复杂地应力场反演优化算法及研究新进展

地应力是采矿工程和岩土工程设计与动力灾害防治的重要依据.地应力场反演是基于现场个别离散点应力测量结果,采用数力方法对目标区域的地应力分布的推算和拓展.本文系统介绍了区域地应力场反演和构建方法,重点阐述了他们的学术思想、应用领域以及优缺点,总结凝练了国内外学者在地应力反演算法和工程运用中作出的改进和创新,特别是非线性数理方法在地应力场反演应用中的新进展.本文提出了一种新的地应力场计算的非线性优化新算法——替代模型加速优化算法,该方法能够保证高精度、快速获得全局最优解.为了适用大规模地应力场反演,发展了能产生降阶和特征提取作用的特征正交分解地应力反演优化算法.最后,提出面向深部岩石工程和地质灾害防治的地应力场研究发展方向.     

基于测井和压裂资料的储层三向地应力求取方法

利用相关测井资料计算储层岩石的动态力学参数,并通过室内岩石力学三轴实验将动态的岩石力学参数转化为水力压裂工程可用的岩石力学静态参数,提出储层三向地应力剖面的计算方法.以义H井为例,计算连续的岩石静态力学参数和地应力剖面.     

声发射法测试岩石先期应力值的可行性

本文根据岩石声发射类型和一个试验实例，讨论了应用声发射法测量岩石先期地应力的可行性和精度。     

基于非线弹性CSIRO地应力测量技术及应用

在地下工程的中尤其深部工程,地应力是指导开挖的重要参数之一,因此,地应力测量工作至关重要.CSIRO地应力测量法是国际岩石力学学会推荐的地应力测量方法之一.针对三山岛金矿深部巷道近千米花岗岩钻机取芯,精密加工成标准圆柱试件,进行单、三轴压缩试验,获取霍克布朗-准则强度准则曲线,重点设计单岩样多围压阶梯弹性段加载试验.通过试验数据计算获得岩石弹性模量和泊松比等物理力学参数,引入体积模量K和剪切模量G等变形参量,且随平均应力不断增大成非线性变化的关系,应用双曲线函数模型建立变形参量与平均应力的本构关系■.公式中K_0/G_0为初始变形模量,K_0/G_0+1/a为平均应力无限大时趋近值,1/b为变形模量初始增长率,三参数都具有明确的物理意义.基于此公式推导考虑岩石非线弹性变形特征的CSIRO地应力测量法中高压双轴公式,通过三山岛金矿深部花岗岩解除岩芯高压双轴加载试验验证此公式的适用性.     

能量耗散与释放原理在水压致裂法中的运用

在内变量不可逆的热力学理论框架下,从能量的角度出发,讨论了水压致裂测试中岩石变形破坏中的能量耗散、能量释放与岩石强度和破坏的内在联系.同时基于能量耗散与释放原理推导出水压致裂法测量地应力岩体破坏时的临界应力公式,并应用上述公式结合水压致裂第一循环对某抽水蓄能电站地应力测量中的最大水平主应力进行计算,其计算值与传统理论计算值比较接近,表明所给出的临界应力公式是合理的.     

能量耗散与释放原理在水压致裂法中的运用

在内变量不可逆的热力学理论框架下,从能量的角度出发,讨论了水压致裂测试中岩石变形破坏中的能量耗散、能量释放与岩石强度和破坏的内在联系.同时基于能量耗散与释放原理推导出水压致裂法测量地应力岩体破坏时的临界应力公式,并应用上述公式结合水压致裂第一循环对某抽水蓄能电站地应力测量中的最大水平主应力进行计算,其计算值与传统理论计算值比较接近,表明所给出的临界应力公式是合理的.     

复杂工程地质体地应力场智能反演

地应力是地质构造和自重共同作用在地质体内形成的原始应力,是影响工程稳定性和灾变失稳的重要因素.由于受漫长的地质构造作用和地质演化,地应力场随时间和空间变化,由此使准确反演地应力场造成困难.以金川矿区为工程背景,借助地应力测量结果,开展工程地质体的地应力场反演研究.首先,建立矿区工程地质体三维数值模型,并采用正交数值分析和遗传规划算法,建立地应力与岩体参数和侧压系数的函数关系;然后,根据实测的地应力值与计算的地应力值之差平方和最小为优化目标,建立工程地质体的地应力场反演优化模型.采用遗传算法求解,获得矿区岩体参数和侧压系数;最后,将其代入数值模型进行正分析由此获得初始地应力场.通过4个测点地应力测量值与反演值对比分析可知,反演地应力的最大误差为16%,最小误差仅为0.62%.研究结果表明,地应力智能反演方法可用于复杂工程地质体的地应力场反演,且获得的地应力场满足地质工程分析所需要的精度.     

