过三维数值计算方法模拟立方体劈裂试验，结合 Griffith 强度理论分析其三维效应。分析得出，垫条比（垫条宽度和立方体边长的比值）和泊松比对立方体内应力分布影响较大。当垫条比取值一定时，泊松比取值越大，立方体内应力分布受应力集中影响越大，越难保证中心点起裂，而中心点起裂是立方体劈裂试验有效的前提，从而导致试验所测抗拉强度偏小；当泊松比取值一定时，垫条比取值越小，立方体内应力分布受应力集中影响越大，越容易在加载点附近出现应力凸起点，从而无法保证试验的有效性。为了保证试验的有效性，结合数值试验分析结果，对于不同的泊松比，推荐相应的垫条比取值范围，并在推荐范围内，建立考虑垫条比和泊松比的立方体劈裂强度修正公式。

软岩及土质隧洞围岩稳定性评价新方法1812-1821

摘要：首先提出对于软岩（土质）隧洞及时支护下的围岩变形稳定性可转化为支护结构的安全性这一评判理念，在此基础上进一步将初期支护（喷层）不出现拉压破坏时围岩与支护结构的对应变形作为评判标准，提出软质隧洞围岩稳定性评判新思路；考虑到支护结构内力的监测不便、不准，而支护结构的收敛变形监测较为方便与可靠这一工程现实，再次通过数值试验的方法，将支护结构的极限应力科学地转化为对应的支护结构的允许变形，进而建立能够考虑初期支护安全性的围岩稳定性评价新方法。该评判方法在新疆库尉输水隧洞工程的成功应用表明其具有较好的可靠性和适用性。

花岗岩脆性破坏特征与机制试验研究1822-1827

摘要：为了研究花岗岩脆性破坏特征和机制，进行不同围压下的三轴压缩试验，并对花岗岩破裂面断口进行电镜扫描测试，分析不同围压下花岗岩断口的微观形貌特征，最后讨论花岗岩脆性破坏机制。试验结果表明：在研究的围压范围内，花岗岩表现为典型的脆性破坏，随围压升高未出现脆-延转换特征；围压作用下除倾斜剪切破坏面外，还有“Y”型破坏形态；峰值前有无塑性变形产生以及发生塑性变形的范围和程度是决定花岗岩发生脆性破坏的主要原因，而岩石矿物成分和微观结构的差异性是其内在机制；峰值后应力降的大小和速度是花岗岩脆性破坏程度的外在表现，宏观裂纹的贯通速度决定峰值后应力降大小，岩体内积聚的能量大小是造成裂纹贯通速率快慢差异的内在因素，宏观断裂面是否完全贯通是应力降大小的决定因素。

特厚松软复合顶板巷道拱-梁耦合支护结构的构建及应用研究1828-1836

摘要：因特厚（10 m以上）松软复合顶板原位强度低、层理裂隙发育，其巷道维护不当极易造成大面积冒顶伤亡事故。结合典型的工程实例，采用原位实测、物理模拟与数值计算手段，分析特厚松软复合顶板的结构形态与破坏特征，揭示特厚复合顶板巷道浅部岩层锚杆组合梁与深部岩体锚索承载拱的形成及其拱-梁耦合作用机制。研究表明：高应力环境下，复合顶板受层状构造、结构面特征及层间结合度等因素的影响，其离层破裂具有迅速扩展的本性，其破坏形态主要包括弯曲断裂、错动滑移及碎胀扩容；在特厚松软复合顶板中构建的拱-梁耦合支护结构是维护巷道围岩稳定的结构主体，其对顶板稳定控制作用明显，与锚杆支护巷道相比，顶板可承受最大应力提高77.8%，巷道断面收缩率减小52%，增加锚索密度可使巷道支护结构稳定性显著增加；浅部锚杆组合梁可促进深部锚索承载拱的形成，深部锚索承载拱对浅部组合梁具有减压、降载和明显的减跨效应。建立巷道拱-梁结构体系力学模型，实现对巷道支护结构的稳定性设计与评价，为同类特厚复合顶板巷道支护参数设计提供借鉴。

