钻爆开挖条件下岩体临界破碎状态的损伤阈值统计研究

 研究岩体的临界破碎损伤阈值对于划分岩体的破碎状态和确定爆破岩体可开挖范围有重要意义。根据爆破作用过程和岩体破碎机制,分析钻爆条件下岩体的破碎状态,提出保留岩体与可开挖岩体的分界面处于一种临界破碎状态。基于岩体的声波特性和损伤理论,利用岩体损伤变量来表征岩体的破碎程度,并将岩体损伤分为初始损伤和爆破损伤。依托白鹤滩水电站工程项目,在坝肩爆破开挖区进行大量的声波测试试验,分析不同深度岩体的损伤状态,试验结果表明,爆后岩体临界破碎损伤变量在0.8左右。搜集国内外有关项目的声波实测数据,统计临界破碎状态岩体的损伤变量,并最终确定其损伤阈值为0.75～0.85。     

单轴静–动相继压缩下单裂隙岩样力学响应及能量耗散机制颗粒流模拟

 针对采矿岩柱体等的静–动相继单轴压缩受力特征,采用颗粒流数值模拟试验,探讨初始单轴静态压缩的细观损伤程度对单轴动态压缩下单裂隙岩样力学性质的影响规律,并阐述其能量耗散机制。静载初始损伤程度对后续动态压缩岩样应力–应变曲线形态的影响不大,损伤岩样具有较明显的峰前损伤和峰后裂隙贯通的渐进性突跃特征。相对于全程动态压缩而言,随着初始损伤的增强,岩样强度减小明显。但后续动态压缩对岩体强度的增加起主要贡献。随初始损伤的增强,裂隙尖端法向和切向破裂应力均略有减小。随着裂隙倾角的增大,裂隙尖端法向破裂应力明显减小而切向却明显增加。初始损伤程度并不改变后续动态应变率加载岩体的最终宏观破裂模式,但初始损伤变量越大,微裂纹数量越多且局部化程度越强。能量耗散与岩体细观损伤演化具有较好的相关性。初始损伤越强,吸收相对较小的能量即可达到峰值破坏但峰后耗散能越多。随着裂隙倾角的增大,峰值强度处耗散能和储存弹性应变能更多,峰后破碎程度越高。     

深埋隧道围岩损伤破坏模式的数值试验研究

 深部岩体具有内禀特性。在开挖过程中，由于应力重分布导致围岩损伤破坏，传统岩体力学未能有效揭示其破坏机制。随着细观损伤岩体力学的发展，采用损伤观点解决深埋隧道围岩破坏问题逐渐显示出其优越性，但目前仅在均质性假设的基础上对应力状态和破坏判据进行研究，缺乏对其破坏全过程的相关研究。采用RFPA2D软件对通渝隧道二叠系栖霞组岩性为石灰岩且埋深超过1 000 m的K22+029断面在开挖过程中围岩的渐进破坏过程进行模拟，使用EMS–2型工程多波地震仪实测围岩破坏前、后波速的变化，定量模拟计算围岩损伤度的变化，揭示深埋隧道围岩破坏过程的损伤演化特性及损伤破裂过程中声发射、剪应力及岩体纵波波速等因素的变化特性，得出深埋硬岩隧道以拉剪型破坏为主，围岩破坏顺序依次为拱顶开裂→左、右拱肩裂纹扩展→左、右拱肩围岩深部裂纹；损伤过程中声发射事件数与围岩损伤程度近似成正比关系；损伤围岩表现出明显的非线性特性和损伤局部化特征。所得结论对于隧道施工支护具有指导意义，也为揭示深埋隧道围岩破坏机制进行有益的尝试。     

饱和、非饱和岩石损伤统计本构模型探讨

基于统计理论和损伤力学对岩石在荷载作用下的破坏、损伤特征进行了探讨,建立了弹性损伤统计本构模型。在损伤演化方程中全部采用有效应力,并能反映岩石剩余强度。在混合物理论基础上,建立了饱和、非饱和岩石损伤软化统计本构模型。该模型能反映岩石在单轴抗压试验中初始加载阶段全应力-应变曲线稍向上凹曲的特征,以及在岩石受力过程中损伤和空隙(或孔隙)中流体对应力-应变关系所起的作用。与试验结果的比较显示模型是合理的。     

