含软弱夹层岩体边坡的突变模式分析

针对含软弱夹层岩体边坡失稳问题,考虑软弱夹层的应变弱化特性,运用突变理论方法,建立燕尾型突变模型。基于建立的突变模式,对含一层软弱夹层的岩体边坡定量分析滑坡演化过程中的突跳特性;对于含多层软弱夹层的岩体边坡,通过对燕尾突变模型得到的平衡曲面方程进行分析可知,其势函数最多可有4个极值点,3个控制变量的不同取值使系统处于不同的分叉点集区域,其势函数极值点的个数不同,形式也不同,相应地,系统也呈现出不同的性质,于是根据势函数极值点个数的不同,定性分析随着控制参量的变化,边坡失稳中突跳的可能性。     

隧道岩爆的机理研究与防治

岩爆是高地应力区地下工程硐室开挖施工中常见的一类动力失稳地质现象。对于岩爆所带来的危害,引起了全世界的关注。但对岩爆的定义、分类及其机理,学术界尚未达成共识。本文根据对渝怀铁路某隧道中的岩爆实例调研,通过现场记录及室内岩石力学试验研究,归纳了岩爆的力学条件,并简要分析了该隧道岩爆的形成条件和影响因素、岩爆的破坏形式及其破坏过程。得出了该隧道岩爆的产生机理,对今后的预测及防止岩爆都有重要意义。     

煤矿岩爆发生机制研究

 博士学位论文摘要　以煤矿岩爆为工程背景, 采用岩石力学、断裂力学、粘弹性力学、稳定理论以及试验模拟相结合的方法,从煤岩体结构局部失稳的角度, 提出并建立了煤矿片帮型岩爆的力学模型。在理论分析和试验研究方面作了一些新的探索和尝试, 取得了下列主要研究结果:(1) 以岩石裂隙演化及其力学特性的研究为出发点, 着重研究了受自由表面影响的近壁面裂纹的扩展条件与扩展方向。研究表明, 在压应力集中区内, 近自由表面的裂纹在低侧压(或无侧压) 时, 将平行于壁面沿最大压力方向扩展, 在一定的压力下,受自由表面的影响, 这种扩展是不稳定的。通过滑移开裂裂纹模型, 给出了近壁面两种情况下裂纹扩展的临界应力计算公式。(2) 通过对巷道和采场围岩的受力分析, 定义了由壁面到煤体深处的应力过渡区。在高压应力(包括采动应力) 作用下, 过渡区内裂纹将扩展贯通, 并在一定范围内形成顺壁层裂结构区, 讨论了层裂结构区的尺度。提出并建立了煤矿片帮型岩爆的力学模型———层裂板模型, 即认为巷道或采场壁面的局部稳定是由高应力集中区内形成的层裂板结构区的稳定控制的, 片帮型岩爆是煤壁层裂板结构区的局部压屈。分析了层裂板结构两种约束状况下的稳定性。(3) 考虑裂纹的亚临界扩展, 研究了裂纹扩展的时间相关性, 讨论了裂纹贯穿前壁面位移与时间的关系。(4) 基于板梁结构和层裂板模型, 采用线粘弹性本构关系, 研究了煤矿片帮型岩爆的时间延迟问题, 这是对岩爆发生的时间延迟研究的一个新的尝试。得到了不同载荷水平下, 板梁结构和层裂板模型失稳的延迟时间计算公式。此外, 简单讨论了缓慢底鼓与急剧底鼓的机制以及扰动应力对岩爆发生的影响。(5) 用研制的相似材料模型和煤块混合模型, 对煤矿岩爆进行了模拟试验研究, 验证了本文建立的层裂板模型的正确性和适用性。试验成功地模拟了巷道或采场岩爆的过程。壁面及顶底板的相对位移变化的记录曲线表明, 岩爆发生时, 位移曲线发生相应的突跳, 这种现象在一定的间歇后, 可再次发生, 反映了岩爆的间歇性和动力失稳的特征。试验后的壁面观测发现, 残存壁面呈层裂结构, 突出物为片状块体。此外, 还对相似材料模型和煤块混合模型的试验现象和结果进行了对比分析, 认为后者更能反映实际状况。混合模型在此类试验中是首次使用, 为该类试验模型制作提供了新的途径。(6) 以三河尖煤矿岩爆为例, 运用层裂板模型对片帮型岩爆发生机制进行了分析。通过模型的实例估算, 得到了发生岩爆的临界深度与该矿当时的开采深度相一致的结果, 这表明层裂板模型对片帮型岩爆机制的分析是合适的。     

