节理岩体爆破的DDA方法模拟

在非连续变形分析（DDA）方法中,通过跟踪炮孔扩张和炮孔周边裂隙的发展贯通求得爆腔的即时体积,进而根据爆生压力状态方程计算爆腔即时压力,并将爆生压力载荷作用到主炮孔内壁和贯通裂隙面上,实现了爆生产物作用下节理岩体爆破的DDA方法模拟。采用DDA方法模拟了节理岩体中的水平柱状炮孔抛掷爆破问题,得到了爆腔的体积扩张和压力衰减时间曲线,模拟很好的再现了岩石爆破过程中的炮孔扩张、岩体破坏、块体抛掷和爆堆形成过程。     

大松动圈围岩锚网索联合支护参数确定方法探讨

对大松动圈围岩巷道,单一锚杆支护难以实现对整个破裂区围岩的锚固控制,采用锚网索联合支护时,应考虑锚杆支护对联合支护设计的作用。通过分析大松动圈围岩锚杆锚固支护机制,提出量化锚杆支护作用的锚固承载系数,形成锚网索联合支护参数量化计算方法。研究结果表明：锚杆锚固支护后将大松动圈围岩分为浅层锚固区和深层破裂区,浅层锚固区具有一定承载能力,可视作锚索的等效托盘;在锚网索联合支护中,浅层锚固区承载结构稳定的条件是锚固结构承载力大于环向轴力且能够有效控制破裂区围岩;锚固承载系数大小主要取决于浅层锚固区与破裂区和锚杆预紧力与设计锚固力的关系,对于大松动圈围岩其取值范围为0.45～0.75。经现场试验可知,巷道顶底板移近量为273 mm,两帮移近量为393 mm,表面位移曲线趋于平稳,采用该方法得到的锚网索支护参数有效保证了巷道的正常使用。     

岩石初始宏观变形模拟及微裂纹闭合应力确定方法

为了建立能够反映岩石初始宏观变形模拟方法以及微裂纹闭合应力确定新方法,首先,针对岩石及其内部微裂纹的受力变形特点,将岩石视为由岩石基质和微裂纹两部分组成,并以此建立了岩石与其组成成分之间的变形分析模型,并由材料变形力学分析角度分别建立了岩石基质和微裂纹的受力变形分析方法,从而建立了岩石初始宏观本构模型并给出了模型参数的确定方法;然后,针对现有微裂纹闭合应力确定方法存在的缺陷与不足,提出了基于本文模型的微裂纹闭合应力确定新方法;最后,基于本文模型探讨了围压对岩石初始宏观变形非线性上凹程度的影响,从理论上阐述了围压效应即围压与岩石初始宏观变形非线性上凹程度成负相关。研究结果表明,本文模型不仅能够很好地模拟岩石启裂前变形全过程,还能够阐述岩石与其组成成分之间的变形关系;微裂纹闭合应力确定新方法既满足微裂纹闭合应力的理论意义又能够避免人为因素的干扰,并具有易操作性的特点,表明了本文模型与方法的合理性与可行性。     

Tensile strength of rock by the double-punch method

Summary This paper presents an experimental study of the newly developed double-punch test method for determination of the tensile strength of rocks. The method for preparation of test specimens and test procedure is reported and discussed. Comparisons of tensile strength determined from double-punch and split-cylinder tests are also presented.With 5 Figures     

采用综合评判方法确定工程岩体力学参数研究

如何将室内岩块试验得到的力学参数合理转化为现场工程岩体的力学参数,一直是困扰岩土工程实践带有挑战性的难题。结合安太堡露天煤矿边坡工程,基于现场调查、钻孔取芯、室内岩块试验,分别应用RMR法和BQ法,对自地表至取芯深度的钻孔岩样进行评价和分级,综合评判确定了边坡工程岩体的力学参数,应用效果良好,其成果对类似工程设计和施工有重要指导意义。     

