考虑力学参数不确定性的岩质边坡开挖卸荷响应概率评价

鉴于目前关于节理岩体力学参数空间变异性表征及存在潜在滑移面边坡的可靠性问题研究较多,但对于岩质边坡力学参数空间变异性影响及开挖卸荷响应(变形与塑性区)不确定性分析的研究较为有限。提出考虑力学参数不确定性的岩质边坡开挖卸荷响应概率评价方法,该方法以室内岩石力学试验及现场地质勘察测绘数据为基础,利用Hoek-Brown经验准则与Monte Carlo分析手段,构建了以岩石单轴抗压强度(uniaxial compressive strength,简称UCS)、地质强度指标(geological strengthindex,简称GSI)和节理工程参数为输入的边坡岩体力学参数概率统计模型,并采用卡方检验进行模型的吻合度检验;基于点估计原理构建岩体力学参数组合方案,并结合数值模拟开展边坡开挖过程的仿真分析,获得边坡开挖后整体安全系数及位移及塑性区的概率分布。利用该方法对在建京秦高速沿线某路堑边坡岩体力学参数及开挖卸荷响应进行分析,得到了岩体强度、弹性模量、黏聚力与内摩擦角的取值及不确定性分布,采用点估计与FLAC3D模拟分析,得到了边坡安全系数及典型观测点的位移与塑性区分布结果,并与实测值进行对比,结果表明该方法的适用性较高。该研究为岩质挖方边坡的力学参数估计及稳定性分析评价提供了一种有效途径,能够为实际工程施工决策提供重要参考依据。

白鹤滩水电站层间错动带的剪切特性

基于白鹤滩水电站层间错动带的室内和现场剪切试验结果,对层间材料、层间材料/母岩接触面(土/岩接触面)的剪切力学特性进行研究。试验结果表明,层间材料和土/岩接触面都表现出无剪胀行为的理想弹塑性力学特性;层间材料的蠕变特性不明显;土/岩接触面的抗剪强度与接触面形貌密切相关,接触面越粗糙,其抗剪强度就越高。比较层间材料的室内和现场直剪试验的抗剪强度可知,试样具有强烈的不均匀性。试样扰动对其抗剪强度的影响要比材料变异性的影响小。尺寸效应使得室内试验获得的内摩擦角要比现场试验获得的大。黏粒含量是影响层间材料抗剪强度的重要因素:随着黏粒含量的增加,内摩擦角减少,黏聚力增大。层间材料的抗剪强度对初始饱和度的变化不敏感。室内试验和现场试验结果在黏粒含量和初始饱和度影响上表现出良好的一致性,说明试样的尺寸效应和变异性只是影响其抗剪强度的次要因素。

含层间错动带岩体的破坏模式及其剪切特性研究方法探讨

层间错动带存在的普遍性,给世界上许多工程带来了岩体稳定性问题和地质灾害。通过对因层间错动带导致工程岩体结构变形失效或破坏的实例进行归纳总结,采用岩体结构控制理论的观点将含层间错动带的岩体的破坏模式分为拉裂破坏、掉块和层间剪切滑移破坏3大类。以此为基础,提出剪切力学模型是层间错动带力学模型研究的重点。对层间错动带剪切力学特性的现有试验方法和建模理论进行评述,并根据现有的研究基础,提出屈服面蠕变模型是当前层间错动带剪切蠕变模型的较好选择。

冰碛土三轴数值模拟试验方法探讨

由于冰碛土粒度组成和沉积结构的特殊性,无论室内试验还是原位试验,均难以获取冰碛土体可靠的强度和变形指标,因而强度值的合理选取一直成为冰碛土体工程设计和评价的瓶颈。采用元胞自动机方法模拟冰碛土体结构,构造仿真的大型试体,借助于FLAC3D,对模拟试体进行了三轴数值模拟试验,并依据常规三轴试验的力学公式求得了冰碛土体的强度和变形参数,从而为岩土体强度试验提供了一种崭新方法,为虚拟岩土实验室的建立作出了有益的尝试。

