岩石破坏的机理再认识

岩石的各种强度准则一直是解释岩石或岩体破坏机理的主要理论。此外,从流变现象出发,通过数值模拟、实验对照、理论分析、进一步对岩石破坏机理的解释进行了探讨,认为受力岩石或岩体内差异流动变形也是导致岩石破坏的原因。     

千枚岩的剪切流变特性研究

蠕变性和时效特征是岩石的固有力学属性。岩石的流变特性是解释和分析一些地质构造现象、岩体变形破坏以及岩体长期稳定性预测的重要依据。通过对千枚岩沿片理面的剪切流变试验研究,建立千枚岩流变本构模型;并在此基础上,采用伯格斯体模型对该岩石力学参数进行了拟合分析,获取千枚岩沿片理面的长期强度及剪切蠕变本构方程,为该类岩体流变分析与计算提供了理论依据。     

藏南若干阿尔卑斯型橄榄岩体的变形

通过对罗布莎等藏南阿尔卑斯型橄榄岩体结构、组构、变形类型和变形机制的探讨,将岩体的变形序列归纳为:粘性流变→准粘性流变→高温塑性流变→低温塑性流变→准脆性变形→脆性变形。岩体变形所揭示的岩石圈变形的垂向分带为:脆性-准脆性变形(0—15km),低温塑性流变(15—60km),高温塑性流变(60—100km),准粘性-粘性流变(>100km)。低温塑性流变是地壳中的主要变形类型,其主要流动方向为由北往南,是造成西藏地区推覆构造的主要驱动力。     

考虑表面形貌特征的岩体结构面蠕变特性

工程岩体开挖会遇到各种复杂应力条件，岩体在荷载作用下随时间会产生流变现象，这种“累进性破坏”导致工程岩体常出现滑坡、塌方、大变形和支护困难等问题.为解释天然岩体结构面的流变现象，以天然红砂岩结构面为研究对象，基于结构面三维形貌扫描试验、结构面分级加载剪切蠕变试验，对天然岩体结构面的剪切蠕变特性进行系统研究.研究发现，岩体结构面蠕变变形量与蠕变应力和结构面三维形貌特征指标正相关；岩体结构面蠕变曲线可分为3个阶段，即过渡蠕变、稳态蠕变和加速蠕变阶段，当法向应力一定时，结构面三维形貌特征指标越大，发生的蠕变破坏越剧烈；基于结构面剪切蠕变曲线与剪切蠕变速率曲线特征，建立了参数物理意义明确的岩体结构面剪切蠕变经验模型.      

四川深溪沟水电站苏姑坪危岩体变形特征及其机理研究

苏姑坪危岩体位于四川大渡河深溪沟水电站库区,破坏失稳后很可能堵塞大渡河,给该水电站、成昆铁路以及上游瀑布沟水电站的安全构成威胁.本文在现场调查测绘资料的基础上,利用岩土工程地质力学分析原理,对该危岩体的变形特征、变形机制及其破坏模式进行了分析,建立了危岩体流变滑移力学模型并以此预测其变形破裂失稳时间.研究结果表明该危岩体变形破裂模式为卸荷-拉裂-蠕滑型,即岸坡岩体随着大渡河下切卸荷变形,在后缘形成近垂直拉裂缝,同时在自重和外部偶然荷载作用下沿缓倾坡外的层面发生剪切蠕滑变形.最后基于流变模型并根据前期蠕滑速率推测出失稳时间.     

强地震动作用下层状岩体破坏的物理模拟研究

岩体地震动力破坏现象是常见但研究较少的复杂课题。利用物理模拟试验,研究了层状岩体边坡在强地震动作用下的变形破坏问题。按结构面走向平行和垂直地震动方向,对不同岩体结构特征的模型施加不同的幅值和频率的水平向地震动荷载,进行岩体的振动破坏试验。结果表明,结构面空间展布方向与地震动荷载的相互关系不同、结构面软弱程度不同,岩体变形破坏的形式和分布特征也不相同。岩体的动力破坏主要是岩体结构的破坏,即岩体结构的宏观破坏和微观损伤,岩体结构特征是控制其动力变形破坏的主要因素。极大的不均匀性是岩体动力破坏的显著特点,这与大量极震区岩体破坏的现象类似。但岩体动力破坏模式的建立和定量的力学分析还需更多研究。     

