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岩石力学与工程学报 2016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：岩石力学理论与试验

不同应力路径下花岗岩三轴加卸载力学响应及其破坏特征3449-3457

摘要：开展3种不同应力路径下的花岗岩三轴加卸载试验,得到花岗岩在不同加卸载路径下的应力–应变曲线,分析其破坏特征、变形特征及其强度特征。试验结果表明：（1）卸围压过程中岩石环向应变和体积应变与围压在初始阶段呈线性关系,而后呈明显的非线性关系,岩石轴向变形不明显,变形主要表现为环向变形,岩石扩容显著,脆性破坏特征明显。（2）卸荷试验中岩石变形模量随卸荷比的增大而减小,而泊松比随卸荷比的增大而增大,在卸荷初期岩石变形参数劣化不明显,而后呈指数型变化,且岩石加轴压卸围压试验较恒轴压卸围压试验对变形参数的影响更加明显。（3）在高应力卸荷条件下,Mogi-Coulomb强度准则较Mohr-Coulomb强度准则更能反映岩石的卸荷破坏强度特征;相对于常规三轴压缩试验,恒轴压卸围压试验试样黏聚力c降低24.21%,内摩擦角？增大16.71%,而加轴压卸围压试验试样黏聚力c增大10.25%,内摩擦角？减少6.64%,表明在恒轴压卸围压试验中试样抗破坏的主控因素为摩擦力,而在加轴压卸围压试验中为黏聚力。

拉–压–剪应力下细砂岩和粗砂岩破裂过程声发射特性研究3458-3472

摘要：利用TAW–2000KN压力机、TYJ–500KN压力机和SH–II声发射系统,对粗砂岩和细砂岩进行单轴压缩、巴西劈裂和变角剪切实验,对裂纹扩展过程中的力学特性和声学特征开展研究。实验结果表明：通过统计细砂岩和粗砂岩的单轴抗压、抗拉和抗剪强度可知,岩石抗压和抗拉强度比近似相等,抗剪强度比相差较大。细砂岩和粗砂岩剪切破坏过程声发射特征差异明显,剪应力作用下细砂岩声发射计数曲线变化规律为：（1）–I–（2）–II–（3）（其中＂–＂表示区间）,剪应力作用下粗砂岩声发射计数曲线变化规律为：（1）–I–II–III–（2）;声发射能量特点为：细砂岩：呈现弯曲＂厂＂型,粗砂岩：呈现标准＂S＂型曲线,且峰前与应力–应变曲线变化规律完全一致。细砂岩和粗砂岩拉伸破坏过程声发射特征差异明显,拉应力作用下细砂岩声发射计数曲线变化规律为：（1）–I–（2）–II–（3）–III,拉应力作用下粗砂岩声发射计数曲线变化规律为：（1）–I–（2）–II–（3）–III;声发射能量特点为,细砂岩：由于局部失稳破坏存在,呈现复杂路径增长,粗砂岩：呈现直线趋势增长。从破坏角度分析,2种岩石区别在于,细砂岩破坏前发生声发射计数和能量的缓慢增长,破坏后出现一定的稳定期。粗砂岩加载前期,高计数信号和低计数信号交替出现,破坏前期和破坏阶段高计数信号和低计数信号混合稀疏出现。细砂岩和粗砂岩单轴压缩过程声发射特征区别较大,声发射计数特点为：细砂岩：（1）–I–（2）–II–（3）,粗砂岩：（1）–I–II–（2）–（3）;声发射能量特点为：细砂岩：呈现扁平型＂S＂曲线,粗砂岩：呈现明显＂Z＂型曲线。利用声发射RA值与平均频率关系能较好反映裂纹类型,拉伸破坏和剪切破坏均符合客观实际。单轴压缩破坏形态给予裂纹类型正反�

岩土强度参数空间中的极限状态面与系统可靠度分析3473-3480

摘要：采用FOSM,PEM和FORM等方法计算边坡可靠度时,随机参数空间中的极限状态面是对于某一固定滑面而言的,这种处理方式低估了滑动面不确定所带来的风险。为解决这一问题,提出参数空间中的系统极限状态面概念,将系统可靠度与与固定滑面可靠度做了区分。以边坡全局安全系数求解为基础,建立一种新的边坡系统可靠度的计算方法,采用Monte-Carlo模拟方法生成一组随机参数,利用Excel编程实现安全系数的快速计算,对计算结果进行统计分析,获得边坡系统可靠度。以简单均质边坡为例说明该方法的实现过程,并将计算结果与GEO-SLOPE中基于固定滑面的概率分析结果进行对比,说明该方法能够从理论上更为合理地评估滑动面不确定所导致的边坡系统风险,计算效率也显著高于常规Monte-Carlo法模拟计算系统可靠度的效率。

