加载速率影响下板裂化脆性岩石失稳破坏试验研究

深部脆性岩体开挖常发生板裂破坏,并可能进一步发生片帮剥落、岩爆等工程灾害,严重威胁深埋隧(巷)道施工安全。在深部岩体工程中,受构造应力、开挖条件和工程扰动等因素的影响,岩体开挖后应力重分布的速率、来压快慢均存在差别。为探究加载速率对板裂围岩失稳破坏的影响,采用脆性岩石加工成的板裂试样进行单侧限单轴压缩试验,对不同加载速率下试样宏观破裂、强度特性、声发射(AE)特征以及能量机制进行综合研究。结果表明:(1)低加载速率下试样发生大块剥落,整体失稳并发生分离,高加载速率下试样未发生大块分离,但有小块动力弹射现象;(2)低频、高幅信号的增多及b值的变化表明试样产生了突发式的裂纹失稳扩展,且这个过程中大小尺度破裂不断交替产生;(3)在平稳加载阶段,高加载速率使试样AE活动更加剧烈,而临近失稳及失稳破坏阶段则相反,且低加载速率下低频信号、大尺度破裂事件占比更大。因不同开挖方案、施工方法导致的围岩应力重布快慢差异,在工程上会导致围岩发生板裂后,进一步诱发不同模式破坏。

板裂原岩抗压试验及显微特征分析

选取典型板裂原岩(即已经发生了板裂化的岩石块体),通过平行板裂和垂直板裂2个方向的抗压强度试验,获取抗压强度参数的各向异性特征;同时,采用偏光显微镜对板裂原岩薄片进行镜下鉴定分析,以便认识到岩石力学特性及自身组成、结构构造和岩体板裂化之间的内在必然联系,为岩体板裂化理论提供依据。研究结果表明:板裂原岩本身具有各向异性特征,而且与板裂方向关系紧密,说明在受力大小相同的情况下,与板裂方向一致时的受力比与板裂方向垂直时更加容易引起潜在板裂岩石发生变形破坏,形成板裂。碎裂花岗岩在地质历史时期曾遭受过强烈构造应力,且在平行板裂面的方向上受力明显,形成了平行板裂面方向的微小裂隙,部分被充填为细脉;对于绿泥石绢云母千枚岩和石英白云母片岩,其岩石构造的力学性质具有明显的各向异性,在后期的特定应力作用下也会形成与片理小角度斜交的微小裂隙,说明板裂原岩的结构、构造特征是发生板裂的内在因素。

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。

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。

反倾板裂岩体边坡振动物理模拟试验研究

探讨反倾板裂岩体边坡在动力扰动作用下的变形破坏机制和失稳模式,为防治理论提供依据。结合沙窝子高边坡的已有地质资料及汶川地震以后的边坡变形破坏调查情况,在相似理论的基础上,采用重晶石粉、膨润土及石蜡油组成的相似材料,按照1∶500的相似比例对该处边坡进行了构建,通过振动台试验,研究了其在动力作用下的响应过程。试验结果表明动力触发因素对边坡的影响非常显著,特别是坡体的软弱岩层带容易产生拉破坏,坡体的变形破坏往往最先发生在此处,甚至构成其后缘主要破坏边界。从历史演变的角度可将这类边坡的变形失稳过程概括为3个阶段,即倾倒变形阶段(潜伏阶段)、坡体震裂阶段(触发累计阶段)和坡体溃滑阶段(能量释放阶段);整个震动破坏阶段又可以进一步分为岩土体松动碎裂、后缘坡肩拉裂、裂缝发展和变形位移累计、前缘坡脚鼓出及抛起式溃滑剪出5个阶段。

正交各向异性板裂屈曲岩爆机制与控制对策研究

高应力硬岩板裂化破坏现象普遍存在于工程地质和采矿工程现场,而以此诱发的板裂屈曲岩爆也给深部资源的安全高效开采带来了严峻挑战。为了分析深部高应力硬岩板裂屈曲岩爆的力学机理与控制对策,对板裂化岩体建立了正交各向异性薄板力学模型,推导出双向受力条件下板裂屈曲岩爆临界荷载值;在解出弯曲形变势能的基础之上,依据能量法求得了薄板压曲状态下的挠度值。提出采用充填法的控制对策以防治板裂屈曲岩爆的发生,并推导出充填体所需的围压值。研究结果表明:(1)针对竖向层状岩体中发生的板裂屈曲岩爆现象,应对板裂化岩体建立正交各向异性薄板力学模型进行相关力学机理的研究;(2)轴向应力的增加不仅促进了板裂化破坏的形成,还加剧了板裂屈曲岩爆发生的可能性;(3)在一定范围内,板裂体在压曲作用下的水平挠度值随板厚的减小而增大,且当长高比为E_2/E_1^(1/4)时,有最大挠度值;(4)在对采空区进行充填时,较小的充填体围压值便可以有效抑制板裂屈曲岩爆的发生。