深埋花岗岩细观力学特性纳米压痕试验及参数均质化研究

采用纳米压痕试验研究双江口地下厂房花岗岩主要矿物石英、钾长石、斜长石以及云母的细观力学特性。为研究纳米压头压入峰值荷载与力学参数之间的关系,石英、钾长石和斜长石纳米压痕试验的峰值荷载取2×10^(-3),3×10^(-3),4×10^(-3),5×10^(-3),6×10^(-3),7×10^(-3)和8×10^(-3) N,云母的纳米压痕试验的峰值荷载取1×10^(-3),2×10^(-3),3×10^(-3),4×10^(-3)和5×10^(-3)N。基于细观力学参数结果,采用稀疏(Dilute)法、Mori-Tanaka法和自洽(Self-consistent)法3种均质化方法求解花岗岩的等效弹性模量和泊松比,并与三轴压缩试验测定的宏观弹性模量和泊松比进行对比。研究结果表明:石英力学性质良好,钾长石次之,斜长石较差,云母最差且其测试参数最为离散;石英、钾长石和斜长石的弹性模量和硬度随峰值荷载的增大呈减小趋势,当峰值荷载达到5×10^(-3) N时,弹性模量和硬度测试结果趋于稳定,其弹性模量均值分别为105.5,100.8和68.1 GPa,硬度均值分别为14.8,11.7和3.1 GPa;云母受其片状层理结构和内部孔洞的影响,弹性模量和硬度随峰值荷载的变化趋势不明显,其弹性模量和硬度分别为44.2~47.8 GPa和1.57~2.01 GPa。均质化方法获得的等效泊松比与三轴压缩试验测得的宏观泊松比基本相同;均质化方法获得的等效弹性模量均大于三轴压缩试验测得的结果,其中Self-consistent法所得等效弹性模量偏差最大,Mori-Tanaka法次之,Dilute法最小;均质化方法获得的等效弹性模量更接近于高围压下的宏观弹性模量。

模拟冰碛土结构的元胞自动机模型

冰碛土强度值的合理选取一直是制约冰碛土体工程设计和评价的瓶颈,无论实验室试验还是原位试验,均难以获取冰碛土体可靠的强度和变形指标。原因在于冰碛土特殊的粒度组成和沉积结构特性。通过简单的元胞自动机演化规则,模拟冰碛土复杂的沉积动力过程,编制出能模拟冰碛土结构的程序。该程序可在试件尺寸、单位长度、初始条件以及砾石含量(确定性的和不确定性的)等多方面供用户选择,“制备”逼真的表现砾石“聚团”几何形态、足以代表冰碛土体组成和结构特性的“三轴试验试样”,以备将来进行三轴数值模拟试验所用。

高应力强卸荷下双江口花岗岩岩爆中间主应力效应宏细观试验研究

高应力强卸荷下的地下洞室围岩岩爆机制是当前亟待研究和解决的前沿课题。针对双江口水电站地下洞室群的花岗岩,利用新型真三轴加卸载试验系统开展不同中主应力下的三向五面真三轴岩爆模拟试验,并采用扫描电镜、能谱仪等综合分析岩爆破裂面的细观结构特征,分析了不同中主应力下试样的强度和变形特征、宏观破坏形态、岩爆破坏过程和破裂面及主要矿物细观破裂模式。试验结果表明:(1)随着中间主应力的增加,岩爆后的试样宏观破坏由拉伸破坏向剪切破坏转变;(2)随着中间主应力的增加,岩爆类型由迟滞应变型向即时应变型岩爆转变,岩爆剧烈程度先增大后减弱;(3)各中间主应力下试样爆坑断口为剪切断口,岩爆弹射碎屑上的断口为张拉断口;(4)主要矿物细观破裂模式与中间主应力无关:石英和钾长石发生沿晶和穿晶断裂的几率几乎相同,斜长石和云母则更易发生穿晶断裂。研究成果可为后续开挖阶段的岩爆防治提供技术支撑。

