岩石力学与工程学报杂志 北大期刊 CSCD期刊 统计源期刊

岩石力学与工程学报 2016年第12期杂志 文档列表

边坡潜在滑动面模拟方法研究2377-2387

摘要：潜在滑动面的确定和模拟是研究边坡稳定性的关键问题，滑动面的确定受多种因素的影响，较为均质的土质边坡可通过理论方法直接确定，非均质的岩质边坡均需通过多种手段和途径综合确定。目前常用的模拟滑动面模型有：无滑动面模型、薄层实体单元模型、界面单元模型。通过深入剖析各种方法的优缺点，指出无滑动面方法不能反应滑体滑动机制和失稳过程；薄层实体单元相当于用连续变形的岩体单元来模拟发生不连续变形的结构面；Goodman节理单元的法向刚度K与切向刚度怒很难确定，且易发生单元嵌入现象；Katona内界面单元或摩擦一接触型界面单元则不需要确定节理、断层的‰，整，直接采用它们的黏聚力和内摩擦角，通过接触面两侧的模量变化来反映％和眨的影响，而且可以很好地模拟接触面的滑动、张开与闭合等状态。最后借助经典工程实例对推荐的摩擦一接触型界面单元进行验证。结果表明：采用摩擦一接触型界面单元模拟滑动面的分析结果与工程实际情况吻合较好，符合边坡变形规律和工程经验，特别是结构面的模拟较为真实地反应了实际边坡工程的问题。

砂岩力学特性及其改进Duncan-Chang模型2388-2397

摘要：为了研究砂岩的力学特性，对砂岩试件开展了不同围压下的常规三轴压缩试验。试验结果显示，随围压增加，砂岩峰值应力、峰值点应变及残余强度均逐渐增大；当围压低于15Mea时，砂岩弹性模量随围压增加也逐渐增大，但增大幅度逐渐降低；当围压在15MPa以上时，其弹性模量则与围压无关。为了描述砂岩破坏过程的应力一应变响应，提出一种改进的Duncan-Chang模型，并根据岩石应力一应变曲线峰值点处斜率为0的特点给出模型参数的确定方法。利用砂岩三轴压缩试验结果对模型合理性进行验证。预测曲线和试验结果对比显示，该模型能够准确描述砂岩应变软化特性和不同围压下砂岩破坏过程中除初始压密阶段以外的其余4个阶段，特别是能够反映砂岩破坏后的残余强度。对模型特性的进一步分析表明，除应变软化特性外，该模型还可模拟岩石在高围压下的应变硬化行为，具有较强的适应性。

采场覆岩的“载荷三带”结构模型及其在防冲领域的应用2398-2408

摘要：决定采场冲击地压的基础应力主要是重力和构造应力，诱发冲击的力源主要是采场上覆岩层结构运动产生的应力，而上覆岩层多变的结构形式和运动规律是导致冲击地压机制复杂、冲击形式各异的主要原因。通过研究采场边界条件与覆岩结构的关系，以矿山压力和岩层控制理论为基础，提出了影响采场冲击地压应力场的“载荷三带”岩层结构模型，并阐述了“载荷三带”对工作面侧向及走向支承压力的影响。基于“载荷三带”模型，研究了采场冲击危险性的评价、监测和防治方法。采用提出的“载荷三带”模型，能够对采场可能发生的冲击地压进行分类和危险性判定，为针对性治理冲击地压提供理论依据。

循环荷载下节理岩体边坡动力响应的试验研究2409-2416

摘要：在振动荷载的长期循环作用下，岩质边坡中的原生结构面可能扩大并产生新的破裂面，直接影响到岩质边坡的稳定性。以某节理岩体边坡为原型，根据相似理论制作模型框架并在其内建造室内节理岩体边坡模型，利用振动台对边坡模型进行振动加载，研究在振幅分别为1．0，1．25，1．5mm的振动荷载作用下节理岩体边坡的动力响应规律，对比水平方向和竖直方向振幅都为1．5mm时边坡模型的变形差异。循环加载试验表明，在振动荷载作用下，边坡变形随振动荷载振幅、振动时间的增大而增大；边坡模型对于竖向的振动荷载更加敏感；边坡模型在受到振动荷载作用时，项部的变形大于底部的变形；长期的振动荷载作用会导致原生裂隙延伸、扩张、贯通，引起边坡变形增大；根据变形情况提出边坡在振动荷载作用下的变形过程及变形导致的整体性滑坡和局部滑塌2种可能的破坏模式。研究结果对节理岩体边坡在循环荷载作用下的动力响应、疲劳劣化机制和边坡工程的长期安全性等理论研究和工程应用具有参考意义。

