用于分析岩爆倾向性的剩余能量指数

通过分析岩石变形破坏过程中的能量变化，提出以岩石在峰值强度前储存的弹性应变能和峰值强度后稳定破坏所需的能量耗散之差（即剩余能量）与峰值强度后稳定破坏所需的能量耗散之比作为剩余能量指数，以反映岩石在峰值强度后区的动态特性；推导了剩余能量指数计算公式，并给出了其试验测定方法。此外，分析了将剩余能量指数作为岩爆倾向性指标的合理性，并采用铜陵有色金属冬瓜山深部矿床的典型矿岩进行了峰值前的循环加，卸载试验和变形破坏全过程试验，结合该矿床实际岩爆资料，对剩余能量指数与现有基于能量理论的岩爆倾向性指标进行分析，结果表明该指标能够较好地反映岩石的岩爆倾向性。     

岩石残余强度与变形特性的试验研究

设计了可以测得岩石破坏后侧向大变形的双悬臂梁式位移传感器，通过对岩石残余强度与变形特性的研究，得到了岩石破坏后残余强度、变形与围压之间的定量关系．     

深部开采软岩巷道耦合支护数值模拟研究

通过对深部开采软岩巷道的变形破坏机理的研究发现，巷道变形破坏主要是由于支护体力学特性与围岩力学特性在强度、刚度以及结构上出现不耦合所造成的；且变形首先从关键部位开始，进而导致整个支护系统的失稳．因此，要保证深部软岩巷道围岩的稳定性．必须实现支护体与围岩的耦合．数值模拟研究表明，当锚杆与围岩在刚度上实现耦合时，能最大限度地发挥锚杆对围岩的加固作用；当锚网与围岩在强度上实现耦合时，将会使围岩的应力场和位移场趋于均匀化；当锚索与围岩在结构上耦合时，可以充分利用深部围岩强度来实现对浅部围岩的支护．实践证明，软岩巷道耦合支护可以有效解决深部开采软岩巷道支护问题。     

热循环影响的细粒致密花岗岩力学特性试验

深部岩土工程常常面临复杂变温环境，岩石力学特性热循环效应对于储层与围岩稳定性评估以及岩石材料合理利用至关重要。而对于细粒致密花岗岩地热储层，其力学特性关系到能源高效开采及工程安全问题。因此，本文对花岗岩试样开展了热循环实验、单轴压缩实验和光学显微镜观测实验，以研究其破坏特征、力学参数变化以及细粒致密结构对花岗岩力学特性影响机制。结果表明，岩石的破坏特征与力学性质随着热循环温度和次数的变化趋势与结构紧密相关；对于细粒致密结构的花岗岩，其单轴抗压强度与弹性模量随着热循环上限温度和次数增加而逐渐降低，在超过10次热循环后抗压强度降低速率变得缓慢；热循环上限温度升高能够提高花岗岩力学性质随着热循环劣化的敏感性；300℃以内热循环不会改变细粒致密花岗岩脆性破坏特征；通过显微观测分析表明，热循环能显著促进花岗岩裂纹扩展，在20~300℃热循环20次后其线性裂纹密度为1.69 mm-1，是热循环1次的1.5倍；由于结构细粒致密，约束了花岗岩矿物颗粒的膨胀压密效应，造成热应力诱发的裂纹萌生与扩展演化作用占据优势，进而宏观力学参数随着相应线性裂纹密度呈现非线性降低。本次研究对于变温环境下深部岩土工程力学问题相关探索具有一定基础参考价值。     

基于统计理论的岩石动态损伤本构模型研究

抓住岩石微元强度具有统计规律的特点，将岩石微元体抽象为弹性损伤体与各向同性粘性体的并联体，根据岩石在动态荷载作用下的受力特点，建立了岩石动态统计损伤本构模型。与以往动态本构模型相比，该模型参数少，便于工程应用，并能考虑动载方向以及围压对岩石变形特性的影响，同时，对岩石破坏过程的峰后曲线亦有较好的描述。结合室内三轴试验对模型的可行性进行了验证，结果表明，计算值与试验数据吻合较好，能满足工程应用的需要。     

