节理岩体物理模拟与超声波试验研究

以三维各向异性介质弹性波方程为理论基础，给出具有不同节理面岩体的数学物理模型，将具有典型节理构造的岩体分别简化为横向各向同性和单斜各向异性介质，并得出各向异性介质中的弹性波在遇节理面发生反射、透射后沿不同传播方向的传播速度。根据上述数学物理模型制备节理岩体物理模型，相对于节理面以不同的入射角度进行超声波波速测试，试验证明，超声波波速对于物理模型中节理面的影响十分敏感，节理面的存在使弹性波传播速度重新分布，在合理布置测点的情况下，对节理面的存在及方向识别较为准确。在实际工程中，通过合理布置测点的超声波测试，可以对工程岩体中节理裂隙发育的优势方向进行判断，有效地反映岩体结构面的各向异性，为实际工程提供数据资料。     

节理密度对围岩变形及破坏影响的试验研究

采用相似模型试验和岩土工程数字照相变形量测软件,研究了深埋应力场中不同断续节理密度的岩体在开挖条件下巷道围岩破裂区的产生与扩展机理,分析了围岩破坏和碎胀变形的发展规律及其对巷道稳定性的影响。研究表明:岩体中节理密度对岩体的承载能力影响很大。与节理岩体相比,完整岩体在破裂前可以承受较大的弹性变形;节理岩体即使与完整岩体具有相同的承载能力,但其稳定性及变形量却有区别,完整岩体的变形量更小、稳定性更好。产生相同的围岩破裂区,岩体中节理越密集需要的应力越低,反之亦然;在相同的应力作用下,岩体中节理越密集,表明岩体越破碎,产生的围岩破裂区就越大,围岩碎胀变形也越大,导致工程的稳定性越差;因此,岩体中断续节理的密度控制着围岩的稳定性。     

金沙江白鹤滩水电站柱状节理玄武岩 岩体变形特性研究

 金沙江白鹤滩水电站坝址区柱状节理玄武岩与一般柱状节理玄武岩相比,特点明显,其柱状节理起伏、不规则,柱体断面不规则且切割不完全,柱体内微裂隙发育,岩体内缓倾角构造结构面也较发育,岩体完整性较差,但呈断续镶嵌结构。在柱状节理玄武岩工程地质调查、岩体弹性波测试、多种现场岩体变形试验等工作基础上,系统分析了白鹤滩柱状节理玄武岩的基本力学特性和不同试验加载条件下的岩体变形机制。白鹤滩柱状节理玄武岩中发育的柱状节理、微裂隙及缓倾角结构面是导致岩体变形模量较低的主要因素;柱状节理玄武岩水平向变形模量明显大于铅直向变形模量,是由结构面发育特征和岩体应力状态决定的;新鲜柱状节理玄武岩中的柱状节理和微裂隙为硬性结构面,围压状态下呈闭合状,解除围压后易张开、松弛,保持围岩状态下柱状节理玄武岩仍具有较高的变形模量。     

拉剪作用下节理岩体锚固力学分析模型

 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。     

不同地应力下爆炸应力波在节理岩体中传播规律模型试验研究

 通过模型试验研究不同地应力下应力波在节理岩体中的传播规律,同时考虑节理数量的影响,并推导地应力作用下应力波在多条非线性节理处的传播方程。首先,通过导爆索产生爆炸应力波,监测不同位置的应力,研究地应力下节理岩体中应力波传播的衰减组成,并分析地应力以及节理数量对应力波衰减的影响,其次,考虑地应力对非线性节理模型的影响,结合时间递归分析法,得出地应力作用下应力波在多条非线性节理处的传播方程,并将计算结果与试验数据进行对比分析。研究结果表明,高地应力下,爆炸应力波在节理岩体中传播时,其衰减主要由岩石材料和节理两部分分别引起的衰减叠加组成,随着地应力增加,节理岩体对应力波的衰减增强,其中岩石材料对应力波的衰减作用加强,而节理引起的衰减减弱。     

节理岩体爆破开挖过程的动态卸载松动机理研究

提出岩体爆破开挖过程中初始应力场的卸载是一动态过程的观点，并利用波动理论分析了岩块在初始应力场瞬态卸载条件下的运动过程。研究表明，瞬间卸载条件下，岩块除产生弹性回复位移外，还会发生水平向的刚体位移，导致岩体结构面被拉开，岩体产生水平向松动现象。岩体初始应力较高条件下。动态卸载引起的岩块水平刚体位移远大于弹性回复变形值。计算结果同时表明，岩体结构面的张开位移与初始应力的平方近似成正比。岩体初始应力场的动态卸载过程能较好解释节理岩体开挖过程的松动机理。     

循环荷载下节理岩体边坡动力响应的试验研究

 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1.0,1.25,1.5 mm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1.5 mm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,顶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。     

