黄土力学数据挖掘系统研究

岩土工程智能化系统研究是岩土工程领域前缘问题。本文基于信息技术中最先进的数据挖掘技术,研制了黄土力学数据挖掘系统,包括有预处理模块、挖掘操作模块、知识库管理模块,自重湿陷与湿陷性判定决策树模型、判定规则和评价模型的精度以及其他应用软件接口等。可实现数据的归约、聚类分析、分类、预测等。通过工程实例分析,证明了该系统的有效性和实用性。采用59项工程的2766组黄土试验数据对决策树的每条规则进行测试,结果表明自重湿陷性判定规则的准确率为87.3%,湿陷性判定规则的准确率为92.5%。利用挖掘所得到的判定规则和决策树模型,可减少试验工作、降低成本;提出的模型还可用于确定湿陷底界与自重湿陷的底界,从而为地基处理深度的确定提供依据。     

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...     

Advances in statistical mechanics of rock masses and its engineering applications

To efficiently link the continuum mechanics for rocks with the structural statistics of rock masses,a theoretical and methodological system called the statistical mechanics of rock masses(SMRM)was developed in the past three decades.In SMRM,equivalent continuum models of stressestrain relationship,strength and failure probability for jointed rock masses were established,which were based on the geometric probability models characterising the rock mass structure.This follows the statistical physics,the continuum mechanics,the fracture mechanics and the weakest link hypothesis.A general constitutive model and complete stressestrain models under compressive and shear conditions were also developed as the derivatives of the SMRM theory.An SMRM calculation system was then developed to provide fast and precise solutions for parameter estimations of rock masses,such as full-direction rock quality designation(RQD),elastic modulus,Coulomb compressive strength,rock mass quality rating,and Poisson’s ratio and shear strength.The constitutive equations involved in SMRM were integrated into a FLAC3D based numerical module to apply for engineering rock masses.It is also capable of analysing the complete deformation of rock masses and active reinforcement of engineering rock masses.Examples of engineering applications of SMRM were presented,including a rock mass at QBT hydropower station in northwestern China,a dam slope of Zongo II hydropower station in D.R.Congo,an open-pit mine in Dexing,China,an underground powerhouse of Jinping I hydropower station in southwestern China,and a typical circular tunnel in Lanzhou-Chongqing railway,China.These applications verified the reliability of the SMRM and demonstrated its applicability to broad engineering issues associated with jointed rock masses.     

3D打印技术在岩体物理模型力学试验研究中的应用研究与展望

含内部三维缺陷的试样和含复杂地质结构的物理模型制作一直是制约岩石力学试验发展的主要原因之一,鉴于3D打印(3D Printing,3DP)技术可以便捷地制作含复杂结构的三维实体,将3DP技术引入到岩体/岩石力学试验的研究中。以粉末性石膏为打印材料制作了含内部多孔洞结构和预制裂隙结构的模型试样,力学试验表明,这2种打印试样的变形特征、破坏特征、强度特征以及裂隙扩展过程与岩石类材料较为一致;利用粉末性石膏和PLA材料为打印材料,制作出了含单断层和含锚杆衬砌支护工程的隧道物理模型,试验证明了断层的存在降低了隧道的稳定性,而锚杆衬砌支护系统可以有效地提高洞室的承载能力,而且3DP隧道模型的变形破坏过程与其他岩石类材料的物理模型试验结果和工程现场观测现象较为一致。同时,将3D光学面扫描技术和3DP技术相结合建立一种含自然节理面模型的制作方法,试验测试表明该方法能够较好地复制出节理面的形貌特征,并且试样的剪切力学性质和破坏特征具有很好的稳定性和一致性。通过上述3DP试样的初步力学试验测试表明该技术在岩体力学试验研究中的可行性。最后,进一步了探讨和挖掘了3D打印技术在岩石力学和岩体工程研究中的应用潜力。     

矩形断面巷道冲击地压机理研究

基于顶板剪切梁模型研究矩形巷道冲击地压发生问题,得到矩形断面巷道发生冲击地压的临界塑性软化区深度和临界载荷,分析巷道宽度、巷道高度或煤层厚度、顶板厚度等几何因素,以及煤层与顶板刚度比、煤的模量比、煤的强度参数、侧压力系数和水平应力分布指数等煤岩力学性质因素对临界条件的影响规律。结果表明:巷道顶板岩层以剪切变形破坏为主,当临界塑性区深度与临界载荷较小时,易于发生冲击地压,其发生频度较高,强度较小,破坏性较小;反之,冲击地压不易发生,其发生频度较低,一旦发生其强度会较大,破坏性较大。临界塑性区深度与巷道宽高比、初始黏聚力的大小无关,随顶板厚度、刚度比、模量比、水平应力分布指数的增加而增大,随煤层塑性软化刚度、内摩擦角、侧压力系数的增加而减小。临界载荷随巷道宽高比、煤层塑性软化刚度、水平应力分布指数的增加而降低,随顶板厚度、刚度比、模量比、初始黏聚力、内摩擦角、侧压力系数的增加而增大。     

