不同应力路径下灰砂岩力学特性与强度参数研究

基于常规岩石力学试验设备与自行研制的岩石空心圆柱扭剪试验系统,开展灰砂岩直剪试验、常规三轴压缩试验与空心圆柱三轴压缩(内外压相等与内外压不等)试验,研究不同应力路径下岩石的力学特性和强度参数。通过比较常规三轴压缩试验与空心圆柱三轴压缩(内外压相等)试验结果,验证了岩石空心圆柱扭剪试验系统以及采用空心圆柱试样进行试验的可行性,内外压不等的空心圆柱三轴压缩试验可以反映中间主应力对强度参数的影响。通过比较不同类型试验获取的灰砂岩强度参数,认为按D-P准则整理的岩石空心圆柱三轴压缩(内外压不等)试验数据,获取的强度参数能合理地反映应力状态和应力路径的影响。     

东非某水电站地下洞室群开挖过程围岩力学行为演化及分析

以东非某水电站为例,通过三维数值模拟,分析地下洞室群开挖过程中围岩力学行为的演化,并进行稳定性分析,计算及分析结果表明,洞室整体稳定性较好,应力松弛部位应加强支护。分析结论可为项目的开挖和支护设计提供依据。     

基于屈服接近度的围岩安全性随机分析

为研究岩体自身的非均质性对围岩松动区范围的影响效应,提出一套围岩稳定性的随机性分析方法。首先将屈服接近度的相补参量视为随机变量,通过对多种岩石室内强度试验数据的统计分析,研究相补参量的统计特征,表明相补参量服从Weibull分布。其次采用随机性分析方法模拟了围岩的随机松动区,结果较好地反映了非均质围岩的损伤破坏特点。同时,详细讨论工程中岩体的力学参数及相补参量的概率分布函数即Weibull分布函数的参数对围岩随机屈服区大小的影响规律。给出由围岩松动区的深度反演求得岩体力学参数和Weibull分布函数参数的进化神经网络方法。最后应用所提出的整套分析方法对一隧道非均质围岩的安全性进行了分析。研究结果表明,这一方法简单实用,能够较好地模拟非均质隧道围岩单元屈服的随机性和屈服区范围的随机波动性,所得结果与实际相符,可为工程的施工安全预测、支护方案设计等提供重要参考。     

不同位置和尺寸的裂隙对岩体破坏影响的试验研究

为研究节理裂隙岩体中节理位置和尺寸对岩体综合抗剪强度的影响,以水泥砂浆作为模型材料,通过在试件的不同位置预制相同长度的节理裂隙和相同位置预制不同长度的节理裂隙,进行不同法向压力下3种具有不同起伏角的节理面剪切试验。试验结果表明:当节理位置和长度一定时其抗剪强度随法向压力增加而增加;对于同一节理裂隙,当其位于试件中间时抗剪强度和黏聚力最小,位于试件后端时抗剪强度和黏聚力最大,位于试件前端时介于两者之间;内摩擦角随节理位置的变化规律不明显;当节理裂隙位置固定时,节理裂隙越长,抗剪强度和黏聚力越低,且抗剪强度随节理长度的增加呈近乎线性的减小。节理位置和尺寸对综合抗剪强度的影响可能由于节理、岩桥的强度参数及岩桥内部损伤劣化程度共同作用所致,现场节理岩体的抗剪强度取值应考虑节理的位置影响。     

结构面剪切过程中声发射特性的试验研究

为研究结构面岩体在压剪荷载作用下的声发射特征和规律,利用水泥砂浆作为模型材料制作具有不同起伏高度的不规则锯齿形结构面,研究不同起伏高度、不同剪切速率和不同法向压力下声发射参数的变化规律和发生机制。试验结果表明:结构面剪切时理想的累积撞击曲线可以划分为平静期、缓慢上升期和急剧上升期3个阶段;随结构面起伏高度的增大,发生宏观剪切破坏时能量率峰值变大、累积撞击数变小;随剪切速率的增大,能量率曲线和撞击率曲线在剪切过程中波动性增强,能量率峰值、撞击率峰值和累积能量随剪切速率的增大有减小的趋势;声发射参数随法向压力变化规律性不强,但随法向压力的增大,破坏时对应的能量率峰值和累积能量有减小的趋势,撞击率峰值和累积撞击数有增大的趋势。研究成果可为声发射技术用于监测和预报现场结构面岩体的静力或动力剪切破坏提供指导。     

深埋硬岩隧洞岩爆倾向性指标RVI的建立及验证

 在总结国内外岩爆倾向性研究的主要成果和理论方法的基础上,针对性地提出适合于深埋隧洞工程的岩爆倾向性评估新方法的建立过程和基本构架。分析锦屏II级水电站深埋隧洞群中62例岩爆案例,揭示岩爆的特征和主要控制因素,在此基础上提出新的岩爆倾向性指标RVI及其建立方法,确定RVI中岩爆控制因素的选取原则。RVI由4个控制因子构成,即应力控制因子Fs、岩石物性因子Fr、岩体系统刚度因子Fm和地质构造因子Fg,4个控制因子分别反映不同岩爆控制因素对岩爆倾向性的贡献。研究发现,锦屏II级水电站深埋隧洞岩爆破坏深度与RVI存在显著的相关性,建立的经验关系式的确定系数可达到80%以上,该经验关系式可评估深埋隧洞工程的岩爆倾向性和破坏程度。锦屏II级水电站深埋隧洞典型岩爆实例分析验证RVI的适用性。     

