YXSW–12现场岩体真三轴试验系统及其应用

 介绍了长江科学院与长春朝阳试验仪器有限公司联合研制的YXSW–12现场岩体真三轴试验系统,该试验系统具有如下功能：(1) 能够开展现场岩体真三轴试验(?2≠?3);(2) 可以提供15 MPa稳定围压,最大轴压达80 MPa;(3) 试样尺寸为50 cm×50 cm×100 cm,能表征现场大尺度岩体力学特征;(4) 能实现复杂应力路径伺服控制;(5) 能获取试样变形、破坏全过程曲线。将YXSW–12试验系统用于研究柱状节理玄武岩力学特性,取得良好的效果,成果如下：(1) 获得不同应力水平下岩体各向异性变形参数;(2) 得到原岩样在卸围压路径的峰值强度、屈服强度,获得试样在卸围压路径与加载路径下的残余强度,明确了不同类型强度参数之间的差异;(3) 了解柱状节理玄武岩在三维应力状态下的破坏机制,认识到岩体的破坏形式主要是在柱状节理面基础上的进一步扩展和贯通。YXSW–12试验系统的成功研制,为深入研究工程岩体在高应力、复杂应力路径条件下的变形、强度及破坏特征提供新的手段。     

边坡岩体稳定性的人工神经网络预测模型

在综合分析边坡岩体变形失稳破坏模式及其影响因素的基础上 ,提出了表征边坡岩体稳定性分析的复合指标。以大量水电边坡工程的稳定状况为学习训练样本及预测样本 ,讨论了基于人工神经网络技术的边坡岩体稳定性分析方法及其有效性。研究表明 ,用人工神经网络方法预测边坡岩体的稳定状况是可行的。     

扰动岩体裂隙网络分形性质分析

应用相似材料试验模型,研究扰动岩体裂隙网络的演化特征和规律,借助分形几何方法计算分析了扰动岩体裂隙网络的分形维数和分形演化特征,展望了研究覆岩力学性质与裂隙网络演化的依赖关系,对评价采动覆岩变形过程、力学行为和渗流性质具有重要意义.     

