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。     

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。     

岩石摩擦滑动变形演化及声发射特征研究

进行岩石摩擦滑动变形演化过程的声发射特征试验研究。以数字散斑相关方法和声发射系统为试验监测手段,采用双面剪切模型试验方法,开展界面摩擦滑动速率与声发射振铃计数、界面摩擦滑动位移与声发射累计能量、试件变形能密度与声发射b值的对应关系研究。结果表明：（1）声发射振铃计数演化受岩石界面摩擦滑动速率影响,界面摩擦滑动速率的突变与声发射振铃计数激增有较好对应关系;（2）界面摩擦滑动位移与摩擦滑动过程中声发射累计能量演化趋势具有较好的对应关系,可以利用声发射累计能量对岩石摩擦滑动位移的变化趋势进行定性判断;（3）通过声发射b值演化分析可以得出,在剪应力缓慢增长阶段,界面摩擦滑动以随机分布的小尺度微破裂为主;在剪应力线性增长阶段后期,界面摩擦滑动以锁固段的大尺度微破裂为主;在剪应力波动增长阶段,岩石摩擦滑动失稳既可能是由小尺度微破裂为主引发的状态转化,又可能是由以锁固段大尺度微破裂为主引发的稳定状态转换。     

三峡库区顺层灰岩岸坡劣化−溃屈灾变机制研究

三峡库区巫峡段发现多处顺层岸坡滑移−弯曲变形迹象,库水循环涨落加剧了岸坡前缘劣化损伤与失稳破坏。以巫峡段青石 6号坡为例构建室内概化模型,开展顺层灰岩岸坡在消落带岩体劣化下的灾变机制研究。研究结果表明：蓄水前岸坡整体长期处于稳定状态。随着劣化进行,蓄水后岸坡变形加剧直至溃屈破坏,岩体劣化缩短了劣化−溃屈失稳进程。运动学分析显示,溃屈破坏时同一岩层达到速度峰值近似。岩层“弯折点”后部运动特征较为一致,前部较为离散。溃屈破坏点是岸坡能量释放的转折点和顶点;随劣化演变位移、应力逐渐递增,呈现提前破坏征兆,溃屈破坏前后应力产生“集中−释放”。整体来看,应力变化提前于位移,表明应力监测更有效。应力监测的核心在于关键区段的确定,对于劣化−溃屈型岸坡来讲,前缘“挠曲段”处应力陡增可作为岸坡临界失稳的重要表征;“劣化−溃屈”演化进程中后缘推挤始终存在,它是岸坡灾变的前提。但岸坡失稳的主导因素却是消落带岩体持续不断的劣化。青石 6 号坡当前处于向强烈弯曲隆起演化进程中,由于消落带岩体持续劣化,可能由稳定/基本稳定逐渐演变为欠稳定状态。     

乌东德水电站地下厂房层状岩体稳定性及变形机制

乌东德水电站右岸地下厂房洞室群密集、开挖规模大、地质条件复杂,开挖期间变形破坏问题突出。在地应力实测资料、工程地质特性、开挖过程分析的基础上,利用离散元程序对右岸地下厂房开挖过程进行数值模拟,再现不同模型的应力场、位移场演化过程,分析陡倾角层面对于主厂房变形的影响作用。同时,构建高精度微震监测系统,对开挖诱发的微震活动实时在线监测;分析微震事件聚集规律、S波及P波能量比值Es /Ep分布特征,识别和圈定潜在风险区域,揭示围岩变形机制。微震监测与数值模拟结果表明：在开挖卸荷作用下,陡倾角层面附近岩石破裂,微震事件聚集,能量释放,引起围岩变形破坏。围岩以结构面控制的应力驱动型张拉破坏为主,并伴随少量重力驱动型变形。该研究结果为乌东德水电站地下厂房的开挖和支护设计方案提供重要依据。     

爆破开挖诱发的地下交叉洞室微震特性及破裂机制分析

白鹤滩水电站右岸地下多洞室间相互施工扰动,使得母线洞等交叉洞室围岩的微震活动规律及破裂机制十分复杂。引进南非IMS微震监测系统,研究高地应力、多面临空卸荷应力环境下交叉洞室围岩的微震特性及破裂孕育机制。根据地下厂房区围岩岩性、错动带及断层分布,选取监测效果较佳的传感器并合理布置;通过定点敲击试验进行波速反演,分析震源定位的精度;以10#母线洞掉块案例为工程背景,分析爆破开挖诱发的交叉洞室岩体破裂微震事件与能量释放时空演化规律,并基于S波和P波的能量比（ES /EP）,归纳、总结了掉块发生过程中岩体破裂演化机制：大量张拉事件发生（爆破冲击诱发）→拉剪、压剪事件发生→张拉事件、剪切事件交替发生（集中应力和节理综合影响）→掉块发生（重力和节理综合作用）。研究结果有利于优化白鹤滩水电站右岸地下洞室群交叉部位的开挖方案,同时对类似工程的开挖和支护具有重要借鉴意义。     

