基于有限元模型的三维地应力求解方法

根据应力解除法地应力测量的基本原理 ,提出了可适用于非理想岩性岩体的基于岩体三维有限元模型的地应力求解方法 ,并采用ANSYS程序进行了数值模拟实验。实验结果表明该方法是可行的     

基于双参负指数分布的改进的岩体本构关系

在结构面迹长、间距服从双参数负指数分布以及对迹长进行统计区间[α1,α2]积分的基础上,结合室内岩石力学实验,建立改进的岩体统计本构模型。通过引入剩余剪应力比h,建立结构面产状与地应力之间的函数关系,量化主地应力方向、岩体结构面产状对岩体力学性质各向异性的控制性作用。研究结果表明:当地应力方向发生变化时,将改变剩余剪应力比h值,进而引起岩体应力–应变曲线发生变化;在此改进的岩体统计本构模型基础上,计算云南小湾水电站坝基岩体的应力–应变曲线,揭示该坝基岩体在不同应力条件下的各向异性特征。     

正交各向异性地层井壁围岩应力新模型

 常规石油工程岩石力学分析中,通常把地层正交各向异性简化为横观各向同性,然而该简化在某些地层条件下并不适用。对实钻岩芯进行的力学性质测试结果表明,在垂直于井眼轴线平面内,不同方向岩石力学性质的差异是客观存在的。在各向异性材料力学的基础上,利用叠加原理,分别考虑钻井液柱压力、水平最大地应力以及水平最小地应力单独作用 种情况,建立正交各向异性地层井壁围岩应力分析新模型。实例计算结果表明,无论水平地应力是否均匀,只要地层力学性质是各向异性的,那么井壁岩石处的周向应力必然呈现非均匀分布特征。而且,地层各向异性条件下的井壁围岩应力极值均比各向同性条件下要大。因此,地层力学性质的各向异性使井壁岩石的受力状态明显恶化。这一特征应该在今后的相关工程问题力学分析中予以重视。     

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。     

地应力测试数据甄别综合分析方法研究

 由于当前的地应力测试技术水平和实际工程岩体赋存地质条件的复杂性,地应力测试成果往往存在相当的误差;且地应力实测数据这一基础信息的质量和精度将直接影响地应力场量化模型的可靠性。鉴于此,提出结合工程区域宏观构造地质背景、地应力测试成果解析、工程现场破坏现象力学定性分析等多种手段对地应力测试数据进行科学分析和筛选的综合研究方法。首先,基于工程区域地质构造背景和局部地形地貌等影响因素形成对工程区域地应力场的宏观判断和总体认识;然后,采用全空间赤平投影方法和典型特征平面投影应力解析对地应力测点应力张量特征进行全面的量化分析,并与前期勘探平硐出现的破坏现象的力学定性分析成果进行对比研究和印证,从而对地应力测试结果的代表性和可靠性进行科学的甄别,筛选出能够从宏观上体现工程区域地应力场分布特征的测点进行初始应力场回归分析。采用上述研究思路对西南深切河谷地区一大型水电站坝址区地应力场分布特征进行分析,利用建立的初始应力场数值量化模型模拟实际施工过程预测的应力集中部位,与工程岩体实际发生的应力诱导型破坏部位有较好的一致性。     

多组贯穿节理岩体正交各向异性变形参数研究

目前对于节理岩体各向异性变形参数的解析方法研究不多。假设岩块为各向同性线弹性体,结构面的应力与位移之间满足线性刚度关系,建立多组贯穿节理岩体的正交各向异性变形参数计算模型,相关计算公式简单实用。进一步的研究结果表明：对于贯穿节理岩体,其体积变形具有正交各向异性变形特性,而剪切变形并不具有明显的正交各向异性。最后通过3DEC数值验证与辅助研究,相关数值成果与理论计算相差较小,说明该理论模型对于岩体各向异性变形与稳定性评价有一定的参考价值。     

高地温高地应力下岩体初始地应力场反演分析

目前,在高地温高地应力环境下,未见报道在反演过程中考虑地温,从而导致反演得到的初始地应力场与实际不符。为使反演得到的初始地应力场更加符合实际,首次提出考虑地温的岩体初始地应力场反演思路。在高地温高地应力环境下,岩体初始地应力场可近似由重力应力场、构造应力场及温度应力场组成。而岩体温度应力场可结合地温梯度法并依据岩体热应力公式近似得到,再通过叠加原理将温度应力场叠加到重力及构造应力场中即可得到与高地温相符的岩体初始地应力场。在水压致裂法测得的3个主应力中,垂直应力是通过上覆岩层的实测密度计算而来,即垂直应力不包含温度应力,故在高地温高地应力环境下,若不考虑地温,则采用水压致裂法测得的应力反演岩体初始地应力场将造成严重错误。例如在桑珠岭隧址区,岩体的温度应力大约为自重应力的8/13,即在反演过程中如果不考虑地温,则反演得到的岩体初始地应力场将缺失占重力应力场8/13的竖向温度应力场,且考虑地温的反演结果较不考虑地温更好。     

