频发微小地震下顺层岩质边坡累积损伤及稳定性分析

三峡库区蓄水后诱发的高频度微小地震对边坡稳定性产生了重大影响。采用振动台模型试验和UDEC离散元数值计算方法,深入地探究了库区典型顺倾层状岩质边坡在高频次微小地震下的累积损伤和稳定性。研究表明:①地震持续作用下,边坡自振频率、阻尼比、损伤度和损伤速率依次降低、增大、累积变大和不断提升,各测点PGA响应表现为"高程效应"和"趋表效应",且PGA放大系数均呈降低趋势;②高、低动荷载振幅阶段边坡岩体非线性累积损伤模型可分别用指数函数和三次函数描述,其演化曲线分别呈初期轻微降低、中期线性递增、后期平缓微增的"S"型特征和急速增长的"陡升"型特征;③边坡累积损伤–失稳破坏呈现为起伏体爬坡–啃断–磨平、次级节理(层面)起裂–扩展–贯通、坡体沿复合破坏面发生整体滑移、失稳破坏后岩体以破碎–大型–巨型块状堆积于坡脚,且含起伏体边坡整体稳定性更优;④动荷载振幅、动荷载频率、坡高、坡角增大而层面厚度减小时,边坡临界失稳微震作用次数减小、累积永久位移增大、稳定性系数减小,且层面出露边坡更易发生失稳破坏。     

水–岩作用下节理岩体剪切力学特性及本构模型

在库水位周期性升降变化作用下，库岸边坡消落带节理岩体长期处于浸泡–风干循环作用状态，为研究消落带节理岩体的损伤劣化特性，选取三峡库区库岸边坡消落带典型节理岩体为研究对象，进行考虑水压力升降变化和浸泡–风干循环过程的水–岩作用试验，系统分析节理岩体的剪切力学性能和微细观结构损伤演化规律。结果表明：(1)水–岩作用下节理岩体抗剪强度呈先陡后缓的劣化趋势，总体可以分为3个阶段，其中前6个水–岩作用周期导致节理面的抗剪强度参数劣化幅度占总劣化幅度的90%左右，水–岩作用10期后，节理面抗剪强度总劣化度为30%左右。(2)水–岩作用下节理面微细观结构损伤劣化显著，逐渐由密实状态转变为疏松多孔状态，节理面平均起伏角、平均相对起伏幅度、面积扩展率等形貌参数呈先陡后缓的劣化趋势，宏观上表现为节理面粗糙度系数JRC和岩壁强度降低，节理面上、下盘吻合度降低，进而导致了水–岩作用下节理岩体剪切性能特性逐渐劣化。(3)基于Clough-Duncan双曲线模型，建立考虑水–岩作用损伤的节理岩体剪切本构模型，验证分析表明，该模型可较好反映水–岩作用下节理岩体剪切力学特性劣化规律。相关研究方法和结论可为库岸边坡长期...     

三峡工程库区岩溶岸坡消落带岩体劣化特征研究

三峡工程175 m蓄水后,峡谷区内多次发生新生地质灾害事件,岩溶岸坡消落带岩体劣化引起广泛关注。通过野外调查、原位测试和室内试验等大量工作,首次系统阐述三峡库区岩溶岸坡消落带浅表层岩体劣化特征。从岩体宏观劣化现象来看,不同岩体结构和岸坡结构的岩体劣化宏观表现有非常大的差异,包括溶蚀/溶解、裂缝显化与扩展和机械淘蚀等现象。浸泡–风干循环后的灰岩样品力学参数平均每循环下降率约为0.7%;随着循环次数的增加,岩样强度下降可用指数函数形式拟合,相关性系数大于0.84。箭穿洞地表破碎灰岩岩体声波年下降率为11.23%。青石岩溶岸坡浅层岩体多期钻孔声波对穿试验测试明显表明:地下岩体的劣化以结构面的劣化为主,其声波年下降率为10%～60%。这些认识和数据从不同角度展示出岩溶岸坡消落带浅层岩体劣化的独特特征:岩石的低劣化率夹杂结构面的高劣化率,具有不均一性;根据风化界线或岩体裂隙分带,在区内或带内则有相近的劣化率,具有分带性。根据这一特征,建立等效连续模式和结构面模式的岩体劣化力学模型。本研究工作指引了库区岩体劣化方向上未来研究重点,将为三峡库区水位变动带地质灾害隐患点防灾减灾工作提供重要支撑。     