冻融循环过程中岩石热传导规律试验及理论分析2417-2425

摘要：为研究岩石在低温环境下内部温度场随冻结、融化过程变化特征，探讨岩石在冻融循环过程中整体热传导规律。现开展干燥、饱水状态下类砂岩试样冻融循环室内试验，分析类砂岩试样在冻结、融化过程中内部非等温传递规律；结合试验现象，从水冰微观结构探讨水冰相变过程产生的热传导弛豫机制：最后，基于热传导理论，详细探讨冻融循环干燥、饱水状态下岩石热传导方程，给出饱水岩石三阶段温度分布理论解，并通过与试验对比，验证理论分析的合理性。研究结果表明：（1）冻融循环过程中干燥状态下的类砂岩试样，其温变曲线大体呈现负指数曲线特征，且越靠近边界面，温变速率越大，同时相对冻结过程，融化升温过程速率更快：（2）冻融循环过程中饱水状态下的类砂岩试样，其温变曲线呈现明显的三区段过程，在水冰相变过程产生典型的缓温变段，且相对干燥状态，其温变速率均出现一定程度降低；（3）利用水分子相变过程中微观结构变化，可较好地解释水冰相变过程造成的热传导弛豫现象；（4）给出了干燥、饱水状态下岩石热传导方程，并借此探讨了饱水状态下固相、液相及相变区温度理论解，通过与室内试验对比，验证了理论分析公式的合理性。研究对认识冻融环境下岩石内部温度场演化规律具有一定参考价值。

高温影响下花岗岩孔径分布的分形结构及模型2426-2438

摘要：温度是影响岩石物理性质的重要因素，为了探究温度对岩石孔径分布的影响规律，利用压汞法测试25℃～1200℃高温热处理后花岗岩样品的孔隙特征，并研究了不同高温影响下岩石孔隙的分形结构和孔隙率演化模型。结果表明：（1）随着温度的升高，岩石孔隙率呈指数增加，500℃～800℃是岩石孔隙结构变化的阈值温度区间，500℃之前孔隙率增长较缓慢，增长幅度约50％，之后孔隙率大幅增加3～5倍；（2）温度升高所导致的岩石新孔隙以孔径1～10μm的中孔为主，低于500℃时中孔占15％左右，而后稳步上升，800℃时大幅增加至28．24％，1000℃以后又增至40％以上，体积增长了11．8倍，这将导致岩石防渗阻渗能力大大减弱；（3）各温度下岩石孔隙分布均具有良好的统计分形特性，孔隙分形维数在2．99～3．00范围，随温度升高，分形维数降低，且温度越高，降低幅度越大，表明孔隙均匀性增加；（4）基于理想Menger海绵的Friesen模型预测各孔径下累计孔隙率演化误差较大，而张季如和陶高梁模型对不同高温岩石孔径分布具有良好的预测精度。研究结果将为高放核废料深层地下存储、地热开发等高温岩石工程设计及施工提供科学依据。

地下厂房岩锚吊车梁长锚杆作用机制研究及数值模拟分析2439-2451

摘要：地下厂房岩锚吊车梁部位倾斜布置的长锚杆是吊车梁与岩体相互传力的重要纽带。根据长锚杆周围介质的差异将单根锚杆分为梁体段、围岩段2个部分，基于中性点理论及锚杆拉拔作用特性，研究了长锚杆、梁体混凝土和围岩三者在梁体自重荷载、岩体开挖释放荷载以及吊车轮压荷载下的联合受力机制，并建立了包含沥青介质在内的锚固体力学模型，提出了一种适用于岩锚梁稳定分析的长锚杆受力计算方法。最后采用三维弹塑性非线性有限元法，结合锚杆受力算法，以某水电站地下厂房为背景，对吊车梁施工与运行期全过程进行了数值模拟分析。工程实例计算结果能够较为合理地反映长锚杆的受力特性，锚杆受力数值结果与监测值有较好的吻合度。