工程硕士岩石力学课程教学改革与实践

为提高岩石力学课程教学效果和工程硕士培养质量,文章对该课程教学进行了改革探索。主要内容包括:教学方法的改革(重视启发式教学、尝试讨论式教学)、开设自主性实验和布置综合性作业等。通过改革,该课程教学质量明显提高,学生满意度大幅提升。     

岩土力学课程群的创新教学实践

上海大学岩土力学课程群以上海市级精品课程土力学为核心课程,辐射带动岩土力学课程群的教育教学改革,在教学方法、手段、形式以及对学生的培养模式等方面进行了探索与实践,创建了岩土力学课程群的创新教学实践新模式。目前岩土力学课程群已形成了多样化的理论教学模式、建立了多方位的实践教学体系、培育了多形式的优秀学生团队。     

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。     

围岩承载层分层演化规律及“层-双拱”承载结构强度分析

以信湖煤矿典型深部软岩巷道为工程背景,依据巷道围岩应力变化趋势及围岩强度变化,按照深部软岩巷道四线段全应力-应变曲线划分围岩次生承载结构为"流动层-塑性软化层-塑性硬化层-弹性层"耦合承载层,塑性软化层、塑性硬化层组成塑性承载区。并根据巷道围岩承载层划分提出动态补强支护方案:一次支护采用锚网喷支护,二次补强选取浅、深孔注浆锚杆锚索联合支护,结合支护方案特点提出"层-双拱"承载结构力学模型,在极限平衡条件下对"层-双拱"承载结构进行受力分析得到其极限承载强度解析式,工程计算得到信湖煤矿一水平回风石门经"层-双拱"承载结构支护后极限承载强度可达29.30 MPa,理论验证了支护方案的可靠性。同时,现场监测结果表明:回风石门在动态补强支护后巷道围岩变形趋于平稳,巷道顶板最大下沉量仅为36 mm,两帮移近量为67 mm,巷道能够保持长期稳定。     

采动作用下含深大岩溶结构面坡体裂隙扩展及变形破坏规律

中国西南高陡岩溶山区崩滑灾害频发,长期地下采矿活动是该区域崩滑灾害的重要诱因之一。采动作用下,坡体后缘深大结构面扩展演化控制着高陡岩溶坡体稳定性和失稳破坏模式。在野外地质调查基础上,结合室内物理模型试验和离散元数值模拟,揭示了地下开采扰动下覆岩裂隙扩展演化规律,阐明了深大结构面对边坡稳定性的控制作用,讨论了坡体变形的破坏模式。结果表明：地下开采扰动对斜坡体稳定性的影响主要表现在地下采动卸荷引起覆岩应力重分布、山体变形诱使裂隙扩展;地下采空后,斜坡体在二维剖面上形成类似“悬臂梁结构”,坡体原有深大结构面控制坡体稳定性;下行开采条件下,采空范围在断层之前,山体高度较小,在自重作用下“悬臂梁结构”岩层向断层及采空区方向协同变形,不会产生大量离层裂隙,煤层顶板仅发生断裂坍塌并充填采空区,采空至断层后,左侧山体已发生塌落,山体应力重分布,覆岩在自重作用下形成大量张拉裂隙,直接顶塌落高度与裂隙带高度也随采空区范围增加而增加。其变形破坏演化过程可概化为：地下开采卸荷–应力重分布→覆岩断裂下沉–裂隙扩展→坡体裂隙贯通–悬臂破坏→坡中变形挤出–岩桥剪断→坡体整体失稳破坏。     

