岩体失稳前兆阶段准静态形变平衡方程和加载参数——能量输入率

由能量守恒原理导得的岩体失稳前兆阶段准静态形变平衡方程中包括Ι体的弹性能释放率、II体的能量耗散率和环境对系统的能量输入率(或广义地称为“环境与岩体系统能量交换率”),包涵了岩体系统准静态形变过程的完整信息量。阐述了用能量输入率J呈递减或递增趋势,来判别系统稳定性与用Dirichlet势函数2阶导数正负法则判别系统稳定性的结果完全一致;J>0是环境对系统输入能量;J<0是系统对环境输出能量;J=0是岩体系统动力失稳的临界条件,可用于确定岩体系统失稳起始点和终止点;这些可为准确计算地震、岩爆时释放的地震能等问题提供科学依据。首次从仿照弹性稳定理论得到的系统总势能全量函数形式,正确导得岩体系统准静态形变的平衡方程。     

岩体系统动力失稳的总势能函数诠释

定量阐述了在岩体系统准静态形变路径不同的位置处,系统有不同的总势能;岩体系统动力失稳释放的能量?Π与失稳起始点j、终止点s之间的能量关系为Πs=Πj+△Π,其中△Π<0;发现折迭突变模型势函数的微分是全微分,利用全微分的积分值与路径无关的性质,对在普通试验机上加载发生脆性破坏的岩样,在伺服试验机上通过油缸排油对外界输出能量,使岩样以渐进形式破裂的现象进行阐述。计算表明,油缸排油对外界输出的能量与岩样脆性破坏时系统以动力形式释放的能量相同;利用格林公式算得,系统平衡位置在折迭突变平衡路径上沿直线跳跃时释放的弹性能,等于直线与准静态平衡路径围成面积D的负值。分析表明,处于极限状态的岩体系统,不论是在准静态还是动力失稳的形变增大过程中,系统总势能总是向减小的方向发展。所得结果深化了对岩体动力失稳现象的认识、提高了量化描述水平。     

穿越断层破碎带深埋隧道围岩失稳的突变理论分析

在分析隧道开挖引起断层破碎带围岩失稳的基础上,认为深埋隧道断层破碎带围岩的失稳是一种突发破坏现象。根据总势能原理,建立了穿越断层破碎带深埋隧道围岩失稳尖点突变模型,推导出失稳的力学判据条件。分析结果表明,断层破碎带围岩的突发失稳与几何-力学参数ζ和综合刚度比k相关。最后以建中隧道修建过程中的三处典型断层破碎带为例,运用建立的尖点突变模型进行分析。分析结果与实际施工围岩情况一致。研究成果可为预防深埋隧道围岩失稳、采取合理的施工工艺和支护措施提供参考依据。     

动压沿空双巷围岩破坏演化规律的试验研究

为分析沿空双巷围岩失稳破坏特征,采用大型物理模拟试验系统,结合数字照相分析技术,分别研究了沿空双巷无支护情况下围岩破坏演化全过程、围岩变形规律以及巷道围岩破裂形式。试验结果表明：在沿空双巷布置系统中,巷间煤柱成为围岩承载结构中的关键及薄弱部位,其压缩失稳是造成双巷顶板产生较大下沉位移的直接原因,而顶板的冒落破坏进而诱使巷道帮部围岩产生大面积的剪切破坏。沿空双巷围岩的失稳平衡过程主要分为初期弹塑性变形阶段、稳定过渡阶段、失稳破坏阶段、二次稳定阶段4个阶段。     

遥感-岩石力学(I)——非连续组合断层破裂的热红外辐射规律及其构造地震前兆意义

以构造地震孕震机制之一即非连续组合断层破裂发震为模拟对象，利用双轴加载实验系统和红外热像仪，对雁列和同线非连通这两种非连续组合断层在双轴加载破裂失稳过程中的红外辐射特征进行了模拟实验研究。研究表明：双轴加载过程中岩石表面红外辐射温度的变化对应岩石应力变化，具有阶段性规律，包括初始、弹性、应力闭锁、解锁和屈服破裂5个阶段。自弹性阶段开始至解锁阶段，岩石表面的平均红外辐射温度(AIRT)的动态曲线表现为“上升-下降-再上升”的演变特征：而断层雁列区和非连通区在解锁阶段其热像出现高温异常条带，非连通区的高温异常条带还具有“增强-减弱(平静)-再增强”的演变特征。其地震前兆的时空意义为：(1)构造地震活动区卫星遥感AIRT的上升趋势可作为地震中期预警指标；(2)热像局部正异常条带预示未来震源位置；(3)AIRT下降与热像局部热异常条带的减弱(平静)一起，可作为构造地震的短临前兆。     

