软-硬互层岩体节理峰前循环剪切疲劳损伤机理研究

三峡库区频发微小地震下岩体节理循环剪切疲劳损伤对边坡动力稳定性具有重要影响。通过室内峰前循环剪切试验和PFC2D细观数值计算,研究了考虑一阶起伏角、含水率、剪切速率、剪切幅度、法向应力及循环剪切次数影响的软-硬互层岩体节理宏细观疲劳损伤机理。研究表明:①岩体节理剪切应力-剪切位移曲线历经初始非线性压剪变形、近似线弹性压剪变形、循环剪切疲劳损伤变形、应力缓升压剪变形、应力陡升压剪变形及应力脆性跌落压剪变形六个演化阶段。②岩体节理峰值(残余)剪切强度和疲劳剪切(法向)位移在相同一阶起伏角、含水率、剪切速率、剪切幅度或法向应力下随循环剪切次增多而分别降低和增大;且其在相同循环剪切次数下随一阶起伏角或法向应力变大而分别增大和降低,而随含水率、剪切速率或剪切幅度变大则分别降低和增大。③宏细观结果总体上吻合较好,且岩体节理细观剪切疲劳损伤裂纹数量随剪切位移变化呈前期微增-陡增、中期缓增及后期陡增-缓增-陡增的发展特征,而其随循环剪切次数变化则呈前期陡增和后期缓增的发展特征。④岩体节理宏细观剪切疲劳损伤典型演化过程可概述为压密-起裂破坏、循环错动-贯通破坏及分离-啃断破坏3个渐进性发展阶段,且宏细观剪切疲劳损伤裂纹近似呈“倒U形”密集分布于岩体节理附近。

高地应力互层软岩隧道合理支护措施研究

高地应力作用下互层软岩隧道存在变形量大、变形时间持续长、隧道变形与受力非对称性等问题,给施工带来很大挑战。现以西部地区高地应力作用下的某互层软岩隧道为依托,采用FLAC3D有限差分软件,模拟了不同超前支护位置以及不同锚杆布置形式下隧道围岩变形与支护受力,基于模拟分析结果,提出了针对高地应力互层软岩隧道的合理支护措施。研究结果表明:对于存在一定倾角的互层软岩隧道,根据倾角进行非对称布置的超前支护更有利于控制变形;无论是系统锚杆还是长短锚杆,其对互层软岩隧道效果有限;采用非对称支护断面形式,可以改善支护结构局部应力集中以及围岩偏压现象;现场施作支护时,要注意控制仰拱长度尽早使支护封闭成环,研究成果可为高地应力互层软岩隧道支护施工提供参考。

动力荷载下软硬互层岩体力学特征

针对动力荷载下软硬互层岩体破坏问题,以汶川水磨沟滑坡层状岩体为研究对象,依据相似理论,制作软硬互层岩质试块,开展单轴压缩及变上下限等幅值循环荷载试验,研究其动力特性及破坏过程。结果表明:随岩层倾角的增大,其破坏模式为贯通层面的张拉破坏(0°~30°)、沿层面的剪切破坏(45°~75°)及沿层面的劈裂破坏(90°),而试样的强度及应变先增后减。对于相同倾角的试样,强度随加载频率及围压增大而增大。应变随加载频率增大而减小,随围压增大而增大。加载频率的增大会导致竖向拉张裂缝贯通、破裂程度降低。

软硬互层盐岩变形破损物理模拟试验研究

针对我国盐岩地层的地质赋存特征,开展一系列物理模拟试验,探讨倾角、夹层和界面对软硬互层盐岩变形破损的影响规律。试验结果及理论分析表明:(1)软硬互层盐岩的单轴抗压强度随倾角变化呈两边高、中间低的U形变化规律。(2)软硬互层盐岩的破坏模式:层面倾角θ<30°时,为脆性硬夹层主控的整体破坏;45°<θ<75°时,为弱夹层或弱界面主控的剪切滑移破坏;85°<θ<90°时,为硬夹层劈裂破坏,局部弱夹层剪切破坏。(3)沿弱夹层和弱界面的剪切滑移破坏是软硬互层盐岩单轴抗压强度呈现U形变化规律的内在原因。因此,设定储气库的运行压力时,需要着重考虑腔壁肩部和腰部弱夹层和界面的抗剪强度,防止其达到破坏强度而导致腔体破损,从而避免因气体泄漏而引发事故。

