深部岩体的构造和变形与破坏问题

随着经济建设与国防建设的有断发展，地下空间开发不断走向深部，如逾千米乃至数千米的矿山（如金川镍矿和南非金矿等）、水电工程埋深逾千米的引水隧道、核废料的深层地质处置、深地下防护工程（如700m防护岩层下的北美防空司令部）等。伴随着深部岩体工程响应发生了一系列新的特征科学现象，这些特征科学现象与浅部岩体工程响应相比具有迥异的特点，而且用传统的连续介质力学理论无法圆满地进行解释，从而引起了国际上岩石力学工程领域专家学者的极大关注，成为近几年该领域研究的热点。根据深部岩体的构造特点、高地应力及含能和非协调变形的特点，围绕深部岩体工程响应发生的静、动力特征科学现象，提出了深部岩体的构造和变形与破坏需要研究的科学问题。     

武隆鸡尾山滑坡发生机制与裂缝成因分析

由于鸡尾山向山体内斜倾岩体发生滑坡有其特殊性,必须搞清楚滑坡发生岩体的地质环境、地质结构与几何形态的特殊性、以及岩体与滑面的力学性质,进行滑体的稳定性与裂缝成因分析。在考虑滑体几何形态特征、地质结构与构造特征、岩体的岩溶裂隙发育性质、具有较大压缩性条件下,推导新的稳定性分析与岩体蠕滑压缩的弹性模型公式,计算弱层滑面与前侧壁面的等抗剪强度参数,估算滑动岩体的压缩量(即T0裂缝的内外侧宽度),从而证明T0裂缝是由滑体压缩发生的扩张裂缝,而不是有些研究中主张的拉裂缝,也证明蠕滑是由滑动岩体压缩而发生。根据滑体的几何重心靠外,产生偏心压与外侧压缩量大等原因,分析T1裂缝属拉张裂缝。分析计算结果表明,由于蠕滑导致滑体前部应力、应变最大,达到岩体压缩破坏强度,发生滑体前部岩体压碎并剪断前侧壁,从而解释了滑坡失稳原因。利用岩体蠕滑的弹性压缩模型公式,估算该岩溶裂隙灰岩滑体不同地段的压缩应力、前部岩体破坏应力、压缩量以及压缩模量和方向裂隙率。     

高地应力下白鹤滩地下洞室群含错动带岩体破坏模式及机制研究

 在建的白鹤滩地下洞室群规模巨大,具有“高边墙、大跨度、高地应力、复杂地质条件”的特点,在高应力开挖卸荷过程中,遭遇到延展性强且力学性质差的多条大型错动带的影响,使得含错动带岩体遭遇到不同程度的变形破坏问题。结合地质、施工、监测、测试及数值分析等资料,首先从错动带产状、成因和自身特点等方面对错动带的工程特性进行详细论述,然后对因错动带导致工程岩体结构变形失效或破坏的实例进行归纳总结,从结构控制因素上将含错动带岩体的破坏模式划分为塑性挤出型拉伸破坏、结构应力型塌方/掉块和剪切滑移型破坏3种类型;其次,研究分析各类含错动带岩体的破坏特征与机制,包括时空演化过程、形态特征、破坏规模等,初步揭示3种破坏模式对应的力学机制;最后,给出典型的含错动带岩体破坏模式分析预测和支护探讨实例,从而为白鹤滩地下厂房施工过程中含错动带岩体不稳定性问题的预测和调控提供借鉴。上述研究成果对于高应力条件下类似的地下洞室群含错动带岩体的稳定性研究具有重要的参考价值和指导意义。     

关于符合马克斯威尔、鲍埃丁—汤姆逊和H—K模型的粘弹性岩体的位移反分析原理

在软弱岩体中设计地下工程时,考虑到岩体的流变性质确定其力学参数和地应力是必要的。本文给出了符合马克斯威尔、鲍埃丁—汤姆逊和H—K粘弹性力学模型的岩体在开挖地下圆形隧洞时的相对径向位移公式。在这些位移公式中包含全部待定的未知数,当圆洞的相对径向位移值可以测定时,我们就有可能由位移反分析法求得这些未知参数。为了使反分析能够易于实现,我们采用了两步反分析法,其优点在于减少了每一次反算参数的个数,因而大大的加快了反分析的速度。     

