支护失效对岩爆弹射破坏影响的真三轴试验研究

利用自主研发的真三轴岩爆试验系统,以灰白色中晶粒花岗岩为研究对象,开展了不同失效支护力、支护失效时机及支护失效速率对岩爆弹射破坏的影响的室内试验。试验中,模拟了地下洞室支护失效前、后的围岩应力路径变化,利用高速摄像系统对岩爆破坏全过程进行追踪与弹射动能测试。结果表明,支护力越大,支护失效时岩爆的弹射动能越大;在轴向应力加载过程中,单面卸除最小主应力的时间越晚,即支护失效越迟,岩爆的弹射动能越大;支护失效速率越大,岩爆弹射动能越大;随着支护失效速率的增大,岩样的破坏模式由脆性开裂静态破坏向岩爆动力破坏转变。     

深部三维圆形洞室岩爆过程的模拟试验

为了模拟深部圆形洞室三维受力情况下岩爆的发生过程,以具有极强岩爆倾向性的花岗岩作为试验材料,利用自行研制的TRW?3000岩石真三轴电液伺服诱变试验机,对含直径50 mm贯穿圆形孔洞的100 mm×100 mm×100 mm立方体花岗岩试样进行了三向不等压加载试验。试验首先模拟1 000 m深度的初始应力环境,以垂直于洞室轴向的水平方向作为最小主应力方向,通过增加竖直方向应力模拟应力调整过程诱发岩爆情况,并借助三维加载岩样内部结构破坏实时视频监控系统监控洞壁破坏情况。试验结果表明,岩爆过程可以划分为平静阶段、颗粒弹射阶段、岩片剥落和爆裂阶段,洞壁两侧中间部位应力集中系数最高,最先产生破坏,然后沿径向向深部发展,最终形成两个对称型的V型槽。圆形洞室洞壁两侧破坏的3个典型受力节点,符合深部工程中统计得到的无支护圆形巷道的远场应力状态与破坏模式之间的关系,达到了模拟的效果。利用现有的4种岩爆判据进行了分析,判别结果与试验过程中拍摄到的洞壁破坏情况基本一致。洞壁的破坏伴随着声发射计数增加和能量升高,岩爆越剧烈,声发射越活跃。     

含预制单裂隙花岗岩的真三轴单面临空岩爆试验研究

通过开展含预制单裂隙花岗岩的真三轴单面临空岩爆试验,并利用高速摄像系统和声发射（acoustic emission,简称AE）系统监测岩爆过程,探究了不同产状裂隙岩石的破坏模式、强度变形和声发射演化特性,分析了裂隙产状与岩爆过程及弹射动能之间的关系,对比了含裂隙岩石岩爆发生机制与无裂隙完整岩石的差异。有关力学特性的分析表明,随着裂隙倾角的减小,岩样破坏模式大体呈现由“内剪外劈”向“Z型斜剪”变化的趋势,裂隙对岩石强度的削弱作用不断增大。当裂隙倾角小于30°时,岩石峰值应力普遍仅为完整岩样的一半左右;小倾角裂隙的长度越大,岩样岩板劈裂现象变得显著,形成岩爆坑略微变大,且强度折减幅度越大,峰值轴向应变相应变小;裂隙位置向临空面靠近会加剧岩板的劈裂效应,塑性阶段普遍会产生较大变形并萌生大量裂纹,当裂隙已出露且切断临空面将不易形成岩爆坑。有关岩爆过程及弹射动能的分析表明,随着裂隙倾角的减小,岩样弹射动能呈现先显著降低后小幅回升的变化规律,30°倾角为转变拐点;岩样内部裂隙距临空面越近,裂隙岩样的弹射动能越小;树脂填充裂隙使得岩样弹射动能极大提升,而水泥填充的则无明显提升。有关声发射特征的分析表...     

