节理岩体单轴瞬态卸荷动态响应机理

为了研究深部节理岩体开挖瞬态卸荷力学响应及变形损伤规律,通过理论分析、室内试验、数值分析等技术手段,深入研究了深部节理岩体开挖中的瞬态卸荷力学机理及动力响应,探讨了瞬态卸荷和节理的相互作用机制,建立了可描述现场原位试验的数值模型。结果表明:在单轴瞬态卸荷的第1阶段中,岩体内不会产生拉应力,而在第2阶段中,反射拉伸应力波将动能完全转化为弹性势能,导致岩体内产生拉应力;当有节理存在时,卸载波会在节理处产生透反射现象,导致节理张开量与节理刚度呈负相关;在节理岩体的单轴瞬态卸荷第2阶段中,反射拉伸应力波传递至节理时,会导致节理大幅度张开,诱发岩体的位移突变现象。研究结果对于深入了解单轴瞬态卸荷作用下岩体的力学响应机制具有重要意义,为开展深部岩体瞬态卸荷研究提供了重要的参考依据。

卸载速率对卸载诱发注浆加固节理岩体滑移行为影响的试验研究

为研究卸载速率对水泥注浆加固节理花岗岩卸载诱发滑移行为的影响,利用TATW-2000岩石三轴试验系统对接近临界应力状态下的注浆加固节理花岗岩进行了恒轴压分级卸围压的诱发滑移试验,卸载速率分别为0.1、0.5、1、5、10 MPa/min。研究表明:(1)在剪切滑移过程中,岩-浆黏结界面会相互磨损,花岗岩会在水泥断面表面留下大量微划痕。随着卸载速率升高,节理粗糙度系数(joint roughness coefficient,JRC)值分别为17.52、16.25、15.65、12.82、10.72,这表明卸载速率越大,水泥断面表面的微划痕越小。(2)各围压卸载期内的平均剪切滑移速率随卸载速率变化关系符合幂函数关系,平均剪切滑移速率随卸载速率的升高而升高,但升高速率逐渐减小。在应力-应变滞后效应的影响下,各围压保持期内的平均剪切滑移速率也随卸载速率的增加而增加。卸载速率为0.5、1、5、10 MPa/min时,围压保持期的平均剪切滑移速率远小于围压卸载期的平均剪切滑移速率;卸载速率为0.1 MPa/min时,围压卸载期和围压保持期的平均剪切滑移速率相对差距较小。(3)动态滑移的平均剪切滑移速率比蠕变滑移的平均剪切滑移速率高一个数量级。蠕变滑移和动态滑移的平均剪切滑移速率随卸载速率的升高而升高,持续时间随卸载速率的升高而减小。(4)卸载速率小于1 MPa/min时,试样发生失稳滑移时对应的围压与卸载速率呈正相关,卸载速率大于1 MPa/min时呈负相关。

考虑截面规则性的柱状节理岩体变形及强度特性研究

柱状节理岩体的复杂结构使其现场力学参数的确定存在困难,可靠地估计柱状节理岩体强度及变形特性对工程安全至关重要。结合Voronoi图形及3D打印技术制作不规则柱状节理岩体光敏树脂模具,并制备了具有不同倾角的规则及不规则柱状节理岩体试样。基于开展的单轴压缩试验结果,分析不同截面柱状节理岩体的变形及强度特性差异。根据试样最终破坏形态,揭示柱状节理岩体破坏模式及机制。结合已有研究结果,描述节理面材料对柱状节理岩体破坏形态及强度的影响。基于传统节理系数方法,提出了更能反映柱状节理岩体柱体结构特征的修正节理系数方法。采用修正节理系数法建立规则及不规则柱状节理岩体试验结果与现场变形及强度参数间的经验关系,将所提出计算公式应用于白鹤滩水电站工程,预测结果与现场实测值及RMR法(RMR为岩石质量评分指标)、Q法(Q为岩体质量指标)的预测值进行比较。结果表明,对于现场变形和强度参数,所提出的修正节理系数法的预测结果与现场实测结果较为吻合。

基于压力拱理论的深埋节理岩体隧道围岩压力研究

为研究节理岩体隧道围岩压力计算方法,以隧道压力拱理论为基础,通过离散元数值模拟分析了岩体的坚硬程度、完整程度和结构面的抗剪强度对隧道压力拱的影响,应用多元线性回归拟合了多因素围岩压力公式,并结合依托工程对拟合公式进行了适用性分析。结果表明:节理岩体隧道压力拱范围为拱顶到最大主应力方向的偏转点,隧道压力拱高度随着节理间距和结构面的抗剪强度的增大而减小,岩体力学参数对压力拱高度的影响较小;与现场实测的围岩压力相比,计算误差在15%以内。所提围岩压力公式适用性良好,为节理岩体的围岩压力计算提供了新的思路。

