地下水封洞库施工期洞室围岩变形松弛典型特征与规律

基于地下水封洞库工程特征与典型洞库工程实例,整理分析大量洞室围岩内部变形、表层变形、波速与锚杆应力等监测数据.结果表明:预埋的多点位移计测点位移主要为0.5~3.0 mm,收敛位移监测值主要为4~8 mm,拱顶沉降监测值主要为3~6 mm,围岩时效变形不明显;围岩变形与爆破开挖有关,当掌子面或后续台阶开挖面接近监测断面时,变形出现陡增;围岩质量越差,开挖面空间效应越不明显.提出洞室围岩损失位移确定方法,发现损失位移占最终收敛位移50%~60%;基于波速变化率提出围岩松弛程度评价指标,发现围岩最大松弛程度约为0.47,松弛深度为1.5 m;洞室围岩锚杆受力普遍较小,锚杆拉应力与围岩变形基本同步变化.

考虑环境变量作用的滑坡变形动态灰色-进化神经网络预测研究

滑坡变形预测对于指导灾害的预防工作、保护人民的生命和财产安全具有重大实用价值。从系统论观点出发,结合岩土体流变理论和时序分析原理,在深入研究影响滑坡变形的主控环境变量基础上,将位移时序分解为趋势项和偏离项。采用灰色系统模型提取位移时序趋势项,结合遗传算法和人工神经网络建立起进化神经网络模型,逼近主控环境变量与位移偏离项之间的非线性关系。根据蠕变阶段和变形对环境变量响应情况,实时调整模型,建立起滑坡变形预测的动态灰色-进化神经网络(GM-ENN)模型。将此预测思路和方法应用于三峡库区某滑坡变形预测研究中,证实了模型的有效性和实用性,显示了动态预测的重要性。

不同含水率条件下花岗岩脆性特征评价指标研究

准确评价花岗岩在不同含水率条件下的脆性特征对此类工程岩体稳定性评价具有重要的意义。总结国内外现有岩石脆性评价指标,着重对基于应力-应变曲线特征的指标适用性和准确性进行详细分析和讨论,结合单轴压缩条件下花岗岩脆性特征随含水率增加而逐渐降低的试验规律,指出目前常用的基于应力-应变曲线特征的指标难以全面准确反映不同含水率花岗岩脆性特征。基于此,综合考虑全过程应力-应变曲线及峰后破坏时间,应用峰值应变表征峰前脆性特征、峰后应力跌落速率及应变增长速率表征峰后脆性特征,由此提出一种能全面反映花岗岩变形破坏全过程的脆性评价新指标Bd。经试验证实,新指标Bd能够准确地反映出花岗岩在不同含水率条件下的脆性变化趋势,相比其他脆性评价指标具有一定优越性。研究成果对丰富和改进现有的岩石脆性评价指标具有一定的参考意义和价值。

地下水封洞库预选场地的地质适宜性评价

科学合理地选择建设场地是油气能源的水封式地下储存建设中面对的首要问题,其中场地的地质适宜性评价极为关键。通过总结参与的数个地下水封洞库工程实践经验,并分析其它洞库成功经验和失败教训,从储能原理出发提出预选场地的地质适宜性定量评价模型。在建模过程中,首先阐述了场地地质适宜性评价目标和评价指标选取原则;其次从区域稳定性条件、岩体稳定性条件和水压力密封条件3方面建立起含9项二级指标的评价体系;再基于评分法对二级指标进行评分赋值,基于模糊层次分析法得出一级指标权重;最后结合乘积式和加权求和式构建评价模型,并通过Visual Basic平台编程实现。以山东黄岛地下水封石油洞库为例,对评价模型进行应用和检验,结果表明评价模型中的指标可从预可行性研究阶段获取,可行性和可靠性较高,可为相关工程提供依据和参考。