岩样单轴压缩破裂问题势函数和平衡方程的讨论

证明了在普通试验机上加载,机身形变um=f(u)/Km和力P作用端位移a=u um=u f(u)/Km都是岩样形变u的函数.据此,正确写出了以原点为起点试验机-岩样系统的势函数,正确求得岩样有大于零的微形变du(＞0)而系统处于准静态时的平衡方程.由此平衡方程导得的系统动力失稳起始点j和终止点s的位置,可以返回到岩样荷载-形变曲线上,在这两点处的曲线斜率f′(uj),f′(us)相同,它们的绝对值等于机身刚度Km,由此得到的f′(uj) Km=0即为岩样失稳的Cook刚度判据.以岩样形变u为变量,给出机身弹性应变能变化率曲线,用解析与几何方式阐明了岩样动力失稳瞬间试验机释放的应变能量值.     

断层冲击地压发生的理论与试验研究

把断层冲击地压看成是断层带与上下盘围岩系统的变形失稳，建立了扰动响应稳定性判别准则，并对断层冲击地压的一个简单模型进行了解析分析。通过粘滑失稳模型，解释了断层冲击地压的间歇性。对断层冲击地压进行了模拟试验，解释了只有达到一定开采深度才可能发生冲击地压，证实了冲击地压发生的间歇性。     

六边形多孔薄壁结构平均抗压强度研究

利用已有的理论模型,研究准静态荷载作用下六边形多孔(蜂窝状)薄壁结构的抗压性能。对3种类型的铝蜂窝板进行拟静态压缩试验。根据试验数据和现有的理论模型,给出新的预测其平均抗压强度的分析模型。利用有限元方法确定新模型的一些关键参数,然后将新模型的计算结果与已有文献给出的结果进行比较。与其他模型相比,该模型的使用效果类似或者更好。新模型表达式简洁,便于实际工程应用。     

穿越多破裂面隧道节段衬砌地震损伤破坏振动台试验研究

依托我国西部高烈度地震区穿越大型活动断裂带隧道工程，开展穿越断层带多破裂面隧道振动台试验。根据测点加速度响应、动应变响应、位移响应和震后裂缝形态，研究隧道节段式衬砌结构和围岩在强度递增地震波激励下的能量、损伤变化特征，基于希尔伯特–黄变换(HHT)，从Hilbert边际谱和瞬时能量谱角度讨论围岩和隧道结构的地震损伤发展。研究结果表明：(1)强震作用下模型土表面同震位移显著，根据破裂面两侧围岩同位错量可定义断层破碎带内的主、次破裂面。(2)断层下盘主破裂面附近隧道结构的损伤发展滞后于上盘，0.4 g地震作用下主破裂面附近隧道结构主频和边际谱峰值降幅最大达到了29.1%和87.1%，损伤发展程度远大于其他部位。(3)隧道结构以受拉开裂为主，0.2 g地震作用上盘主破裂面附近仰拱出现拉裂破坏，而拱腰在0.4 g地震作用产生拉裂破坏。(4)断层上盘围岩在0.5 g地震动下主频降幅达到34.7%，围岩损伤程度明显超过下盘和断层破碎带中部。(5)根据隧道结构破坏形态，仰拱是隧道抗震薄弱部位，出现了不同程度开裂，需要加强隧道仰拱的抗震与减震耦合设计；断层上盘交界面附近隧道结构地震损伤最为严重，断层破...     