基于显微CT技术的不同温度下油页岩孔隙结构三维逾渗规律研究1837-1842

摘要：基于高精度显微CT技术，采用多孔介质三维逾渗理论，计算不同温度下油页岩试件（φ0.82 mm×7 mm）真实三维数字 CT岩芯的逾渗概率。逾渗概率的大小实质上反映多孔介质内部最大连通孔隙团的分布程度，可对多孔介质的连通性进行直观、准确地判定，避免因为统计对渗透性无贡献的“小级别死端孔隙”而造成对多孔介质渗透性优劣的误判。当温度达到300℃～400℃，油页岩孔隙率为8%～12%时，逾渗概率开始快速增长，最大孔隙团已完全连通三维数字CT岩芯的上、下两端，证明油页岩内部发生逾渗转变，逾渗阈值应处于8%～12%范围内。研究表明：随着温度的上升，当油页岩孔隙率低于8%时，孔隙连通团的连通性很差，相互隔离，导致流体难于渗透；而当孔隙率高于12%时，孔隙连通团的连通性很好，渗流通道变得十分通畅，更易于油气的产出和高温流体的注入。该较低的逾渗阈值范围大大降低了油页岩开发、利用的难度，为实现大规模油页岩原位注热开发提供有力的技术支撑。

模型试验中材料变形破坏的时间相似问题1843-1851

摘要：模型试验是岩石力学与工程的主要研究方法之一。随着地下工程埋深的逐步增大，岩石在变形破坏过程中表现出了显著的时间效应。如何模拟随时间发展的岩石变形破坏过程是一个关键但未得到充分研究的科学问题。将模型试验中的时间相似问题根据复杂程度和过程特点分为几组，基于相似理论，分别推导运动学/动力学问题、波传播问题、蠕变问题（基于不同模型）、与时间相关的破坏问题中的时间相似关系，给出不同时效变形破坏过程的相似关系表达式。理论分析发现，目前地质力学模型试验中普遍采用的时间相似关系仅适用于弹塑性的运动学或动力学问题，在研究其他时间相关的变形破坏问题时，应根据时间在物理过程中所起的作用和采用的分析模型选择适用的时间相似系数。讨论深部岩体初始应变状态的模拟问题及岩体的时效破坏问题。所推导的不同物理过程中的时间相似系数可为深部岩体相关地质力学模型试验提供理论参考。

基于流态转换理论巷道前伏溶洞突水的流固耦合-强度折减法分析1852-1862

摘要：引入承压溶洞突水的管道流折算渗透系数，构建耦合非线性渗流-管道流于一体的承压溶洞突水全过程分析模型，在此基础上建立巷道前伏溶洞突水过程的流固耦合-强度折减法联动分析方法，研究承压溶洞突水全过程的流态转换机制。以七一煤矿石坝井承压溶洞突水事故为例，探讨防水岩柱的力学失稳机制和突水演化过程。研究表明：防水岩柱失稳前岩溶水非线性渗流，随着岩柱折减系数的增加，工作面渗水量增大，防水岩柱失稳后，溶洞水体突出，涌入巷道形成管道流。采用管道流模拟得到突水量在较短时间内达到峰值，由于溶洞水体储量供给约束，突水量逐渐减少，由突水初期的粗糙紊流最终变为管道层流。引入防水岩柱安全系数的概念，研究防水岩柱安全系数与溶洞内压、岩柱厚度的关系，将安全系数为1.5的岩柱厚度作为防水岩柱的计算安全厚度，提出防水岩柱工程留设厚度等于炮眼深度、爆破扰动深度和防水岩柱计算安全厚度之和的设计方法。将岩体流-固耦合理论、流态转换理论和强度折减法结合起来研究承压溶洞突水的非线性力学响应，为研究承压溶洞突水全过程提供了一种新的研究方法。

大同矿区特厚煤层综放回采巷道强矿压显现机制及控制技术1863-1872

摘要：为保证大同矿区特厚煤层开采过程中临空巷道超前支护段的稳定性与可用性，采用理论分析与现场实测相结合的方法，得到巷道超前支护段的强矿压显现机制。研究表明：侏罗系煤层采空区区段煤柱应力集中影响区深度仅50～70 m，不足以影响石炭系工作面回采巷道的强矿压显现；石炭系工作面临空巷超前支护段的强矿压显现，主要受工作面采动超前支承压力及相邻工作面采空区悬顶的双向高支承压力的影响，且当工作面过上覆煤层采空区边界煤柱后，侏罗系煤层顶板大结构被重新激活，再次运动失稳，加剧了临空巷道的强矿压显现。提出并实施巷道顶板水压致裂有效控制技术，对同忻矿8105工作面5105临空巷实施定向高压水力致裂，实现巷道围岩高应力的转移，大大降低了临空巷超前支护段的强矿压显现强度，取得良好的临空巷卸压效果，保证了特厚煤层综放工作面的正常生产。