一种预测地下岩石主应力的方法

依据静态物体受力平衡的条件,推导地下岩层测量点的地应力方程,并以此方程建立相应的莫尔圆,从而得到地下岩层所受的垂直主应力以及水平最大和最小主应力的数学表达式。依据岩石的Kaiser效应,设计Kaiser地应力测量系统。利用莫尔应力圆测量被施压岩石样品的声发射事件从而预测地下岩层3个主应力。实验结果表明,当岩石产生微裂缝时,其应力能短暂释放,声发射的幅度和频率都会突然增大。     

万年煤矿地应力测量与分析

地应力是采矿等岩土工程设计、施工必须考虑的重要参数.本文阐述了地应力测量的意义和空心包体应变计三轴地应力测量原理与方法,通过友万年煤矿地应力测量与分析,论述了万年煤矿巷道的稳定性与地应力的关系.     

基于水压致裂法的隧道围岩地应力试验研究与岩爆预测分析

本文在分析水压致裂法测试地应力原理的基础上,结合隧道工程实际,采用水压致裂法进行隧道围岩地应力的测试研究分析工作,获取了隧道围岩的最大、最小水平主应力量值及最大水平主应力的方向,以及岩体破裂压力、岩体抗拉强度、岩体瞬时闭合压力、破裂面的重张压力等地应力及岩体力学参数,并根据隧道区的地应力资料,和岩石参数进行了岩爆预测分析,为隧道工程的设计、施工提供科学依据和技术支撑。     

Analytical investigation for stress measurement with the rheological stress recovery method in deep soft rock

Due to the difficulty and weakness of current stress measurement methods in deep soft rock, a new rheological stress recovery method of the determination of the three-dimensional(3D) stress tensor is proposed. It is supposed that rock stresses will recovery gradually with time and can be measured by embedding transducers into the borehole. In order to explore the applicability and accuracy of this method, analytical solutions are developed for stress measurement with the rheological stress recovery method in a viscoelastic surrounding rock, the rheological properties of which are depicted as both the Burger's model and a 3-parameter solid model. In such conditions, explicit analytical expressions for predicting time-dependent pressures on the transducer are derived. A parametric analysis is then adopted to investigate the influences of the grout solidification time and the mechanical properties of the grout layer. The results indicate that this method is suitable for stress measurement in deep soft rock, the characteristics of which are soft, fractured and subjected to high geo-stress.     

中等地应力地区建基岩体卸荷松弛特征研究

高地应力地区的建基岩体卸荷松弛特征受到广泛关注,而中等地应力地区的建基岩体卸荷松弛特征及受控因素,国内外却鲜有报道。本文以大岗山水电站为例,揭示中等地应力地区建基岩体的卸荷松弛特征,这既是对西部水电工程中建基岩体卸荷松弛理论的补充,又为大岗山水电站建基岩体的后期工程处理提供科学依据,因此研究意义重大。在大岗山水电站地质背景条件的研究基础上,依靠现场调研和大量的钻探、物探、孔内摄像等测试手段,讨论了中等地应力地区坝基开挖后的卸荷松弛特征,包括表生卸荷松弛和内生卸荷松弛两类现象,总体表现为裂隙张开、岩体松动、整体松弛的特点,几乎无新生岩石破裂产生,具有典型的继生性特征。同时指出,中等地应力地区建基岩体的卸荷松弛特征受到岩体结构的控制性作用。     

基于改进Burgers模型下巷道围岩蠕变规律研究

从常规试验数据出发,基于改进的Burgers模型对吕家坨矿巷道围岩的应力一应变关系的时间依存性进行了数值模拟计算,得出了与观测相近的结果。通过计算结果和观测结果的对比分析,探讨了该计算模型的合理性和可行性。     

非连续岩体破裂机理及其工程稳定性研究

本研究为应用基础研究,以解决工程实际问题为目的,以围岩中客观存在的破裂区为主线,从对地下工程稳定性问题的评价入手,以相似材料模型试验和数值模拟计算为基本手段,以断裂力学为基础,研究了断续节理岩体的细观破坏机理、宏观破坏过程及其对围岩破裂区和围岩碎胀变形的影响规律;研究了断续节理岩体中围岩破裂区的性质、破裂区与地下工程稳定性的关系等问题,提出了以围岩破裂区和围岩收敛量作为判定围岩稳定性方法,为采矿工程的设计、施工和生产提供了较为可靠的决策依据.本文获得以下主要结论:1)围岩破裂区是一个综合数量指标,采用以围岩破裂区厚度作为围岩稳定性评价的指标.2)采用数字照相变形量测方法来测量围岩的变形,较好地解决了平面应变模型试验中的变形量测问题,符合非接触变形量测的发展趋势.3)断续节理岩体的破坏机制为:在集中应力作用下,节理端部岩桥首先发生张拉破坏,新生的岩桥裂纹与邻近原生节理相互串通,最终形成阶梯状滑移面而使岩体强度丧失.4)当节理两端的次生裂纹扩展长度l=h/sinβ时,节理岩体将产生贯通破坏.5)在节理岩体中,围岩破裂区是由于新生裂纹与节理相互贯通导致纵横交错的贯通裂隙所致,断续节理贯通破坏的边界可定义为围岩破裂区的边界.6)通过相似模型试验发现,当节理密度大时,围岩破裂区会跨越相邻节理;反之,节理对围岩破裂区的扩展有阻隔作用.7)围岩收敛速率的第一次突然增大,预示围岩中已产生破裂区,而围岩收敛速率的每一次突然增大,意味着围岩产生了剧烈的破坏.8)当节理角度在30°～75°之间时,节理角度对岩体强度的影响较大,并且在60°左右时岩体强度最低,稳定性也最差.9)当巷道的收敛量达到或超过2.5%时,巷道围岩中将产生破裂区;当巷道的收敛量达到或超过5%时,巷道将发生冒顶事故,已处于失稳状态;当巷道的收敛量达到或超过22.8%时,巷道将完全毁坏,并失去了人工稳定的可能.     

