岩体微裂纹密度确定方法及应用

运用细观损伤理论的方法,建立了岩体参数与室内岩块间的关系,认为只有合理确定了裂纹密度参数,才能使细观损伤理论确定岩体参数的方法成为可能。提出了采用完整性系数法、弹性波方程法和地质调查统计法确定岩体裂纹密度的方法,分析了3种方法确定岩体裂纹密度的差异;结合统计数据,分析比较了Taylor法、广义自洽法、Taylor介质法对裂纹相互作用的考虑及确定岩体力学参数的适应性。结果表明,采用完整性系数法确定岩体裂纹密度,Taylor介质法确定岩体参数可以得到比较合理的结果。     

岩体等效强度参数确定的理论和方法

 从能量等效的角度研究岩体的等效强度参数,采用变形加固理论中的塑性余能为等效指标确定复合介质的强度参数,详细推导用于等效复合介质强度参数的等效计算表达式。该表达式表明了复合介质变形和强度参数之间的相关性,通过数值算例研究材料变形参数对强度参数的影响程度以及材料不同配比下复合介质强度参数的变化规律,表明塑性余能等效方法在确定岩体强度参数上的可行性。     

基于单轴受压的岩石三轴应变指标确定方法研究

 在单轴受压的基础上可以采用Mohr准则或Hoek-Brown准则确定三轴受压下岩石的强度指标,但应变指标的确定一直没有较好的求解办法。根据岩石在弹性极限点(损伤门槛值)处微裂纹密度变化梯度为一常量的特点,运用岩石损伤演化的宏细观损伤复合模型,通过岩石应力–应变曲线上临界损伤值及门槛损伤值的相关性,由单轴受压下在弹性极限强度点处的损伤门槛微裂纹密度值和微裂纹密度变化梯度,得到不同围压下在弹性极限强度点处的临界损伤值,应用Mohr-Coulomb准则或Hoek准则得到不同围压下的岩石峰值强度,进而得到相应的应变指标;推导由岩石单轴受压指标确定三轴受压指标的计算公式,通过计算实例和试验验证公式的合理性。     

循环荷载下岩石损伤的CT细观试验研究

 利用CT机专用加载试验设备,进行实时的两级循环荷载作用下岩石疲劳损伤演化CT细观试验,得到岩石细观疲劳损伤扩展的初步规律。研究表明：一级循环荷载为强度的38%～76%时,随着循环次数的增加,上限应力处全区CT数标准差有增加的趋势,密度和CT数有减小的趋势,但变化很小,说明这一过程损伤的积累是缓慢的;二级循环荷载为强度的45%～90%时,虽然试验时循环次数少于一级循环荷载,但上限应力处全区CT数标准差、密度和CT数变化要大于一级循环荷载;在岩石破坏前的1个循环,CT数标准差、密度和CT数有较大变化。     

不同频率循环荷载作用下花岗岩细观疲劳损伤特征研究

 开展花岗岩细观疲劳损伤特征的试验研究对于理解花岗岩宏观力学疲劳特性具有重要的理论价值和实践意义。首先,基于RMT–150B多功能全自动刚性岩石伺服试验机,对花岗岩试样采用幅值为10 MPa,频率分别为0.01,0.02,0.05,0.10,0.20,0.50和1.00 Hz的正弦疲劳荷载进行单轴循环加卸载试验;然后,利用扫描电镜(SEM)获取大量花岗岩细观微结构信息,来研究不同频率循环荷载作用下花岗岩细观疲劳损伤特征。结果表明：在较低频率循环荷载作用时,沿晶裂纹是3类晶体主要损伤形式;当荷载频率较高时,石英和云母仍以沿晶裂纹为主要损伤形式,而长石则表现出以沿晶裂纹为主,穿晶裂纹和晶内裂纹为辅的损伤特征;沿晶裂纹和晶内裂纹的方位角表现出趋于循环荷载轴向方向的特征,而穿晶裂纹方位角则表现出明显的无规律性;沿晶裂纹是主要的损伤发展方式,穿晶裂纹次之,晶内裂纹对损伤发展基本没有贡献。     

