当前岩石力学研究中若干关键问题的思考与认识
摘要：本文对当前岩石力学发展中的若干关键问题提出自己的看法和建议。其中,首先涉及到高地应力对软弱围岩稳定性和硬质围岩的稳定性问题。第二方面涉及节理裂隙岩体和某些非线性软弱围岩及支护的研究。这其中涉及到复杂岩体的破裂机制和施工过程的影响。第三方面对模型试验方法的作用做了论述,并建议应着重在数值分析效果不佳的问题上采用模型试验。第四方面对于数值分析方法存在的问题做了评述,指出它们分别适用的条件、存在的问题和可能解决的途径。特别指出当前非连续介质分析法不能解算大工程问题的解决思路,还对复杂岩体的本构关系、今后研究的思路提出建议。最后对其他几个热点和难点问题谈了认识和建议,包括工程岩体稳定性的判据、应发展非确定性方法作为围岩稳定性判据,及用非连续分析法分析节理岩体进行真正裂隙网络固流耦合模型的渗流问题研究等。深部岩体非线性力学能量作用原理与应用
摘要：以物体高速撞击局部效应与冲击能量因子密切关系为启迪,首次提出深地下围岩"一高二扰动"等效平均振动能量原理及其表达式,根据深部岩体准共振和摆型波现象出现的量纲一能量条件,深入阐释该条件的物理基础并定义之为地冲击能量因子。论文推导了深部围岩岩爆、分区破裂时空构造与地冲击能量因子的关系;根据地冲击能量因子发生动力灾变的阈值,结合地下大规模爆炸地冲击运动的传播规律,界定了防护工程安全埋置深度。研究表明:地冲击能量因子为探明深部岩体力学复杂静动力学现象与工程响应关键机制开辟了新的研究途径。岩土锚固工程的若干力学概念问题
摘要：我国当前某些岩土锚固工程存在力学概念模糊、设计施工方法不当,导致锚杆失效、工程失稳现象频频出现,工程坍塌破坏等事故也时有发生。通过对岩土锚固的典型工程及事故工程调查、理论分析和试验研究,研究显著影响锚固工程的稳定性与健康发展的若干力学概念问题,旨在为提高锚固工程的设计施工水平,改善锚固工程的安全性与经济性提供依据。主要研究结果为:(1)预应力锚杆(索)具有提供主动抗力、能将结构的拉力传至深部稳定地层等力学特征,凡抵抗倾倒、竖向位移、沿基础底面、地层剪切面破坏和洞室坍塌的结构锚固均应采用此类锚杆。(2)适应张拉控制应力要求的锚杆筋体截面,足够的自由段长度和能充分调动地层抗剪强度的锚固体形式是提高锚杆受拉承载力的基本要素。(3)压力分散型锚固体系显著改善了锚杆的荷载传递机制与防腐保护性能,具有良好的力学与化学稳定性。(4)施锚时机滞后是影响锚固工程稳定性的主要因素之一。及时施作低预应力(张拉)锚杆和发展预制的钢筋混凝土块件作锚杆的传力结构,可有效控制和避免施锚时机滞后现象。(5)为改善高应力低强度岩层中的大型洞室的稳定性,应全面采用低预应力锚杆作初期支护,严格控制高预应力锚杆施作滞后,提高锚杆拉力设计值与初始预应力值和加强围岩变形–锚杆抗力(刚度)相互作用失衡的调控力度。南海海滩岩的细观结构及其基本物理力学性质研究