节理玄武岩体弹性波频散效应研究

以裂隙为例,将岩体裂隙作为内边界处理,构造符合内边界条件的格林函数,结合边界积分方法研究岩体内部裂纹、孔洞等不连续结构面对弹性波的散射.与室内试验结果和现场测试结果进行对比,结果表明:基于模型计算的波速与现场测试结果吻合较好,但与室内试验结果有较大差异.这种差异主要是室内试验和现场测试中岩体所处的应力状态、边界条件等因素的差别造成的.进一步探讨节理岩体的细观结构对频散效应的影响,结果表明随着裂隙长度的增加和孔隙度的增大,频散效应越显著;改变裂隙和入射弹性波相对方向,频散效应亦发生相应变化.其结果对现场声波和地震波的测试具有很好的指导意义.     

断续节理岩体劈裂破坏的贯通机理研究

利用裂纹孤立原理结合裂纹线场理论，研究了压应力作用下断续节理线尖端的精确弹性区应力场和脆断区应力场，然后将精确弹性区应力场和脆断区应力场相匹配，进而确定脆断区长度和荷载之间的关系。利用脆断区长度和荷载之间的关系，从理论上分析了断续节理产生劈裂破坏的贯通机理，并且确定了断续节理岩体发生劈裂破坏的强度。通过和实验结果对比分析，论证了理论模型的正确性和可行性。     

直剪条件下节理岩体的变形和强度特征研究

通过建立单一闭合水平节理岩体的数值模型，运用数值模拟软件对节理岩体模型在直剪试验条件下节理的剪切变形和强度特征进行模拟，并对模拟结果做了分析。     

深部裂隙岩体中弹性波传播与衰减规律试验研究

为研究深埋裂隙岩体中弹性波的传播与衰减规律,采用室内模型试验,得到弹性波在深部裂隙岩体中传播时的波速值及首波波幅值随地应力变化的曲线,并对试验过程中弹性波的传播与衰减规律进行分析,对裂隙岩体中弹性波的波速增量、衰减程度与围压、裂隙数量、裂隙分布角度之间的关系进行了探讨和拟合。试验研究结果表明:在三轴压缩试验中,当围压一定而轴向压力增加时,弹性波波速值的变化经历快速增长、缓慢增长、基本稳定、快速降低4个阶段,并在轴向应力达到峰值强度的60%时,波速值迅速下降,因此可判断该点为岩体中裂纹开始扩展的起始点,同样首波波幅值的衰减程度也呈现出类似变化规律;在三轴拉压试验中,当围压一定而轴向拉力增加的过程中,弹性波波速值不断降低,波幅值的衰减程度也是不断增强。围压、裂隙角度、裂隙数量对弹性波的传播速度和衰减程度均产生一定影响,影响程度的敏感性为:裂隙数量围压裂隙角度。     

Responses of jointed rock masses subjected to impact loading

Impact-induced damage to jointed rock masses has important consequences in various mining and civil engineering applications. This paper reports a numerical investigation to address the responses of jointed rock masses subjected to impact loading. It also focuses on the static and dynamic properties of an intact rock derived from a series of laboratory tests on meta-sandstone samples from a quarry in Nova Scotia, Canada. A distinct element code (PFC2D) was used to generate a bonded particle model (BPM) to simulate both the static and dynamic properties of the intact rock. The calibrated BPM was then used to construct large-scale jointed rock mass samples by incorporating discrete joint networks of multiple joint intensities into the intact rock matrix represented by the BPM. Finally, the impact-induced damage inflicted by a rigid projectile particle on the jointed rock mass samples was determined through the use of the numerical model. The simulation results show that joints play an important role in the impact-induced rock mass damage where higher joint intensity results in more damage to the rock mass. This is mainly attributed to variations of stress wave propagation in jointed rock masses as compared to intact rock devoid of joints.     

应力波在一维节理岩体中传播规律的 试验研究与数值模拟

 在测定撞击载荷形式的基础上,通过试验研究应力波在一维节理岩体中的传播规律。分析完整岩体中各质点的振动形式以及不同形式的撞击载荷下对质点振动的影响,在完整岩体中质点的振动形式很有规律,其振动频率单一,且与一维岩柱的长度有关;分析结构面附近质点的振动特征,试验结果表明结构面附近质点振动有增强现象;还分析结构面组数对应力波传播衰减规律的影响,随着结构面组数的增加,质点振动衰减便快,应力波随距离的衰减也很明显。在块体离散元的基础上,研究多尺度离散元模型,并用它来模拟应力波在节理岩体中的传播规律,取得较好的效果,说明块体离散元适合模拟岩体中应力波的传播衰减规律。     

Advances in statistical mechanics of rock masses and its engineering applications

