含薄层硬岩的软弱夹层力学特性研究

针对句容抽水蓄能电站寒武系炮台山组岩层中含薄层硬岩的软弱夹层,采用颗粒流程序(PFC)建立含不同软岩倾角和厚度比的双轴压缩数值试验模型,分析倾角、厚度比及围压对试样强度和破坏规律的影响。结果表明试样的破坏主要发生在软岩部分,在围压保持不变时,随软弱夹层倾角增大,试样强度降低;软弱夹层倾角较小时,试样中软岩发生破碎,残余强度极低;软弱夹层倾角较大时,试样沿软岩中发生错动。随着软岩厚度增大,破坏面将软岩切割为多个块体;软岩厚度对试样强度有明显影响,软岩总厚度相同时,各试样强度相近;软岩总厚度增大,试样强度降低。研究结果对含薄层硬岩软弱夹层力学特性的认识、类似岩层强度参数取值等具有参考价值。     

典型红层软岩软弱夹层剪切蠕变性质研究

 红层软岩边坡岩体中软弱夹层发育且具有蠕变性,很多边坡岩体的失稳破坏都是沿软弱结构面的滑移失稳,软弱夹层剪切强度参数的选取是边坡工程勘察中的关键问题。通过2个典型红层软岩边坡工点软弱夹层样品室内剪切蠕变试验研究,表明红层软岩软弱夹层具有显著的蠕变特性,在边坡剪切强度参数选取中应考虑软弱夹层蠕变的影响。通过软弱夹层长期强度与短期强度试验资料分析,建议软弱夹层长期剪切强度可取短期剪切强度的75%。     

软弱层对层状复合泥岩体力学特性影响研究

为研究软弱层对层状复合泥岩体力学性质的影响规律,有效提高层状复合泥岩体力学参数的可靠性,考虑到现场很难完整取得含软弱层的层状泥岩体试件,采取室内压制办法制作具有规则层状特征的泥岩试样,然后对其进行单轴和三轴压缩试验,对比分析各试样的强度、变形特性。试验结果表明:当软弱层厚度比变化时,层状复合泥岩体的强度、变形、弹性模量均随之发生规律性变化;上软下硬型层状泥岩与含软弱夹层层状泥岩试样的单轴抗压强度和弹性模量均随软弱层厚度的增加而非线性降低;轴向应力损失率分析表明,软弱层显著降低了硬层泥岩强度,降幅达70%以上;在三轴压缩试验条件下,层状泥岩的承载能力均有不同程度的提高。层状泥岩的粘聚力和内摩擦角随夹层厚度的增加而减小。试验结果对区域性软岩地基的设计和施工具有一定指导意义。     

不同截面形状砂岩试样的力学特性试验研究

人们通常采用实心圆柱试样进行静态及动态加载试验分析岩石的力学特性,然而实际工程岩体中方形和空心圆柱体试样也很常见。为了研究不同横截面形状对岩石力学特征的影响,本文对相同高度和横截面面积的完整圆柱试样、方形试样和厚壁圆筒试样进行单轴压缩试验和声发射检测。试验结果表明,方形截面菱角、厚壁圆筒试样孔道自由面有利于岩石的局部变形,方形试样强度比实心圆柱体试样偏低6.2%而比厚壁圆筒试样偏高10.0%,方形试样弹性模量分别比实心圆柱体试样和厚壁圆筒试样偏低4.7%、2.8%。实心圆柱试样和厚壁圆筒试样在单轴压缩过程中峰值强度之前可释放弹性能占吸收总能量比值比方形试样大,耗散能所占比值比其小。实心圆柱试样和厚壁圆筒试样破坏以张拉复合破坏为主,方形试样出现了“沙漏”状的破坏形式,试样菱角处都出现明显的剪切面。研究结果为理解岩石的失稳破坏提供了参考。     

