石灰岩声发射特性及其演化规律试验研究

为定量描述不同应力条件下岩石材料声发射特性及其特性演变规律,分析不同应力条件下岩石声发射参数与应力、变形的量化关系,对广西高峰矿石灰岩进行了单轴压缩、拉伸和劈裂条件下的声发射特性试验,在此基础上将模糊自相似分维概念引入岩石的声发射试验分析中,就不同应力条件下岩石声发射所表现出的自相似规律进行了研究。研究表明:在压应力作用下石灰岩声发射出现短暂的"钝化期",其声发射事件率及能量率模糊容量维记数曲线出现了"最小—回升"现象;在劈裂条件下石灰岩声发射事件频发且其声发射参数序列同样存在模糊自相似容量维特性,但其模糊容量参数的演化过程未能观测到"最小—回升"现象;在直接拉伸试验中,由于"胶结、引力"材料声发射活动具有瞬发性,不易监测,本次试验可测范围内无法计算其分维数,因此在拉伸条件下岩石试样是否具有自相似性演化规律还有待于进一步的研究。     

岩溶隧道顶板安全厚度的理论探讨与工程应用

在岩溶区隧道施工中,隧道顶部既有较大尺度溶洞引起的隧道顶板跨塌是威胁隧道施工的主要问题之一。从隧道施工引起的既有溶洞与隧道间岩层的受力,岩层力学性质和围岩水文地质条件变化出发,分析了隧道施工中影响岩层稳定的主要因素,在此基础上将隧道顶部既有较大尺度溶洞引起的隧道施工期顶板的破坏问题归结为两端简支或4边固支薄层岩板的失稳问题,建立了相应的力学分析模型。采用弹性板理论,对不同力学模型的受力状态进行分析,推导了建立在岩体抗拉和抗剪强度准则基础上的岩溶隧道顶板岩层最小安全厚度计算公式。采用该公式对武都水库导流洞既有溶洞影响下典型洞段隧道顶板稳定性进行分析,跟踪施工调查的顶板稳定情况性态验证了公式的适用性。     

顶部既有隐伏溶洞对圆形隧道稳定性影响的数值分析

隧道穿越岩溶区施工中,既有隐伏溶洞因其具有的隐蔽洞使得在工程上不能事先采取安全措施,易遭受猝不及防的破坏,给隧道施工和运行造成了很大的安全隐患,危害性较大。针对隧道穿越岩溶区大部分常见中、小尺度既有隐伏溶洞引起的岩溶隧道稳定性问题,采用数值试验方法,系统分析了隧道顶部不同尺度和距隧道不同距离的既有隐伏溶洞对圆形隧道围岩应力、位移和支护结构内力的影响,分析了隧道顶部既有隐伏溶洞引起的隧道围岩塑性区的变化特征。在数值试验基础上,对顶部隐伏溶洞引起的隧道位移变化规律内在机制进行分析。研究表明,一定范围内的大尺度既有顶部隐伏溶洞将引起隧道位移的增加和隧道围岩拉应力的增加。研究结果可为岩溶区隧道建设提供必要的技术支持,对岩溶区隧道设计与施工的科学化、定量化具有直接的推动意义。     

岩石及类岩石材料的劈裂拉伸与直接拉伸强度

采用自行研制的岩石直接拉伸实验装置,对7种（组）岩石和2组混凝土试样进行了直接拉伸和劈裂法（巴西法）间接拉伸试验。试验结果表明,所有岩石和混凝土试样的劈裂拉伸强度SB均大于直接拉伸强度ST,比值SB/ST的范围,在1.06到1.97之间;直接拉伸强度的偏差系数,通常大于劈裂拉伸强度的偏差系数。根据Sundaram等人对圆盘劈裂试验试样内应力分布的有限元分析的结果,当岩石的拉伸弹模ET小于压缩弹模EC时,试样中实际的应力会与经典弹性力学公式所得结果（EC=ET时的情形）不同,需要进行修正。据此对有关岩石的劈裂拉伸强度进行了修正,并发现,在所试验的岩石中,虽然部分岩石的ET与EC的数值相差不大,其SB/ST比却最高。这说明,拉伸与压缩弹模的差别不是造成两种拉伸强度差别的唯一原因。     

桥基隧道明挖施工多元信息集成智能方法与应用

针对大连地铁香工街车站明挖施工邻接桥桩的问题,构建施工远程信息自动化监测体系,进行静力水准仪、电子测斜仪、电子轴力计等传感器布置,获得施工过程多元信息。基于Visual C#.Net平台自主开发了集成智能分析系统,引入支持向量机和差异进化算法,建立三维力学参数反分析和时间序列预测方法。该软件系统包括数据操作、反馈分析、数据报警和可视化输出的模块。将该方法系统应用于大连地铁香工街车站施工过程,进行多元信息采集,利用实际监测的信息数据,调用系统差异进化算法进行第2层和第3层岩石弹性参数搜索,反馈计算值与监测值的最大相对误差为8.23%,进而简化了倒换撑方案。然后通过对QCJ-13-01桥墩监测数据的DE-SVM非线性时间序列预测和超前报警,及时采取隔离桩措施,有效地控制了桥桩变形。该方法系统集自动化远程监测硬件技术和计算智能分析功能于一体,为类似复杂地下工程信息化施工提供先进有效的途径。     