To efficiently link the continuum mechanics for rocks with the structural statistics of rock masses,a theoretical and methodological system called the statistical mechanics of rock masses(SMRM)was developed in the past three decades.In SMRM,equivalent continuum models of stressestrain relationship,strength and failure probability for jointed rock masses were established,which were based on the geometric probability models characterising the rock mass structure.This follows the statistical physics,the continuum mechanics,the fracture mechanics and the weakest link hypothesis.A general constitutive model and complete stressestrain models under compressive and shear conditions were also developed as the derivatives of the SMRM theory.An SMRM calculation system was then developed to provide fast and precise solutions for parameter estimations of rock masses,such as full-direction rock quality designation(RQD),elastic modulus,Coulomb compressive strength,rock mass quality rating,and Poisson’s ratio and shear strength.The constitutive equations involved in SMRM were integrated into a FLAC3D based numerical module to apply for engineering rock masses.It is also capable of analysing the complete deformation of rock masses and active reinforcement of engineering rock masses.Examples of engineering applications of SMRM were presented,including a rock mass at QBT hydropower station in northwestern China,a dam slope of Zongo II hydropower station in D.R.Congo,an open-pit mine in Dexing,China,an underground powerhouse of Jinping I hydropower station in southwestern China,and a typical circular tunnel in Lanzhou-Chongqing railway,China.These applications verified the reliability of the SMRM and demonstrated its applicability to broad engineering issues associated with jointed rock masses.     

基于能量法测量节理岩体品质因子的实验研究

品质因子是衡量岩体中应力波衰减特性的一个重要参数。利用分离式霍普金森压杆实验系统对含人工节理花岗岩试样进行单轴冲击压缩实验,研究节理吻合系数(JMC)对岩体试样品质因子的影响。首先,根据品质因子基本概念得出了利用应力波能量计算品质因子的方法,并证明在试样严格满足应力均匀条件时,其与应力–应变曲线方法是等价的。然后,用三波法得到了节理试样的应力–应变曲线,同时用应力波能量方法计算了品质因子。实验结果表明:随着节理吻合系数(JMC)降低,应力–应变曲线滞回环面积增加,节理岩体试样的动态割线模量和品质因子均减小,说明节理接触面积减小弱化了整个试样并且使试样能量耗散能力增加。     

岩体软弱夹层的弹性模量动力测试方法

 针对岩体软弱夹层的力学参数具有渐变性,假设软弱夹层的损伤度按照二次曲线规律变化,建立应力波在软弱夹层的传播模型,研究应力波的波形变化规律,提出软弱夹层弹性模量的动力测试方法。现场试验研究表明：当采用波形变化系数量化入射侧的计算波形和实测波形差异时,随着软弱夹层峰值损伤度增加,波形变化系数先减小后再增加,波形变化系数为最小值时,入射侧的计算波形和实测波形非常接近;随着子波主频增加,软弱夹层的动态弹性模量近似成线性增加,通过线性拟合求得了软弱夹层的静态峰值弹性模量为0.74 GPa;基于变形相等原则计算得本次试验的软弱夹层的等效动态弹性模量为4.24 GPa,采用波速法测试得夹层动态弹性模量为4.70 GPa,波速法测试结果与等效动态弹性模量相近,表明该方法测试结果合理。     

初始应力对应力波传播及块体运动规律影响研究

 借助理论模型和试验测试结果分析初始应力对岩石弹性波速的影响,运用数值模拟手段对比研究爆炸扰动作用下不同初始应力时的应力波形状,包括质点应力、位移和速度,得到初始应力对应力波传播影响的一般规律。建立构造块体在爆炸扰动下的运动模型,通过对模型的计算和分析,研究不同初始应力下单个块体的相对位移。研究结果表明：(1) 在低初始应力下,岩石中的弹性波速随压力增大而迅速增大,增大的梯度在低应力下较高,在高应力下趋于一常数值;(2) 当初始应力增大时,相同距离处的峰值径向应力和峰值位移会降低,而且衰减较快,波形变窄;(3) 块体间的相对位移与初始应力的大小成反比。     

Determination of mechanical parameters for jointed rock masses

Combining with empirical method, laboratory test and numerical simulation, a comprehensive system was presented to determine the mechanical parameters of jointed rock masses. The system has the following four functions: (1) Based on the field investigation of joints, the system can consider rock mass structures, by using network simulation technology. (2) Rock samples are conducted by numerical simulation with the input engineering mechanical parameters of rocks and joints obtained from laboratory tests. (3) The whole stress-strain curve of jointed rock masses under certain normal stress can be plotted from numerical simulation, and then the shear strength parameters of jointed rock masses can be obtained from the whole stress-strain curves under different normal stresses. (4) The statistical values of mechanical parameters of jointed rock masses can be determined according to numerical simulation. Based on the statistical values, combining with engineering experiences and geological investigations, the comprehensive mechanical parameters of jointed rock masses can be achieved finally. Several cases are presented to prove the engineering feasibility and suitability of this system.