坝基不同倾角软弱夹层的破坏模式及D-C模型参数研究

坝基岩体中的软弱夹层对抗滑稳定影响重大,因此对其破坏模式及本构模型参数的研究具有重要意义。采用软弱夹层重塑样进行三轴压缩试验,下部未泥化部分采用泥化部分土掺入20%水泥代替,上部采用泥化部分土制样,泥化部分与未泥化部分交界面分别制成0°,30°,45°,60°倾斜面并作粗糙处理模拟实际界面特性。试验结果表明:含不同倾角结构面的软弱夹层试样临界角范围为58.3°～61.7°,当结构面倾角介于临界角范围之内时,软弱夹层试样沿结构面破坏,当结构面倾角位于临界角范围之外时,软弱夹层试样在上部泥化部分土中破坏;对软弱夹层试样三轴试验ε((σ_1-σ_3))–ε_1关系曲线进行线性拟合,结果表明,随围压增加,试样初始切线模量及极限破坏强度均增加,根据试验结果得出了相应的D-C模型参数并将其应用于坝基抗滑设计中,取得了良好效果。本研究成果对坝基软弱夹层的抗滑设计及同类软弱夹层工程性质的研究具有一定参考价值。     

深部高应力硬岩板裂化破坏特性及应变型岩爆发生机制

板裂化破坏和板裂化岩爆是深部高应力硬岩巷道或硐室常见的破坏形式,尤其是板裂化破坏,其诱发因素和诱发机制复杂,至今尚不明确。鉴于此,针对地下非煤矿山巷道围岩周边或采场硐壁处所产生的一系列板裂化破坏现象,采用理论分析、室内试验、数值模拟以及现场监测相结合的方式,探讨深部高应力硬岩板裂化破坏特性及岩爆诱发机制,为非煤矿山实现安全高效开采提供理论依据与技术指导。研究工作主要集中如下:(1)采用有限元/离散元耦合数值模拟(FEM/DEM)研究单轴压缩下长方体硬岩破坏特性,分析不同试样高宽比硬岩裂纹扩展规律,阐述硬脆性岩石由剪切破坏到板裂化破坏的转化机制,进一步验证硬岩在压缩状态下为张拉型破坏的本质。对于高试样而言,其宏观剪切带是由一系列微小的拉伸裂纹所组成,而矮试样发生板裂化破坏是由于有限的裂纹扩展路径所致。端面摩擦效应对硬岩单轴抗压强度具有较大的影响,而以Mohr-Coulomb应变软化为基础的本构模型在预测岩石发生板裂破坏时所对应的峰值强度时仍存在一些不足。数值模拟获得的硬岩破坏模式与板裂化强度与先前室内试验和现场监测结果具有较好的一致性。(2)通过真三轴卸载试验,以汨罗花岗岩为研究对象,分析不同试样高宽比与中间主应力σ_2作用下长方体硬岩破坏特性。研究结果表明:在真三轴卸载下,长方体硬岩的破坏特性是试样高宽比和σ_2共同作用的结果。对于高试样而言,发生板裂化破坏需要较大的σ_2,而对于较矮试样,较小的σ_2便可以产生板裂化破坏。当σ_2为一定值时,不同的σ_2/σ_3比值对于花岗岩破坏模式,峰值卸载强度以及岩爆程度影响很小(σ_3为最小主应力)。试样的岩爆剧烈程度随试样高宽比的降低呈现单调递增趋势,而随σ_2的增大呈现先增高后降低的趋势。当σ_2较大时,试样内部出现较大程度的损伤,促进了能量的进一步耗散。(3)通过真三轴加载实验,以汨罗花岗岩为例,根据不同最小主应力值σ_3分别设计5组试验。通过设定不同中间主应力值σ_2,研究真三轴加载下硬岩破坏模式与强度特性。率先在真三轴加载条件验证了板裂化破坏的存在,并认为硬岩板裂化破坏的发生条件应当满足3个条件,即:(1)大于或等于某一特定的σ_2/σ_3值;(2)处于较低的σ_3水平;(3)具有较低的试样高宽比。以真三轴强度数据为基础,根据实际工程可预测性、实验值与预测值偏差、强度准则在偏平面应力轨迹、强度准则在子午面和τ_(oct)-σ_(oct)平面上应力轨迹4个方面因素,对7种经典强度准则进行系统的评估与分析,认为Mogi-Coulomb准则,修正Wiebols-Cook准则以及修正Lade准则能够很好地体现硬岩真三轴状态下峰值强度特性。(4)为了分析深部高应力硬岩板裂屈曲岩爆的力学机制与控制对策,对板裂化岩体建立了正交各向异性薄板力学模型,推导出双向受力条件下板裂屈曲岩爆临界荷载值,依据能量法求得了薄板压曲状态下的挠度值。提出采用充填法的控制对策以防治板裂屈曲岩爆的发生,并推导出充填体所需的围压值。研究表明:(1)轴向应力的增加不仅促进了板裂化破坏的形成,还加剧了板裂屈曲岩爆发生的可能性;(2)在一定范围内,板裂体在压曲作用下的水平挠度值随板厚的减小而增大,且当长高比为■时(E_1,E _2分别为纵向和轴向方向弹性模量),有最大挠度值;(3)在对采空区进行充填时,较小的充填体围压值便可以有效抑制板裂屈曲岩爆的发生。(5)采用FEM/DEM耦合数值模拟对含结构面深埋高应力硬岩巷道破坏特性进行了系统地研究,模拟中同时考虑了开挖卸荷效应与岩体的非均质性。研究结果表明:结构面倾角、位置(揭露与非揭露)、摩擦系数以及初始地应力(侧压力系数)对于巷道围岩的破坏具有重要的影响。开挖卸荷导致的板裂化破坏以及结构面诱导的剪切滑移破坏在一定情况下会相互作用、相互影响。一方面,渐进的板裂化破坏过程促进了切向集中应力作用下结构面的扩展;另一方面,结构面在剪切错动过程中会释放剧烈的能量,进而又会诱发板裂化围岩结构的整体失稳破坏,该种情况下极易诱发高强度岩爆。     