板裂化模型试样失稳破坏及其裂隙扩展特征的试验研究

锦屏二级水电站深埋隧洞大量岩爆案例表明板裂化围岩的失稳破坏与岩爆之间具有很强的相关性。采用高强石膏配制满足板裂化围岩结构特征的硬脆性模型试样,通过一侧约束条件下的单轴压缩试验研究板裂化模型试样的失稳破坏过程、强度与变形特性及其裂纹扩展特征。研究表明,（1）板裂化模型试样失稳破坏过程表现出应变型岩爆的特征,其典型的破坏过程为预制裂隙尖端张拉裂纹的萌生与扩展-试样劈裂成板-岩板屈曲变形-岩板压折、岩片弹射;（2）与完整试样相比,含1条、2条、3条预制裂隙模型试样的峰值强度、弹性模量均呈现稳定下降的趋势,而峰值轴向应变则是先减小后增大;（3）试样预制裂隙尖端张拉裂纹的产生会造成：相邻预制裂隙尖端横向应变值的突变、试样侧向变形量的突增以及侧向变形速率的显著增大;（4）临空面附近的预制裂隙,其尖端产生的张拉裂纹在很短的时间内便会失稳扩展,并造成试样的失稳破坏。最后,分析试样变形破坏过程中的声发射特性。研究结果对于揭示深埋硬岩隧洞板裂化围岩的失稳破坏规律、岩爆的发生机制具有重要意义。     

深部硬岩矩形隧洞围岩板裂破坏的试验模拟研究

为了深入认识深部硬岩矩形隧洞围岩板裂破坏的发生机制,利用花岗岩材料加工含预制矩形孔洞（40 mm×40 mm）的立方体试样（100 mm×100 mm×100 mm）,并采用TRW?3000岩石真三轴电液伺服诱变试验机进行了模拟试验研究。模拟试验中首先以深部1 000 m的地应力条件作为初始加载应力状态,保持孔洞径向和轴向的水平向应力不变,然后在竖直向加载直至孔洞两侧洞壁围岩发生破坏,并保证试样整体始终处于稳定状态。加载过程中利用岩样内部结构破坏实时视频监控系统,进行全程的实时记录和监测。试验结果表明,在竖直向为最大主应力和水平轴向为中间主应力的情况下,矩形孔洞两侧洞壁围岩整体发生明显的板裂破坏,破坏区域呈对称状,而顶板和底板始终保持稳定状态。侧壁围岩的破坏方向平行于竖直向,呈现典型的张拉板裂状破坏特征。整个破坏过程划分为平静期阶段、洞壁两侧上下肩角处颗粒弹射阶段、侧壁围岩裂纹扩展阶段和裂纹贯通板裂破坏阶段。当进入到裂纹贯通板裂破坏阶段时,无论是加载还是保载过程,板裂破坏都可能持续发展。试验过程中,试样洞壁两侧围岩的板裂破坏整体上呈现静态破坏模式,而且破坏区域沿水平方向逐渐向洞壁深部发展,最终形成沿轴向的贯穿型对称弧形槽。     

四川康定某深埋隧道花岗岩岩爆物理模拟实验研究

四川康定折多山某隧道因其埋深大、构造应力高度集中,在修建过程中极易产生岩爆.为探索折多山某隧道花岗岩段不同深度条件下岩爆机制,利用真三轴岩爆实验系统,开展了不同深度下的花岗岩岩爆物理模拟实验.借助应力监测、高速摄像和声发射等系统,从声、光、力等多角度研究了折多山某隧道花岗岩岩爆的阶段特征、时间特征、主要破坏方式、裂纹演化等规律.结果表明:折多山花岗岩岩爆具有时滞性特征(time delaying rockburst,TDR),在500~1 100 m不同埋深条件下,约770 m为折多山花岗岩单面临空真三轴强度的临界深度;不同深度下的岩爆有明显阶段特征,可分为平静期、劈裂成板、板折剥落、整体弹射4个阶段;声发射特征揭示折多山花岗岩岩爆主要为张拉破坏,随深度增加,张拉裂纹逐渐增加,剪切裂纹逐渐减少;根据岩爆时应力差与单轴抗压强度比值将折多山花岗岩岩爆分为3种破坏模式:小颗粒弹射破坏、岩板劈裂破坏、岩屑混合弹射破坏;且应力比值$ \left({\sigma }_{v}-{\sigma }_{h1}\right)/{\sigma }_{c} $越大,岩爆烈度越大.      

