岩体力学参数的敏感性综合评价分析方法研究

 针对岩体力学参数敏感性分析单指标方法的局限性,提出基于敏感度熵权的属性识别综合评价模型,这种评价分析方法可以充分考虑各种评价指标,对模型参数的敏感性进行整体性分析,避免单指标方法评价结果的片面性,同时该方法也为模型参数敏感性分析提供一种新思路。在此基础上,结合硬脆性岩体介质的黏聚力弱化–摩擦强化模型,将上述的评价方法应用于锦屏二级水电站引水隧洞辅助洞围岩模型参数的敏感性分析中,分析认为,影响围岩变形和塑性区大小的主要因素为最终内摩擦角、起始黏聚力和弹性模量,其次为残余黏聚力、内摩擦角临界塑性应变、起始内摩擦角、黏聚力临界塑性应变;再者为泊松比、抗拉强度。应用研究结果表明,这一分析方法将会对硬脆性岩体力学参数的分析和反演提供重要的参考价值。     

基于平均迹长修正新方法的岩体三维连通率及抗剪强度参数计算

 岩体结构面连通率是反映结构面延伸程度和连通状况的一个重要参数,是确定裂隙岩体抗剪强度指标的关键和分析边坡稳定性的前提。对三维连通率的求解方法及其在估算抗剪强度参数中的应用进行探讨,在考虑结构面迹长和迹线与统计窗边线的交角均遵循一般概率分布类型的基础上,从概率统计角度推导出窗口法中结构面平均迹长的估算公式。利用基于平均迹长修正公式的三维结构面网络模拟方法对贵阳市鱼简河水利工程导流洞进口的岩体结构面进行模拟,在其三维可视化模型的基础上求得模拟区内不同截面的三维连通率,并利用三维连通率结果估算出岩体的综合抗剪强度参数。计算结果表明：该模拟区内岩体总体连通性较好,各向异性明显,70°～80°∠20°～40°范围内的截面为危险截面,最大连通率为0.914 3,最小黏聚力和内摩擦角分别为1.135 MPa和25.7°,工程建设中应予以重视。     

土石混合体的剪切面分形特征及强度产生机制

 基于考虑含石量、含水率、块石岩性、初始孔隙比、法向压力5个影响因素的土石混合体室内大型直剪试验,利用剪切面在分形几何学上的统计规律和颗粒流数值模拟方法得到的直剪试验中颗粒的相互作用规律,对土石混合体的抗剪强度产生机制进行研究。结果表明：(1) 土石混合体的剪切面呈不规则的起伏形态与块石的存在关系密切,且具有较好的分形特征,分形维数随着含石量和块石强度的增大、含水率和法向压力的减小均呈增大趋势;(2) 含石量高于40%时,黏聚力小于30 kPa;(3) 内摩擦角随着含石量的增大、块石强度的增大、含水率的降低、初始孔隙比的降低、法向压力的降低均呈增大规律,且与分形维数满足正相关函数关系;(4) 块石附近应力集中较明显,剪切过程中,颗粒间的接触力主要通过迎着剪切方向的接触面传递,而背着剪切方向的颗粒接触面基本不传递力;(5) 内摩擦角 等于剪切面上与颗粒本身接触性质有关的接触面内摩擦角 和与剪切面分形维数有关的接触面倾角 之和,利用此机制可解释直剪试验中强度参数的变化规律。     

An analytical drilling model of drag bits for evaluation of rock strength

To evaluate the unconfined compressive strength (UCS) of rocks from drilling data is a promising in-situ method and has been studied by many researchers. In most studies, experimental methods have been used to determine the relationship between UCS and drilling data. In this paper, an analytical model is proposed to describe rock drilling processes using drag bits and rotary drills, and to deduce the relations among rock properties, bit shapes, and drilling parameters (rotary speed, thrust, torque, and stroke). In this model, a drilling process is divided into cycles, each of which includes two motions: feeding and cutting. Feeding is treated as an indentation motion. There is a linear relation between indentation pressure (thrust) and the indentation depth (penetration rate). The cutting forces and friction forces of both the rake surface and the flank surface are examined. Also, a virtual base is set to the model to simulate the contact surface between the flank surface of the bit and the rock.According to this model, drilling torque consists of four parts respectively generated from cutting, friction, feeding, and idle running. Torque caused by friction and idle running is ineffective for drilling, whereas that caused by cutting and indentation is effective. Similar to torque, specific energy also has four parts respectively from cutting, friction, feeding, and idle running. For the purposes of this study, effective specific energy is defined as the sum of specific energy consumed by cutting and feeding. Effective specific energy is independent of the penetration rate. Since it is proportional to the UCS of the rocks, it is not influenced by the penetration rate, and is more useful in the evaluation of UCS than other parameters. Some laboratory and field tests were conducted, and the results verified the usefulness and effectiveness of the proposed model.     

