一维动静组合加载下岩石冲击破坏试验研究

 利用研制的岩石动静组合加载SHPB试验装置,系统研究岩石在一维动静组合加载下的冲击破坏特性。首先按照一维应力波传播理论,对动静组合加载的试验原理进行理论论证。试验过程中预先在轴向施加不同载荷,按照静载强度的20%,30%,40%,70%,80%和90%等6个系列进行,然后沿轴向进行冲击加载,考察岩石的临界破坏承载强度。研究结果表明：在临界破坏的情况下,动态冲击的应力–应变曲线(包括常规冲击和动静组合加载)最后都会出现总应变减小的现象,这是由于冲击过程中岩石内部储存弹性能释放所致。在轴向静压较小时,岩石的组合加载应力–应变曲线跟常规的冲击试验曲线类似;轴压较大时,岩石的组合加载应力–应变曲线没有初始的近似线弹性段,直接从非线性段开始。随着轴向静压的增大,岩石的抗冲击强度呈现出先增大后减小的趋势,大约在静载强度60%时,抗冲击强度达到最大值。在入射能较小时,岩石吸收的能量会缓慢增加,在入射能较高时,岩石吸能会快速增加。常规冲击下岩石的临界破坏模式为劈裂形式,动静组合加载下呈现压剪形式。     

静荷载理论在岩爆研究中的局限性及岩爆岩石动力学机理的初步分析

对围岩切应力与单轴抗压强度的比值、岩爆事件的空间分布、TBM掘进隧道的围岩稳定及超深井井壁稳定等问题的分析表明，静荷载理论在岩爆研究中的局限性是明显的。对于钻爆法开挖的硬岩隧道，岩爆应该是处于非均匀应力状态的围岩在爆炸加载波、卸载应力波及岩爆应力波多次扰动的情况下，裂纹发生大规模瞬时动力扩展的结果，这可以概括为岩爆的岩石动力学机理。卸载扰动在已开挖围岩表面附近将产生P波、S波和Rayleigh波，对围岩扰动最大的是P波和Rayleigh波。P波和Rayleigh波的性质、分布及衰减规律可以较好地解释地应力量级对岩爆的控制及岩爆事件的空间分布等。     

二维动静组合加载下岩石破坏的试验研究

为模拟地下深部开采中二维应力状态下矿岩采掘及某些矿柱的稳定性问题，将特制的一维水平静压装置和Instron电液伺服材料试验机组合进行二维动静组合加载下红砂岩破坏的试验，研究当动载固定不变时红砂岩在不同水平静载和不同竖向静载下破坏的基本规律和特征，为深部采矿和矿柱等的稳定性分析提供理论与试验依据。     

岩石动静组合加载力学特性研究

 根据深部岩石力学研究的需要,在分析深部开挖中岩石受力特点的基础上,提出岩石动静组合加载问题。通过对多载荷凿岩机、INSTRON系统、SHPB装置的不断改进和尝试,研制出中高应变率段岩石动静组合加载试验系统,该系统可实现岩石轴向静压0～200 MPa、围压0～200 MPa和冲击动载0～500 MPa的同时加载。基于新研制的试验系统,对岩石在不同动静组合加载下的强度特性、破碎规律及吸能效率进行研究。结果表明：冲击动载一定,轴向静压从0增大到其单轴静压强度70%时,岩石的组合加载强度大于其纯静载强度或纯动载强度。轴向静压不变,随着冲击动载的增大,岩石的组合加载强度逐渐增大,表现出率相关性。动静组合加载下,岩石的破坏呈拉伸破裂模式,岩石的破碎块度在冲击动载或轴向静压增大时都向细粒端发展。岩石的吸能率随着动静组合加载的不同而不同,通过选择合适的动静组合加载,可使岩石的吸能率最大。     