大埋深高地应力硬岩TBM隧洞围岩破裂变形规律研究

大埋深、高地应力隧洞围岩变形问题是制约TBM隧洞安全及高效施工的关键性因素之一。隧洞埋深大、地应力高、岩石强度高、工程条件复杂,在施工过程中因开挖卸载,围岩变形随时间及应力集中程度不同表现出不同的破裂变形形式,引发拱顶沉降、拱底隆起,严重威胁施工人员及机械设备安全。本文选取引汉济渭工程秦岭隧洞岭北段K45+534.70～K45+701.92区间,分析了围岩破裂形式、隧洞拱肩及拱顶变形特征,探讨了高地应力条件下围岩破裂变形过程,揭示了围岩破裂变形规律及内在机制,提出了高地应力硬岩隧洞围岩破裂变形支护措施。结果表明：大埋深、高地应力围岩在切向应力作用下发生以劈裂为主的张剪破坏,表现为岩爆及静态脆性破坏(片帮、溃屈、板裂)两大类。隧洞围岩破裂变形分为急剧变形、快速变形及缓慢变形3个阶段,前两个阶段可达总变形量的60%～80%;隧洞拱顶变形随应力条件不同可能出现二次甚至三次加速变形,初次加速主要原因为张开裂隙、岩板剪胀及部分岩板挠屈弯折,发生速度快、持续时间短;二次加速主要由岩板挠屈弯折及岩块碎胀引起,变形速度小但持续时间长。针对高地应力隧洞围岩破裂变形特征,提出了包括吸能锚杆、钢筋挂网、钢纤...     

岩爆形成机理研究

提要 本文根据硬质脆性岩石中已开隧道中的岩爆实例，系统论述了岩爆断面、弹射岩块的几何形态特征，岩爆的一般力学和动力学特征以及声学特征，时空效应等。提出了岩爆洞室横断面上的破坏分带为弹射带、劈裂、剪切带、劈裂带；     

不同饱水度花岗岩的真三轴岩爆试验研究

利用真三轴岩爆试验系统,开展了不同饱水度红色粗晶花岗岩的岩爆试验,分析了不同饱水度下岩爆破坏岩样的强度与变形特征、破坏与弹射特征、声发射特性等,探讨了岩石饱水度与岩爆弹射动能的定量关系以及水对岩爆的影响机制。研究结果表明：（1）当岩样的相对饱水度超过0.3,其峰值应力和屈服应力较天然状态的明显降低;（2）岩样饱水度的增加使得岩爆过程中小颗粒弹射减少、小岩片剥落增多、岩板外鼓现象减弱,且岩爆坑体积减小、岩爆碎块的粒径分布由连续分布变为不连续分布;（3）随饱水度的增加,岩爆发生前夕声发射撞击数显著下降的平静期的总历时呈缩短趋势,岩爆发生时刻的声发射撞击数呈增大趋势,且累积绝对能量呈减小趋势、能量释放速度呈放缓趋势,表明岩样塑性破坏特性有所增强;（4）岩爆弹射动能随饱水度的增大而显著减小,二者呈单调线性的负相关关系,水对岩石的作用主要是软化和水楔作用,水的黏性也会对碎块弹射产生影响。     

高应力硬岩卸荷岩爆模式及损伤演化分析

针对岩爆形成机制研究的不足,结合岩爆实例和真三轴加、卸荷试验,分析了卸荷岩爆模式,建立了围岩卸荷岩爆发生劈裂破坏和剪切破坏的损伤变量表达式,即损伤演化方程。结果表明,岩爆破裂演化表现为劈裂和剪切的复合破坏形式,不同之处只是劈裂和剪切哪一个所占的成分更大而已;随着剪切成分的增大,爆坑由呈现平底到弧形甚至三角形或V形;随着应力的增加,岩爆倾向性围岩有一段时间的平静期（无损伤）,具体平静期存在时间的长短与围岩卸荷前后的应力水平有关,损伤一旦开始则加速度明显,具有较强的临界敏感性;劈裂总是优先发生的,围岩卸荷后的应力水平越高含剪切成分越大,岩爆也越强烈。     