脆性材料斜裂纹扩展的数值试验与破坏模式分析

目的分析含斜裂纹脆性材料的破坏过程，研究不同裂纹对脆性材料力学性质的影响，确定斜裂纹的破坏模式．方法利用岩石破裂过程数值分析系统rpfa^2D对含一条斜裂纹岩石和三条斜裂纹岩石的破坏过程进行数值试验。应用断裂力学的方法对破坏模式进行理论分析．结果得到了单轴压缩条件下，含一条斜裂纹和三条斜裂纹岩石的整个破坏过程，确定了斜裂纹的破坏模式．结论数值试验的结果表明，单轴压缩条件下三条斜裂纹的扩展，一开始发生在内部裂尖，内部裂尖扩展到临近的预置裂纹之后，外部的裂纹开始扩展；含单裂纹岩石的强度约为三裂纹强度的1．2倍．但三裂纹的残余强度比单裂纹高．数值试验和应力强度因子法得到同样的结论：单轴压缩条件下含一条、三条斜裂纹岩石的初始扩展为压剪破坏，当两裂纹尖端开始扩展之后。形成的翼型裂纹破坏模式为拉剪破坏．笔者提供了一种研究复合型裂纹扩展和断裂破坏模式的新方法．     

充填体包裹岩石组合强度与破坏机理研究

充填体与岩石的组合力学特性及破坏机理是深部充填法开采中的重要研究方向，对于保障地下采场安全、维护地下采场结构的永久稳固至关重要.文章针对充填体包裹岩石(BR)这一组合结构试件开展了单轴、三轴力学试验研究，分析了应力-应变曲线、峰值强度、破裂模式和等效力学特性，探索了体积分数及围压对组合结构承压特性及破坏机制的影响.结果表明：充填体能够抑制尺寸效应对岩石破裂模式产生的影响；BR试件的三轴全应力-应变曲线呈现出多峰值、阶梯式下降现象，兼具脆性和延性破坏特征；随着围压的增加，BR试件破裂模式以剪切破坏为主，趋于集中在上端部；结构面抑制了BR试件的侧向形变.基于试验结果和连续介质理论，从力学角度分析了BR组合结构的三向受力机理，构建了组合破坏强度模型.研究结论对于补充充填体与岩石相互作用理论研究和优化地下充填采场结构稳定性控制具有重要的科学意义.     

节理分布对岩体破坏影响的数值模拟研究

为研究含断续节理岩体的宏观破坏过程和特征，采用岩石破裂过程分析RFPA^2D系统，分析了断续节理岩体中裂纹的产生、扩展机理与过程．结果表明，当节理倾角从30°，45°到60°时，岩体强度从小到大增加，并且破坏前期的声发射现象增强、变形增大；随着节理密度的增大，裂纹的产生从互不影响到相互抑制，裂纹扩展长度减小；中间节理受压剪作用很快与相邻节理贯通导致节理岩体破坏．据此，明确界定断续节理产生贯通破坏的范围就是围岩破裂区．     

岩石变形破坏过程中的能量传递和耗散研究

岩石变形破坏的过程是和外界产生能量交换的过程.从理论上分析了用能量方法研究岩石破坏问题的合理性,以及岩石在变形过程中弹性能、塑性能、表面能、辐射能、动能之间相互转化的过程、计算原理、以及对岩石破坏所起的不同作用.并分别从宏观和微观的角度研究了在不同的变形阶段中岩石能量耗散与释放问题.在宏观上,岩石变形前期以弹性应变能的方式存储外界提供的能量,同时又通过损伤演化等向外界耗散能量;变形的后期以剧烈的能量释放为主.微观上,存在多种引起岩石应变硬化和应变软化的机制,岩石存储能量还是向外界释放能量取决于这些微观机制竞争的最后结果,基于此推导了岩石变形中能量的传递方程,用试验研究了能量的转化和平衡,以及耗散能和释放能之间的比例关系.结果表明能量耗散导致岩石强度的降低,而能量释放是造成岩石灾变破坏的真正原因.从能量耗散与释放的观点研究岩石的破坏,可以从本质上把握岩石变形和破坏的物理机理,寻找岩石破坏的真正原因,为实际工程提供参考.     

岩石压剪断裂及其强度特性分析

籍助于断裂力学的理论和有限元数值计算方法，分析了压剪断裂过程中裂纹尖端应力场的演变规律；修正了应力强度因子的有关计算式，建立了表征初裂的新的断裂准则；反映了裂纹几何尺寸、分布规律、裂纹面物理力学性质、岩石材料断裂韧度，以及围压效应对岩石压剪断裂的影响．     

TBM挤压大变形隧洞管片错台及加固机理研究

软岩是重大交通、水电、矿山等工程建设中经常遇到的复杂介质,高地应力作用下软岩地下工程很容易产生围岩大变形,不仅对施工安全造成影响,而且还会造成建设工期和成本的迅速增加。软岩大变形已成为我国交通、水利、深部资源开发等工程领域亟待解决的重大课题。本研究以引大济湟隧道掘进机(tunnel boring machine, TBM)挤压大变形导致的管片错台为例,通过对现场监测成果的反演分析,系统研究挤压大变形不同错台的修复与控制方法,本研究成果对其他膨胀泥岩卡机事故脱困以及管片错台的工程具有指导意义。     