动力扰动下侧压系数对卸压孔与锚杆支护的研究

为探讨各因素对深部巷道卸压孔与锚杆联合支护的影响机制,利用岩石破裂过程分析系统RFPA^2D-Dynamic模拟了巷道支护模型在动力扰动作用下围岩应力场的分布规律、巷道破坏形态特征。通过分析得到动静组合加载下不同侧压的巷道围岩应力重分布的一般规律,并从破坏单元声发射能量释放的角度分析了动静组合加载对围岩的损伤效应。研究指出,侧压系数λ是静态和动态扰动作用下巷道围岩应力重分布的主控因素;高围压条件下,动力扰动成为触发巷道破裂失稳的主要诱因,且动力扰动作用对不同围压的巷道围岩破坏形态的影响各不相同。     

高地应力深埋隧道断裂破碎带段大变形控制现场试验研究

丽香铁路中义隧道出口平导玉龙雪山西麓断裂破碎带段围岩软弱、破碎,受高地应力及断裂破碎带影响严重,边墙大变形灾害突出,以此为研究背景,开展了4种围岩大变形控制措施的现场试验研究。试验结果表明:采用普通加强支护措施(工况1),无法控制该段围岩变形;采用"抗放结合"控制措施,下部围岩应力释放需缓释,采用工况3(双层支护+下台阶、仰拱分开施作)方案,试验段围岩应力得到较好控制,但其工序繁琐,施工进度缓慢;采用"强支"理念的工况4(单层支护+加强拱架+预留应急加固措施)方案,最大日变形速率、累计最大变形量均最小,分别为3.2 cm/d和62.2 cm,试验段全长围岩累计变形量在可控范围内,施工工序较为简单,施工月进尺可达90 m以上;考虑到平导需发挥超前作用,建议中义隧道出口平导玉龙雪山西麓断裂破碎带段采用工况4方案进行施工。研究结果可为类似工程提供参考。     

穿越断层破碎带隧道动力响应特性分析

 通过数值分析和振动台模型试验相结合的方法,研究穿越断层破碎带隧道在地震荷载作用下横向内力分布和纵向动力响应特性。结果表明：围岩条件是影响衬砌地震内力的重要因素,围岩越差,地震作用产生的内力越大,其抗震性能越差;在横断面方向,不同围岩条件下衬砌内力均在共轭45°方向最大,为隧道抗震最不利位置;在纵断面方向,隧道位于围岩与断层破碎带接触面时,衬砌地震内力急剧增大;当隧道断面沿纵向远离断层破碎带一定距离后,其内力趋于一个稳定值。研究结果可为穿越断层破碎带隧道结构抗震设防提供参考。     

断层破碎带隧道突水突泥模型试验系统研制与应用

为研究吉莲高速永莲隧道扰动作用下突水突泥灾变演化过程及破坏特征,以F2断层破碎带为研究对象,研制大型三维地质模型试验系统,该系统由模型架、地应力加载系统、水压加载系统以及信息监测系统组成,通过材料配比试验及物理力学性能参数测试,研制出适用于流–固耦合模型试验的新型断层围岩及正常围岩相似材料。采用该系统进行模型试验,揭示正常围岩开挖过程中及揭露断层后的隧道围岩渗流压力、应力应变、位移以及涌出物等特征参数的变化规律,模型试验结果与实际工程灾变特征具有较好一致性。试验结果表明该系统稳定可靠,可广泛应用于其它地下工程的模型试验研究,其研究方法及结果对类似工程研究具有一定的指导和借鉴意义。     

断层破碎带在渗流作用下应力特征及控制

采用瞬变电磁仪对回风巷穿越断层破碎带的现场水文情况进行探测,获取区域地下水在巷道两帮集聚导致低阻异常区存在的水文特征。建立了回风巷赋水断层三维流固耦合力学模型,模拟分析了断层破碎带在动压及渗流作用下的应力分布及变形特征。研究结果表明:孔隙水压力集中区和巷道两帮压应力集中区具有一致性,随着与断层距离的减小,双场集中区中区由两帮向顶角处转移;回风巷围岩变形失稳概括为3个阶段:即,两帮压密顶底板产生张拉裂隙阶段;地下水向巷道渗透及围岩软化阶段;围岩变形持续增大阶段。为控制回风巷进一步变形,提出了对两帮及底板进行注浆加固的方案。     

