岩芯卸荷扰动的声学反应与卸荷敏感岩体

声波测试是工程岩体质量评价的最主要手段之一。将岩体与岩块的纵波波速比的平方定义为岩体的完整性系数。不仅为国内外学者广泛认同。而且是现行规范的定义。这是源于如下认识：原位岩体的纵波波速小于其中岩块的波速；岩体越破碎。小得越多。然而。通过润扬大桥声波测试发现。用通常手段得到的大部分岩体的测井波速反而大于岩样波速。对该桥基岩40余个钻孔数百个岩样进行了多种手段的对比研究和综合分析。探讨了测试结果的可靠性及产生原因。进而提出了岩芯卸荷扰动和卸荷敏感岩体的概念和相应的工程对策。     

BQ分级法在边坡岩体基本质量分级中的应用分析

利用BQ分级法对边坡岩体质量特征进行研究,通过岩块强度及岩体完整性对工程岩体自身性质进行分级。结合主要结构面类型与延伸性修正因素λ、主要结构面产状影响修正因素K5以及地下水影响修正因素K4三个修正因素对边坡工程岩体质量进行分级,分级方法具有较强的科学性和实用性。     

基于小波变换的岩芯卸荷扰动声学反应分析

现行国家规范将岩体与岩块的纵波速度比的平方定义为岩体的完整性,这是由于通常情况下原位岩体的纵波波速低于其中岩块的波速,岩体越破碎,波速低得越多。通过对南京地铁工程围岩声波测井及岩芯声波测量发现,用通常手段得到的一部分岩体的测井波速反而大于岩芯波速,分析其原因主要是岩芯受卸荷及钻取扰动影响造成的。为更好地对岩芯卸荷扰动的声学反应进行分析,基于小波变换方法,将岩芯声波信号分解成不同频带通道的小波分量,进而对其进行时频分析,得到的各频带分量及其加权频谱参数与岩芯卸荷扰动敏感程度具有良好的相关性,表明该方法在分析岩芯卸荷扰动问题上具有优越性。     

基于小波变换的岩芯卸荷扰动声学反应分析

 现行国家规范将岩体与岩块的纵波速度比的平方定义为岩体的完整性，这是由于通常情况下原位岩体的纵波波速低于其中岩块的波速，岩体越破碎，波速低得越多。通过对南京地铁工程围岩声波测井及岩芯声波测量发现，用通常手段得到的一部分岩体的测井波速反而大于岩芯波速，分析其原因主要是岩芯受卸荷及钻取扰动影响造成的。为更好地对岩芯卸荷扰动的声学反应进行分析，基于小波变换方法，将岩芯声波信号分解成不同频带通道的小波分量，进而对其进行时频分析，得到的各频带分量及其加权频谱参数与岩芯卸荷扰动敏感程度具有良好的相关性，表明该方法在分析岩芯卸荷扰动问题上具有优越性。     

水平层理发育泥岩取芯卸荷波速研究

对一新建火电厂基岩进行声波测试发现多组钻孔岩块纵波波速小于原位岩体纵波波速的异常现象,与传统认识大相径庭。仔细分析后得出:基岩泥岩段岩性软、水平层理发育,钻孔取芯卸荷带来的应力释放及运输、制样机械扰动使原来紧密闭合的层理面一定程度张开,导致岩块纵波波速大幅减小,出现岩块纵波波速小于岩体纵波波速的异常情况;取芯卸荷效应对岩块纵波波速的影响随弹性模量的增大而减小。     

国标岩体分级标准BQ的图解法表示

《工程岩体分级标准》(GB50218—94)作为适用于各类型岩石工程的岩体分级标准,其采用定性与定量相结合的分级方法,在不同岩体工程行业中得到广泛应用。但因其定性描述内容繁杂,分级依据相对笼统;定量指标BQ计算时需考虑相应限制条件,使得实用性受到一定限制。基于此,介绍应用图解法表示国标岩体分级标准BQ,将岩石单轴饱和抗压强度Rc和岩体完整性指数Kv作为纵、横坐标,同时将2个限制条件考虑进去,建立可反映岩体级别的BQ折线图。经工程实例验证表明,此方法可较方便、快捷、准确地确定待评估岩体质量级别。此外,针对BQ法局部定性特征描述与定量指标不一致的情况,利用图解法结果对BQ法岩石单轴饱和抗压强度Rc和岩体完整性指数Kv的定性划分提出相应优化建议,较原有分级标准,优化后的定性分级与岩体质量评价值的吻合度提高3%～12%。最后,对BQ图解法分级指标值的选取、修正因素对图解法评价结果的影响作有益讨论与图解表示,该研究思路与结果可为后期修正优化国标BQ法提供一定借鉴作用。     