深埋隧洞硬岩板裂化过程试验研究

基于含孔花岗闪长岩试件成功再现了深部隧洞硬岩板裂化过程,并结合实时监测系统、光学显微镜、声发射监测系统对板裂过程、“V”型板裂破坏带、板裂微观机理、特征应力、碎屑及裂纹演化特征进行详细分析。结果显示:通过不断加载的应力路径可再现板裂化过程,板裂主要在压应力集中区域开始孕育,在微观上以穿晶、张性、膨胀性裂纹相互作用、联合贯穿,并以33.42°~41.91°的角度相交于临空面或洞壁,于潜在“V”型坑附近形成一系列薄岩板,岩板厚度通常为101.38~120.9μm;岩板不断向外鼓胀、屈曲折断,最终在压应力集中区域形成近似对称的“V”型板裂带。板裂前期,声发射信号主频主要集中在260~340 kHz,幅值主要集中在40~60 dB,以产生高频、低幅、小尺度裂纹为主要特征;板裂后期,25~75 kHz的低频声发射信号开始出现,且在25~350 kHz整个区间均有分布,大于80 dB的高幅信号出现,以低频、高幅值裂纹号出现,低、中、高频和低、中、高幅值裂纹共存为主要特征;板裂中期,以主频、幅值特征介于上述二者之间的裂纹为主要特征。

板裂介质理论在牟珠洞滑坡机理分析中的应用

牟珠洞滑坡是困扰重庆至北海高速公路运营的一大安全隐患,牟珠洞滑坡为顺层溃屈滑坡,曾出现多次滑坡,几经整治,但仍未根治。为了确保再次整治取得良好效果,结合能量耗散机理,采用板裂介质力学计算模型,确定了顺层滑坡发生弯曲破坏的力学判据,并对该滑坡进行应用分析。分析结果表明:该滑坡岩体破坏的具体形式为岩梁弯曲折断,其中复杂的地质构造及较发育的地下水是产生该滑坡的主要因素;此外,边坡浅层岩体风化导致岩体强度降低,边坡岩体出现蠕变性也是影响边坡稳定性的重要因素。

煤巷板裂结构顶板分层稳定跨距分析

推导了锚杆支护作用下板裂结构顶板岩层分层稳定跨距计算公式，并分析了岩层厚度。

煤巷板裂结构顶板锚杆设计方法及应用

根据峰峰矿区十几条煤巷锚杆支护实践 ,提出了一种用于板裂结构顶板的锚杆实用支护设计方法。锚杆的悬吊作用和兜吊作用是该方法的理论基础。给出了锚杆参数设计的主要公式。实践表明该方法具有简单、实用的优点。

板裂介质围岩中的隧道衬砌与围岩相互作用机理研究

溃屈破坏和倾倒变形是板裂介质围岩所特有的两种破坏形式,是结构失稳的表现。本文对板裂介质围岩中的隧道衬砌与围岩相互作用机理进行研究,并结合工程实例进行验证。其研究成果可为板裂介质围岩中隧道的衬砌设计提供技术指导。

板裂化地下岩体工程稳定的力学机理及概率分析

在岩体基本力学介质中，当板状岩体的结构和性状符合某些特征时，它的力学机理从总体上能够采用板壳理论进行分析。根据这一成果，具体分析了直立层状岩体中的地下工程，在其长度远大于直立高度的情况下，岩体中的应力分布问题；并根据工程结构可靠性分析原理，研究了直立层状岩体的稳定概率分析方程和计算方法。

采动应力作用下陡倾板裂状岩体巷道溃屈破坏

为研究采动应力作用下陡倾板裂状岩体巷道的稳定性,根据现场残矿回采巷道的调查结果,利用安全系数法和数值模拟相结合,分析围岩采动应力变化规律和巷道安全状况.研究结果表明:陡倾状矿体回采后上盘围岩应力高于下盘围岩应力,下一中段矿体回采对上中段巷道应力影响最为显著;采动应力作用是上盘巷道失稳的主要诱因,上盘巷道围岩垂直应力最大值达到7.87 MPa,超过巷道围岩溃屈破坏极限应力.

