块系岩体动力特性理论与实验对比分析

由于深部岩体存在构造等级现象,因而使作为岩石力学分析基础的连续介质力学缺乏依据。超低摩擦实验效应则集中反映块系岩体动力特性的机制,对超低摩擦实验现象的解释与验证非常重要。首先通过对超低摩擦实验现象的描述及数据的整理归纳出规律,然后建立块系岩体动力模型并进行理论分析及数值计算来验证超低摩擦效应,揭示出产生这一效应的根本原因在于法向力的重分布以及动摩擦因数的变化,而且实验现象与数值计算在趋势上是一致的。在具有构造等级的深部岩体介质的变形过程中,储能及返还性状与介质变形的摩擦因数有关。根据深部岩体的构造特点、高地应力及含能和非协调变形的特点,围绕深部岩体工程响应发生的静、动力特征,提出深部岩体的构造、变形与破坏需要研究的科学问题。

高应力下岩石非线性强度特性的试验验证

深埋工程岩体开挖后围岩的强度特性表现出明显的非线性特征。基于室内岩石三轴加载及卸荷力学试验成果,对高应力下岩石的非线性强度特性予以验证,并开展高应力下应力路径对强度参数影响规律研究。采用已有的二次抛物线型、双曲线型、幂函数型等型式的包络线来研究强度特征的非线性,结果表明,幂函数型Mohr准则能够作为在高应力加载和卸荷应力路径下的岩石破坏的强度判据。在低围压下(<10MPa),三轴卸围压破坏强度要小于常规三轴强度;而在高围压下,前者略高于后者。内摩擦角的正切值与等效法向应力的函数关系表明岩样的实际内摩擦角并不是一个不变值,具有幂函数关系的非线性特征,在低应力下卸载破坏内摩擦角要比常规三轴压缩剪切内摩擦角略大,在高应力下则相反;根据Mohr准则中内摩擦角与理论破裂角之间的关系,随着应力增加它们的破裂角均呈非线性衰减并趋向π/4。

不同煤块的强度变形特性及强度准则的回归方法

与沉积岩的局部缺陷不同,煤层具有分布的裂隙和弱面,不仅影响强度,也会影响变形。煤样单轴压缩的强度和杨氏模量离散性很大,但两者具有明显的相关性。在围压下压缩时,闭合裂隙可以通过摩擦承载,使煤样强度和杨氏模量的离散性减小。不同煤块加工的试样强度不同,但围压对三轴强度的影响系数K相同,即内摩擦系数是一个材料参数,因而可以对不同煤块的试验结果进行联合回归。这不仅可以消除煤块的差异对内摩擦系数的影响,而且可以评价煤块强度的离散程度。

深部块系岩体超低摩擦现象的机理分析

不规则超低摩擦现象是深部块系岩体典型动力学特征现象之一,集中反映了深部块系岩体非协调、非连续的动力学特性。基于俄罗斯Kurlenya M V院士的深部岩体超低摩擦实验建立了深部块系岩体一维动力模型,得出了工作块体水平位移的解析表达式。研究结果表明,一维动力模型理论计算结果与实验数据吻合较好,进一步揭示了深部岩体不规则超低摩擦现象产生的力学条件为分别作用于块系和工作块体上的竖向和水平冲击的时间间隔满足倍数为2的规范序列,指出超低摩擦现象产生机理在于强动载作用下块体间法向力重分布和动摩擦系数不断变化的共同作用,同时说明超低摩擦现象出现的离散周期和低频低速变位摆型波频谱具有密切联系。

砂土质隧道围岩内摩擦系数的试验研究

砂土的内摩擦系数tanφ与砂土质围岩稳定性有直接的关系。从影响砂土质围岩坑道稳定性因素及围岩稳定性分级的角度出发,探讨了与砂土质隧道围岩稳定性相关的内摩擦系数tanφ的影响因素,发现砂土的细粒(d<0.075mm)含量对其有较显著的影响,二者呈负相关;砂土相对密实度rD并非完全是越大而内摩擦系数tanφ也越大,还与细粒含量及软硬状态有关;采用细粒含水率而不是砂土含水率的方法来评定潮湿砂土的tanφ的影响是较为合理的方法,并总结了细粒含水率对tanφ的影响规律。