稳定分析中极值点失稳与分枝点失稳的跟踪策略及程序实现

对结构的平衡路径进行跟踪分析,是全面了解该结构的受力性能所必须进行的一项工作.目前的结构非线性稳定分析技术大多对极值点失稳型问题较为有效,但对分枝点失稳型问题则困难较多.本文就结构分析中这两种常见的失稳形式进行了比较分析,并就其跟踪策略进行了探讨,提出采用位移扰动法和力扰动法有选择地跟踪实际所关心的平衡路径.最后编制程序并对一K6-4型单层穹顶网壳进行了分析验证.     

岩溶隧道突水模式及其前兆信息

山岭隧道在开挖穿越岩溶地区过程中,由于受到复杂的地质条件的影响,往往隧道会遭受突水涌泥等强烈的地质灾害。突水灾害常常引发隧道被淹、开挖设备进水损毁等事故,严重的还会引起当地水土流失,地下水平衡破坏,甚至危及到施工人员的安全,是隧道开挖过程最具威胁的灾害之一。本文将隧道突水模式按破坏类型进行了分类,将其分为渗透型破坏、贯穿劈裂型破坏以及综合型破坏(综合型破坏又可分为拉剪型破坏、剪切型破坏和失稳型破坏)。据本文中划分的突水模式,对不同的破坏形式的地质前兆信息以及超前预报前兆信息进行分类总结,建立了突涌水灾害综合前兆信息判识体系,有效地预防隧道突水灾害的发生,降低施工损失。     

冲击岩爆试验系统研发及试验

依据岩爆发生时的力学状态,岩爆可以分为应变岩爆和冲击岩爆两大类型。冲击岩爆是深部岩体受静荷载和冲击动荷载共同作用所致,其试验系统的研发是岩石力学界的难题之一。设计并研发冲击岩爆试验系统,并进行冲击岩爆试验。该试验系统设计16种简谐波,通过其组合叠加,可以实现对开挖爆破、顶板垮落、断层滑动等冲击扰动波的模拟。试验采用加载至三向不同应力状态下的带圆形贯穿孔洞的立方体砂岩试样,在σ1方向施加扰动波,σ2,σ3保持在恒定应力水平的加载方式,通过伺服控制系统,实时采集砂岩试样冲击岩爆过程中的力和位移数据,获得全过程三向应力–应变曲线。通过图像采集系统,实时拍摄砂岩冲击岩爆全过程,获得该类型岩爆过程剥离、弹射等特征现象。并进行类似的静力加载破坏试验,观察其破坏现象与冲击岩爆过程的差异。通过对巷道单元岩体动应力和能量的分析,建立冲击岩爆的动应力和能量判别方法。     

岩石破裂过程渗流与应力耦合分析

通过对经典Biot渗流力学做进一步的考察 ,讨论了耦合渗流方程参数的物理意义 ,在Biot基本方程的基础上 ,增加一个反映渗透系数和孔隙变化率关系的耦合方程 ,并结合原有的RFPA弹性损伤本构方程 ,引入渗透率突跳系数 ξ这一概念 ,提出了岩石损伤演化过程渗流 -应力耦合方程 ,开发出岩石破裂过程渗流 -应力耦合分析系统F -RFPA2D,实例分析表明 ,这个系统能够对裂纹的萌生、扩展过程中渗透率演化规律及其渗流 -应力耦合机制进行模拟分析     

