花岗岩变形破坏过程中不同细观组分的分形特征

岩石变形破坏过程取决于不同细观组分的变化,可以用分形特征来反映。根据单轴压缩试验时拍摄的试验视频,把花岗岩变形破坏过程分成变形阶段、破坏时裂隙较少、破坏时裂隙较多等三个阶段,采用阈值分割法得到不同组分的实际分布,采用盒维数法计算简单分形维数,采用广义和多重分形谱分别表征广义和多重分形维数,研究了不同细观组分分形维数的变化情况。结果表明,在变形阶段,黑云母和长石简单分形维数基本稳定、但石英的变化较大,长石和石英不均匀指数基本稳定而黑云母的变化较大;在破坏阶段、裂隙较少时,黑云母和石英简单分形维数突然增大、但长石的却突然减小,黑云母不均匀指数和形状指数突然减小、但长石和石英的却突然增大;在破坏阶段、裂隙较多时,三种组分的形状指数变化都较大。研究成果对分析岩石变形破坏机理具有一定的参考价值。     

复杂应力条件下围岩破坏的细观特征研究

在地质环境下,岩石表现出众多复杂的工程特性和现象,且都与其内部微细结构的形态和变化有关。定量给出岩石细观结构特征参数并研究其与宏观力学作用之间的关系,能够进一步了解岩石的力学变形特性。对某水电站引水隧洞围岩大理岩试样破坏断裂断口采用电镜扫描,得到断口处的SEM大量信息,然后利用计算机图像处理分析技术,借助模式识别理论,以微细结构要素的信息提取和量化为主要的研究内容,探讨了岩石微细结构与宏观力学行为的关系。通过定量的岩石细观结构试验研究,从细观尺度了解岩石破坏机制具有重要意义,对分析和评价岩石的工程性质及其对工程建设的适应性也有着明显的现实性。     

水-应力作用下软岩细观结构摩擦接触分析

针对我国南方地区红层软岩变形破坏特点,在典型软岩细观结构显微观察试验基础上,概化出其细观结构模型,据此探讨软岩骨架颗粒摩擦接触关系,包括直接和间接摩擦接触两种关系:(1)直接摩擦接触分为静摩擦接触和动摩擦接触两个过程考虑,静摩擦接触中的最大静摩擦系数会随着实际接触面积、法向荷载、停留时间增大而增大;动摩擦接触中的动摩擦系数则随着速度突然增大而增大。(2)间接摩擦接触作用主要体现在黏土矿物的抗剪强度上,其主要由充填其间的黏土矿物颗粒间的摩擦系数和黏结强度决定。在此基础上,研究水对软岩骨架颗粒摩擦的弱化作用:水的弱化作用主要体现在对骨架颗粒接触应力的改变和黏土矿物本身的弱化效应,具体表现为水作用下骨架颗粒与黏土矿物间的接触应力降低、黏土矿物的黏聚力和内摩擦角减小。这一弱化效应将有效降低软岩骨架颗粒间的摩擦力,从而造成软岩结构强度降低,使得破坏过程更容易发生。以上分析可以在一定程度上反映软岩三轴压缩试验过程。     

温度循环作用下深埋隧洞围岩细观结构的定量描述

高温作用和温度循环作用是岩石力学发展面临的新课题。从经历温度循环的裂隙岩体的微裂隙扩展机制研究入手,采用SEM仪器进行了各温度下大理岩断口细观结构试验。基于统计学理论,从细观层次对不同温度下的岩石断口微裂隙参数数据统计分析,得到了岩石微裂隙几何参数在不同温度下的分布概型,并运用Monte-Carlo随机模拟的方法,再现微裂隙在工程岩体中的分布。进行了二维裂隙网络模型的分形计算,分析不同温度条件下岩石细观损伤的分维数及其演化的分形特征,为从传统的力学方法来探索岩石内部介质的微观变化提供了理论依据和参考。     