水–岩作用下红层软岩力学特性劣化规律研究3481-3491

摘要：红层软岩在三峡库区广泛分布,其在水–岩作用下的物理力学特性劣化将直接影响相关库岸边坡的长期变形稳定与安全。基于此,考虑消落带库水位反复升降变化,设计进行红层软岩的浸泡–风干循环水–岩作用试验,研究结果表明：（1）在水–岩作用过程中,红层软岩的强度及变形参数劣化趋势明显,岩样存在逐渐＂变软＂的趋势,而且前3次浸泡–风干循环中的劣化速率较快,5次浸泡–风干循环作用之后,红层软岩的强度及变形参数劣化趋势逐渐趋于缓慢;（2）在水–岩作用过程中,岩样的破坏模式也存在明显的变化,不同围压下岩样的剪切破坏特征逐渐明显,岩样破坏时控制性裂纹数量逐渐减少,次生裂纹的数量逐渐增加;（3）在水–岩作用过程中,水压力的反复升降变化和浸泡–风干循环作用对红层软岩造成了不可逆的渐进累积损伤,红层软岩由相对致密的结构转变成微观裂隙、孔隙发育的松散多孔结构,宏观上就表现为抗压、抗剪强度劣化和破坏模式的变化。相关研究结论可为库岸边坡长期变形稳定分析提供参考。

基于宾汉姆流体的微裂隙岩体注浆扩散影响机制分析3492-3500

摘要：基于巴顿公式中的标准节理面轮廓线建立微裂隙几何模型,采用纳维–斯托克斯方程,并将浆液视为宾汉姆流体,建立微裂隙注浆扩散有限元模型,对微裂隙注浆过程中浆液扩散过程展开计算分析,获得裂隙粗糙度、隙宽以及浆液黏度等因素对浆液扩散的影响规律。计算结果表明,当浆液黏度较高时,浆液流动损失主要受黏滞力控制,裂隙等效隙宽随浆液黏度呈非线性增长。对于具有相同粗糙程度的裂隙,等效隙宽随黏度的增长曲线均存在一个明显的拐点,随着裂隙粗糙程度增加,拐点逐渐向前推移,并且突变更加明显。通过多元函数拟合建立等效隙宽与浆液黏度以及裂隙粗糙度的拟合公式。当浆液黏度以及裂隙的粗糙度较低时该公式存在一定误差,而在考虑实际注浆需要所对应的参数变化范围内,该公式均具有较好的拟合效果。研究结果对微裂隙岩体注浆扩散理论具有一定借鉴意义。

爆炸应力波与爆生气体对被爆介质作用效应研究3501-3506

摘要：以有机玻璃（PMMA）为试验材料,采用实验室模型试验的方法,结合LS-DYNA进行爆破数值模拟分析,研究了爆炸应力波与爆生气体对被爆介质的作用效应。结果表明,爆炸应力波的作用是粉碎区微裂纹形成的主要原因,爆生气体的作用是裂隙区裂纹形成的主要动力。爆炸作用下,弹性震动区介质的受力特征为先受压后受拉。此外,爆生气体的作用显著增加了爆破弹性震动区介质的应力、应变峰值和受力时间,说明爆生气体不仅具有准静态作用,还具有动态作用。同时指出,岩石爆破理论需要进一步修正和完善,严格考虑爆炸应力波和爆生气体实际作用过程的数值模拟算法亟待发展。

岩石类材料裂纹扩展贯通的近场动力学方法模拟3507-3515

摘要：在连续体内引入预制裂纹的数学描述,运用近场动力学方法对含有预制裂隙（不同倾角的单裂缝和不同岩桥倾角的三裂缝）的岩石类材料试件的单轴压缩试验进行数值模拟。结果表明,随着裂缝倾角的增加,翼型裂纹出现的位置逐渐向预制裂隙的两端移动,次生共面剪切裂纹与次生倾斜裂纹出现的时间与形态也随之改变;不同倾角的岩桥呈现的断裂贯通形式有着明显的差异,但裂纹均是在预制裂缝尖端首先产生,随后逐渐扩展贯通,最终导致试件的整体失稳破坏。数值模拟与室内试验结果的对比分析表明近场动力学方法可以很好地模拟岩石类材料的裂纹扩展贯通形态,反映裂隙扩展的基本力学机制;作为一种新的非局部数值模型,其在岩石材料与岩体工程数值研究领域具有广阔的应用前景。

