动载作用下复合岩体力学失稳机制与损伤本构模型研究

为探究不同层理倾角复合岩体的动载响应特性,利用WDW-300E伺服压力试验机和分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验系统对不同层理倾角的复合岩体进行压缩试验和动态冲击试验,基于静载结果对比了动力冲击下复合岩煤(rock coal,R-C)和复合煤岩(coal rock,C-R)的动态强度、能量耗散以及破坏模式。考虑到介质弹性模量和强度的非均质性,通过二次开发得到弹性损伤本构模型,最后建立了考虑复合岩体宏细观损伤的本构模型。试验、模拟和理论分析结果表明:在静载条件下随着层理角度的增加,复合岩体应力峰值表现出明显倒U型变化,其弹性模量逐渐增加而峰值应变在逐渐减小。动载作用下复合岩体R-C和C-R峰值应力、应变和能量耗散值随着角度的增加均表现为先减小后增大,复合岩体R-C的应力、能量耗散值和弹性模量值大于复合岩体C-R,而复合岩体R-C的应变值普遍小于复合岩体C-R。在动载冲击作用下复合岩体在层理倾角为0°和90°时破坏形式主要为劈裂拉伸,吸能率较高破碎块度相对较小,在30°、45°和60°则主要为剪切和拉伸混合破坏,吸能率较低破碎块度相对较大。利用弹性损伤本构模型再现了不同层理倾角下复合岩体内部损伤过程和能量演化。构建了同时考虑复合岩体宏细观损伤的本构模型,其与试验和模拟结果均可以较好地吻合,验证了构建模型的正确性。

裂隙复合岩体力学特性及破裂特征

通过对裂隙复合岩体进行单轴压缩试验,研究了裂隙不同长度复合岩体的力学特性及声发射能量特征,分析了不同裂隙长度对复合岩体宏观破裂的影响。结果表明:裂隙的存在弱化了复合岩体的峰值强度、弹性模量和峰值应变。随着裂隙长度的增加,复合岩体的峰值强度和弹性模量逐渐降低。裂隙复合岩体声发射参数特征均经历了I、II和III三个阶段,在III阶段时,声发射能量最为密集且声发射振铃数较高。初始裂纹均萌生于裂隙尖端,随着裂隙长度的增加,裂纹萌生位置逐渐由上尖端转至下尖端。裂隙长度的增加在一定程度上抑制了复合岩体宏观裂纹的产生。

基于离散元的复合岩体结构面宏细观参数响应特征

在基于离散元的复合岩体结构面数值模拟中,细观参数校核是重中之重,而探讨宏细观参数之间的响应特征可为细观参数校核提供重要依据。分别利用粘结强度清除法和Smooth-joint模型建立复合平直结构面数值模型,深入分析了两种不同方法所建立的结构面宏细观参数响应关系。研究结果表明:在基于粘结强度清除法的平直结构面模型中,峰值强度与细观颗粒摩擦系数值呈正相关;应用Smooth-joint模型模拟结构面时,细观基本摩擦系数(sj_fric)与结构面宏观基本摩擦角呈正相关且约等于其反正切值;细观法向刚度(sj_kn)和细观切向刚度(sj_ks)分别与结构面宏观的法向刚度和切向刚度呈正相关。最后结合拟合与试错法给出了新的参数校核模型,该模型具有准确和效率高的优点,可为结构面细观参数快速、高精度校核提供重要参考。