崩滑灾害位移曲线典型类型及其形成机制

通过整理分析大量的崩塌滑坡位移-时间曲线发现,孕育期地表位移时序曲线典型类型主要有稳定型、渐进型和突发型3类,其中稳定型分为蠕滑稳定型和波动稳定型2亚类,渐进型分为三阶段渐进型、振荡渐进型和多台阶渐进型3亚类;孕育期地下位移时序曲线典型类型主要有单滑裂面型和多滑裂面型2类,并发现滑带处位移时序曲线与地表的具有相似的演化规律;从孕育、成灾到形成崩滑堆积体的全过程位移时序曲线典型类型只有生长型一类。基于崩塌滑坡滑裂面上锁固段数量、位置和强度,结合变形状态空间区划效应及外界因素对锁固段的加卸载特征,对孕育期地表典型位移时序曲线形成机制进行了探讨。

基于Q系统与数值模拟的地下岩洞锚喷支护参数研究

针对山东某地下水封液化石油气库工程,基于洞室截面尺寸和场区结构面发育特征,采用Q系统计算出特定Q值洞室围岩段的初步锚喷参数。基于场区地应力分布特征,采用GSI和Hoek-Brown准则建立起Q值与岩体等效力学参数的联系。基于3DEC离散元,分别从连续和非连续围岩角度对锚喷参数进行校核,并基于超载安全系数法评价支护结构的安全性。结果表明:连续围岩条件下,锚喷支护对围岩位移的控制作用明显,锚杆的最小安全系数为2.75,喷层的安全系数为1.25,表明锚喷参数是安全、合理的;非连续围岩条件下,由于出现局部失稳块体,锚喷支护破坏失效;Q系统不针对局部块体失稳问题,表明结合离散元等数值模拟技术进行综合设计的必要性以及施工期对局部失稳问题进行提前甄别的重要性。

单轴压缩条件下不同含水率黑云母二长花岗岩破坏特征与机制

花岗岩在不同含水率条件下的变形破坏特征和机制对此类工程岩体稳定性评价具有重要的意义。开展不同含水率黑云母二长花岗岩单轴压缩试验,分析破坏特征和应力-应变曲线特征,开展断口扫描电镜试验,分析微观形貌特征,研究破坏机制。试验结果表明:黑云母二长花岗岩具有明显的应变软化特征;随含水率增大,曲线上微裂隙压密阶段长度逐渐增加,稳定破裂阶段及非稳定破裂阶段长度均逐渐缩短,但所占比例增大,曲线上峰前阶段涨落交替现象加剧;饱和时单轴抗压强度和弹性模量相比干燥时分别降低了40.68%,20.3%;变形破坏过程可大致分为以下5个阶段:平静期、裂纹萌生期、裂纹扩展伴随颗粒弹射期、片状碎片剥落伴随颗粒弹射期及崩落式破坏期;随含水率增大,花岗岩破坏时的剧烈程度、发出的声响及脆性程度均逐渐降低;花岗岩破坏机制为拉-剪复合破坏,低含水率时以压致拉张破坏为主,随含水率增大呈现拉张破坏减少而剪切破坏增多的趋势,饱和时以剪破坏为主。研究结果可为黑云二长花岗岩与水之间的耦合模型构建提供理论支撑,对水-岩耦合环境下工程岩体稳定性分析具有重要科学意义。

地下水封洞库施工巷道开挖对仰坡稳定性的影响规律

巷道或隧道开挖对洞口仰坡稳定性有重要影响,处理不慎极易酿成工程事故。以山东某地下水封洞库施工巷道洞口风化花岗岩仰坡为研究对象,基于离散元模拟和监测数据,选取仰坡最大位移、塑性区体积及稳定系数作为评价指标,研究了巷道开挖进尺、断面尺寸及W值(上覆地层厚度与巷道跨度之比)对仰坡稳定性的影响。结果表明:随着开挖进尺的增加,坡面最大位移增长速率呈匀速—加速—稳定的变化规律,塑性区体积不断增大,且开挖断面越大,位移、塑性区增长速率越大;仰坡稳定系数随进尺的增加先降低后趋于稳定,且断面尺寸越大其降低速率和幅度越大,最终降低幅度为6.9%~27.6%;随着W值增大,仰坡稳定系数先降低后趋于稳定,降低速率随断面尺寸增大而增大,根据特定断面下稳定系数降低速率不同,将关系曲线划分为骤降区、缓降区、陡降区和平稳区。研究结论可为类似工程洞口段划分、施工及稳定性评价提供参考。