常截面滚刀贯入试验中岩石破坏行为分析3516-3525

摘要：为研究滚刀贯入过程中不同强度岩石的破坏行为,采用泥岩、花岗岩、砂岩和水泥砂浆制作立方体试样,结合岩石贯入试验加载系统和声发射监测系统,进行无侧向约束条件和有侧向约束条件下TBM常截面盘形滚刀贯入试验,获得完整荷载–贯入度曲线和声发射参数信息,分析不同岩石试样的破坏过程、破坏类型和破坏模式。结果表明：（1）软岩试样荷载–贯入度曲线跌落现象不明显,呈现延性破坏特征,而硬岩试样荷载–贯入度曲线跌落现象显著,具有脆性断裂特征。（2）无侧向约束条件下试样破坏类型属于劈裂破坏模式,有侧向约束条件下试样破坏过程由中间劈裂裂纹和侧向裂纹共同控制。（3）声发射参数曲线和荷载–贯入度曲线之间具有良好的对应关系,可以反映贯入过程中岩石试样内部损伤劣化和宏观裂纹形成过程。（4）类岩石材料滚刀贯入试验在一定程度上有助于更好地理解岩石贯入破坏过程和破坏模式,但类岩石材料与自然岩石材料在强度和变形性质上并不能完全吻合,因此相似材料模拟试验的结果需要进一步的验证。

基于显式时间积分的非连续变形分析方法3526-3534

摘要：非连续变形分析（DDA）方法非常适合应用于模拟高度离散化的岩石块体系统的力学行为。然而,传统采取隐式时间积分方案的DDA方法,在运算过程中需要集成总体刚度矩阵和求解矩阵方程,这直接导致计算效率的降低,尤其在求解大规模非连续问题时。因此,提出一种基于显式时间积分的二维显式DDA方法。在求解过程中,不需要集成总体刚度矩阵和求解大型代数方程组。在求解加速度时,由于采用协调质量矩阵,可以分块求解,求解过程简单省时。仍沿用原DDA的开闭迭代算法,可确保块体间约束的准确施加,保证了求解精度。最后,通过几个典型算例,证实显式DDA的正确性和鲁棒性。

水力裂缝遇斜交层理弱面的扩展规律解析分析3535-3539

摘要：为研究水力压裂裂纹与层理弱面斜交时的裂纹扩展规律,利用复变函数和保角变换等推导得出任意方向裂纹面尖端的应力集中解答。根据最大拉应力准则,通过比较压裂裂纹面在原扩展方向和层理弱面处以及沿层理扩展的应力状态及相应抗拉强度,得出均质岩体区裂纹稳定扩展遇斜交层理时,即垂直最小地应力方向裂纹遇任意方向层理的扩展规律。建立表示裂纹转向层理弱面扩展难易程度指标,即临界强度比,该指标与地应力状态、层理和岩石基体强度以及层理方位有关,其值越小表示裂纹满足转向层理扩展条件时所对应的层理和岩石基体的抗拉强度比越小。通过对规律解析分析得出：临界强度比随第一、第二与第三主地应力差降低或层理弱面与裂纹面夹角变小而增大;随岩石基体强度降低或层理弱面和裂纹面交线与中间主地应力夹角变小而减小。将解析分析结果与实验数据进行对比验证,规律一致。

不同排水条件下砂岩应力渗流耦合试验研究3540-3551

摘要：应力渗流耦合是岩石力学基本问题之一。以砂岩为研究对象进行不同排水条件下（排水和不排水）的三轴压缩试验研究。结果表明：围压对岩石有强化约束作用,岩石的弹性模量、峰值强度、启裂应力及扩容应力随围压增加而增大;在排水条件下,孔压一定程度上减弱了围压作用,弱化岩石的力学特性,且对黏聚力影响比对内摩擦角更加敏感;对于不排水条件,孔压变化峰值应力出现在扩容应力附近,是岩石内部裂纹开启的反映;同一初始孔压下围压越高相应孔压变化值越大,围压相同时初始孔压越大,其孔隙水压力变化越显著;同一围压下,不排水条件试验的岩石峰值强度、闭合应力、启裂应力和扩容应力一般低于排水条件下各项指标值。

