三峡工程岩石拉剪断裂特性的试验研究

本文根据三峡工程永久船闸区地质勘探中的花岗岩岩芯，通过非对称切口试件来模拟岩体的拉剪作用的实际情况，对岩石拉剪力学特性进行了试验研究，探讨了岩石的单轴受拉强度，拉剪联合强度，应力应变关系，破坏形式及破坏准则等，为三峡工程建设提供了有价值的数据和资料。     

岩石拉剪流变特性的试验研究

根据岩石受拉及拉剪流变试验结果 ,研究了岩石受拉、拉剪流变特性 ,以及岩石受拉及拉剪强度。给出了岩石流变破坏曲线、拉剪破坏强度曲线 ,研究了岩石受拉强度、岩石流变等效抗拉强度和等效变形模量等 ,得出了几点有意义的结论     

砂岩拉剪强度和破裂特征试验研究及数值模拟

岩石高边坡和地下工程开挖等易诱发岩体拉剪破坏灾害。设计一种可在伺服控制压剪试验机上使用的岩石拉剪装置,该装置可保证荷载和位移控制精度,利用其开展砂岩单轴拉伸、拉剪和压剪试验。砂岩拉剪强度包络呈非线性,在全法向应力区的强度包络可用Hoek-Brown准则描述。针对常规PFC平行黏结Mohr-Coulomb强度准则无法有效模拟岩石非线性强度包络,基于砂岩试验结果建立平行黏结Hoek-Brown强度准则并通过简单转换方法编入PFC程序,方便有效地模拟砂岩拉剪强度和破裂特征及细观力学机制。拉剪情况下破裂面裂纹相对较细,更具张性,而压剪情况下微裂纹数量相对较多,损伤更强烈。随着法向应力sn增加,破裂面张性减弱而剪性增强,但因剪切膨胀原因,较小法向应力的压剪情况下破裂面仍以拉剪裂纹为主。根据数值模拟结果,可将拉剪和压剪应力状态下岩石的损伤演化过程大致分为弹性变形、稳定破裂发展、不稳定破裂发展和整体破裂4个阶段。sn较大时弹性变形阶段和不稳定破裂发展阶段相对较长,峰前塑性变形较多,拉剪情况下更具弹脆性。     

基于应变的脆性岩石破坏强度研究

在三轴压缩条件下，岩石类材料的破坏具有延性破坏和脆性破坏2种类型。岩石发生破坏的机理是构成岩石的矿物颗粒之间发生相对位移。一般而言，岩石在力的作用下发生拉或剪破坏，在破坏发展过程中，哪一种破坏类型取得优势地位，岩石最终便以那种形式破坏。最大拉应变准则能够解决岩石拉破坏问题，但不能解释破裂角的存在。岩石为各向异性体，应变主轴不同于加载轴，因此，不能用加载轴上的应变来描述岩石的强度。考虑3个方向拉应变的应变强度准则能够描述岩石的强度，也能够在一定程度上描述破裂角的变化。理论分析和室内试验证实了这一结论。并且随中间主应力的升高，应变破坏准则的变化与岩石抗压强度、最大拉应变准则的变化具有相同的规律。     

基于应变的岩石类脆性材料损伤研究

在三轴压缩条件下岩石类材料的破坏具有延性破坏和脆性破坏两种类型。岩石发生破坏的机理是构成岩石的矿物颗粒之间发生相对位移。一般而言，岩石在力的作用下发生拉或剪破坏，在破坏发展过程中哪一种破坏类型取得优势地位，岩石最终便以那种形式破坏。最大拉应变准则能够解决岩石拉破坏问题，但不能解释破裂角的存在。岩石为各向异性体，应变主轴不同于加载轴，因此不能用加载轴上的应变来描述岩石的强度。考虑3个方向拉应变的应变强度准则能够描述岩石的强度，也能够在一定程度上描述破裂角的变化。理论分析和实验室试验证实了这一结论。并且随中间主应力的升高，岩石应变破坏准则的变化与抗压强度准则、最大拉应变准则的变化具有相同的规律。     

岩石单轴压缩强度的一种理论估值方法

在三轴压缩条件下[1],岩石类材料的破坏具有2种情况,即延性破坏和脆性破坏。岩石发生破坏的机理是构成岩石的矿物颗粒之间发生相对位移。一般而言,岩石在复杂荷载的作用下发生拉或剪破坏,在发展过程中,哪一种破坏类型取得优势地位,岩石最终就会以哪种形式破坏。从基础热力学角度,岩石的拉破坏和剪破坏这两种不同类型的力学机制已经被人们进行了大量的定量分析。它们之间的竞争导致从本质上推导出了岩石的破坏行为以及在其中起主导作用的力。在岩石的纯剪切或拉伸的情况下,无论是内部的剪应力还是拉应力都能产生必要的机械能量去激活岩石不稳定的非晶体结构,并且它的破坏强度能够被弹性参数所决定。通过采用椭圆破坏准则,岩石的破坏行为和强度仅仅需要它的剪切模量和泊松比就能够被准确的描述,而不需要进行试验。     

