层状复合岩体变形试验尺寸效应的数值模拟

由于层状复合岩体软硬相间，不满足均匀、连续和各向同性条件，因此，通过现场试验方法确定层状复合岩体等效变形模量会存在许多问题，尺寸效应即是主要问题之一。结合清江水布垭水利枢纽地下厂房P1q^3层软硬相间层状复合岩体力学参数取值问题，在现场岩体变形试验基础上，通过开展数值模拟试验，研究了不同加载尺寸对层状复合岩体变形参数的影响。研究成果表明：层状复合岩体变形模量具有明显的尺寸效应，岩体变形模量与加载面直径之间可近似采用负幂函数表示：E=7．989D^-0.552常规变形试验加载尺寸明显偏小，当加载面直径应达到3～5m，岩体等效变形模量取值3～4Gpa，比常规试验降低70％左右。     

三峡工程永久船闸边坡岩体宏观力学参数的尺寸效应研究

采用室内及现场岩体力学试验,建立E－Vp关系、工程岩体分级、计算机模拟试验以及边坡位移监测成果的反演分析等手段,对三峡永久船闸边坡卸荷带岩体变形参数进行研究,建立了岩体变形模量与岩体尺寸之间的关系,研究成果表明永久船闸高边坡岩体宏观力学参数具有明显的尺寸效应。     

锚固层状岩体的复合加固理论与数值模拟试验分析

根据复合材料力学的理论和方法,将层状岩体-砂浆-锚杆支护系统看成一种由岩体(基体)、锚杆(增强材料)和砂浆(黏结材料)组成的加固复合材料,建立这种复合材料的细观力学等效模型。理论分析这种锚固复合材料的宏观力学性质与其各组分材料性能以及细观结构之间的定量关系;在大型商业有限元软件基础上进行二次程序开发编制,进行锚固复合材料的数值模拟试验研究,分析岩体强度、锚杆尺寸、砂浆强度以及锚杆几何布置间距等参数变化对层状岩体锚固复合材料的黏聚力和内摩擦角值的加强增长幅度,定量评估岩体锚固复合材料的等效强度特性。运用所建立的岩体锚固复合支护系统等效力学模型计算了锚固岩体相似模型试件的弹性常数和黏聚力和内摩擦角值,理论与数值模拟分析结果与岩体锚固的模型试验结果具有较好的吻合度,表明所建立的理论模型和数值分析方法是可靠的,可为岩土工程的设计与稳定性评价提供参数依据。     

深井巷道层状围岩变形破坏特征及机制研究

层状岩体变形破坏特征与均质岩体存在很大差别,深入揭示层状围岩在掘进过程中的变形破坏特征和机制,对于确保矿井安全生产具有重要的理论意义。本文通过进行层状岩石室内试验,建立了横观各向同性应变软化力学模型,通过掘进全过程的现场监测和数值模拟结果揭示了深井层状围岩的变形破坏特征和机制,采用相似材料试验揭示了预应力锚杆支护结构对层状围岩变形破坏的控制作用。学位论文完成的主要工作有:(1)分别开展了不同层理角度时的互层状砂岩三轴压缩试验、岩样破裂面的电镜扫描和巴西劈裂试验。分析结果表明:层状岩石强度随层面角度增大呈U型分布规律,层状岩石的各向异性程度随围压增大而降低;层状岩石破坏形式由围压、层理角度和岩石细观结构共同控制;竖直层理岩样弹性模量大于水平层理,倾斜层理岩样最小,这主要是由不同层理倾角时层状岩石的承载方式决定的;岩样抗拉强度随线荷载与层面角度增大而增大,其机制为岩样破坏由层理面的剪切破坏演化为穿过层理面的剪切–拉伸破坏,并最终过渡为基质的拉伸破坏。(2)针对现有横观各向同性力学模型未考虑单元应力状态的不足,基于互层状砂岩压缩试验结果,提出了考虑体积应力的塑性内变量表达式,并以此为基础分别研究了基质和层理的应变软化规律,建立了考虑体积应力的横观各向同性应变软化力学模型。基于该模型编制了相应的岩石变形破坏有限差分程序,并通过试验结果进行了检验。结果表明,无论从曲线的变化规律还是定量描述上,数值计算结果和试验曲线均体现了很好的一致性,说明利用该模型可以较好地反映层状岩石的力学特性和变形特征。(3)采用单因素分析方法对建立的横观各向同性力学模型的参数进行了敏感性分析,确定了对围岩变形敏感的参数;通过设计基于粒子群(PSO)优化算法的参数反演程序并将其嵌入FLAC3D程序中,建立了对变形敏感的力学参数的反演方法,为深井巷道层状围岩开挖模型参数的确定奠定了基础。(4)以济宁三号煤矿深井层状围岩为研究对象,通过布置超前监测断面,首次获得了煤矿深井巷道掘进全过程的变形规律,将巷道围岩变形划分为缓慢增长、迅速增加和变形稳定三个阶段,得出其演化机制主要与围岩的瞬间卸荷及应力调整有关。通过掘进面后方收敛变形的监测,将巷道表面收敛变形划分为失稳破坏、持续变形和变形稳定三个阶段,得到围岩变形的空间效应主要集中体现在第一阶段,而时间效应则主要体现在第三阶段。(5)基于深井巷道围岩深部位移实测数据,采用前文确定模型参数反演方法,得到了对变形敏感的七采区层状围岩力学参数。将所建立的横观各向同性应变软化模型应用于深井层状围岩巷道的分步开挖过程的模拟,获得了围岩的应力、塑性区和变形等参数随掘进面推进的演化规律,并给出了相应的巷道支护建议。通过相似材料试验分别模拟了未施加锚杆和施加预应力锚杆后含人工预制层理试样的变形破坏特征,揭示了预应力锚杆支护结构对于层状岩体变形破坏的控制作用和效果,为现场施工及支护设计提供了理论支撑和依据。     

