非协调变形下深部岩体破坏的非欧模型

 将岩体看成不含原生宏观裂隙而仅含原生微裂纹的颗粒材料。在开挖卸荷过程中,原生微裂纹启裂、扩展并穿过岩石基质,产生次生裂纹。此时,岩体出现非连续和非协调变形,经典的弹塑性力学理论不再适用于研究岩体的非连续和非协调变形情况。基于自由能密度、平衡方程和变形非协调条件,提出一种新的非欧模型,确定微裂纹半长度和密度对标量曲率和自平衡应力的影响,获得深部圆形洞室围岩应力场,它包括弹性应力和自平衡应力。由于自平衡应力的影响,当微裂纹的密度和半长度较大时,深部圆形洞室围岩的应力场具有明显的振荡特性。但是,当微裂纹的密度和半长度较小时,深部圆形洞室围岩的应力场振荡特性不明显。对于位于波峰附近的微裂纹,其尖端的应力集中将导致次生裂纹的失稳扩展、连接、合并成宏观裂隙,形成破裂区;而对于位于波谷附近的微裂纹,其尖端应力集中不足以导致次生裂纹发生失稳扩展,因此出现非破裂区。深部圆形洞室围岩应力场交替出现波峰和波谷现象导致破裂区和非破裂区的交替出现,即分区破裂化现象。通过数值模拟,详细研究微裂纹半长度和密度对深部岩体分区破裂化现象的影响。     

应力Lode角对砂岩变形特性影响

 基于自主研发的“多功能真三轴流固耦合试验系统”,进行真三轴应力( )条件下,保持球应力、偏应力不变而改变应力Lode角试验,研究了球应力、偏应力不变条件下,应力Lode角旋转对岩石变形特性的影响。结果表明：3个主应变、体应变及偏应变均随应力Lode角的变化而改变;偏应力相等时, , , , 及 随着偏应力比M(q/p)的增大而呈现递减趋势;球应力相等时,3个主应变、体应变及偏应变随着偏应力比M的增大呈现先减小后增大的趋势,且在M较大时失稳破坏。岩石破坏时形成多个近似垂直于 方向而平行于 , 方向的破坏面,且强度值较常规加载明显偏小;偏应力比M对偏应变模量Gs有较大影响。球应力主要影响岩石的体积变化,且有一定的区间性;偏应力主要影响岩石的畸变,对岩石破坏起重要作用。试验砂岩的塑性变形受Lode角影响较大,塑形流动方向为 。       

玉应力状态下断续节理岩体全过程应力-应变关系及其变形局部化分析

利用内变量热力学理论和裂纹孤立理论研究了压应力状态下断续节理岩体的变形局部化问题和全过程应力-应变关系。研究表明全过程应力-应变关系包括线弹性阶段、非线性强化阶段和应变软化阶段。分析了产生应变软化的主要原因，将损伤和变形局部化引入本构模型是和以往本构模型的显著区别。通过实验对比分析，验证了模型的正确性和有效性。     

锦屏一级水电站地下厂房围岩变形与破坏特征分析

 结合地质、监测、物探及施工资料,对地下厂房施工期围岩的变形与破坏特征进行分析。分析结果表明,高地应力和低强度应力比条件下,围岩的变形不再主要由地质结构面的张开变形构成,由岩块破坏产生的变形所占比重增加。围岩的变形量级和松弛深度相对较大,边墙的主要松弛深度为12～15 m,部分大于15 m。围岩变形量级与松弛深度成正比,而松弛深度呈现出渐进扩展的趋势,因此变形的时效性应理解为围岩破坏的渐进扩展过程,与常规的流变概念存在差别。主厂房及主变室下游拱腰部位混凝土喷层鼓胀性裂缝是层状岩体在高应力条件下的卸荷劈裂和向临空面的屈曲破坏的结果,这种破坏导致下游拱脚部位位移测值的增大。主变室上游边墙混凝土喷层裂缝表现为张性开裂,主要原因是母线洞开挖后岩体应力集中导致的岩体压裂破坏。在高地应力条件下,地下洞室群开挖是否可采用“先墙后洞”的施工方案是一个值得探讨的问题。     

高地应力条件下地下厂房洞室群围岩的变形破坏特征及对策研究

 依据官地水电站大型地下厂房洞室群地应力高、围岩坚硬、结构面发育等特点,在地应力特征、围岩结构特征分析的基础上,结合围岩变形监测成果和三维数值仿真分析成果,对洞室围岩变形破坏特征进行归纳总结,并系统提出高地应力条件下地下厂房洞室群的布置设计、开挖支护设计和施工对策。建议高地应力条件下,洞室纵轴线的选择应兼顾最大主应力方位和围岩主要结构面、采用较大的洞室间距和较大的顶拱矢跨比、采用合理的开挖方式和开挖顺序、适当提高喷混凝土强度等级、延时浇筑岩壁吊车梁和母线洞衬砌、合理确定锚索张拉力锁定值,对具备岩爆条件的洞室围岩先初喷50～60 mm厚的钢纤维混凝土后再实施系统锚杆和挂网喷混凝土层到设计厚度等。上述建议对于高地应力条件下类似地下厂房洞室群的设计与施工具有重要的指导意义和应用价值。     