应力波在充填节理岩体中传播规律的数值研究3552-3560

摘要：通过离散元数值模拟对应力波在含一组平行充填节理岩体中的传播规律开展研究,并应用等效介质模型对应力波在含多条小间距充填节理岩体的传播规律进行分析。首先,通过数值模拟结果与理论结果的对比,验证UDEC模拟应力波在单个充填节理处的传播规律的可行性。然后将UDEC模型进行扩展研究应力波在含一组平行充填节理的岩体中的传播规律,并对充填厚度、节理间距、节理数量展开参数分析。研究发现,随着充填厚度的增加,对于不同的节理间距和数量,透射系数均减小,而节理数量对透射系数的影响与节理间距有关。存在2个临界值将节理间距对透射系数的影响规律划分为3个不同区间,当节理间距足够大时,透射系数趋于稳定,且稳定值与节理数量呈指数函数关系。最后,当节理间距较小时,采用一维等效介质多条充填节理进行分析,并对入射波频率、充填材料特性、充填厚度以及节理数量展开了参数分析对比,结果表明一维等效介质可用于简化应力波在多个小间距的充填节理中的传播计算。

软弱隧道围岩拱顶塌方及锚杆支护效应试验研究3561-3569

摘要：为研究软弱岩体中隧道开挖引起的围岩失稳破坏特征以及锚杆的加固效应,以IV级围岩为参照对象,开展一系列无锚杆和有锚杆支护条件下的隧道开挖地质力学模型试验,并对拱顶围岩的位移、应力和宏观破坏形式的发展变化规律进行分析。研究结果表明：（1）隧洞开挖后,围岩破坏始自隧道两侧拱脚,渐次向上延伸并塌落成拱;（2）由于锚杆的悬吊挤压作用及其与岩层的组合梁效应,显著减少了拱顶岩体塌落范围;（3）锚杆通过对岩体施加黏锚力,提高了锚固范围内岩体的强度和韧性,有利于增强围岩的承载能力和抵抗变形能力;（4）锚杆支护对围岩应力分布起调节作用,使得围岩能在较高的能量状态下获得稳定平衡,并延缓了围岩进入＂软化＂阶段。上述研究成果可为软弱隧道围岩稳定性评价以及支护结构的设计与施工提供一定的借鉴和参考作用。

地震作用下顺层岩质边坡锚固特性的拟动力分析3570-3576

摘要：实践证明锚杆对边坡加固效果明显,但目前对地震作用下岩质边坡的锚固机制研究还不够深入,因此研究锚固边坡的抗震性能对于边坡锚固的优化设计具有重要意义。采用拟动力法模拟地震加速度时程曲线的输入,并基于极限分析上限定理推导地震作用下顺层岩质边坡临界无量纲总锚固力及锚固边坡稳定安全系数的表达式。通过算例对比分析锚杆倾角、节理面倾角、地震加速度影响系数、地震加速度放大系数、节理黏聚力与内摩擦角对边坡临界状态下总锚固力的影响。研究结果表明：边坡临界状态下锚固力与锚杆倾角、节理内摩擦角、水平向地震加速度影响系数及地震加速度放大系数正相关,与节理面倾角、竖向地震加速度影响系数及节理黏聚力负相关;随着节理内摩擦角的增大,水平向地震加速度影响系数及地震加速度放大系数对边坡临界状态下锚固力的影响越明显,而锚杆倾角、节理面倾角、竖向地震加速度影响系数及节理黏聚力的影响则逐渐减弱。

岩石变形破坏各阶段强度特征值确定方法3577-3588

摘要：岩石各阶段强度特征值的准确确定对合理界定岩石变形破坏阶段、力学机制、设计参数取值具有重要的理论和实践意义。鉴于此,提出＂试验数据＋轴向应变刚度＂联合确定岩石变形破坏各阶段强度特征值的方法,并结合围压30 MPa砂岩全过程三轴压缩试验数据,详细介绍采用该方法的取值过程,同时对该取值方法进行验证。结果表明：（1）在岩石应力–应变曲线中线弹性特征明显,但线弹性阶段和裂纹稳定扩展阶段的分界点不易被界定;（2）轴向应变刚度能将应力–应变曲线中微小的变化有效显现出来,更利于准确界定岩石变形破坏各个阶段,且可划分为上下不均匀波动、上下均匀波动基本水平、不均匀波动逐步减小至零、极度波动和基本维持为零五个阶段;（3）裂纹的压缩、起裂、扩展、贯通将引起轴向应变刚度出现较大的、不规律的波动;（4）采用该方法确定的压密应力cc？、起裂应力ci？、损伤应力cd？与峰值应力f？的比值分别为：0.10,0.56,0.68;（5）该取值方法理论基础为一阶导数,取值过程客观合理,为理论上定量、操作上半定量的取值方法。结合现代计算机和数据处理技术,能快速实现该方法操作过程,认为该方法可为岩石强度特征值的确定提供新的思路。