考虑层状岩体结构的深基坑开挖力学效应分析

层状岩体是自然界广泛存在的一种岩体结构,其在沿层面和垂直层面两个方向上的力学性质差异明显,可以归结为横观各向同性介质,由于层面的影响,受力屈服后的破坏模式也有别于均质岩体。基于横观各向同性弹塑性模型,对计算需要的各向异性面两个相互垂直方向的弹性常量、岩块和层面抗剪强度参数、岩块和层面抗拉强度等参数分别作了多组试验,得出了基本的物理力学指标。基于FLAC3D软件平台,对贵阳某层状岩体深基坑的开挖进行力学计算,分析了4个侧壁的应力状态、位移大小及破坏区分布。结果表明:近似顺倾向的边坡变形大于近似逆倾向及切向边坡,以层面滑移破坏为主,应力释放更明显,说明顺倾向、缓倾角的层状岩体结构对边坡的稳定程度起控制作用。     

裂隙岩体宏观力学参数研究

 裂隙岩体的变形模量及强度特性是工程界关注的焦点,其关键是岩体变形模量及强度的尺寸效应和表征单元尺寸(REV)。根据锦屏二级水电站大理岩裂隙统计分布规律及岩块和结构面力学特性试验成果,确定岩块和结构面的本构模型,建立考虑无厚度裂隙面力学响应的分析模型。研究不同尺寸、不同统计窗裂隙岩体的力学响应特征,并重点研究裂隙岩体变形模量和单轴抗压强度的尺寸效应、REV特征以及各向异性特征。该研究方法为裂隙岩体的宏观力学参数取值提供参考,研究成果也为锦屏二级水电站工程岩体参数取值提供了依据。     

层状岩体各向异性声学和力学参数计算方法研究

层理弱面的分布直接影响层状岩体的声学及力学特性,也直接关系到岩体力学参数取值的合理性,制备0°,15°,30°,45°,60°,75°和90°共7种层理倾角的砂岩试样,进行纵波波速测试和单轴压缩试验。研究结果表明:(1)随着层理倾角的增大,层状砂岩的纵波波速、弹性模量逐渐增大,峰值抗压强度呈现先减小后增大的U型变化趋势,各向异性特性明显,分别建立层状砂岩纵波波速、弹性模量与层理倾角余弦值的椭圆关系曲线,只需测试层状岩体在平行层理、垂直层理两个方向的纵波波速、弹性模量,就可以确定任意倾角岩样的纵波波速、弹性模量,为确定层状岩体不同方向声学参数和弹性参数提供了实用便捷的方法;(2)层状岩体的主要受力方向决定其承载能力和变形破坏特征,在工程岩体质量评价相关基础参数确定时应重点关注层理角度的影响,测试方向应与主要受力方向一致,或者分别测试平行层理、垂直层理两个方向的声学参数和力学参数,按照所建立的经验公式转换到相应层理倾角再进行分析,以便获得比较准确的岩体质量评价指标。相关研究成果可为层状岩体各向异性声学及力学特性测试与分析提供较好的参考。     