循环扰动和高温作用下砂岩的岩爆倾向性及破坏特征研究

为了揭示循环扰动和高温影响下砂岩的岩爆机制,开展了循环扰动和高温作用下砂岩单轴压缩试验和CT扫描试验,研究了不同条件下砂岩的力学特性、岩爆倾向性及破坏特征,探讨了岩爆倾向性与破坏特征的关系。研究结果表明：循环扰动和高温对砂岩的力学性能及岩爆倾向性影响效果显著;无循环扰动砂岩的单轴抗压强度、弹性模量及岩爆倾向性随温度的升高呈先增加后降低的趋势,200℃为该类砂岩的阈值温度,受循环扰动砂岩的力学特性及岩爆倾向性随温度的上升而降低;而砂岩的力学特性及岩爆倾向性随循环应力幅值增加而下降;随着循环应力幅值和温度的增加,砂岩破坏模式由劈裂破坏向剪切破坏转变,同时砂岩的岩爆倾向性与裂隙三维分形维数呈良好的负相关关系;此外,高温对砂岩的力学性能、岩爆倾向性及破坏程度影响效果强于循环扰动。研究结果可为高温工程岩爆防治提供理论依据和工程参考价值。     

流态化多级速度梯度混凝反应对絮体的保护作用

多级速度梯度的建立理论上可为絮体的成长创造更理想的环境。目前对流化床混凝工艺的研究多是基于单级速度梯度开展的。以粒径为800 μm 和1 200 μm的树脂颗粒为固相,建立多级速度梯度流化床混凝装置,探讨絮体的成长与形态特征。研究结果表明：在单级速度梯度流化床混凝装置中,当以1 200 μm树脂颗粒为固相颗粒、混凝时间为50.3 s时,絮体发生破碎,混凝效率较混凝时间为41.8 s时降低3%;相同初始填充高度的多级速度梯度条件下,絮体尺寸随着混凝时间的延长而逐渐增加,由5.7 μm成长至70.0~75.0 μm,同时混凝效率也较单级速度梯度下提高了5%~10%。絮体之间的碰撞为絮体成长的主要模式。     

附加应力在土体中传递分布的细观模型

地基土体中,附加应力的研究一直建立在弹性连续介质假设的基础上.但土体是固、液、气三相组成的松散体系,土体结构是由许多个层次组成的复杂系统,它与弹性连续介质相差甚远.为了更准确的反映附加应力的基本规律,本文将从细观结构角度着手,建立应力传递分布的细观模型,研究其产生机理、演化规律,并利用所建模型成功的解释了成层地基中附加应力的集中、扩散现象.     

基于分形方法的多孔介质有效应力模型研究

在充分分析国内外多孔介质有效应力研究基础上,针对石油工程中深层岩石复杂结构特征,应用分形几何理论,分别建立了深层多孔介质岩石有效应力的二维和三维分形计算模型。该模型能反应任意孔隙结构下的应力作用关系,是现有相关有效应力模型的补充和完善。为了现场应用方便,进一步给出多孔介质有效应力分形模型的简化式。实例计算表明,应用简化式计算的有效应力值误差在7％以内,可以满足油田现场的要求,并且应用简化式有利于应用测井数据获得连续的有效应力剖面。     

地下洞室围岩脆性破坏时的应力特征研究

在高应力作用下,岩爆、钻孔崩落、片帮都是地下空间硬脆围岩中常见的破坏现象,这三类现象本质上均可归于完整岩体的脆性破坏,它们分别反映了高应力作用下完整岩体不同的破坏程度。通过对前人关于岩爆判据、钻孔崩落判据和片帮应力强度比判据研究成果的类比分析可知,这些脆性破坏现象在破坏时具备相同的应力背景条件。脆性破坏的应力条件可以用地下空间周边切向最大应力与岩石单轴抗压强度之比（ / ）或者工程区最大主应力与岩石单轴抗压强度之比（ / ）来描述,两种指标本质上反映了相同的应力背景条件。对于 / , / = 0.4 ± 0.1是发生脆性破坏的应力临界条件;对于 / , / = 0.15 ± 0.05是发生脆性破坏的应力临界条件。大量的工程实例和基于Hoek-Brown强度准则的力学分析也证明了这一背景条件的正确性。这里两种指标都取了一个范围,主要是由于不同的岩体分级、岩性和工程地质条件会对指标的界定产生较为显著的影响。     

