水工建设中岩石力学试验研究的进展(下)

五、岩体应力测试 岩体应力是指岩体内部存在的应力。在天然状态下,岩体内部存在的应力,常称为岩体的一次应力或初始应力;在扰动影响范围内的应力称为二次应力或扰动应力。 岩体的初始应力是一个复杂的随时间和空间而变化的量。为了便于研究和应用,在工程上我们可以把它看成是一个不随时间和空间变化的应力常量。     

不同产状节理岩体隧道围岩稳定性的模型试验研究

大量实践和理论分析表明,地下洞室的应力分布、变形特征和稳定性受许多因素的影响,这些因素如岩体初始应力状态、岩体结构特征、洞室断面的形状和大小、施工技术和方法等。其中,岩体的初始应力状态和岩体结构特征起着重要作用。国内外许多地下工程实践还表明,岩体中初始应力场问题是一个相当复杂的问题,测得的洞室围岩中初始应力状态是各式各样的。水平方向的压应力有的     

对岩体初始应力的初步认识

为了保证地表工程,特别是地下工程的安全性和经济性,了解和掌握岩体初始应力状态是非常必要的。岩体初始应力;就是天然岩体在工程建设开挖之前所具有的自然应力状态,通常也叫做地应力,主要决定于重力场和构造应力场。 研究岩体初始应力有两种方法,即理论的方法和经验的(实测的)方法。理     

洞室开挖卸荷作用下岩体裂纹动态应力强度因子分析

在线弹性变形假设的情况下,以龙滩水电站地下厂房开挖为例和以ANSYS数值计算软件为平台,计算了在爆破荷载和初始地应力卸荷荷载作用下岩体裂纹的动态应力强度因子。计算表明,在中高地应力地区的爆破破岩过程中,虽然炮孔附近的裂纹扩展和岩体损伤主要由爆破荷载引起的,但岩体初始地应力的动态卸荷可能是引起保留岩体中远区松动及原有裂纹扩展的重要因素之一。     

影响工程岩体原岩应力状态的地质因素

工程实践表明,岩体应力量测结果主要受以下两类因素的控制与影响, 1.应力量测方法的稳定性与可靠性。不同的应力量测方法不仅具有相应的适用条件,而且具有不同的稳定性及量测精度; 2.各类地质因素的影响。由于受复杂的地质因素影响,岩体中存在极其复杂的非均匀分布的应力场。除区域性构造应力或构造残余应力的作用外,这些影响因素一般包括:地形;剥蚀作用及岩浆岩的侵入挤     

非均布荷载作用下煤岩力学强度特性试验研究

考虑不同初始垂向应力、不同初始水平应力及不同应力转移速度条件,借助于自主研发的采动应力试验系统,研究了非均布荷载作用下煤岩体的力学强度特性。研究结果表明:煤岩外部损伤残余块体对煤岩内部力学承载能力具有强化作用,当初始垂向应力、初始水平应力、应力转移速度一定时,煤岩内部力学承载能力近似为煤岩外部力学承载能力的2倍;伴随初始垂向应力的增加,煤岩整体后期力学承载能力不断降低,且处于不同初始垂向应力范围,煤岩内、外部后期力学强度递减特征不同,当处于较小初始垂向应力范围时,煤岩外部后期力学强度递减量大于煤岩内部,当处于较大初始垂向应力范围时,煤岩外部后期力学强度递减量小于煤岩内部;初始水平应力越大,煤岩体的力学承载能力越高,且无论较小还是较大初始水平应力范围,煤岩内部后期力学强度增量总大于煤岩外部;伴随应力转移速度的增加,煤岩峰值强度不断升高,应力转移速度对煤岩内部区域力学性质的影响相对较大。     

依据控制致裂钻孔应力变化确定原岩应力的平行钻孔法的研究

为了寻求一种操作简单、低成本的岩体应力测试方法, 本文提出了一个依据控制致裂钻孔应力变化的量测推算原岩应力的改进平行钻孔法。本文阐明了平行钻孔法岩体应力量测的特点和控制致裂法的原理。介绍了依据控制致裂钻孔应力变化确定岩体应力的基本理论。     