利用岩石断裂强度来估算地下岩体水平应力的范围

 地下岩体的垂直应力一般可用其上部覆盖岩体的平均比重乘以其深度来估算,但是水平应力却很难估算。基于岩石断裂韧度是一个常数,利用共线裂纹模型建立裂隙岩体的稳定条件,并应用该稳定条件来估算水平应力的范围。估算结果符合现场的测试结果,表明这一估算方法是有效的、可行的。利用该裂隙岩体稳定条件能很好地解释水平应力与垂直应力之比在浅部地壳中分布在较宽的范围内,但在深部区域内却分布在一个狭小的范围内这一现象。     

灰岩平板试件变形破坏过程的实验观测研究

利用扫描电镜实时观测系统,研究了带预制割缝灰岩平板试件受单轴压缩时微裂纹的萌生、扩展和连通过程。实验所用灰岩平板试件尺寸为25 mm×13 mm×1.1 mm,试件中心预制一直径为3.0 mm的圆孔或一长轴与外载方向成不同角度(30°,45°或60°)的割缝,割缝长约6 mm,宽约1 mm。在扫描电镜的观察下,灰岩试样受到准静态单轴压缩。用照相的方法记录了试件受力产生变形和微裂纹扩展过程中的表面图像。将实验观测的微裂纹扩展结果与大理岩和砂岩中的裂纹扩展过程进行对比,发现次生裂纹的萌生部位与大理岩和砂岩中比较一致,但灰岩中的裂纹发育较单一。用NOLM程序中的低抗拉应变软化本构模型对实验结果进行了有限元模拟计算,将计算结果与实验观测结果进行对比,两者吻合较好。     

非线性法向变形节理对岩体电磁辐射传播 的影响研究

 为了明确非线性节理对岩体电磁辐射传播过程中强度的影响,从压电效应机制出发,给出含石英等压电介质岩体在应力波作用下所产生的电磁波与入射应力波之间的关系。并依据两者之间的关系及应力波在非线性节理面的透反射解,获得应力波作用下岩体电磁辐射强度变化与节理参数之间的关系表达式。同时,研究节理的变形和入射波频率对电磁辐射强度的影响。结果表明,在震源中心,电磁辐射强度最大,随传播距离发生衰减。电磁辐射强度随节理变形增大而增大;并且随着传播距离的增大,高频电磁信号衰减比低频信号衰减要快得多。     

高压水射流冲击速度对砂岩破坏模式的影响研究

 高压水射流冲击岩石会导致其发生结构破坏,不同的射流速度下,岩石呈现出各异的破坏形式。基于理论研究,分析水射流冲击岩石的应力波效应。选取速度分别为157,316,447,547,632,707和774 m/s的高压水射流开展冲击砂岩试验,分析不同射流速度下,砂岩内裂纹的数量、尺寸与形态。采用有限元法数值模拟了水射流破碎砂岩的过程,分析岩石内应力波的传播规律与裂纹的产生过程。研究表明：(1) 当射流速度大于72 m/s时,砂岩表面出现破碎坑和环形裂纹,前者由水锤压力的剪切作用导致,后者由瑞利表面波的拉伸作用导致;(2)当射流速度为300～700 m/s时,砂岩内部产生大量的横向裂纹并出现体积破碎,裂纹的产生主要由应力波产生的径向拉伸应力导致;(3) 当速度大于700 m/s时,砂岩产生的横向裂纹减少,主要以劈裂剪切方式破坏。     

压应力状态下断续节理岩体全过程应力-应变关系及其变形局部化分析

利用内变量热力学理论和裂纹孤立理论研究了压应力状态下断续节理岩体的变形局部化问题和全过程应力–应变关系。研究表明全过程应力–应变关系包括线弹性阶段、非线性强化阶段和应变软化阶段。分析了产生应变软化的主要原因,将损伤和变形局部化引入本构模型是和以往本构模型的显著区别。通过实验对比分析,验证了模型的正确性和有效性。     

岩体裂隙尺度对其变形与破坏的控制作用

岩体是一种含有大量缺陷的天然材料,其中的断层、裂缝和裂隙称为高层次缺陷,微裂隙、孔隙等称为低层次缺陷.首先分析包含宏观和微观裂隙的岩石裂隙数量与尺度之间的分形关系,并按照裂隙尺度进行分级.然后采用数值试验方法,通过逐级增加裂隙,研究岩体裂隙尺度对其变形与破坏的控制作用.研究结果表明,当裂缝、裂隙、微裂隙、孔隙等不同尺度、不同层次缺陷并存时,高层次缺陷对岩体的变形、稳定、破坏起着主导控制作用.     