浙东晚中生代壳幔相互作用的新例证——新昌儒岙辉绿岩-花岗岩复合岩体的年代学与地球化学

在浙东新昌地区,新发现了一个由辉绿岩和花岗岩组成的复合岩体。辉绿岩主要由斜长石(An=45～55,50%～60%)、普通辉石(20%～30%)、普通角闪石(10%～15%)等组成,全岩 Ar-Ar 同位素年龄为109.1±2.8Ma;花岗岩主要由石英(25%～30%),钾长石(50%～60%),斜长石(An=20±,10%～15%)及少量的黑云母(<5%)组成,锆石 SHRIMP U-Pb 年龄值为129～109Ma,其最小年龄值109Ma 与辉绿岩的相同,证明辉绿岩和花岗岩近同时冷凝固结。在岩石地球化学上,它们同属钙碱性岩石系列,具有轻稀土元素和大离子亲石元素富集、高场强元素亏损等特点,稀土元素、微量元素配分型式基本相同,(^(87)Sr/^(86)Sr)_i=0.7074～0.7079,ε_(Nd)(t)=-3.5～-4.4,指示它们的微量元素和同位素发生过充分的交换。这与浙东晚中生代玄武岩-流纹岩复合岩流的相似,也与福建沿海同时代复合火成岩的基本一致。它们是起源于受消减作用影响的岩石圈地幔部分熔融而产生的玄武岩浆底侵,并与深融的壳源花岗岩浆相互作用的结果,是壳幔作用的产物。新昌复合岩体的发现与研究,为研究浙东地区和浙闽沿海的壳幔作用和构造-岩浆作用提供了一个新的实例。

层状复合岩体变形试验尺寸效应的数值模拟

由于层状复合岩体软硬相间,不满足均匀、连续和各向同性条件,因此,通过现场试验方法确定层状复合岩体等效变形模量会存在许多问题,尺寸效应即是主要问题之一。结合清江水布垭水利枢纽地下厂房31qP层软硬相间层状复合岩体力学参数取值问题,在现场岩体变形试验基础上,通过开展数值模拟试验,研究了不同加载尺寸对层状复合岩体变形参数的影响。研究成果表明:层状复合岩体变形模量具有明显的尺寸效应,岩体变形模量与加载面直径之间可近似采用负幂函数表示:E = 7.989D-0.552;常规变形试验加载尺寸明显偏小,当加载面直径应达到3～5 m,岩体等效变形模量取值3～4 Gpa,比常规试验降低70%左右。

单轴压缩下不同强度组合复合岩体相似材料试件力学特性研究

为了研究接触带复合岩体变形破坏特征,以水泥、砂和石膏为相似材料,制作由两种不同强度材料构成的复合试件,通过单轴压缩试验,分析相似材料强度比及较高强度材料体积占比对复合试件力学特性的影响。研究结果表明,(1)相似材料强度比越大对复合试件整体强度的影响越大,较高强度材料体积占比的变化对复合试件整体强度的影响较为显著;(2)相似材料强度比为1.74时破裂面从复合试件一端穿过相似材料接触面,相似材料强度比值为2.49时破裂面由接触面向复合试件两端延伸,相似材料强度比为4.33时复合试件逐渐由两端破坏转为较低强度材料端破坏;(3)声发射计数的变化与复合试件破坏位置与形态呈对应关系,随着相似材料强度比的增加,较高强度材料端声发射计数逐渐减小,较低强度材料端声发射计数逐渐增加。研究结果可为接触带复合岩体力学特性分析提供参考。

岩体层面力学特性对层状复合岩体的影响

为了研究岩体工程中大量出现的层状复合岩体特殊力学性质,采用电子显微镜观察了他们的三维网状微结构特征和初始损伤.分析了层间结合状态和各亚层的应力σ1+,σ2+,σ3+和应变iε以及其他力学参数E,h,I等对层状复合岩体力学特性的不利影响.试验研究表明:层状复合岩梁中的应力jσ与第j层的Et,层间抗剪强度iτ以及荷载性质密切相关,而挠度是复合岩梁尺寸及弹性模量等参数的函数.不同岩石构成的层状复合岩体表现出各自特殊的变形与破坏特性.岩体的工程强度及抗变形能力随着层间结合力的下降、层间厚度的减小和岩石约束的降低而降低,而破坏的时间及变形量则会增大.

