三维网络结构岩体力学架构与展望

三维网络结构岩体力学是岩体力学的一个分支。根据笔者20余年对裂隙岩体研究的心得,阐述了三维网络结构岩体力学的主要特点、研究对象,基本架构、主要研究内容与未来的展望。将岩体结构控制论归结为材料强度控制、结构类型控制、渗流通道控制和几何边界控制4个方面。技术层面的主要内容包括三维RQD估算、岩体表征单元估算技术、结构块体搜索技术、定向投影岩体结构面三维连通率估算技术以及岩体三维渗径搜索技术等。理论层面主要由球面投影理论、概率统计理论、随机动力学、几何拓扑理论、块体理论、非线性系统理论和裂隙岩体多尺度等效结构模型等构成。强调足量的随机不连续面地质信息的原位统计取样是三维网络结构岩体力学的基础,岩体随机不连续面三维网络数值模拟技术是三维网络结构岩体力学的核心技术。     

块状组合岩体结构力学效应的模型研究

本文对块状组合岩体结构力学效应的模型试验研究进行了介绍,提出了岩体力学的一些新概念和新方法,对岩体工程和岩体力学理论起到一定的作用。     

围岩稳定分析的非线性理论研究

地下工程围岩体具有高度非线性 ,可以借助当代非线性科学研究和预测它的力学行为。应用耗散结构理论、突变论等非线性科学理论研究岩石非线性稳定问题 ,进一步揭示出岩体失稳过程和破坏机理 ,建立符合实际的岩体破坏分析方法和失稳判据     

围岩稳定分析的熵突变准则研究

地下工程围岩体具有高度的非线性,可以借助当代非线性科学研究和预测它的力学行为。应用耗散结构理论、熵及突变论等非线性科学理论研究岩石非线性稳定问题,揭示了岩体失稳过程和破坏机理,建立了符合实际的岩体破坏分析方法和失稳判据。     

基于强度折减法的顺层路堑边坡土钉墙支护结构稳定性分析

将非线性有限元分析和极限分析相结合形成强度参数折减有限元法,可以灵活地分析强度不均匀顺层路堑边坡支护结构稳定性问题。将岩体力学理论、非线性有限元分析技术和强度折减系数法相结合,对顺层岩体路堑边坡稳定性进行分析。在对密集假设节理有限元模拟中,假设节理在岩体内连续分布,采用连续介质力学方法建立密集分布节理岩体材料模型。采用强度折减系数法计算岩体结构安全系数,建议采用给定的岩体强度参数计算节理岩质边坡开挖、支护完毕后的内力,再逐渐降低岩体强度参数进行岩体边坡非线性有限元分析,直至岩体边坡达到极限状态,从而求出岩质边坡安全系数。采用该方法对渝怀铁路梅江河右岸DK409+989.4～DK410+020段顺层路堑边坡土钉墙支护结构稳定性进行分析,分析结果表明：采用土钉墙支护后的节理边坡塑安全系数为2.3,支护后的岩质边坡处于稳定状态;土钉墙潜在破裂面为岩体弹性区和塑性区的交界面,与测试得到的各排土钉拉力最大值位置一致。     

基于量化GSI系统的破碎岩体应变软化行为研究

松软破碎岩体的复杂力学特性给深部开采工程带来一系列棘手的问题,深入研究破碎岩体峰后力学行为,对于深部巷道围岩稳定性分析及支护结构设计具有重要意义。基于量化GSI围岩评级系统及连续介质理论,建立了考虑围压影响的破碎岩体峰后应变软化力学模型。通过工程应用实例验证了数值模型的可靠性。研究结果表明：通过计算围岩与支护结构相互作用关系可知,理想弹塑性模型和应变软化模型所得计算结果差异较大,采用理想弹塑性模型进行支护设计,可能导致支护结构的安全性偏低,甚至失稳。现场应用结果表明：数值计算结果与现场实际情况吻合;提出的深部破碎岩体应变软化模型能够较为真实地反映破碎岩体的非线性破坏行为,可为硐室围岩稳定性分析及支护结构设计等提供新的思路。     