大理岩断裂能与细观结构几何特征相关性

岩石在细观尺度上是由矿物颗粒胶结而成,除细观结构的力学特性外,其几何特征（颗粒界面网络结构和颗粒粒度分布）也对宏观断裂能具有一定的影响。为了探索这种几何特征与大理岩断裂能之间的相关性,从而进一步揭示岩石细观断裂机制,首先通过三点弯曲试验测定大理岩的断裂能,然后在试验后的三点弯试件断口处取岩石切片,进行电镜（SEM）扫描以获取岩石细观结构图像。利用图像处理技术获取岩石细观颗粒的界面网络图。通过对颗粒界面网络图分析,发现颗粒界面网络拓扑结构与颗粒粒度分布具有较强的分形特征。将二者分形维数与试件宏观断裂能相对比,发现它们之间具有很强的相关性。界面网络分形维数与宏观断裂能具有很强的二次相关性,而粒度分布维数与宏观断裂能之间具有较强的线性相关性。宏观断裂能随着两种分形维数的增大而增大。该研究结果揭示了宏观断裂能与岩石细观结构几何特征的相关性,加深了对宏观断裂能细观机制的理解。     

应力波作用下巷道层裂破坏的数值模拟研究

采用LS-DYNA软件,对扰动应力波作用下巷帮围岩层裂破坏结构的形成过程、扰动应力波强度pmax对层裂结构形成的影响进行了有效的数值模拟,得到了一定巷道围岩应力状态下巷帮围岩层裂结构的形状、厚度等特征。结果表明：扰动应力波是形成巷帮层裂结构,继而诱发冲击矿压的重要因素;扰动应力波的强度决定了是否形成巷帮层裂结构及其层裂结构的范围大小。研究结果对揭示煤矿冲击矿压的诱发机理,及采取有效地防治技术具有重要意义     

华东某公路隧洞地应力测量与岩爆可能性浅析

通过华东某公路隧洞3个深钻孔的水压致裂法地应力测量结果,分析并推导得到了隧洞轴线水平面上的应力和隧洞轴线横截面内最大切向应力的估算公式,并用于隧洞形状选择及隧洞开挖时岩爆可能性判断。认为测区应力以水平作用为主,在测试深度域内最大水平主应力的数值在4.69~14.07MPa,优势方向约N61°W,用应力估算公式和岩爆判据得出岩爆发生的临界埋深厚度约304m。     

隧道地应力测试及岩爆预测研究

高地应力以及由此诱发的地质灾害（如岩爆等）是目前隧道施工中经常遇到的工程地质问题,地应力测试则是进行隧道岩爆及其其他灾害预测预报的重要内容,利用岩石声发射Kaiser效应测试地应力应用较为广泛,作者采用岩石声发射Kaiser效应法对隧道岩体初始地应力场进行了测试,结果表明,笔架山隧道应力总体状态为稳定型,岩体应力量级普遍较低。利用所测得的地应力场数据,结合国内外相关岩爆判据判定和理论分析,进一步得出笔架山隧道不会发生岩爆的结论。通过2D-σ有限元数值模拟,对笔架山隧道开挖中是否会产生岩爆等施工地质灾害做出了最终的判定,这种综合预测方法的准确性和可靠性较以前单一的岩爆预测方法大大提高,在岩爆预测理论和工程应用方面具有很好的参考价值。     

巷道诱发型冲击地压的发生机制及危险性分析

为了治理巷道诱发型冲击地压发生的灾害,从力学机制方面阐述了巷道诱发型冲击地压发生的静-动应力主导关系,揭示了巷道诱发型冲击地压发生的机制;将煤层巷道的围岩二次静应力和震源产生的动应力叠加,得到了巷道围岩二次应力与不同应力波叠加后的最大主应力和最小主应力表达式。从高应力差和巷道围岩冲击倾向性两方面考虑,提出了巷道诱发型冲击地压发生的判断方法;直接判断出巷道在特定深度、震源在某个位置、产生一定的应力波时,巷道发生冲击地压及冲击范围,并解释了巷道群附近产生大范围冲击的机制,成功分析了山东某煤矿掘进工作面发生冲击的原因。研究结果为分析诱发型冲击地压的危险性提供了理论基础,为治理诱发型冲击地压提供了技术途径。     