摘要：海滩岩为热带、亚热带地区砂质海滩上由碳酸钙胶结潮间带沉积物形成的一种海滩相沉积岩,为海滩相常温常压胶结成因的岩石,其广泛分布于我国南海的珊瑚岛礁及沿岸地带,对其岩土工程性质的研究必将对我国海洋权益的保护及国防建设有重大的理论意义。本文首次对取自南海不同岛礁及沿岸的海滩岩样,采用宏微观相结合的研究手段,力图找到控制海滩岩强度的主要参数,为进一步开展海滩岩的深入研究提供理论支持。研究结果表明,海滩岩具有低密度、高孔隙率,因而具有较大的渗透性;其胶结度介于弱胶结至中等胶结之间,风干状态下的单轴抗压强度为2.02~19.39 MPa,饱和会使海滩岩的强度有不同程度的降低,软化系数(Kd)达到0.45~0.96,一般情况下,胶结度越低,软化系数越小。海滩岩的抗拉强度为0.64~2.52 MPa,风干状态下抗压强度与抗拉强度之比为3.08~9.14,该值小于常规陆源岩石8~12的统计值,该值可以作为不同成岩方式的表征参数。物理与力学参数间的相关关系分析表明,密度和胶结度是控制海滩岩强度的主要参数,单轴抗压强度随着密度及胶结度的增加而明显升高;孔隙率及颗粒粒径对单轴抗压强度的影响不明显。常规三轴压缩下花岗岩声发射特征及其主破裂前兆信息研究
摘要：通过岩石力学室内加载试验,对花岗岩在不同围压下的破坏全过程进行声发射试验,得到岩石破裂全过程中的力学参数和声发射低频、高频信号特征,研究低频、高频声发射信号的振铃计数、能量累计数与岩石应力、时间之间的关系,探求声发射信号峰值频率在岩石主破裂前期的分布情况。研究结果表明:低频与高频通道接收的声发射信号基本特征——振铃计数、能量累计数在岩石破裂过程中的整体变化趋势基本相同,与岩石力学过程形成良好的对应;两通道的信号基本特征主要区别在于数值大小。在声发射频谱特征方面,岩石破裂的前兆信息在声发射信号峰值频率分布中呈现为峰频主频段增多的特征,表现为信号峰频分布由岩石加载初期的1~2个主频段(40~50和150~170 k Hz频段)在岩石临界主破裂时增多到最多5个主频段(25~30,40~50,60~70,90~100和150~160 k Hz频段)。饱水过程中类岩石材料波速和电阻率变化规律及其相互关系试验研究
摘要：研究饱水过程中岩石波速和电阻率变化规律及其相互关系,对实际工程中岩石物性判断和地球物理探测资料综合分析解释具有重要意义。为防止原岩试样的矿物组成、原生裂隙等其他因素对试验结果的影响,采用水泥砂浆制作30组孔隙率不同的类岩石材料试样,系统测试饱水过程中不同试样的波速和电阻率变化情况,分别揭示波速和电阻率随饱和度、孔隙率的变化规律。采用常用的基于Wood理论假设的Gassmann方程得到波速与饱和度、孔隙率的理论关系,但与试验实测结果相比,该理论关系不能较好地描述饱水达到门槛值之后波速快速上升的特征。对此,考虑重力等影响对试样中孔隙水的分布状态做出合理假设,修正饱水全过程中波速与饱和度、孔隙率的关系式,与试验实测数据变化特征较一致。同时采用Archie的非饱和岩石电阻率模型公式对电阻率随饱和度和孔隙率变化规律进行了较好拟合。在此基础上,针对以往波速与电阻率关系研究中仅以孔隙率为纽带的问题,综合考虑孔隙率和饱水状态对波速–电阻率变化规律的影响,建立以试样孔隙率和饱水状态为桥梁的波速–电阻率关系,与试验实测数据拟合较好,并通过石灰岩原岩试样测试验证其合理性。深埋硬岩隧洞岩爆的结构面作用机制分析