地下洞室开挖过程围岩应变能调整力学机制

深埋洞室岩体开挖过程中,围岩应变能的聚集和释放是洞室发生灾变破坏的重要诱因。针对圆形洞室开挖,分析和比较初始地应力准静态和动态两种不同卸载方式下围岩应变能的调整过程,基于能量角度判定了围岩损伤范围。研究表明：伴随地下洞室的开挖,岩体能量靠径向应力做功的方式在围岩中由远及近传递,并导致近区围岩应变能聚集;初始地应力动态卸载诱发围岩应变能先减小后增大,先对靠近开挖面的相邻岩体通过径向应力做功的方式释放自身的应变能,随着卸载应力波的继续向前传播,远离开挖面的相邻岩体又通过径向应力对其做功的方式促使其应变能聚集;相比初始地应力准静态卸载,动态卸载条件下高应变能聚集程度导致围岩损伤破坏范围更大。     

裂隙岩体渗透性影响因素的研究

采用UDEC离散单元法中关于裂隙岩体开挖模拟及水力全耦合分析模型,分析裂隙岩体洞室开挖后,因围岩应力与水力耦合作用导致裂隙隙宽变化及渗流变化的过程。为了更直观地了解耦合作用对裂隙岩体渗透特性的影响,以隧洞开挖为例,用开挖后隧洞内总涌水量来表征岩体的渗透特性。利用数值试验的方法,研究了块体边界大小、初始应力比、裂隙隙宽和裂隙夹角对开挖后隧洞内涌水量变化的影响,进而可以看出它们对裂隙岩体渗透性的影响。并得出如下结论：随着块体尺寸和初始应力比的增大,隧洞内总涌水量减少;随初始隙宽的增大涌水量增加并当达到某一固定值时保持不变;隧洞涌水量在θ2/θ1=3.5,其中θ1=30°,即两组节理的夹角为75°处达到最大。     

深部隧洞掘进开挖瞬时卸荷动态破坏研究

瞬时卸荷是岩体开挖形成的瞬时岩体应力释放和调整。针对高应力区隧洞岩体开挖瞬时卸荷过程,通过能量守恒推导出了瞬时卸荷位移公式;基于Kachanov准则对构件的脆性破坏理论推导出隧洞侧壁围岩卸荷的初始破裂时间和完全破裂时间,并得出完全破裂时间等于岩体开挖卸荷完成时间;通过锦屏二级水电站某隧洞瞬时卸荷分析得出岩体在开挖瞬时卸荷条件下会产生岩爆,并且卸荷岩体的初始破裂时间较完全破裂时间短,但破裂却已很明显。     

Study of Stress Measurement In-situ in the Last Two Decades

Various typical results are introduced of in-situ stress measurements by overcoming tests during last two decades. The stress cases could be divided into three types: in-situ stress in lower strength rock; in-situ stress in higher strength rocks; in-situ stress in high stress region. The involved rock masses were variety of Sedimentary rock, Igneous rock, and Metamorphic rock with yang’s modulus from 1 to 105GPa. The deepest borehole used for stress release was 90.7 m. Some general laws of initial stress in the shallow earth crust were drawn from the above results. The relationship between initial stress and yang’s modulus of rocks and the influence of initial stresses on rock engineering are discussed.     

工程区高地应力判据研究及实例分析

对原地应力状态的准确把握是地下工程稳定性评价的重要基础,而选择可行的高地应力判据是进行地应力状态评价的前提条件。在详细分析现有各种原地应力评价判据的基础上,提出可行的高地应力判据,并在判据模型中引入了国际上认可度非常高的Shoerey模型,但该模型没有考虑岩体变形模量和岩石弹性模量的区别。通过广泛研究目前国内外关于岩体强度的理论和方法,引入Hoek-Brown岩体强度估算理论,补充完善了Shoerey模型。云南禄丰某工程隧道,工程区共布置两个地应力测孔,测试结果较为离散。利用应力状态评价和数据拟合方法,推算出最大埋深部位的应力值达19.29 MPa,而岩体整体强度仅为5.243 MPa。按照强度应力比和Shoerey模型的评判标准,该隧道洞身部位的应力状态均为极高应力状态,应引起重视。对原地应力状态评价的一般方法和步骤进行了概括总结,以方便其他工程参考使用。     