太和铁矿冰碛土体的抗剪强度预测模型

采用耦合元胞自动机(CA)与FLAC3D的三轴数值模拟试验方法,对太和铁矿冰碛土体的抗剪强度参数模拟样本进行了统计分析和非线性拟合,分别建立了抗剪强度的2个经验预测模型,即概率模型和确定性模型,为太和铁矿采场边坡工程及冰碛土相关岩土工程的设计与评价提供了可靠的强度参数。

太和铁矿西端帮冰碛土边坡稳定性分析方法研究

针对太和铁矿西端帮冰碛土边坡这一具体工程,提出以冰碛土原位试验和室内试验成果为基础,耦合元胞自动机(CA)和FLAC3D进行冰碛土三轴数值模拟试验并建立其抗剪强度模型的方法;提出基于数值模拟,有效整合数值分析、极限平衡分析和可靠度分析方法的边坡稳定性综合分析方法。最后,以上述研究成果为基础,从多角度进行该冰碛土边坡的稳定性分析。位移矢量和变形分析表明,边坡的潜在破坏主要以浅表层剪切破坏为主,其均值安全系数较高(1.40～1.59),但因参数不确定性大,致使破坏概率亦较高(1.07%～3.36%),为不可接受的风险水平,故需采取适当的工程措施以降低风险。

某露天铁矿冰碛土台阶边坡可靠性分析

以某露天矿边坡台阶为研究对象,提出一种新的可靠度求取方法———简化统计矩法。采用该法对原设计的台阶边坡和本研究所推荐的台阶边坡进行了可靠性分析。分析结果表明,台阶边坡破坏概率较高,主要是由冰碛土强度的固有不确定性、抗风化能力以及水理性质决定的,而边坡结构因素对其影响不显著。建议采取平台宽度3 m、3 m和16 m的三台阶组方案,同时采用截洪和护坡等有效措施来提高台阶边坡的稳定。

太和铁矿西端帮边坡工程地质模型及其三维剖分方法

在太和露天铁矿详细工程地质勘察的基础上,为西端帮边坡稳定性分析,量化地圈定出冰碛土边坡体的空间几何形态和可视冰碛土-辉长岩界面,依据冰碛土组成和结构特点,构造出西端帮边坡工程地质模型。同时,借助于有限元软件ANSYS实现地质模型的三维剖分,以及AN-SYS与FLAC3D的对接。

层间错动带的强度参数取值探讨

为获得高应力下具有剪切错动历史、延展规模大、组合结构和矿物构成多元化等特点的白鹤滩层间错动带强度值(黏聚力和内摩擦角),首先介绍了6种错动带试验研究,包括针对错动带泥化软层的环剪试验、高压直剪试验和三轴压缩试验,以及针对错动带复合体的直剪试验、三轴压缩试验和现场试验。综合分析不同试验对象和不同试验条件下获得的错动带强度值,归纳出了错动带黏聚力和内摩擦角与试验方式、加载的法向应力大小、试样特点及含水率之间的关系,并发现白鹤滩错动带强度特性具有典型的组合体结构效应、弱胶结效应、围压效应、水软化效应。在此基础上,提出"原状错动带强度"和"扰动错动带强度"两个概念,并进一步讨论了白鹤滩厂址区原状的和扰动的层间错动带强度参数取值问题。其研究结果可为白鹤滩地下洞室群的安全设计和深部地下工程中同类泥化夹层的力学参数取值提供参考。

基于围岩片帮形迹的宏观地应力估计方法探讨

基于深部地下勘探隧洞围岩应力型片帮破坏是岩体初始地应力作用的最直观结果的认识,建立借助围岩片帮形迹分析工程区岩体宏观地应力的估计方法。该方法通过对比分析地应力作用下多个交叉隧洞围岩的片帮空间分布特征和烈度强弱关系,建立岩体3个初始主应力的空间大小和方向关系;采用片帮劈裂纹方位角统计获得岩体最大主应力方向;依据片帮的应力门槛值和起裂应力门槛值估算出3个主应力量值。现场实测地应力数据和多工况数值计算分析都有力地表明,借助该分析方法获得的白鹤滩右岸厂址区域三维地应力是科学、合理的,这也为深入认识工程区地应力特征提供了一条新思路。

