花岗岩岩桥卸荷脆性破坏的能量特征

岩质边坡锁固段型岩桥的破坏和能量的累积与释放密切相关,利用MTS815伺服控制刚性力学试验机对花岗岩岩桥试样开展了常规三轴加荷试验和三轴加卸荷试验,采用基于轴向应力比的能量分析方法,可对不同工况下峰前加载各阶段能量变化趋势进行有效的对比分析。结果表明:应力峰值前能量特征变化主要分为压密阶段与弹性阶段,试样处于压密阶段,随着初始裂纹的闭合与摩擦,耗散能占比大幅增加;弹性阶段,荷载所做功大部分转化为弹性能储存在试样内部,弹性能占比大幅增加。由于预制裂隙存在,在临近破坏前没有出现明显的屈服阶段,岩桥试样表现为“突发式”的脆性破坏;初始围压的提升会使得应力峰值点的总能量、弹性能明显增大;花岗岩试样的岩桥越长,其吸收的总能量、弹性储能极限越大,应力峰值点的弹性能占总能量比值越高,岩桥长度变化则对耗散能没有明显影响。     

砂岩破坏声发射临界慢化前兆特征试验研究

通过对砂岩岩石试样开展单轴加载压缩下的声发射试验,测试岩石试样在单轴多级加载条件下受力变形全过程的声发射参数,建立时间-荷载-声发射参数关系曲线,分析岩石变形破坏全过程的声发射特征及变化情况,对岩石变形破坏过程声发射特征的自相关系数和方差变异性进行深入分析,揭示岩石变形破坏的临界慢化现象,探索岩石临界破坏的声发射前兆表征。研究结果表明：（1）岩石在逐级加载过程中产生明显的声发射现象,声发射振铃计数随着加载级数增加越来越高,在岩石试样破坏时刻达到最高;（2）利用声发射RA（上升时间/峰值幅度）与AF（平均频率）特征分析,岩石试样在整个过程中以张拉破裂为主,加载后期剪切破裂逐步增多;（3）通过声发射振铃计数率、上升时间、峰值频率、RA主要特征时间序列的方差和自相关分析,发现其分析结果均在岩石破坏前存在突变性,即表明出明显的临界慢化现象,可作为岩石破坏灾变的前兆特征;（4）峰值频率和RA的方差变异可作为岩石损伤破坏的关键前兆指标。鉴于此,将临界慢化现象分析用于脆性岩石破坏过程的研究,对深入认识岩石临界破坏状态和灾变前兆具有非常重要的科学价值和实用意义。     

端部岩桥直剪破坏试验及断裂条件

以重庆鸡尾山岩质滑坡为代表的前缘“关键块体”型滑坡具有较强的隐蔽性,研究“关键块体”前缘锁固段岩桥的破坏性质对滑坡预警具有重要意义。以鸡尾山滑坡地质条件为基础,在岩样端部预制不同长度边缘裂缝,填入软弱材料,形成软弱夹层节理,在不同法向压力下进行直剪试验,分析了前缘端部岩桥的裂纹扩展规律、块体剥落特征信息和岩桥断裂条件,提出了临滑阶段剪应力变化率k值。试验结果表明：软弱夹层节理长度对岩桥破坏模式和块体剥落剧烈程度有重要影响,且端部岩桥越长,破坏前临滑阶段剪应力增速k值越小。端部岩桥破坏模式为剪切破坏、拉剪破坏和张拉破坏,且不同破坏模式决定了相同节理岩桥块体剥落的剧烈程度。岩桥块体剥落点与破坏点剪应力比值百分数平均值为79.5%～92.2%,且端部岩桥临滑阶段时间快慢依次为短节理慢、中间节理居中和长节理快。端部岩桥3种破坏模式满足一定断裂条件,且呈现出3个阶段和裂纹稳定扩展。通过本直剪试验研究揭示的端部岩桥破坏特征信息和断裂条件,可对前缘“关键块体”锁固段型岩质边坡失稳破坏评价提供理论依据。     