Excavation-induced damage studies at the Underground Research Laboratory

The Underground Research Laboratory (URL) is situated in the Lac du Bonnet granite batholith, in southeastern Manitoba, Canada. The URL was developed to study issues related to the deep geologic disposal of used fuel from nuclear reactors and has developed into an International Atomic Energy Agency recognized geotechnical center of excellence. Extensive rock mechanics research has been conducted, including work to understand the character and extent of excavation damage. Experience at the URL has shown that damage exists around underground openings and that the damage develops from the energy imparted to the rock by the excavation method and by redistribution of the in situ stress field around the excavated openings. Subsequent near-by excavations, removal of loose material from the existing tunnel, thermal loads and pore pressure changes will all influence the development and extent of rock damage, as does the rock type and its fabric. Studies at the URL have shown that in highly stressed rock, damage will develop around underground openings even when a low-energy excavation method is used and that properly designing the excavation geometry and orientation plays a major role in constructing stable openings. Two zones of excavation-affected rock have been shown to exist from studies at the URL; (1) a zone of irreversibly damaged rock surrounding the excavation, which may include failed zones, inner and outer damage zones and (2) a zone of excavation disturbance where the in situ stresses are influence by the excavation no damage is measurable. Measurements of the properties of the damaged rock (ultrasonic velocity, transmissivity) using a variety of instruments have shown that a less intensively damaged outer zone surrounds a more highly damaged inner zone. The inner damage zone may have zones of failed rock depending on stress concentrations relative to rock strength and damage imparted by excavation method. The inner damage zone is attributed to the effects of the excavation method and stress redistribution and the outer damage zone is attributed to the effects of stress redistribution alone. In lower stressed rock the extent of the outer zone is much less than for an opening in highly stressed rock with the same excavation shape and orientation relative to in situ stresses. The excavation disturbed zone describes the volume of rock surrounding the damage zone where the stress redistribution is too small to permanently change rock properties (unless some other stress increase, such as thermal loading, is added), and it is also characterized non-permanent but potentially long-term changes in hydraulic head.     

强震作用下滑坡岩体震裂损伤程度影响因素研究

汶川地震触发了大量的地震滑坡,其中滑坡岩体普遍出现了不同程度的震裂损伤现象。通过大光包滑坡现场大量的调查工作,揭示了该滑坡不同部位岩体的震裂损伤程度随埋深、地形地貌及岩性条件的不同呈现出一定的规律性,基于疲劳试验,从动力学的角度,分析了强震作用下滑坡岩体震裂损伤程度的影响因素。试验结果表明:上限应力是影响岩体震裂损伤程度的首要因素,应力水平是震动频率影响岩体震裂损伤程度的前提。并基于此分析得出,滑坡不同部位受控于埋深及地形地貌的差异,决定了其受到的地震作用力及应力状态各不相同,是影响岩体震裂损伤程度的动力因素;而滑坡不同岩性之间岩体结构的差异,导致其表现出不同的破坏特征,决定了在相同地震荷载下损伤程度各不相同,是影响岩体震裂损伤程度的内在因素;地震爆发初期,强烈的地震冲击作用力在短时间内对岩体产生的巨大损伤及岩体自身结构的缺陷,是造成岩体最终震裂损伤的基础。以上研究成果为强震作用下滑坡岩体的震裂损伤程度进行快速的定性评价提供了依据,并丰富了大光包滑坡滑带岩体碎裂化成因机制研究。     

基于连续损伤理论的巷道围岩弹脆性损伤分析

考虑岩石的脆性损伤特性,引入非线性的岩石脆性损伤本构模型,将损伤演化方程从一维推广到三维,建立岩石损伤变量与脆性参数的关系。将圆形巷道围岩划分为损伤残余区、渐进损伤区和弹性区,采用弹脆性连续损伤理论,对巷道围岩损伤范围及应力进行求解。当巷道周边围岩只出现渐进损伤区时,推导出巷道围岩发生不同程度损伤的极限地应力及损伤半径;当巷道出现损伤残余区时,考虑围岩破坏后仍然具有残余承载能力的特点,推导出巷道围岩损伤区半径及围岩应力的表达式。通过算例分析了岩石损伤程度和脆性强弱对巷道围岩损伤半径及围岩应力场分布的影响,研究结果表明:岩石的脆性对损伤半径的影响跟损伤程度有关,岩石脆性越强,围岩切向应力的峰值越大;岩石损伤程度越大、损伤半径越大,切向应力峰值离巷道壁面越远。     