富水断层破碎带井筒围岩控制

 针对云南某新建煤矿富水断层破碎带垮塌井筒的修复难题,通过现场调研及数值模拟研究,分析富水断层破碎带井筒围岩垮塌灾变机制,提出此类地质及工程条件下围岩控制基本原则和“顺序–联合”控制方法。研究认为：(1) 断层破碎围岩受水致弱化作用后泥化严重,松散体自承能力低,塑性流动显著,是造成围岩失稳及滑移的根本原因;多次低强度无效巷修并开挖造成冒落高度增加,活化断层裂隙,导通局部含水层,是造成破碎区段大面积垮塌及涌水的直接原因;(2) 破碎围岩失稳滑移过程中存在“应力快速卸压区”、“应力过渡区”及“应力集中区”,控制重点在于针对“应力卸压导水区”进行治水封堵及岩体加固,提高其自身承载能力,降低后期支护载荷;(3) 采用滞后变形区一定距离的变角伞状超前注浆预处理,可实现堵水和加固围岩双重目的。临时支护可为后期一次、二次支护提供空间和时间;(4) 适时采用衬砌预埋注浆管方式对破碎围岩内可能存在的空洞进行壁后二次注浆回填和加固,可以提高“围岩–支护体”整体承载能力。     

非均匀围压下矿井断层冲击地压的突变理论分析

 按Mises 增量理论,将提出的均匀围压下矿井断层冲击地压的突变理论分析推广到非均匀围压下的断层冲击地压分析,得到非均匀围压下的断层失稳半错距和弹性能释放量表达式。对由于断层失稳导致围岩产生的荷载、位移效应进行了分析。     

断层错动作用下隧道衬砌围岩破坏机理研究

依托西南地区某跨断层隧道工程背景,对断层错动下隧道围岩结构影响开展相似模拟试验和数值模拟研究.综合工况及试验条件,对一般三维模型装置和光纤监测布置等进行设计,试验装置可以更好地反映断层蠕滑错动作用下衬砌-围岩-断层带的动态关系及衬砌结构的损伤破坏特征.结果表明,隧道结构对围岩体有一定程度的"追随性"和"抑制性",断层错...     

逆断层附近非均匀应力场声发射测试与巷道稳定性数值分析

由于断层带附近应力集中和围岩破碎严重给巷道断面布设和维护带来巨大安全隐患,需及时掌握断层附近地应力分布和围岩破裂形式及其对周边巷道稳定性影响。选取淮南某矿逆断层上、下盘进行试验,利用MTS试验系统配合声发射测试初始地应力场和岩石破裂方式,经ANSYS对比分析不同应力条件下逆断层附近巷道稳定性。经岩石力学试验发现,砂岩破坏后尺度较小、AE事件数较多,泥岩破坏后尺度较大、AE事件数较少。由地应力实测可知,逆断层附近以构造应力为主,上盘岩层挤压使得下盘总体受力偏大。开挖后巷道周边次生应力在一定范围内出现了应力跌落区,跌落区范围和围岩裂隙发育范围接近。同时,伴随着应力跌落的范围扩大、初始应力减小,岩层开始移动剧烈和围岩破裂范围扩大。由围岩塑性分布和岩层移动可知,调整后主应力有助于提高巷道稳定性。以上研究结果,以期为复杂埋藏环境下矿山巷道的布设和支护问题,提供一定的施工技术依据。     

基于n维等效方法的岩质边坡楔体稳定体系可靠度分析

 提出岩质边坡楔体稳定体系可靠度分析的n维等效方法,建立考虑多失效模式相关的楔体稳定体系可靠度分析的概率故障树模型。采用四参数b 分布来描述可靠度分析中基本随机变量的分布。最后采用n维等效方法计算楔体稳定体系可靠度,并着重分析随机变量敏感性分析的3个层次及不同层次上的可靠度对基本随机变量的敏感性。结果表明,n维等效方法计算的楔体体系失效概率均在Cornell简单上下限法的范围内,它能够有效地评价楔体体系可靠度。概率故障树模型能够清晰直观地模拟多失效模式相关的楔体体系可靠度问题,忽略失效模式间的相关性将会明显高估楔体体系失效概率。此外,黏聚力和内摩擦角之间的负相关性对边坡的可靠度具有有利的影响。随机变量敏感性分为单一极限状态方程、单一失效模式以及体系可靠度3个不同的层次,在研究随机变量敏感性时必须明确相应的分析层次。水压力和结构面产状的敏感因子较大,因此布置良好的边坡排水系统以及进行详细的地质勘测工作是提高楔体可靠度有效的方法。研究成果为边坡风险分析奠定了一定的基础。