脆性岩石侧向变形特征及损伤机理研究

进行了三峡花岗岩常规三轴压缩、保持轴向应变和保持轴向应力的卸围压试验,研究了脆性岩石在不同应力路径和不同加载控制方式下的侧向变形特征,可见临界侧向应变均稳定在（?0.004 ? 0.000 5）范围内。进一步进行三峡花岗岩的全过程应力-应变曲线和损伤力学分析,发现脆性岩石在不同应力路径和不同加载控制方式下均以侧向损伤为主,且侧向损伤曲线的形态近似,达到临界破坏状态时损伤值稳定在0.7?0.8左右。最后以侧向损伤变量表征花岗岩脆性破坏过程,建立了基于应变空间的、可以考虑卸荷应力路径的损伤模型和应变型破坏准则。     

端部岩桥直剪破坏试验及断裂条件

以重庆鸡尾山岩质滑坡为代表的前缘“关键块体”型滑坡具有较强的隐蔽性,研究“关键块体”前缘锁固段岩桥的破坏性质对滑坡预警具有重要意义。以鸡尾山滑坡地质条件为基础,在岩样端部预制不同长度边缘裂缝,填入软弱材料,形成软弱夹层节理,在不同法向压力下进行直剪试验,分析了前缘端部岩桥的裂纹扩展规律、块体剥落特征信息和岩桥断裂条件,提出了临滑阶段剪应力变化率k值。试验结果表明:软弱夹层节理长度对岩桥破坏模式和块体剥落剧烈程度有重要影响,且端部岩桥越长,破坏前临滑阶段剪应力增速k值越小。端部岩桥破坏模式为剪切破坏、拉剪破坏和张拉破坏,且不同破坏模式决定了相同节理岩桥块体剥落的剧烈程度。岩桥块体剥落点与破坏点剪应力比值百分数平均值为79.5%～92.2%,且端部岩桥临滑阶段时间快慢依次为短节理慢、中间节理居中和长节理快。端部岩桥三种破坏模式满足一定断裂条件,且呈现出3个阶段和裂纹稳定扩展。通过本直剪试验研究揭示的端部岩桥破坏特征信息和断裂条件,可对前缘“关键块体”锁固段型岩质边坡失稳破坏评价提供理论依据。     

端部岩桥直剪破坏试验及断裂条件

以重庆鸡尾山岩质滑坡为代表的前缘“关键块体”型滑坡具有较强的隐蔽性,研究“关键块体”前缘锁固段岩桥的破坏性质对滑坡预警具有重要意义。以鸡尾山滑坡地质条件为基础,在岩样端部预制不同长度边缘裂缝,填入软弱材料,形成软弱夹层节理,在不同法向压力下进行直剪试验,分析了前缘端部岩桥的裂纹扩展规律、块体剥落特征信息和岩桥断裂条件,提出了临滑阶段剪应力变化率k值。试验结果表明:软弱夹层节理长度对岩桥破坏模式和块体剥落剧烈程度有重要影响,且端部岩桥越长,破坏前临滑阶段剪应力增速k值越小。端部岩桥破坏模式为剪切破坏、拉剪破坏和张拉破坏,且不同破坏模式决定了相同节理岩桥块体剥落的剧烈程度。岩桥块体剥落点与破坏点剪应力比值百分数平均值为79.5%～92.2%,且端部岩桥临滑阶段时间快慢依次为短节理慢、中间节理居中和长节理快。端部岩桥三种破坏模式满足一定断裂条件,且呈现出3个阶段和裂纹稳定扩展。通过本直剪试验研究揭示的端部岩桥破坏特征信息和断裂条件,可对前缘“关键块体”锁固段型岩质边坡失稳破坏评价提供理论依据。     