某深埋长隧洞初始应力场研究及岩爆预测分析

应用水压致裂法对陕西省引汉济渭输配水二期工程南干线工程区域岩体初始应力进行测量,得知岩体初始应力呈σ_Hσ_hσ_z的特征。在实测数据的基础上,利用ANSYS数值计算软件对地应力场进行回归反演,得到了工程所在区域地应力场的整体分布情况。基于反演结果,对工程重要部位进行应力插值,获得了相应位置处岩体的初始应力特征。对应力场进一步分析得出,工程所在区域岩体的应力分布规律与地形地势的变化规律趋于一致。最后基于地应力实测数据和反演结果,结合工程区域的岩体特性,运用岩爆判据,对隧洞沿线进行岩爆预测,获得了发生岩爆的几点规律,以期为工程设计和施工提供参考。     

基于优化算法的岩体初始应力场随机识别方法

根据隧道开挖后其周围地应力变化的观测数据，建立了基于优化算法的岩体初始应力场识别方法。将地应力场参数识别反问题转化为优化问题，然后采用BFGS方法求解。最优估计的岩体初始应力场是通过比较观测到的应力变化与预计值的差异而得到的，数值算例中考虑了观测误差对参数识别结果的影响。采用所建立的反演方法，地应力场的主应力的大小和方向可以被准确识别出来。数值计算结果表明，所建立的地应力场反演方法是十分有效的，并且具有良好的抗观测噪音的能力。     

岩石Kaiser效应测定地应力场的试验研究

用单轴压缩试验测试岩石Kaiser效应特征，进而确定岩体地应力状态的方法，在岩体工程实践中得到广泛的应用。由于运用Kaiser效应法测得的地应力值是新构造应力场最近时期的地应力，对新建西安-南京铁路秦岭越岭地区采用岩石声发射的单轴压缩Kaiser效应法结合微构造法对其地应力场进行研究，得出其现代地应力场总体方向为NE向、各测点处的地应力的具体方向及基本地应力值15MPa，试验结果与实际情况基本吻合。     

三峡工程永久船闸陡高边坡各向异性卸荷岩体力学研究

岩体工程具有加载和卸荷两类不同性质的力学状态,在此力学状态各异的情况下,节理岩体的力学特性有本质的区别。岩体高边坡工程的力学状态主要为卸荷。在三峡工程永久船闸高边坡的研究中,作者提出了“各向异性卸荷岩体力学的新概念”,得出了与目前常规岩体力学研究不同的结论。该研究成果已被多项边坡工程和地下工程实例所验证。以前应用该理论对三峡永久船闸陡高边坡的研究成果,也日益为监测资料所验证。     

当前岩石力学研究中若干关键问题的思考与认识

 本文作者对当前岩石力学发展中的若干关键问题提出了自己的看法和建议。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作了评述,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了建议。最后对其它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。     

压力分散型锚索锚固段的设计方法

边坡加固技术是工程界一直关注的重要课题,边坡开挖后坡体内应力调整和位移变化的复杂性,对加固技术有了新的要求,而在此方面国内起步较晚,且多数采用拉力(分散)型锚索对岩体实施预加力。经过大量试验结果表明,在破碎岩体中,当锚索长度大于8～10 m后,拉力(分散)型锚索的承载力无法获取较高的锚固力,而压力分散型锚索的受力性能不仅合理,而且在这种地层中可以实现较大的承载力,本文结合二康公路现场实践,采用Winkler假设,基于锚索粘结应力分布的特点,通过锚索锚固段受力状态分析和应力分布规律,利用理论与试验结果相对比,提出一种新的设计方法,及基于峰值粘结应力的计算方法,并通过具体工程实例验证,这种计算方法是符合压力分散型锚索在破碎岩体边坡加固中的受力模式,与现场试验是完全吻合的,具有一定的参考价值,供工程界参考。     

考虑深部岩体各向异性强度的井壁稳定分析

目前在工程设计中,仍粗略地将节理岩体近似为各向同性体,在考虑节理对岩体强度的弱化作用时,均根据节理连通率对完整岩石的抗剪强度参数进行折减,因而未能反映岩体的各向异性特性。这对于浅部岩体工程来讲,也许是可以接受的,但随着建井深度的增加,进入深部状态的岩体表现出更强的各向异性特征,岩体的各向异性将不能忽略。将节理各向异性几何分布特征对岩体力学性能的影响通过微面的节理连通率来反映,从莫尔–库仑抗剪条件出发,采用方向分布函数分析方法,曾提出了一个基于二阶连通率组构张量的节理岩体各向异性强度准则。简要论述该各向异性强度准则,根据该准则研究了井筒的弹性稳定问题。研究表明:考虑岩体的各向异性强度对井筒进行钻井灌浆分析时,在给定的泥浆压力下,沿最大地应力方向钻井的安全系数并不一定比沿其他方向钻井的安全系数高。     