基于单轴压缩的岩体破坏机制细观试验研究

 岩石在荷载作用下产生宏观破坏,其断裂面的细观形态变化,可以间接地反映岩石内部损伤演化进程,并与其宏观力学状态和结构破坏特性之间存在必然联系。主要对巴西劈裂试验和剪切试验试样的断裂面进行电镜扫描,总结典型力学特征下试样断裂面的细观形貌特征,建立裂纹断裂面细观形貌与宏观力学特性匹配的判断标准。进而对含不同倾角预制单裂纹试样单轴压缩试样的破坏全断面进行细观扫描分析,采用判断标准对其细观形貌判别,得到断裂面的拉剪应力分布权重,探究断裂面拉、剪应力分布随裂纹扩展过程的变化规律。试验结果表明：全断面拉剪应力权重与预制裂纹倾角有密切关系。预制裂纹倾角小于45°时,断裂面以拉应力为主,且随着裂纹扩展拉应力权重逐渐减小,剪应力权重逐渐增大;当裂纹倾角大于45°时,其结论与前述结论相反;预制裂纹倾角为45°时,拉、剪应力共同作用产生翼裂纹及次生裂纹2种扩展方式,翼裂纹扩展由拉应力主导向剪切应力主导过渡,次生裂纹扩展过程中主导应力变化规律与之相反。     

岩石细观结构及参数对宏观力学特性及破坏演化的影响

 基于二维颗粒流软件,采用2种不同算法生成clump和cluster模型,研究细观参数和结构(结晶颗粒大小形状分布、预制微裂纹)对宏观力学特性的影响,量化宏细观参数对应关系,探讨微裂纹发展演化规律及试件破坏的细观机制。研究表明：(1) 2种模型生成算法各有优势,圆形区域标记法模型力学特性随细观参数变化规律性较好,波动较小,搜索算法能较好地控制结晶级配组成;(2) 单轴抗压强度UCS、抗拉强度TS与clump半径、无黏结比例(随机分布微裂纹)呈指数函数变化,与黏结强度比呈幂次函数关系;弹性模量、泊松比与上述三细观参数均呈线性变化,且二者变化趋势相反;UCS/TS比值随clump半径、黏结强度比、cluster黏结强度比值n、无黏结比例的增加而增大,且黏结强度比对其影响最大;张拉裂纹比例受黏结强度比影响最大,clump半径影响次之;(3) 单轴压缩下试件以张拉破坏为主,张拉裂纹优势导向主要沿轴向扩展,剪切裂纹则主要沿与轴向夹角20°～40°扩展,巴西劈裂试样张拉破坏裂纹均贯穿试件中心。clump与cluster模型微裂纹扩展演化过程及破坏模式差异较大,相比cluster模型,clump模型剪切裂纹比例相对较大,裂纹破碎带更宽,破裂面粗糙不平整。     

一种确定节理岩体残余强度参数方法的探讨

 岩体的地质强度指标(GSI)集中考虑岩体结构和结构面表面特征2个方面的因素,已被广泛地应用于岩体强度参数与变形参数的计算中。在GSI系统的基础上,采用残余GSI量化评价方法,通过对峰值地质强度指标GSI进行折减,以得到残余地质强度指标 ,据此来计算节理岩体的残余强度参数。首先,结合岩体分类指标法(RMi),在 和 的基础上探讨残余岩块体积 和残余节理条件系数 取值的确定方法;然后,由 和 计算出 ,据广义Hoek-Brown准则计算出节理岩体的残余强度参数,重点对4种典型岩体的残余强度取值进行分析,讨论残余岩体体积对岩体残余强度参数的影响;最后,通过对岩体原位剪切实验数据和一桥墩承台开挖边坡的稳定性反分析,证实基于 指标的节理岩体残余强度参数确定方法的合理性和可靠性,为节理岩体残余强度参数的确定提供一条新的思路。     

