滚石坡面碰撞破裂效应的试验研究EI北大核心CSCD

采用自主研发的滚石碰撞系统,试验研究滚石力学性质、碰撞速度、入射角度和滚石尺寸等因素耦合作用下的滚石坡面碰撞破裂机制,探讨碰撞破裂对滚石运动特征的影响。结果表明:滚石力学性质和碰撞速度是控制滚石碰撞破裂的主要因素,滚石力学性质越差,碰撞速度越大,滚石碰撞越破碎。滚石破裂存在法向速度阈值,随着力学性质的劣化,破裂法向速度阈值减小。碰撞入射角对滚石碰撞破裂及能量恢复系数影响较大;碰撞破裂不但会引起滚石总的能量恢复系数略有减小,而且会造成个别碎块具有较大速度,对防护结构构成不利影响。     

基于黏弹性接触的落石冲击混凝土棚洞板力学特性理论研究

混凝土棚洞板是防治落石的主要承灾体，现有研究中多将棚洞板简化为梁或薄板单元，以弹性或弹塑性接触理论为基础开展研究，往往低估棚洞板的抗冲击性能。为此，考虑落石与棚洞板接触过程中的阻尼特点，引入等效黏弹性接触理论，将棚洞板视为正交各向异性板，构建落石冲击棚洞板的力学模型，得到落石冲击棚洞板的动力控制方程，根据落石位移、速度和加速度不同组合初始条件，采用微分方程求解法，推导得到落石冲击棚洞板各特征参量的多种理论解，为验证理论求解的正确性，与数值计算结果进行了对比分析。研究表明：线弹性解只能近似描述落石冲击过程，求解得到的落石各特征参量时程曲线是近似对称的两阶段曲线；而以黏弹性接触模型为基础，速度和加速度组合条件下的落石冲击参量理论解和数值解更相近，能够综合考虑落石冲击棚洞板过程中棚洞板受荷变形以及落石的能量损失，更符合实际工程；落石参数敏感性分析表明，落石最大冲击力、达到最大冲击力的时间以及冲击作用时间和落石质量呈正比，随着落石质量的增大，落石冲击参量显著增加，对棚洞板的损伤更大；对比试验结果以及多种理论计算结果可以得到：所得到的落石冲击力时程规律和试验相接近，而且该理论解给出了直接的函数表...     

球齿滚刀作用下岩石裂纹的数值模拟与试验观测

 在对实际掘进条件做出合理简化的基础上,主要从仿真与试验2个方面对齿刀破岩机制进行研究。首先将Hertz弹性接触理论引入仿真,从而考虑刀具的初始应力分布对裂纹扩展的影响;然后利用基于2D离散法的UDEC软件建立TBM双刃球齿滚刀侵入砂岩的模型,并进行仿真分析;最后在原有线切割试验台的基础上设计观测试验。首次利用高速摄像仪捕捉到岩石崩裂及破碎的现象,并巧妙地使用普通数码相机不连续记录球齿下密实核的产生过程。该模型成功地模拟裂纹的生成与扩展,由仿真结果可知：随着侵深的增加,球齿底部承受压应力过大逐步出现密实核;球齿之间的侧向裂纹由于拉应力失效迅速扩展并趋于交汇,最终裂纹贯穿导致岩体破碎;破碎前刃侧出现的小块岩石崩裂现象是由拉应力失效引起的。仿真结果与实验室观测结果表明,研究成果和施工现场数据存有良好的一致性,可适用于浅地层TBM掘进机破岩机制的研究。     

岩石力学的数学描述与计算试验技术

岩石力学的数学描述与计算试验技术于学馥（北京科技大学北京１０００８３）１岩石力学的非确定性研究方法与认识过程１．１岩石力学研究方法正从确定性理论转向非确定性研究现在的岩石力学正在从确定性研究转向非确定性方法研究的过程之中,这是认识方法的转变。确定性研...     

应力波在一维节理岩体中传播规律的 试验研究与数值模拟

 在测定撞击载荷形式的基础上,通过试验研究应力波在一维节理岩体中的传播规律。分析完整岩体中各质点的振动形式以及不同形式的撞击载荷下对质点振动的影响,在完整岩体中质点的振动形式很有规律,其振动频率单一,且与一维岩柱的长度有关;分析结构面附近质点的振动特征,试验结果表明结构面附近质点振动有增强现象;还分析结构面组数对应力波传播衰减规律的影响,随着结构面组数的增加,质点振动衰减便快,应力波随距离的衰减也很明显。在块体离散元的基础上,研究多尺度离散元模型,并用它来模拟应力波在节理岩体中的传播规律,取得较好的效果,说明块体离散元适合模拟岩体中应力波的传播衰减规律。     