核废料地质贮存介质黏土岩的三维各向异性热–水–力耦合数值模拟

为了解黏土岩在放射性废料长期贮存中的热–水–力耦合过程，结合Mont Terri核废料贮存地下岩石试验工程中黏土岩各种物理量的各向异性特点，应用多孔介质力学耦合理论研究了该黏土岩在加热和冷却全过程中由于热荷载引起的耦合效应场。研究过程考虑温度升高引起的孔隙水黏滞性改变对渗透系数的影响。研究结果表明，岩体力学参数、水力学参数和热传导参数的各向异性特性是影响岩体的温度场、孔隙压力场和应力场分布的最主要因素。各向异性耦合模型与各向同性耦合模型的数值模拟对比研究结果表明：各向异性模型数值结果能更加客观地反映该地下岩石试验工程中黏土岩在受热状态下的热–水–力耦合效应；同时，也表明岩体在加热过程中一直处于受压状态，而在冷却过程中局部会出现拉应力，从而有可能导致拉裂缝的产生。     

加锚岩体侧向冲击载荷下动力响应规律研究

锚杆支护系统是控制深部脆性岩体动力灾害的重要技术手段,但动态锚固理论仍滞后于工程实践。根据实际工程中锚杆支护脆性岩体动态破坏特点,通过室内相似物理模型试验研究了加锚岩体侧向冲击载荷下的动力响应规律,分析冲击能量和锚杆力学特性对岩体力学行为的影响。试验结果表明:加锚岩体裂缝模式以剪切裂缝和受弯裂缝为主,跨中斜裂缝密集性高,斜裂缝与垂直方向夹角约45°,加锚岩体中的锚杆强度和韧性能抑制裂缝的发育,尤其是抑制贯通的裂缝。锚杆强度越高、冲击吸收功越大,加锚岩体的裂缝开度越小,加锚岩体整体吸能能力越强;冲击速度和锚杆强度对加锚岩体的落锤冲击力和锚杆轴力有一定影响。冲击速度越大,加锚岩体的冲击力平台值和锚杆轴力平台值越大,相应的作用时间越短;锚杆强度越高,冲击力平台值相应越大,冲击作用时间越短,冲击力衰减斜率越大;锚杆可显著提高岩体表面的应变峰值,改善岩体表面的拉应变状态。整体来看,锚杆强度和韧性对岩体抗冲击性能影响显著,通过提高锚杆强度和韧性可改善岩体的抗冲击性能。     

柱状节理岩石的形成特征及其工程性质分析

根据聚类方法分析了固体表面均匀收缩裂纹的类型及其与柱状节理之间的关系;分析了不同性质岩浆的粘度和结晶时间对柱状节理的影响,并对不同性质岩浆形成柱状节理的难易程度进行了总结;根据岩浆岩柱状节理的形成特征总结了柱状节理特定裂缝形成的主要影响因素,分析了热收缩和物质散失两种因素对裂缝的影响并详细推导了柱状节理岩体裂纹宽度的计算公式,并在此基础上利用泥巴山隧址区的流纹岩柱状节理进行了裂纹宽度的相关验证;模拟和分析了柱状节理岩体的工程力学特性,获得了泥巴山隧址区含柱状节理岩体的构造应力场并进行了相关力学特性分析。     

一个新的节理岩体力学分析模型及其应用

在节理岩体内建设地下空洞和隧道等岩土构筑物时,由于岩体变形的预测比较困难,设计时常只好采用经验的方法。本论文把节理岩体和锚杆加固后的节理岩体近似地作为等价连续体,提出了表现其力学特性的一个新的本构方程式。由于这一力学模型详细地反映了节理力学特性的影响和节理面同锚杆的相互作用,并可以在通常的固体力学范畴内进行处理,借助于有限元方法,有可能在工程实际中得到广泛的应用．     

在试验室测定混凝土热应力和裂缝敏感性的试验方法

2.1概述 热应力计算和预测裂缝危险性需要输入许多数据，如混凝土热的性质和力学性质。然而，最重要的混凝土早期性能，如弹性模量和应力松弛，是在一个很宽的范围持续变化的。这些性质的发展变化无法用普遍适用的方程式预测，因而混凝土早期的应力计算很容易出错。在近几年中，人们尝试了两种新方法。     

