《学报》创刊30周年系列报道(十九) 优秀论文作者代表宫凤强博士在庆典大会上的发言

尊敬的钱院士、各位院士和前辈、各位专家： 我叫宫凤强，来自中南大学资源与安全工程学院，是李夕兵教授研究团队的成员之一。在《岩石力学与工程学报》（以下简称《学报》）创刊30周年之际，能够被学会和《学报》推荐为137篇优秀论文和54篇青年优秀论文的作者代表，进行发言，我感到十分荣幸和激动，非常感谢学会和《学报》给予我个人这么高的荣誉。

基于未确知测度理论的采空区危险性评价研究

基于未确知测度理论,建立矿山采空区的危险性等级评价和排序模型。从地质条件和工程状况出发,考虑影响采空区稳定性的14项因素,根据实测数据建立各影响因素的未确知测度函数。该模型针对采空区危险性评价中的诸多不确定性影响因素,根据实际情况,分别对其进行定性、定量分析,并利用熵计算各影响因素的指标权重,依照置信度识别准则进行等级判定,最后得出采空区危险性的评价结果。评价方法能解决采空区危险性评价中诸多因素不确定性问题,还可以按危险程度进行排序。将该方法应用于广东省大宝山矿15个采空区的危险性评价。研究结果表明,该方法科学合理,意义明确,可以在实际工程中进行推广应用。

基于Bayes判别分析方法的地下工程岩爆发生及烈度分级预测

在岩爆发生和烈度分级预测的距离判别分析模型的基础上,结合地下工程岩爆的特点和Bayes判别分析理论,提出了地下工程岩爆发生及烈度分级预测的Bayes判别分析方法。综合分析影响岩爆主要因素,选取最大切向应力σθ、岩石抗压强度σc、岩石抗拉强度σt和弹性能量指数Wet作为判别因子建立岩爆预测的Bayes判别分析模型,并利用回代估计法对误判概率进行估计。利用国内外一些重大深部地下工程实例作为学习的样本进行训练建模,经过训练后的模型回判估计的误判率为0。利用该模型对国内3处典型的隧道岩爆情况进行预测,结果与实际情况符合得很好。研究结果表明,Bayes判别模型在岩爆发生可能性及烈度分级预测中具有良好的适用性和有效性。

一维动静组合加载下砂岩动力学特性的试验研究

基于对深部岩石承受高地应力并在动力开挖扰动下发生破坏这一问题的科学认识,利用改造的劈裂霍普金森压杆动静组合加载试验装置,开展一维动静组合加载下砂岩的动力学特性试验研究。选取无轴压和3个典型轴压水平4种情形,开展不同应变率下的冲击试验。研究结果表明,相同应变率下岩石对外界冲击的响应受轴压比影响很大,冲击强度会随着轴压比的增加出现先增加后减小的趋势,在轴压比为0.6～0.7时达到最大值。相同轴压下,冲击强度会随着应变率的增加而增加,呈现指数函数关系。在一定的轴压比范围内,随着入射能的递增,岩石在加载破坏试验中先后会经历"吸收能量-释放能量-吸收能量"3个阶段。这3个阶段可以较好的解释高应力下岩石的动态强度递增、岩爆发生和诱导致裂三者之间的互相转化机制,对深部岩石工程的实践可以提供理论上的指导。

三维动静组合加载下岩石力学特性试验初探

基于对深部岩石承受高地应力并在动力开挖扰动下发生破坏这一问题的科学认识,利用改造的三维霍普金森动静组合加载试验装置,开展三维动静组合加载下砂岩力学特性试验的初步研究。选取3个围压水平(0,5,和10 MPa)和3个典型轴压水平(60,80和100 MPa),开展不同应变率下的三维组合加载试验。研究结果表明,当围压一定,轴压比在0.52～0.87范围内变化时,砂岩的抗压强度都会随着轴压的增大而逐步减小。当轴压一定,围压为5 MPa时砂岩的抗压强度跟无围压情况下差别不大。但是当围压增大到10 MPa,砂岩的抗压强度会有较大提高。本文的研究结果也证明了冲击过程中轴压对砂岩内部的裂纹起催生作用,弱化微元体的承载能力,导致割线模量降低;围压则可以抑制裂纹的萌生和扩展,强化了微元体的承载能力,使得割线模量会增加。研究结果还表明,在本文轴压比范围内,当围压一定时,砂岩单位体积释放能会随着轴压的增大而降低,当常规静载轴压比为0.6～0.7时,转化为吸能状态。在三维动静组合加载下,砂岩会呈现出"单锥"压剪破裂形式。