缓倾软硬岩互层边坡变形破坏机制模型试验研究

以宜巴高速公路沿途彭家湾软硬岩互层边坡为工程依托,依据地质分析及相似理论建立缓倾软硬岩互层边坡室内模型,采用开挖试验及和注水软化试验来模拟实际中的工程开挖(或河谷下切)和雨水浸润软化过程,研究缓倾软硬岩互层边坡的变形破坏机制。结果表明:在开挖及雨水软化两种工况下,该类软硬岩互层边坡的变形模式都是前期的滑移拉裂变形和后期的整体蠕滑变形,破坏模式是以深部软层为滑动面的整体滑移;硬岩层与软岩层的变形情况略有不同,硬岩层以整体蠕滑变形为主,而软岩层以滑移拉裂变形为主;深部软岩层的状态变化对边坡的整体稳定性影响非常关键;工程开挖(河谷下切)及雨水入渗都会对该类缓倾软硬岩互层边坡的稳定性有重要影响,开挖导致的临空面及微裂隙是滑坡发生的基础,水是滑坡发生的条件和诱因。

软硬互层岩体卸荷蠕变力学特性试验研究

利用岩石全自动三轴蠕变仪对锦屏二级水电站辅助交通洞典型灰白色细晶大理岩与绿片岩软硬互层岩样开展卸荷蠕变试验,得到岩样轴向、侧向典型的蠕变全程曲线。蠕变试验结果表明:围压较高时,试样的轴向与侧向变形随时间的推移变化不大,蠕变现象不明显;随着围压逐渐减小,试样的蠕变变形越来越显著,在最后一级出现了典型的蠕变3个阶段并发生了非线性加速蠕变现象直至试样破坏。软硬互层岩样三轴卸荷蠕变破裂形式主要以剪切破坏为主,局部伴随着一定程度的张拉破坏,主裂纹与水平面大致呈45°角,剪切破裂面较为单一平整,且破坏面基本是沿着强度较低的绿片岩层理内部并平行于层理面产生和扩展贯通而形成的。在加速蠕变阶段之前,其侧向蠕变变形比轴向蠕变变形小,但试样处于加速蠕变阶段时,侧向蠕变变形量与蠕变速率均要高于轴向蠕变;这表明随着时间的增长和围压的降低,岩样的侧向蠕变比轴向蠕变更为灵敏,而且体积扩容效应显著。卸荷条件下,蠕变力学参数表现出较为显著的非定常性规律,当外荷载小于岩样长期强度时,岩石卸荷蠕变力学参数与卸荷量有关,随着卸荷量的增大逐渐弱化;当外荷载大于岩样长期强度时,岩石卸荷蠕变力学参数不仅与卸荷量有关,而且还与蠕变时间有关。

软硬岩互层边坡稳定性的敏感性因素分析

针对沪蓉国道主干线湖北宜昌至巴东高速公路上的顺层软硬岩互层边坡破坏特征,建立了顺层软硬岩互层边坡稳定性的分析模型.分析了层面强度、岩层厚度、岩层倾角、水力作用等各项因素对边坡稳定性的影响,探索软硬岩互层边坡稳定性的一些规律.结果表明:敏感度由大到小为:层面倾角>层面内摩擦角>层面厚度>边坡中水力作用>层面粘聚力,即层面倾角和软弱岩层面的强度参数(内摩擦角)对边坡稳定性起主要控制作用,岩层厚度对边坡的稳定性也有明显的影响,物理模型试验更加进一步验证了文中所得的各因素对软硬岩互层边坡稳定性影响的规律.

反倾软硬互层岩体边坡地震响应的数值模拟研究

反倾软硬岩体互层边坡是公路建设中经常遇到的一类边坡,在不利条件下有失稳破坏的可能,特别是在坡脚受到扰动、降雨、地震等作用时。以"5.12"地震期间都汶公路(都江堰—汶川)上一处边坡的地震响应为例,采用离散元UDEC软件对其进行模拟,系统研究了其地震响应的变形破坏机制。研究结果表明,地震作用下,软弱岩层挤压变形强烈,有向外剪出的趋势。同时,在地震波反复拉张作用下,软弱岩层位置容易开裂,成为坡体变形破坏的优势拉裂区域。地震波加速度、速度随高程变化放大显著,在坡体表部位移量随高程增高而逐渐增大。就整体而言,岩体内部的节理裂隙进一步张开,并产生了一些新的裂隙,弯曲倾倒有加剧的趋势;而坡表覆盖层普遍具有表部拉张开裂和掉块现象,特别是在地形几何形态突变处,破坏更为显著。