高应力硬岩地区岩体结构对地下洞室围岩稳定的控制效应研究

官地水电站地下厂房属典型的硬岩地区深埋大型地下洞室群,其重要特点是同时面临高地应力和结构面发育这2个不利条件,实测最大主应力为25～35 MPa,厂区无大的断层和软弱结构面,但错动带和裂隙十分发育。通过对地下洞室群施工过程中出现的围岩局部失稳破坏现象进行全面的分析整理,对三大洞室的岩体结构特征和围岩变形破坏模式进行系统的分析、比较和总结,从而对影响围岩稳定的两大控制因素——地应力和岩体结构对官地地下厂房洞室群围岩稳定的影响程度和方式进行分析和对比。研究表明,由于三大洞室围岩类别以II类为主,岩体结构以块状～次块状结构为主,围岩具有较高的力学强度和强度应力比,从而具有较强的抵抗应力破坏的能力;岩体结构对地下厂房围岩变形与稳定的控制作用较地应力则更为明显,地下洞室群开挖过程中出现的局部失稳或较大变形多与不利方位的结构面直接相关。三大洞室围岩岩体结构特征总体上的相似性非常明确,反映在三大洞室围岩的变形特征和破坏模式上具有很好的统一性。然而,三大洞室的岩体结构特征也存在一定的差异,导致岩体结构影响围岩稳定的方式和程度有所不同。结构面发育造成的另一个不利影响是为坚硬岩体在高地应力条件下产生卸荷时效变形提供了内部条件。因此,在强度应力比较高的硬岩地区,应充分重视岩体结构及其演化对围岩变形和稳定的控制效应。     

P波方位AVO在煤层裂缝探测中的应用

探测煤层中的裂缝对于煤田的安全生产具有重要的意义。由于地层上覆载荷的压实作用,水平和低角度裂缝近乎消失,保留下来的是高角度和近于垂直的裂缝,而正是这类裂缝引起了地震P波方位各向异性的传播特征。所以地震P波的方位各向异性反映了地下介质裂缝的发育情况,尤其是P波方位AVO属性,对裂缝的发育程度具有较好的敏感性。通过对P波方位AVO属性的分析,能得到地下介质裂缝的发育情况。基于利用P波方位AVO属性探测裂缝的理论和实用方法,对淮南煤田某矿区的纵波地震资料进行对比和分析,得到了本矿区某煤层的裂缝发育分布情况,其预测结果符合实际井孔实测资料,表明此方法有效。     

沥青混合料抗裂性能评价指标的试验研究

基于沥青路面裂纹扩展行为,设计预切口小梁试件的疲劳试验,以模拟其复合裂纹扩展模式;以疲劳寿命指标来评价沥青混合料的抗裂性能,同时进行沥青混合料的低温弯曲试验和J积分试验,试验混合料采用4种低温性能差异显著的沥青胶结料.判别各项评价指标对试验混合料抗裂性能的鉴别程度,并分析沥青低温临界温度指标、低温弯曲试验指标、J积分试验指标与预切口小梁疲劳寿命的相关性.结果表明:以混合料疲劳性能为基准的混合料抗裂性能排序与沥青胶结料临界温度的排序一致,也与沥青混合料低温弯曲试验和J积分试验中能量指标的排序一致.     

岩体损伤-弹塑性非线性有限元分析

 根据岩体破坏的特点, 在不同三维应力水平上分别用正交各向异性非线弹性损伤、弹塑性及三轴破坏强度准则, 研究了在受拉区损伤2开裂、在受压区损伤2塑性、在拉压区损伤2塑性2开裂破坏, 以及开裂后的非线性破坏特性。为确定结构的潜在安全度提供了新的途径。     

基于特征约束的地下空间一体化数据模型研究

地下空间的开发利用要求将地层和地下构筑物进行一体化建模.传统的地学建模方法仅面向地层建模,对地下构筑物考虑较少.基于特征约束的地下空间一体化数据模型将地层的钻孔数据约束和地下构筑物的设计参数约束统一为离散点的特征约束,运用边界表示法对地下空间进行一体化建模,从而将地层建模和地下构筑物建模统一起来,构成地下空间一体化数据模型.该数据模型将地下空间的属性数据和空间数据一体化存储,保证了属性数据和几何数据的关联性、一致性和完整性;另一方面,该数据模型将地下空间的几何信息和拓扑信息分开存储,有利于图形描述、几何特性计算和图形的高分辨率显示.作者阐述了这一模型的基本原理,并给出了数据结构.     

A dimensional analysis on asphalt binder fracture and fatigue cracking

Fracture and fatigue cracking in asphalt binder are two of most serious problems for pavement engineers. In this paper, we present a new comprehensive approach, which consists both of dimensional analysis using Buckingham Π Theorem and J-integral analysis based on classic fracture mechanics, to evaluate the fracture and fatigue on asphalt binder. It is discovered that the dimensional analysis could provide a new perspective to analyze the asphalt fracture and fatigue cracking mechanism.     