A new stereo‐analytical method for determination of removal blocks in discontinuous rock masses

The paper provides a new stereo‐analytical method, which is a combination of the stereographic method and analytical methods, to separate finite removable blocks from the infinite and tapered blocks in discontinuous rock masses. The methodology has applicability to both convex and concave blocks. Application of the methodology is illustrated through examples. Addition of this method to the existing block theory procedures available in the literature improves the capability of block theory in solving practical problems in rock engineering. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

利用测井方法识别火山岩岩相方法

利用实际岩石薄片数据及测井数据,通过GR-TH 及GR-AC 交会图方法将松南气田营城组岩石结构划分为熔岩结构、熔结结构和凝灰结构3 种。凝灰结构和熔结结构对应爆发相,熔岩结构对应喷溢相。结合次生孔隙度的大小及岩心、录井信息对出现的6 种亚相: 热碎屑流亚相、热基浪亚相、空落亚相、上部亚相、中部亚相和下部亚相进一步划分,其结果与地质上的岩相亚相基本一致。     

越江隧道钻爆法施工最小岩石覆盖层厚度研究

越江隧道上覆最小岩石覆盖层厚度是决定隧道建设造价和安全的主要因素之一.以拟建的重庆朝天门两江隧道为例,采用工程类比法和3D弹塑性有限元数值模拟对隧道钻爆法施工的最小岩石覆盖层厚度进行了分析.工程类比分析表明,在正常水位条件下隧道最小岩石覆盖层厚度为22～27m;数值模拟分析表明,在历史最高洪水位条件下隧道最小岩石覆盖层厚度为23m.综合分析认为,两江隧道合理的最小岩石覆盖层厚度为23m.     

石膏质岩水化特性及矿物含量确定方法研究

硬石膏和石膏的膨胀性和腐蚀性是石膏质岩隧道工程主要致害因素,查明矿物成分、水化特性、硬石膏和石膏含量是评价石膏质岩工程危害的基础,但目前尚缺乏快速简便的石膏质含量确定方法。通过测定硬石膏岩水化过程中的波速及水化深度,分析了石膏质岩的水化特性;通过对硬石膏、石膏、方解石、白云石不同配比混合物的热重分析,提出了快速测定石膏质岩矿物含量的热重分析法。结果表明：（1）石膏质岩矿物成分的鉴别建议采用热分析、X射线衍射、红外光谱等方法相互印证;（2）硬石膏岩水化缓慢,标准尺寸试件的硬石膏岩完全水化为石膏岩约需2 a;（3）完整硬石膏岩在纯净水环境下水化速率约3 mm/a,若地下水环境富含${\rm{SO}}_4^{2-}$,硬石膏岩水化速率将增加。文章建立的石膏质岩矿物含量确定方法可以快速确定硬石膏和石膏的质量分数,研究成果可为分析石膏质岩的工程危害提供参考。     

基于能量跟踪法研究岩石破碎对滚石运动轨迹的影响

首次采用能量跟踪法(energy tracking method, ETM)研究岩石破碎对边坡滚石运动轨迹的影响。能量跟踪法是在冲量法的基础上发展多点能量守恒算法,提高了计算精度。相比于传统罚函数法,冲量法的优点在于:无需试算确定罚参数取值,减少了模拟计算量;能量跟踪法是解析解和数值解耦合算法,极大提高了计算速度。与传统的序列冲量法和同步冲量法相比,由于能量跟踪法能够模拟碰撞过程中多接触点之间的能量传递,可有效地和准确地模拟数千个碰撞体之间的高频碰撞。运用Weibull分布的破裂模式识别仿真法模拟滚石在下落过程中的破裂过程,并用于预测滚石运动轨迹。结果表明,(1)ETM能够合理地模拟三维边坡滚石运动轨迹;(2)当考虑岩石破碎效应时滚石碎块运动轨迹较之未考虑破碎时发生明显改变,水平侧向位移显著增加,需扩大边坡设计防护范围。研究成果验证了ETM和破裂模式识别仿真法在模拟滚石运动过程中的有效性,为研究滚石灾害的影响范围提供了有效的模拟工具。     