深部岩体岩芯饼化特征分析与形成机制研究

 以锦屏II级水电站深埋试验洞内长度大于1 500 m的钻孔岩芯为研究对象,统计饼化岩芯断口的宏观破坏特征、饼化数量和厚度,结合声波和数字钻孔摄像测试结果,分析岩体埋深、岩体结构、洞径尺寸、钻孔直径和钻孔方位对岩芯饼化的影响,得到岩芯饼化的空间分布规律;并通过断口电镜扫描试验,得到岩芯饼化的微观断裂机制。分析结果表明：(1) 饼化数量与厚度分布符合乘幂函数形式,饼化程度随埋深和洞径尺寸的增大而增大,3倍洞径内岩芯饼化数量最多;(2) 饼化岩芯凹凸面的形成与应力分布、内部损伤和矿物结构类型有关;(3) 岩芯饼化是地质作用和外界扰动共同作用下发生的,原生微缺陷、结构面和开挖损伤是岩芯饼化起裂的基础,开挖后地应力调整和取芯局部应力解除是岩芯断裂的动力,而持续钻进是促使岩芯周期性断裂成饼的根本原因;钻孔径向压剪、岩芯侧向膨胀和轴向拉伸是岩芯饼化断裂的力学响应;(4) 岩芯饼化分区性特征是围岩损伤弱化分区、岩体结构和应力场分布叠加的综合反映。     

基于模型试验的深部煤层合理停采线结构分析

为分析合理停采线的结构,以存在深部煤层回采情况的济宁三号煤矿为背景,通过模型试验的方法,监测上方工作面回采过程中,垂直于回采方向的下方巷道围岩的扰动特征。试验过程中综合运用PAC声发射仪、静态电阻应变仪、数字散斑等仪器,得到下方巷道围岩声发射事件发展、应变量以及巷道整体变形量。模型试验监测相似材料试样单轴压缩过程中的声发射特征,发现声发射结果可以反映相似材料试样的破坏规律;认为停采线结构应包括受影响巷道的开挖影响区范围l_1、工作面回采的采动超前影响区范围l_2,以及避免两区域相互影响的最小安全间距l;通过监测上方工作面回采过程中,下方巷道围岩内的应变及声发射特征得到了l,l_1和l_2的范围,并通过数字散斑监测了上方工作面回采过程中下方巷道的整体变形量。     

基于潜在挤压比的地下工程软岩挤压程度评价方法研究

 软岩挤压变形是深埋或高应力软岩地下洞室建设中的难题,软岩挤压程度的科学评价对围岩变形稳定性控制至关重要,但现有应力和变形评价方法忽略了不同类型岩石变形能力的差异性。在明确挤压的基本概念及相应地质条件后,分析多种岩石的试验数据,结果表明岩石变形能力差异巨大,基于此提出潜在挤压比指标,可很好地描述这种差异性。总结并剖析现有评价方法的定义及评价标准,针对被广泛认可的Hoek方法忽略岩体个体差异造成评价结果出现明显偏差的问题,引入潜在挤压比指标进行修正,提出基于潜在挤压比的地下工程软岩挤压程度评价方法,很好地解决了此问题。     

深埋隧洞板裂化围岩预应力锚杆锚固效应试验研究及机制分析

 采用高强石膏配制板裂化模型试样,选用铝棒制作预应力锚杆模型,通过一侧约束条件下的单轴压缩试验,研究板裂化模型试样的预应力锚杆锚固效应。试验结果表明：加锚试样的峰值强度、残余强度及弹性模量均有不同程度的提高,试样峰后侧向变形显著减小,且随着预应力值的增大效果更为显著;与无锚试件岩板压折、岩片弹射的失稳破坏现象相比,加锚试件保持了较好的完整性,局部发生岩板断裂、脱落现象;试样变形破坏过程中,锚杆轴向应力变化分为线性缓慢上升期、非线性增长期和急剧上升期3个阶段,锚杆轴向应力的变化规律反映了其自身工作机制及板裂化模型试样变形特征。分析锚固机制认为,预应力锚杆的施加不仅有效降低了预制裂隙尖端拉应力集中程度,体现出抑制裂隙扩展的止裂作用,而且将试样劈裂形成的岩板加固为整体,有效抑制了岩板向临空面的屈曲变形,进而提高了试样的临界失稳荷载值。最后,基于试验结果的认识,提出针对板裂化围岩的“及时支护、区域控制及重点加固”的锚喷支护控制策略。