多尺度节理岩体力学特性的颗粒流分析

以白云鄂博露天铁矿东矿岩质高边坡为工程背景,结合现场地质调查、室内岩石和节理力学试验等数据,采用等效岩体技术,构建能充分反映节理分布特征的实验室、现场原位试验和工程尺度等多尺度等效岩体模型。通过对各类等效岩体模型进行单轴压缩试验,研究岩体单轴抗压强度、弹性模量等力学特性的尺寸效应和各向异性。研究表明：节理的存在使岩体表现出尺寸效应和各向异性,且随着尺寸的增大,这种特性基本呈逐渐减弱的趋势;研究区域岩体的表征单元体积、单轴抗压强度和弹性模量分别为20 m×10 m×10 m、1.46 MPa和3.91 GPa;岩体单轴抗压强度、弹性模量与轴向尺寸的关系,近似符合渐进式指数函数关系,且该函数能直观地给出工程尺度岩体的力学特性。     

锦屏二级水电站大理岩复杂加卸载应力路径力学特性研究

地下洞室开挖围岩经历典型径向卸载、环向加载应力路径,由此引起的岩体强度、变形特征和破坏机制也不尽相同。针对锦屏二级水电站高地应力赋存环境,对施工排水洞大理岩开展常规单轴全应变、三轴压缩、卸围压、卸围压-加载轴压等4种不同应力路径力学试验,得到应力-应变全过程曲线、变形破坏特征和极限储能变化规律。试验研究结果表明, （1）锦屏二级水电站大理岩破坏时轴向应变一般较小,为硬脆性材料,卸荷应力路径下该脆性特征更为明显;（2）卸围压同时加载轴压试验峰值强度对应轴向应变、环向应变及体积应变值一般高于单纯的卸围压值,而对应峰值强度则一般低于卸围压值;（3）卸荷速率较大时,变形模量越大,大理岩峰值强度越低。加载速率越大,变形模量越小,峰值强度越高。初始围压越高,变形模量值越低,峰值强度越高;（4）无侧限作用时试件主要为张拉破坏,低侧限作用时为剪切破坏为主,局部存在张拉破坏,较高侧限时,剪切面为典型X或Y型;（5）岩石试件具有极限储能值,该值受多种因素的影响。一般情况下试件破坏对应围压越高,极限储能值越高,卸载速率越大,极限储能值越小。研究结果对于岩爆孕育发生机制解释以及工程实际问题的解决均有参考价值。     

高应力区隧道围岩变形破坏的数值模拟及物理模拟研究

隧道失稳和维护困难是高地应力隧道的普遍问题,对隧道的支护设计提出了更高的要求。研究从地下工程岩体应力环境变化和岩体强度变化的角度探讨了高应力隧道围岩的变形破坏机制。根据重庆某深埋隧道围岩实际情况,运用FLAC3D三维显式有限差分法分析软件,建立了摩尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。通过隧道的三维数值计算,分析了高应力环境下隧道周边塑性区分布、应力场、位移场等的分布特点,得到了高应力隧道围岩在高地应力环境下的破坏规律。通过物理模型验证了高应力隧道围岩的破坏特点,并进行了超载试验,将其与数值模拟进行对比,进一步验证了所建数值模型的科学性。     

地应力与岩体模量关系的理论及试验研究

岩体模量（弹性模量及变形模量）是工程岩体力学特性的基础参数之一,研究地应力状态与岩体模量之间的关系具有重要意义.基于静弹性热力学模型原理,结合弹性理论,推导了水平主应力与岩体性质参数的定量关系,并对地应力与岩体模量的关系进行了探讨.在此基础上,以赣龙铁路梅花山隧道为依托,开展了围岩应力及岩体模量参数的现场测试工作,并将实测成果与理论分析进行对比.结果表明：当埋深影响较小时,花岗岩中的水平主应力与岩体模量呈线性正相关关系;当埋深相差较大时,深度对地应力及岩体模量的影响均不可忽略,水平主应力与岩体模量一般呈非线性关系,需要进一步研究;对花岗岩中的岩体弹性模量和变形模量与水平主应力之间的相关性进行对比发现,岩体变形模量与水平主应力的相关性更好.研究成果可为工程岩体力学参数取值及评价提供借鉴.     