山东石岛花岗岩复合岩体的侵位深度与苏鲁超高压变质岩的快速折返机制及动力学效应

山东石岛正长岩-花岗岩复合岩体形成于225～205Ma之间,侵入到苏鲁超高压岩石中。通过铝在角闪石的压力计,确定了年龄约为225～215Ma的甲子山岩体的侵位深度,约为15km。结合前人对石岛花岗岩复合岩体的地质年代学和地球化学及本研究结果,表明:(1)石岛正长岩在225～215Ma期间快速侵位小于15km的深度,同时快速冷却结晶;(2)在215Ma或早些时候,苏鲁最东端的超高压岩石已位于小于15km的深度;(3)苏鲁超高压岩石以大于5mm/yr的速率快速折返。俯冲板片前锋的断离所导致的深部动力学效应可能是苏鲁超高压岩石快速折返的主要驱动力。这种深部动力学过程导致软流圈地幔的快速上涌,诱发岩石圈地幔的部分熔融,形成钾质岩浆,可能是华北克拉通在中生代发生大规模伸展作用及减薄的初始驱动力。

层状复合岩体相似模拟的试验研究

层状复合岩体是工程施工中常见的岩体结构,采用相似材料制作模型,其材料与岩石的结构及破坏形式类似。通过单轴压缩试验研究层状复合岩体相似模型的应力应变关系及破坏形式,试验结果很好地验证了理论分析结论。

层状复合岩体路堑开挖中预裂爆破技术实验

层状复合岩体中岩层性质的差异常常导致预裂爆破效果不理想。利用超动态应变测试系统对复合岩体预裂爆破装药量、装药结构等影响因素进行了实验研究 ,并通过超声波仪对爆破后保留区的岩体进行了损伤检测。其结果指出在层状复合岩体中进行预裂爆破时须采用不耦合分层装药 ,并采用不同的线装药密度是符合实际的 。

复合岩体支护巷道破坏规律的试验系统研制与应用

介绍了地下岩石复合材料支护巷道破坏规律的模拟试验系统的组成、功能与应用．研制本装置系统目的在于对开采引起裂隙演化规律的全过程模拟，通过对全过程监测信息统计、推断，寻找裂隙演化的应力、位移，时空关系及其稳定性影响因素，为在复杂山体建筑物下煤层群开采时上覆岩层变形的研究提供理论依据．

层状复合岩体路堑开挖中预裂爆破技术应用

分析了预裂爆破技术在层状复合岩体中作用机理,对梁万高速公路A合同段层状复合岩体路堑开挖中预裂爆破参数设计进行了探讨。由于层状复合岩体特殊性质,岩体内不同岩层对应不同的线装药密度。为了控制爆破危害,依据被保护对象的要求,除严格遵守安全规程外,还需采取一些特殊的安全措施。通过现场试验,获得了较好的爆破效果。

层状复合岩体宏观力学参数的计算机模拟试验

以清江水布垭水利枢纽工程为背景,结合现行的岩石力学试验方法,对层状复合岩体进行了三轴压缩试验的计算机模拟。研究了层状复合岩体宏观变形参数的各向异性以及岩层倾角、埋深、变形模量等因素对层状复合岩体宏观力学参数的影响,其结果可望对人们认识岩体的宏观力学参数有所裨益。

单一层状岩体和软硬复合岩体单轴压缩破损特征试验研究

针对层状岩体的破损特征开展了一系列的物理模拟试验,分析了单一层状岩体和软硬复合岩体在单轴压缩情况下的破损特征,并对倾角、夹层的变化对岩体破损的影响规律进行了研究。试验结果表明,当岩层倾角较小时,单一层状岩体和软硬复合岩体破坏主要为岩石先破坏,后层间错动破坏,破损模式与无分层的岩石破损相似;当倾角增大时,单一层状岩体的破损以层间的剪切破坏为主,而软硬复合岩体的破坏同时伴有内部硬夹层的劈裂破坏;当角度增大到90°时,单一层状岩体的破坏为沿层间直接破坏,软硬复合岩体则同时伴有边缘硬质夹层的失稳劈裂。

层状复合岩体的改进Hoek-Brown强度准则研究

Hoek-Brown强度准则是岩土工程领域应用最为广泛的强度准则之一,但其最初只适用于各向同性岩体。通过将层状复合岩体考虑为横观各向同性材料,引入各向异性状态参数(被定义为材料微观结构偏张量与标准化偏应力张量之间的联合不变量),并将该参数与Hoek-Brown强度准则耦合,建立了层状复合岩体的强度准则。结合干燥和饱和状态下的千枚岩、板岩和沉积石英岩的三轴试验结果对计算结果进行验证,结果表明改进的Hoek-Brown准则能较好地预测层状复合岩体的破坏强度。

暴雨入渗对复合岩体塌陷区结构失稳的影响

利用位移、应力、能量耦合监测技术,分别对渗流大小、沉降量、声发射特征参数等之间的关系进行统计,全面分析渗流对坚硬复合岩体支护的塌陷区围岩结构动力失稳的影响.研究表明, 在渗流的作用下,塌陷区不稳定程度加剧,通过声发射监测特征参数可以初步分析渗流与塌陷区结构失稳之间的演化关系.