高地应力环境下坚硬岩体河床坝基开挖的变形破坏机理研究

小湾水电站坝基岩体在开挖过程中,暴露出一系列的变形破坏现象,主要表现为板裂、表面岩爆、沿已有裂隙张开、扩展和错动等。在对上述变形现象分析的基础上,研究了高应力环境下坝基岩体开挖的地质力学响应,发现:河床坝基岩体在开挖过程中所表现出的变形主要集中在坝基浅表,且具有时效性。根据变形破坏现象分析和变形响应研究,对高地应力环境下坚硬岩体河床坝基开挖的变形破坏机理有了新的认识,是河谷下切和开挖卸荷过程中的应力重分布造成的浅表生改造的结果。最终,将河床坝基岩体的变形破坏归纳为压致拉裂卸荷回弹模式,且以压致拉裂为主。     

四川某水库大坝左坝肩边坡变形破坏机制及整治对策探讨

以现场考察和变形监测资料为依据,探讨一个下部有软弱基底,上部为硬脆性坡体的“二元结构”边坡的变形破坏问题,揭示这类边坡的变形总是以下部软弱岩体的不均匀压缩流变为先导,进而引起上部硬脆性坡体的拉裂与倾倒,最终通过渗入水的作用,使下部承载状况已进一步恶化了的软弱岩体,沿剪应力集中带发生剪切破坏而导致整个变形坡体的下滑。     

贵州上洋水河流域拉裂倾倒型崩塌机理研究

贵州上洋水河流域采矿工作引发了形式多样、成因复杂的崩塌地质灾害。以拉裂倾倒式崩塌失稳模式为例,在分析斜坡结构特征的基础上,运用岩体力学理论对崩塌形成岩体的受力演化过程以及中间出现的压缩、挤胀等现象进行了深入研究,并采用离散元数值模拟再现了崩塌形成的变形破坏过程。研究结果表明:磷矿开采产生采空区引起斜坡的应力应变调整,使得岩体产生变形,出现挤胀扩容现象导致岩体失稳倾倒,继而引发崩塌。岩体受力变形过程分为应力调整结构面张拉贯通-岩体变形受压-坡脚岩体挤胀扩容-岩体失稳破坏等4个阶段。在这整个过程中,应力应变的调整和岩体的变形形态以及裂隙的张拉形成相互作用,共同影响着崩塌的进行。     

含水率变化对深部工程岩体蠕变规律的影响

针对地下工程岩体随着深度、含水状态的变化将表现出流变变形的现象,通过对深部围岩蠕变规律进行探讨,并基于工程流变力学理论和渗流力学理论,对含水率的变化对软岩蠕变变形规律及本构方程的影响进行了研究,结果表明含水率是影响岩石蠕变变形非线性程度的重要因素。     

小湾水电站饮水沟大规模倾倒破坏现象的工程地质研究

倾倒破坏是陡倾层状岩体一类主要的变形破坏形式,一般发育于地表临空面附近的坡体浅部。根据文献资料,前人研究的倾倒破坏体能保持其完整形态者规模并不大。小湾水电站左岸坝前高边坡由于其特殊地形地貌及其岩体结构条件,使得如此大规模的倾倒变形体能保持其完整形态至今。由于倾倒变形体紧邻大坝且地势较高,一旦失稳,将给小湾水电站的建设造成不可估量的损失。查明倾倒破坏堆积体规模及其岩体结构特征,为倾倒堆积体边坡支护方案选择及稳定性评价参数选取提供依据。更重要的是,揭示这类大规模的倾倒破坏表现特征及其形成条件,对认识复杂条件下岩石高边坡的变形破坏机理具有一定指导意义。本文通过细致的野外调查,揭示了一类发育深度较大的大规模倾倒变形破坏。通过对边坡的详细描述与记录,阐明了这类变形破坏发育的特征和空间展布,并对其形成机制作了简要的分析。     

隧道掘进拱部运动力学模型研究

将隧道上覆岩层简化为弹塑性双参数基础梁力学模型,分析研究了拱顶上覆岩层挠曲线微分方程和隧道围岩变形弹性基础梁挠曲线微分方程,探讨了隧道基础屈服区宽度R满足条件,得到了拱顶下沉速度的表达式,从理论上解释了隧道围岩变形问题,为开展隧道监控工作提供了依据。     