软弱夹层对水泥土单轴压缩影响研究

为探究软弱夹层厚度比对水泥土试样单轴压缩力学参数和破坏模式的影响规律,借鉴含单夹层盐岩的制样方法制备含不同软弱夹层厚度比的单夹层水泥土试样,进行室温和冻结状态下的单轴压缩试验。在室内试验研究的基础上采用PFC2D对水泥土单轴压缩进行模拟,分析试样受荷后的细观力学响应机制。最后建立软弱夹层与荷载耦合作用下水泥土单轴压缩损伤本构模型,探讨软弱夹层厚度比对试样损伤变量演化的影响。研究结果表明:(1)室温和冻结状态下水泥土试样单轴抗压强度和弹性模量均随着软弱夹层厚度比的增加呈负指数规律衰减;破坏应变随软弱夹层厚度比增加呈抛物线变化规律。(2)PFC2D模拟得到的不同软弱夹层厚度比的水泥土试样单轴压缩力学参数以及破裂模式与室内试验结果比较吻合,数值模拟和室内试验均表明软弱夹层厚度对试样破坏模式影响较大。(3)软弱夹层与荷载耦合作用损伤本构模型能够较好地描述室温和冻结状态下含软弱夹层水泥土试样在单轴压缩荷载下的应力-应变关系,软弱夹层的存在使试样变形过程中损伤程度差异明显。软弱夹层厚度比越大,在很小的轴向应变时试样总损伤变量就达到很大值,试样很快就出现破坏。     

层状岩体剪切强度与破坏规律分析

对用类岩石材料自制的层状岩体试样,开展了一系列的直剪试验,研究了层理面倾角和层理面间距对岩体抗剪强度的影响,分析了层状岩体剪切破坏形态的规律.试验结果表明:层理面倾角为0°时,试样的抗剪强度最低;层理面倾角为30.时,试样的抗剪强度最高;层理面间距越大,试样的峰值抗剪强度也越高;层状岩体试样的剪切破坏形态,按其破坏机理...     

