磁性岩土相似材料物理力学性能试验研究

地质力学磁力模型试验能够模拟实际工程中的复杂情况,从而确定现场中难以确定的问题。而磁性岩土相似材料与原型材料的力学性能参数是否相似,是地质力学磁力模型试验是否可靠的重要因素,为了保证模型试验结果的可靠性,需要对磁性岩土相似材料进行试验研究。由于岩土中岩体与结构面力学性能相差很大,将岩土相似材料分为岩体相似材料与结构面相似材料分别研究,选取铁粉、石英砂、粘土为岩体磁性相似材料,选取铁粉、重晶石粉、石膏为结构面相似材料。测量相似材料的密度、抗压强度、弹性模量、粘聚力、内摩擦角、泊松比等力学性能参数,研究材料含量与物理力学性能变化之间的规律,为地质力学磁力模型试验提供指导。     

不同洞形与加载方式对深部岩体分区破裂影响的模型试验研究

 随着地下工程开挖深度的增加,深部洞室围岩将产生不同于浅部洞室的分区破裂现象。为研究分区破裂的破坏机制和形成机制,以淮南矿区丁集煤矿高地应力深部巷道为工程背景,采用模型相似材料和数控真三维加载模型试验系统,开展圆洞、城门洞和马蹄形洞在沿洞轴向和垂直洞轴向加载条件下的洞室开挖真三维地质力学模型试验。模型试验研究表明：(1) 初始最大主应力平行于洞轴方向且其量值超过1.5倍围岩单轴抗压强度是深部岩体产生分区破裂的重要条件;(2) 洞室分区破裂的范围与洞形和洞室尺寸有关,洞室尺寸越大,分区破裂范围越大。模型试验结果有效揭示分区破裂的形成条件和破坏规律,为深入研究高地应力深部岩体的非线性变形特征与破坏机制奠定了坚实的试验基础。     

深部岩体变形破坏动态本构模型

 根据深部岩体在卸荷条件下能量释放、消耗和转移的过程中,其体积变形经历弹性回弹和扩容以及剪切变形可能经历峰值前(弹性和内摩擦强化阶段)和峰值后(软化及残余破坏阶段)阶段的性状,提出深部岩体变形破坏全过程动态本构模型。该模型的特点可归纳为：(1) 引入Juamann导数,能够计算有限变形;(2) 描述卸荷过程中与时间相关的体变回弹、扩容至破裂的全过程关系;(3) 描述了卸荷过程中,深部岩体强度(长期强度、破坏强度和残余强度)被调动的演化过程,并用同轴的屈服面、破坏面与残余破坏面3个圆锥面加以描述;(4) 运用物理细观力学理论,引入宏观裂纹扩展滞后时间表征岩体不同构造水平在强化中的贡献,给出内摩擦强化阶段流变方程;(5) 运用裂纹运动散布理论,引入破裂时间表征宏观裂纹扩展贯通过程,给出破裂过程中的强度随时间的演化方程,用塑性流动理论给出软化阶段形变本构方程。最后,在LS-DYNA平台下对本构模型进行二次开发,通过深埋地下隧洞开挖变形破坏的算例,初步展示该模型在深部岩体力学理论与工程中的应用前景。     

层状岩体边坡的弯曲变形破坏试验及有限元分析

用地质力学模型试验方法，在实验室对层状岩体边坡进行分期开挖破坏试验，同时利用考虑了岩层弯曲变形效应的有限元程序模拟开挖破坏过程。两种方法所得结果具有良好的可比性，揭示了在开挖状态下岩体弯曲变形折断破坏的一些规律。     

深部岩体强度准则

提出一种新的适用于深部岩体的强度准则,该准则考虑深部岩体的拉伸破坏,同时考虑深部岩体的剪胀和剪缩破坏,其破坏面可以是闭合的也可以是张开的,而且与RMR岩体地质力学分类指标建立联系.深部岩体准则中的参数均有明确的物理意义,可以很容易通过实验确定或通过RMR岩体地质力学分类确定.该准则不仅可考虑所有应力分量对材料破坏的影响,而且可反映深部岩体的受力特点.最后,将新准则与实验结果进行比较,从而验证了新准则的有效性.     