白垩系地层煤矿立井冻结壁的力学特性及温度场研究1873-1879

摘要：为解决人工冻结技术在西部井筒穿越白垩系富水地层的技术难题，以甘肃新庄矿风立井冻结工程为背景，通过室内物理力学试验、现场实测及有限元数值模拟，对冻结状态下白垩系地层岩石的热物性及力学特性进行研究，探讨凿井期冻结壁的受力机制，重点分析白垩系冻结壁的冻结压力变化规律和成因，对比测温孔与冻结壁径向温度的实测与模拟结果，拟合得出冻结壁受混凝土水化热的影响范围为440～480 mm。研究结果为丰富我国岩石力学的基础理论研究起到积极作用，也可对西部冻结法凿井的优化设计和安全稳定性研究提供依据。

赣龙铁路梅花山隧道围岩应力及岩体模量研究1880-1886

摘要：基于赣龙铁路梅花山隧道围岩应力以及围岩岩体模量实测结果，对隧道围岩应力分布特征、围岩模量的分布特征、围岩应力集中区向深部转移特性以及开挖方式对围岩松弛区影响进行分析。研究结果表明：（1）梅花山隧道是以构造应力为主的高地应力区；（2）围岩的应力集中区向深部发生了转移，水平孔应力集中区范围为5.9～11.9 m，铅直孔应力集中区范围为7.9～15.9 m。围岩应力集中区向深部转移后，其应力集中度大为降低，水平孔最大主应力集中度为1.87倍，铅直孔最大主应力集中度为1.23倍。（3）采用光面爆破隧道壁松弛范围为0～5 m，底板没有采用光面爆破松弛范围为0.0～7.2 m。松弛区相同深度水平孔岩体模量值及应力值均比铅直孔岩体模量值及应力值大。应力峰值的转移，改变了围岩应力场分布规律，为隧道支护提供一种思路和方法，具有很好的工程应用价值。

三峡库区典型岩溶隧道突涌水灾害防治与应用1887-1896

摘要：三峡翻坝高速公路沿线水文地质条件极其复杂，岩溶不良地质十分发育，隧道施工突涌水风险极高。为控制突涌水风险，经过大量工程实践，依托三峡翻坝高速公路，提出一套高风险岩溶隧道突涌水防治体系。首先，通过岩溶水文地质调查方法，分析地层岩性、地形、地貌等信息，揭示区域岩溶发育特征和补排通道，并对降雨量、水流流量等数据进行长期观测，确定区域岩溶水的补径排特点；然后，通过分析突水风险孕险环境与致险因子，结合施工工程动态信息，对隧道突水进行动态风险评估，提出并成功实施一种基于隧道施工风险评估的超前地质预报体系；最后，根据综合超前地质预报结果，对突水治理方案进行动态优化设计，确定治理区段与治理方案，并在施工过程中进行开挖、支护和注浆的质量控制。经三峡翻坝高速典型岩溶隧道鸡公岭隧道的应用证明，该体系可有效规避大型突涌水等地质灾害，可为三峡库区和清江流域内其他工程所借鉴，具有广泛的应用前景和工程实用价值。

热损伤砂岩力学与超声时频特性研究1897-1904

摘要：岩石经历高温作用后会产生不同程度的热损伤。通过单轴压缩试验，对经历25℃，100℃，200℃，400℃，600℃，800℃，1000℃高温作用后的砂岩试样力学特性进行分析；通过超声纵波试验，基于小波变换方法，在时域和频域对其超声特性进行研究。提出频谱峰度（KFS）的概念，用以描述超声信号频率分布的杂乱/集中程度。研究发现：随着作用温度的升高，砂岩试样表面色调变暖，纵波波速显著降低，波形趋于紊乱，峰值应变增大，峰值应力、弹性模量变化呈现出非线性特征。在频域对超声信号进行分析发现，砂岩试样接收谱形心频率和频谱峰度随温度的变化呈非单调性，其与峰值应力、弹性模量的变化规律有较强的一致性。砂岩是一种典型的矿物胶结岩，矿物颗粒和胶结物在高温作用下产生不同变化，并对砂岩的各项特性产生不同影响。以宏观的声学力学特征变化探究不同等级高温作用后砂岩的热损伤，研究结果对高温环境岩石工程具有一定的指导意义。