非贯通裂隙岩体破坏模式研究现状与思考

非贯通裂隙岩体是石油、采矿、水电、公路、铁道、核废料处理等各种行业岩体工程中最常见、最重要的介质之一。开展非贯通裂隙岩体力学性质研究是认识、利用、改造非贯通裂隙岩体的前提,而非贯通裂隙岩体表现出的力学性质与其破坏模式、破坏机制有着决定性的联系。从非贯通裂隙岩体的结构出发,研究其破坏模式是深入研究非贯通裂隙岩体力学性质重要途径。基于非贯通裂隙岩体结构的特点,总结前人对非贯通裂隙岩体破坏模式研究成果,试图对当前的研究手段、分析角度、研究结论等进行归类、分析、总结、思考,指出当前对非贯通裂隙岩体破坏模式研究存在的主要问题,并进一步地提出解决问题的思路与方向。     

锯齿状结构面力学效应实验研究

结构面在三度空间展布的形状称结构面形态。结构面形态是地质体发生变形和破坏后遗留下来的产物。在原位大型岩体力学实验中,结构面形态常常引起实验数据分散和产生不同的破坏机制;在岩体稳定性分析中,结构面形态又是影响结构面整体强度的重要方面,并涉及到工程岩体稳定性分析合理与否。因此有必要对结构面形态的力学效应进行研究。本文以锯齿状结构面为例,采用力学模型实验和理论相结合来讨论结构面的形态效应。     

《岩体结构力学》

本项成果是水利水电工程、建筑工程、铁道工程、矿山工程、国防工程中存在的地质工程(岩石地基、岩石边坡、隧道等)勘察、试验、设计、施工等的基础理论,也是地震、山崩、滑坡等地质灾害预报和防治的基础理论。 该项成果是孙广忠教授二十多年来组织、领导和参加三十余项大中型工程地质勘察、岩体力学试验研究及设计、施工实践的总结。该项成果系统的研究了岩体结构力学效应,研究了岩体结构对岩体变形、岩体破坏、岩体力学性质控制等方面一系列规律,提出了“岩体结构控制理论是岩体力学基础理论”、“岩体结构力学效应是岩体力学的力学基础”、“岩体结构分析方法和结构力学分析方法是岩体力学研究的基本方法”等一     

岩体锚固效应及锚杆的解析本构模型研究

利用Mohr-Coulomb、Hoek-Brown以及Duncan-Chang理论分别分析了块状和碎块状岩体锚固后的物理效应,通过分析认为,岩体锚固后可以有效地提高岩体的凝聚力和软弱结构面的抗剪强度,增强岩体的弹性模量,改善岩体的力学性质。通过对拉拔试验测试结果分析,在一定的假设条件下,推导了锚杆与注浆体或岩体耦合情况下的解析本构方程,并对其进行了参数分析,认为提高拉拔力、增大锚杆直径和锚固段长度可以有效地改善其锚固效果,并提出了锚固临界值的概念。在前人工作的基础上,利用提出的耦合解析本构模型建立了非耦合状态下锚杆的解析本构模型,通过计算认为,该解析模型是合理的。     

黄土体工程地质的研究体系及若干问题探讨

针对黄土的结构性、水敏性和裂隙性等特殊性质,建立了适合黄土体特征及特性的黄土体工程地质研究体系--研究对象、理论基础、内容、路线和方法,指出其研究对象是黄土体。黄土体结构面及其相关问题是黄土体工程地质研究的薄弱环节。探讨了黄土体结构面的分类和分级、黄土体结构类型、洞室围岩类别和黄土体的水敏性等问题,并根据结构面的规模、活动特征及其对工程的危害程度,将黄土体结构面分为6级。 依据黄土的沉积特点、结构面的特征和工程黄土体的范围将黄土体结构分为均质结构、层状结构、柱状结构、块裂结构和碎裂结构。认为加强和突出黄土体工程地质研究,有助于正确认识黄土体工程地质特征和解决相关的工程地质问题。     

基于岩体结构特征和未确知测度评价模型的岩质开挖边坡稳定性研究

综合黔西地区层状岩质开挖边坡研究成果发现:岩体结构特征是分析评价层状边坡变形失稳模式、机制和稳定性的重要基础。因此,结合该地区层状边坡地质条件的差异性,针对性地划分岩体结构类型对边坡的分析评价尤为重要。考虑地层岩性组合、地质构造、软弱夹层（结构面）因素,系统地将边坡岩体结构类型分为4个大类（近水平-缓倾边坡岩体,倾斜层状边坡岩体,陡倾、直立、倒转层状岩体,地质构造作用强烈或含有溶蚀洞穴、沟壑的边坡岩体）和10个亚类,并针对相应类型的边坡进行工程地质综合评价,分别阐述了失稳模式和机制。以边坡岩体结构类型为基础,甄选影响开挖边坡稳定性的6个定性指标和6个定量指标;对指标组合赋权,用未确知测度理论对边坡进行稳定性预测评价,建立了“岩体结构-指标组合赋权-未确知测度理论”的新评价体系。实例预测结果表明预测结果与实际情况具有较好的一致性,说明该方法是一种可靠性高、科学合理的稳定性预测新方法,可在相关工程领域中应用推广。     