中间主应力对隧洞岩爆影响的模型试验研究

为探究隧洞纵轴线方向应力对隧洞岩爆的影响,利用真三轴岩爆试验系统,对含预制圆孔的立方体花岗岩试样进行不同中间主应力条件下的岩爆模型试验,在室内再现了隧洞岩爆过程。试验中采用视频观测系统与声发射系统监测岩爆过程。试验研究结果表明：无宏观破坏、颗粒弹射、岩板劈裂和块片喷射是隧洞岩爆孕育过程主要经历的4个阶段;中间主应力越高,颗粒弹射到块片喷射之间的历时越短,岩板劈裂持续时间越长,块片喷射的持续时间越短且喷射破坏越剧烈;中间主应力越高,在环向第一主应力和纵轴向中间主应力的泊松效应迭加作用下,围岩劈裂破坏越严重,岩爆发生需要的应力水平越高,岩爆发生风险有所降低;但当应力集中水平足够高导致岩爆发生时,岩爆烈度越强。     

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。     

基于剪切梁层间失效模型的断层冲击地压分析

将剪切梁层间失效模型用于分析断层冲击地压的发生,在不考虑断层的弹性时对断层冲击地压进行了解析分析,得到了剪切梁的位移和应力分布规律和断层冲击地压发生时撕开裂纹长度和临界载荷。分析了撕开裂纹长度和临界载荷与各种力学参数之间的关系。研究结果表明：当采深越大,剪切梁的剪切弹性模量越小,剪切梁厚度越厚,断层带剪切软化模量越大;断层带厚度、滑动摩擦系数、剪应力峰值强度越小时,断层冲击地压容易发生。采深、剪切梁的剪切弹性模量、断层带剪切软化模量、剪应力峰值强度、断层带厚度这些参数对断层冲击地压的发生影响较大。其结果为预测、防治断层冲击地压提供了理论依据。     

基于侧压力系数的岩爆区初始地应力场二次反演分析

为准确获得桑珠岭隧址区初始地应力场分布规律,提出在岩爆区初始地应力场的二次反演方法。采用最小二乘法寻优准则对隧址区初始地应力场进行多元线性回归分析,利用叠加原理得到在一次反演下的初始地应力场;采用表面应力解除法测量隧道开挖后的洞壁二次应力,记录发生岩爆的部位并据此判断侧压力系数的大小,与在一次反演下相应位置的侧压力系数进行对比,如果两者都大于或者等于或者小于1,则以在一次反演下计算得到的侧压力系数为基准,以其大小不变作为约束条件对初始地应力进行修正,当采用修正后的初始地应力作为应力边界条件,计算得到隧道开挖后的洞壁二次应力与实测洞壁二次应力最接近时,以此时修正后的初始地应力和原位地应力进行回归得到在二次反演下的地应力场。结果表明：当测量原位地应力的钻孔较少且计算区域较大时,一次反演回归得到离钻孔较远位置的应力计算值与实测值存在一定的误差;二次反演在原位地应力的基础上增加实测洞壁二次应力进行修正,得到离钻孔较远位置的应力计算值与实测值吻合更好,所提出的二次反演方法可为类似工程的研究提供参考。     

岩爆等级判定的距离判别分析方法及应用

将距离判别分析方法应用于岩爆等级判定问题。选用洞室围岩最大的切向应力σθ、岩石单轴抗压强度σc、抗拉强度σt、岩石弹性能量指数Wet作为岩爆等级判定的距离判别分析模型判别因子,以工程中实际岩爆情况及数据作为训练样本,进行分析计算,建立岩爆等级判定的距离判别分析模型。运用该分析模型对国内外工程实际岩爆情况进行判定,判别结果与工程实际完全相符。将该模型应用到诸（暨）永（嘉）高速公路括苍山隧道工程的岩爆情况预测中,判别结果与实际情况相符。研究表明,岩爆等级判定的距离判别分析方法,判别能力强,误判率低,是解决岩爆等级判定的一条有效途径。