考虑水–岩作用特点的典型岸坡长期稳定性分析

大型水库库岸边坡长期经受库水位升降变化的影响,其作用效应主要表现为两个方面,一方面是水压力升降变化的影响,另一方面是岸坡消落带岩土体的水–岩作用劣化效应。基于此,在前期研究基础上,考虑消落带水–岩作用的影响深度及时间效应,建立了岩体强度劣化模型,并结合典型库岸边坡进行了计算分析。研究表明:库水位变化对库岸边坡稳定性影响明显,尤其在一定时期以后,在高水位运行期间安全系数将会出现骤减后迅速恢复的现象,说明坡体下滑力与阻滑力的平衡被打破后又得到调整至新的平衡,随着水–岩作用次数的增加,这种骤减在年循环周期内,逐渐向前推移,且频率与减幅均有所增大,进一步说明当水–岩作用程度越大时,岩体平衡越容易被打破且库岸边坡稳定性越差,而新的平衡对应的安全性逐年降低。这一现象符合重力背斜型滑坡在库水作用期间的破坏堆积过程,研究成果对库区岸坡的稳定性计算具有一定指导意义。     

水-岩和重复剪切次序作用下节理岩体损伤效应及模型

水库蓄水运行过程中，部分库岸边坡出现了明显的台阶式变形趋势，消落带岩体处于库水位周期性升降变化和阶段性重复剪切次序作用下。基于此，设计进行了节理岩体的水-岩作用试验，并在不同水-岩作用周期进行重复剪切试验，研究结果显示：(1)在水-岩和重复剪切次序作用下，节理岩体的抗剪强度、剪切刚度、节理面粗糙度系数均呈现先陡后缓的劣化趋势，比较而言，前4个作用周期的劣化趋势尤为明显，而且法向应力越大，劣化趋势越明显；(2)由重复剪切导致的抗剪强度劣化趋势在初始状态时尤为明显，之后随水-岩作用周期的增加迅速减弱，由水-岩作用导致的抗剪强度劣化趋势在前4个作用周期较为明显，随后趋于平缓；(3)将节理面岩壁损伤区域分为水-岩作用损伤区域、水-岩和重复剪切次序作用损伤区域，对JRC-JCS抗剪强度模型进行了修正，验证分析表明修正后的模型计算值与试验结果吻合较好。相关研究方法和成果可为库岸边坡消落带节理岩体性能劣化分析提供较好参考。     

水库运行期岸坡消落带红砂岩抗拉强度劣化机制

红砂岩广泛分布于三峡库区,弄清岸坡消落带红砂岩的抗拉强度在水库运行期周期性"湿干"交替作用下的劣化机制,是科学进行水库运行期红砂岩岸坡稳定性分析与评价的重要前提。以三峡库区马家沟滑坡红砂岩为研究对象,自主研发能模拟水压力和"湿干"交替共同作用的岩石抗拉强度测试系统,进行消落带红砂岩在水压力和"湿干"交替共同作用下的劈裂试验;同时,基于扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)及吸水率的测试分析,探讨消落带红砂岩抗拉强度的劣化机制。试验结果表明:在水压力和"湿干"交替的共同作用下,消落带红砂岩的抗拉强度随着"湿干"交替作用次数的增加逐渐劣化,劣化幅度逐渐减小最终趋于0;在"湿干"交替作用前期,红砂岩抗拉强度的劣化幅度较大,第1次"湿干"交替作用后,劣化程度最为明显;2~4次"湿干"交替时,劣化幅度相对较大;4次"湿干"交替作用后,劣化幅度逐渐减小为0;红砂岩抗拉强度的劣化是一个不断累积的过程,是内部黏土矿物湿化过程的水化溶解与膨胀、干燥过程的失水收缩,以及水压力作用下微裂隙的增加、扩展等综合作用的结果,且黏土矿物的水化作用引起的碎屑矿物与胶结物之间的胶结变弱效应在其抗拉强度的劣化过程中起主导作用。研究成果可为合理评价红砂岩岸坡的稳定性提供科学依据。     