节理网络分形在隧道超前地质预报中的应用

分形几何是20世纪70年代以来发展起来的研究非线性现象的理论和方法,这一理论的诞生为揭示隐藏于混乱复杂现象的精细结构和定量地描述它们提供了理论基础。将分形的方法引入到隧道的超前地质预报,通过岩体结构面网络的分维值来预测岩体的质量。结合工程实例可以看出,岩体结构具有良好的分形特征,其分形描述可作为评价结构岩体质量的标准之一。分形方法是评价岩体性质的一个有效的方法,具有广泛的应用前景。     

论岩体力学介质

岩体力学为工程建设和地学研究的基础学科。它的基础性课题有两个:(1)在各种条件下岩体受力时的变形和破坏规律;(2)岩体中应力传播规律。不论土木工程、矿山工程及地学研究等工作向岩体力学提出的课题怎样多,归根到底都是受这两个课题所控制。现在对这两个中心课题以及其他一些专业性课题不仅进行了大量的实验研究,而且对研究结果进行了大量的综合和总结,出版了许多岩体力学方面的专著。尽管如此,目前岩体力学体系还没有形成,主要是由于对岩体力学介质特点缺乏明确的认识。     

Polyhedral modelling of underground excavations

The use of key-block theory for the analysis of blocky rock mass structures in mining and civil engineering is well established. Such methods have traditionally been used to analyse the stability of rock blocks at free surfaces only. These methods have also been limited to the analysis of relatively few discontinuities, usually assumed to be infinitely persistent.     

论岩体力学模型

岩体力学是研究现状的地质体受力条件改变时产生变形、破坏及其力学性质形成规律的科学。地质体与一般材料不同,由于其成因和经历的历史过程不同,致使其成分、结构及其形成条件不同。故现状的地质体当受力条件改变时,其力学作用,即变形和破坏机理亦不同。在进行岩体力学研究时,必须清楚地看到这一点。当前岩体力学研究成效不大的重要原因之一,就是没有注意地质体这一特点,在进行岩体力学研究时,不加分析地把地质体一律做为连续介质力学模型处理,显然是不合适的。     

基于结构面迹线分形维数的岩体质量评价

针对传统定性或部分定量的岩体质量评价现状,分形理论、神经网络等新方法得到广泛应用。本文基于岩体结构面迹线自相似性的分形特征,应用分形理论对基于数字近景摄影测量技术获取的岩体边坡结构面迹线的分形维数进行研究。以长春市净月采石场一边坡为例,采用方格网覆盖法计算结构面迹线的分形维数,验证了迹线分形特征,并对方格网覆盖法进行改进,采取与研究范围成比例的长方格网覆盖法计算分形维数。分析发现,两种计算方法结果相近,后者在理论上更接近分形原理并且编程更容易实现,迹线数量越多,分形维数越大,岩体越破碎,质量越差。最后,将分形维数与基于摄影测量方法获得的剔除空白区影响的RQD进行对比分析,确定分形维数与RQD的关系式,得到岩体质量定量评价的分形维数指标。研究表明：研究区边坡迹线分形维数为1.22,拟合度为0.98,此边坡岩体质量属于Ⅱ级。改进的长方形格网覆盖法分形维数计算容易实现,计算过程得到简化,结果可靠。得到了以岩体结构面迹线分形维数为指标的岩体质量定量评价方法。     

岩体结构理论在中国的广泛、成功应用及进展

岩体结构理论是20世纪中国工程地质的重大理论创新。本文简介了自20世纪70年代岩体结构理论创立以来,在中国得到的广泛应用。为一大批大型、世界级的工程修建中的工程岩体评价和重大工程地质问题解决提供了理论基础和方法。叙述了岩体结构理论在中国岩体稳定性评价、岩体质量分级、岩质斜（边）坡变形破坏机制、大型、巨型水电站建基岩体的选择的成功应用,和中国各工程领域（部门）将岩体结构列入规范,得到的广泛推广。论述了岩体结构划分主要指标的获取方法、量值选取及需要改善的方面,提出了岩体结构新的亚类原位镶嵌碎裂结构和黏结层状结构的典型特征、划分指标及其在工程中的成功应用。