地应力与岩石弹性模量关系试验研究

在北京某深孔原岩应力测量和原岩应力测量段同等深度单轴及不同围压下的三轴岩石力学试验的基础上,结合统计的钻孔岩体结构参数,分析了原岩应力测量段深度处修正前、后的岩石弹性模量,进而探讨了地应力与岩石弹性模量间关系。结果表明,在花岗岩中,主应力大小与修正前、后的岩石弹性模量间均呈正相关关系,而在灰岩中,主应力大小与修正前、后岩石弹性模量间的关系不明确,需要进一步研究;在花岗岩中,主应力大小与修正后的岩石弹性模量间的相关性系数高于主应力大小与修正前的岩石弹性模量间的相关性系数;各向同性高的岩体（如花岗岩）,实测地应力大小与岩石力学试验结果相关性好,而各向异性大的岩体（如沉积岩）,实测地应力大小与岩石力学试验结果相关性较差     

In-situ Rock Spalling Strength near Excavation Boundaries

It is widely accepted that the in-situ strength of massive rocks is approximately 0.4 ± 0.1 UCS, where UCS is the uniaxial compressive strength obtained from unconfined tests using diamond drilling core samples with a diameter around 50 mm. In addition, it has been suggested that the in-situ rock spalling strength, i.e., the strength of the wall of an excavation when spalling initiates, can be set to the crack initiation stress determined from laboratory tests or field microseismic monitoring. These findings were supported by back-analysis of case histories where failure had been carefully documented, using either Kirsch’s solution (with approximated circular tunnel geometry and hence σ _max = 3σ ₁ ?σ ₃) or simplified numerical stress modeling (with a smooth tunnel wall boundary) to approximate the maximum tangential stress σ _max at the excavation boundary. The ratio of σ _max /UCS is related to the observed depth of failure and failure initiation occurs when σ _max is roughly equal to 0.4 ± 0.1 UCS. In this article, it is suggested that these approaches ignore one of the most important factors, the irregularity of the excavation boundary, when interpreting the in-situ rock strength. It is demonstrated that the “actual” in-situ spalling strength of massive rocks is not equal to 0.4 ± 0.1 UCS, but can be as high as 0.8 ± 0.05 UCS when surface irregularities are considered. It is demonstrated using the Mine-by tunnel notch breakout example that when the realistic “as-built” excavation boundary condition is honored, the “actual” in-situ rock strength, given by 0.8 UCS, can be applied to simulate progressive brittle rock failure process satisfactorily. The interpreted, reduced in-situ rock strength of 0.4 ± 0.1 UCS without considering geometry irregularity is therefore only an “apparent” rock strength.     

西南地区某隧道围岩岩爆预测研究

岩爆预测一直是地下工程领域中的世界性难题。本文以西南某隧道工程为例,从岩爆形成的3个条件:岩石岩爆倾向性、岩体完整性和高地应力环境3个方面着手,应用最大储存弹性应变能指标Es和岩石脆性系数B,对深埋隧道区段内可能发生岩爆的石英砂岩、灰岩岩体进行岩爆倾向性分析预测; 基于地应力测量数据资料,采用地质过程动态模拟的有限元分析方法,反演分析隧道工程区岩体地应力场,对隧道高应力区段作出判断; 根据现场所取样品试验结果综合分析隧道围岩的物理力学性质、岩石单轴抗压强度等。在分析和总结前人岩爆预测预报方法的基础上,以工程地质分析为基础,详细阐明隧道岩爆发生的条件,并以岩体力学和非线性科学理论为指导,采用地质综合分析、应力强度比法对隧道可能发生岩爆的部位及其强度进行综合预测。     

Predicting mechanical properties and ultimate shear strength of gypsum,limestone and sandstone rocks using Vipulanandan models

ABSTRACT

In this study, over 1000 data from the literature was used to characterize and compare the density, strengths, modulus, fracture toughness, porosity and the ultimate shear strengths of the gypsum, limestone and sandstone rocks. The compressive modulus and Mode-1 fracture toughness of the gypsum rock, limestone rock and sandstone rocks varied from 0.7 GPa to 70 GPa, and from 0.03 MPa.m^0.5 to 2.6 MPa.m^0.5  respectively. Vipulanandan correlation model was effective in relating the modulus of elasticity, fracture toughness with the relevant strengths of the rocks. A new nonlinear Vipulanandan failure criterion was developed to quantify the tensile strength, pure shear (cohesion) strength and to predict the maximum shear strength limit with applied normal stress on the gypsum, limestone and sandstone rocks. The Vipulanandan failure model predicts the maximum shear strength limit was, as the Mohr-Coulomb failure model does not have a limit on the maximum shear strength. With the Vipulanandan failure model based on the available data, the maximum shear strengths predicted for the gypsum, limestone and sandstone rocks were 64 MPa, 114 MPa and 410 MPa respectively.