碾压混凝土拱坝诱导缝开裂的等效应力准则研究

通过多组不同削弱度的深埋椭圆裂缝、深埋矩形裂缝、穿透裂缝三种形式的碾压混凝土试件单轴拉伸试验结果,建立深埋矩形裂缝碾压混凝土试件的应力强度因子的近似解析表达式,考虑尺寸效应得到碾压混凝土材料的断裂韧度。根据碾压混凝土拱坝诱导缝构造特点,分别将矩形诱导缝简化为修正穿透裂缝模型和修正深埋椭圆裂缝模型,假定为I型开裂,考虑相邻裂缝的影响,采用虚拟裂缝模型和线弹性断裂力学相结合的方法建立裂缝失稳扩展时的亚临界扩展量和等效断裂韧度的解析表达式,应用双K断裂准则,建立碾压混凝土拱坝诱导缝开裂的等效应力准则。并将此结果应用到三维非线性应力场仿真计算中,对沙牌碾压混凝土拱坝进行非线性开裂计算分析。     

锦屏一级水电站地下厂房围岩开裂变形机制研究

针对锦屏一级水电站地下厂房高应力、低强度应力比条件下开挖施工引起的围岩变形开裂及相关力学问题,从全空间赤平投影解析、平面投影应力特征等多角度全方位研究地下厂房区地应力场分布特征及规律;并结合力学定性分析和三维数值模拟等手段对地下洞室群围岩变形开裂机制进行深入分析,研究洞室群围岩开挖损伤演化规律。研究表明,锦屏一级地下厂房区域出现的围岩、喷层较大变形乃至破坏现象本质上是由高地应力和相对较低的岩体强度形成的不利组合所造成的,在主厂房、主变室的拱腰、拱座和边墙以及母线洞侧墙等部位出现的开裂破坏,属于典型的高应力、低强度应力比条件下围岩的卸荷变形与破坏。提出锦屏地下厂房围岩变形开裂概化模型,为地应力场反演和施工过程的数值仿真分析提供重要参考和定性依据;最后针对开挖维护围岩稳定性问题提出相应的建议,为锦屏一级地下厂房的开挖施工及动态支护设计提供技术支持。     

混凝土断裂能G_F的尺寸效应

断裂能ＧＦ是基于虚拟裂缝模型并考虑了混凝土软化特性的断裂参数，这个参数在混凝土的非线性开裂计算中是必不可少的．本文采用楔入劈拉法研究了试件高度对混凝土断裂能的影响．研究结果表明，ＧＦ在一定范围内存在尺寸效应．然而当试件高度ｈ＞５００ｃｍ时，基本上无尺寸效应．这一结论对大体积混凝土结构的非线性开裂计算有着重要的意义．     

混凝土早龄期性能与裂缝控制

从混凝土微观结构出发,研究普通混凝土、高性能混凝土成型过程的时变温度场;对裂缝持续增长的早龄期混凝土物理、力学特性进行深入、系统的研究;综合考虑混凝土材料、结构特征,研究混凝土结构早期裂缝的成因机理、分析方法与控制措施;提出裂缝开展的预测和控制方法,建立裂缝扩展过程的损伤模型;在理论分析与试验研究的基础上,总结了混凝土早龄期的水化、温度、收缩、徐变、力学性能和断裂性能随时间的发展规律;综合分析各种因素对混凝土早期开裂的影响,推导了混凝土结构内部应力的增量计算方法。对室内试验与实际工程的研究表明：对混凝土早期开裂的分析应该是对混凝土温度、收缩、徐变、力学性能、结构特征等因素的综合动态分析,提出的混凝土早龄期开裂分析模型与试验结果吻合良好,采用理论模型结合数值模拟的方法可以有效提高分析过程的效率与准确性。图18参22     

地下高压钢筋混凝土岔管渗水开裂三维数值分析计算

根据地下高压钢筋混凝土岔管受内水压力初砌开裂后的渗流场变化特征，提出了高压管道内水外渗的渗流场与应力场耦合的三给有限元数值分析方法。根据地下高压钢筋混凝土岔管衬砌开裂破坏规律，给出了高压管道受内水压开裂的裂缝宽度估计公式和混凝土衬砌结构的配筋计算方法。通过对实际工程的分析计算，论证了高压管道内水外渗的初砌结构配筋的影响，为地下高压管道的设计提供了一种有效的分析方法。