考虑初始应力的坑侧土体真三轴试验研究

针对基坑开挖过程中坑侧土体的应力路径,采用真三轴仪进行考虑初始应力状态下侧向卸荷试验,并与常规三轴试验以及轴向加荷真三轴试验结果进行对比分析,结果表明： 曲线类似于常规三轴剪切试验的 曲线,呈双曲线关系;由于中主应力的影响,土体的初始强度得到提高,真三轴加荷试验初始切线斜率总是大于常规三轴试验的初始斜率;在侧向卸荷的条件下,土体可以在相对小的应变下发生破坏,加荷路径下破坏,土体应力强度要大于卸荷路径。     

基于颗粒流程序的真三轴应力状态下堆石体的变形和强度特性研究

采用三维颗粒流程序,模拟了堆石体的真三轴试验,不仅研究了堆石体在三维应力条件下的宏观应力变形特点,而且将细观与宏观参数联系起来,进一步完善了对堆石体的研究。试验过程采用等中主应力比路径加载。通过比较堆石体真三轴颗粒流模型试验和室内真三轴试验结果,表明颗粒流程序能较好地模拟堆石体的力学特性。颗粒流数值试验结果表明,中主应力对堆石体在三向应力状态下的强度和变形特性均有显著的影响。应力比参数b从0～1变化过程中,中主应力面先压缩后膨胀,小主应力面一直处于压缩状态;中主应力对内摩擦角、弹性模量和泊松比也均有影响。从细观上看,围压越高,b值越大,颗粒配位数越大,孔隙率越小,故从细观角度解释了堆石体的宏观应力变形现象。     

粉细砂的真三轴试验与强度特性

采用柔性真三轴仪对上海粉细砂进行了一系列不同中主应力系数条件下的真三轴试验,针对中主应力对粉细砂强度特性的影响进行了系统分析。基于真三轴试验结果对Mohr-Coulomb强度准则的形状函数进行了改进,并采用试验结果对强度准则进行验证。结果表明,建立在真三轴试验基础上的强度准则能更准确地反映砂土三维应力状态下的强度特性。     

应力状态对粗粒料力学特性影响的大型真三轴试验

土石坝所处的应力状态较接近平面应变应力状态或三维应力状态,而常规三轴试验低估了粗粒料的力学性能。应用大型真三轴仪对常规三轴应力状态、平面应变应力状态和真三轴应力状态（ 0.25, 为中主应力系数, 、 、 分别为大、中、小主应力）下粗粒料的力学特性进行了压缩试验研究。试验结果表明：相同小主应力下,常规三轴试验、平面应变试验、真三轴试验的大、小主应力之差与大主应力方向应变的关系曲线依次变高变陡。某一试验加载条件下,体应变随球应力的增大而增大,初始剪切阶段增加较慢,随后呈线性增大,不同小主应力的体应变曲线较为接近。平面应变试验强度和真三轴试验强度比常规三轴试验强度有较大增长,真三轴试验强度增加百分比大于平面应变试验强度增加百分比。初始弹性模量随小主应力的增大呈线性增大。平面应变状态下中主应力系数随大主应力方向应变的增大而增大,初始剪切阶段增长较缓,之后近似呈线性增大。相同小主应力下,从常规三轴应力状态至平面应变应力状态再到真三轴应力状态,小主应力方向应变均为膨胀变形,且膨胀变形依次增大。同一试验加载条件下,小主应力较小时,应力比（偏应力与球应力之比）与偏应变的关系曲线位于上方。     