束状孔与当量大孔爆破应力波在节理岩体中的衰减规律

束状孔当量球形药包爆破技术是基于大直径深孔采矿法的新型爆破技术,与单孔爆破技术相比,其炸药能量利用率更高。为了探究节理岩体中束状孔与当量大孔爆破应力波衰减规律的不同,开展束状孔与当量大孔爆破模型试验研究。试验采用混凝土制作相似模型并用无缝钢管将炮孔包围以忽略爆生气体的作用,同时考虑不同节理厚度的影响,得到了爆炸应力波峰值速度与节理厚度的关系,并将两种布孔方式在相同节理条件下进行对比分析。结果表明:两种布孔方式的爆炸应力波峰值速度均随着节理厚度的增加而逐渐降低,在相同节理厚度条件下,束状孔爆破的应力波衰减相对更小。

节理岩体变形模量的解析方法研究

岩体的变形模量是评价岩质边坡力学行为的重要参数,节理的发育分布不同,岩体的变形模量也随之变化,准确估算节理岩体变形模量显得非常重要,也是岩石力学界棘手的问题之一。本文采用叠加原理(分别考虑完整岩石和节理的变形),研究了具有围压约束条件下的节理岩体变形模量,分别提出了(a)节理两端与岩体左右两侧相交和(b)节理两端与岩体上部和左侧(或右侧)边界或下部和右侧(或左侧)边界相交两种节理岩体模型的单一和节理组变形模量的解析方法。通过与数值模拟(有限元程序)结果比较可知,本文解析式计算结果与数值分析结果误差较小,基本上都小于20%。进一步讨论了该方法的应用价值,提出了该解析方法与节理岩体强度公式结合起来,可得到节理岩体的变形破坏阈值,达到节理岩体变形破坏预测预警的目的。该解析方法为节理岩体变形模量估算提供了一定的理论基础。

基于机器学习模型的节理岩体UCS预测方法

节理岩体力学性能研判不明会对地下工程建设安全造成极大隐患,规范中对含节理岩体的力学性能判断多以粗略的定性分级为主,未给出明确的力学性能量化表征方法;而传统回归分析方法难以综合考量节理形貌多维度特性,岩体力学性能预判精度低。为探寻含节理岩体力学性质智慧量化预测方法,从含单节理岩体入手,广泛调研并收集了130组含单节理岩体单轴抗压强度(UCS),并采用节理倾角θ、节理贯通率k量化节理形貌特征,以弹性模量E及抗压强度σ表征岩石强度,开展基于机器学习的含单节理岩体力学性质智慧预测方法研究。为充分论证机器学习算法在岩体性能预测方面的适用性,引入神经网络、随机森林、支持向量机等多种机器学习算法,并采用分布统计、灰色关联分析等手段遴选关键控制指标,进一步结合k折交叉验证法训练映射网络,在此基础上比较了多种机器学习算法及传统回归分析模型的预测性能。研究结果表明:①统计分析与灰色关联度分析可高效筛选指标组合;②k折交叉验证和多指标评价能有效减少机器学习模型的偶然误差;③整体上特征数量与预测效果成正比,其中支持向量机、随机森林分别为全参量预测和局部参量预测的最佳表现模型;④机器学习模型比经验、半经验得出的传统多元非线性回归模型预测效果更佳,充分展现了其在岩石力学性能智慧判别与预测中的巨大潜力。

水-盐作用下节理岩体剪切特征与微观结构试验研究

为研究节理岩体受水-盐耦合作用的影响规律,开展单轴剪切试验和工业CT扫描试验,获得了浸水和硫酸盐溶液浸泡过程中岩样的剪切特征和结构损伤规律。试验结果表明:随着浸水时间和水盐腐蚀时间从0增至360天,节理岩体的抗剪强度和弹性模量逐渐下降,速率先慢后快;硫酸盐溶液对强度的损伤程度明显高于水;节理岩体的细观裂隙在浸水和水盐腐蚀过程中逐渐扩张,由CT扫描图像得到的孔隙率随浸泡时间增加呈指数型上升趋势,表明细观结构损伤程度不断提高;节理岩体的弹性模量与孔隙率呈负线性关系,相关系数达0.948;根据对岩石颗粒进行微观形态分析,发现硫酸盐腐蚀作用使得节理岩体的颗粒间密实度下降,这是导致节理岩体发生强度性能弱化的根本原理。