岩块波速–应力关系及其卸荷效应

当岩块从原有的地质环境中取出时,它在原位岩体中受到的应力将被解除,其物理力学性质亦会发生变化,从而产生卸荷效应。通过自行设计的岩块波速–应力试验,研究了岩块的波速–应力关系。研究发现:波速–应力关系曲线可以较清楚地反映出岩石受荷过程中体积变形的3个阶段;波速–应力关系曲线基本上以σ=σc=(1/4～1/3)Rc为界,当σσc时,岩样波速随应力增大迅速增加,波速–应力关系符合幂函数曲线,当σσc时,岩样波速逐渐达到峰值,随后迅速下降,波速–应力关系符合二次函数曲线;波速–应力试验过程中,当应力增加到岩样在原位状态下同试验加荷方向下所受的应力时,波速增加速度急剧变缓。根据岩块的波速–应力关系提出了岩样的卸荷指标,并将其定义为岩块在原位所受应力对应的波速与未受荷时的波速之比,通过试验和计算得到黄岛地下水封石油洞库场区片麻岩和闪长岩的卸荷指标分别为1.13和1.08。     

对岩体完整性指数计算中岩块波速的几点思考

对岩体完整性指数计算公式中的岩块压缩波速的测试和代表值进行探讨后认为:岩体完整性指数计算的岩体和岩块应针对同岩性的同岩组单元;工程中必须通过数理统计方法寻找岩块波速的代表值才有实际工程意义,把岩块波速最大值当成新鲜完整岩石的压缩波速值是不合理的;选取算术平均值、最大平均值、最小平均值、众值、中值及标准值之一作为岩块波速代表值时,应根据测试数据的频率分布特征进行具体分析才更加合理可靠。     

分级卸荷量对大理岩三轴卸荷蠕变特性影响规律试验研究

岩体工程如地下洞室、边坡工程等的施工,大多采用分层开挖的方式。其在开挖卸荷的过程中,特别是高应力条件下常表现出显著的时效变形特征。为探究分级卸荷量对岩石卸荷蠕变特性的影响,以雅砻江锦屏I级水电站大理岩为研究对象,开展相同初始高应力状态条件下恒轴压分级卸围压三轴卸荷蠕变试验。试验结果表明:分级卸荷量越大,大理岩破坏时偏应力越小且破裂角越大,每级荷载作用下蠕变变形趋于稳定所需时间越长,分级卸荷瞬时应变和蠕应变越大。采用Burgers模型对各试件的卸荷蠕变特性进行描述并拟合相关参数,然后对分级卸荷量与理论模型参数间的相关关系进行分析。研究成果表明,分级卸荷量越大,瞬时弹性模量值越小,且应力状态对瞬时弹性模量随分级卸荷量的变化率影响很小。根据这一规律提出瞬时弹性模量随分级卸荷量变化的计算公式;而随分级卸荷量的增大,参数η1和η1’逐渐减小,η2/G2 和η2 /G2 逐渐增大。研究成果表明分级卸荷量对大理岩卸荷蠕变特性有较大影响,在理论分析和实际工程运用中应予以重视。 2/ G2 and η2’/ G2     

基于波速特征的路堑边坡岩体强度参数研究

岩体强度是岩体工程设计中一项重要参数.传统现场原位测试方法不但耗时长、代价高,且代表性较差,公路、铁路系统不可能大量开展,目前,基于反映岩体质量的波速特征指标间接获取岩体强度参数是一个重要途径.在阐述影响岩体强度参数的基本因素之后,分析了岩体波速特征指标（纵波波速、完整性系数）与岩体质量分级的关系,最后基于大量硬质岩类的实测数据建立起岩体完整性系数与岩体强度参数间的经验定量关系,并最终得到实例检验.     