滚石在平台上的运动特征分析

平台对危岩体失稳后运动有很好的减速拦阻作用，是危岩体防治的有效措施。采用运动学和力学的方法推导了滚石与平台碰撞过程的速度计算公式；探讨了滚石在平台上运动的水平距离的计算方法；在此基础上通过现场滚石试验，分析了滚石形状对滚动摩擦系数的影响。结果表明：滚石与平台碰撞后的速度可由法向恢复系数、切向恢复系数和碰撞前滚石的运动速度确定；滚石在平台上运动的水平距离由第一次碰撞前在平台上飞跃的水平距离、两次碰撞之间水平距离和碰撞结束后滚动的距离3部分组成，其值可通过运动学分析确定，法向恢复系数、切向恢复系数和滚动摩擦系数是计算滚石在平台运动水平位移的重要参数；滚石与表面为块碎石的平台的滚动摩擦系数的值在0．19～1．05之间，按长条形、方形、球形和薄片状的顺序逐渐减小，滚石形状与表面为块碎石的平台之间滚动摩擦系数呈良好的直线关系。所得成果为将平台作为危岩体防治对策时确定平台的宽度提供理论依据。对危岩体与落石的防治有指导意义。

考虑滑床复合倾斜岩体综合地基系数的抗滑桩受力特征研究

在抗滑桩内力与变形计算中,当前理论分析多将滑床岩体等效成均质体或水平的非均质体,而三峡库区大部分滑床多为复合倾斜岩体。通过3DEC数值试验,研究了抗滑桩的有效影响范围与桩截面宽度、深度的关系,确定了抗滑桩有效影响范围的上、下限;利用面积等效,在桩的有效影响范围内提出了滑床复合倾斜岩体综合地基系数K_(Zi)的公式;推导了基于K_(Zi)的弹性抗滑桩嵌固段受力特征研究的计算公式并编写了MATLAB计算程序。以马家沟滑坡为例,采用等效法、水平层状地基系数法和基于K_(Zi)的计算方法分别进行了抗滑桩嵌固段内力、位移的计算。结果表明,基于K_(Zi)的计算方法与水平层状地基系数法相比,滑面处位移增大14.6%,内力相差较小;同时,基于K_(Zi)的计算方法根据滑动面处的位移反求桩顶的位移与现场监测位移较为接近,而利用传统方法计算位移偏小,设计偏于危险。该方法可为复合倾斜岩体地区的抗滑桩设计提供理论支撑。

考虑黏聚力与内摩擦系数的岩石黏弹塑性流变模型

基于在岩石剪切流变仪上得到的泥板岩剪切流变试验结果,采用库仑强度准则获得了岩石长期强度参数(长期黏聚力和长期内摩擦系数),与瞬时强度参数进行对比,结果表明,岩石黏聚力对时间的敏感程度高于内摩擦系数对时间的敏感程度.提出了一个考虑黏聚力和内摩擦系数随时间变化的塑性元件,将其与线性黏性元件并联起来,得到一个新的考虑黏聚力和内摩擦系数的非线性黏塑性体(CF-NVPB),同时将CF-NVPB模型与三元件线性黏弹性流变模型串联起来,建立了一个新的考虑黏聚力和内摩擦系数的岩石非线性黏弹塑性流变模型,并推导了该非线性流变模型的蠕变方程与松弛方程.