岩石SHPB试验中确定试样尺寸的参考方法

根据岩石SHPB试验中应力波在弹性杆和岩样内的透反射规律,给出了利用反射系数和应力波在试样间来回传播最低次数获得应力差相对值的查值表。根据反射系数和具体实验中对应力差相对值的要求,利用该表可以直接查询应力波在岩样内传播达到应力平衡的最小传播次数。在此基础上,通过考察岩石密度、波速与最小传播次数之间的关系,认为岩石的波速对反射系数和岩样最大长度有很明显的影响。研究结果表明,岩石波速和岩样最大长度之间存在二次函数关系式。在对岩石进行SHPB实验前,可以通过测试岩石的波速,并根据二次函数关系式,计算得到岩样所允许的最大长度,为具体试验条件下确定岩石试样尺寸提供了一种参考方法。

不同应变率下砂岩动态强度准则的试验研究

分别利用RMT-150C和多功能分离式霍普金森压杆（SHPB）试验系统对砂岩进行了不同应变率下的单轴压缩、三轴压缩和拉伸试验。结果表明，在围压为0或围压-定的情况下，应变率低于10^2s^-1。时，抗压强度的增加与应变率的量级呈正比；在应变率高于10^2s^-1时，岩石的抗压强度增加趋势与应变率的l／3次方呈正比。拉伸强度也存在类似规律。针对10^1～10^2s^-1应变率范围内缺少岩石动态强度准则这-现状，根据上述试验规律，结合Mhr-Coulomb准则、Hock-Brown准则和Gfiffith准则的原理，给出了不同应变率范围内动态Mohr-coulomb准则和动态Hock-Brown准则的具体表达形式。研究结果表明，在低应变率情况下，动态Mohr-Coulomb准则和动态Hock-Brown准则均适用，但Griffith准则判别结果误差很大。在高应变率情况下，动态Mohr-coulomb准则比较适用，Griffith准则仅适用于评估高应变率单轴抗压强度和抗拉强度之间的关系。

三轴SHPB加载下砂岩力学特性及破坏模式试验研究

利用改造的三轴SHPB动静组合加载实验装置,对均质砂岩进行不同围压与不同应变率下三轴冲击压缩试验,作为对比利用RMT-150C试验机也进行了部分准静态下三轴压缩实验。根据实验结果,分析围压对砂岩动态冲击性能的影响,并讨论冲击过程中岩石的破坏模式。研究结果表明,在围压一定情况下,岩石的动态压缩强度随应变率的提高而提高;在应变率相同情况下,岩石的动态压缩强度与弹性模量会随着围压的增大而增大。岩石发生破坏的临界入射能,随着围压的增大而增大。岩石单位体积吸收能与应变率之间呈线性递增关系,且递增的程度随围压的增加而增加。三轴冲击加载下,应变率较低时岩石内部形成压剪破裂面但整体不失稳,应变率很大时岩石破碎形成锥形块体形式。

地下工程围岩稳定性分类的突变级数法研究

提出基于突变级数理论的地下工程围岩稳定性分类的评价方法。根据突变级数理论,对影响地下工程围岩稳定性的因素(包括岩石质量指标、岩石单轴饱和抗压强度、完整性系数、结构面强度系数和地下水渗水量)进行多层次分解,对数据进行归一化处理,结合突变理论与模糊数学理论,进行综合量化运算,得到最后的评价类别。利用广州抽水蓄能电站一期工程的12个实测数据和插值法得到的18个学习样本,建立地下工程围岩稳定性分级的突变级数模型,并用于电站二期工程22处围岩的稳定性分类中。研究结果表明,突变级数法的判别结果比较符合实际,并与人工神经网络法、支持向量机法判别结果较一致,为地下工程围岩稳定性分类提供了一种新方法。

深部硬岩矩形隧洞围岩板裂破坏的试验模拟研究

为了深入认识深部硬岩矩形隧洞围岩板裂破坏的发生机制,利用花岗岩材料加工含预制矩形孔洞(40 mm×40 mm)的立方体试样(100 mm×100 mm×100 mm),并采用TRW-3000岩石真三轴电液伺服诱变试验机进行了模拟试验研究。模拟试验中首先以深部1 000 m的地应力条件作为初始加载应力状态,保持孔洞径向和轴向的水平向应力不变,然后在竖直向加载直至孔洞两侧洞壁围岩发生破坏,并保证试样整体始终处于稳定状态。加载过程中利用岩样内部结构破坏实时视频监控系统,进行全程的实时记录和监测。试验结果表明,在竖直向为最大主应力和水平轴向为中间主应力的情况下,矩形孔洞两侧洞壁围岩整体发生明显的板裂破坏,破坏区域呈对称状,而顶板和底板始终保持稳定状态。侧壁围岩的破坏方向平行于竖直向,呈现典型的张拉板裂状破坏特征。整个破坏过程划分为平静期阶段、洞壁两侧上下肩角处颗粒弹射阶段、侧壁围岩裂纹扩展阶段和裂纹贯通板裂破坏阶段。当进入到裂纹贯通板裂破坏阶段时,无论是加载还是保载过程,板裂破坏都可能持续发展。试验过程中,试样洞壁两侧围岩的板裂破坏整体上呈现静态破坏模式,而且破坏区域沿水平方向逐渐向洞壁深部发展,最终形成沿轴向的贯穿型对称弧形槽。