随机非均质热弹性力学模型与岩石热破裂门槛值的数值试验研究

考虑岩石细观组构的不同，建立了随机非均匀介质的热弹性力学模型，给出了一般意义下的有限元分析方法。进而，仅考虑热膨胀系数为随机变量，在平面应力模型下，进行了岩石热破裂的数值试验，以花岗岩为样本，对均匀分布、正态分布、韦泊分布3种随机分布下热膨胀系数变化引起的岩石破裂门槛值的变化做了详细研究。结果表明，热膨胀系数的概率分布形式对花岗石热破裂规律及门槛值温度有重要影响。     

岩石点荷载作用下对应力记忆效应的声发射数值模拟与试验研究

 在分析单轴压缩试验岩石Kaiser效应机制的基础上,建立岩石在点荷载作用下对先前应力记忆效应的理论表达式,采用岩石破裂过程分析软件RFPA2D对14种不同尺寸和力学参数的试件进行数值模拟,模拟结果表明,岩石点荷载声发射试验能够反映岩石先前应力状态,点荷载加压出现声发射时的点荷载值与岩石先前所受应力值成正相关关系。为了进一步验证上述结论,对5个岩石试件进行单轴压缩加载、卸载后用点荷载重新加载的循环试验,得到与数值模拟相同的结论,研究成果为工程现场地应力值估算、评价提供新的研究方法。     

高压电脉冲水力压裂法煤层气增透的试验与数值模拟

为了提高低渗透性煤层气的抽采效率,揭示高压电脉冲水力压裂技术对煤体产生裂缝的效果及裂缝的扩展演化规律,通过实验室试验,对煤样进行单纯静水压裂(3 MPa)和相同水压力(3 MPa)、不同放电电压(5,10 k V)条件下的高压电脉冲水力压裂试验,应用CT扫描技术分析了煤样内部裂纹的起裂、发展、分布情况;建立数值模拟分析水压电脉冲作用下裂隙的发展规律和裂缝周边的应力分布情况。研究结果表明:在相同静水压力作用下,高压电脉冲水力压裂煤层比单纯静水压力致裂效果明显;放电电压越高,在裂隙尖端产生的拉应力值越大,煤体易产生疲劳损伤破坏,裂隙易产生、易发展;放电电压越高,裂纹数量越多,裂纹的起裂时间更早,裂缝延伸长度更长,宽度更宽,致裂效果更好;可证明高压电脉冲水力压裂煤层方法有效,技术可行。     

砾砂岩填筑高速铁路堤身模型试验与数值分析

介绍室内模型试验对含砾砂岩全风化及强风化混合料填筑高速铁路路堤压力传递分布特性、堤身承载能力和浸水稳定性影响的研究,根据试验结果得出模型路堤基床系数、变形模量、变形系数和CBR值等物理力学材料参数。采用Drucker-Prager材料有限元理论分析路堤在竖向静循环荷载作用下的应力和变形特性,并且与试验结果进行比较,计算值和实测值符合得较好,可对软岩岩土填筑路堤设计、施工与质量控制起到一定的借鉴作用。     

基于水下抽水试验的岩体渗透系数研究及应用

 通过分析水下岩体钻孔抽水试验的水力边界条件,运用势场叠加原理,将水力边界条件分解为水平补给和垂直补给2个部分。其中,水平补给原理与陆上承压水钻孔抽水补给原理相同;对于垂直补给部分,通过适当的简化假定,推导出垂直补给钻孔渗流量计算公式,从而得到适用于水下岩体钻孔抽水试验渗透系数计算的理论公式。利用该理论公式计算得出的渗透系数,采用数值方法模拟水下岩体现场抽水试验,计算结果与试验结果比较接近。为便于比较,利用基于陆上岩体抽水试验渗透系数计算公式得到的渗透系数,进行抽水试验的数值模拟。计算结果表明：相比基于陆上渗流理论的渗透系数计算公式,本文的理论计算公式能够更合理、更接近实际地反映水下岩体抽水试验的渗流特性。最后,根据本文渗透系数的计算公式,采用数值方法和经验公式预测某拟建海底隧道工程施工期的涌水量,两者结果比较一致,可为隧道选择设计方案和施工方法提供参考。     

典型岩石和土的Skempton系数特征

在理论分析和试验研究基础上,主要探讨了具有典型代表性的岩石和土(砂岩、粘土、重塑土)在饱和非排水状态下、在不同围压下和不同加载率下Skempton系数的变化规律以及发生这种规律的基本原因。提出了对结构性较强的孔隙介质,必须加以考虑水的压缩性的基本观点,这种研究对三峡库区岩体和土体的力学特性和坝基及堤防施工具有重要的指导意义。     