摘要：岩爆是深埋硬岩隧洞开挖过程中常遇到的动力地质灾害,从锦屏二级水电站深埋隧洞施工中发现结构面对岩爆具有重要控制作用。在总结国内外结构面型岩爆研究现状、列举典型结构面型岩爆案例的基础上,分析不同结构面类型、产状、不同生产环境、施工方法等条件下结构面对岩爆的作用机制;提出依据不同作用机制的结构面型岩爆分类方法。分析认为:结构面型岩爆可分为滑移型、剪切破裂型和张拉板裂型;边墙竖直产状的结构面易使围岩压制拉裂而诱发张拉板裂型岩爆,倾斜产状的结构面则会诱发滑移型或剪切破裂型岩爆;未揭露的倾斜产状的结构面诱发的剪切破裂型岩爆强度可能要大于相同条件下揭露出的结构面诱发的滑移型岩爆;采矿工程中容易发生大尺度的滑移型岩爆,而水电交通隧洞更容易发生小尺度的滑移型岩爆,且结构面控制爆坑深度和边界;对剪破坏主导的结构面型岩爆,结构面的力学性质、强度特征因控制所诱发岩爆的能量来源,因而影响岩爆的强度等级。研究成果将对深埋硬岩隧洞结构面型岩爆的发生机制、控制方法等具有一定指导意义。锦屏二级水电站引水隧洞TBM开挖方案对岩爆风险影响研究
摘要：为了提高施工效率,降低现场施工人员和设备的风险,锦屏二级水电站1#,3#引水隧洞采用大断面TBM进行施工。超大埋深TBM全断面施工,对于等级较强的岩爆,仍然可能会给TBM设备带来一定伤害。为此,通过微震实时监测和数值分析等手段,开展TBM施工速度、导洞施工等TBM开挖方案对岩爆风险的影响研究。结果表明,降低TBM施工速率,有利于降低岩爆发生的风险;导洞施工+TBM联合施工对于极强岩爆风险的防范是十分有利的。研究成果可为TBM安全快速掘进提供重要的参考价值,也将为其他工程提供借鉴,具有重要的工程价值。猴子岩水电站深埋地下厂房开挖损伤区特征分析
摘要：以猴子岩水电站地下厂房为研究对象,利用常规测试和微震监测技术,对开挖过程中厂房高边墙围岩损伤区进行现场原位试验。基于一系列常规测试和微震监测结果分析,揭示了围岩变形破坏特征,得到厂房开挖卸荷过程围岩裂隙的萌生、发育和扩展的演化过程,分析围岩开挖损伤区范围、裂隙演化与施工动态之间的相互关系,探讨开挖损伤区的形成和演化机制。研究结果为猴子岩水电站地下厂房开挖、支护设计、围岩变形特性和地质资料分析提供了参考依据。相关研究工作作为地下厂房开挖、支护参数设计的重要依据,取得了较好的经济效益,对类似地下工程的设计施工有一定的参考价值和借鉴意义。考虑卸荷效应的岩质边坡断裂损伤模型及应用
摘要：岩质边坡在开挖过程中会引起内部的缺陷不断劣化,以致在部分区域形成贯通,进而发展成宏观裂缝导致边坡失稳。将边坡的开挖过程等效为在开挖面施加等效荷载并逐渐减小至0的过程。在此等效开挖的过程中,坡面一定范围内的裂隙会处于拉剪应力状态,以连续介质力学为基础,结合损伤力学以及断裂力学,推导出裂隙在受拉剪应力状态下的损伤演化本构模型。利用宏观的体积模量反映岩体的损伤程度,并定义破坏度用以表征实际岩体内部的破坏情况,在FLAC3D中开发并实现裂隙岩体卸荷损伤模型的计算。以广西凤山石灰岩建材矿山为例,计算并分析考虑及不考虑卸荷损伤2种工况的位移值及塑性区,证明该模型的正确性以及能更准确地反映坡体内部的真实情况。对比分析开挖卸荷后岩体的损伤度及破坏度后发现,以破坏度反应岩体的损伤情况,可以更加直观和准确地确定岩体的稳定状态。单轴压缩下基于全局应变场分析的岩石裂纹扩展及其损伤演化特性研究