基于应变率效应的岩石动态Mohr-Coulomb准则和Hoek-Brown准则研究

在考虑强度准则参数粘聚力c、内摩擦角φ和岩石材料常数m随应变率增加而变化的基础上,分别提出了基于应变率效应的岩石动态Mohr-Coulomb准则和Hoek-Brown准则。花岗岩材料在6种围压下的三轴试验结果表明:当应变率从10^(-4) s^(-1)增加到100 s^(-1)时,粘聚力c和岩石材料常数m均随应变率增加而增加,但是内摩擦角φ则随应变率增加而减小。为此,给出了上述3项参数随应变率变化的函数关系,并在此基础上,分别提出了考虑率效应的动态Mohr-Coulomb准则和Hoek-Brown准则表达式。通过理论计算结果与试验数据的对比,发现动态Mohr-Coulomb准则适应于低围压情况,而动态Hoek-Brown准则在低围压和高围压情况下均适用。

深部直墙拱形隧洞围岩板裂破坏的模拟试验研究

为了解深部直墙拱形隧洞板裂破坏的发生过程和机制,采用TRW-3000真三轴试验系统对含直墙拱形孔洞的红砂岩立方体试样(100 mm×100 mm×100 mm)进行了真三轴试验,模拟了深度500 m初始地应力环境下直墙拱形隧洞板裂破坏过程,并利用岩样内部破坏视频监控系统对试验过程进行实时记录和监测。试验完成后,对试验过程中孔洞侧壁破坏过程、破坏特征进行了分析,并与同等深度的圆形孔洞洞壁破坏进行了对比。结果表明:在竖直应力为最大主应力和水平径向应力为最小主应力的条件下,直墙拱形孔洞破坏主要发生在两侧拱脚和拱腰之间,靠近自由面的围岩破裂为近似平行于最大主应力的板状薄岩片,呈典型的张拉板裂破裂特征;随最大主应力的增加,板裂破坏逐渐向孔洞水平径向发展,板裂岩片呈现中间厚、两翼薄的弧形特征,最终形成对称的V型槽破坏区,并具有明显的时间效应。与圆形孔洞的动力破坏特征相比,直墙拱形孔洞主要偏于静力破坏,且初始破坏所需应力水平高,孔洞侧壁在高应力环境中破坏更严重。

小样本岩土参数概率分布的正态信息扩散法推断

提出推断小样本岩土力学参数概率密度函数的正态信息扩散法。该方法基于信息扩散原理,从试验样本和信息论的角度出发,充分利用样本提供的数据信息,而不是先假定成经典的概率分布曲线拟合检验,数学意义和物理意义更加充分和严密。采用精度较高的K-S检验法,从理论上证明所求密度函数的正确性。以广西钦州港地基工程中饱和黏土的多项土工参数作为实测数据,通过检验,表明该方法相对于传统的有限比较法而言,更加接近岩土参数实际的概率分布,为小样本情况下推断岩土参数的概率分布提供一条新途径。

圆盘冲击劈裂试验中岩石拉伸弹性模量的求解算法

提出圆盘冲击劈裂试验中求解岩石拉伸弹性模量的解析算法。结合圆盘对心受力的理论弹性解和实际试验过程中方便测量的物理参数,基于微积分原理,得到岩石拉伸弹性模量和垂直加载方向上总位移变形量之间的定量关系式。在此基础上,考察试样中心平行加载方向和垂直加载方向位移量之间的关系,认为两者之间存在线性关系,可以用比例函数进行表示。最后,结合SHPB冲击劈裂试验原理,通过测量得到平行加载方向位移,利用得到的比例函数进行换算,代入到拉伸模量和垂直加载方向上总位移变形量之间的定量关系式中,进而得到圆盘冲击劈裂试验中岩石拉伸模量的求解公式。该式包含冲击加载力、试样直径、试样厚度、岩石泊松比和试样中心平行加载方向上总位移变形量5个物理量,意义明确,运用简便,为求解圆盘劈裂试验拉伸弹性模量提供了一种新的方法。