地应力下柱面应力波在节理岩体中传播规律研究

考虑地应力对柱面应力波在完整岩石中传播的物理及几何衰减,及与节理相互作用关系的影响,推导出地应力下柱面波在节理岩体中的传播方程。同时开展模型试验,对不同地应力下柱面波在完整岩石及节理岩体中的传播及衰减规律分别进行研究,并将试验与理论结果进行对比分析。研究结果表明:柱面波在完整岩石中的物理衰减随着围压增加先减小后增大,当侧压力系数改变时,柱面波物理衰减的变化与差应力大小有关;柱面波在节理岩体中的透射系数与节理角度和柱面波在节理及完整岩石中的衰减有关,无围压时透射系数随着节理角度增大而减小,存在围压时透射系数的变化规律则相反。随着围压或侧压力系数增加,透射系数呈现出先增大后减小的趋势;不同围压下柱面波在节理岩体中的透射系数理论与试验值较为一致,验证了所推导出的传播方程的合理性。     

大岗山双曲拱坝整体稳定三维地质力学模型试验研究

针对大岗山双曲拱坝的工程地质问题,采用三维地质力学模型试验技术,研究坝体和坝肩从加荷到破坏的整个过程和机制.试验过程模拟大坝基础的不连续岩体条件、岩体力学特性和整体双曲拱坝.试验考虑拱坝上游超载情况,同时还模拟两坝肩岩体中软弱结构面强度弱化的影响,为此研制适合该工程的变温相似材料及试验模拟新技术,并在一个模型上进行强度储备与超载相结合的综合法试验.试验结果给出拱坝在正常蓄水位和降强之后超载作用下的位移场,获得坝体和坝肩的变形及分布特征、内部断层典型测点的相对位移,揭示拱坝坝体和坝基失稳前后裂缝发展的全过程及其破坏机制.得到强度储备系数为1.25,超载系数为4.0～4.5,确定拱坝坝肩坝基整体稳定安全度为5.0～5.6.对试验数据的综合分析,可以评价边坡的稳定性,并针对坝肩的薄弱环节提出加固处理措施建议.     

岩体的构造层次及其成因

岩体具有复杂的构造层次,这种构造层次的范围从微观一致延伸到宏观。但是对于这种构造层次的形成原因到目前为止还没有就内因及外因进行系统的研究。本文基于现有的地质力学研究成果及物理理论对于岩体构造层次形成的原因进行了系统研究。从研究结果可以看出,岩体构造层次的形成既具有岩石初始形成过程中的原因,也有后来的地质运动原因。在岩石形成时,由于不平衡状态的存在及与周围环境进行能量及物质交换,出现了自组织过程及耗散结构,从而形成了相互嵌入的自相似分形结构。地质运动原因是由于外部作用的存在使得地壳处于不平衡状态。不平衡状态为岩体的变形与破坏不断提供能量,从而形成耗散结构。在不同的年代形成不同层次的断层,邻近断层相互成45°角,尺度按2因子变化。由于岩体中存在着自相似分形结构,嵌入系数就是岩体内部构造自相似性的一种外在表现。     

滑坡物理模型试验畸变修正及应用研究

 地质力学模型试验是研究滑坡形成机制的重要手段之一。分析滑坡模型试验中的相似现象与相似方法基础上,以三峡水库滑坡物理模型试验为研究背景,采用自主研制的考虑雨水作用的大型滑坡物理模型试验平台,推导滑坡模型试验的相似判据。针对传统相似理论在滑坡地质力学模型试验应用中的畸变问题,提出滑坡物理模型试验畸变修正方法。利用该方法建立滑坡物理模型试验新的相似条件和相似环境,以三峡库区千将坪滑坡模型试验研究为例,揭示该滑坡为牵引与推移式并存的二段式启动机制。采用模型畸变修正方法,对滑坡各剖面的极限位移进行预测,进一步完善滑坡物理模型的试验理论与方法。     