岩土参数最优概率分布推断方法及判别准则的研究2452-2460

摘要：为了获得岩土参数概率分布的最佳推断方法，首先考虑岩土参数均为非负值的特性，提出以“3σ”准则为基础并考虑样本数据偏度进行调整的积分区间确定方法；以5组典型岩土参数作为基本信息，利用经典分布拟合法、最大熵法、一般多项式逼近法、正交多项式逼近法和正态信息扩散法分别对其概率分布函数进行了推断，并根据K-S检验法进行检验。通过所得概率分布的检验值、累积概率值和函数曲线的对比，研究上述方法的优劣。结果表明：与经典分布拟合法相比，其他4种方法的检验值普遍较小，均克服了经典分布无法反应样本随机波动性的缺陷，并且满足累积概率值等于1的要求。但最大熵法的检验值存在大于经典分布检验值的情况，一般多项式和正交多项式方法的概率密度函数则在样本数据局部分布区间存在负值情况。正态信息扩散法不存在上述缺陷，而且该方法得到的检验值最小，累积概率值始终为1，并可以随着样本的波动呈现多峰状态，拟合精度最高，是一种比较理想的最佳推断方法。最后给出了岩土参数最优概率分布的判别准则。

溶浸-应力耦合作用下钙芒硝盐岩蠕变特性研究2461-2470

摘要：为了研究钙芒硝岩在原位溶浸开采过程中的蠕变力学特性，采用自主研发的多功能岩石力学试验机，进行了轴压5MPa、围压4MPa条件下，不同渗透压（3，2，1MPa）作用下的三轴蠕变力学试验。模拟溶浸开采生产过程，将钙芒硝蠕变过程分为溶浸连通蠕变阶段、饱水蠕变阶段、排水蠕变阶段和轴压20MPa蠕变阶段4个阶段，对比分析了上述4个阶段的钙芒硝盐岩的蠕变特性差异。研究结果表明：在溶浸连通蠕变阶段，渗透压力越大，溶解连通时间越短；反之，则时间越长。在溶浸连通蠕变阶段和饱水蠕变阶段，不断演化的矿物溶解与相对恒定的有效应力对钙芒硝盐岩的蠕变变形起主要影响；在排水蠕变阶段和轴压20MPa高压变形阶段，溶浸作用历史过程及其对钙芒硝盐岩固体骨架力学性能的弱化程度决定了钙芒硝盐岩的变形特性。曲线拟合结果表明，广义Kelvin模型能够较好地描述溶浸渗透加载作用下钙芒硝盐岩的三维压缩蠕变力学特性。该研究结果不仅揭示了钙芒硝盐岩在特殊的溶浸一应力耦合作用条件下的蠕变特性，同时，也可为钙芒硝盐矿溶浸过程中矿体稳定性分析提供一定参考依据。

拉剪作用下节理岩体锚固力学分析模型2471-2478

摘要：现有锚固理论不能反映节理岩体锚固的内在力学机制。基于节理岩体全长黏结型锚杆锚固的地质变形特征，根据加锚节理岩体超静定梁模型，将超静定梁转化为受到挤压分布力、轴力和剪切力共同作用的静定梁模型，探讨拉剪作用下节理岩体锚固的受力与变形的演化规律。基于结构力学理论，考虑锚杆横向剪切变形段荷载与变形的内在物理关系、位移相互协调关系以及由能量原理导出的平衡关系，建立拉剪作用下节理岩体锚固的力学分析模型，进一步提出拉剪荷载作用下的节理面一侧锚杆横向剪切变形段长度的计算方法。研究表明，加锚节理岩体受锚杆轴向拉力和销钉效应共同作用，节理面处锚杆轴力和剪力呈抛物线耦合关系；锚固角越大，锚杆销钉效应越显著。节理面一侧锚杆横向剪切变形段的长度随锚固角的增加而增大，但锚杆抗力随锚固角的增加而降低。与试验数据的对比分析表明，理论模型的计算结果与试验结果吻合较好，验证了该模型的合理性。研究结果可为节理岩体锚固研究及工程应用提供参考。

大型多层次堆积体破坏模式及其稳定性2479-2489

摘要：边坡的破坏模式与稳定性评价是相辅相成的，稳定性评价可确定坡体的稳定性状态，而破坏模式则可有效确定坡体的加固方式。滑坡的破坏模式可分为牵引式、推移式和复合式滑坡，而不同破坏模式的滑坡体需采用不同的加固措施。在坡体当前应力状态的基础上，依据点安全系数的定义，获取潜在滑面上安全系数的分布形态，3种典型滑坡的计算结果表明：滑移面上安全系数的分布形态可很好的诠释滑坡的破坏特征及分段稳定性状态，并可据此提出有效的加固措施。最后将该方法应用在我国西部某大型堆积体中，在野外地质调查的基础上，对其工程地质结构、破坏模式及其稳定性进行了深入分析，综合评价了多层次堆积体的稳定性及破坏模式，并给出了有效的加固建议。