软硬互层岩体模型单轴压缩破损规律研究

鉴于正确认识软硬互层岩体力学特征、分析其变形和强度规律,是大型岩体工程设计和施工需解决的关键问题,开展了一系列的物理模型试验和数值模拟试验,研究了软硬互层岩体的力学特征,探讨了互层的存在以及倾角变化对岩体变形破损的影响规律。结果表明,当岩层倾角由0°增加至90°时,试样的单轴抗压强度存在明显差异,抗压强度随岩层倾角的增大呈U型分布;试样的破损特征随倾角变化和分层变化呈不同破坏形态,破裂面主要沿软硬分层薄弱面发育,层间破坏主要由软弱分层的破坏引起;软硬分层薄弱面处切应力明显增大,相邻软硬夹层的应力分布有明显间断。

分步开挖卸荷作用下软硬岩互层边坡的稳定性分析

以沪蓉高速公路某软硬互层边坡为例,基于开挖卸荷理论,采用FLAC3D软件进行数值模拟,研究分步开挖卸荷作用对软硬互层边坡稳定性的影响规律。结果表明:最大不平衡力、最大水平位移值、剪应变最大值随开挖步数的增加累积增大,最大值出现在开挖卸荷面软弱夹层剪出口位置,与开挖量呈正相关关系;每步开挖后瞬间会产生最大不平衡力"尖点",然后逐渐减小接近于零,边坡平衡;塑性区主要分布在软弱夹层位置,拉应力区分布于开挖卸荷面附近以及整体边坡的坡顶面附近20 m以内,且总体拉应力不大,低于灰岩卸荷后的抗拉强度;基于卸荷理论计算得到每步开挖后边坡的稳定性系数比不考虑卸荷对边坡岩体劣化作用的稳定性系数分别降低了0.07、0.08、0.102、0.106。综合分析得出软硬岩互层边坡稳定性的关键问题是开挖卸荷对软弱夹层力学性能的影响以及边坡面附近的拉应力区,开挖卸荷作用对岩体物理力学性能的劣化程度直接决定着边坡的稳定性。

软硬岩互层边坡的破坏模式及稳定性研究

采用FLAC3 D强度折减法研究软硬岩互层边坡在不同岩层厚度组合h、不同岩层倾角下边坡的破坏模式和稳定性系数k。结果表明h对边坡的破坏模式影响较小,θ对边坡的破坏模式影响明显:1水平层状边坡破坏模式为滑移—压致拉裂;随着θ的增大,顺倾向边坡破坏模式为滑移—拉裂、顺层滑移、滑移—溃曲、弯折—溃曲;直立边坡为弯折—崩塌破坏模式;反倾向边坡为滑移—溃曲和弯折—倾倒破坏模式。2缓倾向顺层边坡中,h的变化对边坡k影响很小,k由靠近坡脚处的软岩决定;其余层状边坡中,当软岩厚度不变时,k随着硬岩厚度的增大而增大,当硬岩厚度不变时,k随着软岩厚度的增大而减小。3随着θ的增大,顺倾向边坡中,k曲线呈现出先减后增的形状;反倾向边坡中,k曲线呈现出先增大后减小再增大的形状;软硬岩互层边坡总体稳定性趋势为,近直立层状边坡>陡倾向顺层边坡>反倾层状边坡>近水平层状边坡>缓倾向顺层边坡。