泥岩夹层对盐岩变形和破损特征的影响分析

针对我国大多数盐矿的多层盐岩地质构造特征，对含泥岩夹层盐岩、纯泥岩和纯盐岩3种岩芯试样进行单轴压缩和不同围压下三轴压缩试验研究，对比分析3种试样的变形和破坏特性。试验结果表明：泥岩夹层对盐岩体的变形和破坏特性有明显的影响，强度高于盐岩的泥岩夹层却先于盐岩出现横向拉伸破坏；此外还观察到应力-应变曲线的“应力跌落”现象。针对试验结果，利用Cosserat介质扩展理论对泥岩夹层的影响进行理论分析。分析结果表明，泥岩和盐岩力学特性上的不匹配导致二者界面附近泥岩体等效受到横向拉伸应力作用，这很好地解释试验结果，这一分析结果可对进一步进行层状盐岩体内油（气）储库洞室稳定性分析提供理论基础。     

软硬互层状类岩石试样力学特性的三轴试验研究

句容抽水蓄能电站工程区内发育有薄层泥岩与白云岩互层状的地层结构,对软硬互层状地层开展力学性质的研究对电站的建设和安全评价有重要意义。采用相似材料制作软硬互层状类岩石试样,对各组试样进行常规三轴试验,研究不同夹层倾角、夹层厚度比及围压条件下试样的强度规律及破坏形式。结果表明:厚度比为1∶1∶1和1∶3∶1时,随角度的增大,试样强度降低。不同厚度比倾角相同的试样强度接近,破坏形式相同。增大软岩层的厚度会显著降低试样整体的强度。倾角为0°时,试样破坏后软岩破碎,无法确定主破坏面。随着角度的增大,试样破坏形式发生变化,沿软岩和两侧交界面发生错动。倾角为45°时,破坏面贯穿试样,软岩相对完整。厚度比为3∶1∶3的不同夹层倾角试样,主要发育1～2个贯穿试样的主破坏面以及少量连接主破坏面与软硬岩层交界面的次级破坏面。夹层倾角在0°～45°范围时,随着倾角的增大,试样的强度参数逐渐降低。     

某具有软弱夹层的反倾岩坡变形特征探索

反倾岩坡的结构面倾向与边坡倾向相反,通常认为反倾岩坡的稳定性较强,因此相对于顺倾向坡而言,对反倾岩坡的研究较少,但工程实例表明对反倾边坡的稳定性研究意义重大。当反倾岩坡中有软弱岩层时,软弱结构面会对坡体变形产生影响,因此借助内、外观测成果对一具有软弱夹层的反倾岩坡进行研究,对其变形特征和变形机制进行分析。研究结果表明边坡在开挖过程中变形呈现"点头"现象,且在边坡变形体后缘出现拉裂缝。由于存在较厚的软弱层,坡体在倾倒变形的同时对软弱岩层压缩产生压缩蠕变,所以坡体整体变形模式为压缩-蠕变、倾倒-拉裂复合模式。软弱岩层对坡体变形具有一定控制作用,支护效果说明对穿锚索可以有效地约束坡体变形。     

含天然节理灰岩加、卸荷力学特性试验研究

为模拟一般地下节理岩体开挖加卸荷效应,进行含天然节理灰岩试样的加轴压、卸围压应力控制试验及常规三轴压缩试验,得到2种试验条件下的全应力-应变曲线.对试验后的岩样破坏特征、强度和变形特性的分析结果表明:无论是常规三轴压缩还是加轴压卸围压试验,其破坏均有沿节理面和穿切节理面2种方式.常规三轴压缩表明,当节理面与最大主应力夹角＜40°时,岩样为穿切节理面破坏,当夹角＞40°时,岩样为沿节理面破坏.对加、卸荷试验而言,2类破坏看不出与夹角的关系.加、卸荷试验沿节理面破坏试样的峰值强度、残余强度都明显低于穿切节理面破坏试样的峰值强度和残余强度.加、卸荷破坏试验中,沿节理面破坏试样没有明显的屈服阶段,峰值强度后强度迅速降低,没有出现三轴压缩破坏中的屈服和强度提高过程.     