动力扰动下预静载硬岩断裂的增韧和减韧效应1905-1915

摘要：为了研究预静载条件下硬岩受动力扰动的断裂特性变化规律，采用大理岩制作中心直裂纹半圆盘（semicircular bend，SCB）三点弯曲试样，在MTS Landmark电液伺服试验机上，进行预静载下的循环加卸载和不同扰动频率的岩石断裂韧度测试试验，发现硬岩断裂的增韧和减韧效应。在获得岩石静载断裂载荷的基础上，设定预静载上限为常规静载断裂载荷值的90%，首先进行循环加卸载试验，循环加载次数分别为5，10，20，40，80，100和167次；然后进行不同扰动频率下预静载岩石的断裂韧度测试试验，采用半正弦波动力扰动加载方式，波动幅值为10%静载断裂载荷值，加载频率分别为1，10，20和30 Hz。研究结果发现：（1）随着循环次数的增加， SCB试样断裂韧度显著增加（循环40次为最高点，增加幅度为常规断裂韧度的19%），然后逐渐减小并收敛于定值（大约循环80次数后趋于收敛，最后的增加幅度为常规断裂韧度的11%），整体趋势具有增韧效应；（2）在动力扰动条件下，岩石断裂韧度值较常规条件下有较大幅度减小（1 Hz频率下减小幅度为常规断裂韧度的9%），并且随着扰动频率的增加，岩石断裂韧度呈线性减小的趋势，整体趋势具有减韧效应。因此，在预静载为常规静载断裂载荷值90%条件下，循环加卸载只会增加岩石的断裂难度，高频扰动却有利于岩石的断裂破坏。上述研究规律为深部硬岩非爆破连续开采提供了一定的理论启示。针对深部高应力硬岩，采用诱导方式适当增加应力集中程度使围岩进入临界破坏阶段，进而开发具有高频振动加载的破岩机械进行采掘，可以在一定程度上提高高应力围岩的破岩效率。

基于应力松弛试验的结构面长期强度确定方法1916-1924

摘要：为研究结构面的剪切应力松弛特性及应力松弛与长期强度之间的关系，选取Barton标准剖面线中的第4，6和10条作为人工模拟结构面的表面形态，并用水泥砂浆浇筑成试样，在岩石双轴流变仪上进行试验值大于剪切长期强度的循环加载剪切应力松弛试验。基于试验结果，分析结构面在剪切作用下的应力松弛速率特性，以及不同应力水平作用下的结构面应力松弛特性及循环加载条件下的结构面应力松弛特性；讨论蠕变和应力松弛之间的联系，提出通过应力松弛试验对长期强度的求解方法。该研究成果对应力松弛的认识及长期强度的试验确定方法均是一次有意义的探索，可为工程实践提供指导。

岩石中爆炸成坑效应的模型试验方法及对比分析1925-1931

摘要：基于相似理论，推得爆炸成坑相似规律，建立爆破漏斗坑因变量与自变量之间的量纲一化的方程。阐述离心机试验系统和真空室试验系统模拟岩石中爆炸成坑的试验原理，通过参数敏感性分析，揭示2种试验系统各自的特点。离心机模型试验系统中吊篮尺寸与比例埋深、模型装药量成正比；离心加速度与原型装药量、模型装药量成正比；对模型材料、外部气压环境、爆源无特殊要求；因而离心机模型试验系统模拟小当量、浅埋深的爆炸试验具有明显的优势，不能用于模拟大规模的爆炸试验。真空室模型试验方法具有可控性强、无需提供额外加速度和适用范围广的特点，模拟大规模爆炸成坑现象时具有明显的优势；但其物理模型不包括岩石在爆炸作用下的动力破碎过程，不能模拟爆炸空腔形成过程和地冲击效应。