基于单轴压缩的岩体破坏机制细观试验研究2490-2498

摘要：岩石在荷载作用下产生宏观破坏，其断裂面的细观形态变化，可以间接地反映岩石内部损伤演化进程，并与其宏观力学状态和结构破坏特性之间存在必然联系。主要对巴西劈裂试验和剪切试验试样的断裂面进行电镜扫描，总结典型力学特征下试样断裂面的细观形貌特征，建立裂纹断裂面细观形貌与宏观力学特性匹配的判断标准。进而对含不同倾角预制单裂纹试样单轴压缩试样的破坏全断面进行细观扫描分析，采用判断标准对其细观形貌判别，得到断裂面的拉剪应力分布权重，探究断裂面拉、剪应力分布随裂纹扩展过程的变化规律。试验结果表明：全断面拉剪应力权重与预制裂纹倾角有密切关系。预制裂纹倾角小于45°时，断裂面以拉应力为主，且随着裂纹扩展拉应力权重逐渐减小，剪应力权重逐渐增大；当裂纹倾角大于45°时，其结论与前述结论相反；预制裂纹倾角为45°时，拉、剪应力共同作用产生翼裂纹及次生裂纹2种扩展方式，翼裂纹扩展由拉应力主导向剪切应力主导过渡，次生裂纹扩展过程中主导应力变化规律与之相反。

不考虑开挖扰动影响的隧道涌水量预测模型试验研究2499-2506

摘要：采用大型施工及运营期矿山法隧道渗流模型试验系统，在不同的注浆圈和初衬渗透系数下，不考虑隧道开挖的扰动影响进行涌水量预测，并以Visual-modflow软件进行数值建模分析，结果表明：两者涌水量结果和规律基本吻合，随注浆圈或初衬的渗透系数减小，其试验平均涌水量值均呈非线性下降，各工况单次试验测试值的离散性也逐渐减小，而降低注浆圈渗透系数对涌水量的影响更为明显；改变注浆圈渗透系数，各工况连续采集涌水量结果呈先减小后增大至逐渐平衡的趋势，而改变初衬渗透系数则呈现涌水量逐渐减小直至平衡的趋势；非扰动开挖使地下水向隧道内汇集，隧道周围水力坡度明显增大，等水位线分布密集，掌子面附近等水位线沿隧道开挖方向凹陷；完善的防水体系（初衬及注浆圈）对保持地下水稳定起到显著作用，可有效减弱局部水力联系，减小渗流影响范围，地下水降幅也明显减小。研究方法及成果对类似工程设计和施工具有一定的指导作用。

基于极限分析的边坡实时动态Newmark滑块位移法2507-2515

摘要：Newmark滑块位移法常被用于计算边坡的震后位移，但其计算过程所使用的均为边坡失稳瞬间状态的参数，并未考虑到滑坡体在地震时程中不断变形下滑所引起的参数变化。基于极限分析原理，考虑滑坡体下滑转角对各做功功率以及边坡几何参数的影响，推导了边坡实时屈服加速度系数、实时角加速度以及震后水平位移的计算表达式；使用Matlab编程并以地震波记录时间间隔为单位对滑坡体的动态参数进行实时更新，实现了实时动态的Newmark滑块位移法计算过程；将该方法应用于典型边坡算例中，并与传统的Newmark滑块位移法进行了对比。结果表明：边坡实时屈服加速度系数会随着滑坡体转角的增大而增大，考虑实时动态效应的边坡震后位移比不考虑的结果要小，且两者之间的差异会随着边坡整体稳定性的提高而逐渐减小。该方法弥补了传统Newmark滑块位移法应用中忽略实时动态效应的不足，其成果可为相关边坡的抗震设计与震后变形计算提供新的参考。