一种岩体工程黏性流动变形预测的新方法

 为了对岩体工程的黏性流动变形进行预测,依据弹性问题位移分量的古萨(Goursat)表达式和弹–黏弹性比拟原理推导相对位移矢量增量公式,并建立变形预报模型,给出变形预报的方法步骤。该方法不是直接求出真实的时间、介质物性参数以及边界条件的值,而是求出一组组合值,通过相对位移矢量增量公式进行预测。无需复杂的应力边界和位移边界条件,能够考虑岩体介质的本构特征,实现长期的两维变形预报。然后将其应用到具有黏弹性解析解的边坡算例中,结果表明：短期预报的精度较高,误差小于10%,长期预报时误差约为23%。最后,结合边坡开挖讨论这一方法的工程适用性,为岩体工程黏性流动的长期两维变形预报提供理论基础和实用方法。     

深部裂隙岩体锚固机制研究进展与思考

 高地应力、高地温、高渗透压以及强时间效应使得深部裂隙岩体表现出一定的延性、蠕变性等软岩力学特性,现有锚固理论落后于工程实践的现状,导致许多锚固工程设计多采用经验、半经验方法。几十年来,国内外诸多学者对深部岩体锚固机制开展了大量现场、室内试验及数值计算工作,岩体锚杆锚固作用机制方面的理论研究取得了丰硕成果,但由于深部岩体所处地质条件的复杂性,这些成果普适性和准确性较低。结合已有的锚固理论,运用合理的数值模拟方法与现场、室内试验对岩土锚固机制进行深入研究,进而指导锚固工程设计施工具有重大意义。对深部裂隙岩体锚固机制研究现状进行了系统全面的总结,归纳分析了该研究领域存在的关键科学问题,主要包括：选择合理的锚固力学传递计算模型、正确描述锚固体应力分布规律、建立合理的锚固界面力学模型。深部裂隙岩体锚固机制研究应综合考虑工程应用效果和加锚岩体形态、加锚构件效应等因素。     

香港排污隧道工程水压致裂法地应力测量研究

初始地应力状态是岩石地下工程设计中的重要参数，而水压致裂法是深部岩体应力测量的理想方法。文章介绍了水压致裂法地应力测量原理及其在香港本岛排污工程隧道沿线11个钻孔（深度130—430m）中的测量实例。测量结果分析表明，隧道高程的最大水平主应力5～20MPa，侧压力系数0．6～1．5，对于工程所处的结晶硬岩而言，属于中等地应力水平；最大水平主应力方向与隧道走向的夹角一般较小，即地应力对隧道稳定性比较有利。另外从地应力场的角度对工程施工提出了建议。     

Hoek-Brown准则在初始地应力场评估中的应用研究

以基于岩体波速的Hoek-Brown准则为理论基础,根据岩体的稳定性条件建立了初始地应力场中水平地应力σ_H取值范围的计算模型,并通过已有的地应力测量数据验证了计算模型的合理性。在该计算模型的基础上,对平均水平地应力σ_Hmean、水平地应力和垂直地应力的比值σ_H/σ_V、侧压系数λ沿深度h的分布特征进行了研究,从岩体稳定性的角度较合理的解释了σ_H/σ_V在地层中的分布现象。在给定σ_Hmean和λ沿h分布的边界条件的基础上,建立了σ_Hmean和h之间、λ和h之间的非线性函数关系式,并将后者应用于工程实例中的初始地应力场计算。结果表明:在此初始地应力场条件下模拟出的岩体开挖后的应力和位移分布与现场地质调查情况基本相符,在地应力资料缺乏的情况下为初始地应力场评估提供了新的思路和方法。     

Seepage–stress coupled analysis on anisotropic characteristics of the fractured rock mass around roadway

Anisotropic properties of the fractured rock masses are investigated considering the coupled effect of the seepage and stress. The equivalent permeability and damage tensor of the fractured rock mass are initially examined using a series of Discrete-Fracture-Network (DFN) models with varied size and orientations from the geological investigation data of the sandstone roadway on the floor of 12# coal seam in Fangezhuang Coal Mine. A seepage–stress cross-coupling anisotropic model considering the coupled effect of the seepage and stress is described and applied to analyze the influence of the principal orientations of the joint sets on the anisotropic properties of the rock mass. It appears that the anisotropic properties of the rock mass have a great influence on the stress distribution, hydraulic conductivity coefficient and damage zone. The model may contribute to a more reasonable explanation on the dominant effect of the joint sets on deformation and failure of rock mass.