脆性岩石各向异性损伤和渗流耦合细观模型

采用细观力学方法提出一个岩石各向异性损伤和渗流耦合的细观模型。其中,岩石的损伤由裂纹的状态变量来表示,损伤演化通过裂纹扩展准则来定义,并采用细观力学的分析方法由含裂纹材料的自由熵推导出裂隙岩石的本构方程。同时可以假设：由于裂纹表面的粗糙不平,在裂纹扩展的同时将引起法向开度的产生,这是材料渗透系数变化的主要原因,根据上述假设及达西定律和微观层流理论,推导出岩石特征体积单元的渗透系数表达式,从而建立岩石各向异性损伤和渗流耦合的细观模型。模拟分析表明,提出的模型与试验结果吻合很好。     

遗传规划方法用于确定岩体移动参数

运用遗传规划理论,建立确定岩体移动参数的遗传规划模型,用岩体移动实测数据对网络进行训练,并用测试样本对模型进行测试。研究结果表明,模型的预测性能是令人满意的。运用经典的概率积分法计算公式,通过工程实例计算分析表明,采用遗传规划方法确定出的地表移动参数符合工程实际。     

基于Copula理论的岩体抗剪强度参数估值

以锦屏I级水电站坝址微新大理岩岩体原位大剪试验结果为例,分析岩体质量指标与抗剪强度参数间的相关性。利用Copula理论可将边缘分布和相关结构分开研究的优点,建立小样本条件下各变量的边缘分布函数,并在分析岩体质量指标Q与抗剪强度参数f,c间相关结构特点的基础上构造拟合Q-f,Q-c间关系的最优Copula函数。对于相同岩性的同类岩体,在已知Q条件下求条件概率便可得到抗剪强度参数估值的保证率,或可计算一定保证率下的抗剪参数估值。最后运用该函数分析常用的优定斜率法、最小二乘法的保证率,并与Hoek-Brown准则估值进行比较。研究结果表明,岩体质量指标与抗剪断内摩擦因素f呈较高的正相关关系,与抗剪断黏结力c则呈较高的负相关关系,而具有对称结构的Nelsen NO 1和Nelsen NO 2则分别是拟合Q-f、Q-c间关系的最优Copula函数。常用的最优斜率法与最小二乘法由于忽略岩体质量指标与抗剪强度参数的相关性,因此造成较大的偏差,而具有保证率为0.8的抗剪强度估值与Hoek-Brown经验准则相比更接近实际值。该方法注重充分地利用现场有限的数据信息,可以得到具有一定保证率的抗剪强度参数估值,为岩体抗剪强度参数估值提供一种新的途径。     

岩体爆破的损伤统计演化理论模型

将实际爆破工程中的岩石爆破作为岩体工程的范畴，讨论岩体爆破的一般特点，并从岩体初始结构弱面的统计特性和爆破后的块度分布特征出发定义一种新的岩体损伤变量。将损伤变量与裂隙的分形维数相联系，构造一种岩体爆破统计损伤的演化理论模型。这种损伤量的定义满足完整岩石的损伤值为0，爆破以后岩体的损伤值为1。通过对该模型的初步计算分析表明，此模型具有清晰简明的特点和一定的实际应用价值。     

微裂隙对工程岩体强度参数的影响分析

 通过分析压剪微裂隙尖端应力场,对含微裂隙岩体的起裂强度进行估算。计算结果表明,岩体起裂强度与微裂隙和最大主应力夹角以及围压的大小有关。当围压增加时,岩体的起裂强度增大,起裂角减小;当围压一定时,仅当微裂隙与最大主应力夹角在阀值范围内时,其才对岩体的起裂强度产生影响,并且随着围压的增加,该阀值的范围将逐渐减小;此外,微裂隙的持续扩展也需施加较高的应力。因此,对于浅表工程岩体,岩体破坏主要受贯通裂隙控制,采用数值分析方法时可以忽略微裂隙对岩体力学特性的影响。     