层状岩质边坡开挖过程相似模型试验

层状岩质边坡是自然界中分布较广的一类边坡。本文以云南某矿山采场边坡为例,应用二维物理模型对层状岩质边坡进行了模拟研究。在遵循相似理论的前提下,确定了本次模型试验的参数和相似材料的配比。本次模型试验分三步进行,首先,根据现场岩体的分布情况对模型进行堆砌建造,其次,对模型进行开挖,最后,对模型上观测点的变形进行监测。最终总结出层状岩质边坡的变形规律和内部围岩的变形趋势以及潜在的滑移破坏模式。     

基于物理模拟的某边坡危岩体稳定性分析

岩石边坡通常具有复杂的地质结构和变形破坏机理,其变形与失稳破坏是一个复杂的地质力学过程。本文以相似原理为基础,采用底摩擦试验的方法深入研究了西南某岩质边坡的变形破坏模式,探索边坡变形的内在联系,进而对其稳定性进行了评价。     

地质力学模型试验方法与变温相似模型材料研究

研究新型地质力学模型材料是研究高坝和地基稳定物理模拟的关键技术问题之一,对高坝建设具有重要理论意义和工程应用价值.介绍地质力学模型试验新型模型材料--变温相似材料和试验方法,推导超载法、强度储备法和综合法的安全度公式,并阐述其物理意义.材料试验研究结果表明,变温相似材料的抗剪断强度、黏聚力和摩擦因数等力学指标随着温度的升高而逐步降低,与温度变化成反比关系;在模型试验中通过升高模型材料温度的方式来降低材料的力学指标,从而能在一个模型上实现强度储备法和综合试验法;温度场对试验变位结果影响约为6%,对应力结果影响为-6%～9%,且温度变化越小,其影响程度越小.该材料及其试验新技术已成功应用于锦屏一级和大岗山等高拱坝的地质力学模型试验,具有良好的应用价值和工程实用意义.     

地质力学模型试验技术应用研究

介绍了地质力学模型试验技术的新近研究成果，内容包括获国家科技进步一等奖的PYD-50三向加载地质力学模型试验装置、获国家科技进步三等奖的拉．压真三轴仪和YD-A型岩土工程多功能模拟试验装置等模型试验设备的主要功能、特点，并简要介绍了与上述试验设备配套使用的多项模拟试验技术研制情况，包括岩体介质材料的模拟技术、喷锚支护施工工艺过程模拟技术、岩体介质变形量测技术、模型平面变形控制技术、模型边界柔性加载与横向变形同步技术等试验技术及其在工程中的应用情况。     

基于地质力学模型试验的大岗山拱坝整体稳定性分析

 地质力学模型试验是研究拱坝整体稳定性的有效方法,采用250∶1的模型比例尺对有基础处理的大岗山拱坝进行三维地质力学模型试验。通过小块体砌筑技术模拟裂隙岩体的变形和强度、坝基不连续结构面以及坝基处理措施;通过油压千斤顶加载系统施加坝面水荷载;采用的数据采集系统能及时、高效地测量坝面应变、坝基岩体外部位移和内部相对位移,并自动存储数据。采用超载水容重法进行超载破坏试验,得到拱坝坝体位移和应力的分布规律以及坝体和坝基岩体的开裂破坏过程。采用3个特征超载安全系数K1,K2和K3对大岗山拱坝整体稳定性进行评价。通过地质力学模型试验和基于变形加固理论的三维数值模拟对比分析表明,大岗山拱坝整体稳定性较高,并得到对拱坝–坝基整体稳定起控制性作用的部位。     