分形及损伤力学在矿山开采沉陷中的应用研究

 博士学位论文摘要　岩体是经过漫长的地质演化过程而形成的复杂结构体, 由于地质构造运动的影响, 其内部存在大量的断层、节理、层理和地质弱面。这些地质结构面(即损伤) 的存在, 破坏了岩体的整体性, 影响着岩体的变形性质和强度特性, 从而导致岩体开采沉陷更加复杂, 即: 在规律上的非规范性、在程度上的剧烈性和在损害上的严重性。因此, 仅采用常规的开采沉陷理论来分析和解决矿山开采沉陷工程问题已暴露出诸多的缺陷和不足。基于上述问题和认识, 提出了矿山开采沉陷理论研究和实践应用的新思路: 将损伤力学及分形几何等现代非线性科学应用于开采沉陷学科领域, 在现有的开采沉陷理论基础上, 进一步揭示岩体(特别是地质构造复杂的岩体) 开采沉陷的更深层次的机理、特征和规律, 进一步发展矿山开采沉陷学科, 使其在理论上更完备、实践上更符合实际、工程预测上更准确、应用上切实可行。在此研究思路的指导下, 就节理对岩体采动沉陷规律的影响、采动岩体裂隙分形分布及演化规律、采动断层活化的分形界面效应等3 个问题进行了一系列的理论研究和实验研究:(1) 初始节理(初始损伤) 对采动岩体沉陷规律的影响研究①为了研究岩体内初始损伤(初始节理) 对开采沉陷的影响规律, 分别制作无节理和考虑节理倾角单因素的相似材料模型, 进行了系统的实验研究;②为了进一步得到岩体内初始损伤(初始节理) 对开采沉陷的影响的定量规律, 应用损伤力学原理统计研究了初始节理(初始损伤) 在开采沉陷中的控制作用, 建立了开采沉陷量值与损伤量值的数量关系;③应用损伤力学原理定性分析非贯通节理岩体采动沉陷的损伤岩梁弯曲效应, 进一步验证实验研究成果。(2) 采动岩体分形裂隙网络研究①制作一套考虑不同开采宽度的相似材料模型, 在实验观测的基础上统计分析了采动岩体裂隙分布随采宽增加(工作面推进) 的变化规律和分形性质;②制作一套考虑不同岩性的相似材料模型, 分析了岩性对采动岩体裂隙分布的影响和分形性质;③研究初始节理对采动岩体裂隙网络的影响规律, 检验其分形性质。(3) 采动断层活化的分形界面效应研究①进行野外实地勘查、勘测和研究断层面的结构形态与分形性质;②构造了自仿射分形曲线来模拟实际的断层面, 制作一套含有这种分形断层面的相似材料模型, 系统研究分形断层面对断层活化的影响规律;③对采动断层活化的分形界面效应进行数值模拟。通过上述实验和研究工作获得了如下的成果:(1) 岩体内存在的初始节理打破了岩体采动破坏和地表移动的正常规律, 与无节理岩体采动沉陷规律相比较(地表移动稳定后) , 初始节理在岩体采动沉陷过程中起催化作用, 打破了采动岩体裂隙的分布规律和扩展方向, 使覆岩破坏范围和地表移动范围增大, 地表移动量值也随之增加。(2) 通过实验现场观测发现: 不同展布的初始节理, 使岩体表现出不同的破坏机制。水平初始节理使岩体出现层裂、层滑现象, 使岩体在采动过程中出现离层数量增多、离层高度增大、地表移动矢量增大; 倾斜初始节理使采动覆岩中出现沿倾斜节理滑移的现象, 从而导致岩体破坏区域和地表移动曲线出现偏态, 最大下沉点和最大水平移动点均偏向节理的倾斜方向; 高角度初始节理使岩体破坏出现尖角突变现象, 使覆岩破坏更加剧烈。(3) 考虑初始节理倾角单因素的影响, 随着节理倾角的增大, 采动岩体裂隙扩展角随之增大, 覆岩破坏范围和地表移动范围随之增大, 地表下沉值和水平移动值也随之增大, 且地表下沉值的增加幅度较水平移动增加幅度大。　(4) 初始损伤对岩体采动沉陷具有严重的影响,损伤岩体采动沉陷量值较无损伤岩体采动沉陷量值要大。其中的垂直移动量主要以决于损伤岩体中初始孔隙在竖直平面内的总占位,其占位越大,下沉值越大;水平移动量主要取决于损伤岩体中初始孔隙在水平面内的总占位,其占位越大,水平移动值越大。(5) 在给定的研究条件下,地表移动特征值(最大下沉值Wmax 、下沉系数q、背离节理倾斜方向的最大水平移动值U+max和水平移动系数b + 、顺着节理倾斜方向的最大水平移动值U2max和水平移动系数b2) 与岩体损伤变量Ωy 存在如下明确的定量对应关系:Wmax = - 416. 667Ω2y - 568. 