基于回转切削的岩石力学参数获取新思路

 基于回转钻探和静力触探试验的综合优势,开发并进行系统地旋进式触探试验,在室内试验和理论推导的基础上进一步验证。从旋进式触探机制入手,根据切削、静压及钻压作用过程建立旋进式触探试验参数钻压、扭矩与每转进给量之间的关系曲线,结合室内试验成果进而以曲线斜率和钻削理论为依托推导出岩石的抗压强度、弹性模量、内摩擦角及黏聚力的计算公式。以粉煤灰砌块旋进式触探试验成果为例,按上述方法计算试样4大基本力学参数,与试验实测值进行验证。结果表明计算值与室内实测的基本力学参数值比较接近,论证了该方法的可行性和后续研究的可期待性。     

基于单轴剪切破坏的岩石M–C准则参数反演分析

基于岩石单轴压缩试验中出现的不同剪切破坏形式,应用极限分析法推导出岩石单轴抗压强度与黏聚力及内摩擦角的关系式。结合矿区岩石单轴、三轴试验结果,验证以岩石M–C准则参数计算单轴抗压强度关系式的正确性,据此关系式获得的结果与试验结果差值在6%~10%之间。采用实例进行岩石黏聚力和内摩擦角的反演分析,以岩石实际单轴剪切破坏形式和试验结果为依据,两两结合联立计算得到岩石的黏聚力和内摩擦角。实例表明:基于单轴剪切破坏形式和单轴抗压强度值计算岩石黏聚力和内摩擦角的方法准确,具有实用价值,该关系式也揭示了岩石试样破坏类型与岩石力学参数间的内在关系。     

牙轮钻工作参数与岩体强度对应关系的理论分析与实验研究

以露天矿开采为背景,基于牙轮钻单齿冲击压入破岩的机理,借助理论分析及现场实验,建立了牙轮钻的工作参数(进尺速度、钻杆轴压、转速)与岩体强度(黏聚力、内摩擦角)的对应关系。理论分析时,基于布西内斯科问题弹性力学解和Drucker-Prager塑性准则,给出了单齿压入破碎区域的几何形态,建立了单齿破岩体积与钻杆轴压、黏聚力、内摩擦角间的函数关系;并根据钻杆旋转一周单齿破岩体积的累积量和宏观破岩体积相等,建立了进尺速度、转速与单齿破岩体积的对应关系。理论分析的结果表明,单齿作用下,破碎区域基本呈椭球形,并在压入点附近的表层出现薄层破碎;进尺速度与转速呈线性关系,进尺速度与钻杆轴压呈3/2次方的关系,进尺速度与黏聚力呈-3/2次方的关系,内摩擦角对进尺速度的影响可以忽略。在鞍千矿南采区进行了牙轮钻钻进规律的现场实验,研究了进尺速度与钻杆轴压、转速、黏聚力间的对应关系,得到了与理论分析一致的结果。研究成果可以为牙轮钻工作参数的优化设计及岩体强度的动态测试提供依据。     

Modeling of small-diameter rotary drilling tests on marbles

In this paper, continuum mechanics and discrete modeling are applied to investigate numerically rotary drill cutting experimental results on four marbles. Rock-cutting tests were performed by a new portable rotary microdrilling tool currently employed in practice for the quasi-non-destructive characterization of strength properties of rocks. The objectives of this research work are twofold, namely: (a) to gain insight in the cutting mechanism of cohesive-frictional rocks, and (b) to examine the comparability of numerical models predictions with experimental results by solving the forward problem. In the first type of model, a plane strain continuum calculation is done with a non-hardening, elastic–plastic, linear Mohr–Coulomb model with non-associative flow rule. In the second type of numerical model, discrete element calculations are done on a simulated plane strain sample of 540 discs. In both models, estimations are made on components of force applied to the cutting face of the bit and are compared with measurements taken with the data-acquisition system of the portable microdrilling tool during specially designed tests on marbles. It is found that the predictions of the continuum model are in full accordance with measured forces during drilling. It is also shown that the cohesion and internal friction angle are the most important parameters affecting the rock drilling resistance, as is depicted by the limit analysis theory of plasticity. Moreover, the calibration of the discrete element model on the experimental data permits the approximate estimation of the mode-I fracture toughness for each type of marble.     