基于弹性应变能D-P强度准则修正

针对D-P强度准则存在的拉剪区偏大及不具备应力角效应等不足之处,为使其更符合岩石的屈服(破坏)机制,从弹性应变能角度对D-P强度准则进行修正,开展如下工作：为便于研究将弹性应变能分为偏量弹性应变能与张量弹性应变能之和,并分析各能量对材料破坏影响;研究D-P强度准则的物理意义及其不足之处产生的内在原因,并基于此建立广义D-P强度准则,总体上可较好地反映岩石的破坏特性,并能较好地解决拉剪区偏大及应力角效应等问题。对4种不同岩石的破坏强度进行计算,结果表明：广义D-P强度准则计算结果较为精确,该准则突破材料破坏时泊松比恒为0.5传统假设,对于准确定量地描述岩石破坏特性具有重要意义。     

岩石泊松比与内摩擦角的关系研究

 在纯张破坏时的泊松比与内摩擦角关系式基础上,推导出纯剪破坏时的泊松比与内摩擦角关系式,定义由泊松比与内摩擦角确定的剪破坏、脆性剪破坏、塑性剪破坏与张破坏及流动变形破坏分布区域。根据试验数据分析,确立张剪破坏与剪张破坏的线性分界线,建立脆性剪破坏判别条件半经验关系式。据此关系式,进行泊松比与内摩擦角的互算、单试样抗剪强度的计算及岩石细观破坏类型的分区。与岩石三轴压缩试验资料进行对比分析,解释岩石试样破坏类型发生的力学机制。实例表明,用泊松比计算单试样抗剪强度的方法具有实用价值,而且利用岩石破坏类型分区图可辅助预测岩石可能的破坏方式与类型。     

莫尔库仑准则的应用范围及临界应力状态探讨

<正> 岩石有多种破坏形态,根据目前的认识水平,从机理上归纳起来,独立的只有拉坏和剪坏。塑性流动是岩石失稳的一种形式,但和破坏的含义有所不同。在复杂应力状态下,岩石受多种应力的组合作用。其中多向拉伸和多向压缩的破坏,分别受岩石的单轴抗拉强度和抗剪强度所控制。但是,对于拉、压联合作用则表现出复杂的情况,是学术界一直讨论、比较活跃的领域,至今没有定论。另外,抗剪强度准则的应用范围,学者们的看法也不尽相同。本文引入临界应力状态来涉足这一领域的讨论,也许对问题的解决有所裨益。     

渗透压作用下压剪岩石裂纹流变断裂贯通机制及破坏准则探讨

探讨了渗透压作用下黏弹性压剪岩石裂纹的起裂规律及分支裂纹尖端应力强度因子的演变规律,得出:一定轴向压应力下,渗透压、远场侧向应力和裂纹面摩擦系数是影响分支裂纹尖端应力强度因子KI演变的主要因素,渗透压的存在加剧了分支裂纹的扩展,随着裂纹渗透压的增大,分支裂纹扩展由稳定扩展变成不稳定扩展;建立了渗透压作用下压剪岩石裂纹体的轴向贯穿、岩桥剪切贯通两种不同类型的断裂破坏力学模型,引入虚拟应力强度因子KI(LC),提出以分支裂纹临界长度时裂尖虚拟应力强度因子KI(LC)作为黏弹性压剪岩石裂纹的流变断裂破坏准则,通过算例证实了该准则的可行性,得出:在既定裂纹分布、一定轴向应力和裂纹面摩擦系数的条件下,低渗透压、侧向拉应力共同作用下的压剪岩石裂纹趋向于轴向贯穿破坏,而高渗透压作用下会导致分支裂纹尖端岩桥剪切破坏,渗透压、侧向压应力共同作用下压剪岩石裂纹可能会发生具时间效应的流变断裂贯通破坏。为研究水岩相互作用下裂隙岩体的失稳破坏提供了一种新的思路。     

地下洞室围岩顶拱承载力学机制及稳定拱设计方法

 受枢纽布置和地形地质条件的限制,三峡工程地下厂房布置于右岸白岩尖山体中,主厂房洞室上覆岩体最薄处仅1倍厂房跨度,显然不满足现行规范关于上覆岩体厚度不小于2倍开挖宽度的要求。对于这类浅埋式的大跨度高边墙地下厂房,在上覆岩体厚度有限及一定初始应力条件下,洞室顶拱的稳定性是必须解决的首要技术问题。从岩体结构、岩体强度和地应力水平对围岩稳定性控制的角度出发,通过对地下厂房洞室围岩顶拱承载力学机制的研究,提出地下洞室岩体稳定拱的定义及其存在的力学条件,给出地下洞室岩体稳定拱的确定方法,分析采用地下洞室岩体稳定拱确定上覆岩体厚度的可行性,形成一套确定浅埋式地下厂房洞室埋置深度的稳定拱设计方法。研究结果表明,三峡工程地下厂房顶拱围岩具备形成稳定拱的埋深条件和水平应力等条件,形成稳定拱的最小埋深约为2/3倍洞跨,在上覆岩体中形成稳定拱的最小水平侧压系数应大于1.5,而最大水平侧压系数不宜高于3.0。据此进行主厂房顶拱设计,多年的应用成效显示,地下厂房顶拱围岩是稳定安全的,表明三峡工程地下厂房顶拱在既定的围岩强度、岩体结构以及初始地应力水平等条件下,采用稳定拱设计方法确定洞室上覆岩体厚度是合适、可靠的,能够保障洞室围岩稳定,满足工程安全的要求,可为解决大型浅埋洞室的设计提供理论基础和科学依据。     