《岩石力学与工程学报》2004年第22期被EI收录论文（33篇）

No.论文题目作者名页码1大理岩蠕变特性试验研究李化敏李振华苏承东3745–37492大理岩颗粒及试样尺寸对冲击倾向影响的试验研究苏承东3750–37533大理岩试样的长度对单轴压缩试验的影响尤明庆苏承东3754–37604马家岩水库坝基软弱夹层剪切特征及强度闫汝华樊卫花3761–37645锚索内锚固段注浆体与孔壁之间峰值抗剪强度试验研究徐景茂顾雷雨3765–37696岩体变形模量偏最小二乘回归与神经网络关联性研究马莎姜彤黄志全等3770–37747粉喷桩侧摩阻力强化效应分析杜海金叶洪东李燕等3775–37798覆岩岩性对地表移动过程时间影响参数的影响李德海37…     

高应力硬岩地区岩体结构对地下洞室围岩稳定的控制效应研究

官地水电站地下厂房属典型的硬岩地区深埋大型地下洞室群,其重要特点是同时面临高地应力和结构面发育这2个不利条件,实测最大主应力为25～35 MPa,厂区无大的断层和软弱结构面,但错动带和裂隙十分发育。通过对地下洞室群施工过程中出现的围岩局部失稳破坏现象进行全面的分析整理,对三大洞室的岩体结构特征和围岩变形破坏模式进行系统的分析、比较和总结,从而对影响围岩稳定的两大控制因素——地应力和岩体结构对官地地下厂房洞室群围岩稳定的影响程度和方式进行分析和对比。研究表明,由于三大洞室围岩类别以II类为主,岩体结构以块状～次块状结构为主,围岩具有较高的力学强度和强度应力比,从而具有较强的抵抗应力破坏的能力;岩体结构对地下厂房围岩变形与稳定的控制作用较地应力则更为明显,地下洞室群开挖过程中出现的局部失稳或较大变形多与不利方位的结构面直接相关。三大洞室围岩岩体结构特征总体上的相似性非常明确,反映在三大洞室围岩的变形特征和破坏模式上具有很好的统一性。然而,三大洞室的岩体结构特征也存在一定的差异,导致岩体结构影响围岩稳定的方式和程度有所不同。结构面发育造成的另一个不利影响是为坚硬岩体在高地应力条件下产生卸荷时效变形提供了内部条件。因此,在强度应力比较高的硬岩地区,应充分重视岩体结构及其演化对围岩变形和稳定的控制效应。     

裂纹线场分析方法在岩石力学中的应用

 将岩体破坏主控结构面上的裂纹视为共线等间距裂纹,利用裂纹线上的合理条件将共线裂纹受压剪应力的问题简化为有限宽岩体内含有一条裂纹受压剪应力的问题;把岩体材料的屈服准则作为求解该问题的基本方程,运用线场分析方法在裂纹线附近区域得到弹塑性解析解。分析裂纹面闭合所产生的裂纹面上的摩擦强度对裂纹线附近应力场的影响,通过在裂纹线上提出的合理条件和弹塑性应力场在其边界上的匹配条件,得出裂纹线上塑性区范围与压剪荷载的关系,并获得岩体沿主控结构面的裂纹贯通破坏的强度准则。通过与试验结果的对比分析后发现所提出理论是合理的,研究结果可为岩体断裂力学的发展提供有力依据。     

岩石多裂纹剪切断裂数值试验研究

节理岩体在剪切力作用下的破坏方式常表现为相邻节理的扩展与贯通，因此，研究含预制多裂纹岩打的抗剪强度和破坏模式对工程设计具有重要意义。应用RFPA系统对含断续裂纹剪切试样的断裂过程进行了数值模拟研究，讨论了不同裂纹几何分布对破坏模式和峰值强度的影响。研究结果表明。在相同围压条件下，裂纹贯通模式丰要受裂纹的几何方位控制：由于试样细观缺陷非均匀性的存在，导致岩行断裂主要由拉伸破坏引起，但拉剪混合破坏仍然存在，并对抗剪强度有较大的影响。     