摘要：采用自主开发的图像分析软件结合数字图像相关技术对含预制单裂纹的类岩石材料在单轴压缩下的变形破坏特性进行试验研究。基于试件全局应变场角度,从细观层次量化分析、总结裂纹起裂、扩展的规律及岩石变形损伤演化特征。并采用断裂分析软件FRANC2D/L对相似模型进行数值模拟,分析在加载全程不同阶段的裂纹扩展路径及其应力场分布特征。结合试验与数值研究结果,细致地探讨裂隙岩石的细观力学机制与宏观力学响应之间的内在联系,该研究有助于提升人们对节理岩体工程灾变机制的认识。单轴受压煤岩声发射特征的层理效应试验研究
摘要：层理对煤岩体宏、细观力学性质都有重要影响。为探究不同层理方向煤岩体的损伤演化规律及变形破坏中的声发射特征,分轴向平行层理和轴向垂直层理2种情况进行煤岩制样,采用MTS815岩石力学试验系统和PAC声发射仪,开展单轴加载条件下破坏全过程的声发射(AE)试验研究,揭示煤岩AE时序参数、能量释放规律、空间演化特征和AE振幅分布的层理效应。研究表明:相对于轴向垂直层理煤岩,轴向平行层理煤岩在整个受力过程中AE振铃计数和能量释放更强,但单位时间的AE振铃数和能量释放更平缓,轴向垂直层理煤岩呈现急剧猛烈的能量释放特征;轴向平行层理煤岩中,一定规模的AE事件在更低应力水平就会产生,其AE空间分布更加均匀,无轴向垂直层理煤岩的成核现象;在变形破坏全过程中,轴向平行层理煤岩AE振幅分布变化幅度较小,其b值更大,大尺度AE事件比例更低。研究成果在一定程度上反映了煤矿开采过程中工作面和上覆煤岩的层理方向对其声发射特征的影响,可对现场声发射监测围岩破坏情况提供借鉴和参考。几种典型变质岩的冲击断裂焦散线实验探讨
摘要：采用落锤冲击加载反射式焦散线实验系统,对经过镜面移植工艺加工的几种典型的天然变质岩(汉白玉、大理岩和板岩)和类岩石(人造石和水泥石)试件进行冲击断裂实验,得到类岩石材料的裂纹尖端焦散斑,但没有得到天然岩石材料的焦散斑。进而对未经镜面移植工艺加工的试件进行落锤冲击断裂的高速摄影实验,发现天然变质岩试件冲击断裂过程中,试件表面首先出现"白带纹",与类岩石试件存在明显差异。通过对2种实验中裂纹出现时间和传播速度的对比分析,发现采用反射式焦散线实验无法记录下经镜面移植工艺处理的天然变质岩试件中微裂纹的发育和部分扩展过程,移植的镜面掩盖了天然岩石试件断裂过程中微裂纹的发育和扩展现象,导致天然变质岩石的焦散线实验难以成功。超临界二氧化碳射流冲蚀页岩试验研究
摘要：超临界二氧化碳射流破碎页岩是一种极具前景的页岩气钻采方法。选取渝东南露头龙马溪组页岩,基于超临界二氧化碳射流破岩试验平台,开展不同冲击压力的超临界二氧化碳射流冲蚀页岩试验;采用CT、SEM/EDX、XRD、XRF等技术研究冲蚀前后页岩试样的变化规律。研究表明:(1)所选页岩具有低孔、高黏土含量和层理平行发育等特性;(2)超临界二氧化碳射流冲蚀后,页岩端面呈网格化破碎,整体呈大体积层状破碎;(3)超临界二氧化碳对页岩矿物具有腐蚀作用,导致页岩微观结构发生改变,降低了页岩的物理力学特性,有助于射流破岩。采动效应微震特征及其变化规律