地质力学磁力模型试验相似材料磁力特性研究

 地质力学磁力模型试验是利用电磁力(场)模拟重力(场)的原理来研究地质力学工程问题的试验方法。在模型中,时间t、几何尺度l缩小n倍、重力加速度g扩大n倍,而材料的其他基本物理力学参数的相似比均为1,从理论上说可以采用原型材料进行地质力学磁力模型试验,这在模型试验的操作上十分方便。磁性材料的磁力特性是磁力模型试验方法的关键。磁粉、土体、水在电磁场中表现出不同的电磁和磁力特性。磁粉材料的电磁特性由磁回滞曲线表示。磁性材料在电磁场中的磁力与磁场强度的梯度成正比。A–200磁粉在磁感应强度为563.2 mT,磁粉含量为40%时的最大磁力倍数为20.92,并发生于第二次加磁;C–180磁粉在磁感应强度为569.6 mT,磁粉含量为30%时的最大磁力倍数为23.94,也发生于第二次加磁,这2种磁粉均可考虑作为磁力模型试验的模型材料。     

两种不同地基的破坏模式试验研究

为了研究条形基础地基的剪切破坏形式和承载机理,在相似理论的指导下,设计并完成了两组不同模型试验,模拟了砂土和粉质粘土两种不同地基受荷后产生变形,扩展直到破坏的全过程;测量并分析了地基中不同点处的土压力大小和分布规律,观测了剪切带的形成和发展过程。结果表明模型试验能够很好的体现地基的受力变形特征、地基中各点的真实应力状态及变化规律,在研究深基坑变形过程、破坏形态等方面具有理论研究意义。     

深部巷道围岩分区破裂三维地质力学模型试验研究

 为模拟分区破裂的产生条件和破裂机制,以淮南矿区丁集煤矿深部巷道为工程背景,通过相似材料三维地质力学模型试验再现深部巷道围岩分区破裂的形成过程,通过多种测试手段获得巷道围岩内部的应变和位移呈现波峰和波谷间隔分布的波浪形变化规律,从巷道围岩的破裂现象及其应变和位移的变化规律,有效揭示深部巷道围岩分区破裂的形成条件和破坏规律,为深入研究深部巷道围岩的非线性变形破坏机制奠定坚实的试验基础。     

岩石蠕变扰动效应理论及其在深地动压工程支护中的应用

深部岩体工程围岩蠕变性强,受外部中量级循环冲击载荷(冲击能量等级介于103～105 J)扰动影响时会发生长期大变形动力灾害.基于近年来对岩石蠕变扰动效应理论的相关研究,采用岩石动力学试验、围岩动态变形破坏理论分析并结合现场工程实践的综合研究方法,对中量级冲击载荷作用下深地岩体工程的长期大变形机制以及稳定性控制进行了系统...     

岩石爆炸动力学的若干进展

 论述岩石爆炸动力学原理及其工程应用研究近年来的若干进展,主要内容包括爆炸空腔范围以及各类破坏区范围的理论确定方法,地下爆炸近区的“短波”和“弱波”理论,爆炸远区——弹性区的运动和力学参数以及地下爆炸时岩石破碎等理论研究成果。同时还介绍了实验室条件下均匀介质中爆炸效应的规律和地应力、裂隙、浅埋时等不均匀、不连续性影响因素的实验室模拟爆炸试验研究。在相关研究的基础上,给出实际岩体中的爆炸效应试验,包括近区破坏效应、远区地震效应、不可逆变形区以及地下爆炸和浅埋(抛掷和定向)爆炸中相似关系的最新成果。此外,简要介绍岩石爆炸动力学在不同领域中的工程应用,并就今后岩石爆炸动力学研究的展望阐述一点认识。     

组合式地质力学模型试验系统及其在分岔隧道工程中的应用

地质力学模型试验是根据一定的相似原理对特定工程地质问题进行缩尺研究的一种方法。地质模型是客观物理实体的再现,在满足相似原理的条件下,能够真实反映岩土介质的基本力学变形特性。要进行模型试验,就必须有相应的模型试验装置。根据地质力学模型试验的特点,本文研制出一种能实施同步非均匀加载的组合式地质力学模型试验系统。该系统主要由盒式台架装置、变荷加载板和液压加载控制试验台组成,其具有尺寸可调、加载规模大、持荷稳定的显著优点。应用该系统对一大型分岔隧道工程进行了三维地质力学模型试验研究,有效揭示了分岔隧道围岩位移场、应力场的变化规律和岩锚支护效应。