围岩变形的时效特征与预测的研究

在假设围岩地层的性态服从三元件粘弹性模型的基础上,结合对宜兴抽水蓄能电站地下厂房试验洞位移量测数据的分析,提出一种确定地层时效特征参数和预报地层变形的方法。内容包括在考虑试验洞开挖面空间效应影响的前提下对现埋孔的位移量进行修正。根据位移–时间关系曲线的回归方程建立任意时刻围岩地层等效弹性模量间的关系式,给出确定三元件粘弹性模型参数值及对洞周地层的变形进行预报的方法。研究表明:位移量的预报值与回归值可较好吻合,表明这一方法可供同类工程采用。     

工作应力状态下岩体变形模量的研究

工程岩体力学参数的大小与围压有着密切的关系。对于工程实践而言,用于工程设计的岩体参数值,应该反映该岩体工程在工作应力状态下的性状。以原位载荷试验结果推测拱坝工作状态下受力岩体的变形模量为例,推导了以初始地应力表达的原位试验试样的围压公式和受力岩体在工作应力状态下的围压公式,建立了原位试验结果与围压之间的关系。并将这种根据原位试验结果推求受力岩体在工作应力状态下的变形模量的方法用于计算黄河2号水电站高拱坝坝基(肩)岩体的变形模量,其结果是合理的,可以用于工程设计实践中。     

深部岩体的构造和变形与破坏问题

随着经济建设与国防建设的有断发展，地下空间开发不断走向深部，如逾千米乃至数千米的矿山（如金川镍矿和南非金矿等）、水电工程埋深逾千米的引水隧道、核废料的深层地质处置、深地下防护工程（如700m防护岩层下的北美防空司令部）等。伴随着深部岩体工程响应发生了一系列新的特征科学现象，这些特征科学现象与浅部岩体工程响应相比具有迥异的特点，而且用传统的连续介质力学理论无法圆满地进行解释，从而引起了国际上岩石力学工程领域专家学者的极大关注，成为近几年该领域研究的热点。根据深部岩体的构造特点、高地应力及含能和非协调变形的特点，围绕深部岩体工程响应发生的静、动力特征科学现象，提出了深部岩体的构造和变形与破坏需要研究的科学问题。     

卸荷应力状态下裂隙岩体的变形和强度特性

通过裂隙岩体模型的卸荷破坏试验，从应力－应变关系、变形及强度特性等方面，对裂隙岩体在卸荷条件下的变形破坏特性进行了分析。     

卸荷岩体的变形破裂特征

在岩石试件卸荷试验的基础上，结合大型开挖工程，研究了岩体在卸荷状态下的变形破裂特征。研究表明，岩石在卸荷状态下的变形表现为沿卸荷方向的强烈扩容，其破裂以张性破裂为特征，并存有张剪性和剪性破裂；卸荷岩体除具有上述变形破裂特征外，其变形破裂程度及方式受岩体结构的控制，比岩石更易发生变形与破坏，特别是其破裂体系，很大程度上受岩体结构的控制。     

圆形巷道围岩变形破坏的连续–离散耦合分析

基于有限差分理论及颗粒流理论,以FLAC及PFC程序为实现平台,将颗粒体模型嵌入有限差分网格内部空域,采用fish语言编译连续元与离散元计算数据传输交换函数,建立二维平面应变圆形巷道连续–离散耦合分析模型,从宏–细观角度深入开展不同围压条件下圆形巷道围岩变形破坏机制的研究。研究表明:(1)在低围压条件下,巷道开挖围岩发生弹性变形。当水平围压与垂直围压相等,相同径向距离处的围岩变形量近似相等,均指向圆心。(2)在高围压条件下,当侧压系数K1,围岩破坏主要集中在巷道顶板、底板,当侧压系数K1,围岩破坏主要集中在巷道两帮。围岩破坏形态均呈"毡帽形",帽口朝向巷道中心。(3)在高围压条件下,随着围压不断提高,破裂总数逐渐增多,而破裂孕育扩展时间不断延长。当侧压系数K=1,围岩破坏表现出明显的分区破裂化现象。     

巷道围岩弱结构灾变失稳与破坏区域形态的奇异性

巷道围岩复合结构在矿井工程应力的作用下呈现复杂的、非均衡的变形破坏现象,围岩弱结构对巷道围岩破坏区域发育形态、结构变形破坏演变过程以及围岩稳定性等具有重大影响。按照复合结构特征与工程应力环境,将围岩弱结构分为岩性弱结构、几何弱结构和应力弱结构三大类别,主要有11种弱结构形式。巷道围岩弱结构变形破坏具有灾变失稳效应,即首先从弱结构部位发生破坏,其进一步扩展将导致围岩整体灾变失稳与支护体失效。探地雷达井下探测表明,巷道围岩弱结构破坏区域发育形态具有多样性和奇异性,在岩性差异较大的岩层界面上会发生奇异性变化,弱结构起着主控作用。提高弱结构部位的支护强度,实行非均称支护,可以有效地控制弱结构变形破坏的扩展及灾变失稳,具有控制围岩整体稳定性的特效。     

岩体与基础原位变形监测与稳定性评估

概括了岩体与基础稳定性观测的技术特点和要求，介绍了MD系列化仪器的型号、功能与用途、技术特点，总结了4个大型水电工程中应用MD系列化岩体与基础变形监测仪器对坝址区坝基(肩)及边坡进行岩体原位变形监测的情况，结合已获得的观测成果，分别对监测目标的稳定性进行了评估。