采场覆岩变形的分布式光纤检测试验研究3589-3596

摘要：为了解决采场模型试验中岩体内部变形状态难以测试、岩层运动过程难以描述的问题,利用BOTDA分布式光纤传感技术研究了岩层变形及垮落过程的分布式光纤检测与表征。在实验室建立3 000 mm×200 mm×1 280mm（长×宽×高）的采场覆岩模型,将3条水平传感光纤和3条垂直传感光纤预埋于模型内部,利用光纤测试模型开挖过程中的覆岩变形状态,并将其与光纤Bragg光栅、百分表和全站仪的测试结果进行对比。试验表明,岩层垮落移动与分布式光纤测试结果呈明显的对应关系,应变曲线揭示了各回采阶段时的上覆岩层变形状态,分别表征了岩层破断线发育状态、垮落角变化大小、岩层内部应力演化及岩层垮落从下向上的发展过程;测试结果对比显示该方法在模型试验中具有较好的适用性,能精确反映上覆岩层的变形特征。

坡体充气过程中气水两相流数值模拟3597-3604

摘要：依据多相渗流和非饱和土理论,提出在潜在滑坡区后缘进行充气形成非饱和区,截排斜坡后缘来水向潜在滑坡区入渗,以降低潜在滑坡区的地下水位,提高边坡稳定性。采用长边坡二维有限元数值模拟方法,研究充气过程中坡体非饱和区气–水两相流运动特征和地下水位变化规律,为充气截排水技术运用于实际工程提供理论指导。通过分析充气点下游边坡地下水位的变化规律,论证充气截排水方法具有可行性;基于充气过程中非饱和区的扩展过程分析,将充气截排水分为3个阶段,即充气点附近非饱和区形成与扩展阶段、充气形成的非饱和区局部越过地下水位线的不稳定两相流阶段和充气形成的非饱和区基本稳定的截排水工作阶段;发现了充气过程中非饱和区孔隙气压力、孔隙气流速度、孔隙水渗流速度和体积含水量会随时间发生波动性变化,且四者的变化具有良好的相关性,当孔隙气压力随时间增大时,孔隙气体流速也随时间增大,孔隙水渗流速度和体积含水量则随时间减小,反之亦然,此规律的形成主要是气-水的流动性差异和相互驱动作用的结果。

缓冲回填材料砌块接缝密封及愈合研究3605-3614

摘要：高放废物地质处置多重屏障体系中,缓冲回填材料砌块接缝构成潜在的＂水力缺陷＂和强度薄弱部位。室内试验制备压实膨润土模拟接缝试样,设置接缝宽度为2 mm,采用膨润土干粉、膨润土泥浆、微粒膨润土3种材料对接缝进行密封。将含接缝试样进行柔性壁渗透试验,之后开展热传导试验,评价砌缝不同密封形式愈合效果的差别。自然堆填密度和自由膨胀率试验得到,颗粒粒组为0.25-0.5 mm,且颗粒率为70%时,微粒膨润土达到最佳组构。试验数据表明,不同密封处理的含接缝试样的水力传导系数范围为（2.51-4.94）×10-10 cm/s,其水力传导系数Rg由小到大的顺序为Rg=70%微粒砌缝、Rg=90%微粒砌缝、Rg=50%微粒砌缝、泥浆砌缝、Rg=30%微粒砌缝和干粉砌缝,与接缝密封材料初始填充干密度成负相关。沿着接缝方向,各试样的平均热传导系数范围为1.43-1.63 W/（m·k）,其中Rg=70%微粒膨润土砌缝的导热性能最好。垂直接缝方向,各试样的热传导系数基本呈现出接缝愈合带略小于接缝两侧的趋势。研究证实,膨润土干粉、膨润土泥浆和微粒膨润土3种形式的密封材料中,Rg=70%微粒膨润土是优良的密封材料,密封后的接缝愈合效果最佳。随着试样不断饱水膨胀,接缝带干密度提高,接缝结构面逐渐愈合消失,愈合带水力传导性质和热传导性质与砌块材料逐渐趋于一致。