坝基岩体开挖卸荷与分带研究——以小湾水电站坝基岩体开挖为例

 小湾坝基开挖引起了一系列岩体卸荷变形破坏现象,包括岩体中已有结构面的回弹松动与剪切错动,以及完整岩体的岩爆拱裂、薄板状破裂等新生破裂。开挖中岩体的新生破裂面在空间分布上有如下特点：破裂面产状与开挖面具有较好的一致性;在深度分布上,开挖卸荷破裂面相对集中在开挖面之下4～6 m的深度以上。岩体的卸荷变形破坏导致了岩体完整性的显著降低,但卸荷松动过程的主体部分多在几个月内完结。无论是岩体开挖卸荷还是河流天然切割卸荷都是一个能量释放过程,并且卸荷变形破坏具有显著的空间分布规律,因此采用能量方法研究岩体的卸荷分带是合适的。给出了岩体卸荷分带的应变能方法,小湾水电站的实际应用表明该方法是可行的、有效的。     

卸荷条件下岩体裂隙扩展贯通及能量演化机制

采用颗粒流软件PFC模拟了单轴压缩、双轴压缩和卸围压条件下裂隙倾角和岩桥倾角分别对含单裂隙和双裂隙岩体的裂纹扩展贯通的影响,对比分析了不同应力路径下裂隙岩体破裂演化过程,总结了裂纹扩展贯通模式,揭示了裂纹扩展贯通的细观力学机制和裂隙岩体损伤破裂的能量机制。研究表明:卸围压条件下岩样张性破坏略弱于单轴压缩条件但远强于双轴压缩条件,而剪性破坏远强于单轴压缩条件但略弱于双轴压缩条件;裂隙尖端应力集中导致岩体开裂,随后张性翼裂纹受拉应力场驱使沿拉应力释放区与压应力区边界延伸扩展,剪切裂纹受压应力场驱使,其扩展路径处压应力释放;裂隙岩体发生卸荷破坏时,内部损伤和贯通裂隙的产生会导致耗散能的急剧增加。     

Research on unloading nonlinear mechanical characteristics of jointed rock masses

Geological environments of rock mass projects are always very complicated, and further investigations on rock mechanical characteristics are needed. There are considerable distinctions in rock mechanical characteristics under unloading and loading conditions. A series of tests are conducted to study the stress-strain relationship of rock masses under loading and unloading conditions. Also, the anisotropy, the size effect, and the rheological property of unloading rock mass are investigated. The tests presented in the paper include model test and granite rheological test, which are conducted considering geological condition, rock mass structure, in-situ stress field of the permanent shiplock of the Three Gorges Project. The main differences between loading and unloading rock masses are stress paths, yield criteria, deformation and strength parameters, etc.. Different structural plane directions affect unloading rock mass evidently. With increasing size, the tensile strength, the compressive strength, the deformation modulus, the Poisson’s ratio and the anisotropy of rock mass all decrease. For sandstone samples with parallel bedding planes, the cohesion c increases but the internal friction angle ? decreases under unloading condition when compared with the values under loading condition. While for samples with vertical bedding planes, the trend is adverse. The rheological property of rocks has close relationship with the tensile stresses of rock masses. When the sandstone samples are tested under high stress condition, their rheological properties are very obvious with the unloading of confining pressure, and three typical rheological stages are shown. Rheological rate changes with the variations in axial stress and confining pressure.     

基于各向异性模型的引水隧洞围岩稳定性研究

以丹巴引水隧洞石英云母片岩为对象,研究了岩体各向异性特性及开挖卸荷作用对围岩稳定性影响。针对石英云母片岩横观各向同性特性,将Adina中Hill48各向异性模型转化为用Lankford系数描述的横观各向同性模型,从而用泊松比描述各向异性系数,并根据试验结果对模型进行修正,使计算结果更为准确。为考虑岩体各向异性特性下的高埋深高地应力隧洞开挖卸荷作用,提出了一种针对层状岩体变形参数的卸荷弱化方法,应用该方法可得到各自方向的卸荷参数,减少按参数折减法的人为主观性对结果的影响。建立地应力场中3个主应力方向与模型边界垂直模型,并利用在垂直边界施加与3个主应力等值面力的建模方法,极大简化了传统构造地应力场的工作量。将数值模拟结果与实际监测结果进行对比,得出塑性区、应力区与试验洞下游侧边墙位置的岩层鼓胀断裂现象有较好的吻合,说明计算模型的准确性。     

谷坡岩体卸荷带划分量化指标研究

谷坡岩体卸荷在水利水电工程边坡中是一种常见的地质现象，对岩石边坡稳定性及相关岩石工程问题有着重要的控制意义，卸荷带定量划分一直受到水利水电工程勘测与设计的重视。用于卸荷带定量划分的指标很多，比较常用的是反映岩体结构特征的量化指标。根据水利水电工程实践，讨论谷坡岩体卸荷带划分量化指标问题，提出以张开裂隙宽度、张开裂隙累计宽度、波速比作为谷坡岩体卸荷带划分的量化指标。     