砂浆锚杆加固效果的等效数值模拟方法研究

针对常规数值模拟计算无法有效地反映锚杆对围岩的加固效果的缺陷,结合岩体变形在锚杆中产生的支护压力计算公式,提出了一种简单、有效的砂浆锚杆加固等效数值模拟方法。该方法首先在有锚杆支护隧道开挖的计算结果中提取每根锚杆的最大轴力;然后根据该轴力值按锚杆支护压力公式计算其所产生的等效均布力;最后将该均布力施加到相同计算工况下无锚杆支护的围岩表面进行模拟计算。将该方法应用于锦屏二级水电站地下厂房枢纽洞室及乌东德水电站4#导流洞0+550 m断面的开挖与支护计算,通过与现场实测数据对比,结果表明,该方法能较好地模拟锚杆支护对围岩的加固效果,其模拟结果可为隧洞的施工与支护设计提供可靠的参考依据。

受弯条件下薄层灰岩的力学响应行为试验研究

鉴于薄层岩体在实际地下工程中经常发生弯折破坏,利用三点弯曲试验对单层灰岩及含弱面灰岩试样进行抗弯性能测试,探究岩层受弯作用时的变形及破坏特征。试验结果表明,薄层灰岩的抗弯性能与层厚密切相关,单宽峰值弯矩及峰值力对应的岩梁挠度随层厚变化规律基本符合材料力学理论公式计算结果。薄层灰岩弯折破裂模式呈现多样化,既有垂直切穿层理的I型裂纹,也有在弱面处发生转折并沿弱面扩展的断续裂纹,以及与层理斜交的复合型裂纹等。理论分析表明,薄层岩体中的裂纹扩展路径主要受层面拉、剪强度(或断裂韧度)与岩石抗拉强度(或断裂韧度)的相对大小控制。利用双模量理论结合弯曲试验求解岩石拉伸模量需要进行迭代计算,拉压模量相差越大,迭代次数越多,收敛值越偏离初值。试验所得规律有助于深入理解薄层岩体弯曲变形特征及弯折破坏机制,并可作为对薄层岩体受弯作用理论及数值计算的有益补充。

白鹤滩层间错动带微结构特性及其化学改性初探

白鹤滩水电站层间错动带结构疏松、性状软弱、空间展布范围大、力学强度低,严重影响着地下厂房洞室的稳定性。为了揭示并改良层间错动带的力学特性,首先通过矿物成分分析试验、扫描电镜试验和压汞试验,从微观结构角度对层间错动带的矿物组成特征、颗粒排列规律、孔隙分布规律进行了详细的研究,阐明了层间错动带的微观结构特性及其对灌浆材料选择的影响,进而开展了层间错动带化学溶液浸泡对比试验。试验表明,硅酸钠溶液可以有效改善层间错动带的完整性,明显提高层间错动带的弹性波速、抗压强度、弹性模量和凝聚力。其研究结果对白鹤滩层间错动带的工程加固和改性设计具有一定的借鉴意义。

三轴及循环加卸载应力路径下深埋硬岩变形破坏特征试验研究

硬岩应力型脆性破坏对高应力地下工程围岩稳定构成严重威胁。为研究深埋花岗岩在高围压循环加卸载下的变形破坏特征,采用MTS815电液伺服岩石试验系统对某水电站地下洞室群花岗岩进行了10、30、40、50 MPa围压下的常规三轴及循环加卸载试验,得到相应的应力-应变曲线及变形破坏特征。研究结果表明:(1)不同围压下两种应力路径花岗岩试样均呈现明显的脆性破坏特征;(2)两种应力路径下,试样峰值强度、裂纹损伤应力随围压线性增大;弹性模量、起裂应力随围压先增大后减小;泊松比随围压先增大后保持不变或减小;(3)同等围压下循环加卸载的试样峰值强度、起裂应力、裂纹损伤应力和泊松比总体上大于常规三轴下的量值,卸荷弹性模量小于常规三轴下的弹性模量;(4)两种应力路径下试样的宏观破坏均以剪切破坏为主。研究揭示的花岗岩试样变形破坏规律对深埋地下工程围岩稳定的岩体力学模型选择、力学参数随损伤变量演化规律以及围岩支护对策的制定均具有显著的参考价值。