岩层走向对地下洞室围岩稳定的影响

层状岩体沿层面方向和垂直于层面方向的物理力学特性各异,表现出明显的各向异性,其破坏形式也与一般各向同性岩体不同.根据层状岩体的物理力学性质分析了其破坏特性及其迭代计算方法.采用三维非线性弹塑性有限元数值计算方法,从变形、破坏、应力和扰动综合分析了层状岩体中岩层走向对洞室围岩稳定的影响.通过对一工程实例中各种洞室厂房轴线的计算和比较,结合工程经验,得出层状岩体中地下洞室的合理轴线布置方式.分析结果与工程实际相吻合,为工程设计提供了比较可靠的理论依据.     

Experimental study on the mechanical and failure behaviors of deep rock subjected to true triaxial stress: A review

It has become an inevitable trend of human development to seek resources from the deep underground. However, rock encountered in deep underground engineering is usually in an anisotropic stress state (σ₁>σ>σ₃) due to the influences of geological structures and engineering disturbances. It is therefore essential to study the mechanical, seepage, and dynamic disaster behaviors of deep rock under true triaxial stress to ensure the safe operation of deep rock engineering and the efficient exploitation of deep resources. In recent years, experimental techniques and research on true triaxial rock mechanics have achieved fruitful results that have promoted the rapid development of deep rock mechanics; thus, it is necessary to systematically review and summarize these developments. This work first introduced several typical true triaxial testing apparatus and then reviewed the corresponding research progress on rock deformation, strength, failure mode, brittleness, and energy as well as the 3D volumetric fracturing (dynamic disaster) properties of deep rocks under true triaxial stress. Then, several commonly used true triaxial rock strength criteria and their applicability, the permeability characteristics and mathematical models of deep reservoir rocks, and the disaster-causing processes and mechanisms of disturbed volumetric fracturing (rockburst, compound dynamic disasters) in deep rock engineering were described. This work may provide an essential reference for addressing the true triaxial rock mechanics issues involved in deep rock engineering, especially regarding the stability of surrounding rock at depth, disaster prevention and control, and oil and gas exploitation.     

Influence of dynamic pressure on deep underground soft rock roadway support and its application

Due to high ground stress and mining disturbance, the deformation and failure of deep soft rock roadway is serious, and invalidation of the anchor net-anchor cable supporting structure occurs. The failure characteristics of roadways revealed with the help of the ground pressure monitoring. Theoretical analysis was adopted to analyze the influence of mining disturbance on stress distribution in surrounding rock,and the change of stress was also calculated. Considering the change of stress in surrounding rock of bottom extraction roadway, the displacement, plastic zone and distribution law of principal stress difference under different support schemes were studied by means of FLAC3D. The supporting scheme of U-shaped steel was proposed for bottom extraction roadway that underwent mining disturbance. We carried out a similarity model test to verify the effect of support in dynamic pressure. Monitoring results demonstrated the change rules of deformation and stress of surrounding rock in different supporting schemes. The supporting scheme of U-shaped steel had an effective control on deformation of surrounding rock. The scheme was successfully applied in underground engineering practice, and achieved good technical and economic benefits.     

喷锚支护措施对地下厂房洞室群整体稳定性影响

喷锚支护措施由于其诸多的优点,在地下工程中得到了广泛的应用。以隐式杆单元模拟锚杆,以壳单元模拟混凝土喷层,采用3维非线性有限元技术,分析冗各水电站地下厂房工程中喷锚支护措施的作用。通过计算得到了喷锚支护措施对围岩应力变形及塑性区的影响;利用强度折减法对地下厂房洞室群的整体稳定性进行计算分析,得到无支护措施情况和喷锚支护时洞室整体稳定性,从而评价支护措施对洞室群整体稳定性的影响。通过3维弹塑性有限元计算分析得到:喷锚支护措施可以有效地限制围岩的变形和塑性区的发展,可以在一定程度上改善围岩应力状态,避免应力集中,使洞室群整体稳定安全系数由1.8提高为2.5,有效提高了地下洞室的整体稳定性。     