隧道充填型岩溶管道渗透失稳突水机制三维流–固耦合模型试验研究

为研究岩溶地区隧道开挖过程中,充填型岩溶管道受施工扰动和地下水渗流作用发生失稳突水的机制,以湖北省保康—宜昌高速公路尚家湾隧道突涌水段为工程背景,通过大型三维可视化固–液耦合试验平台、水压加载控制系统以及水压环境下有较好相似度的流–固耦合岩石和充填物相似材料的研制,开展深长隧道充填型岩溶管道渗透失稳突水的大比尺三维流–固耦合模型试验,真实再现隧道开挖和水压加载过程中,岩溶管道充填物中裂隙形成→扩展→导水通道贯通→突水的全过程,通过位移、应力和渗压变化规律的分析,揭示充填物渗透失稳突水过程的灾变演化机制。试验结果表明:(1)施工过程中充填型岩溶管道突水是开挖扰动和高地下水位高渗透力作用诱发充填物渗透失稳的结果;(2)充填物受开挖扰动影响比围岩更明显,变形量比围岩大20%~25%,应力释放率比围岩高30%;水压加载阶段,水头高度升高到6.0 m时,充填物位移突增50%,渗压下降速率达0.6k Pa/min,达到失稳临界状态;(3)岩溶管道突水受其发育形态影响比较明显,其弯曲角度较大的部位是阻碍上部水和充填物突出的主要屏障;(4)充填型岩溶管道渗透失稳突水的灾变演化过程经历4个阶段:形成离散的微小裂隙、裂隙连通形成导水通道、在渗流作用下导水通道扩展延伸、导水通道贯通形成突水路径,其中前2个阶段主要受开挖扰动影响,后2个阶段与高水位高水压的渗流作用密切相关。试验成果对突涌水机制的研究和工程中突涌水灾害的防治具有一定的指导意义。     

深长隧道充填型岩溶管道渗透失稳突水机制三维流–固耦合模型试验研究

 为研究岩溶地区隧道开挖过程中充填型岩溶管道受施工扰动和地下水渗流作用发生失稳突水的机制,以湖北省保康至宜昌高速公路尚家湾隧道突涌水段为工程背景,通过大型三维可视化固液耦合试验平台、水压加载控制系统以及水压环境下有较好相似度的流-固耦合岩石和充填物相似材料的研制,开展深长隧道充填型岩溶管道渗透失稳突水的大比尺三维流-固耦合模型试验,真实再现隧道开挖和水压加载过程中,岩溶管道充填物中裂隙形成–扩展–导水通道贯通–突水的全过程,通过位移、应力和渗压变化规律的分析,揭示了充填物渗透失稳突水过程的灾变演化机制。试验结果表明：(1) 施工过程中充填型岩溶管道突水是开挖扰动和高地下水位高渗透力作用诱发充填物渗透失稳的结果;(2) 充填物受开挖扰动影响比围岩更明显,变形量比围岩大20%～25%,应力释放率比围岩高30%;水压加载阶段,水头高度升高到6.0 m时,充填物位移突增50%,渗压下降速率达0.6 kPa/min,达到失稳临界状态;(3) 岩溶管道突水受其发育形态影响比较明显,其弯曲角度较大的部位是阻碍上部水和充填物突出的主要屏障;(4) 充填型岩溶管道渗透失稳突水的灾变演化过程经历四个阶段：形成离散的微小裂隙、裂隙连通形成导水通道、在渗流作用下导水通道扩展延伸、导水通道贯通形成突水路径,其中前两个阶段主要受开挖扰动影响,后两个阶段与高水位高水压的渗流作用密切相关。试验成果对突涌水机制的研究和工程中突涌水灾害的防治具有一定的指导意义。     

基于峰后应力跌落速率及能量比的岩体脆性特征评价方法

 脆性作为岩体的重要力学性质之一,是水力压裂、岩石破碎及岩爆预测等工程的关键指标。鉴于此,总结国内外常用岩体脆性指数计算方法,通过对现有数据分析及力学试验对比指出其适用情况及优缺点。为了更加合理的表征岩体脆性,提出基于岩体应力–应变曲线峰后应力跌落速率及失稳破坏时所释放弹性能与峰前储存总能量比值共同表征的脆性指标,并通过胜利油田某油井隔层和油层岩芯在不同围压下的物理试验,验证脆性指标的正确性及相对于其他方法的优越性。另外,通过物理试验中围压为15 MPa油层岩芯的脆性指数突跳现象,说明在实际工程中应该充分重视岩体内部缺陷对其力学行为造成的影响。结论可望对岩体室内脆性评价与分析提供些许参考。     