压力隧洞渗透稳定的参数敏感性分析

为了研究压力隧洞渗透稳定性与围岩变模、围岩渗透系数、地应力、衬砌类型及厚度等的关系,建立了压力隧洞内水外渗的渗流-应力-开裂耦合计算模型,拟定了不同围岩渗透系数、不同围岩变模、不同初始地应力、不同衬砌类型及厚度等组合的一系列工况,运用上述计算模型对压力隧洞内水外渗进行了计算.根据计算结果,以隧洞综合透水率和破坏内水压力为渗透稳定性指标,对围岩渗透性、围岩变模、地应力及侧压力系数、衬砌是否配筋、衬砌厚度等影响因素进行了参数敏感性分析,给出了各参数对压力隧洞综合透水率及破坏内水压力的影响程度.研究成果可为压力隧洞设计,尤其是衬砌型式选择提供参考依据.     

水利系统中虚拟现实技术的发展

结合当前我国水利事业的发展概况 ,介绍了虚拟现实技术的概念 ,较为深入地分析了它的技术特征 (沉浸感 )及其组成要素 .并根据虚拟现实技术在水利工程中的应用 ,讨论了在水利系统中虚拟现实技术未来的发展方向 .     

堆石材料邓肯模型参数统计规律研究

堆石材料邓肯模型计算参数的选用对面板堆石坝的计算分析成果影响很大,在实际应用过程中,需要有简单易行的推求方法,以合理地用计算参数.分析了堆石材料邓肯模型参数的统计规律,通过分析国内13个已建或在建工程堆石材料的实测计算参数,以干容重为参照,给出了灰岩和砂砾石材料参数的推求公式,对于合理选用邓肯模型计算参数有一定的借鉴意义.     

Techniques for in-situ stress measurement at great depth

Reliable information of in-situ stress state is necessary for the design and construction of most important rock projects. As most rock projects are getting deeper and deeper, traditional techniques of in-situ stress measurement are not very suitable. The current techniques of in-situ stress measurement and their insufficiency for use at great depth are analyzed. Some basic ideas of the de-velopment of new techniques and the improvement of current techniques for use at great depth are provided.     

水化学环境对岩石性质影响研究现状及展望

在对大量国内外文献资料进行搜集、整理、分析、对比及归纳的基础上,从化学作用下岩石宏观物理力学特性与微细观结构间的内在本质联系、岩石化学损伤演化机理以及岩石工程耐久性评价等方面分析了目前水化学环境对岩石性质影响的研究现状,当前国内对其微观损伤机理的研究仍不够全面系统,且研究成果未能十分有效地应用于实际工程;环境岩石工程学科有望在水化学环境下岩石性质的时效性、建立受腐蚀岩石的扩散模型、量化岩石的抗腐蚀能力等方面的研究取得长足进展。     

隧道施工中的岩爆及时预测

岩爆是高地应力条件下隧道及地下洞室开挖中围岩因卸荷而发生的岩片爆裂松脱、剥落、弹射的地质灾害。本文研究了岩爆形成机制和岩爆的主要影响因素,指出岩爆的发生主要与岩石性质、地质条件和应力状况有关。为了避免或减少岩爆造成的损失,需要正确预测岩爆,其中重要工作是及时测量地应力的大小和岩石抗压强度。针对高地应力条件下隧道及地下洞室施工过程中,经常发生岩爆的地质灾害,需要进行及时的预测预报,预报要求快捷、简便、实用。其中岩石抗压强度采用点荷载强度仪容易进行确定,主要困难是如何及时进行地应力测量。本文改进了门塞式应力恢复法,推导了切向应力的计算公式,确定了公式中的等效应力系数。将该方法应用于大广南高速公路鄂赣隧道施工过程中的岩爆预测预报,预测结果与实际情况符合较好,有效地指导了岩爆的防治,并减少了相应的损失。