基于MATLAB的复杂节理岩体离散块体建模及工程应用

对于复杂节理岩体,如何快速建立与岩体结构面分布规律相符的块体分析模型是离散单元法数值分析中的一个难题。文中利用结构面网络模拟技术的优势,通过MATLAB编程对模拟的岩体节理数据进行预处理,快速建立复杂节理岩体的块体分析模型;结合边坡实例,将生成的块体分析模型用于边坡稳定性分析,并与采用离散元软件生成的块体分析模型比较,结果显示采用文中方法生成的块体分析模型,其块体划分更接近岩体结构面分布规律,且计算所得安全系数离散程度较小,文中建模方法有效。

基于ShapeMetrix 3D及修正BQ分级法的节理岩体稳定性分级

岩体稳定性分级是反映岩体完整性、判断岩体质量好坏、确保矿山开采安全的重要工作。为了准确高效地获得岩体节理产状信息,采用非接触式测量法调查岩体结构面。以大冶铁矿为工程背景,利用ShapeMetrix 3D系统对该矿现场19处节理裂隙进行了精确扫描和测量,并对节理裂隙的几何参数进行了统计分析,得到了岩体产状信息。利用测量数据,基于修正的BQ分级法对该矿岩体进行分级,并将此分级结果与Q分级法和RMR分级法的分级结果进行对比,结果表明:由3种分级方法得到的岩体质量等级基本一致,岩体稳定性基本为Ⅱ级,个别位置为Ⅲ级,稳定性较好。

隧道穿越节理岩体引起的围岩变形特征研究

岩体的节理是一种常见的构造地质现象,也是影响岩体稳定性的重要因素之一,节理的存在使得围岩的变形特征、应力变化以及完整性更加复杂。为了明确隧道穿越节理岩体引起的围岩变形特征,采用Midas GTS NX软件,基于莫尔-库伦准则,建立了节理岩体中的隧道施工模型,通过改变节理倾角和节理间距,分析不同工况条件下围岩的应力变化与围岩变形规律。结果表明:随着节理间距的减小,隧道围岩的水平位移值和竖向位移值均呈现递增趋势。

块状节理岩体开挖扰动稳定性分析

块状节理岩体在实际工程中广泛存在,且在施工进程中容易产生风险,因此本文通过室内模型试验和数值计算相结合的方法,对块状节理岩体在不同工况下的扰动稳定性开展研究。研究发现块体长宽比对岩体的变形破坏起主导作用,当块体长宽比较小时,洞室顶部形成“金字塔”状塌落区,随着块体长宽比的增加,塌落区范围逐渐减小,直至消失,围压是影响岩体塌落区大小的重要参数,随着围压的增加,塌落区范围逐渐减小,层间节理角度对围岩的变形破坏有重要影响,随着角度的增加,围岩破坏由沿层间节理滑动变为沿层内节理滑动;层内节理的倾角和内聚力也对围岩的变形破坏起到一定作用,当层内节理倾角较大时,洞室围岩层沿层内节理方向发生错动,同时随着层内节理内聚力的增加,围岩顶部塌落区逐渐减小。

非贯通节理岩体剪切力学行为细观模拟分析

通过引入光滑节理模型,可真实地反映剪切过程中节理岩体力学行为。采用颗粒流软件,从细观角度研究了不同连通率条件下剪切过程中裂纹扩展规律和剪裂面应力分布特征。研究结果表明:颗粒流数值模拟软件可以较好地再现和重复节理岩体直剪试验;细观数值模拟分析可得到剪切过程节理岩体剪切面应力分布情况;随连通率增大,节理岩体对应峰值强度减小,产生张拉裂纹比例降低;在剪切过程中剪应力不断变化,试样受到的水平剪切力主要由中间岩桥承担,两边节理只承担小部分剪力。

节理岩体剪切力学行为细观模拟分析

为真实地反映了直剪过程中节理的剪切力学行为,细观模拟分析引入了光滑节理模型。分析了不同法向应力条件下剪切过程中裂纹扩展规律和剪裂面应力分布特征。细观模拟分析研究结果表明:(1)细观数值模拟分析可得到剪切过程节理岩体剪切面应力分布情况。(2)随法向应力增加,节理岩体对应峰值强度增大,产生张拉裂纹比例提高。(3)不同法向应力下节理岩体剪裂面处应力峰值比较分散。