含天然贯通弱面石灰岩试样的力学性质研究

为研究天然弱面对岩石力学特性的影响,对40个完整和含有53°～90°倾角的天然贯通弱面石灰岩试样进行纵波速度测试、单轴和常规三轴压缩试验。试验结果表明:纵波速度与弱面倾角和单轴抗压强度并没有明确的关系。试样破坏有沿弱面滑移、穿切弱面和复合破坏3种形式:弱面倾角为65°～80°时易沿弱面滑移破坏,强度明显偏低;弱面倾角小于65°或大于80°时出现穿切弱面破坏,强度和破裂角大致满足Coulomb强度准则;有2个试样发生复合破坏,强度介于两者之间。石灰岩充填弱面的材料与主体类似,因而与完整试样具有相同的内摩擦因数0.944;据此可以从三轴压缩强度扣除围压影响,得到40个试样材料强度为30.3～177.1 MPa,平均值为121.3 MPa,标准差为32.6 MPa,大致服从正态分布规律。因最弱断面的方向随试样而不同,其黏聚力也存在显著差异,引起试样三轴压缩的强度和破坏方式的显著不同。

岩石试样的强度准则及内摩擦系数

岩石是一种非均质材料并含有各种缺陷 ,利用岩样的应力应变全程曲线可以确定理想强度 ,在排除岩样缺陷后讨论峰值强度与围压的关系 ,即强度准则。通过岩样剪切破坏后保持轴向变形恒定降低围压试验 ,可以确定岩样由摩擦力维持的承载能力随围压的变化关系。比较峰值强度和残余强度随围压变化关系的异同 ,可以研究岩样屈服过程中内摩擦系数的变化情况 ,以及内摩擦力对岩样变形特性的影响。粉砂岩试样在峰值应力时内摩擦系数已经达到最大值 ,峰后只是粘结力或者说是材料强度的降低过程 ,围压对变形没有明显影响。大理岩试样屈服过程中内摩擦系数不断增加 ,而内摩擦力的增加量与围压有关 ,高围压时只有材料强度完全丧失之后 ,由内摩擦力达到岩样的承载极限。内摩擦力系数随屈服过程增大 ,是岩石由脆性转变为延性的根本原因。

确定碎裂岩体综合内摩擦角的一种新方法

碎裂岩体具有风化破碎、裂隙充分发育的特征,可以通过测量边坡休止角的方法确定碎裂岩体的综合内摩擦角。根据碎裂岩体的平面分布与坡面形态,将碎裂岩体边坡的坡面形态概化为4种模型,并采用数理统计的方法确定综合内摩擦角。采用新方法对某工程坝址区碎裂岩体的综合内摩擦角进行了计算,结果表明:新方法充分考虑了各种因素作用下坡面形态的不规则性,该方法确定的综合内摩擦角符合实际情况。

边坡工程中破裂角和岩体等效内摩擦角取值及应用若干问题探讨

当前,建筑边坡工程广泛采用破裂角和岩体等效内摩擦角概念。该文分析了破裂角和岩体等效内摩擦角取值与应用存在的问题,提出了在边坡工程中舍弃采用破裂角和岩体等效内摩擦角概念的建议。

对岩体内摩擦角取值的商榷

通过计算机模拟节理岩体加载试验的结果，对岩体内摩擦用取值的范围作了探讨。

深部岩体块系摩擦减弱效应试验

为了研究深部岩体在冲击作用下的力学特性,用深部岩体动态特性多功能试验系统对块系岩石在垂直冲击载和水平拉力作用下的动态特性进行了试验研究,通过试验,明确了冲击载、水平静力和摩擦力之间存在的相互联系,建立了冲击能与特征摩擦力、冲击能与摩擦减弱系数的函数关系,确定了产生摩擦减弱效应和超低摩擦效应的特征值条件。结论表明:在垂直冲击能和水平静力共同作用时,水平静力与余留位移的关系呈抛物线状,而且抛物线会出现一个余留位移的突变,突变后余留位移的增大明显加快。

测定某种花岗岩静摩擦系数的试验

为了揭示深部岩体块系构造的特性,以深部岩体的典型岩石—花岗岩为研究对象,利用自行研制的深部岩体动态特性多功能试验系统,对粗糙度为6的细粒花岗岩的单、双面静摩擦进行了试验研究。单面最大静摩擦力试验测量了4种不同工况,双面最大静摩擦力试验测量了2种工况,获得了该花岗岩的静摩擦系数为0.572。通过试验研究,发现了花岗岩块体间静摩擦的规律和特性,当位移响应变粗时,表明试件间的摩擦达到最大值。把测量试块单、双面最大静摩擦力作为基本的测量方法和技术,为下一步深部岩体的动态特性的试验研究奠定了基础。