考虑应变率及应变梯度效应的断层岩爆分析

从理论上研究了考虑应变率效应及微小结构相互影响的断层带．弹性岩石系统的剪切不稳定性。在经典弹-塑性理论的屈服函数中引入应变梯度及考虑应变率效应的函数。将断层岩爆简化为一维动态剪切问题，利用：局部塑性剪应变的对称性；在断层带的边界上，其应变值为零；断层带的宽度由塑性剪切应变取极值来确定等条件，得到了断层带内部的局部塑性剪切应变及局部塑性剪切位移，二者都随应变率的增加而趋于明显增加。同时，还得到了应变软化阶段系统结构响应的理论表达式。令峰后刚度为无穷大，则可得到岩爆发生的临界加载应变率，该参数不仅与岩石材料的本构参数有关，而且还与岩石结构的几何尺寸(即弹性区域的尺寸)有关。应变率增加使断层．弹性岩石系统容易发生失稳回跳。此外，若不考虑应变率效应，则本文的理论结果可以退化为对断层岩爆的静力分析结果。     

基于剪切应变梯度塑性理论的断层岩爆失稳判据

应用应变梯度塑性理论及能量准则，提出了断层岩爆的失稳判据的解析解。断层带被视为一维剪切问题，断层带尺寸由岩石内部长度确定。断层带的一半及带外一侧的弹性岩石被视为一个系统。得到了依赖于断层带尺寸的断层带的耗散势能及峰后刚度表达式。应用能量准则，得到了断层带-围岩系统的失稳判据，它不仅与岩石材料的本构参数有关，也与岩石结构的几何尺寸有关，说明系统的稳定性具有尺寸效应。断层岩爆失稳判据与矿柱岩爆失稳判据具有类似性。目前的断层岩爆失稳判据的优越性在于：断层带的宽度、断层带的耗散势能、峰后刚度及失稳判据等都可以解析表示；而且，断层带内部具有不均匀的(塑性)剪切应变，这一点与有关的实际观测结果相符合。     

断层岩爆是应变局部化导致的系统失稳回跳

讨论了应变局部化、岩爆及Ⅱ类变形行为的关系，并利用梯度塑性理论得到了4种等效的回跳准则。局部化是岩爆的前兆之一，也是出现Ⅱ类变形行为的原因。利用最小势能原理及梯度塑性理论，可得到系统的失稳判据；利用位移法，可以得到系统的Ⅱ类变形行为。若非弹性剪切位移(或平均塑性剪切应变)的增加快于弹性剪切位移(或平均弹性剪切应变)的降低，将出现Ⅰ类变形行为；反之，将出现Ⅱ类变形行为。弹性区与剪切带宽度的比率越大，或剪切弹性模量与剪切降模量的比率越小，系统越容易失稳。     

官地地下厂房洞室群施工期围岩位移特征分析

对官地水电站地下厂房洞室群施工期围岩位移特征进行分析,以主厂房为例,研究结构面对位移的影响和位移随时间曲线的变化规律。分析表明：地下厂房围岩位移为0～20 mm,位移较大部位出现在主厂房边墙中上部和岩锚梁部位。开挖揭露量级较大部位的位移主要受到错动带控制,施工期洞室最大位移达到61.49 mm,结构面附近的张开位移是该部位的主要位移。锚杆和锚索对围岩位移起到很好的约束作用。位移主要发生在开挖施工期间,且随开挖过程表现出典型的阶跃上升特征;开挖施工结束后围岩位移收敛速度较快,围岩位移的时效特征不显著,洞室群稳定状况良好。     

基于改进的灰评估模型在岩爆中的预测研究

岩爆是深部高地应力区岩体开挖过程中常见的一种复杂的动力失稳现象。由于影响因素众多,且各因素在岩爆的孕育过程中所起的作用尚不十分明确,可以将岩爆与其影响因素间的复杂关系当作灰色系统,利用灰色聚类方法进行研究。根据岩爆的成因及特点,选取洞壁围岩的最大切应力 、单轴抗压强度 、单轴抗拉强度 及岩石弹性能量指数 作为影响岩爆的主要因素,并以应力系数 / 、脆性系数 / 及弹性能量指数 作为评价指标,通过对灰色白化权函数进行优化,建立改进的岩爆预测灰评估模型。该模型解决了传统模型存在的灰类多重交叉性及不满足规范性等问题,理论上更完备。采用改进模型对国内外若干深部岩石工程岩爆初始数据进行研究,并与传统模型的预测结果进行对比,发现改进模型的结果与实际情况吻合更好,预测精度更高,从而验证了改进模型的有效性及实用性。研究方法为岩爆的准确预测提供一种切实可行的途径。     