冻融荷载耦合作用下节理岩体损伤本构模型

 针对寒区节理岩体,提出冻融细观损伤,受荷细观损伤与节理宏观损伤的概念。基于Lemaitre应变等效假设,推导冻融受荷条件下考虑节理岩体宏细观缺陷耦合的复合损伤变量。以完整岩石的初始损伤状态作为基准损伤状态,建立节理岩体冻融受荷损伤本构模型,引用试验资料对模型的合理性进行验证。研究结果表明：(1) 岩石在冻融循环过程中引起的细观损伤是一个周期性疲劳破坏的过程,冻融细观损伤随冻融次数近似线性增加,单次冻融循环对岩石造成的损伤较小,为局部损伤;岩石在受荷过程中引起的细观损伤随应变的演化率呈不均匀分布,峰值应变处受荷损伤演化率最大。(2) 预制节理对岩石造成的宏观损伤具有明显各向异性,随冻融循环次数的增加,节理岩样的宏观各向异性有所弱化,弱化程度同节理性质和冻融循环次数有关。(3) 寒区受荷节理岩体的力学性能由冻融细观损伤,受荷细观损伤与节理宏观损伤及其耦合效应所决定,节理岩体冻融受荷复合损伤变量可以较好地反映节理岩体的抗冻性能。     

冻融与荷载耦合作用下岩石损伤模型的研究

 针对寒区工程结构的冻融受荷岩石,提出冻融损伤、受荷损伤与总损伤的概念,拓展损伤变量的内涵;以岩石的初始损伤状态为基准状态,充分考虑岩石细观结构的非均匀性,运用损伤力学理论及推广后的应变等价原理,建立冻融受荷岩石损伤模型;通过损伤变量及本构方程来描述岩石材料细观结构的损伤演化及其宏观损伤行为,与岩石实际冻融破坏情况符合较好。研究结果表明：寒区工程结构的受荷岩石,其力学性能由冻融因子、荷载因子及其耦合效应所决定;冻融与荷载的共同作用使岩石总损伤加剧,并表现出明显的非线性特征,而其耦合效应使总损伤有所弱化;岩石的岩性和初始损伤状态确定各影响因素的权重,表现出不同的损伤扩展特性;相比而言,砂岩对冻融循环更敏感,而受荷损伤最终导致页岩破坏。     

地震荷载作用下坝及其岩基的脆性动力损伤分析

将损伤、渗流及孔隙率演化等相互耦合的有效应力概念引入Mohr-Coulomb破坏准则，对岩石类的脆性材料建立了一种动力损伤破坏的模型，并应用该模型对地震荷载作用下的坝和岩基的破坏过程进行了脆性动力损伤分析。这种方法从连续损伤力学的观点研究了岩体结构在动力荷载作用下脆性损伤．破坏的突变机理。结果表明，损伤会在坝与岩基的上游坡的结合处由于应力集中而明显地增长。在硬岩基上的坝内，损伤发展比软岩基上灵敏。     

层状岩体损伤演化与应变关系的研究

运用电子显微镜研究了岩石的微观结构，提出岩石微结构损伤模型：对层状岩体进行损伤演化与破坏过程的研究，建立本构方程与损伤演化方程；引入损伤变量及损伤扩展系数，建立符合岩体整个损伤演化过程的方程，描述岩石受载过程中初期近似呈线性，随后加速的过程。将岩体损伤与破坏过程分为3个阶段，分析层状岩体的损伤演化与破坏特征及其稳定性，解释岩石损伤演化的规律。研究结果表明：层状岩体的损伤萌生与扩展直到破坏，除与加载大小、速率等有关外，还与各亚层损伤演化规律、载荷与层面夹角、各亚层的内部微结构特性等有关。因此，现场整体岩层受其影响是显著的。     