裂隙（孔隙）水冻结过程中岩石细观结构变化的实验研究2516-2524

摘要：研究岩石在低温冻结过程中细观结构的变化和孔隙（裂隙）水的冻结过程，对于深化认识冻结岩石的力学及损伤特性具有重要意义。通过开展不同冻结温度下岩石细观结构CT扫描实验，获得了岩样在20℃，-2℃，-5℃，-10℃，-20℃，-30℃时细观结构的CT图像。采用Canny算子对冻结岩石CT图像进行边缘检测，完成了冻结过程中岩石二维细观结构的识别。基于体视学理论，提出表征冻结岩石细观结构特征参数的计算公式，分析了孔隙（裂隙）水冻结过程中岩石细观结构的变化，实现了冻结过程中岩样不同截面裂隙（孔隙）的长度、宽度、面积及圆形度等参数变化规律的定量分析。分析结果表明：在0℃～-2℃区间，岩样扫描层面内裂隙（孔隙）的长度、宽度、面积快速增加，这一阶段为宏观裂隙中体积水结冰阶段，裂隙（孔隙）的扩张由体积膨胀机制引起；在-2℃～-5℃区间，裂隙（孔隙）的扩张速率明显降低，该阶段为细观（部分微观）裂隙（孔隙）中水的结冰过程；在-5℃-20℃区间，裂隙（孔隙）的扩张速率又开始增加，但低于0℃～-2℃区间的增加速率，该阶段为微观裂隙（孔隙）中的水向冰晶体迁移阶段，由分凝冰机制引起裂隙的扩张。

预制双裂纹板岩各向异性细观尺度实验研究2525-2533

摘要：板岩是一种非均质、连续一非连续介质，包含有微裂隙、微孔洞和微构造等，在力学、渗流、热传导等诸多方面均表现出明显的各向异性。选取锦屏水电站辅助洞泥质板岩试样，采用超薄金刚石锯片在标准岩样上预制一对三维裂纹，并应用岩土CT实验技术，开展水平和垂直层理方向加载条件下裂纹演化的细观尺度观测，分别得到了天然和预制双裂纹板岩破坏过程的细观表现特征，对比分析了水平和垂直层理方向加载条件下板岩裂纹起裂、扩展和破坏模式的不同，并对基于密度统计的岩石细观损伤变量定义方法的局限性进行了分析和讨论，为研究板岩的力学各向异性提供了新思路。

化学溶液和干湿循环作用下砂岩抗剪强度劣化试验及化学热力学分析2534-2541

摘要：为研究化学溶液和干湿循环共同作用下砂岩抗剪强度的劣化机制，在不同pH环境下，通过不同干湿循环次数后的单轴、三轴试验，计算出砂岩的黏聚力和内摩擦角，同时得到其与循环次数的关系式，进而获得砂岩在浸泡环境下抗剪强度随干湿循环次数的变化公式。根据砂岩的组成矿物及其百分含量，得到各种主要组成矿物在中性、碱性、酸性溶液中溶解的化学反应方程式，利用化学热力学的基本原理，确定各主要矿物在中性、碱性、酸性溶液浸泡下能否稳定。为了验证分析的正确性，对浸泡溶液中的部分离子（Ca^2＋，SiO2，N^＋）浓度进行测试。结果表明，酸性环境下，砂岩抗剪强度劣化最为严重，碱性次之，中性最轻。在酸性环境中，对抗剪强度影响较大的胶结物主要组成成分（长石、方解石）的性质不稳定，溶解反应能自发进行，而碱性环境中，对强度影响较小的骨料主要组成成分（石英）的性质不稳定，溶解反应能自发进行。酸性浸泡液中，方解石、钾长石、钠长石溶解出的Ca^2＋，K^＋，Na^＋的浓度明显高于中性和碱性液中Ca^2＋，Na^＋，K^＋的浓度，而碱性溶液中，石英溶解出的SiO2的浓度明显高于中性和酸性液中SiO2的浓度，与热力学分析结果一致。

地下结构截排减压抗浮概念及应用2542-2548

摘要：随着地下空间需求与日俱增，越来越大的地下结构体量给地下结构的抗浮设计带来严重的挑战。常规的以“抗”为主的采用抗拔桩（锚杆）抗浮方法往往导致经济和时间成本的大幅增加。结合实际工程，介绍一种以“截排”为主的地下室抗浮方法。方法的核心在于2点：一是“截”，通过地下室周边的止水帷幕进行截水，减少基坑的涌水量，从根本上减少排水对周边的环境的影响；二是“排”，通过在地下结构底板下设置敞口式大直径无砂混凝土减压井排水，降低水头，减小作用在结构底板上水荷载。截排联合，可控制排水带来的环境影响，增加排水减压系统的可靠性和耐久性。敞口式大直径无砂混凝土减压井组成的减压系统不易淤堵、可维修，保证减压系统长期有效运行。敞口开放式的设计也使得减压系统具有应急功能，确保地下室安全。最后指出，地层中存在一定厚度的强透水对截排减压抗浮是有利条件，在此种地层条件下，截排减压对环境的影响很小，可优先考虑使用其进行抗浮。