裂隙岩体的损伤断裂理论与应用

本文将损伤力学和断裂力学结合起来,分析岩体中裂隙系统的损伤和断裂特性。定义了岩体宏观损伤张量和岩体损伤应变。建立了岩体的等效连续损伤断裂本构模型。讨论了在压应力作用下的裂隙闭合效应。提出了裂隙岩体损伤断裂复合强度理论。利用损伤断裂模型对一地下洞室的分步开挖进行了数值模拟分析,获得了与现场实测数据比较吻合的结果。     

基于岩体波速的Hoek-Brown准则预测岩体力学参数方法及工程应用

 根据建立的由岩体波速估算地质强度指标GSI和岩体扰动参数D的计算公式,引入Hoek-Brown准则,给出岩体波速预测岩体力学参数方法(简称岩体波速法)。以中缅油气管道(国内段)澜沧江跨域工程边坡岩体力学参数研究为例,并以室内岩石物理力学参数和场区声波测试数据为基础,采用岩体波速法和E. Hoek建议法预测场区的岩体力学参数。结果表明：岩体波速法和E. Hoek建议法所得的结果平均相对误差均较小,两者基本等效,数值模拟结果更进一步验证了工程应用效果的合理性。该方法在试验资料不足的情况下,能为岩体力学参数的快速评价提供一条新途径。     

基于岩体质量指标BQ的岩质边坡工程岩体分级方法

 对于线路工程上具有普遍性的岩质边坡,因数量多,范围广,工程勘察深度相对较浅。依据规范的测试和试验,建立一种基础性岩体质量评价方法,实现边坡工程岩体分级,并根据行业要求与经验提出支护措施,对提高岩质边坡工程设计与施工的科学性无疑具有重要的意义。针对现有的《工程岩体分级标准》(GB50218-94)没有涉及边坡工程岩体分级,在深入研究和系统消化边坡工程岩体分级成果基础上,提出基于岩体质量指标BQ的岩质边坡工程岩体分级方法(简称BQ-RSlope方法)。该方法在岩体基本质量指标基础上,考虑控制边坡稳定性的主要结构面类型与延伸性、结构面产状与坡面间关系以及边坡内地下水发育程度等影响因素,对岩体基本质量指标进行修正,由此确定边坡工程岩体级别,并给出各级别边坡工程岩体自稳能力的评价。结合4个边坡工程10个坡段的应用性验证,表明依据文中方法获得的各边坡坡段的岩体质量分级以及该基于质量指标对边坡稳定性的评价结果与工程实际总体相符,提出的依据BQ的岩质边坡工程岩体分级方法是合适的。     

多组贯穿节理岩体正交各向异性变形参数研究

目前对于节理岩体各向异性变形参数的解析方法研究不多。假设岩块为各向同性线弹性体,结构面的应力与位移之间满足线性刚度关系,建立多组贯穿节理岩体的正交各向异性变形参数计算模型,相关计算公式简单实用。进一步的研究结果表明：对于贯穿节理岩体,其体积变形具有正交各向异性变形特性,而剪切变形并不具有明显的正交各向异性。最后通过3DEC数值验证与辅助研究,相关数值成果与理论计算相差较小,说明该理论模型对于岩体各向异性变形与稳定性评价有一定的参考价值。     

节理岩体渗流的无网格与有限元耦合方法

节理岩体的渗透破坏、节理岩体中石油渗流、地下工程的防渗设计等无不与渗流计算有关,而节理岩体渗流介质的非均质性和各向异性特性、边界条件和几何形状的复杂性、初始条件的不确定性等因素制约着解析法在渗流计算中的应用。应用无网格法来求解节理岩体的渗流问题,建立节理岩体渗流的无网格与有限元耦合方法。通过变分原理详细推导无网格与有限元耦合方法求解节理岩体渗流的离散方程及相关计算公式,并利用耦合方法对边界条件进行处理。最后,给出的数值算例说明该方法的正确性和有效性。