大型地下厂房块体稳定性简便分析方法

块体是结构控制型岩体中常见的潜在危险源之一。利用极限平衡法及强度折减法两种方法计算了某在建特大型水电站地下厂房开挖揭露的部分块体的安全系数,并根据计算结果提出一种利用块体几何及力学参数判断其稳定性的简便图解方法,经现场监测数据验证计算结果可靠性可满足工程要求。研究表明,对同一块体而言,极限平衡法和强度折减法得到的安全系数以及对其稳定性的总体判别结果并不一致。强度折减法受软件算法及网格尺寸影响,结果偏于保守。简单块体的安全系数计算应以极限平衡法为主,而复杂形态块体的安全系数用强度折减法计算较为方便。利用垂向地应力、块体体积、最大角点深度及结构面等效强度等4个指标并结合块体稳定性判别分区图,可满足快速判断块体稳定性的需要。对于判别为不稳定的块体,应及时支护并考虑加强支护。研究成果可用于类似工程块体稳定性的快速分析。

不同先期固结压力下的错动带力学特性研究

针对白鹤滩大型水电站揭露的错动带,探索了一种反映原岩应力状态的错动带试样制备方法,采用替代法对错动带进行超粒径处理,同时控制先期固结压力和稳压时间进行静载固结,并基于不同先期固结压力、不同高围压下的不固结、不排水三轴试验,结合矿物成分分析试验和扫描电镜试验,分析了不同先期固结压力下错动带的力学和变形特性。试验结果表明,不同高围压、不同固结压力下错动带应力-应变关系曲线基本表现为有剪胀行为的应变硬化型力学行为,且多为腰鼓型塑性破坏;在相同固结压力条件下,随着围压升高,错动带试样破坏应力、变形模量和泊松比均呈增大趋势,扩容效应更明显;相同围压条件下,随着先期固结压力的增大,错动带破坏应力逐步提高,弹性模量逐渐增大,而泊松比略有减小,敏感性不大;同时黏聚力和内摩擦角随固结压力的增加而分别减小和增大,呈劣化趋势。错动带微观结构的定性和定量分析进一步揭示了错动带作为一种夹杂错动后残留有岩石碎屑(块)软弱物质的颗粒类材料,在高应力下其塑性变形主要来源于颗粒破碎和颗粒的定向排列。因此,先期固结压力是影响错动带性质的重要因素。

层状岩体边坡整体安全系数数值求解方法对比分析

层状岩体的强度既受层面和层间岩石力学性质的协同控制,也受到边坡临空面与层面产状组合关系的制约,这使得层状岩体边坡的稳定性分析问题有别于一般的各向同性岩质边坡。在深度查阅层状边坡整体稳定性数值分析方法文献的基础上,将分析方法归为基于层面接触单元的强度折减法、基于层面薄层单元的强度折减法、基于隐式节理等效连续模型的强度折减法和基于层状岩体点安全系数的面积加权平均法4类。从这4类分析方法的基本原理出发,采用相同的边界条件、计算收敛标准和力学参数,对已有文献中的经典算例进行了比较分析,进而给出这些方法的优缺点和适用范围。结果表明,无论是采用何种力学模型或模拟手段分析层状岩体边坡稳定性,均应通过不同的方式表现层状岩体力学性质的层面依赖性特征,否则给出的边坡潜在破坏模式与实际情况差异较大;基于隐式节理等效连续模型的强度折减法的安全系数计算结果与其他3类方法有较大差异;各类求解方法都能有效给出相似的潜在滑动面,基于层状岩体点安全系数的面积加权平均法求解效率最高,但在非临界状态下,需要借助其他手段确定潜在滑动面。4类安全系数数值求解方法为层状岩体边坡稳定性分析提供了科学依据。