岩石厚壁圆筒试验破坏的细观力学机制

 目前采用传统颗粒体模型较难表征岩石内部不规则矿物颗粒的结构特征。以颗粒流理论及PFC程序为平台,采用平面黏结接触模型,构建能反映矿物颗粒结构特征的岩石厚壁圆筒数值模型,从细观力学角度深入探究岩石厚壁圆筒试样在不同内外部围压条件下的破裂机制与规律。研究表明：当内部围压为0时,试样张拉型微破裂占主导优势;层状剥离的破碎颗粒体以轴线为中心形成近似对称的“V”型破坏区域。当内部围压不为0时,随着内部围压不断增大,试样承受的极限外部围压逐渐增大;试样剪切型微破裂逐渐占主导优势,以轴线为中心产生的近似对称的“V”型破坏区域逐渐消退,破坏逐渐从内径岩壁向各个方向扩展。无论内部围压是否为0,试样外部围压、外部体应变等破坏参量演化曲线均可近似划分为3个阶段。     

岩桥破坏的简化模型及在节理岩体模拟网络中的应用

提出一个简化的岩桥破坏 /结构面扩展模型 ,该模型符合现有试验观测成果 ,在力学机理上基于Lajtai对岩桥剪切破坏的研究 ,能方便地计算实际问题中各种结构面组合情况下的抗剪力。利用先进的优化方法 ,该模型用于在结构面模拟网络中搜索抗剪力最小的结构面-岩桥组合 ,从而研究裂隙岩体的结构面连通特性和综合抗剪强度。算例和分析表明 ,在不同的法向应力作用下 ,岩体沿某一组结构面受剪时 ,破坏路径上的连通率为常数 ,这时可以使用连通率求取岩体的综合抗剪强度指标。在剪切方向与某一组结构面的平均延展方向不相同时 ,破坏路径上的连通率随法向应力的改变而改变 ,这种情况下岩体的综合抗剪强度只能通过模拟试验直接求得。     

露天煤矿冻岩边坡饱和砂岩冻融损伤试验与劣化模型研究

 高海拔多年冻土区露天煤矿岩质边坡常年处于冻融交替环境中,边坡浅部病害显著。为了分析边坡上岩石在冻融环境中的劣化规律,利用采集于木里地区露天矿边坡钻孔中的砂岩试样进行了室内饱和冻融循环试验,并建立了饱和岩石冻融劣化的理论模型。岩样冻融循环试验结果显示随着冻融循环次数的增大,饱和砂岩的微裂隙率逐渐增大,单轴和三轴抗压强度以及表示岩石质量的常见物理参数逐渐降低。基于岩石在冻融循环过程中的微裂隙变化,提出并推导了微裂隙扩展因子,理论建立了岩石强度随冻融循环变化的劣化模型和本构关系,利用劣化理论模型所计算的岩石强度与试验结果吻合较好。分析岩石微裂隙的变化规律,可以获得饱和砂岩在冻融循环环境中的劣化是由于岩石内部的微裂隙在水成冰相变过程中产生的巨大复合应力超过了岩石微裂隙开裂强度,而导致微裂隙逐渐失稳扩展,岩石整体性被削弱等结论。     

拉剪作用下节理岩体锚固力学分析模型

 现有锚固理论不能反映节理岩体锚固的内在力学机制。基于节理岩体全长黏结型锚杆锚固的地质变形特征,根据加锚节理岩体超静定梁模型,将超静定梁转化为受到挤压分布力、轴力和剪切力共同作用的静定梁模型,探讨拉剪作用下节理岩体锚固的受力与变形的演化规律。基于结构力学理论,考虑锚杆横向剪切变形段荷载与变形的内在物理关系、位移相互协调关系以及由能量原理导出的平衡关系,建立拉剪作用下节理岩体锚固的力学分析模型,进一步提出拉剪荷载作用下的节理面一侧锚杆横向剪切变形段长度的计算方法。研究表明,加锚节理岩体受锚杆轴向拉力和销钉效应共同作用,节理面处锚杆轴力和剪力呈抛物线耦合关系;锚固角越大,锚杆销钉效应越显著。节理面一侧锚杆横向剪切变形段的长度随锚固角的增加而增大,但锚杆抗力随锚固角的增加而降低。与试验数据的对比分析表明,理论模型的计算结果与试验结果吻合较好,验证了该模型的合理性。研究结果可为节理岩体锚固研究及工程应用提供参考。     