333Ωy + 1 399. 4q = - 0. 115 7Ω2y - 0. 4277 8Ωy + 0. 881U+max = 358. 796 0Ω2y - 176. 389Ωy + 386U-max = - 1 562. 5Ω2y + 771. 677Ωy + 379. 3b + = 0. 694 44Ω2y - 0. 15Ωy + 0. 286b - = - 0. 864 17Ω2y - 586. 333Ωy + 1 399. 4(6) 采动岩体裂隙形成、扩展、分布极其复杂,处于明显的混沌状态,具有分形特征,用分形维数可以综合描述采动岩体裂隙化程度(裂隙条数、迹线长度、张开度等) 。(7) 随着工作面的推进,采宽的逐渐增加(或重复采动) ,使采动岩体裂隙分布越趋复杂:破坏范围增大、破坏程度增大、不规则性增加,导致采动岩体分形裂隙网络出现升维现象,在给定的研究条件下的打动岩体分形裂隙网络的分形维数D 与采宽L 具有很好的定量关系:D = 0. 000 172 432L2 - 0. 010 265 4L + 1. 259 6(8) 岩体特性对采动岩体裂隙的分布规律有一定影响。抗压强度较大的岩体,采动后形成的裂隙空间占位较大,其形成的分形裂隙网络的分形维数值也较大;而地表下沉值则较小,地表下沉值与采动后岩体中形成的裂隙空间占位的分维值成反比关系。(9) 含有规则展布初始节理的岩体采动后形成的裂孙网络具有分形性质,且随着初始节理倾角的增大,采动岩体裂隙网络的分形维数值越趋减小。(10) 在给定的研究条件下,地表最大下沉值Wmax与采动岩体裂隙网络分形维数值D 具有明确的定量关系:Wmax = - 16. 872 7D3 + 64. 117D2 - 81. 060 2D + 75. 370 1(11) 地质断裂面粗糙不平,具有统计自相似分形性质,且表现为各向异性分形特征。(12) 地质断裂面具有多层次性,分形维数反映了它的粗糙起伏程度,很好地反映了断层面的逐级包络的形态特征,分形维数是描述断裂面全貌起伏特征的有效数量指标。(13) 地质断裂面在采动影响下的活化现象严重受控于断裂面的分形几何形态,具有明显的分形界面效应,表现为断层面分形维数越大,断层面两侧岩体互相约束性越大。(14) 通过对含断层面的模型实验发现:含有分形维数较小断层面的模型中,覆岩破坏比较迅速,移动比较充分,弯曲带内的离层最终表现为不发育;而含分形维数较大断层面的模型中,覆岩破坏和移动表现为较前者缓慢和不充分,弯曲带内的离层最终表现为较发育。(15) 分形断层面打破了采动断层的正常活化规律,导致地表移动随着断层面分维的减小而愈加剧烈(下沉速度愈趋增大) 断层两侧的台阶落差值和地表最大下沉值均随着断层面分维的减小而增大。在给定的研究条件下,台阶落差值H、地表最大下沉值Wmax和某一时间段的平均下沉速度V 与断面分形维数D 的经验数量关系为H = 1 528. 5D2 - 4 654. 29D + 3 602. 1Wmax = 1 200D2 - 5 832D + 4 094V = - 15. 00D2 + 30. 9D + 20. 58(16) 采动断层活化分形界面效应的数值模拟,不仅有效地验证了实验成果,而且获得了断层面分形性质对采动岩体内部应力分布的影响规律。断层面的分形性质对X 方向的拉应力影响不大;各模型的X 方向压应力和Y 方向拉应力在分形断层面的下部集中程度大体一致,而靠近断层露头附近则随分形维数的增大,集中程度越来越弱,说明断层活化量越来越小,从而造成断层面活化后其两侧岩体的接触程度越来越弱. Y 方向的压应力随断层面分形维数的变化规律是:随着断层面分形维数的增加,整个采场上覆岩层的压应力值逐渐减小,说明随着断层面分形维数增大,断层两侧岩体互相约束性越趋增大,导致采场上覆岩体向下的移动越趋减小,其中的离层越趋增多。上述研究成果表明,将分形几何和损伤力学等先进的理论应用于矿山开采沉陷学科领域中,有助于深入认识和理解复杂的矿山开采沉陷现象,有助于研究矿山开采沉陷更深层次的机理、特征和规律以及此为出发点的控制开采损害的技术措施,将推动矿山开采沉陷理论的进一步发和工程实用。     