软硬互层岩体结构面宏细观剪切力学特性

针对“软+硬”和“硬+软+硬”组合形式下的2类典型软硬互层岩体结构面,通过开展恒定法向压力下的室内直剪试验和PFC^(2D)细观模拟,研究了不同含水率、法向压力及一阶起伏角下结构面的宏细观剪切力学特性,据此提出了其剪切强度估算公式并进行了算例验证分析。研究表明:①结构面剪切应力(法向位移)随剪切位移的变化具有显著阶段性发展特征,即第1类结构面历经初始非线性压剪变形、应力稳定增长压剪变形和应力陡升-脆落塑性压剪变形3个阶段,第2类结构面历经初始非线性压剪变形、应力陡-缓升压剪变形和应力恒定塑性压剪变形3个阶段;②2类结构面的峰值(残余)剪切强度和峰值剪切位移均随含水率增加而减小(最大法向位移则增大);2类结构面的峰值(残余)剪切强度和峰值剪切(最大法向)位移均随法向压力增加而增大;第1类结构面的峰值剪切强度随一阶起伏角增加而增大(残余剪切强度则先增大后减小),第2类结构面的峰值(残余)剪切强度随一阶起伏角增加而增大,且2类结构面的峰值剪切位移总体上均随一阶起伏角增加而减小(最大法向位移则增大);③2类结构面的细观损伤裂纹数量(能量)随剪切位移的变化均可划分为3个发展阶段,即初期微增、中期近似“下凹弧形”陡增和后期近似线性缓增(裂纹数量)以及初期微增、中期近似“上凹弧形”缓增和后期近似线性陡增(能量);④宏观试验结果与PFC^(2D)细观模拟结果吻合较好,统一概化描述了结构面宏细观损伤劣化机理,并将第1类和第2类结构面的典型破坏模式分别概括为压剪-起裂破坏、错动-脱空破坏和贯通-啃断破坏以及压剪-起裂破坏、磨损-啃断破坏和贯通-滑移破坏各3种基本类型;第1类和第2类结构面的细观损伤颗粒分别近似呈“倒U形”和“S形”分布于剪切面附近,且颗粒间接触力倾角于0°~90°时损伤颗粒数量分布最多;⑤着重考虑硬性岩层起伏度的影响,提出了2类结构面的剪切强度估算公式,并采用极限平衡法和强度折减法对含典型结构面的边坡算例进行了稳定性分析,验证了该公式的合理性。

软硬互层岩体力学及变形特性的离散元模拟

采用离散元软件PFC2D模拟软硬互层岩体渐进破裂过程,研究倾角、软硬层厚比和围压对其力学特性及变形特性的影响。研究结果表明:(1)软硬互层岩体抗压强度、黏聚力、内摩擦角和弹性模量随岩层倾角的增加先减小后增大,随围压的增加逐渐增大,随软层厚度的增加逐渐减小;(2)软硬互层岩体强度与其单结构面理论强度分布规律大致相同,但实际强度没有保持不变的倾角范围,且在最不利破坏倾角α=π/4+φ_(j)/2附近的变化幅度也没有单结构面理论强度明显;(3)硬层中生成贯穿层理面裂隙所需应变随软层厚度增大,增大岩体裂隙数量发展速度随岩体倾角的增加先增加后减小,在45°或60°时达到峰值,围压增大,岩体裂隙发展越充分;(4)软硬互层岩体在岩层倾角0°时为贯穿层理面的张剪破坏,在30°~60°时为沿层理面的剪切滑移破坏,90°时为沿层理面和局部贯穿层理面的复合张剪破坏;(5)围压的增大会诱发岩体发生剪切破坏,而软层厚度的增加可增强岩体破坏时的完整性。

抚顺西露天矿软硬岩互层反倾岩体边坡稳定性分析及治理

软硬岩互层反倾岩体边坡具有形成机理复杂、内部节理构造隐蔽性强以及致灾因素多等特点,因此其防治工程难度相对较高。抚顺西露天矿地质灾害风险较大,矿界周边特别是东北部建筑物较多,人口密集,亟需采取强有力的综合治理措施。基于抚顺滑坡历史灾害统计和研究区域精细化工程地质勘查,多角度分析了矿区北帮E1000边坡失稳机理,采用强度折减理论验算刚体极限平衡的反分析方法对现有的滑坡形态进行了反演分析;以反分析获取的泥页岩互层抗剪强度参数为基准,对设计的疏干排水、削坡、充水回填以及综合治理方案的边坡稳定性进行了演算。研究表明:综合治理方案具有投资强度小、安全性高(安全系数为1.506)、治理措施适宜等特点。