卸荷条件下岩体裂隙扩展贯通及能量演化机制

采用颗粒流软件PFC模拟了单轴压缩、双轴压缩和卸围压条件下裂隙倾角和岩桥倾角分别对含单裂隙和双裂隙岩体的裂纹扩展贯通的影响,对比分析了不同应力路径下裂隙岩体破裂演化过程,总结了裂纹扩展贯通模式,揭示了裂纹扩展贯通的细观力学机制和裂隙岩体损伤破裂的能量机制。研究表明:卸围压条件下岩样张性破坏略弱于单轴压缩条件但远强于双轴压缩条件,而剪性破坏远强于单轴压缩条件但略弱于双轴压缩条件;裂隙尖端应力集中导致岩体开裂,随后张性翼裂纹受拉应力场驱使沿拉应力释放区与压应力区边界延伸扩展,剪切裂纹受压应力场驱使,其扩展路径处压应力释放;裂隙岩体发生卸荷破坏时,内部损伤和贯通裂隙的产生会导致耗散能的急剧增加。     

塑流–拉裂式崩塌机制及评价方法

 塑流–拉裂式崩塌或软弱基座型崩塌是我国西南山区和三峡库区常见的一种崩塌类型。当危岩体的下部有较厚的软弱岩层时,此类崩塌发生尤为频繁。软弱岩层在上部岩体压力作用、遇水软化、长期风化剥落等因素作用下,不断压缩并向临空方向塑性流动,导致上覆较坚硬岩层拉裂形成塑流–拉裂式危岩体。离散元模拟得到此类崩塌的变形破坏地质过程为：软岩风化剥落→上部硬岩局部坠落→软弱基座挤出变形→上部硬岩产生下宽上窄拉裂缝→变形继续发展→崩塌产生。根据软弱层不均匀变形前后上部被拉裂硬岩的2种不同破坏模式,应用地质力学分析方法,推导塑流–拉裂式崩塌稳定系数计算公式。以三峡地区万州某边坡为例,采用抗压强度–压应力比值分析法和软弱层不均匀变形稳定性分析法进行对比分析。结果表明：静力条件下,危岩体短期内处于稳定状态;高地震烈度条件下,危岩体不稳定。     

基于组合模型法的贯通节理岩体动态损伤本构模型

针对贯通节理岩体动态变形特点并结合已有岩石动态本构模型的相关研究成果,将贯通节理岩体变形过程中的动态应力视为贯通节理岩体静态应力分量与相应动态应力分量的叠加。其中贯通节理岩体静态应力分量采用考虑岩石细观损伤的非线性元件、节理面闭合及剪切变形元件等3个基本元件的串联来模拟,动态应力分量采用黏性元件来模拟,从而建立了贯通节理岩体动态单轴压缩损伤本构模型。其次,根据贯通节理岩体在单轴压缩荷载下往往会沿节理面发生剪切破坏的特点,在前述已建立的损伤本构模型中引人节理剪切破坏准则对该模型进行修正,从而更好地考虑了节理剪切强度对该模型的影响,最终建立了考虑节理剪切强度的贯通节理岩体单轴压缩损伤本构模型。最后利用该模型对贯通节理岩体在压缩荷载作用下的力学特性进行了分析计算,重点讨论了节理倾角对岩体单轴动态压缩峰值强度的影响规律。研究结果表明随着节理倾角的变化,节理岩体将发生岩块张拉或剪切破坏、沿节理面的剪切破坏及上述两种破坏模式的复合破坏,相应地节理岩体的单轴压缩动态峰值强度也随之有较大变化。     

节理填充物对岩体起裂强度影响规律的试验研究

以水泥、泥浆、石膏三种材料作为填充物制作含单一裂纹的节理岩体试件,进行单轴压缩试验,并通过建立单轴压缩下闭合裂纹起裂强度的解析表达式和开展数值模拟对其进行深入的研究。研究表明：在单轴压缩下,基于摩擦系数理论数值模拟得到的试件起裂强度与室内试验测得的峰值强度基本吻合;填充物摩擦系数越大,节理岩体越难被破坏,且与无填充岩体相比含填充岩体的起裂强度大幅提高;含填充节理试件的峰值强度远大于无填充的节理试件,其中填充水泥的节理试件峰值强度最高,填充泥浆的最低;剪切破坏是泥浆作为填充物的试件的主要破坏形式,而水泥和石膏作为填充物的试件的破坏则是复合型;随着填充物强度的提高,节理岩体的破坏形式将从剪切破坏转变为张拉破坏。