裂隙岩体地区导热-对流型温度场垂向渗透系数的计算及分布特征研究

阐述应用温度场方法研究裂隙岩体地区地下水渗流场参数的优点和存在垂向流作用下的导热–对流型温度场的地温特征。基于含水层导热–对流型温度场的地温曲线和渗流连续性方程,考虑受垂向流影响的温度场,建立地温与深度之间的函数关系,并建立不动点迭代方程,编制程序计算垂向渗透系数。针对渗透系数计算结果的统计特征分别构造满足正态分布、对数正态分布和均匀分布的3组新样本,构造减速膨胀曲线,对比分析渗透系数的概率分布特征。结果表明,同正态分布和均匀分布相比,裂隙岩体地区的垂向渗透系数更接近对数正态分布。利用温度场方法和统计学方法研究裂隙岩体地区地下水渗流场参数,如渗透系数,具有避免过多主、客观因素干扰,计算过程清晰,结果明确的特点。     

丹江口水库区构造应力场的数值模拟

根据丹江口水库区的地震地质构造建立库区的有限元模型，反演丹江口水库区蓄水前的构造应力场和地应力场，并分析其分布特点以及库区塑性应变特点。研究成果为丹江口水库提高水位后诱发地震的预测与安全评价提供参考。     

大断面黄土隧道围岩弹性抗力系数、变形模量与压缩模量试验研究

 对于高速铁路大断面黄土隧道严格的设计计算而言,黄土隧道围岩的弹性抗力系数、变形模量和压缩模量十分重要。以郑西客运专线大断面黄土隧道工程为依托,利用现场平板载荷试验研究大断面黄土隧道围岩水平方向和拱底竖直方向的弹性抗力系数、变形和压缩模量,并提出与隧道埋深有关的弹性抗力系数、变形和压缩模量的参考计算公式。     

岩芯成饼单元安全度三维数值试验及地应力反馈分析

岩芯饼化是深部及高应力地质环境特有的现象,通过岩芯饼化来推测地应力有重要的理论和工程意义。首先模拟不同应力对岩芯饼化厚度的影响,并综合三维弹性数值模拟和带拉伸的莫尔-库仑强度准则,提出岩芯饼化"潜在破坏面"单元安全度的计算方法,研究不同地应力对岩芯潜在破坏面的影响。模拟结果表明,在水平应力一定的条件下,随着竖向地应力的变化,竖直岩芯潜在破坏面单元安全度、剪切破坏和拉伸破坏模式都发生变化。单元安全度方法能够直观显示岩芯潜在破坏面安全度的分布,并量化地反映地应力与岩芯破坏模式之间的对应关系。采用单元安全度方法,对美国Williston盆地Bakken页岩储层的前期勘测地应力和观测岩芯分析,取得相一致的计算结果,说明利用该方法分析与识别地应力是可行的。     

深孔水压致裂地应力测量及应力场反演分析

 万福煤矿是一座拟建特大型矿井,上覆冲积层厚度高达700 m,主煤层平均埋深达1 004.12 m。选择7个勘探钻孔、37个试验段进行深孔水压致裂地应力测量。为保证超千米深孔地应力测量的成功,对传统水压致裂法的测试技术和设备进行改进,提高系统的耐压能力和测试精度。测孔最大水平主应力与垂直主应力的比值较大,平均为1.97,说明勘探区现今应力场以水平应力为主导。测得的21个印模中有18个点位于NEE-SWW向,3个点位于NW-SE向,符合本区震源机制解得出的挤压应力场方向,且与新构造活动所反映的区域构造应力场方向一致。结合实际的地质条件和地层参数,在实测地应力结果的基础上,提出基于有限元三维地应力拟合分析法反演勘探区现今地应力场,给出煤层顶板主应力分布曲线并分析井下可能出现的各类不良地质现象。     

Ⅲ型裂纹断裂韧性测试及数值分析

设计测试岩石Ⅲ型断裂韧性的试件及装置，测得比较稳定的花岗岩及大理石的Ⅲ型断裂韧度。同时，也实测铸铁和低碳钢的Ⅲ型断裂韧性，并对两类材料测试结果进行比较。通过断裂力学及有限元技术对试件Ⅲ型裂纹应力场进行分析，得出裂纹尖端应力场第一主应力与剪应力的比值σl/τzθ随裂纹深度δ的变化关系。从而揭示随裂纹深度鳓增加，Ⅲ型裂纹破裂面将由螺旋面向直剪面变化的原因。