高地应力缓倾软硬互层岩体中隧道底鼓影响因素模拟分析

当隧道穿越以水平构造应力为主导的高地应力区,特别是隧底下伏缓倾软硬互层岩体时,易发生隧道底鼓变形。选用侧压力系数、岩层倾角、围岩厚度、围岩弹性模量、隧道埋深5种影响因素,通过FLAC 3D建立数值计算模型,研究单一影响因素和多因素耦合对隧道底鼓的影响规律。结果表明:在单一影响因素下,隧道底鼓量随侧压力系数和围岩厚度的增大先增大后减小,随围岩倾角和围岩弹性模量增加而减小,随隧道埋深增加而增大;在多因素耦合作用下,各因素对隧道底鼓的影响显著性排序依次为隧道埋深>侧压力系数>硬质岩弹性模量>岩层倾角>硬质岩岩层厚度。

基于软件phase2的软硬互层反倾岩质边坡稳定性与破坏模式研究

反倾岩质边坡的岩性特征、坡角、岩层倾角等自身特性主导了边坡的变形破坏的模式和稳定性.针对这一问题,国内外学者在均质反倾岩质边坡方面已经取得了丰富的研究成果并达成共识,然而,对于软硬互层的反倾岩质边坡其研究工作开展较少.鉴于此,本文以phase2为工具,采用数值模拟手段对软硬互层的反倾岩质边坡的稳定性和破坏模式进行研究.计算结果表明:软硬互层反倾岩质边坡的安全系数随着坡角β的增加逐渐降低.当坡角小于60°时,岩层倾角和软岩/硬岩层厚比的增加均会导致稳定性变差.当坡角大于60°时,岩层倾角和软岩/硬岩层厚比对稳定性影响很小;当坡角或岩层倾角小于45°时,软硬互层反倾岩质边坡破坏的倾倒特征并不明显,当坡角或岩层倾角大于45°时,随着坡角或岩层倾角的增加,边坡破坏的起始区域由边坡坡脚前缘向边坡坡面上部转移,随着软岩/硬岩层厚比的增加边坡的破坏面逐渐由直线型向圆弧形发展.

基于FLAC^(3D)对含软硬岩互层边坡的变形分析

以南京地区采矿形成的边坡为背景,研究含有硬岩的软硬岩互层边坡的稳定性。运用FLAC^(3D)基于有限元强度折减法,模拟不同硬岩岩层的倾角和厚度对顺向坡和反向坡变形的影响,分析对比上述因素对边坡变形影响的大小。研究结果表明,顺向坡中硬岩的倾角越大,厚度越大,变形越小,并且变形有趋于稳定的趋势;反向坡中硬岩的倾角越大,厚度越大,变形先减小后增大,说明上述因素越大,反向坡越容易产生倾倒变形。

软硬岩互层边坡治理优化研究

针对软硬互层边坡治理方案优化中存在方案偏好与客观信息问题,基于余弦决策原理,建立了软硬互层边坡治理方案优化余弦决策方法。该方法首先将评价指标划分5级,指标权重依据其级别来确定。然后根据余弦公式,计算待评价方案指标线段与理想方案指标线段之间夹角余弦值,建立软硬互层边坡治理方案优化模型。并将所建优化模型应用于彭家湾边坡治理方案优化,得到了最优治理方案,为其治理设计与施工决策提供依据。

公路软硬岩互层边坡稳定性分析及防治措施

软硬岩互层边坡坡体结构复杂，岩体力学特性差异极大，结构面多样。受岩体及结构面种类控制，该类边坡破坏机理多样。常见破坏模式有：滑移-拉裂-剪断、滑移-拉裂、滑移-弯曲、平面旋转式滑移-拉裂、块体滑移、弯曲-倾倒（张倬元等，1994；黄润秋，2003；宋玉环，2011）。本文以G320上瑞线石头寨至水黄路口公路改造工程K2233＋320-K2233＋620段右侧软硬岩互层边坡为研究对象，首先确定边坡的潜在滑动面，然后对边坡的稳定性进行分析，最后针对该边坡剩余下滑力及地形特征提出支护方案。

提升软硬互层岩体松动爆破综合效能的精准设计

为探索精准爆破设计和精细化爆破作业过程对露天煤矿岩体松动爆破效果的影响,通过对爆区岩性分布、工程地质条件等基本要素和爆区环境信息等数据的细致采集处理,针对黑岱沟煤矿软硬互层、近水平岩层叠置,台阶平台平整度不均和炮孔含水情况,提出了用空气间隔装药和大密集系数爆破技术、控制堵塞高度和装药高度、空气与水介质耦合处理浅水孔的松动爆破精细设计优化方案,现场试验表明该方案不仅改善爆破效果,同时可大幅度降低松动爆破成本。