岩石黏结摩擦特性及非线性强度的指数准则描述

 岩石具有黏结和摩擦特性,但两者在同一位置并不同时存在。裂隙摩擦力随围压增加,达到邻近完整岩石黏结力后将不再滑移引起材料破坏,影响试样强度的裂隙倾角范围随之减小,引起强度非线性增加。主控裂隙引起强度在低围压下线性变化,但不能以Coulomb准则直接确定岩石的内摩擦角。砂岩内存在多种倾角的自然裂隙,引起单轴压缩及低围压的强度离散,围压增高裂隙影响减小,强度随围压规则变化而以指数准则描述;轴向压缩塑性变形引起大理岩黏结力由低向高逐步丧失,而热力损伤引起黏结力整体降低;冻结使岩石黏结力提高而内摩擦角不变。若岩石具有宏观各向同性特征,则常规三轴强度可用指数准则描述,据其确定的初始围压影响系数可估计裂隙摩擦系数;进而理解裂隙对试样强度影响的非线性特征,评价岩石材料的真实黏结力和损伤。     

基于损伤理论的圆形隧洞围岩应力场分析

基于统一强度理论,考虑地下水渗流作用的影响,应用弹塑性损伤力学理论,根据不同的地应力情况,对施工工况下的圆形隧洞围岩进行应力和稳定性分析;通过算例分析了内摩擦角和粘聚力对围岩应力场和位移场的影响。研究结果表明:内摩擦角对围岩损伤半径、应力、位移有着比较显著的影响;粘聚力对围岩损伤半径、应力、位移的影响不太显著;所得结论具有广泛的适用性。     

深部巷道破裂围岩强度衰减规律试验研究

 为研究深部巷道破裂围岩强度衰减规律,设计模拟巷道破裂区应力演化规律的应力路径,采用MTS815岩石力学伺服试验机对完整的砂质泥岩试样进行加卸载试验,得到不同损伤程度的初始损伤岩样;通过单试件法对初始损伤岩样在不同围压下的三轴强度特性进行试验研究。采用卸载点的应力减低比D?、体积膨胀比DV作为损伤变量,分别建立损伤岩样峰值强度及强度参数与二者的函数关系,研究成果表明,初始损伤岩样的峰值强度、黏聚力与内摩擦角随损伤程度的增大大幅减小,且呈指数衰减规律。     

岩石破损过程强度变化规律实测研究

 岩石材料强度会随着破裂发展而逐渐衰减,详细介绍自行设计的岩石强度衰减测试方法,试验思路、试件制作及关键技术;通过自行设计的直剪试验,测得常规压缩试验破裂得到的不规则损伤岩块在直剪过程中的剪应力–压应力关系曲线,由其拟合得到库仑强度曲线,并与已有(单、三轴)压缩试验数据线性拟合得到的莫尔强度包络线进行比较,分析讨论岩石在破损过程中材料强度(黏聚力和内摩擦角)变化规律,澄清现有黏聚力和内摩擦角变化规律2种完全相对立观点的适用范围。研究结果表明,由完整岩样进行单、三轴试验测得的黏聚力明显大于不规则岩块直剪试验结果,这主要是岩样在单、三轴压缩破坏过程中产生的损伤所致,而不是试验方法所导致的偏差;黏聚力反映的是岩石本质强度特性,受不同应力状态的影响较小。岩样单、三轴压缩试验测得的内摩擦角小于岩块直剪试验结果,这主要是受到不同应力状态和岩石缺陷分布的影响。在岩石破损过程中,内摩擦角随损伤的发展具有先快速增大至最大值后大幅降低直至保持一定趋势不变的规律。内摩擦角反映的是岩石摩擦强度特性,受不同应力状态的影响较大。黏聚力对应力水平的敏感程度远小于内摩擦角。岩石在破裂前后自身材料强度会产生明显衰减。     