层状复合岩体路堑开挖中预裂爆破技术的应用

分析了预裂爆破技术在层状复合岩体中作用机理,对层状复合岩体预裂爆破参数设计进行了探讨。并通过梁长高速公路路堑爆破开挖试验,获得了较好的爆破效果。

藏南冈底斯岩基晚白垩世构造岩浆作用：以拉萨白堆复合岩体中-基性岩脉群为例

拉萨白堆复合岩体寄主为含包体的花岗闪长岩,并被一系列平行-近平行东西走向中-基性岩脉群穿插,总体形成类似"条纹码"般的构造形式。锆石U-Pb定年表明,这些基性岩脉主要形成于85~68Ma。同期中性和基性脉岩都表现出富集大离子亲石元素和LREE,亏损高场强元素,Sr同位素初始比值较低,但Nd同位素比值(εNd(t)>+3.1)和锆石Hf同位素组成(εHf(t)>+10.7)较高,都不具有Eu异常。与中性脉岩相比,基性脉岩具有(1)Mg O含量较高和较高的Mg#(>50.6);(2)较高的Cr、Ni、Co含量;(3)较富集HREE且平坦分布。但中性脉岩Y含量较低,Sr/Y比值(38~72)较高,具有高Sr-低Y的特征;这些特征表明:这些岩浆岩的源区可能为受流体交代的岩石圈地幔。中-基性脉岩之间具有岩浆演化关系,在岩浆演化过程中以角闪石的分离结晶为主。结合文献数据,这些新数据表明冈底斯岩基的在晚白垩世(85~68Ma)经历了弧上伸展构造作用,岩浆作用持续活动,可能与新特提斯洋板片的北向斜俯冲相关。

简单复合岩体中TBM多滚刀破岩机理离散元分析

采用引入考虑胶结尺寸的微观接触模型的PFC2D离散元软件,对全断面岩石掘进机(TBM)盘形滚刀作用下简单形式的复合岩体破岩机理进行数值模拟研究。进行了单滚刀、双滚刀和三滚刀作用下的复合岩体破碎过程的模拟。模拟结果表明:滚刀破岩过程可以分为三个阶段:加载阶段、卸载阶段和残余跃进阶段。通过双滚刀和三滚刀侵入复合岩体的推力-侵深曲线分析,软岩上的滚刀比硬岩上的滚刀进入各阶段稍慢,略有滞后;不同滚刀间的峰值法向推力相差较大,易造成滚刀磨损。对于花岗岩-绿片岩复合岩体,破岩时接触力链被岩体分界面分割,硬岩区胶结破坏数目较多,双滚刀、三滚刀侵入时易形成贯通裂缝;破岩效率由大到小为双滚刀效率、三滚刀效率、单滚刀效率,而且双滚刀能够将效率提高一倍左右。

复合岩体中深埋隧道开挖破坏机理离散元分析

为研究复合岩体中隧道开挖的问题,引入考虑胶结尺寸的岩石微观接触模型,以离散元方法为手段,模拟了复合岩体在不同初始地应力条件下隧道开挖引发的破坏过程,就宏观围岩扰动区、最大主应力、胶结破坏进行分析,并讨论了复合岩体情况与均质岩体情况的区别。结果表明:宏观围岩扰动区面积比随地应力的增大而增大,可能导致宏观大变形甚至破坏;地应力10 MPa时,未发生胶结破坏,20 MPa、30 MPa、40 MPa均发生破坏,胶结破坏数随地应力的增大而增多,且以拉剪和压剪破坏为主;最大主应力从环向看呈下垂水滴状且向下方向最大,在225°,270°和315°方向的最大主应力与离隧道中心的距离成正比;复合岩体在层理面处呈现应力不连续现象。