摘要：依据采动应力是煤与瓦斯突出的外在动力,构建煤巷采动微震监测系统,分析煤壁崩落过程及其诱因,研究顶板、煤壁破裂微震动态响应特征,了解采动应力显现、调整变化规律。优选小波基函数,按照频率顺序将半小时内396次采动效应触发的微震事件进行小波包4层分解、重构;根据采动顺序和信号优势频带,将采动微震响应信号划分为爆破、煤壁崩落、顶板和煤壁破裂4类信号,采用归一化频带能量分析顶板、煤壁破裂事件的变化趋势。爆破冲击和顶板压力导致煤壁崩落,顶板压力还会导致煤壁破裂,顶板和煤壁破裂是煤巷采动应力的具体显现。顶板压力初期显现剧烈,爆破结束1.6 s内煤壁发生5次崩落,1.933 s时达到峰值、24.89 min趋于稳定;顶板破裂事件主要集中在初期2 min内,相应的事件率为76.2%。煤壁压力滞后顶板压力5.8 s后显现,3.71 min后达到峰值、29.217 min稳定;煤壁破裂事件主要集中在初期5 min内,相应的事件率为45.9%。顶板、煤壁破裂事件及其优势频带能量变化趋势揭示采动应力转移、调整过程,采动效应稳定与否可用于煤与瓦斯突出预警,并值得进一步深入研究。全长黏结螺纹玻璃纤维增强聚合物抗浮锚杆蠕变试验研究
摘要：通过4根全长黏结螺纹玻璃纤维增强聚合物(GFRP)抗浮锚杆在长期荷载作用下的拉拔蠕变试验,研究GFRP抗浮锚杆抗拔的蠕变力学模型,计算出模型中的蠕变参数并对模型的正确性进行验证。另外,引入时间损伤效应的概念,结合蠕变力学模型推导出GFRP抗浮锚杆的长期抗拔力。结果表明,中风化花岗岩中GFRP抗浮锚杆在40%的极限荷载下才发生蠕变,GFRP锚杆在低荷载水平下蠕变性能优良,能够满足工程需要;Burgers力学模型能够很好地描述GFRP抗浮锚杆的蠕变规律,模型预测结果与试验结果具有较好的吻合程度,且随着拉拔荷载的增大,模型中的各力学参数均逐渐减小;建立的蠕变损伤模型用于预测GFRP抗浮锚杆的长期抗拔力具有较好的适用性。冻结器传热的冷源相似准则
摘要：为解决冻结法模型试验中冻结管作为冷源的相似转换问题,将管内流动盐水和管壁的换热过程按对流边界条件处理,根据相似模拟理论推导出原型和模型之间的相似判据。理论分析结果表明:要满足冻结器原型与模型传热过程的相似性,模型中对流换热系数相似比与几何相似比的乘积应等于冻土的导热系数相似比。试验测试-30℃盐水(雷诺数为533~2 143)强迫对流换热的特征关联式系数。相似模型试验结果表明:当冻结管内盐水为层流状态时,在进行冻结法相似模型试验时除了要对盐水的温度进行设定外,还应按照冷源相似准则对模型冻结器中盐水的流量进行设定。如果盐水流量高于(或低于)该设定值,则模型的温度场将产生偏差。集约式微型桩群水平承载性能试验研究
摘要：对矩形布置的集约式微型桩群支护体系采用分级加载的方法,进行水平荷载原型试验及数值计算,研究滑坡推力作用下集约式微型桩群抗滑作用机制,并分析桩间土体参数、桩身强度、桩排间距等设计参数变化对桩群水平承载性能影响的敏感程度。结果表明:在滑体介质为粉质黏土的地层中,当滑坡推力超过某一定值时前排桩才会发挥支挡作用,桩群前方土压力峰值的位置深于桩群内部,微型桩群与土体水平荷载分担比约为7∶3;控制最佳排间距,相比优化其他设计参数对提高集约式微型桩群水平承载力、减小桩顶位移效果明显。试验成果为深入分析集约式微型桩群的抗滑机制和优化工程设计提供了参考。