炭质页岩力学特性各向异性及其破坏机制研究

以贵州松桃李家湾锰矿矿体顶板炭质页岩为研究对象,开展页理面与加载方向不同夹角条件下纵波波速、单轴压缩及电镜扫描等试验,并以最大值与最小值的比值定义各参量的各向异性系数.结果表明:①纵波波速随入射方向与页理面夹角α增大而减小,其各向异性系数R v为1.44;弹性模量随加载方向与页理面夹角β增大而减小,其各向异性系数R E为1.14;单轴抗压强度σucs呈现出两头大中间小的“U”型特征,最小值在β为37°时取得,其各向异性系数Rσ为3.01.②不同β条件下,单轴压缩应力-应变曲线有起始压密和弹性压缩阶段,都具有明显的应变软化特征.③单轴压缩下,炭质页岩在β=0°时主要为拉破坏,页理面抗拉强度和基质体弯折拉断强度协同控制其力学特性;在β=32°时主要为沿页理面剪破坏,页理面抗剪强度控制其力学特性;在β=66°时主要为沿页理面和切断基质体的剪破坏,页理面和基质体的抗剪强度协同控制其力学特性;在β=90°时主要为拉破坏并含有少量沿页理面剪破坏,页理面抗剪强度和基质体抗拉强度协同控制其力学特性.

地下水封洞库洞室轴线方向优化方法

地下水封洞库洞室轴线方向对围岩稳定性、支护费用及施工安全等具有重要影响。基于洞库工程特性,提出了洞室轴向综合优化方法和评价指标。首先,依据国内规范确定出洞室轴向可选范围;然后,基于等效连续介质模型和非连续介质模型,以围岩最大位移、塑性区体积、稳定系数及结构面最大剪位移为评价指标,确定出各模型条件下的最优洞室轴向;基于关键块体理论,以支护压力为评价指标,确定出该条件下的最优轴向;最后,全面分析各评价指标计算结果,综合确定出最优洞室轴向。结果表明:构建的数值模型应包含掌子面,以全面反映施工过程安全性;基于强度折减法确定围岩稳定系数时,使用位移-折减系数曲线的位移突变点作为临界折减系数评判方法较计算不收敛评判法更为合理。将提出的洞室轴向综合优化方法应用于山东某地下水封洞库工程,优化结果证实了该方法的可行性和可靠性,可为相关工程提供参考。

考虑多项定量描述指标的岩体结构面组数和间距研究

岩体结构面组数和间距是分析岩体结构类型、渗流特性及稳定性等的关键参数。基于迭代自组织数据分析技术算法,依据结构面数据处理的基本要求对其进行改进,再将模糊隶属度和模糊加权指数引入其中,并在欧氏距离和标准偏差2个关键算式中增加指标权重,构建起可考虑多项分组指标及其重要程度的结构面自组织模糊聚类分组模型。基于空间架构关系,推导该分组模型下的结构面间距计算式。利用C#语言对算法进行编程实现,开发DSSIA软件。结合山东某地下水封石油洞库工程,对分组指标的选择、指标权重的确定及算法参数的设置等问题进行了分析,计算结果体现了分组模型及间距算法的可靠性、必要性及优越性。

基于与测线交切半迹长的岩体随机结构面平均直径估算

假定岩体随机结构面形状为薄圆盘,为能科学合理估算其平均直径,基于半迹长测线法,在未对分布形式作任何假设的条件下,通过理论推导获得与测线交切半迹长和岩体随机结构面直径之间的普适关系式.为便于工程应用,假设岩体随机结构面直径服从负指数分布,推导出其平均直径和与测线交切平均半迹长的关系式,基于该式提出一种岩体随机结构面平均直径的估算方法.采用岩体随机结构面三维网络模拟技术对此方法进行应用检验,结果表明,该方法具有较高的准确性与较强的工程适用性.