崩落法开采引起的岩层移动时效性研究

崩落法开采的金属矿山往往会伴随着一系列的地质灾害现象。为保证矿区安全生产,开展崩落法开采引起的岩层移动的时效性研究具有重要意义。以程潮铁矿西区下盘为研究对象,通过将地表10多年GPS监测数据的整理分析,并与现场破坏调查结果和工程地质条件相结合,进而探究不同分区下岩层移动的时效行为。研究结果表明：岩层移动的时效行为与其破坏过程有着密切的关系,不同分区下的岩层移动的时效行为是不同的,可分为初始变形、渐进变形、加速变形和残余变形共4个阶段,分别对应着稳定状态、临界状态、失稳状态以及采矿结束后的蠕变状态;初始变形阶段对应着岩体的初始蠕变过程,渐进变形阶段反映了岩体抵抗自身变形的过程,加速变形阶段与深部破坏面的形成和强烈的应力释放有关;崩落碎石在采矿作业停止后失去了流动空间,在岩体变形挤压下会对围岩提供支撑力进而限制了岩层移动的进一步发展;残余变形时间由岩体的蠕变特性和崩落碎石的压密过程所控制,倾倒滑移区因需要经历一个额外的碎石压密过程而导致残余变形时间更长。     

楞古水电站碎裂岩质边坡变形破坏模式研究

碎裂结构岩质边坡是地质工程中遇到的一种最不稳定边坡,其原岩松弛,结构面普遍张开,围岩自稳能力差,碎裂结构岩体出露不连续,空间分布存在差异,导致边坡破坏边界不明显,变形破坏机制很难确定。本文以雅砻江楞古水电站碎裂结构岩质边坡为例,在地质环境调查和平硐勘测的基础上,系统研究了碎裂岩体结构特征,分析了控制边坡变形破坏的边界条件和变形破坏模式,并运用UDEC离散元程序模拟验证。研究结果表明:碎裂岩质边坡的变形破坏主要受自身结构及内部相对长大结构面控制,变形演化过程依循应力调整、时效变形和局部失稳3个阶段,变形破坏模式分为断层主控底滑型和裂隙切割破坏型。目前针对碎裂结构岩质边坡研究相对较少,缺乏大型工程实例支撑,该研究成果为水利工程中这类边坡的研究提供了参考。     

石窟寺典型工程地质变形破坏模式及分类体系

石窟寺是宝贵的石质文物,但在复杂的赋存环境、长期的侵蚀风化以及人类活动的影响下产生了多种变形破坏问题.详细的破坏分类体系是石窟寺病害表征、解释、分级和预测的基础,而目前尚未有针对石窟变形破坏的综合分类方法.分析了川渝、陇东地区代表性石窟的工程地质条件和变形破坏特性,将石窟的变形破坏类型分为工程地质成因型和工程地质力学型,建立了2大类、6亚类、24种破坏现象的综合分类体系.采用工程地质类比法对比了石窟变形破坏及诱发机制的南北差异.陇东石窟因卸荷产生的变形破坏更多,而微环境扰动带来的变形破坏在川渝石窟更突出.在微环境扰动下,川渝石窟的破坏响应以鳞片状剥落破坏为主,而陇东石窟以渔网状剥蚀破坏为主.      

顺层岩质高边坡地震变形破坏机制三维数值反演研究

提出了工程地质分析与三维反演模拟相结合的方法,以揭示边坡地震渐进破坏的失稳过程和失稳机制。结合西南某水电站顺层岩质高边坡工程实例。研究该高边坡地震后工程地质特性,恢复边坡震前的地形地貌,建立地震前未滑塌边坡的三维模型。利用FLAC3D对模型进行动力-时程响应分析,绘制位移、速度、加速度三量放大系数等值线图,判断地震破坏位置。数值模拟结果与边坡实际滑塌情况相符。应用工程地质分析与三维反演模拟结合的方法,揭示了边坡后发型阶段性逐级滑塌的破坏机制以及大夹角折线形的后缘破坏面形状。三维数值反演研究中采用的岩体动力参数,为正演研究提供了参考。     