层状盐岩体非线性蠕变本构模型

 针对由不同岩层交替而组成的层状盐岩体,建立泥岩夹层和盐岩复合体代表单元,根据应变协调原理,从细观力学分析角度通过考虑泥岩夹层弹性性质、盐岩弹性及蠕变力学特性以及两相体积含量建立层状盐岩体宏观各向异性非线性蠕变增量型本构模型,分析层状盐岩在蠕变过程中因保持细观应变协调而产生的应力重分布问题,给出新本构模型ABAQUS有限元二次开发增量迭代算法实现方法,对一层状盐岩体简单试样算例进行初步计算分析验证,分析计算与试验结果吻合较好,表明该本构模型能反映细观应变协调时层状盐岩体宏观蠕变力学特性,该模型将为层状盐岩体内硐室长期稳定性分析提供理论计算基础。     

基于微观矿物含量的灰岩细观参数标定研究

随着对岩体力学研究的深入,宏微观岩体力学的研究方法发展迅速。但岩体微观性质改变对引起岩体宏观力学各向异性行为的影响研究却较为缺乏,而在离散元分析方法中,岩体宏观力学行为的准确表征不仅需要合理的细观强度参数,也需要考虑岩体中微观矿物的成分和含量。以灰岩为研究对象,制作灰岩薄片标本,用偏光显微镜观察灰岩样本以确定矿物成分及含量,并以此为依据生成基于矿物含量的离散元模型,以接触软化接触模型模拟矿物间的细观力学行为。分别建立与室内试验对应的单轴压缩模型和巴西劈裂模型,使用试错法不断调整细观强度参数,最终使细观模型表现出的宏观力学性质与实际情况一致。研究结果表明,数值模拟得到的宏观参数与室内试验结果相吻合,说明基于微观矿物含量的岩体离散元模型参数标定方法能够很好地标定出颗粒的细观强度参数,同时细观强度参数又能够很好地表征岩体宏观力学强度,以该参数作为岩体力学响应分析的输入参数,能够更准确认识岩体的力学行为。     

岩体抗剪强度参数的结构面倾角效应

通过对泥质粉砂岩、泥质灰岩抗剪强度参数的层面倾角效应研究。以及石膏模型试件力学性质的结构面倾角效应研究，就结构面倾角对层状、似层状岩体抗剪强度参数产生的影响进行了较详细的剖析，阐明了层状、似层状结构岩体力学性质各向异性的本质和机理。并在此基础上对受倾角效应影响的层状、似层状岩体抗剪强度参数取值进行了较深入的分析，提出了较为客观的、极具参考价值的层状、似层状结构岩体抗剪强度参数的取值原则。分别得到了层状结构粉砂岩、泥质粉砂岩、泥质砂岩以及薄层的层状结构灰岩、片岩、板岩的系列强度参数与结构面倾角口的相关公式。层状、似层状结构石膏模拟试件不同裂隙倾角条件下的室内三轴剪切试验研究进一步表明。新提出的相关公式可作为类似结构岩体抗剪强度参数在不同层面倾角下的取值参考。     

大岗山水电站坝区岩体的刚性承压板试验研究

 压板试验是承一种应用广泛的测定岩体变形参数的现场试验方法,根据中国水电顾问集团成都勘测设计研究院在大岗山水电站坝区现场进行的直径达1 m的刚性承压板变形试验资料,详细介绍试验点岩体的加卸载变形关系曲线,根据推导的深部岩体压缩变形公式,计算出了坝址区左右岸试验点岩体的弹性模量、变形模量和等价变形模量等变形参数。通过回归分析,获得坝区试验点岩体的声波波速与变形模量的回归经验方程和高度显著的回归拟合曲线。现场承压板试验的计算分析结果表明：坝区左右岸辉绿岩脉地层的变形参数较小,岩体的压缩变形主要集中在辉绿岩脉软弱夹层上,右岸试验点岩体的变形参数总体小于左岸。这些试验分析结果为有效揭示坝区岩体力学参数的变化规律提供了重要依据。     

基于Copula理论岩体质量Q值及波速与变形模量多变量相关性研究

 以锦屏I级水电站坝址大理岩岩体原位变形试验和勘察结果为例,在分析岩体变形模量 、纵波波速 以及岩体质量指标Q值间的两两相关关系的基础上,利用Copula函数能够描述多变量相关性的优点,构造了拟合 , 和Q值间关系的最优Copula函数,并在岩体变形模量估值中进行运用。研究结果表明,三维Clayton Copula函数是拟合岩体波速 ,Q值和变形模量 间相关关系最优Copula函数。利用构造的 - -Q间关系的最优Copula函数求条件概率,可在已知岩体 和Q值条件下计算其他方法对变形模量估值的保证率,或者计算具有一定保证率的岩体变形模量估值,得到具有最优拟合的变形模量估值。该方法建立多因素间的相关关系,使现场试验和勘察的数据得到充分利用,为建立岩体变形模量与岩体参数间相关关系及估值提供一种新的途径。     