裂隙黄土边坡三维稳定性极限分析

黄土边坡中竖直裂隙的发育往往会对边坡稳定产生影响。相对于平面应变机制,建立三维破坏机制下边坡稳定性分析方法更能接近实际边坡失稳情况。基于塑性极限分析上限法,考虑预先存在竖直裂隙的三维黄土边坡不同破坏机制（坡面破坏、坡脚破坏和坡底破坏）,建立能量平衡方程及其无量纲临界高度值γH/c表达式,采用随机搜索法得到了临界高度的上限解。分析了约束宽度、边坡坡度、内摩擦角以及裂隙深度对三维竖直裂隙黄土边坡临界高度值的影响。结果表明：对于坡脚破坏机制,临界高度值随着裂隙深度的增加而减小,减小至临界裂隙深度 (δ /H)_min后,裂隙深度的增加不再影响临界高度值;临界裂隙深度随着坡度β 的增大而增大,随着内摩擦角φ 的增大而减小。当约束宽度B/H<0.8时,大多数破坏机制为坡面破坏。当约束宽度B/H=0.8、内摩擦角φ =10° 及约束宽度B/H=0.6、内摩擦角φ =15° 时,边坡的破坏从坡面破坏机制逐渐过渡到坡脚破坏机制。存在竖直裂隙的黄土边坡比完整边坡具有更小的临界高度,约束宽度及内摩擦角会对三维黄土边坡破坏机制产生影响。     

岩桥直剪细观破坏特征与剪胀效应研究

节理岩体的剪切贯通机制影响着边坡的稳定性。为揭示锁固段型非贯通节理岩体在不同连通率和法向应力下的破坏特征,在室内直剪试验中结合高速摄影与AE特征参数分析其剪切全过程及剪胀效应。结果表明:节理岩体直剪试验中,法向应力的增大及节理连通率的下降会致使峰值剪切应力及峰值剪切位移增大;节理连通率与法向应力对其破坏特征具显著影响,表现为节理连通率较高且法向应力较小时呈直接剪断的特性,节理连通率降低后呈拉剪复合破坏,出现剪胀现象,而法向应力的增大使得剪胀效应呈波动现象;AE特征与岩桥贯通过程一致,事件数峰值随节理连通率的降低及法向应力的增大而增大且位于峰后。试验得到的岩桥细观破坏特征与剪胀效应对研究锁固段型岩质边坡的贯通破坏机制具指导意义。     

锁固段之间的力学作用模式

天然锁固段主控锁固型斜坡稳定性和构造地震演化过程,其按照承载力从低到高的次序依次断裂（宏观破坏）。因此,研究某一锁固段断裂时下一个锁固段的力学响应机制,对预测后者的断裂行为具有重要意义。研究表明,锁固段在体积膨胀点处产生的高能级特征破裂事件（标志性事件）可作为该点的判识标志,亦为锁固段的断裂前兆。我们构建了剪切作用下断层中包含两个锁固段的力学模型,基于理论分析和数值模拟讨论了具有不同承载力的锁固段组合导致的力学行为,指出天然锁固段之间的力学作用遵循强作用模式,即当前锁固段被加载至峰值强度点时,再经历一个可忽略的剪切位移增量或应变增量,伴随的荷载转移可使下一个锁固段演化至其体积膨胀点。该模式能够合理解释多种地震观测现象和实验结果。     

露天矿高陡边坡稳定性研究现状及发展趋势

在收集整理国内外相关资料的基础上,从边坡稳定性分析方法、边坡监测、预测预报方法等方面总结了目前边坡稳定性研究方法及预测预报研究现状,分析露天矿边坡的工程特点,指出当前露天矿边坡稳定性研究存在的问题,提出“边坡岩体渐进损伤破坏是边坡岩体失稳前兆本质特征”这一学术思路,认为边坡稳定性及预测预报研究发展趋势为建立基于微震监测信息反演的边坡岩体内部损伤演化模型,提出露天矿边坡岩体强度参数识别表征方法和动态稳定性评价方法,寻求边坡失稳过程岩体内部“空间”损伤劣化的微震活动性、强度弱化与边坡动态失稳之间的联系,以微震前兆信息和边坡岩体强度储备系数为失稳判据,实现露天矿边坡稳定性动态分析预测     