基于残余强度变形阶段特征的岩石变形全过程统计损伤模拟方法

岩石应变软化变形破坏全过程模拟是岩石力学研究的重要内容。首先在分析岩石应变软化变形全过程不同阶段变形特征基础上,针对现有岩石损伤模型难以反映岩石破坏后仍具残余强度特性的不足,假设受载岩石可抽象为损伤和未损伤两部分材料组成,其所受轴向荷载由这两部分共同承担,且损伤部分所受应力为残余强度,建立出可反映岩石破坏后仍具残余强度特征的新型损伤模型;其次,引进统计损伤理论,在探讨岩石微元强度合理度量方法的基础上,考虑岩石损伤阀值的影响,建立可反映岩石变形全过程特征的岩石统计损伤演化模型;然后,利用上述岩石损伤模型和损伤演化模型建立出可模拟岩石应变软化变形全过程的损伤统计本构模型,并建立其模型参数确定方法,该模型能较好地反映岩石峰后残余强度阶段变形特征;最后,通过实例分析与讨论,并与其他同类模型分析结果进行比较分析,表明本文模型与方法的合理性与优越性。     

多因素作用下隔河岩电站厂房高边坡变形机理及岩体稳定性研究

以有限元计算程序ADINA为平台,建立隔岩电站厂房高边坡的三维模型。基于卸荷岩体力学理论与方法,综合考虑了初始工况、开挖工况、卸荷工况、加固工况、蓄水工况和蠕变工况,在应力分析和变形分析的基础上,研究了多因素作用下隔河岩电站厂房高边坡的变形机理和岩体的稳定性,并绘出高边坡的变形机理图。为对分析的合理性进行验证,将蠕变工况的计算成果与监测成果进行对比,在验证合理性的基础上进一步对边坡的后期变形进行预测。同时,结合上述分析的成果,提出监测布置的建议。     

裂隙岩体渗流场与应力场耦合研究进展与展望

在分析岩体多介质渗透特性的基础上，提出了岩体多介质渗透类型，综述了裂隙岩体渗流场与应力场耦合模型的研究进展，并提出耦合模型进一步研究的方向。     

Geological conditions and key rock mechanics issues in the Western Route of South-to-North Water Transfer Project

In terms of special geological conditions of the Western Route of South-to-North Water Transfer Project,the classification method for surrounding rocks is discussed by combining with the construction method of tunnel boring machine(TBM).The classification standard of surrounding rocks is put forward on the basis of physical simulations and engineering practices.Damage,deformation and evolution of surrounding rocks induced by TBM excavation are discussed.Meanwhile,the long-term deformation mechanisms and stability of surrounding rocks are also studied.On this basis,a three-dimensional constitutive model for interbedded sandstone slate and a flat shell-joint element-foundation system for calculating internal forces of segment lining are established.The deformation features of surrounding rocks of deep and steep interbedded sandstone slate and their influences on internal forces of segment lining are presented.Finally,the design methods of segment lining constructed in deep and steep flysch are proposed.     

基于区间理论与GSI的岩质边坡稳定可靠性分析方法

针对采用结构面表面特征与岩体结构的定性描述确定岩体地质强度指标GSI存在较强主观性的特点,首先以结构面表面等级SCR与岩体结构等级SR对其进行量化处理,并根据组成SCR与SR的量化指标取值过程中所具有的不确定性,采用区间值表示参数取值,建立岩体量化GSI区间值确定方法;其次,根据Hoek-Brown准则等效岩体抗剪强度参数转换关系,采用区间数学理论建立出岩体力学参数区间值确定方法;然后,通过区间组合法求解岩质边坡安全系数区间值,并在确定安全系数要求值的基础上采用非概率可靠性分析方法进行稳定可靠性评价,进而建立出基于区间理论与GSI的岩质边坡稳定可靠性分析方法;最后,将其应用于分析湖南省柘溪水电站进水口高边坡稳定性,结果表明该方法具有一定的合理性与可行性。在缺乏现场岩体力学试验与大量样本数据的情况下,该方法为岩质边坡从岩体力学参数确定到稳定可靠性评价提供了一条新途径。     

深井巷道掘进围岩演化特征模拟与扰动应力场分析

 深井巷道围岩扰动应力场与开挖扰动区的形成密切相关。然而,受现场地质条件和监测技术制约,尚难以准确获得围岩扰动应力的演化过程。为此,首先通过原位监测得到深井巷道围岩开挖扰动区的演化特征;然后,基于监测结果利用反分析的方式构建能较为准确地模拟围岩开挖扰动区演化特征的数值模型;最后,通过这一模型分析了深井巷道掘进过程中围岩扰动应力场的演化特征。研究结果表明：当工作面未掘进至监测断面时,由于工作面前方岩体空间约束,测点应力值基本没有变化;当工作面掘进过监测断面后,巷道帮部、顶底板的主应力大小和方向均发生了变化;通过对比扰动应力场与原位监测得到的开挖扰动区的演化特征,发现两者的部分演化特征较为相似。