水–岩作用下断续节理砂岩力学特性劣化机理

在库水位周期性升降作用下,库水消落带节理岩体的损伤劣化很可能导致库岸边坡向不稳定的方向发展。基于此,开展了断续节理砂岩的水–岩作用试验,结合力学试验和微细观结构检测综合分析其劣化规律及机理。结果显示:(1)在长期水–岩作用过程中,断续节理岩样的抗压强度、变形模量劣化趋势明显,而且存在明显非均匀性,其中前3个水-岩作用周期的阶段劣化度明显较大,5个水–岩作用周期之后的阶段劣化度明显减小并趋于稳定。(2)水–岩作用下,不同节理倾角岩样的力学参数劣化幅度不一样,阶段劣化度总体呈U型分布,节理倾角在0°和90°附近时,节理岩样从明显的张性破坏逐渐向剪性破坏转变,破坏模式变化特征比较明显,对应力学参数劣化幅度较大;节理倾角为60°左右时,节理岩样总体保持顺节理面的剪切破坏,破坏模式变化特征不明显,对应力学参数劣化幅度比较小,这些变化也使得节理岩样各向异性力学特征逐渐减弱。(3)在水库长期运行过程中,消落带节理岩体的产状直接影响水–岩作用的劣化趋势和变形破坏特征,因此,在库岸边坡长期变形稳定分析中,不仅要关注消落带岩体力学性质的劣化,也要关注节理岩体的产状差异及其在水–岩作用下变形破坏模式的转化。     

基于透明土技术土岩边坡滑移机理的模型试验研究

随着工程技术的飞速发展,土岩边坡滑移机理的研究具有重要的意义和工程应用价值。通过透明土模型试验研究坡顶荷载作用下土岩界面接触滑移机理和规律,实现了土岩边坡内部滑移变形的可视化。考虑了岩体Barton节理粗糙度系数、坡体角度和坡体高度等因素对土岩边坡稳定性的影响。利用粒子图像测速(PIV)和激光散斑技术,获得了土岩边坡在坡顶荷载作用下内部变形的特征。试验分析表明,土岩边坡的滑动可分为3个阶段:初始阶段、匀速阶段和加速阶段;在土岩边坡滑移过程中减小岩体Barton节理粗糙度系数、增大坡体高度、增大坡趾角度将引起边坡土体内部较大的位移,进而引发土岩边坡的失稳。采用双排抗滑桩的边坡防护措施后,有效地延缓边坡土体内部位移的发展,提高土岩边坡的稳定性。文中研究成果为揭示土岩边坡滑移机理及其工程防护的有效性提供了重要的理论依据,通过跟踪透明土颗粒的运动轨迹实现土体内部变形可视化的土岩边坡滑移提供了试验依据。     

基于裂隙网络的消落带岩体劣化区域分布研究

经过十多年的145~175 m水位波动,三峡库区消落带碳酸岩岩体出现了明显的岩体劣化现象。根据岩溶岩体劣化形成机理与地表水―地下水的活动密不可分,本文首次提出了基于裂隙网络的连通性和水力边界条件的劣化岩体空间分析方法。利用增强Baecher模型、Levy―Lee分形裂隙模型、双变量fisher分布模型和双变量正态分布模型模拟随机裂隙位置和方位,构建定位裂隙与随机裂隙叠加的三维离散裂隙网络。通过裂隙连通性分析,确定连通区位置。考虑水力边界条件,利用相交分析圈定岩体劣化区空间展布情况。以龚家坊消落带岩体为例,验证了方法的有效性,并讨论了大型结构面和层面的重要作用。这一分析方法将有力推动三峡库区岩体劣化及防灾减灾相关工作。     