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。     

D-P准则与岩石断裂韧度K_(Ic),K_(II)c关系的研究

通过断裂力学中裂纹端部的应力叠加,得出拉剪裂纹的端部总应力,代入D-P破坏准则,经推导得出D-P准则与岩石断裂韧度KIc,KIIc的相互关系。并以三峡永久船闸高边坡为例,说明该推导的合理性。     

岩体预应力锚索在三峡工程中的应用

三峡工程应用有大量的岩体预应力锚索，本详细介绍了三峡锚索的选型、作用、应用中出现的问题及对策等，并就岩锚的施工机具及新型防腐结构问题提出了作的观点和建议。     

节理岩体断裂损伤模型在三峡坝基岩体力学参数模拟和预测中的应用

基于节理岩体的断裂损伤模型，建立基于等效柔度张量及特定破坏准则等效体力学参数预测的方法，对节理岩体的等效力学参数进行了计算机模拟和预测，并将其应用于三峡工程坝基岩体的等效弹性参数的预测中，通过与节理刚度模型、包体模型进行比较，证明所采用模型在参数预测的方法，对节理岩体的等效力学参数进行了计算机模拟和预测，并将其应用三峡工程坝基岩体的等效弹性参数的预测中。通过与节理刚度模型，包体模型进行比较，证明所采用模型在参数预测中较为适用，为三峡工程的坝基岩体稳定分析提供了参考。     

工程岩体的超声波分类及强度预测

针对目前在岩石工程中广泛采用的隧洞围岩分类Ｑ系统和ＲＭＲ工程岩体分类,利用统计结果将岩体的超声波速与岩质量指数Ｑ和岩体分类指数ＲＭＲ联系起来,建立了由岩体超声波速估计岩体分类指数ＲＭＲ的计算公式,通过测定岩体的超声波可对岩体进行分类。为了预测岩体的变形及强度参数,引入Ｈｏｅｋ－Ｂｒｏｗｎ准则,给出了岩体变形及强度参数的预测方法。在三峡工程永久船闸高边坡岩体的应用中,超声波预测的力学参数与ＲＭＲ分类     

单轴压缩条件下三峡坝基岩石破裂的分形特征

基于分形理论,研究了单轴压缩状态下三峡坝基岩石破裂的分形结构,结果表明,在单轴受压时,岩石破裂系和主破裂均表现出很好的分形性质,分维随着压力增加而上升。分维和为描述岩石破裂过程的参数,同岩石抗压强度和风化程度有很好的相关性,表征了岩石裂隙的形成演化特征。     

THE FRACTAL CHARACTERISTICS OF ROCK FRACTURE IN DAM FOUNDATION OF THE THREE GORGES PROJECT UNDER UNIAXIAL COMPRESSION

The fractal structure of rock fracture in dam founda ti on of the Three Gorges Project under uniaxial compression is studied based on fr actal theory. The results show that the fracture system and the main fractures of rock under uniaxial compression tests are of highly self-similar characteris tic in statistics. The fractal dimension values of rock fracture raise with incr ease of pressure. The fractal dimension can be taken as a parameter to describe the process of rock fracture and there are good correlation among fractal dimens ion of rock fracture, uniaxial compressive strength and rock weathering deg ree. The fractal dimensions reflect the formational and evolutional features of rock fractures and the difference of rock weathering.     

岩体变形模量随深度的变化关系

针对花岗岩，使用岩石力学参数管理系统ＲＯＭＥＤＡ（ＲｏｃｋＭｅｃｈａｎｉｃｓＤａｔａ）中的数据，推导了岩体变形模量随深度的变化关系，并把这种关系应用到三峡永久船闸边坡岩体变形模量的预测中。     

临近岩石边坡开挖轮廓面的爆破设计方法

基于岩石爆破损伤影响范围控制的质点峰值振动速度判据。就临近岩石边坡开挖轮廓面的爆破开挖设计方法进行了探讨。修正了在国际上被广泛引用的计算质点峰值振动速度的Holmberg-Persson方法中隐含的数学错误。提出一种更具理论基础且又切实可用的确定岩石爆破中爆源近区的质点峰值振动速度衰减规律的新方法。最后结合三峡工程通航建筑物岩石边坡开挖中的工程实例对建议方法的具体应用作了介绍。并就三峡工程实际采用的爆破设计参数的合理性进行了评价。