地下水封洞库单裂隙花岗岩纵波速度变化规律与预测模型

揭示裂隙岩体纵波速度变化规律对工程岩体质量分级与稳定性评价具有重要意义。以某地下水封洞库无充填型单裂隙花岗岩为研究对象,基于钻孔电视成像、水压致裂法地应力测试与声波全波列测井,获取了384组单裂隙花岗岩的几何特性、受力状态与纵波速度,构建起了预测单裂隙花岗岩纵波速度的进化-神经网络模型,分析了关键指标影响下单裂隙花岗岩纵波速度的变化规律。研究表明:该水封洞库单裂隙花岗岩纵波速度分布于4300~5330 m/s之间,82.3%的纵波速度在4700~5200 m/s之间;选取裂隙法向应力、平均张开度与倾角作为单裂隙花岗岩纵波速度的预测指标是合理可行的;将现场测试数据分为训练样本与测试样本,基于遗传算法优化神经网络权值、阈值的进化-神经网络模型构建出单裂隙花岗岩纵波速度预测模型,其测试误差最大仅为2.9%,85%的样本测试误差不超过1.5%,预测模型精度较高。分析了纵波速度变化规律,发现单裂隙花岗岩纵波速度随裂隙法向应力增大而增大,但当法向应力增至5 MPa后的纵波速度增大速率逐渐减小,纵波速度随裂隙张开度增大而逐渐减小,纵波速度在裂隙倾角小于40°时无明显变化,此后纵波速度随倾角增大而增大。

贵州松桃李家湾锰矿矿体顶板变形破坏演化特征

以松桃县李家湾锰矿作为贵州省典型锰矿山,通过分析矿区工程地质条件,构建采场工程地质模型.基于室内试验、Hoek-Brown强度准则及国家规范确定出开采影响区岩体物理力学参数.依托3DEC离散元数值分析平台,研究不同开采支护方案下矿体顶板变形破坏特征及规律.结果表明:①无支护条件下,随着开采工作面推进,顶板竖向压应力逐渐减小,下沉量、现状塑性区体积逐渐增加,地层的挤压变形和预收敛变形明显;②在0.1、0.2、0.4和0.8 MPa支护压力下,顶板支护段与无支护方案相比,竖向压应力分别提高0.2、0.5、1.7和2.6 MPa,下沉量分别降低了1%、2%、6%和7%,除0.1 MPa支护压力外,其它3种支护压力下开采工作面及顶板现状塑性区均明显减少;③基于优选的0.25 MPa支护压力方案在该矿的应用效果,表明揭示的顶板变形破坏规律是合理、可靠的.

结构面刚度对岩体弹性纵波传播特性影响的数值模拟

针对结构面刚度对岩体弹性纵波传播特性的影响规律及机理不明的问题,基于3DEC软件及自编程序,以含单个水平、光滑结构面的岩体为研究对象,分析结构面法向刚度、切向刚度对岩体弹性纵波传播特性的影响.结果表明,初至纵波振幅和纵波波速仅与结构面法向刚度kn有关,而与切向刚度ks无关;初至纵波振幅和纵波波速皆随法向刚度kn的增加而增加,增长速率逐渐减小.考虑结构面间距S和岩块杨氏模量E的影响,引入E/(S·kn)作为综合影响参量,固定kn/ks为2.5时,初至纵波振幅和纵波波速都随着(S·kn)的增加而减小,以E/(S·kn)=0.1、1、10为界,衰减速率经历极慢-变快-变慢-极慢四个阶段.

循环动载下大理岩的力学响应及裂隙扩展规律

为研究大理岩在循环冲击载荷下的动态力学性能,利用分离式霍普金森压杆装置(SHPB)及核磁共振装置(NMR),研究循环动载(1~10 s^-1)冲击下岩石内部的裂隙发展规律.结果表明:岩石在循环动载冲击下,峰值应力随应变率的增大变化很小,但是随着冲击次数增加,存在一个临界应变率或冲击次数,当达到该临界值时,峰值应变快速增大;岩石在最初冲击时,表现出明显的弹性后效,随着冲击次数增加,岩石内部裂纹起裂时间越来越早,且裂纹扩展越来越快,应变幅值增大;通过核磁共振成像发现,随着冲击次数的增加,裂隙集中发育(白色亮点)愈来愈明显,呈条带状分布,并逐渐贯通.从最终破坏形态来看,大理岩在动载下为轴向劈裂破坏,大块较多.