岩石边坡工程与卸荷非线性岩石(体) 力学

 提出卸荷非线性岩石力学的概念及其主要内容, 指出卸荷非线性岩石力学与加载岩石 力学的区别。认为岩石边坡开挖为卸荷条件, 以往用加载岩石力学方法不能反映边坡岩体的 实际力学状态。采用卸荷非线性岩石力学方法对自然边坡及人工边坡的分析实例表明, 计算 成果与实际情况吻合。     

循环加卸载对岩体残余强度影响的试验研究

 地下工程中,处于深部高地应力区的地下巷道、洞室、矿柱等的力学特性都与岩石破坏后的力学特性有密切联系,研究岩体残余强度及峰后力学特性对工程设计有着非常重要的意义。通过对处于残余强度状态岩样的循环加卸载试验,研究不同围压下(30,20,10,5和1 MPa)、不同卸荷量(90%,70%,30%)造成的岩样残余强度变化规律,其中卸荷量为卸除荷载与相应围压下岩样残余强度的百分比。试验结果表明：不同围压、卸荷量条件下,岩样残余强度与循环次数的变化规律均可用指数函数很好地进行拟合,受初始条件影响不大;围压较低时(≤20 MPa),同一围压下,卸荷量为70%时岩样残余强度的降低程度最大,其次是卸荷量为90%时;卸荷量为30%时,对残余强度造成的影响最小;当卸荷量相同时,围压越低,循环加卸载造成岩样残余强度降低程度越大,围压为1 MPa时,残余强度最大可降低73%;围压较高时(＞20 MPa),由于围压的约束和压密作用,循环加卸载不会造成岩样残余强度的降低。     

不同卸荷速率下大理岩破裂时效特性与机理研究

巷道开挖过程中卸荷速率对岩体破裂特性有显著影响,且破裂特性表现出明显的时间效应。针对岩体在卸荷条件下的受力特征,利用颗粒流程序,对脆性大理岩进行围压卸载数值模拟,研究不同卸荷速率下卸荷结束瞬间和卸荷后持续点的岩石试样破裂特性和机理。结果表明:围压卸载过程中,卸荷变形率△ε_i随卸荷速率的增大而减小,且侧向变形比轴向变形更敏感;在卸荷结束瞬间,微裂纹主要集中在试样上下端部并形成剪切破裂带,其中张拉裂纹数目是剪切裂纹的3~6倍,试样的破裂程度S_1随卸荷速率的增大呈指数递减规律变化;在卸荷后持续点,卸荷速率较慢的情况下岩石试样破坏形式为宏观剪切破裂面,卸荷速率较快的情况下岩石试样破坏形式为块体剥落及上下端部颗粒(块体)弹射,试样的破裂程度S_2随卸荷速率的增大呈指数递增规律发展;卸荷速率越快,达到卸荷后持续点时,试样累计释放的颗粒动能越大,岩爆程度越大。     

开挖卸荷的瞬态特性研究

  针对中、高地应力条件下的岩体爆破开挖,通过岩体开挖荷载释放过程的力学分析及卸荷持续时间的计算,提出并论证岩体开挖荷载的释放为瞬态卸荷的观点,认为在中、高地应力条件下,岩体开挖荷载的释放需要考虑荷载的瞬态特性及其动力效应。同时,对与分段微差爆破对应的分步开挖荷载、瞬态卸荷方式、开挖卸荷诱发围岩振动及节理岩体瞬态卸荷松动机制等关键问题进行讨论。最后,结合二滩和瀑布沟等高地应力地区水电站地下厂房开挖瞬态卸荷诱发围岩振动的实测资料及观察到的动力破坏现象,对所提出的观点进行例证。     

Failure behavior of highly stressed rocks under quasi-static and intensive unloading conditions

Unloading failure of rocks, especially highly stressed rocks, is one of the key issues in construction of underground structures. Based on this, analytical models for rocks under quasi-static and intensive unloading conditions are established to study the failure behavior of highly stressed rocks. In case of rock failure under quasi-static unloading, the rock mass ahead of working face is regarded as an elasto-brittle material, and the stress–displacement curves are used to characterize the tensile fracture of peak-stress area. It is observed that, when intensive unloading happens, there is an elastic unloading wave (perturbation wave) propagating in the rock mass. If the initial stress exceeds the critical stress, there will be a fracture wave, following the elastic unloading wave. To study the propagation feature of fracture wave, the conservation laws of mass, momentum and energy are employed. Results show that the post-peak deformation, strength and energy dissipation are essential to the failure process of highly stressed rocks.