某金属矿山板裂围岩采场结构布设优化

为研究板裂围岩采场结构的合理布设方式,在对某金属矿山现场节理和采场破坏情况充分调研的基础上,通过对浅埋板裂结构岩体的力学分析,给出板裂围岩赋存条件下采场安全系数的计算式,计算出不同采场规格和板岩倾角条件下采场的安全系数,研究了浅埋板裂围岩采场的合理结构布设。利用数值分析和位移监测的方法,校验研究结果。研究结果表明:在板裂围岩条件下,采场规格一定时,随着板岩倾角从0°增大到90°,采场的稳定性逐渐增强;板岩倾角为0°时,应加强顶板支护;板岩倾角为45°左右时,采场斜顶须加强支护;板岩倾角为90°时,采场最稳定;沿着板岩倾角为90°左右方向的采场结构布设最为合理。研究结果可为类似金属矿山合理地布设浅埋板裂围岩采场结构提供参考。

板裂介质围岩的流变屈曲研究

针对板裂和似板裂介质结构围岩体的流变特性,建立了粘弹性围岩岩层的屈曲模型,给出了可描述巷道围岩蠕变特征的岩板松弛模数,及在一定载荷作用下粘弹性岩板的屈曲和后屈曲临界载荷特性曲线。分析计算表明,当岩板的压应力水平增大到亚临界屈曲状态时,由于材料的非稳定蠕变特征将引起岩层的分岔失稳,围岩发生后屈曲破坏。后屈曲模态幅值可作为岩层破坏的位移判据及时间判据。

托板控制下开采沉陷的阶段性和板裂性

本文以四川杉木树矿山区开采为例，介绍了采场上方厚硬岩层对开采沉陷的托板式控制作用，分析了一级、二级托板控制作用下开采沉陷所呈现的阶段性特征及地表裸露基岩的板裂性特征。

板裂千枚岩微观结构与力学性质

为了研究板裂千枚岩的微观结构及力学性质,以汶川—马尔康高速公路沿线典型的板裂千枚岩为研究对象,进行了X衍射,薄片鉴定和单轴、三轴压缩试验。结果表明:1)板裂千枚岩微观结构和矿物成分比较复杂,具有明显的脆、塑性变形和裂隙,结构稳定性差;2)板裂千枚岩的各向异性明显,结构面夹角从0°到90°,板裂千枚岩的弹性模量、抗压强度、黏聚力和内摩擦角先减小后增大,呈V型分布规律;3)板裂千枚岩的破裂模式与结构面夹角和围压的大小密切相关,其破裂模式共有顺结构面的张拉劈裂破坏、顺结构面的剪切滑移破坏、Y型张拉-剪切复合破坏、顺结构面和贯穿结构面的复合张剪破坏、贯穿结构面的剪切破坏5种类型;4)随着围压的增大,不同结构面夹角试样的强度、变形参数和破裂模式的各向异性逐渐减弱;5)最大主应力与结构面的组合方式控制着岩石的破裂模式和力学性质,这是板裂板裂千枚岩显示各向异性的根本原因。

考虑板间相互作用的圆形隧洞板裂屈曲型岩爆力学分析

板裂屈曲型岩爆是高地应力区常见的岩爆破坏模式。针对已有力学模型忽略劈裂岩板间相互作用等不足,建立考虑岩板间水平应力的圆形隧洞薄板力学模型。采用最小势能原理计算荷载作用下岩板弯曲挠度,将其与发生张拉破坏的极限挠度进行比较,由此得出岩爆破坏深度。选取工程实例计算分析,将新模型计算结果与已有模型进行比较,验证了研究的合理性。研究结果表明:洞周处岩板所受荷载较大,板厚较小,岩板弯曲应变能与纵向荷载做功较为接近,较小的板间作用力即可使岩板发生屈曲破坏;随着岩板与洞壁距离增大,岩板厚度增大,应力减小,弯曲挠度较极限挠度减小较快,达到一定深度后,弯曲挠度小于极限挠度;随着埋深增大,应力增大,各块岩板弯曲挠度增大,破坏岩板数量增加,岩爆破坏深度增大。

板裂结构顺层岩质边坡滑移-弯曲破坏机制的力学模型研究

滑移−弯曲破坏是顺层岩质边坡的常见破坏模式之一。基于板裂结构顺层岩质边坡的地质成因分析,将最大拉应力强度理论引入到地质力学模型分析中;根据破坏特征,将板裂结构顺层岩质边坡的岩层带分为滑移段和弯曲段;采用能量法、Rayleigh-Ritz方法及势能驻值原理等近似模拟弯曲段的挠曲方程;运用梁板强度理论,推导了板裂结构顺层岩质边坡最大拉应力计算公式和边坡潜在破坏点预测模型;在此基础上,将理论公式程序化,通过典型滑坡算例,得到了理论预测值与实际破坏值的近似一致性;通过FLAC^(3D)数值模拟软件分析了山阳滑坡的破坏过程,并得出:(1)滑坡体总位移的变化趋势呈现出明显的滑移−弯曲变化特征;(2)最大拉应力和张拉塑性区所在位置的数值模拟结果与理论计算结果近似一致。

板裂围岩结构弯曲失稳分析

文章分析了板裂结构地质背景及板裂介质岩体特征,研究了板裂围岩破坏模式及力学机理,并结合工程实例,利用随机有限元模型对板裂结构屈曲破坏进行分析。