加载速率影响下类硬岩声发射及破裂响应特征

为明确硬岩破坏失稳过程中的声学及破裂响应特征与加载速率相关性,对不同加载速率下类硬岩岩样进行单轴压缩试验及声发射测试,分析类硬岩力学参数特性、声发射现象及破裂响应特征,并基于声发射特征获得类硬岩破坏前兆预警信息。结果表明:类硬岩的峰值强度、弹性模量和峰值应变具加速率效应;随着加载速率增大,力学参数总体呈指数函数增长,相对低加载速率下(0.10~0.15 kN/s)的增长速率较快而在相对高加载速率下(0.20~0.25 kN/s)的增长速率略有减缓;声发射参数演化呈阶段性增长趋势,最大增幅与加载速率呈正相关;随着加载速率增大,AE幅度和幅度密度逐渐增大,AE振铃计数由低值低频向高值高频转变,AE能量由孤震型向群震型转变;加载速率对破裂模式及破碎形态具有明显影响,随着加载速率增大岩样由剪切破坏逐渐向拉伸剪切复合破坏、拉伸破坏演变,破裂程度增大并逐渐表现出岩爆倾向;声发射b值随加载时间增大经历了先上升、后波动、最后下降的演化阶段,呈逐渐减小趋势;类硬岩的临界破坏前兆点(b值)为0.68,声发射前兆信息的预警时序由大到小为累计振铃计数、累计能量、b值,具有良好的时效性和可靠性。研究成果对揭示硬质围岩体力学特征和破坏前兆信息预警提供一定参考。      

石灰岩声发射特性的试验研究

采用SYB-4声发射仪和岩石声发射参数动态测试系统,对广西高峰石灰岩进行了单轴压缩条件下的声发射试验,研究了石灰岩在单轴加载过程中声发射活动随时间和岩样应力、变形等变化的内在规律,在此基础上分析了石灰岩的破坏机理。试验研究表明:除加载初期外,石灰岩声发射活动与试样体积变形间有较好的关联性,岩样中微裂纹形成和原有裂纹扩展是造成岩石声发射活动与体积变化的主要原因。因此,采用声发射技术可对矿山采场矿岩体变形稳定性进行监测和评价。      

岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型研究(Ⅰ):模型建立及其数值求解程序

在地下水渗流场、应力场、损伤场的耦合作用下更易造成隧道围岩坍塌或涌水等灾害。首先,将围岩材料视作各向同性连续介质,基于Drucker-Prager准则建立岩石弹塑性损伤本构模型,采用完全隐式返回映射算法实现弹塑性损伤本构方程的数值求解。其次,以上述研究为基础根据岩石处于弹塑性状态时渗透系数动态演化公式,建立岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型,并给出三场耦合情况下的数值求解迭代方法。针对耦合模型中涉及参数较多且不易测定的问题,基于差异进化算法原理建立智能反分析方法,对耦合模型中的损伤参数进行反演。最后,利用C++语言编制相应的岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合程序和参数反演程序,利用所编程序进行以下计算:(1)对智能反分析程序的性能、正确性进行分析,对比不同差异策略、交叉因子、变异因子的反演精度和收敛速度。(2)分别采用弹性模型和弹塑性损伤模型进行隧道围岩位移场、应力场的计算。(3)不考虑力学作用的情况下进行孔隙水压力、渗流量的计算。(4)采用所建耦合模型计算得到隧道围岩应力场、渗流场以及损伤场的相互影响规律。研究结果表明,基于差异进化算法的智能反分析程序能够较好地解决耦合模型中损伤参数不易确定的难题,为实际工程中获得不易测定的计算参数提供了有效的方法,同时所建立的耦合模型通过应力、渗流和损伤的相互作用更能够真实地反映出岩石材料的宏观破坏现象,所编计算程序能够模拟地下水渗流场、应力场、损伤场之间的耦合特性,为受地下水影响严重的工程建设提供了方法,研究结论为后期对实际隧道工程进行耦合计算奠定基础。     

循环荷载作用下盐岩微观结构变化及经验疲劳模型

为研究盐岩在循环荷载作用下的疲劳特性和微观结构变化,对盐岩试件展开了不同上限应力下的单轴疲劳试验;同时,利用SEM和NMR设备观测了盐岩试验前后的微观结构。结果表明：循环荷载作用下,盐岩内部裂纹发育以晶间裂纹的生成为主,且裂纹数量随上限应力比（上限应力与单轴抗压强度的比值）增大而增加。循环荷载作用后（12 000次循环）,盐岩内部大孔隙和总孔隙数量增加,小孔隙数量减少,且大孔隙和总孔隙增加的数量及小孔隙减少的数量均随上限应力比增大而增加。上限应力比为0.40且荷载循环次数N≤2 000次时,盐岩内部小孔隙、大孔隙和总孔隙数量均随荷载循环次数增加而增加;但小孔隙数量的增长速率大于大孔隙,此时盐岩孔隙结构变化以小孔隙萌生为主。上限应力比为0.40且荷载循环次数N >2 000次时,盐岩内部大孔隙和总孔隙数量仍随荷载循环次数增加而增加,而小孔隙数量不断减少,此时盐岩孔隙结构变化以大孔隙生成为主。通过求解S形函数反函数的方法,建立了一个形式简单、参数少,且能够描述盐岩累计不可逆变形发展全过程的经验疲劳模型,并利用盐岩疲劳试验结果验证了模型的合理性。