滚石运动特征试验研究

选择坡面长度为176.4 m,坡度为39°～60°,局部坡度约为90o的边坡作为试验场地,对质量为9.5⁹2.5 kg,形状为长条状、薄片状和方形等的岩块进行256次滚石试验。在试验的基础上,分析了坡面特征对滚石停留位置的影响,坡面对滚石运动时间（到达坡底动能）和对不同形状滚石的运动特征的影响。同时,利用正交试验理论,采用滚石在坡面上运动的平均加速度作为评价指标,对影响岩块在边坡上运动的3个重要因素--滚石的质量、滚石形状和坡面状况（包括坡度以及与坡度相关的坡表覆盖层）进行了分析。结果表明:在这3个因素中,坡度及坡面状况是主要因子,其次是滚石的形状,再次是滚石质量。当滚石质量15≤m<27 kg,其形状为薄片状,坡度平均为59.6°,基岩基本裸露,滚石运动的平均加速度最大;当滚石质量9.5≤m<15 kg,其形状为长条状,坡度为39°,坡面有碎石浮土时,平均加速度最小。所得成果为危岩体防治时冲击能量的确定提供了依据,提出危岩体整体防治的新的可行方法,对坡面地质灾害的防治有指导意义。     

平台对滚石停积作用试验研究

 平台对危岩体失稳后运动有很好的减速拦阻作用,是危岩体防治的有效措施。设计了平台停积作用试验,采用多元非线性回归模型对滚石在平台上的停留位置以及平台平均阻力系数进行研究,分析停留位置和平均阻力系数分别与滚石质量、形状、滚石到达平台时的速率以及平台表面粗糙程度等因素之间的关系以及各因素的相关性,并对多元非线性回归模型进行预测;同时,特别分析了滚石质量对停留位置的影响。结果表明：(1) 滚石停留位置和平均阻力系数与滚石质量、形状、滚石到达平台时的速率以及平台表面粗糙程度等影响因素的关系均可采用多元非线性回归关系式表示,并且预测值与实际值可较好吻合;(2) 滚石质量、初始位置(边坡高度)和平台表面粗糙程度对滚石停留位置有较大影响,表现为滚石质量越大,边坡高度越大,滚石在平台运动的距离越远。所得结果为将平台作为危岩体防治措施时确定平台的宽度提供依据,对坡面地质灾害的防治有指导意义。     

基于正交设计的滚石运动特征现场试验研究

 考虑滚石启动方式、斜坡覆盖层和植被特征、斜坡坡度、坡面长度、滚石形状和滚石质量等6个可能影响滚石运动特征的因素,按照正交设计现场滚石试验。在试验基础上,采用极差、方差和回归分析等手段,以滚石运动的加速度和滚石与坡面碰撞速度恢复系数作为评价指标,对影响滚石在斜坡上运动特征的6个因素进行分析。结果表明：影响滚石运动加速度的诸多因素中,斜坡坡度是主要因素,以下依次是滚石形状、斜坡覆盖层和植被特征、坡面长度、滚石质量和滚石启动方式;斜坡坡度、滚石形状和斜坡覆盖层及植被特征是滚石运动加速度的决定性因素;滚石运动加速度与上述决定性因素之间可用线性关系来描述。斜坡覆盖层和植被特征对滚石碰撞恢复系数起控制性作用,其他因素几平无影响;斜坡覆盖层与植被特征和碰撞恢复系数之间可用线性关系描述。所得成果为危岩体防治时冲击能量的确定提供了依据,提出危岩体整体防治的新的可行方法,对坡面地质灾害的防治有实际意义。     

高陡边坡滚石危险性评价与防治

研究了滚石的形成因素、运动形式及影响因素、评价手段以及防治措施等。通过以高差在400m左右,坡度在47°～62°之间的康定县郭达山危岩体为研究对象,研究了其地形地貌、岩性及地质构造等,通过试验获得了岩土体的物理力学指标,利用使用广泛的商业软件Rockfall进行了数值分析模拟。在对危岩体进行了柔性防护后并建立了监测预警系统,为山下居民体统较好的安全保障。     

公路沿线遭遇滚石的风险分析——方法研究

随着中国经济建设的迅速发展，山区内大量公路将面临着越来越多的滚石问题。显然，公路沿线遭遇滚石的风险分析对滚石灾害的分区与防治资金的优化配置是十分重要的。在工程地质力学综合集成方法论（EGMS）的指导下，由现场调查、专家经验、理论分析等结合得到了困难条件下滚石发生频率的估计方法。假定一个滚石区范围内的人类活动和潜在滚石在时间和空间上为均匀分布，利用贝努力公式给出了静止车辆、移动车辆、行人等情况下遭遇滚石的概率计算方法。由遭遇滚石的概率及承灾体的易损性分析，可进一步得到公路上车辆和行人经过不同滚石区时受滚石冲击而致命的风险水平。     