On the use of the RMR system for estimation of rock mass deformation modulus

Estimation of rock mass deformation modulus is the subject of many studies in rock engineering research work. Although numerous predictive models have been developed for the estimation of the deformation modulus, they cannot be generalized for other sites because of inadequate accuracy. Furthermore, it is very valuable that the predictive models involve some accessible input parameters. The rock mass rating (RMR) is a well-known geomechanical parameter, which is usually determined to describe the quality of rock mass in rock engineering projects. In this study, five parameter ratings of the RMR classification system are used to predict the deformation modulus of rock mass in the abutment of the Gotvand earth dam. Statistical analysis and an artificial neural network are employed to present two new predictive models. Finally, probabilistic analysis is used to predict the rock mass deformation modulus, which overcomes the low accuracy caused by the inherent uncertainty in prediction. The results indicated that the parameter ratings used in the RMR classification system can predict the rock mass deformation modulus with a satisfactory correlation. However, the parameters don’t have the same influence on the rock mass deformability with the joint condition and the groundwater as the major and minor influencing parameters, respectively.     

不同含水率砂卵石围岩宏细观力学特性研究

含水率对具有颗粒物质性质的隧道砂卵石围岩稳定性有较大影响,通过室内大型三轴试验与颗粒离散元数值三轴试验相结合的方法,对中密状态下不同含水率砂卵石围岩在100、200、300 kPa三种围压下的宏细观力学特性展开研究,分析了含水率对隧道砂卵石围岩宏细观力学参数影响规律。研究结果表明:随着含水率的增加,砂卵石围岩的应力峰值、内摩擦角和粘聚力均随之减小;砂卵石围岩变形破坏时轴向应变约为4%,其应力峰值后仍可承受较大的应力特性;确定了中密状态时不同含水率砂卵石围岩的接触模量、摩擦系数、颗粒刚度比、法向接触强度等离散元细观参数。研究成果为砂卵石地层隧道围岩稳定性离散元精细化模拟提供理论依据。     

节理对砂岩变形及破坏特征影响研究

工程岩体一般都含有各种不同级别的地质构造节理和软弱面,使得岩体的强度弱化。含有节理的岩体和完整岩石具有完全不同的力学性质。本文在三轴压缩试验的基础上,对不同节理倾角的三峡库区砂岩开展研究,探讨其变形及破坏特征。试验结果表明:①在同种围压下,节理岩样峰值强度的大小关系为:σ_60°<σ_30°<σ_90°<σ_完整。②相同围压下,完整岩样弹性模量及变形模量均高于节理岩样,随着围压升高,岩样弹性模量和变形模量逐渐增大,其增长速度随围压增大而逐渐降低。③在低围压下(＜5 MPa),节理倾角对岩样弹性模量和变形模量影响较大,相比完整岩样有较大幅度地降低,其中30°倾角和60°倾角岩样降低程度较高,弹性模量最高达31%,变形模量最高达40%;随着围压增大(大于10 MPa),节理倾角对岩样变形参数影响逐渐减小,相比完整岩样,节理岩样弹性模量降低幅度小于15%,变形模量降低幅度小于10%。④节理倾角和围压对岩石的破坏机制均有较大的影响,节理倾角及围压不同,岩样破坏形式不同。     

基于分层计算的层间剪切带原位变形试验研究

由于含层间剪切带复合岩体的非均匀性,传统的承压板变形试验只能得到复合岩体的综合模量,而无法准确得到层间剪切带的变形参数。介绍了黄河中游红色碎屑岩地区某大型水利枢纽工程坝址区层间剪切带的发育特征,选择典型勘探平硐进行刚性承压板中心孔法原位变形试验,在预留上部保护岩层条件下,通过在中心孔内设置不同深度的液压锚头,直接得到复合岩体、层间剪切带上下缘岩体的压力-变形关系曲线。利用推导的深部岩体压缩变形公式,分别计算其变形参数。根据分层计算原理,利用层间剪切带上缘岩体和下缘岩体变形差值计算得到层间剪切带的等价变形参数。研究结果表明,层间剪切带的变形参数低于上下缘岩体及复合岩体,其等价变形模量为0.72GPa,等价弹性模量为1.41GPa。     