地下与露天复合采动效应及边坡变形机理

由于在地下与露天复合开采影响下,两种采动影响域中的一部分相互重叠,致使其采动效应相互作用和相互叠加,从而组成一个复合动态系统。在理论与实例分析的基础上,研究地下与露天复合采动体系中边坡岩体的变形与破坏机理,并在此基础上推导出相关的评价方法。     

水电边坡岩体稳定性分级系统研究

 边坡岩体稳定性分级多源于地下工程,并未考虑边坡与地下工程岩体破坏机制的差异,为弥补这一缺陷,提出一种基于边坡破坏机制的分级方法。以水电边坡为样本,分析收集平面破坏模式下的边坡几何形态、岩石强度、岩体完整性、结构面特征、坡面与结构面组合关系、工程环境、气象条件及破坏历史8个岩体稳定性影响因素;运用多元线性回归探索影响因素和边坡岩体稳定性之间的关系,得到各因素的权值;剔除权值近于0的因素,建立边坡岩体稳定性分级系统。与已有边坡岩体分级系统(SMR,CSMR)的比较表明：SRSC的评价结果更接近于基于边坡实际稳定情况的经验评分,标准误差最小,评价准确率最高。另外,用12个水电边坡对该系统进行准确性及适用性分析,评价结果准确率为100%,表明SRSC分级系统的评判效果良好。因此,基于边坡破坏机制的SRSC系统是一种更优的边坡岩体分级方法。     

岩体洞室地基洞室两帮失稳的宏观判据

岩体洞室地基是由岩体、地下洞室、地面建筑共同组成的有机整体,是由地下工程与地表工程共同组成的复杂系统。岩体洞室地基系统的稳定应保证基底岩体和洞室围岩均处于稳定状态,其稳定性判据包括"地基稳定性判据"和"洞室围岩稳定性判据"两个方面。其中,"地基稳定性判据"又包括岩体地基极限承载力计算(不考虑地下洞室的影响)和地基沉降计算(考虑地下洞室的影响)两部分,前者侧重于对岩体地基强度失效破坏模式的判别,以基底荷载是否超过极限承载力为判别依据,后者侧重于对岩体地基变形失效破坏模式的判别,以建筑物的变形是否超过允许变形值为判别依据;而洞室围岩稳定性判据则主要以洞室围岩的应力、应变是否超过允许值为判别依据,可采用解析分析法、赤平投影图解分析法、数值模拟法和考虑地应力影响的宏观判据进行判别。其中,洞室两帮可考虑岩体结构特征及所处的地应力环境,根据洞室围岩的岩性及节理分布特征,分为均质洞室、力学性质相近的岩层组中洞室、被节理切割成块体的洞室、具有软弱夹层时洞室等4种情况,来建立围岩失稳破坏的宏观判据。     

地下开挖影响下岩体分形性质演化问题探讨

提出了天然岩体的分形性质;研究并总结了地下开挖影响下岩体初始裂隙分布分维、裂纹扩展或断裂表面生成分维、采动岩体再生裂隙分维等一系列能用分形几何来描述的现象随时间的动态演化规律;揭示了岩体受力变形过程中的应力状态、力学性能、物理和化学性质的演化与其相关分维值的关系;展望了岩体分形性质及其受力演化规律的研究意义,为从更深层次认识岩体变形破坏的非线性、复杂性架起了桥梁,包括岩体动力学演化过程的混沌特征、岩体分形演化力学行为中的突变现象和岩体裂纹演化的协同效应;最后展望了岩体分形性质及其受力演化规律的应用领域及其发展前景。     

裂隙介质静动应力条件下的破坏模式与局部化渐进破损模型研究

裂隙岩体动力稳定性问题相当突出。已有大量关于节理裂隙几何特征对岩体静变形、静强度性质影响的室内模型试验研究，然而对岩体动力特征的研究至今大都还是针对完整岩石样的室内试验进行的。针对岩体工程中最常见的非贯通裂隙岩体(而不是完整岩样)及岩体工程中特有的动荷特征，对静、动荷载作用下裂隙岩体代表性体元RVE的破坏模式与变形、强度特性开展了系统的室内模型试验研究，从细观上分析了其破坏机理，从宏观上提出了适用于工程实际的模型与公式。主要内容如下：     