岩爆发生和烈度分级预测的距离判别方法及应用

岩爆是深部高地应力区岩石地下工程中的主要工程地质灾害之一,对其发生的可能性及其烈度分级的预测是工程建设过程中所必须解决的重大问题。基于距离判别分析理论,建立岩爆发生和烈度分级预测的距离判别分析模型。选取影响岩爆的主要因素如最大切向应力σθ、单轴抗压强度σc、单轴抗拉强度σt和弹性能量指数Wet,并把σθ/σc,σc/σt和Wet作为判别因子建立岩爆预测的距离判别分析模型,利用国内外一些重大深部岩石工程实例作为学习的样本进行训练。经过训练后的模型回判估计的误判率为0。利用该模型对国内西康铁路秦岭隧道工程和铜陵冬瓜山深埋硬岩矿山的岩爆情况进行预测,结果与实际情况符合较好,说明该模型在研究岩爆发生可能性及烈度分级预测中具有良好的实用性和有效性。该方法可为深部地下工程岩爆发生可能性及其烈度分级预测提供一种新思路。

隧道围岩分级的距离判别分析模型及应用

隧道围岩的分级是隧道工程中的一项重要研究工作。将距离判别分析方法应用于隧道围岩分级问题中,建立隧道围岩分级的距离判别分析模型,选用岩石等级、风化程度、岩体弹性纵波波速、岩体结构、地质构造影响程度、节理裂隙发育程度和地下水情况7项指标作为距离判别分析模型的判别因子,以工程岩体实测数据作为学习样本进行训练,建立相应判别函数对待判样本进行分级,并利用回代估计方法进行检验。并将建立的模型运用到实际隧道工程的围岩分级判别中。研究结果表明距离判别分析模型分级性能良好,预测精度高,回代估计的误判率很低,是隧道围岩分级的一种有效方法,可以在实际工程中进行推广。

距离判别分析法在岩体质量等级分类中的应用

将距离判别分析法应用于岩体质量等级分类问题中,建立岩体质量等级分类的距离判别分析模型,选用单轴抗压强度、岩体声波纵波速度、体积节理数、节理面粗糙度系数、节理面风化变异系数和透水性系数6项指标作为距离判别分析模型的判别因子,以工程岩体实测数据作为学习样本进行训练,建立相应线性判别函数对待判样本进行分类。研究结果表明,距离判别分析模型分类性能良好,预测精度高,回判估计的误判率很低,是岩体质量等级分类的一种有效方法,可以在实际工程中进行推广。

巴西圆盘劈裂试验中拉伸模量的解析算法

提出巴西圆盘劈裂试验中拉伸模量的解析算法。结合圆盘对心受力的理论弹性解和实际试验过程中便于测量的物理参数,基于微积分的原理,通过对试样中心垂直加载方向上每一点拉应变的积分,可以得到该方向上总的变形量,进而推导出岩石拉伸模量和总位移变形量之间的定量关系式。该关系式包含加载力、试样直径、试样厚度、岩石泊松比和试样中心垂直加载方向上总位移变形量5个物理量,其意义明确,运用简便,可为求解巴西劈裂试验拉伸模量提供一种新的方法。

岩土力学参数概率分布的切比雪夫多项式推断

提出了较大样本岩土力学参数概率分布的切比雪夫多项式逼近法。基于数值逼近原理,直接根据试验样本矩,运用切比雪夫多项式推断岩土力学参数的概率密度函数,并用精度较高的K-S检验法,从理论上证明所求密度函数的正确性和实用性。该方法直接根据试验样本信息和统计方法推断,而不是事先假定成经典的理论概率分布,因此数学和物理意义更加充分。通过对各种经典分布曲线(正态分布、指数分布、对数正态分布等)数值检验,结果表明所得到的逼近表达式有很好的拟合性能。根据样本数据得出的某岩石抗压强度概率密度函数,与实际统计所得分布频率非常接近,可以满足岩土工程可靠性分析的要求。

隧道岩爆预测的距离判别分析模型研究及应用

将洞室最大切向应力和岩石单轴抗压强度的比值、岩石单轴抗压强度和岩石单轴抗拉强度的比值、弹性能量指数这3项影响隧道岩爆的主要指标作为判别因子,建立隧道岩爆预测的距离判别分析模型。以国内外重大隧道工程发生岩爆的实测资料作为学习样本进行训练,建立相应判别函数对待判样本进行预测。该模型在预测判别中综合考虑了影响隧道发生岩爆的多项因素,通过判别模型的学习功能获得岩爆与其各影响因素之间的复杂关系,排除了一般准则中建立判据时人为因素的影响。实例证明该模型利用回代估计法所得到的误判率为零,并具有较强的判别能力。