Estimation of limestone rock mass deformation modulus using empirical equations

Determining the geomechanical parameters of rock masses at dam sites is a very important task. Different methods of determining these parameters have been proposed, depending on various factors such as the study phase, facilities, budget, and the time available. The deformation modulus is an important input parameter in any analysis of rock mass behavior. In the present study, the deformation modulus of the rock mass at the site of the Khersan II double-arch concrete dam was investigated using different field and experimental methods. The Khersan II Dam is located in the southwest of Lordegan, Chaharmahal Bakhtiary Province, Iran. The predominant formation at the site of the dam is the Upper Asmari limestone. The results of in situ tests such as plate load tests (PLTs) were analyzed to determine the deformation modulus, using the ASTM standard, Unal, and ISRM methods. These results were then compared to one another and interpreted. After that, engineering classification parameters such as RMR, GSI, and Q were evaluated at the same site that the PLTs were performed. Finally, the correlations between these classification ratings and the in situ deformation modulus of the rock mass were assessed, and some formulae for determining the deformation modulus of the rock mass at the Khersan II Dam site were derived. The accuracy and credibility of every formula was evaluated. These formulae for estimating the deformation modulus of the rock mass at the Khersan II Dam site were found to be highly accurate compared to other similar formulae.     

节理岩体变形模量的结构效应研究

 根据变形等效原则,推导1组结构面单独切割岩体及多组结构面组合切割岩体时,岩体变形模量的理论计算公式。通过引入一种圆形的全空间展示图,结合等值线云图的形式,对节理岩体变形模量进行三维空间全方位展示,为便捷地预测岩体变形模量及其结构效应提供理论依据。在此研究基础上,研究单组结构面单独切割及2,3组结构面任意组合切割岩体时,岩体变形模量的空间分布特征,在全空间展示图上表现为：单组结构面切割时,结构面平行方向变形模量取最大值、表现为一条极值线,结构面垂直方向变形模量取最小值、表现为一极值点;2组结构面切割时,最大值为单独切割时极值线的交点,最小值位于单独切割时极值点的连线上;3组结构面切割时,最大值位于切割时极值线围成的最小三角形内,最小值位于单独切割极值点围成的三角形内。研究还表明,结构面切割组数越多,岩体变形模量的弱化程度越明显。该方法可为三维全空间评价岩体变形模量提供有益的参考。     

不同加、卸载条件下片岩的变形特性试验研究

对丹巴电站调压井围岩的片岩试样进行了加载试验和卸荷试验研究,分别分析了常规三轴试验及加轴压卸围压、以相同速率同时卸轴压与围压的3种加、卸载方式下的应力-应变关系及整个加、卸载过程中变形参数的变化规律,分析表明:片岩在卸荷条件下表现出明显的脆性破坏特征,而且有强烈的扩容现象,卸荷条件下岩石的破坏也是由于扩容所引起的;卸荷会造成岩体变形模量迅速减小、泊松比迅速增大;试验采取的两种卸荷方式与常规三轴相比较,岩石试样从受力至破坏的整个过程中其变形模量和泊松比的变化趋势有明显的不同,尤其是在相同速率同时卸轴压与围压的卸荷方式对岩石的变形参数影响很大。     

乌东德坝基岩体变形模量与波速相关性及应用

坝基岩体变形模量是拱坝设计最重要的参数之一,实际中由于受到资金、时间、尺寸效应等限制,承压板试验不可能大量开展,工程常采用岩体变形模量与波速之间的相关关系来估算坝基岩体变形模量以评价其工程地质特性是否满足建坝要求。在乌东德水电站坝基边坡开挖工程中,开展了钻孔变形模量和声波测试。乌东德坝基为典型层状岩体,左岸坝基及河床岩体测试孔方向与层面走向近平行,右岸坝基岩体测试方向与层面近垂直,分析表明坝基岩体中有明显充填特征层面对岩体变形模量值和声波值具有不对称影响。结合测试钻孔高清电视选择合理数据,建立了坝基岩体变形模量与单孔声波二者之间的相关关系。通过与坝基岩体的承压板试验成果对比验证,所建立的相关关系是符合实际地质条件的。将该方法应用于大坝坝基深部岩体变形参数估算及坝基表层松弛岩体灌浆处理效果评价工作中,证明是可行的有效方法。本文的研究成果为坝基岩体变形特征的评价提供科学依据,对高拱坝坝基工程勘测设计具有重要的理论和实践意义。