Characteristics of the unloading process of rocks under high initial stress

The unloading process of rocks under high initial stress is complex, and verifying the mechanism of the unloading process in the field or in a laboratory is not straightforward. In this study, the unloading process of rocks under high initial stress was characterised by a mathematical physics model, which was then implemented in the finite element program LS-DYNA for analysis. In particular, the implicit and explicit methods were performed in sequence in the finite element simulation of rocks with initial stresses. In the numerical simulation, the characteristics of the dynamic unloading process of rocks were investigated for various peak initial stresses, initial stress release paths and initial stress release rates (ISRRs). The numerical results indicated that the rock failure could be induced by the release of the initial stress; furthermore, there is a relationship between the magnitude of the unloading failure and the peak initial stresses, the initial stress release paths and the ISRRs. When the initial stresses were at the same level, the equivalent initial stress release rate (EISRR) was introduced to quantitatively describe the characteristics of the unloading process. Using the numerical results, the unloading failure process was characterised, and a method for the static stress initialisation-dynamic unloading of rock was developed.     

关于脆性岩体岩爆成因的理论分析

大型工程开挖中,高地应力环境下高储能脆性岩体通常会通过脆性破裂快速释放应变能,产生岩爆。针对这类岩爆现象进行了一系列理论探讨,认为:(1)开挖条件下脆性岩体的岩爆破坏主要为张破裂或者张剪性破裂,破裂角一般较小,呈薄片状或刀口状。笔者认为开挖产生次生张应力和压剪应力条件下微裂纹裂尖出现张应力是可能的,因此采用格里菲斯强度理论研究开挖岩体破裂是有效的;(2)以格里菲斯强度理论为基础,分析了岩体在二维和三维情形下的岩爆破裂应力判据和破裂角,指出在有张应力的条件下,岩体的剪破裂角会减小,直至为零,这就解释了开挖面附近薄片状、刀口状破裂现象的原因;(3)分析了脆性岩体岩爆破裂的能量过程,指出张性破裂所耗能量较小,而张剪性和压剪性破裂耗能较高。认为岩爆破裂消耗的能量主要转化为新生裂纹的表面能和破裂碎片的动能,并指出表面能所占比例较动能为小。由此解释了脆性岩体岩爆破坏以动力效应为主的特征;(4)本文理论分析成果的工程应用价值在于:可以预示开挖脆性岩体破裂部位、破裂方式和破裂范围;提出岩爆破裂的张性应力控制依据。     

高速岩质滑坡启动弹冲加速机制及弹冲速度计算——以武隆县鸡尾山滑坡为例

高速岩质滑坡启动弹冲加速机制是开展高速岩质滑坡全过程动力学研究的基础。系统阐述了高速岩质滑坡启动弹冲加速机制,着重分析了岩质滑坡启程中的滑带释能和锁固体释能加速效应。基于岩石循环加、卸载试验,探讨了岩石弹性应变能释放规律,并将得到的规律用于确定滑带可释放弹性应变能。鉴于目前确定滑坡启动弹冲速度所存在的诸多问题,重新推导了滑坡启动弹冲速度计算公式,并对鸡尾山滑坡启动弹冲规律进行了研究。研究表明,鸡尾山滑坡启动弹冲速度为1.261 1 m/s,滑体初始动能主要源于滑带弹性应变能的释放。最后通过一个滑坡概化模型计算得到了岩质滑坡启动弹冲的极限速度范围为2.6⁴.4 m/s。     

动态冲击下锦屏大理岩力学响应与能量特性

为了分析锦屏水电站大理岩的动力学响应和能量特性,采用分离式霍普金森压杆对岩样开展了动态压缩试验,并引入分形维数定量表征试样的破碎形态、能耗特性及其与应变率的内在关系。结果表明：动态载荷下大理岩应力-应变曲线初始压密段不明显,当应变率较低时,应力-应变曲线呈现出回弹现象;试样峰值应力随应变率的增大而增加,且动态抗压强度与...     