滚石坡面冲击回弹规律研究

 在山区滚石灾害防护工程中,滚石拦截系统恰当位置的选择及其拦截高度的确定非常关键,它直接关系到拦截系统的成败。而影响拦截系统设计的因素很多,其中滚石在坡面上的运动轨迹是关键。以弹塑性接触理论为基础,研究滚石法向回弹系数、切向回弹系数的计算方法,运用运动学的基本方程研究滚石在坡面上的运动特征,推导相关的公式。通过具体算例的分析,显示了理论的合理性。     

新型耗能减震滚石棚洞作用机制研究

 传统滚石棚洞主要是通过结构顶部的砂砾石垫层来耗能抗冲击的,然而实践表明：砂砾石垫层材料不仅缓冲吸能效果有限,且自重荷载较大,建设成本偏高,不利于大面积推广应用。为此,提出一种新型耗能减震棚洞,通过在棚洞支座处增设耗能减震器,在最大限度降低棚洞自重的情况下增大防护结构的系统柔度,达到耗能减震的目的。通过构建非线性质量弹簧体系来模拟滚石冲击下棚洞结构的动力响应,并结合能量原理对新型棚洞的防滚石抗冲击机制进行分析,结果表明耗能减震棚洞能大幅度降低滚石的最大冲击力,并通过耗能减震器的变形来耗散冲击能,大幅度降低棚洞结构的建设成本。     

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。     

基于三维裂隙网络的RQD尺寸效应与空间效应的研究

 岩石质量指标(RQD)是岩土工程与地质工程中的重要概念,在岩体性质分析中起到了重要作用,但RQD存在着明显的尺寸效应与空间效应,这在以后岩体工程设计计算中并没有引起充分的重视。为研究RQD的空间效应,采用三维裂隙网络模拟方法模拟现场真实岩体,并在模型中设立大量测线获取岩体中不同位置的RQD值。结果表明,岩体中不同位置的RQD值并不相同,存在明显的空间效应。为获取可整体代表岩体好坏程度的RQD值,需在大量RQD样本的基础上进行分析。另外,为更好地体现岩体的非均质性,研究不同阈值下的RQD范围,最终确定可充分反映待分析岩体的最佳阈值,为4 m。尺寸效应是RQD参数的重要性质,通过改变测线长度的方法探讨RQD在不同尺度下的变化情况。总结、提出RQD的计算模型与公式,即：A-A模型、T-T模型、A-A-S模型、Priest-Hudson公式与Senz-Kazi公式。分别研究与对比不同模型下RQD的尺寸效应,结果表明,采用A-A-S模型可充分减少尺寸效应带来的RQD的计算误差;当阈值较大时,Priest-Hudson公式与Senz-Kazi公式存在一定的误差,基于三维裂隙网络模拟的方法进行RQD的计算将会更为准确。     

卸荷岩体的尺寸效应研究

讨论了岩体尺寸效应研究的现状。根据三峡工程永久船闸高边坡岩体的物理仿真卸荷试验,研究了卸荷岩体的尺寸效应问题,即应力-应变关系、抗压强度、抗拉强度、变形模量、泊松比、各向异性等物理特性,得到了几点有意义的结论,并推荐了相应的力学参数。     

松散岩块压实破碎规律的试验研究

通过对松散岩块压实破碎的试验研究,得出松散岩块的压实破碎规律。研究结果表明,岩块的破碎大部分发生在压力水平较低的情况下,一般相对压力小于0.5～0.6,当压力超过这个范围时,岩块的破碎率就很小了,颗粒的级配基本保持不变。岩块压实破碎后,当颗粒级配趋于稳定时,对于强度较低的岩块,所产生的细颗粒的成份较多;而对于强度较高的岩块,所产生的各级颗粒的含量相差并不明显;对于强度不同的岩块,其级配曲线具有很强的相似性和相关性,并可用二次多项式进行描述。     

软岩的应变速率效应研究

对硅藻质软岩试样进行了不同围压和不同加载速率的应变和应力控制式固结不排水三轴试验,试验结果表明,硅藻质软岩具有明显的应变速率效应,加载速率对软岩的强度变形特性有较大的影响。在试验研究的基础上,应用三维弹粘塑性模型,考虑硅藻质软岩的应力–应变关系的时间依存性,模拟了软岩的应变速率效应。数值分析中所采用的参数均由试验确定,对不同应变速率下固结不排水试验的应力–应变关系和有效应力路径的数值计算结果,反映出不同应变速率下软岩的峰值强度和残留强度均随着应变速率的增大而不断提高,与试验结果相吻合;计算结果还反映出与试验结果一致的孔隙水压力变化和应变软化趋势。通过对比分析表明,三维弹粘塑性模型可以较好地描述软岩的应变速率效应。     