陡倾坡外弱面控制的斜坡滑移-剪损变形破坏模式

斜坡变形破坏和稳定性分析是各类工程建设中高度关注的问题.采用实例调查、理论分析、数值计算等技术方法,以雅砻江某水电工程坝址区右岸顺层岩质斜坡为例,研究总结了斜坡发育滑移-剪损变形破坏的成因机理、发育特征以及与弱面倾角和发育深度的关系.研究表明,滑移-剪损变形破坏通常发育在力学性能相对较差的薄层、互层状结构的顺层岩质斜坡或斜坡强-弱风化带内.斜坡发育滑移-剪损变形破坏与陡倾坡外弱面的倾角和发育位置密切相关.倾角在45°~65°之间或距斜坡表部水平距离小于80 m的弱面对斜坡发育滑移-剪损变形破坏的影响控制作用明显,并且弱面距斜坡表部水平距离比弱面倾角对斜坡发育滑移-剪损变形破坏的影响控制作用更强.研究成果可补充完善岩质斜坡变形破坏类型,具有重要的工程意义和实践价值.      

含预制节理岩体卸荷条件下力学特性试验研究

节理对卸荷条件下岩体的力学性质有重要影响。通过含2条不同间距预制断续节理岩体的三轴卸荷破坏试验,研究了节理岩体在卸荷应力条件下的应力-应变特征、强度、变形特征、破坏规律及节理间距对岩体力学性质的影响。研究表明：相比于完整岩体,节理岩体卸荷破坏时从峰值强度跌落至残余强度过程中轴向应变较大,为完整岩体的3～4倍,岩体破坏时极限强度明显低于完整岩体,脆性特征不如完整岩体明显;节理岩体卸荷破坏时,变形模量有较大幅度的降低,其降低程度是同条件下完整岩体的6～7倍,节理间距越大,变形模量降低程度越大;与含预制节理岩样三轴加载试验结果相比,节理岩体卸荷条件下破坏程度更为强烈,除剪切破裂面外,沿最大主应力方向分布的不同级别的张性裂隙非常发育,预制节理的间距对岩体破坏形态影响不大。     

受弯条件下薄层灰岩的力学响应行为试验研究

鉴于薄层岩体在实际地下工程中经常发生弯折破坏,利用三点弯曲试验对单层灰岩及含弱面灰岩试样进行抗弯性能测试,探究岩层受弯作用时的变形及破坏特征。试验结果表明,薄层灰岩的抗弯性能与层厚密切相关,单宽峰值弯矩及峰值力对应的岩梁挠度随层厚变化规律基本符合材料力学理论公式计算结果。薄层灰岩弯折破裂模式呈现多样化,既有垂直切穿层理的I型裂纹,也有在弱面处发生转折并沿弱面扩展的断续裂纹,以及与层理斜交的复合型裂纹等。理论分析表明,薄层岩体中的裂纹扩展路径主要受层面拉、剪强度（或断裂韧度）与岩石抗拉强度（或断裂韧度）的相对大小控制。利用双模量理论结合弯曲试验求解岩石拉伸模量需要进行迭代计算,拉压模量相差越大,迭代次数越多,收敛值越偏离初值。试验所得规律有助于深入理解薄层岩体弯曲变形特征及弯折破坏机制,并可作为对薄层岩体受弯作用理论及数值计算的有益补充。     

岩体结构变形破坏的内在驱动力-不平衡力

岩体结构的变形破坏是一个渐近过程,常规的强度设计与极限分析均无法描述这一过程。在回顾总结岩体结构破坏控制、变形控制的基础上,提出岩体结构变形破坏控制最终要落实到开裂控制上来。总结了岩体结构开裂计算的特点和难点,阐明了用不平衡力描述岩体结构变形破坏过程的理论依据。分别从单轴压缩试验、边坡开挖卸荷、拱坝坝踵坝趾开裂等3个具体的数值案例论证不平衡力与开裂破坏的内在相关性。提出了蓄水导致不可逆的谷幅变形也是不平衡力作用结果:裂隙水压力使屈服面收缩、原先处于屈服或临界屈服状态的岩体应力状态超出屈服面,产生不平衡力和不可逆的塑性变形。指出了不平衡力本质是岩体结构非平衡态到平衡态的距离,岩体结构非平衡演化的总体趋势服从最小塑性余能原理,进一步指出了无法消除的不平衡力是岩体结构变形破坏的内在驱动力。不平衡力不仅可以作为岩体结构变形破坏的判据,还能给出相应的加固措施,具有重要的工程意义。