非连续岩体破裂机理及其工程稳定性研究

本研究为应用基础研究,以解决工程实际问题为目的,以围岩中客观存在的破裂区为主线,从对地下工程稳定性问题的评价入手,以相似材料模型试验和数值模拟计算为基本手段,以断裂力学为基础,研究了断续节理岩体的细观破坏机理、宏观破坏过程及其对围岩破裂区和围岩碎胀变形的影响规律;研究了断续节理岩体中围岩破裂区的性质、破裂区与地下工程稳定性的关系等问题,提出了以围岩破裂区和围岩收敛量作为判定围岩稳定性方法,为采矿工程的设计、施工和生产提供了较为可靠的决策依据.本文获得以下主要结论:1)围岩破裂区是一个综合数量指标,采用以围岩破裂区厚度作为围岩稳定性评价的指标.2)采用数字照相变形量测方法来测量围岩的变形,较好地解决了平面应变模型试验中的变形量测问题,符合非接触变形量测的发展趋势.3)断续节理岩体的破坏机制为:在集中应力作用下,节理端部岩桥首先发生张拉破坏,新生的岩桥裂纹与邻近原生节理相互串通,最终形成阶梯状滑移面而使岩体强度丧失.4)当节理两端的次生裂纹扩展长度l=h/sinβ时,节理岩体将产生贯通破坏.5)在节理岩体中,围岩破裂区是由于新生裂纹与节理相互贯通导致纵横交错的贯通裂隙所致,断续节理贯通破坏的边界可定义为围岩破裂区的边界.6)通过相似模型试验发现,当节理密度大时,围岩破裂区会跨越相邻节理;反之,节理对围岩破裂区的扩展有阻隔作用.7)围岩收敛速率的第一次突然增大,预示围岩中已产生破裂区,而围岩收敛速率的每一次突然增大,意味着围岩产生了剧烈的破坏.8)当节理角度在30°～75°之间时,节理角度对岩体强度的影响较大,并且在60°左右时岩体强度最低,稳定性也最差.9)当巷道的收敛量达到或超过2.5%时,巷道围岩中将产生破裂区;当巷道的收敛量达到或超过5%时,巷道将发生冒顶事故,已处于失稳状态;当巷道的收敛量达到或超过22.8%时,巷道将完全毁坏,并失去了人工稳定的可能.     

人防软岩隧道支护技术的研究与应用

根据软岩大地压、难支护和持续变形破坏的工程特征,提出了软岩隧道关键部位的支护概念,并分析了关键部位的支护原理．工程实践中采用非等强耦合控制技术与注浆强化技术对关键部位实施二次支护,成功控制了围岩的变形,保证了隧道工程的稳定．该控制技术具有简单、安全可靠、掘进速度快、支护费用低等优点,可推广应用．     

大空间建筑环形点式重载作用下深废矿坑岩壁变形稳定性数值分析

近年来,大城市工程建设急速发展,土地资源愈发紧张,一些矿产资源型城市中出现了利用废弃天然矿坑进行地下空间开发的改造项目。以长沙湘江欢乐城项目深废矿坑改造开发工程为背景,针对矿坑边坡稳定性以及受建筑结构点式荷载作用下的岩壁与基础协同作用问题,利用数值分析手段建立三维岩壁-建筑结构相互作用模型。研究岩壁在环形点式受荷条件下的表现,并探究遭遇突发性岩壁变形及承载状态变化后,岩壁与结构的稳定性变化情况。结果表明,在天然状况下废弃矿坑的开采高边坡基本处于稳定状态;而施工扰动和建筑荷载造成的应力变形仅发生于岩壁表面,未达岩体深部;岩壁由于突发灾害产生的局部大变形会严重危及支承其上的基础和结构安全;而在合理的建筑物环形点式基础设计布置情况下,基础结构的偶然失效不会影响岩壁和建筑物的稳定性。     

岩溶区地下厂房洞室群围岩渗流效应分析

岩溶渗流效应包括渗流场的力学效应和岩体软化效应。针对富水岩溶区地下工程的特殊赋存环境,提出了岩溶地下厂房3维渗流场力学效应耦合计算方法和基于强度折减原理的渗流软化效应分析方法。计算分析了不同工况、围岩不同软化程度下洞周变形破坏规律。提出地下洞群整体软化安全系数的确定方法,定量评价不同工况下地下厂房洞群围岩整体相对稳定状态,分析岩溶渗流软化效应对围岩稳定的影响。工程实例表明:考虑渗流场力学效应时,开挖完毕围岩变形都明显增大,变化规律与监测相符;对比无渗流场、考虑施工期渗流场和考虑运行期渗流场各工况的整体软化安全系数变化规律发现,渗流场软化效应显著;运行期正常蓄水后,地下水位的提高引致厂区渗流场调整,对围岩整体稳定存在明显影响。整体软化安全系数能够有效地反映渗流软化效应对岩溶地下厂房围岩稳定的影响,为岩溶区地下厂房工程优化设计、施工监测及安全运行评价提供有益参考。