不同密度粗粒料强度特性的大型真三轴试验

干密度对粗粒料的强度特性有重要影响,特别是三维应力状态下影响更为显著。通过不同密度粗粒料大型真三轴等小主应力等中主应力系数（b=0.25）加载试验和大三轴试验研究了干密度对粗粒料强度特性的影响。结果表明,大型真三轴试验的应力曲线基本呈爬升型,高于和陡于大三轴应力曲线,表现出较强的硬化性;粗粒料强度基本随初始干密度的增大或小主应力的增大呈线性增大;大型真三轴试验强度比大三轴试验强度增大20%～97%,且小主应力越小,强度增大幅度越大;令粗粒料黏聚力为0,则内摩擦角随初始干密度的增大基本呈线性增大,随小主应力的增大而减小;破坏应力比随初始干密度的增大呈线性增大,随小主应力的增大而呈线性减小,大型真三轴试验的破坏应力比小于大三轴试验的破坏应力比。     

锦屏大理岩真三轴岩爆试验的渐进破坏过程研究

为了查明高储能岩体快速卸荷变形破坏机制,设计了锦屏大理岩岩爆试验,对岩爆试件的宏观破坏特征、声发射过程等进行研究。根据以往真三轴岩爆试验特征进行了全程和非全程试验,记录其过程及声发射特征。对比分析两者的宏观破坏特征,解释了岩爆试验的渐进破坏过程。试验结果表明：在大理岩岩爆试验中,岩石试件的宏观破坏是由表及里的;张性裂纹的出现要早于剪切裂纹,剪切裂纹搭接相邻的张性裂纹（或临空面）形成圈闭,圈闭内的岩石碎块出现剥离或以一定初速度弹射;剪切面上岩粉的存在意味着剪切裂纹萌生扩展过程伴随着大量弹性应变能的释放;与其他的岩爆分类和机制相比,岩爆渐进破坏观点能够较好地解释岩爆机制。     

Strength criterion for cross-anisotropic sand under general stress conditions

By incorporating the fabric effect and Lode’s angle dependence into the Mohr–Coulomb failure criterion, a strength criterion for cross-anisotropic sand under general stress conditions was proposed. The obtained criterion has only three material parameters which can be specified by conventional triaxial tests. The formula to calculate the friction angle under any loading direction and intermediate principal stress ratio condition was deduced, and the influence of the degree of the cross-anisotropy was quantified. The friction angles of sand in triaxial, true triaxial, and hollow cylinder torsional shear tests were obtained, and a parametric analysis was used to detect the varying characteristics. The friction angle becomes smaller when the major principal stress changes from perpendicular to parallel to the bedding plane. The loading direction and intermediate principal stress ratio are unrelated in true triaxial tests, and their influences on the friction angle can be well captured by the proposed criterion. In hollow cylinder torsional shear tests with the same internal and external pressures, the loading direction and intermediate principal stress ratio are related. This property results in a lower friction angle in the hollow cylinder torsional shear test than that in the true triaxial test under the same intermediate principal stress ratio condition. By comparing the calculated friction angle with the experimental results under various loading conditions (e.g., triaxial, true triaxial, and hollow cylinder torsional shear test), the proposed criterion was verified to be able to characterize the shear strength of cross-anisotropic sand under general stress conditions.     

真三轴试验中的端部摩擦效应分析

端部摩擦效应是三轴试验的常见问题之一。相对于常规三轴试验,由于在茂木式真三轴试验中方形试样4个端部需设置两对端部垫块,从而导致端部摩擦问题更加突出。运用FLAC3D,针对Mohr-Coulomb材料,即无中间主应力影响材料,模拟真三轴加载过程中端部摩擦对试样强度和变形行为的影响。计算结果表明,端部摩擦也可以产生虚假中间主应力效应,即使对于无中间主应力效应材料,中间主应力也会导致最大破坏主应力的增加,且摩擦系数越大,这种趋势则越明显。分析了端部摩擦产生这种趋势的原因,指出了真三轴试验中减小端部摩擦的重要性。