The Dynamic Evaluation of Rock Slope Stability Considering the Effects of Microseismic Damage

A state-of-the-art microseismic monitoring system has been implemented at the left bank slope of the Jinping first stage hydropower station since June 2009. The main objectives are to ensure slope safety under continuous excavation at the left slope, and, very recently, the safety of the concrete arch dam. The safety of the excavated slope is investigated through the development of fast and accurate real-time event location techniques aimed at assessing the evolution and migration of the seismic activity, as well as through the development of prediction capabilities for rock slope instability. Myriads of seismic events at the slope have been recorded by the microseismic monitoring system. Regions of damaged rock mass have been identified and delineated on the basis of the tempo-spatial distribution analysis of microseismic activity during the periods of excavation and consolidation grouting. However, how to effectively utilize the abundant microseismic data in order to quantify the stability of the slope remains a challenge. In this paper, a rock mass damage evolutional model based on microseismic data is proposed, combined with a 3D finite element method (FEM) model for feedback analysis of the left bank slope stability. The model elements with microseismic damage are interrogated and the deteriorated mechanical parameters determined accordingly. The relationship between microseismic activities induced by rock mass damage during slope instability, strength degradation, and dynamic instability of the slope are explored, and the slope stability is quantitatively evaluated. The results indicate that a constitutive relation considering microseismic damage is concordant with the simulation results and the influence of rock mass damage can be allowed for its feedback analysis of 3D slope stability. In addition, the safety coefficient of the rock slope considering microseismic damage is reduced by a value of 0.11, in comparison to the virgin rock slope model. Our results demonstrate that microseismic activity induced by construction disturbance only slightly affects the stability of the slope. The proposed feedback analysis technique provides a novel method for dynamically assessing rock slope stability and can be used to assess the slope stability of other similar rock slopes.     

基于岩体劣化顺层灰岩岸坡滑移-弯曲失稳机理和评价

三峡库区在高程145~175 m之间周期性水位调控,促使库区灰岩岸坡劣化损伤加剧、稳定性衰减。本文结合巫峡段顺层灰岩岸坡“滑移-弯曲”破坏实例,基于弹塑性板翘曲模型,考虑岩体动态劣化概念,结合广义H-B准则中GSI(t)岩体参数动态指标,推导得临界挠曲段平衡方程。与传统静态计算方法相比,适用性更广,可以考虑岸坡随劣化时间t动态演化过程,更加符合工程实际。结果表明:随着劣化进行临界挠曲段l_cr逐步降低,岸坡稳定状态变差,下滑推力F逐步增大,抗弯刚度K逐渐减小,也正是这两方面因素导致l_cr快速降低。由于岩体劣化函数GSI(t)为指数劣化形式,故l_cr呈现出快速降低并趋缓直至逼近一定值,该区段为岸坡防治的“关键区段”;随着岩层倾角α增大,l_cr与相对板长比RPL快速降低,随着岩层厚度h_i增大,l_cr与RPL缓慢变大,α对l_cr与RPL的影响明显大于h_i。且岸坡l_cr快速下降角α大约在40°~60°,可作为类似顺向岸坡是否容易滑移-弯曲失稳的地质判据。本文推导的考虑岩体劣化的临界平衡方程,以三峡库区青石6号岸坡为例进行了计算、论证。可为其他类似顺层岸坡损伤演化计算提供借鉴,不同之处在于确定具体岸坡损伤劣化的GSI(t)函数式。     