加锚节理岩体的复合单元法研究

加锚节理岩体有着复杂的细部结构和力学行为,常规的数值模型很难满足模拟这种力学行为的要求。进一步发展了笔者建立的加锚岩体的复合单元法,提出加锚节理岩体的复合单元法研究。在不考虑锚杆、节理等细部结构的情况下划分网格,分别定义了加锚岩体复合单元、不连续岩体复合单元和加锚节理岩体复合单元,并建立了其数值模型。同时,在复合单元中还定义了不同材料介质的子单元用来模拟加锚节理岩体内复杂的细部构造。对加锚节理复合单元法进行了理论推导和算例研究,通过与常规有限单元法计算结果的比较,表明了加锚节理岩体复合单元法的合理性,同时也突出体现了其前处理简便的优势。     

岩石边坡渗流破坏的数值流形方法模拟

通过对岩石边坡中的裂隙水对岩石边坡裂隙作用的力学原理进行分析的基础上,提出了数值流形方法中对裂隙水渗流作用的计算方法,并在原有考虑裂纹扩展的数值流形方法程序中加入了考虑裂隙渗流的子程序.最后利用综合考虑渗流与断裂的数值流形方法程序对含初始裂隙的岩石边坡在渗流作用下的破坏过程进行了模拟.模拟结果再现了原始裂隙在渗流作用下的扩展路径及所形成的切割块体在自重作用下的运动过程,与边坡的实际破坏模式基本一致.     

岩体结构拉裂的块体单元法模拟

基于阶谱块体单元法,提出了二次覆盖的概念和一种分析岩石块体受拉开裂破坏的方法。该方法将块体及其一次覆盖在概念上细分为许多个积分子域,即二次覆盖。在二次覆盖上引入模糊裂纹模型,并把裂缝的形成视为一个粘塑性屈服流动过程,将开裂后产生的不平衡力进行转移,通过迭代使结构重新达到平衡。该方法既能考虑结构本身的不连续性,又能有效地模拟块体受拉开裂和裂纹扩展的现象。数值算例表明,计算结果基本合理。     

冲击地压预测的煤岩变形局部化方法

针对煤矿冲击地压引起的采掘安全问题,以山西晋中左权五里堠煤矿3号煤层开采地质条件为工程背景,提出一种基于钢锥冲击煤层的卸压方法。根据通电线圈间产生电磁互感斥力原理,获得磁力驱动绕线钢锥撞击煤层的冲击力函数式,并结合弹性力学理论,分析冲击力作用下煤体应力场分布特征、裂隙类型、破裂范围及程度。结果表明：(1) 冲击力与交流电电压及线圈级数呈正相关关系,与交流电频率及每米线圈匝数呈负相关关系。其中,电压是调控冲击力的最主要因素,综合考虑认为电压取660 V为宜。(2) 计算显示钢锥长度与直径仅需1 cm和1.28 cm,与之匹配的2级加速线圈总长为2 cm,可实现冲击装置的微型化,便于在钻孔内灵活布置。(3) 冲击力使钻孔横截面围岩出现集中系数为4.0~16.7的叶状极高应力区,其延伸长度为5倍钻孔半径,区内发育张拉裂隙;叶状区之外为集中系数1.7~3.3的高应力区,发育压剪裂隙,其范围可达50倍钻孔半径,据此得到卸压钻孔间距为2.5 m。(4) 按卸压段长度,每孔内设置2个间距2 m的冲击装置,冲击力使钻孔纵截面围岩呈现针状极高应力区,相邻针状区间分布椭圆形压剪裂隙区,两者一起贯通2 m厚煤层,实现有效破煤卸压。研究成果为探索基于磁力钢锥冲击的煤层卸压技术奠定初步理论基础。