狭窄煤柱岩爆的突变理论分析

基于简化的狭窄煤柱岩爆分析模型和功、能增量平衡关系，导得狭窄煤柱岩爆的突变模式属折迭突变模型。该突变模型的平衡方程和平衡路径所展示的全部性态，可对煤柱以岩爆形式破坏和渐进形式破坏过程中包括系统稳定性在内的所有主要行为作一一对应的描述。首次给出的岩梁弹性能变化(释放)率曲线包含了丰富的信息量，对理解岩梁-煤柱系统在各阶段的行为规律有着重要的作用。能量输入率，J=0是系统失稳的临界条件，其表达式中蕴涵了Cook刚度判据，故可视为Cook判据能量形式的动态推广。     

金家坝水电枢纽导流洞开挖非线性数值模拟

用非线性有限元法对金家坝水电枢纽施工导流洞的开挖进行数值模拟,得出了施工及运行期各阶段的大小主应力曲线图、塑性区分布图、钢支撑的轴力和弯矩图,以及隧洞洞壁的位移趋势。分析结果表明,钢支撑端点存在应力集中现象,但应力集中的范围极小。加锚杆支护后,应力集中向围岩深处扩散,应力值大小降低,塑性区几乎消失,拱顶开挖完成后,顶部下沉位移逐渐趋于稳定。从而验证了设计方案的可行性,并为施工提供了可靠的依据。     

The plastic zones and displacements around underground openings in rock masses containing a fault

Faults are the commonly encountered large geological discontinuities in hard rock masses, most severe underground structure instability is found to be closely associated with the faults presence nearby. The parametric study carried out in this paper using numerical method (UDEC) has identified some fault parameters to be really critical for the underground structure stability. These fault parameters are fault dips, fault shear strength and fault locations relative to the underground structure. This numerical investigation revealed that faults affect the stability of underground structure by the tendency of increasing the plastic zones, displacements and causing both asymmetrically distributed in the rock masses adjacent to the excavation. The relationship of the induced plastic zones, maximum displacements varying with these fault parameters was established. The distribution of plastic zone and displacement was graphically presented and the mechanisms such effects were discussed. These results offer a guideline in support design.     

非均匀围压下矿井断层冲击地压的突变理论分析

 按Mises 增量理论,将提出的均匀围压下矿井断层冲击地压的突变理论分析推广到非均匀围压下的断层冲击地压分析,得到非均匀围压下的断层失稳半错距和弹性能释放量表达式。对由于断层失稳导致围岩产生的荷载、位移效应进行了分析。     

强震崩塌岩体冲击桥墩动力响应研究

 雅(安)-泸(沽)高速公路YK136＋097西冲特大桥16#桥墩岩质边坡发育的陡倾坡外结构面与风化卸荷裂隙构成倒悬危岩体。该区属高地震烈度区(VIII度),运用非连续变形数值分析(DDA)方法,对危岩体在强震作用下的失稳模式、破坏规模、运动轨迹及对桥墩冲击的动力响应进行模拟研究。演进过程如下：强地震力作用产生放大效应,使突出山梁部位岩体首先震裂、抛掷,接续为中下部岩体沿卸荷拉裂面溃崩解体,滑体进而沿主控结构面整体滑塌、冲击桥墩。统计分析坡体及桥墩监测点位移大小和变化特征,表明桥墩上各监测点位移与地震节律呈正相关,在失稳岩块撞击及堆积岩体推挤作用下,系梁与桥墩顶端变形及永久位移较墩身其他位置大,这一过程与“5•12”汶川地震滚石冲击桥梁破坏现象吻合。在对坡体及桥墩变形量化分析基础上,依据强震触发崩塌特征提出了桥梁边坡危岩防治方案。