基于Mogi-Coulomb强度准则的隧道围岩理想弹塑性解答

合理选择岩石强度准则对隧道应力及位移预测和支护设计都具有重要意义,基于MogiCoulomb强度准则和理想弹塑性模型,通过中间主应力系数反映中间主应力的影响,推导了圆形隧道围岩应力和位移的解析解,并对所得结果进行比较与验证,得到了中间主应力和围岩抗剪强度参数的影响特性。研究表明:具有广泛的适用性和较好的可比性,Mohr-Coulomb强度准则解答和Matsuoka-Nakai准则解答均为其特例;结果关于中间主应力系数b=0.5对称,较好地反映了岩石强度的中间主应力效应及其区间性;粘聚力及内摩擦角对围岩塑性区半径和隧道洞壁位移的影响显著,应充分考虑中间主应力影响及围岩抗剪强度参数变化对隧道设计与施工的影响。     

塌陷区全尾砂–废石混合处置体抗剪强度特性试验研究

 某矿将尾砂、废石制备成膏体对采矿引起的地表塌陷区进行回填处置,其强度特性直接影响到塌陷区处置效果及井下生产安全。废石含量及粒径是影响处置体抗剪强度的关键因素。采用改进的小型直剪装置对处置体试块进行试验,得到废石含量、粒径对处置体抗剪强度、黏聚力c、内摩擦角? 的影响规律,采用改进的黏着摩擦理论对其强度机制进行分析。试验结果表明：随废石含量增加c值总体呈下降趋势、?值总体呈上升趋势;根据废石含量及粒径不同,抗剪强度可分为黏聚力控制型、黏聚力–摩擦力共同作用型、摩擦力控制型;抗剪强度在含石量20%～30%时达到最低值;抗剪强度随废石粒径增大而增大;应力–应变曲线在低应力区呈应变软化、高应力区呈微应变硬化;摩擦强度对抗剪强度贡献率达到80%,颗粒间摩擦强度决定了宏观抗剪强度;废石粒径及含量的改变,实质是改变了处置体粒间的实际接触面积,引起粒间摩擦强度的改变,引起宏观抗剪强度的变化。     

层间接触状况对水泥混凝土路面的影响

利用界面单元模拟了不同交通等级条件下水泥混凝土路面板与二灰碎石层的接触状态,重点讨论了层间接触面粘聚力和摩擦角变化时,路面板的弯沉和层间剪应力的变化规律。研究表明:当接触面粘聚力一定时,轮隙处最大垂直位移(弯沉)随接触面摩擦角的增加呈现不规则变化;当接触面摩擦角一定时,最大弯沉和板中最大拉应力基本上随粘聚力的增加而增加,但当粘聚力大于10kPa,最大弯沉和板中最大应力均不再发生变化;在各级交通等级条件下,层间接触面的剪应力很小,不会发生层间的剪切破坏,因此,在施工过程中企图以增大层间粘聚力来提高施工质量的作法是不可取的。     

大光包滑坡滑带碎裂岩体原位钻孔剪切试验研究

安县大光包滑坡是汶川地震触发的最大规模滑坡,滑坡南侧暴露长约1.8 km顺层滑带,其岩体高度碎裂化,引起广泛关注。为准确评价滑带碎裂岩体的强度参数,笔者在前人研究的基础上开展了细致的野外调查工作,采用法国Phicometre岩土两用原位钻孔剪切试验仪对大光包滑坡滑带碎裂岩体进行了原位剪切试验。将试验结果与Hoek–Brown岩体强度准则估值和基于工程地质类比法的力学参数建议值进行了对比分析。基于以上研究,提出了大光包滑坡南侧顺层滑带碎裂岩体力学参数建议值:内聚力为245~480 k Pa,内摩擦角为25.0°~26.5°。     