基于离心试验的反倾层状岩质边坡内非贯通性裂缝变形特性分析

坡体内不同部位结构面间岩桥断裂扩展导致了反倾层状岩坡的破坏。为研究坡体内非贯通性裂缝断裂扩展对坡体演化的控制作用,以苗尾水电站右坝肩倾倒变形体为地质原型,开展含多组非贯通性裂缝的反倾层状岩质边坡离心模型试验,分析反倾层状岩质边坡内非贯通性裂缝变形特性。结果表明:（1）坡体内含非贯通性裂缝的岩层断裂最终呈现为裂缝间岩桥贯通、缓倾裂缝与上岩层贯通、陡倾裂缝与下岩层贯通、陡倾裂缝与缓倾裂缝端口处贯通及非裂缝处岩层发生断裂等5类裂缝断裂模式,并以裂缝间岩桥贯通为主要断裂模式;（2）基于断裂力学并结合裂缝断裂叠加原理,主折断面处岩层的不稳定系数在坡高1/3处最小,并向坡脚和坡顶两侧逐渐变大,而应力强度因子由坡高1/3处向坡脚和坡顶处逐渐变小;（3）裂缝的断裂扩展控制着坡体演化,并受裂纹率及裂缝周围的尖端应力场影响较大。在坡体演化初期,以坡体后缘压缩沉降和局部岩层裂缝压剪破坏为主,岩层倾角发生较大变化,呈现由坡体上部往下逐级变大的趋势;演化中期,坡体后缘裂缝扩展形成主折断面,坡体中上部岩层角度变化较大,裂缝断裂数目的继续增加;演化末期,裂缝断裂数目保持平稳,主要以断裂岩层的位置重分布为主要变形特征,次级折断面形成,破碎岩层之间进一步被压缩,坡体进一步发生失稳破坏。     

Sandbox Experimental Study on the Influence of Rock Strength and Gravity on Formation of Thrusts

INTRODUCTIONRock deformation is normally explained by tec-tonic stress as rock deformation results fromthe tec-tonic stress field. The classic tools that explainedfracture mechanisms were the Coulomb shear fracturerule and the Anderson mode derived fromit (Zhu,1999) . More and more studies have shown that it isdifficult to explain rock deformation in a large strainrange using only the Coulomb shear fracture rule( Waltham,2002 ; Gutscher et al .,2001 ; Tikoff andWojtal ,1999) . As a ver…     

基于底摩擦试验的硬岩岩质边坡变形过程及破坏机制研究

针对不同倾向、不同倾角条件下,边坡变形破坏特征不同但缺乏相互对比分析研究的现状,在充分考虑硬岩岩质边坡变形破坏特征的基础上,配制硬岩相似材料,采用底摩擦试验方法,分析不同倾向、不同倾角边坡变形破坏模式,并借助PIVlab技术进行分析。结果表明:顺倾和反倾边坡变形破坏模式和破坏范围有明显区别。在45°坡度条件下,当顺倾边坡倾角由30°→45°→60°→80°转换时,变形破坏模式由滑移-拉裂→轻微滑移-弯曲（或滑移-剪切）→未有明显变形（整体稳定）→浅表部倾倒-拉裂逐渐演化。在45°坡度、反倾边坡条件下,变形破坏模式由岩层倾角30°和45°条件下无明显变形,逐渐向60°和80°条件下的倾倒-拉裂演化。当岩层倾角较陡时,反倾边坡破坏范围相对顺倾边坡更大,倾倒弯曲转折端更深。PIVlab结果反映出不同结构边坡条件下,不同位置的速度和位移矢量特征不同,且与宏观观察结果相吻合。研究成果能够为同类边坡的稳定性评价和治理设计提供一定参考。     