反复微震作用下顺层及反倾岩质边坡的动力稳定性分析

水库蓄水后诱发的高频次微小地震在一定程度上会对区域地质体的稳定性产生重要影响。本文采用振动台试验、UDEC数值分析方法,对顺层、反倾两类典型岩质边坡在反复微小地震作用下的动力稳定性进行了深入研究。结果表明:两类边坡的加速度响应均表现出"高程效应"和"趋表效应",且随地震作用次数的增加,坡体损伤(表现为层面与次级节理的起裂、扩展、贯通)不断累积,造成两类边坡的动力响应均呈现减弱的趋势;在反复微震作用下,边坡自振频率减低和阻尼比增大是其动力特性变化的基本规律;边坡累积永久位移随着地震作用次数的增加而增加,而稳定性系数则呈现递减趋势;在反复微震作用下,顺层坡的后缘竖向拉裂缝逐渐向下扩展并与下卧层面连通,边坡主要发生沿层面的整体滑移失稳模式;反倾坡首先在坡肩及坡面出现块体崩落,随后上部岩层逐层剥落,最终形成圆弧形破坏面,边坡以坡肩处发生落石、中上部岩层发生崩塌为主要破坏特征。     

岩脉对隧道围岩稳定性影响分析

岩脉是一类特殊的工程岩体,旧堡隧道施工中遇到了辉绿岩和花岗伟晶岩两类岩脉。其中辉绿岩脉在400m埋深处发生了热液蚀变,试验测得其膨胀力为25kPa,自由膨胀率为0.75%,软化系数小于0.12,遇水软化是蚀变带围岩发生大变形的重要原因;花岗伟晶岩脉与围岩呈破碎接触,破碎带岩体呈碎裂结构,属Ⅳ-Ⅴ类围岩,塌方时有发生。通过施工工程地质勘察,查明岩脉工程地质条件是解决相关问题的前提之一,提出以超前地质预报和施工监测作为施工工程地质勘察的两大技术手段。针对辉绿岩脉蚀变带大变形问题,采用了注浆堵水的措施防止围岩大面积淋水软化变形,效果良好。     

Recent advances of digitization in rock mechanics and rock engineering

In recent years,there are growing demands of representing rock mechanics and rock engineering in a digital format that can be easily managed,manipulated,analyzed and shared.The objective of this paper is to give a comprehensive review of the status quo and future trends of digitization in rock mechanics and rock engineering.Research topics essential to the process of digitization are firstly discussed,including data acquisition,data standardization,geological modeling,visualization and digital-numerical int...     

深埋隧洞围岩应力分析及岩爆预测

采用有限元软件,数值模拟分析了相同侧压系数、不同埋深工况下的深埋隧洞围岩应力变化规律,初步判别了岩爆可能性及岩爆发生部位,对隧洞的设计及施工过程中岩爆的防治具有一定的指导作用。     

基于应力与围岩分类的冲击地压危险性评价研究

 基于山东某矿井复杂多样的地质和开采环境,提出了对冲击地压实行分类评价的技术思路。根据外部应力与巷道围岩相互作用后的围岩结构稳定性及其冲击倾向性,对围岩的冲击危险性和类型进行分类。外部静应力计算时采用倾向“载荷三带”理论模型,动应力计算时采用长壁工作面走向“载荷三带”理论模型,再叠加上构造应力等,实现了外部应力的近似计算;将外部应力作用于不同的围岩结构,结合煤岩体的冲击倾向性,得到围岩的冲击危险性和冲击类型。以此为基础形成的冲击地压分类与评价方法能较准确地反映回采工作面的冲击类型和危险程度,为制定针对性的治理措施提供了较准确的依据。研究成果已经在山东能源集团进行了应用,取得了良好的效果。     