     

岩石（体）渗透性测试的体变量法研究

渗透性测试试验一般采用直接测渗流量的方法,难以对低渗透岩有效测定流量。利用新开发的高压渗透仪,采用“体变量法”进行渗透性测试,该法是通过精确计量渗透出水端水体积的变化量（最小有效测试精度可达0.03 mL）度量岩石（体）渗流量的大小。保持渗透水压差不变,当出水端水体积变化与时间呈线性关系时,即该时段渗透速度保持不变,则该时段试样渗透特性符合达西定律,可利用达西公式对试样渗透性指标进行分析计算。采用这种方式,即使是针对超低渗透性岩石（渗透系数小于10-9 cm/s）,在整个渗透端面形成以后,某一条件下渗透性测试仅需十几分钟甚至几分钟,大大缩短了测试时间,提高了测试精度。试验证明该方法是一种有效的测试方法。     

岩石边坡稳定的块体单元极限分析上限法

将块体单元法与极限分析上限法相结合,提出了岩石边坡稳定的块体单元极限分析上限法。借助于块体单元法离散计算区域,通过块体系统速度场在结构面上满足Mohr-Coulomb屈服条件、关联流动法则、速度边界条件以及块体系统虚功原理,构成求解边坡强度储备安全系数上限解的非线性规划模型,模型的求解采用复合形法。最后研究了一个岩质楔形体边坡算例和小湾水电站进水口边坡实例,通过将块体单元法上限分析计算结果与刚体极限平衡法相比较,验证了该方法的正确性。     

The variogram method for a fractal model of a rock joint surface

The variogram method can be used to make a fractal model of a rock joint surface. However, it has been found that the range of lag satisfying the power law is very small, that is, less than about 10% of the profile length. The cause of this has been investigated mathematically. The main cause of this problem is due to the fact that the profile length is assumed infinite for the theory, but it is finite for the actual calculation. This discrepancy between the actual calculation and the theory yields a significant error and causes the problem when the lag is large. To confirm the validity of this conclusion, it has been demonstrated that the range of lag satisfying the power law increases with an increase in the profile length by applying the variogram method to profiles cut from a long profile. In addition, the range of lag was investigated mathematically and it has been clarified that the range of lag increases with an increase in the fractal dimension. These results suggest that the profile length, the sampling interval and the removal of the linear trend are items to which we must pay attention when we use the variogram method.     

Analysis of fracture propagation in a rock mass surrounding a tunnel under high internal pressure by the element-free Galerkin method

Fractures developed around high pressurized gas or air storage tunnels can progressively extend to the ground surface, eventually leading to an uplift failure. A tool reasonably reproducing the failure patterns is necessary for stability assessment. In this study, a numerical method based on the element-free Galerkin (EFG) method with a cohesive crack model is developed to simulate fracture propagation patterns in the rock mass around a tunnel under high internal pressure. A series of physical model tests was also conducted to validate the reliability of the developed method. A qualitative agreement between physical model tests and numerical results can be obtained. The in situ stress ratio, k, has a strong influence on both the position of crack initiation and the propagation direction. The numerical analyses were extended to full-scale problems. Numerical tests were performed to investigate the prime influencing factors on the failure patterns of a high pressurized gas circular tunnel with varying parameters. The results suggest that initial in situ stress conditions with a high k (larger than 1) is favorable for construction of pressurized gas or air storage tunnels.     

利用高密度电阻率法精细划分岩浆岩界面

正河北省武安市是邯邢式铁矿的主产区,铁矿主要富存于基性-中性杂岩体侵入体中,岩体构造和岩性复杂(苏尚国等,2017),如能准确地确定岩浆岩界面将对后期找矿指明具体方向。实际工作中如果能够采用物探加钻探的方法确定岩浆岩界面,将避免工作盲目性且大大提高工作效率。高密度电阻率法具有一次布极、自动跑极和数据采集效率高等