软弱岩石峰后应变软化力学特性研究

 软弱岩石给采矿工程中巷道支护和维护带来一系列棘手的问题,深入研究软弱岩石受力变形、破坏的机制和规律,对于保证巷道围岩的安全和稳定具有十分重要的意义。通过对软弱泥岩进行常规三轴压缩试验,得到不同围压下的全应力–应变关系曲线,然后依据峰后岩石任意一点应力状态均满足Mohr-Coulomb极限破坏条件的假设,建立以广义黏聚力 和广义内摩擦角 两个状态参数来表征的软弱岩石后继屈服面模型。在此基础上,利用试验数据绘制岩石峰后不同软化状态时的几组莫尔应力圆,通过“切线法”得出莫尔强度包络线的拟合方程,进而确定出不同围压条件下的 和 值,并借助Matlab软件对广义黏聚力 、广义内摩擦角 与等效塑性剪切应变、围压之间的关系进行最小二乘曲面拟合,得出软弱岩石峰后力学参数的软化规律,结果表明：随着围压的增加,广义黏聚力 值呈快速增加的趋势,而广义内摩擦角 值则显著减小;广义黏聚力 受岩石软化程度的影响也十分明显,从岩石峰值状态到残余状态 值迅速降低,平均降低53.88%,而广义内摩擦角 值在该软化过程中则基本保持稳定。最后,将得到的广义黏聚力 和广义内摩擦角 的拟合方程嵌入到FLAC内置应变软化本构关系中,并利用FLAC3D软件对模型的正确性进行数值模拟验证,结果表明数值模拟曲线与试验曲线比较吻合。     

基坑坑底抗隆起稳定性影响因素分析

基坑工程的坑底抗隆起影响因素众多,且各因素对坑底稳定性的影响程度存在较大差异,设计中明确各因素的影响程度对保证基坑安全具有重要意义。考虑土体横观各向同性特征,推导了坑底抗隆起计算公式,并就土体参数和支护结构参数变化对基坑坑底稳定性的影响程度进行了探讨。研究结果表明:增大内聚力c、内摩擦角φ和墙体插入比或减小土体重度γ、最下层内支撑高度和地面超载以及进行坑底加固均能提高基坑抗隆起稳定性。当土体重度γ较小、内聚力c较大、内摩擦角φ较小、墙体插入比较小、最下层内支撑高度较大、地面超载较大时,应尤其注意土体横观各向同性特征的影响。     

钻井液浸泡下深部泥岩强度特征试验研究

 针对钻井液作用下深部泥岩破坏的关键技术难题,通过室内试验分析钻井液浸泡下深部泥岩强度弱化规律,并从微观角度分析试样发生变化的机制。研究结果表明：(1) 钻井液浸泡下,随取芯夹角增大,岩石强度先增大后减小,岩石强度降幅高达49.5%～54.7%;随着围压增加,取芯夹角为0°和90°时岩石强度增幅较低,仅为26.4%～39.2%。(2) 泥岩弹性模量随钻井液作用时间的增加而降低,随取芯夹角的增加呈现先增大后减小的变化规律,泊松比变化规律则相反。(3) 与内摩擦角相比,泥岩黏聚力变化规律性强,0°和90°条件下黏聚力降低幅度较大,最高达67.3%;其他情况下泥岩黏聚力变化幅度不大。(4) 钻井液滤液的渗入导致泥岩内部裂缝缝尖应力强度因子增加、临界断裂韧性降低、裂缝扩展,这是泥岩强度降低的根本原因。同时,钻井液滤液改变了层理面填充物的矿物成分,降低裂缝面的摩擦因数,加剧岩石强度的降低。     

岩石材料裂纹尖端起裂特性研究

 通过综合考虑Williams展开式中奇异应力项和非奇异应力项(T应力),运用断裂力学方法深入探讨远场拉–压、压–压应力组合下裂纹尖端起裂特性。在最大周向应力准则中考虑T应力的影响作用,并将其作为拉伸破裂判据;在剪切破裂方面,提出考虑法向应力影响的最大剪应力准则。通过对拉伸和剪切破裂发生条件的探讨,进一步阐明剪切破坏与裂纹倾角、内摩擦角、抗拉强度、黏聚力等参数之间的关系。研究结果表明,Williams展开式中非奇异应力项对于裂纹起裂角有重要的影响,所提出理论比传统理论计算的起裂角与实验结果更加吻合。随着内摩擦角的增大,剪切破裂减弱而拉伸破裂增强。随着黏聚力增大或者抗拉强度降低,拉伸破裂增强而剪切破裂减弱。