露天转地下开采为坡岩体滑移机制的探讨

１引言 在我国有许多矿区属井工与露天联合开采，露天转地下是其中的方法之一。由于从采动的时间上看，两者不同步，甚至间隔较长时间。边坡岩体先后受到两次采动影响，且第二次采动影响改变其应力分布外，并诱发上部边坡体的滑移，因此，边坡岩体受到综合叠加作用，在此称其为复合开采效应。 地下与露天复合采动影响下边坡岩体移动和变形问题是近十几年来许多学者关注的重要论题之一。全国有关高等院校、科研院所等许多科研人员和学者进行此方面的研究。中国岩石力学与工程学会在１９８９年对此问题专门召开一次学术研讨会，国家有关部委和…     

西龙池地下洞室围岩的现场监测及其稳定性分析

西龙池地下洞室群围岩呈缓倾角互层状结构，层理发育，岩性复杂，洞室开挖过程中，各种地质因素交互作用，洞室问相互影响。对复杂变化地质环境下的主厂房围岩进行了各种因素作用下的综合稳定分析，并依据多种测试手段，对开挖后围岩的稳定性和变形进行实时监测，掌握了洞室层状围岩变形破坏特征。以地下洞室开挖为算例，研究了围岩的力学动态，得出一些有益的认识和结论。围岩位移量计算结果与监测数据较好吻合，为施工开挖步序提供了可靠的依据。     

块体理论赤平解析法及其在硐室稳定分析中的应用

块体理论是近十几年来发展和完善起来的一种适合于裂隙岩体稳定性分析的行之有效的工程方法，裂隙岩体中硐室周围岩体滑落与岩体弱面分布及其力学性质密切相关，其滑移方式对于硐室维护具有重要意义。本文运用所建立的块体理论赤平解析法分析了某矿卷扬机硐室的稳定性，确定了失稳的块体，并指出可采用锚杆加固的措施。     

范各庄煤矿砂岩岩体结构数字识别及参数表征

 借助先进的3GSM三维岩体不接触测量技术,对范各庄煤矿12煤底板砂岩岩体结构面进行现场测量,获取一系列真实描述岩体宏观结构的数字图像,提取节理几何形态空间分布信息,建立三维岩体结构面空间分布模型。在此基础上,得到砂岩岩体结构面联通网络,基于离散介质渗流方法和现场水文试验数据,建立岩体水力学参数表征方法,得到宏观岩体水力学参数,并分析参数的尺寸效应,实现岩体结构参数(几何形态)数字信息与水力学参数的定量表征有机衔接,为范各庄煤矿12煤底板砂岩岩体结构稳定性分析和突水危险性评价提供更加真实、可靠的数据支持。     

基于离散单元法的白鹤滩水电站复杂块体稳定性分析

 节理岩体边坡块体稳定性分析是岩体力学工程实践中关心的一个重要问题,经典极限平衡理论在求解复杂块体稳定时具有诸多的限制。基于离散单元法作为运行平台,推导复杂块体安全系数计算公式,并在此基础上编制复杂块体稳定性分析程序,能够弱化复杂地形、材料非线性以及初始地质条件等传统问题的约束;继而运用2种经典块体模型对该程序进行正确合理性验证。最终将程序应用于白鹤滩左岸边坡复杂块体稳定性分析研究,给出关键块体安全系数及其潜在破坏模式,并根据块体稳定性特征及其变形模式给出加固建议。该研究结果对岩体边坡复杂块体稳定性研究具有一定指导意义。     

中厚软岩板静载弯曲时中面特性的时间相关分析

上覆岩层对采动岩体活动全部或局部起决定性作用，上覆岩层运动是一个复杂的时空过程，具有时效性。采用中厚软岩板，基于岩体流变的Burger模型，对中厚软岩板静载弯曲时中面特性进行了时间相关分析。结果表明，中厚软岩板中面位置在相当长的时间段内是随时间变化的，它受岩体的刚度、粘滞特性等因素的影响。对于采动岩体而言，初始阶段的支护是保持中厚软岩板稳定的关键。     