岩石结构面峰值摩擦角应力效应试验研究

 工程上常采用不随应力变化的岩石结构面抗剪强度参数,不能反映结构面摩擦角应力效应的变化规律。为研究结构面摩擦角与法向应力的相关度,首先对中砂、水泥、硅粉、非引气型萘系减水剂等原材料的配比进行研究,获得与天然钙质板岩物理力学特性相类似的岩石模型材料,然后采用研发的结构面制作模具及其制备工艺制作10组具有不同表面起伏度和粗糙度的结构面,并利用自制的高精度岩石结构面直剪仪对系列法向应力下的结构面摩擦角进行直剪试验研究和数据统计分析,结果表明：结构面峰值摩擦角及其变化率均随法向应力的增加而降低,而不是通常认为的峰值摩擦角为定值;结构面残余摩擦角随法向应力的变化并不是很明显;具有不同起伏程度和粗糙度系数的模型结构面在相同法向应力下的峰值摩擦角也有差异;结构面峰值摩擦角应力效应和JRC-JCS (JRC为粗糙度系数,JCS为壁岩强度)准则中所确定的峰值摩擦角变化规律相一致,而且粗糙度系数越大结构面峰值摩擦角的应力效应越明显。     

柱状节理岩体各向异性特性及尺寸效应研究

 白鹤滩水电站坝基基岩及深部洞室围岩以柱状节理岩体为主,其力学特性极其复杂。为此,开发多弱面软化本构模型,可以方便地定义和描述多组斜交节理面的力学属性和屈服后的软化特性;并考虑柱状节理岩体内部介质的非均匀性,从细观角度建立整体力学属性满足Weibull分布的概率模型;在对概率分布参数进行敏感性分析的基础上,结合刚性承压板试验结果,确定反映现场岩体结构的概率分布参数。同时,采用Voronoi算法构建了无规则性和随机性排列的四面体、五面体和六面体柱面的随机模型,综合该三方面因素对柱状节理岩体的各向异性特性展开研究,得出不同方向承载性能和变形特性的差异。对不同尺寸下多组试块进行分析计算,获取了不同方向的弹性模量和抗压强度随试块尺寸的变化曲线,证明柱状节理岩体还具有明显的尺寸效应,并确定了其特征尺度。     

节理岩体卸荷非线性力学特性研究

工程岩体根据其受力特性可以分为加载岩体和卸荷岩体,结合三峡工程永久船闸高边坡岩体,利用自行开发的三轴试验设备进行研究,根据几何和重力相似、材料力学性能相似、岩体结构相似、边界力相似、开挖过程模拟相似,由重晶石粉、铁粉、石膏、水等制作尺寸为250 mm×250 mm×250 mm的试件,试件的几何比尺选择为CL=3,9,27,81;并对几何比尺为27的试件制作含有与船闸轴线相垂直的卸荷方向成8°,36°,52°,82°,90°的结构面。对节理岩体的加卸荷应力–应变关系、卸荷岩体(应力–应变关系、抗拉强度、变形模量)的各向异性、卸荷岩体(抗拉强度、抗压强度、泊松比、变形模量)的尺寸效应、卸荷岩体的流变特性、卸荷岩体的强度准则进行试验研究。研究结果表明,不同结构面方向对岩体的卸荷作用明显;岩体的抗压强度、抗拉强度、变形模量、泊松比以及岩体的各向异性等均随着尺寸的加大而降低;岩石受拉的流变特性与岩石所受的拉应力大小直接有关;得出Hoek-Brown准则所描述的岩体强度关系曲线中的岩体材料常数m,s值。     

盐岩力学特性应变率效应的试验研究

 以层状盐岩体矿床中的NaCl岩盐与无水芒硝盐岩为研究对象,在实验室内进行10－5～10－3 s－1范围内单轴压缩强度与变形特性的应变率效应研究。研究结果表明：在上述应变率范围内,NaCl岩盐与无水芒硝盐岩的单轴抗压强度与弹性模量基本不随加载应变速率而变化;同一应变速率条件下,无水芒硝盐岩强度略高于NaCl岩盐;两类盐岩的泊松比均随加载应变速率的增大而减小;随加载应变速率的增大,试件在峰值应力点处的应变减小,其变形模量与加载应变速率呈对数关系;试件破裂方式不随加载应变速率而变,NaCl岩盐试件破裂为柱状劈裂或楔型剪切,而无水芒硝盐岩则表现为单斜剪切。对扩容应力与极限强度之比统计结果表明,盐岩扩容应力与极限强度之比(平均值)为87.3%～91.0%,表明盐岩在扩容之前均具有很强的变形能力。由试验结果可知,在其他安全稳定条件满足的前提下,盐岩溶腔储气库运营中、腔壁应变率在10－5～10－3 s－1范围之内,可以保证储气库腔体的安全稳定运营。