冻融荷载耦合作用下单裂隙岩体损伤模型研究

针对寒区节理岩体工程结构中的冻融受荷岩体,采用在类岩石材料中预制裂隙的方法模拟节理岩体,通过冻融循环试验和单轴压缩试验,分析裂隙岩样的几何特征(裂隙长度、裂隙倾角)对岩体强度的影响;基于细观损伤理论和宏观统计损伤模型,建立冻融受荷裂隙岩石损伤劣化模型,探讨裂隙岩体在冻融和荷载耦合作用下的损伤劣化机制。研究结果表明：(1) 岩石反复冻融引起的损伤是一个疲劳破坏的过程,受荷损伤是岩石类非均质材料各组成成分对力的传递速率以及自身变形差异性引起应力场不均匀分布的过程;(2) 冻融和受荷以不同的力学机制促使岩石中裂纹的萌生和扩展,由此诱发的损伤相互耦合,其耦合作用会使总损伤有所劣化;(3) 裂隙长度以及冻融循环次数对总损伤的影响较大,而裂隙倾角对总损伤的影响相对较小;(4) 相同的冻融循环次数下,裂隙岩样较完整岩样的损伤劣化程度严重。     

水-岩化学作用的岩石宏观力学效应的试验研究

为了研究水－岩化学作用对岩石的宏观力学效应，在常温常压，不同循环流速条件下，对不同化学性质的水化学溶液作用下的花岗岩，红砂岩和灰岩进行了单轴抗压强度试验，取得了时效性的定量结果。结果表明：水化学作用后；3种岩石的强度均出现了不同程度的下降。分析发现：（1）水溶液对岩石的力学效应与水－岩化学作用密切相关；（2）岩石的化学损伤与水－岩化学反应强度成正比；（3）水－岩化学作用对岩石的力学效应具有很强的时间效应；（4）影响岩石化学损伤的主要因素有；岩石的物理性质和矿物成分，水溶液的化学性质，岩石的结构或物质成分空间分布的非均匀性，水溶液通过岩石的流动速率和岩石的成因及演化历史等5个因素。     

盐岩温度与应力耦合损伤研究

盐岩应力与温度耦合损伤研究对处在深层盐岩的地下空间利用有重要意义。从微观统计的角度出发,通过岩石细观力学的分析、综合,修正前人的研究成果,从而建立温度–应力耦合下的盐岩损伤方程。为验证所提方程的有效性,进行不同围压和温度下的盐岩力学特性试验,分析围压和温度对其力学特性的影响,尤其是对损伤的影响。试验结果表明:围压可抑制损伤的发展,而温度的升高,则在一定的范围内造成损伤的加剧。根据试验结果进行参数拟合,验证所提出的损伤方程的有效性。     

大断面隧道爆破开挖围岩损伤范围试验研究及数值计算

 结合大帽山大断面隧道群的现场声波监测,研究推进式往复爆破作业的双侧壁导坑法施工的大断面隧道的围岩累积损伤范围,声波监测结果表明,在推进式的多次爆炸荷载作用下,围岩将产生一定程度和范围的损伤;侧壁围岩的累计损伤范围主要由与其齐平的导洞I的开挖掌子面爆破决定;其损伤范围随着导洞I开挖掌子面的接近而逐渐增大,当两者齐平时围岩的损失范围达到最大;但当导洞I开挖掌子面逐渐远离和导洞III爆破开挖通过时,围岩的损伤范围并没有扩大,仅导致损伤围岩的损伤程度增大。基于此,在模拟推进式往复爆破荷载作用下围岩的损伤范围时,用与监测断面齐平的单次爆破近似表示推进式的多次爆破,通过DYNA软件将此决定围岩损伤范围的振动速度转化为爆炸压力,再将爆炸压力传递给用UDEC软件实现的各向异性岩体损伤模型,通过与声波监测结果对比,此方法可以较好地模拟推进式往复爆炸荷载作用下围岩的累积损伤范围,并可为类似工作提供参考和借鉴。     