类节理岩石直剪试验力学特性的数值模拟研究

节理岩体的剪切特性是主导岩体工程稳定性的关键因素。基于PFC2D离散元颗粒流程序,结合室内试验结果对比分析,选取合理的细观参数进行数值模拟,分别从细观角度研究了节理岩石的裂纹发展、能量转化及声发射现象等特性,从宏观角度研究了节理岩石的强度模型和破坏形态。结果表明：节理岩体主要呈现磨损和剪断两种破坏形态,不同的破坏形态对应不同的强度模型;随着剪切变形增加,岩体沿节理面发生破坏,弹性阶段以法向裂纹为主,而塑性阶段切向裂纹起主导作用,滑移区R、P裂纹贯通形成破碎带,节理面产生较大滑移;在应力达到峰值强度前,边界能主要转化为应变能,法向裂纹生成较多;越过峰值强度后,摩擦能快速增长,并伴随大量切向裂纹产生。与室内试验结果相比,PFC2D较好地模拟了节理岩体剪切力学特性,弥补了室内试验中无法进行细观特性研究的缺陷,对于节理岩体后期研究提供了一些参考。     

超大型地下洞室高边墙围岩变形影响特性研究

高边墙围岩稳定是超大型地下洞室施工期关注的重点。基于工程监测资料,探究了白鹤滩水电站左岸地下厂房高边墙围岩变形演化分布规律及破坏机制。研究表明：在垂直方向上,开挖面距离在10 m范围内边墙卸荷响应强烈,该阶段围岩变形约占总变形量的50%～55%;在洞轴方向上,开挖影响集中在2倍洞跨范围内,该区域内变形约占总变形量的97%;在结构面发育部位前后围岩变形的分异量较大,且由于软弱夹层的柔塑性,围压解除后错动带应变能释放是一个缓慢的过程,时效剪切特征明显;发掘并总结逐层下挖过程中高边墙围岩应力状态的演化规律,并划分为应变能积聚、释放、应力调整及趋稳4个阶段。该研究成果可为工程支护设计提供一定支撑,并供同类工程参考。     

三段式锁固型岩质边坡动力响应特性及破坏机制振动台模型试验研究

设计和制作了三段式锁固型岩质边坡模型,并进行了大型振动台试验,对三段式锁固型岩质边坡在地震作用下的动力响应和变形破坏模式进行了分析.研究结果表明:三段式锁固型边坡模型的自振频率随振动次数的增加而逐渐降低,阻尼比则随振动次数的增加而逐渐增大;边坡模型水平加速度放大系数表现出明显的高程放大效应和趋表效应;在不同类型输入波的作用下,边坡加速度响应存在着明显的差异;加速度放大系数随着输入波频率的增加表现出先增加后减小的变化规律,且在频率为15 Hz时峰值加速度放大系数达到最大值;随着输入波振幅的增加,坡体加速度放大系数总体上表现为先增加后减小的变化趋势;在地震波的作用下,位于坡体顶部裂缝和底部软弱夹层之间的锁固段出现多条裂缝,并不断发展呈X型贯通,最终在坡体内部形成3级滑面,并在持续的振动作用下,边坡沿着3级滑面发生滑动破坏.      

Numerical experimental study on failure process of sandstone containing natural damage under freeze-thaw cycle北大核心CSCD

Natural damage such as fissures and pores make the rock microstructure show strong heterogeneity,which influences the failure process and mode. In this paper,the numerical test of freeze-thaw sandstone splitting failure with natural damage was carried out based on CT non-destructive identification technology,combined with digital image processing technology and CASRock numerical simulation software. The analysis of splitting failure mode,deformation localization and crack evolution process of freeze-thaw sandstone with natural damage reveals the failure mechanism of sandstone with natural damage under freeze-thaw and load. The results show that the expansion of primary pores（cracks）and the formation of new pores in sandstone are the main forms of freeze-thaw rock failure evolution. The failure of rock containing natural damage under freeze-thaw and load is related to the degree and distribution of natural damage. The generation of secondary cracks mostly occurs in natural damage-intensive areas. During the loading process,the stress in the localized damage zone is far greater than sandstone’s overall stress,and rock’s failure in the localized damage zone is synchronized with the energy release and stress release in the region. Localized damage reflects the evolution of cracks in rocks and helps to predict the direction of sandstone crack development. The failure mode of rock is related to the number of freeze-thaw cycles. The freeze-thaw cycles make the sandstone with natural damage gradually change from brittle failure to ductile failure,and the change of the overall strength of the rock is a gradual deterioration process. © 2022 Science Press (China).     