钢筋混凝土建筑物振动特性的高度效应研究

建筑物振动特性对于结构抗震设计有重要的理论价值,其中自振周期和阻尼比是2个主要的动力参数。对福州地区129栋不同高度钢筋混凝土建筑物进行振动测试,并统计建筑物的基本特征,研究了高度在21~99m范围内建筑物的自振周期和阻尼比随建筑物高度变化的规律。结果表明:建筑物自振周期随高度增加而增大,有良好的相关性,自振周期约是高度的0.018 63倍;长短轴向自振周期也随高度的增加而增大,长轴向自振周期约是高度的0.014 56倍,短轴向自振周期约是高度的0.018 46倍;随着建筑物高度的增大,阻尼比、长轴向阻尼比和短轴向阻尼比这三者在一定的范围内近似均匀分布,对高度的敏感性低,其中建筑物阻尼比的平均值为4.44%,与建筑抗震设计规范所取的定值5%是比较接近的。研究结论:可为蓬勃发展的高层钢筋混凝土建筑物的初期设计提供科学依据。

饱和花岗岩残积土强度演化的温度效应研究

我国东南地区夏季炎热多雨,地表温度变化频繁且幅度大,其对饱和花岗岩残积土强度及其演化特性具有重要影响。将含水率由25%~10%~25%作为一次循环,分别在30℃、40℃、50℃、60℃与70℃条件下进行多次含水率循环的饱和花岗岩残积土室内直剪试验和声波测试,研究饱和花岗岩残积土强度演化的温度效应及其规律。结果表明,各种温度下,随着循环次数的增加,花岗岩残积土黏聚力和纵波波速均呈下降趋势,下降速率先快后慢,然后逐渐趋于稳定;温度为50℃、60℃与70℃时,黏聚力在第2次循环中降幅最为显著;循环次数相同,温度越高,黏聚力和纵波波速衰减较大;损伤变量随循环次数增加而增加,增长幅度先快后慢,然后趋于平稳;循环次数相同,温度越高,损伤变量越大;平均纵波波速和黏聚力具有较好的对数关系。本研究结论对东南地区花岗岩残积土边坡工程和地下工程的科学处理具有重要意义。

单轴压缩条件下胶结型汞矿渣细观破坏机理研究

胶结型汞矿渣在我国贵州省广泛分布,具有结构疏松、粒径相差大等特点,对其力学特性及破坏机理进行研究具有重要意义。选取代表性胶结型汞矿渣,进行单轴压缩-CT扫描试验,并基于颗粒离散元PFC3D程序开展了与室内试验相应的数值试验,研究了单轴压缩条件下的细观破坏规律、机理。结果表明:试样应力-应变曲线具有应变软化特征,在峰值强度前,试样结构趋向紧密,峰值强度附近开始出现裂纹,应变软化阶段,结构急速破坏;裂缝数在峰值强度前呈平缓增长,峰值强度后出现急剧增长,总体呈台阶状变化特征;随轴向应力的增大,位移量不断增大,位移等值线方向与水平面的夹角逐渐变大,最终趋于45°,并行粘结键上所受的力逐渐变大,至最终破坏时才有所减少;靠近上端部颗粒位移矢量,在峰值强度后出现杂乱现象;颗粒接触数在初始阶段有一定的增加,但随轴向应力的增大,颗粒接触数逐渐降低,并在峰值强度后急剧减少。

锤击震源参数对浅层地震波的影响规律研究

由于锤击震源对环境的负面影响较小且经济实惠、操作便捷,因此在各类浅层地震勘探方法中应用广泛。考虑锤击震源参数对地震波的影响规律,开展现场试验和离散元数值模拟研究。试验结果表明:进行现场锤击试验,当大锤质量由5kg增至30kg时,主频与频带宽度总降幅分别为21.43%、71.39%,最大振幅总增幅为479.6%;当瞬时锤击速度由3.13m/s增至5.42m/s时,主频与最大振幅总增幅分别为4.60%、79.58%。数值试验结果得出主频与频带宽度会随大锤质量增加呈二阶非线性减小规律,而最大振幅与大锤质量呈线性正相关,瞬时锤击速度的变化对最大振幅有较大影响,与锤击试验结果相似。