一维动静组合加载下砂岩动力学特性的试验研究

 基于对深部岩石承受高地应力并在动力开挖扰动下发生破坏这一问题的科学认识,利用改造的劈裂霍普金森压杆动静组合加载试验装置,开展一维动静组合加载下砂岩的动力学特性试验研究。选取无轴压和3个典型轴压水平4种情形,开展不同应变率下的冲击试验。研究结果表明,相同应变率下岩石对外界冲击的响应受轴压比影响很大,冲击强度会随着轴压比的增加出现先增加后减小的趋势,在轴压比为0.6～0.7时达到最大值。相同轴压下,冲击强度会随着应变率的增加而增加,呈现指数函数关系。在一定的轴压比范围内,随着入射能的递增,岩石在加载破坏试验中先后会经历“吸收能量–释放能量–吸收能量”3个阶段。这3个阶段可以较好的解释高应力下岩石的动态强度递增、岩爆发生和诱导致裂三者之间的互相转化机制,对深部岩石工程的实践可以提供理论上的指导。     

三维动静组合加载下岩石力学特性试验初探

 基于对深部岩石承受高地应力并在动力开挖扰动下发生破坏这一问题的科学认识,利用改造的三维霍普金森动静组合加载试验装置,开展三维动静组合加载下砂岩力学特性试验的初步研究。选取3个围压水平(0,5,和10 MPa)和3个典型轴压水平(60,80和100 MPa),开展不同应变率下的三维组合加载试验。研究结果表明,当围压一定,轴压比在0.52～0.87范围内变化时,砂岩的抗压强度都会随着轴压的增大而逐步减小。当轴压一定,围压为5 MPa时砂岩的抗压强度跟无围压情况下差别不大。但是当围压增大到10 MPa,砂岩的抗压强度会有较大提高。本文的研究结果也证明了冲击过程中轴压对砂岩内部的裂纹起催生作用,弱化微元体的承载能力,导致割线模量降低;围压则可以抑制裂纹的萌生和扩展,强化了微元体的承载能力,使得割线模量会增加。研究结果还表明,在本文轴压比范围内,当围压一定时,砂岩单位体积释放能会随着轴压的增大而降低,当常规静载轴压比为0.6～0.7时,转化为吸能状态。在三维动静组合加载下,砂岩会呈现出“单锥”压剪破裂形式。     

动静组合载荷破岩声发射能量与破岩效果试验研究

 在动静组合载荷多功能试验装置上,以脆性岩石(花岗岩)为研究对象,进行不同载荷作用下的破碎试验。运用声发射系统AEwin采集岩石破碎过程中的声发射数据。基于不同加载模式下的声发射总能量和破碎体积的实测数据,分析两者之间的关系;采用破岩体积和破岩比能2个指标作为表征破岩效果的参量,综合分析各种加载模式下的破岩效果。结果表明：岩石破碎声发射累计能量与破碎体积有密切相关性,动载荷、动静组合载荷和静载荷下破碎单位体积岩石释放的声发射累计能量分别为WD,WS+D,WS,且WD＜WS+D＜WS;组合载荷破岩的声发射累计能量和破碎体积较纯动载或纯静载大,且存在最优加载参数组合,可使破岩体积达到最大且破岩比能最小。     

卡姆奇克隧道岩爆的力学机制及主动防控技术

以中亚第一长隧——乌兹别克斯坦卡姆奇克隧道为依托,在隧址区地应力特点、岩爆过程及特点综合分析的基础上,建立岩爆发生的力学模型,并在此基础上提出了主动控制岩爆的超前支护技术。研究表明:卡姆奇克隧道岩爆主要发生在拱顶附近,这主要是由于隧址区地应力最大主应力为水平方向且与隧道轴线接近垂直,隧道开挖后拱顶的切向应力最大的受力特点决定的;岩爆发生过程可分为拱顶围岩劈裂成板、岩板脆性断裂成块和块片弹射3个阶段;岩爆力学模型可简化为拱顶层状薄板在水平力作用下的脆性断裂失稳,岩板脆性断裂失稳的临界水平应力scr与岩板无支承长度L的平方成反比、与岩板厚度t的平方成正比,该力学模型可很好地解释卡姆奇克隧道岩爆的发生特点及主要表现特征。在此基础上,研发了一种通过减少拱顶岩板无支承长度、提高岩板厚度,从而提高岩板脆性断裂失稳临界应力,进而主动防止和减弱岩爆的超前支护技术,并在卡姆奇克隧道得到了广泛使用,取得了很好的岩爆防治效果。     