软质岩石桩桩端岩石变形破坏机理的研究

本文从传统理论计算方法得到的桩端岩基承载力与实际试桩得到的承载力存在的差异出发，提出符合桩端岩石实际工作情况的破坏机理理论，并通过试验加以证实。     

评价岩石脆性指标对滚刀破岩效率的影响

 脆性是岩石重要的力学性质之一。岩石脆性与滚刀破岩效率密切相关,但目前还没有统一的用于评价滚刀破岩效率的岩石脆性指标。总结现有的35种脆性指标,将其分为基于强度、应变、应变能、硬度、莫尔包络线、特殊试验和其他等7种类型。为研究岩石脆性与滚刀破岩效率之间的关系,通过滚刀贯入试验,引入归一化比能概念,提出表征岩石脆性的新指标,重点研究基于强度和贯入试验的脆性指标与归一化比能之间的关系。试验结果表明：(1) 滚刀更难贯入高强度岩石;(2) 脆性指标B2和B4与归一化比能之间呈强烈的指数函数关系,随着脆性的增高,归一化比能降低,滚刀破岩效率增高,应优先选用脆性指标B2来评价滚刀破岩效率,其次是脆性指标B4;(3) 将单轴抗压强度约20 MPa定义为单轴抗压强度过渡值,滚刀不适宜切削单轴抗压强度小于20 MPa的软岩。试验结果对评价滚刀破岩效率时岩石脆性指标的选取具有一定的指导意义。     

灰色关联分析法在围岩分类中的应用

采用灰色关联分析法,对影响围岩质量的5项指标:岩石质量指标RQD,湿抗压强度Rw,完整性系数Kv,结构面强度系数Kf,地下水渗水量W/L等进行了关联分析,提出了一种进行围岩分类的新方法,具有一定的工程实用价值。     

Determination of mechanical parameters for jointed rock masses

Combining with empirical method, laboratory test and numerical simulation, a comprehensive system was presented to determine the mechanical parameters of jointed rock masses. The system has the following four functions: (1) Based on the field investigation of joints, the system can consider rock mass structures, by using network simulation technology. (2) Rock samples are conducted by numerical simulation with the input engineering mechanical parameters of rocks and joints obtained from laboratory tests. (3) The whole stress-strain curve of jointed rock masses under certain normal stress can be plotted from numerical simulation, and then the shear strength parameters of jointed rock masses can be obtained from the whole stress-strain curves under different normal stresses. (4) The statistical values of mechanical parameters of jointed rock masses can be determined according to numerical simulation. Based on the statistical values, combining with engineering experiences and geological investigations, the comprehensive mechanical parameters of jointed rock masses can be achieved finally. Several cases are presented to prove the engineering feasibility and suitability of this system.     

考虑岩体完整程度的岩石爆破损伤模型及应用

现有爆破损伤本构模型未能考虑岩体完整程度对爆破作用效果的影响。为此,对Yang等提出的爆破损伤模型进行了改进,建立考虑初始损伤的弹塑性爆破损伤本构模型及提出用于评价围岩受爆破影响的损伤判据。该本构模型包含初始损伤变量和岩体完整性指数、声波波速等参数间的关系式,并利用岩体初始完整性指数的变化考虑其完整程度对爆破损伤作用的影响。把该模型引入到LS-DYNA数值软件中,并结合工程实例进行数值模拟,得到爆破损伤云图及相应的爆破影响范围。然后将计算得到的爆破影响范围与现场实测值、基于常用的TCK爆破损伤模型的数值计算结果进行了对比。最后,分析了爆破影响最大半径、最大深度与岩体初始完整性指数间的关系。研究表明,爆破影响最大半径、最大深度均随岩体初始完整性指数的减小而增大,且前者的变化更为显著。基于所提出模型的数值计算结果和现场实测值较为符合;提出的损伤模型可为考虑岩体完整程度对爆破开挖影响的理论研究和工程实践提供参考。     

深埋地下硐室围岩与隧硐衬砌接触分析

应用异性结构面抗剪强度理论研究了深埋地下硐室围岩与隧硐衬砌间的相互作用,提出硐室围岩与衬砌间的结构面的力学模型,并应用算例得出了接触结构面可能先于围岩和衬砌达到其破坏强度的结论。