基于CT图像的冻结岩石冰含量及损伤特性分析

冻结岩石中冰含量对其热力学及损伤特性有重要影响,研究岩石冻结过程中冰含量随温度的变化规律可以为冻结岩石工程的安全稳定性评价提供科学依据。运用CT识别技术,进行不同温度梯度下冻结岩石的CT扫描实验,获得20 ℃、-2 ℃、-5 ℃、-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃下岩石的CT扫描图像,实现了冻结岩石CT图像的伪彩色增强和直方图分析,完成了冻结岩石冰含量及损伤信息的数字表述,对冰含量随温度的变化规律进行定量分析。依据损伤力学理论,定义以冰含量表示的冻结损伤变量,探讨了未冻水含量和温度梯度对冻结岩石损伤特性的影响规律。研究结果表明:(-2 ℃,-5 ℃)是水冰剧烈相变的温度区间,冻结损伤演化起始和急剧增大阶段;(-5 ℃,-10 ℃)是冻结损伤发展阶段;(-20 ℃,-30 ℃)是冻结损伤趋于稳定的温度区间。所定义的冻结损伤变量能够描述温度降低过程中岩石损伤的演化过程,基于冻结岩石CT图像伪彩色增强的冻结岩石损伤演化的定量分析为冻结岩石工程的稳定性研究提供了新的思路和方法。     

压气储能地下储气库围岩累积损伤特性数值研究

压气储能电站地下岩穴储气库围岩在循环运行工况下累积损伤效应明显。为研究大规模地下储气库围岩的累积损伤特性,基于损伤理论和FLAC^3D软件平台,二次开发了适用于大规模地下储气库循环加卸载条件下的累积损伤分析程序,并对程序正确性进行了验证。在此基础上,研究了储气库截面型式、洞室埋深和运行下限压力等因素对储气库围岩累积损伤特性的影响。研究表明:①储气库截面型式、洞室埋深和运行下限压力都对储气库围岩变形参数损伤影响较显著,且储气库竖直方向损伤深度都大于水平方向损伤深度;②损伤区内围岩变形参数的损伤程度和损伤变量随着洞室埋深或运行下限压力的增加而减小;③对于相同截面型式的储气库,埋深和运行下限压力不同时,储气库围岩损伤区内同一测点位置的损伤变量或变形参数差值随着循环次数的增加逐渐增大。大规模地下储气库围岩累积损伤特性对全面分析储气库的安全稳定性不可以忽略。     

断裂破坏强度模型在大型油库山体边坡支护中的应用

岩体中存在大量孔洞、节理和裂隙，它们作为岩体的初始损伤而存在其中。正是由于这些节理裂隙的初始损伤、损伤演化、扩展断裂等缺陷导致岩体产生了各种形式的破坏。根据节理裂隙的扩展断裂机理，深入研究了节理扩展及扩展相互作用对岩体强度特性的影响，建立了节理岩体断裂破坏强度模型，并将该模型用于指导广东大湾油库山体高边坡支护设计，取得了令人满意的效果，创造了显著的经济效益。     

高应力取芯卸荷损伤及其对岩石强度的影响

 合理准确地获得深部岩石的强度对岩爆等动力地质灾害的预报和防治具有重要意义。针对高应力条件下钻孔取样过程造成的应力卸载对岩样的损伤问题,通过现场取样、数值模拟和室内试验等方法,比较不同应力水平下钻孔取样的损伤范围及程度。数值模拟和现场所取岩芯的饼化现象证实,所设计的应力解除取样方案切实有效,可有效降低取样区域的应力水平(约30%),可在同一地点取得不同应力水平的岩样;CT扫描结果表明,在锦屏二级水电站1 900 m深条件下常规岩石取样导致的卸荷损伤范围可能超过岩样横截面的50%。低应力取样方案所获得的大直径岩样通过套钻取得中心标准样的平均强度要比常规取样条件提高5%～15%,平均约8%,表明卸荷损伤对岩样强度的影响不容忽视;另外,前者单轴压缩时加载初期的声发射事件数明显少于后者,这表明即便是经过套钻,也不能完全消除取样损伤的影响,与CT扫描的结果相符。     

岩石水化学损伤的理论基础及研究进展

对岩石的化学腐蚀及岩石损伤力学的国内外研究现状进行了阐述,并对岩石水化学损伤的化学成分分析理论及能量分析理论进行了分析,指出建立渗透与水化学综合作用对岩体力学效应的定量模型是岩石水化学损伤理论及其应用的关键所在。