一维动静组合加载下磁铁矿石力学特性及破碎特征试验研究

以改善矿石破碎效率和能耗为目的,采用改进的霍普金森压杆(SHPB)试验装置,开展一维动静组合加载下磁铁矿石力学特性及破碎特征试验研究,分析轴压比与冲击速度对磁铁矿石破碎效果与能量利用率的影响。结果表明：冲击速度主要影响磁铁矿石在动态冲击作用下的抗冲击性能和破碎程度,在轴压比一定时,随着冲击速度的增大,试样破碎块度越小、加载轴压的影响作用越显著、累积应变越大,且轴压比越大累积应变的增幅越大;轴压比主要影响磁铁矿石在动态冲击载荷作用前其内部结构的损伤程度和冲击载荷的能量利用率,随着轴压比的增大试样的动态抗压强度存在一个最大值;一维动静组合加载下磁铁矿石破碎效果和能量利用率受轴压比和冲击速度双重控制,“低轴压+高速度”增强了磁铁矿石的抗冲击性能;“高轴压+低速度”的压剪作用效果不显著、破碎效果差;“高轴压+高速度”使试样破碎成大量岩屑粉末,破碎效果好但能量利用率低。因此,在利用“挤压+冲击”破岩方式破碎磁铁矿石时,应在明确破碎块度要求的前提下,综合考虑轴压比和冲击速度的组合作用,提出轴压比和冲击速度的最佳组合,以提高磁铁矿石破碎效果和能量利用率。     

花岗岩应变岩爆声发射特征及微观断裂机制

 对真三轴应力状态下的突然卸载应变岩爆试验监测到的声发射原始波形数据进行频谱分析和时频分析。根据三亚花岗岩岩爆试验前后样品SEM微观结构照片,岩爆过程的声发射频谱特性及声发射参数RA值(声发射撞击上升时间/幅度)的不同,分析其破坏过程的微观机制。在试件相对稳定阶段,产生以低幅、低能量释放为特征的波,对应微裂纹的滑移或局部的微裂纹开裂;在岩爆发生时声发射波除低频部分的幅值明显增大之外,高频幅值也有增大趋势,表明有高能量释放,试件内产生宏观破裂;岩爆前RA值增加,岩爆时降低。高RA值是张裂纹形成产生的波,低值是剪切裂纹形成的波。试验结果揭示岩爆过程中同时产生大量的高频低幅特征的波和低频高幅特征的波,分别对应形成穿晶或解理微裂纹,以张裂纹为主及沿晶或穿晶宏观裂纹,以剪切裂纹为主,显示高能量释放及低RA值特征。     