蓄水期坝肩岩质边坡微震活动性及其时频特性研究

以锦屏一级水电站左岸坝肩边坡微震监测数据为基础,研究蓄水期微震活动性规律,利用S变换（ST）对波形进行分解,并将其应用于左岸坝肩边坡蓄水期与施工期的微震波形处理,以研究其岩石微破裂信号的时频特性。研究表明,(1) 微震活动性与地质构造及蓄水活动密切相关,与施工期相比,蓄水期坝肩边坡岩体趋于稳定状态;(2) S变换综合了短时傅里叶变换（STFT）与小波变换（WT）的优点,其在微震等非平稳信号的时频分析中具有独特的优势;(3) 时频特性与波形特征相比更加稳定,基于S变换的微震波形分解能较好的揭示波形中包含的震源破坏信息;(4) 与施工期相比,左岸坝肩边坡岩石微破裂信号在蓄水期频率升高,持续时间减小,单震型微震事件比例增大,主要是由于在蓄水期左岸坝肩边坡岩体整体性和强度提高,岩体趋于稳定,从而使微震信号表现出不同的时频特征。微震时频参数可以反映岩体的内部微破裂信息,并为其稳定性分析提供参考。     

简谐振动荷载下锚杆加固岩质边坡的受力分析

基于块体动力学方法,考虑简谐振动地震波作用,根据Pseudo-static分析原理建立动力荷载下的锚杆支护边坡简化模型,采用解析方法对求得谐振作用下沿滑移面滑移的边坡破坏运动解以及锚杆内力解的表达式,在此基础上,提出可适用于抗震设计的锚杆受力解答。通过锚杆支护边坡的参数影响分析表明,地震波的频率对破坏体的滑动位移幅值有较大影响,在锚杆加固边坡设计中应避免免引起共振现象;锚杆间距对位移振动幅值影响也较大,随着间距的增大,位移幅值也增大;当锚杆间距一定时,随着坡高的增大,边坡滑动位移幅值增大幅度相较其他参数影响较小;随着边坡岩石边坡角度的增大,位移幅值也随之增大,下边坡角度从60°增大到90°时,位移幅值由7 cm增大到25 cm;上边坡坡度超过25°时,位移幅度急剧增大,在设计和施工中应当引起重视。     

基于小波分析的岩石节理剪切特性研究

岩体工程中,节理面的轮廓特征是决定节理岩体剪切特性的重要因素,既往研究发现节理的表面轮廓可分解为一阶大起伏和二阶小凸起,且两者在剪切特性中发挥不同的作用。为了定量分析两阶表面特征对节理剪切强度的影响,本文通过小波分析法分解节理表面,并利用二维颗粒流数值模拟结合直剪试验验证,研究了具有不同起伏角(4°、8°、12°、16°、20°)波形节理面的细观破坏模式以及波面参数对剪切特性的影响规律。结果表明,波长对剪切强度影响较小,而起伏角是决定节理剪切强度的关键因素,随着起伏角增大剪切强度和摩擦角线性增大; 直剪切过程中裂纹数量随法向应力的增大而增加,以拉伸裂纹为主; 一阶大起伏与二阶小凸起的波形起伏角和摩擦角正相关。以上研究成果为预测节理岩体强度提供了理论支撑,对保障边坡、隧道等岩体工程的安全稳定性具有参考价值。     

岩石破裂声发射关键特征信号优选方法

岩石破裂过程的声发射中大量的低能常规信号易将少量的高能关键信号特征规律淹没,不利于前兆特征分析和灾变预警。从岩石破裂失稳预警角度出发,以提取影响岩石结构稳定的关键破裂事件声发射信号为目标,提出了岩石破裂失稳关键特征信号的识别准则及其定义。构建了基于信号能量贡献率的岩石破裂关键事件声发射信号的优选方法,并针对花岗岩、大理岩、煤岩和粉砂岩进行了岩石破坏失稳的声发射监测试验验证。试验结果表明,新方法能有效提取岩石破裂过程中影响岩石整体稳定的关键声发射信号,具有一定的普适性。着重从声发射事件率突降、相对平静期和累计能量急升跃阶等前兆特征对优选后岩石破裂关键特征信号进行了一致性检验。检验结果表明,优选后的关键特征信号与上述前兆特征高度一致,并能够有效地提高后期声发射特征参数计算效率,方法有效可行。