Two-dimensional dynamic finite element simulation of rock blasting

In the present study, the two-dimensional blast model has been simulated using finite element software Abaqus/CAE. The John–Wilkins–Lee equation of state has been used to calculate the pressure caused by the release of the chemical energy of the explosive. Detonation point from center of hole has been defined for the traveling path of explosive energy. Elastoplastic dynamic failure constitutive with kinematic hardening model was adopted for rock mass responses under high explosive pressure to understand the mechanism of blast phenomena. In this model, it is assumed that failure of rock occurs under tensile failure when yield plastic stress exceeded to its static tensile strength. The hydrostatic pressure was used as a failure measure to model dynamic spall or a pressure cut off. Variation of detonation velocity has been measured in terms of simulation blast output energies index results.     

花岗岩隧道脆性破坏的温度效应研究

目前深埋硬岩隧道的岩爆等脆性破坏研究还较少考虑到温度的作用效应。采用精细网格数值模型,提出热-脆性-精细力学计算方法,应用能反映高地应力下硬岩脆性破坏特点的岩体劣化模型,结合能量计算指标,开展了不同温度作用下隧道硬岩脆性破坏的热力耦合分析。以瑞典APSE花岗岩隧洞岩柱为例,进行不同地温下隧道破坏区、能量释放值和应力指标的定量化对比研究。研究结果表明,隧道地温的增加将使岩体产生附加温度应力,进而增大其脆性破坏程度,计算结果与隧道现场的破坏规律基本一致。热-脆性-精细力学计算能合理描述硬岩的损伤和渐进破坏过程,计算结果较好地揭示了花岗岩等硬岩深埋隧道脆性破坏的温度作用效应,对于高应力、高地温下深部工程的稳定性评价具有指导意义。     

分幅开挖方式下高应力硬岩地下洞室的微震特性及稳定性分析

高应力硬岩大型地下洞室开挖卸荷导致围岩片帮、塌方事故频发,严重威胁现场施工人员及设备的安全。从降低围岩局部破坏风险的角度考虑,白鹤滩水电站右岸主变室第Ⅳ层采用分幅开挖方案。通过构建微震监测系统,研究分幅开挖下岩体的微震特性及稳定性,监测结果表明：上游半幅开挖诱发的微震事件、能量大于下游半幅诱发的,且上、下游半幅开挖均表现出了掌子面贯通前微震事件、能量增大的特性,这主要受两相向掘进掌子面前方支承压力叠加的影响;上游半幅开挖诱发微震事件频发且出现了丛集现象,下游半幅开挖诱发的微震事件较少且事件空间分布离散,规律性不明显;采用Schmidt数、事件活动率与累积视体积、能量指数与累积视体积评价研究区域的稳定性,结果显示,较之于应变硬化阶段,处于应变软化阶段的岩体发生不稳定变形破坏的风险较大。研究结果可为白鹤滩水电站地下洞室施工方案的优化提供重要参考,同时也可为其他类似工程的施工提供借鉴。     

大断面厚顶煤巷道顶板冒落破坏的上限分析

根据大断面厚顶煤巷道顶板的破坏特性,考虑了顶板围岩应力水平与支护荷载的影响,利用Hoek-Brown强度准则及其相关联的流动法则,构造出厚顶煤巷道顶板的冒落破坏机构。基于塑性力学中的上限分析方法,结合变分原理,推导得到了大跨度厚顶煤巷道顶板的冒落破坏机制,并以赵楼煤矿某巷道现场实践为例,分析了不同计算参数对顶板冒落破坏机制的影响。计算研究表明：随着岩体经验参数A、抗拉强度、抗压强度及支护荷载的增加,冒落体尺寸随之增大,而当岩体经验参数B、围岩应力及岩体重度增加时,冒落体尺寸则随之减小;冒落体尺寸代表了巷道顶板安全性能的大小,其尺寸越大,表明使巷道顶板发生冒落破坏所需外力功越多,顶板安全性能也越高;岩体经验参数B、围岩应力水平与支护荷载对顶板围岩破裂机制影响较为显著,参数B决定了冒落体的破裂形状,随着参数B的增加,冒落破裂迹线的曲率不断减小;增大支护阻力是提高顶板稳定性的有效途径,其研究结果可为大断面厚顶煤巷道支护设计提供一定的理论依据。     

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。