模糊概率模型在岩爆烈度分级预测中的应用

 岩爆是深部高地应力区岩石地下工程中的一种常见地质灾害,对其发生的可能性及其烈度分级预测是地下工程建设中亟待解决的重大课题之一。以模糊概率理论为基础,选取影响岩爆的一些主要因素,如洞壁最大切向应力sq、岩石单轴抗压强度sc、岩石单轴抗拉强度st以及岩石弹性能量指数Wet,并以sq /sc,sc /st和Wet作为评价影响因子,同时将岩爆烈度划分为无岩爆、弱岩爆、中岩爆和强岩爆4个等级,建立岩爆烈度分级预测的模糊概率模型。在此模型中,提出了模糊权重的概念,可充分考虑权重的模糊性。模糊概率模型不仅继承了经典模糊综合评判法的思想和优点,同时也克服了其在实际应用中评价影响因子权重取值的局限性,因而具有明显的合理性。应用该模型对冬瓜山深埋硬岩矿山、秦岭隧道工程以及某大型水电站地下厂房3个典型工程岩爆的实例分析表明,其预测结果与实际情况符合较好。为进一步考察该模型的可靠性与实用性,对国内外23个大型岩石地下工程实例进行计算分析,其预测结果与实际岩爆情况也相当吻合。由此可见,模糊概率模型为深部岩石地下工程岩爆预测问题提供了一种新途径。     

抛掷型岩爆机制与模拟试验技术

 为探讨高地应力隧洞岩爆机制,在岩爆试件试验的基础上,对抛掷型岩爆机制提出4点新的认识,即围岩中要发生抛掷型岩爆,单靠岩爆体本身积蓄的能量还不够,必须要有周围岩体对其破坏过程进行能量补充;工程中发生岩爆时,洞壁围岩会对岩爆体产生能量汇聚,这是抛掷型岩爆发生的重要前提;在抛掷型岩爆发生过程中,动、静状态转化是由洞壁围岩对岩爆体释放的能量有剩余造成的;在岩爆应力判据中,围岩在 = 0.3～0.7的条件下就可能发生岩爆,甚至可能发生强烈岩爆,这是因为围岩不是均质体,围岩内存在应力集中区和软弱结构区。现有的岩爆模拟试验采用油压控制系统加载无法实现抛掷型岩爆,这是因为油路供油速度缓慢所致。对抛掷型岩爆模拟试验技术,提出新的试验方案,研发新的试验装置,开展新的岩爆模拟试验。实践证明提出的试验技术和试验装置均能较好地模拟抛掷型岩爆现象,可供岩爆机制研究、教学及相关工程建设参考。     

未确知测度模型在岩爆烈度分级预测中的应用

 针对岩爆烈度分级预测评价中诸多因素不确定性问题,应用未确知测度理论并结合工程实际,根据岩爆的特点及成因,选取最大切应力sθ、单轴抗压强度sc、单轴抗拉强度st及岩石的弹性能量指数Wet,并以应力系数sθ/sc、岩石脆性系数sc/st及弹性能量指数Wet作为岩爆烈度分级的评价指标,建立岩爆烈度分级预测的未确知测度评价模型。以国内外18组工程岩爆分析初始数据进行分级判别,根据实际情况建立各评价因子的未确知测度函数,对其进行定量分析,并利用熵计算各评价指标的权重,依照置信度识别准则进行等级判定,最后得出岩爆烈度分级预测的评价结果。并与模糊综合评判法、属性综合评判法、灰色聚类法、物元分析法及实际情况的结果进行比较。为进一步考察该模型的有效性与实用性,运用该模型对秦岭隧道工程的岩爆实例进行分析。研究结果表明：该模型判别预测结果与实际岩爆情况较吻合,且方法科学合理,意义明确,为岩爆烈度分级预测提供一种新思路。     

应变型岩爆三要素分析及岩爆势表达

 在已建立的应变型岩爆五因素综合判据基础上,通过现场地质调查、统计分析和运用关系矩阵法,对所涉多个因素和指标进行归类合并,形成包括最大切向应力 ,岩石抗拉强度 和岩体完整性指数 等3个主要独立参数的经验拟合表达式 ,用来表征岩爆趋势和强度(简称岩爆势 )。对岩爆强度的无、弱、中和强等4个级别,提出3个分级界限值(1.7,3.3和9.7)。概算深度H = 1 000和2 000 m(侧压系数 = 1.0)时 结果分别为3.3和6.5,相当于弱岩爆上限值和中岩爆中间值。工程实例检验应用进一步表明该岩爆势指标的科学合理性。     