含交叉裂隙节理岩体单轴压缩破坏机制研究

对含交叉裂隙相似材料试件进行单轴压缩试验,用Abaqus对含交叉裂隙节理岩体进行应力分析,研究了含交叉裂隙节理岩体单轴压缩下的破坏机制。结果表明:交叉裂隙的主裂隙与加载方向呈30°、45°时,主裂隙是裂隙扩展及破坏的控制裂隙,此时含交叉裂隙岩体强度高于含单向裂隙岩体,是由于主裂隙裂尖最大环向应力σθmax低于单向裂隙;主裂隙与加载方向呈0°或90°时,次裂隙是控制裂隙;主裂隙与加载方向呈0°时,大部分次裂隙裂尖σθmax及裂尖最大应力强度因子KⅡmax高于单向裂隙,因此,此时大部分含交叉裂隙岩体强度低于含单向裂隙岩体;在主裂隙与加载方向呈90°工况组中,主、次裂隙夹角为45°时,次裂隙裂尖KⅡmax最大,所以此工况组中此时强度最低。

含充填节理岩体相似材料试件单轴压缩试验及断裂损伤研究

研究了单轴压缩条件下裂隙含充填与否对节理岩体力学性能的影响。以相似材料模拟脆性岩石材料制作含预置裂隙试件,在刚性试验机上对试件进行单轴压缩试验,研究了裂隙充填与否对节理岩体强度峰值及峰后塑性变形能力的影响;用有限元软件ABAQUS对试件进行断裂及损伤分析,研究了裂隙充填与否对节理岩体应力强度因子及损伤因子的影响。研究表明,在单轴压缩情况下,裂隙中含充填与不含充填相比,裂隙含充填岩体峰值强度提高、峰后塑性变形能力增强、总应变能释放率Gc降低,增大了节理岩体抵抗开裂的能力;裂隙含充填岩体环向拉应力场从分布区域及峰值都小于无充填裂隙试件;在同样外荷载作用下,裂隙含充填岩体损伤度小于无充填岩体。

用UDEC模拟爆炸波在节理岩体中的传播

离散元程序 UDEC与有限差分程序 AUTODYN- 2 D相结合 ,用于模拟节理岩体中爆炸波的传播和节理对波传播的影响 .AUTODYN- 2 D用来模拟地下爆炸过程及生成的爆炸波 ,并输入到 UDEC,然后用 UDEC来模拟爆炸波在节理岩体中的传播 .研究表明 ,UDEC与 AUTO-DYN- 2

循环冻融条件下节理岩体损伤破坏试验研究

通过循环冻融和相似材料试验,研究了节理岩体在冻融条件下的损伤破坏机制及其相应的力学特性。通过对经历冻融循环后的试件损伤破坏模式的观察和单轴压缩试验,重点研究了节理倾角、节理贯通度、节理条数、节理充填物厚度、节理充填物类型、试件饱和度、冻融循环次数等对试件冻融损伤破坏模式、单轴抗压强度和弹性模量的影响。研究发现:节理存在及其物理力学性质对岩体的冻融损伤破坏模式及强度均有很大影响。节理倾角通过影响冻融裂纹的起裂位置进而影响其破坏模式和强度;随着贯通度的增加,试件表面裂纹由稀变密;随着节理条数增加,试件受冻融影响明显加剧;随着节理充填物厚度增加,试件冻融损伤程度先增加后减小;节理充填物类型对试件冻融损伤程度也有一定影响;随着试件饱和度的增加,试件冻融损伤程度先减小后增加;随着冻融循环次数的增加,节理试件表面因冻胀引起的裂纹逐渐增多、变宽,且其抗冻融特性较完整试件差。上述研究成果对寒区岩体工程建设及安全运营具有重要的参考价值。

露天矿节理岩体边坡稳定性研究

针对眼前山露天矿南帮节理岩体边坡的结构特征,通过现场节理调查及统计分析,采用Monte-Carlo随机模拟方法,进行了节理三维网络的计算机模拟,研究确定了南帮边坡的节理岩体强度和破坏模式。通过滑动面自动搜索及FLAC数值模拟,系统地计算分析了南帮节理岩体边坡现执行开采和调整方案随采场逐渐下延的稳定状况,指出将三并段边坡的台阶坡面角由65°调整为60°可以从根本上改善眼前山露天矿南帮边坡的稳定状况,在矿山服务年限内满足开采的稳定性要求。

单轴拉伸条件下断续节理岩体锚固效应试验研究

选用改性橡胶粉–水泥砂浆模拟岩石,用玻璃纤维增强塑料作为锚杆模拟材料,通过室内试验研究单轴拉伸条件下,锚杆对含贯穿裂隙岩体的加固效应。结果表明:与不加锚试件的破坏形式相比,加锚试件均表现出塑性破坏特征;锚杆提高了节理岩体的变形模量和单轴抗拉强度,且加锚试件的变形模量和单轴抗拉强度随锚固角的增大先增大后减小;随着锚固角的增大,试件后期破坏模式发生改变,这与锚杆的黏结性能和抗剪切性能的复合作用有关。