白垩系泥岩抗剪强度指标的确定

中生界白垩系沉积岩在华北地区分布较为普遍,岩性为紫红色、灰绿色泥岩。泥岩的主要矿物成分为黏土和高岭土,遇水易软化,强度低。为了获得可靠的泥岩抗剪强度指标,选择某广场工程施工开挖的基坑作为试验场地,原位进行了岩体直剪试验,通过对试验资料的分析整理,提出了泥岩的抗剪强度指标。

基于工程岩体内摩擦系数等效模型数值试验

岩体是由许多结构面组成的复杂结构体,受到剪切破坏时常有裂隙产生。为了研究裂隙岩体在滑落时的规律,深入讨论工程岩体内摩擦系数等效参数,基于摩尔库伦强度准则,假定最小主应力与最大主应力σ1～σ3为线性关系,以内摩擦系数为核心推导摩尔库伦强度准则情况下的等效模型。在此基础上,利用ABAQUS有限元分析平台,嵌入所提的等效模型,模拟试验中不同倾向、倾角的楔形块体滑落时的状态,深入讨论和分析了相关参数,并与实验室模型试验结果进行比较,得出所提等效模型可用于表征裂隙力学特性分析,验证了该模型适用裂隙岩体稳定性分析的结论。

隧道围岩沿结构面滑移判据及其影响因素分析

文章利用弹性力学方法,在连续性假设和Mohr-Coulomb滑移准则基础上,推导了圆形隧道围岩沿结构面滑移的判定条件,并预测了结构面不同内摩擦角情况下的围岩最小滑移区域。利用离散元数值方法对该判据进行了验证,结合不同内摩擦角下的结构面剪切位移,证明了该判据的合理性;确定了保持圆形隧道围岩稳定而不出现滑移所需的结构面最小极限内摩擦角的影响因素及其数学关系,其影响因素包括侧压力系数、结构面倾角、以及隧道圆心到结构面垂距,并分析了上述3个因素对结构面最小极限内摩擦角的影响规律。结果表明:侧压力系数和结构面倾角主要影响远离隧道部位为保持围岩稳定所需的结构面最小极限内摩擦角,而垂距只影响靠近隧道开挖边界部位结构面的最小极限内摩擦角,对超过2.5倍开挖半径的区域影响效果不明显。研究结果可对含结构面岩体中隧道加固提供参考。

议《建筑边坡工程技术规范》中的岩体分类

《建筑边坡工程技术规范》提供了边坡岩体分类方法。该方法包含内容过多且非常复杂,导致分类的规律性较差,分类标准及尺度不太统一,岩体完整程度、结构面结合程度、外倾结构面等结构面产状、直立边坡自稳能力等分类条件相互矛盾、无从验证或选择性缺失,分类目的不是很明确及类别用途有不当之处,很难用于工程实践。规范中依据岩体类型选取边坡破裂角及岩体等效内摩擦角以评价岩质边坡稳定性的方法,理论及计算公式均存在着一定缺陷,工程适用性、可操作性及准确性均不太好,无丰富经验时不建议应用于实际工程。

中外水电行业坝基抗剪强度参数差异对比研究

在国际水电工程中,常需面对国际咨询工程师针对中国标准中岩体抗剪强度参数经验值的质疑,尤其是粘聚力值。国外咨询工程师普遍认为中国规范的建议值过于冒进,基于国外地质工程师的普遍认识较难接受,导致沟通过程复杂且漫长,以致工程设计延期的情况较多。通过对比分析中外规范建议参数的来源、试验方法和取值方法等,查找中外规范的差异原因,并提出应对措施,对同类工程具有较好的借鉴意义。