模糊可变集合与模型及在岩爆分级预测中的应用

在工程模糊集理论基础上，系统建立模糊可变集合理论、模型与方法，其中包括：差异函数的概念与定义、相对隶属度公式、模糊优选BP神经网络模型及级别特征值公式，并对相关公式进行了分析论证。提出模糊可变集合的预测方法，针对国内外一些岩石地下工程实例进行了分析，并用级别特征值对岩爆的发生与否及烈度大小进行预测，结果与实际情况吻合地较好，说明模糊可变集合综合预测方法是有效的。     

岩爆发生和烈度分级预测的距离判别方法及应用

岩爆是深部高地应力区岩石地下工程中的主要工程地质灾害之一，对其发生的可能性及其烈度分级的预测是工程建设过程中所必须解决的重大问题。基于距离判别分析理论，建立岩爆发生和烈度分级预测的距离判别分析模型。选取影响岩爆的主要因素如最大切向应力σθ、小单轴抗压强度σc、单轴抗拉强度σt和弹性能量指数Wet，并把σθ／σc，σc/σt和Wet作为判别因子建立岩爆预测的距离判别分析模型，利用国内外一些重大深部岩石工程实例作为学习的样本进行训练。经过训练后的模型回判估计的误判率为0。利用该模型对国内西康铁路秦岭隧道工程和铜陵冬瓜山深埋硬岩矿山的岩爆情况进行预测，结果与实际情况符合较好，说明该模型在研究岩爆发生可能性及烈度分级预测中具有良好的实用性和有效性。该方法可为深部地下工程岩爆发生可能性及其烈度分级预测提供一种新思路。     

深埋隧洞岩爆孕育规律与机制：即时型岩爆

论述深埋隧洞岩爆孕育过程的现场原位综合观测试验思路和方法,给出利用该方法观测到的岩爆孕育时空演化规律以及基于观测结果的关于岩爆孕育机制的认知成果。通过一系列现场深埋隧洞开挖过程中的多元信息综合观测试验,揭示深埋隧洞的即时型岩爆(隧洞开挖卸荷效应影响过程中的隧洞掌子面及其附近的围岩,开挖后几小时到几天内发生)的裂纹(萌生、扩展、张开和闭合过程)、变形、弹性波、声发射和微震时空演化规律及其在时空上的分布特征。通过对监测的微震信息进行矩张量分析,认识即时型岩爆中应变型和应变–结构面滑移型2类岩爆的孕育机制差异性：前者主要是拉张破裂引起,后者主要是拉张破坏、剪切破裂与拉剪–压剪破裂引起,剪切破裂主要沿着硬性结构面发生,形成爆坑边界。该研究成果为针对时空演化规律的深埋隧洞岩爆的预测和动态调控提供了重要基础。     

地基处理和基坑支护在淤泥中的复合应用

结合云南洱海地区的排水截污工程的基坑工程实例,介绍了在地下水位较高、有深厚淤泥、抗震设防烈度较高、附近有较多建筑的复杂地质条件下的地基处理与基坑支护有机结合的设计与分析。     

基于岩爆破坏形迹修正隧道区地应力及岩爆预测的研究

从苍岭隧道的构造应力场特征入手,结合现场开挖后岩爆实际发生状况,在前期研究资料的基础上,利用有限元计算分析,模拟现场实际施工步骤的同时不断改变模型边界上的构造应力来拟合实际岩爆区,以最接近实际破坏范围的计算结果界定区段构造应力值,据此对隧道各区段的构造应力进行修正。运用修正后的构造应力计算得出的理论值与现场实测值进行比较后认为,修正后的构造应力值基本符合正常规律。同时利用修正后的地应力场对后续未开挖段的岩爆状况进行重新预测,并通过与现场实际开挖后岩爆状况进行比较证实二者较为相近,从而证实文中分析在岩爆预测分析中的可行性、合理性。