节理岩体边坡概率损伤演化规律研究

露天矿边坡岩体是含有大量空间上随机分布裂隙的三维损伤体，岩体的强度和内部裂隙分布在空间上均具有随机性，岩体损伤是一种概率损伤。应用三维节理网络模拟技术建立节理岩体损伤张量及概率分布规律的计算方法，综合应用Rosenblueth原理、损伤断裂力学与数值模拟等理论与技术，建立三维节理岩体概率损伤演化的耦合分析程序，通过对鞍钢眼前山露天铁矿南帮边坡岩体随采场逐渐下降过程中概率损伤演化规律的数值模拟，计算得出边坡岩体在不同开采阶段的损伤张量的均值与标准差，揭示节理岩体损伤张量在露天矿开采的空间和时间上的动态变化规律，建立露天矿不同开采阶段的边坡岩体三维随机损伤场，为评价露天矿边坡可靠性的动态变化规律奠定基础。     

裂隙岩体的水力劈裂分析

随着水电工程建设、地下核废料储存、地热开发、矿井采掘等岩体工程越来越多的处于高水头、大埋深等恶劣水文地质条件下,水力劈裂作用正在受到越来越多岩体工程稳定性研究者的关注。本文主要研究裂隙岩体的材料和力学特性以及裂隙岩体的数值模型与数值分析,并通过工程实例提出了作者的见解;最后展望了水力劈裂的前景和提出几个重要的待解决问题。     

一种新的岩体力学数值计算方法——叠单元法

提出了一种新的岩体力学数值计算方法——叠单元法。首先,对含多条不连续面的复杂岩体,将其离散成不含不连续面的整体网格和各条不连续面及其邻近区域的局部网格,而且网格之间相互独立。位移场通过在各网格中插值并叠加得到。然后,由虚功原理推导出了整体平衡方程中的广义刚度矩阵和荷载向量的具体表达式,并对其数值积分方法进行了讨论。最后,分析了2个平面应力问题的算例,且通过与有限单元法的计算结果进行对比,验证了叠单元法的准确性和合理性。叠单元法的最大特点是可以将复杂岩体的网格划分工作分解成几个相互独立的简单网格,从而使网格离散变得简便易行。该方法可以直接推广到三维问题和非线性问题中,因此,有望广泛应用于复杂岩体的变形与稳定分析。     

露天矿边坡岩体稳定性各向异性分析方法及工程应用

露天矿边坡岩体通常含有大量IV、V级结构面,影响岩体稳定性。针对这种岩体特性,提出了系统的工程分析方法：首先,应用3GSM非接触测量系统对岩体出露结构面现场测试,统计结构面几何参数概率模型;进一步根据Monte Carlo方法生成裂隙网络,分别利用离散介质渗流方法和几何损伤理论,在分析REV尺寸效应基础上,计算岩体渗透张量和弹性张量,实现岩体参数表征;最后,基于等效连续介质模型,建立各向异性岩体渗流应力耦合模型,采用COMSOL有限元软件分析边坡岩体稳定性。应用该方法对抚顺西露天矿南帮进行了实例分析,计算结果与实际吻合较好。提出的露天矿边坡岩体稳定性分析方法能够考虑节理分布导致的岩体各向异性特征,简单合理,具有良好的工程应用前景。     

用遗传算法求解节理岩体三维连通率

应用节理岩体三维网络模拟技术建立结构面在三维空间分布的概率统计模型，将连通率的概念和求解均建立在岩体潜在破坏路径之上，通过连通率的求解米搜索岩体的最可能破坏路径。在搜索结构面和岩桥搭接组合破坏的临界路径过程中，应用了具有鲜明生物背景的遗传算法，并将这一结果应用于实际岩体工程，取得很好的效果。