单轴压缩条件下岩溶化裂隙岩体损伤破坏特征研究

岩溶化裂隙岩体是普遍发育于自然界中具有初始损伤的岩体。为了研究岩溶化裂隙岩体损伤破坏特征,本文以贵州某地赋存的溶蚀岩体为研究对象,运用损伤力学理论构建岩溶化裂隙岩体在单轴压缩条件下的损伤演化模型,并建立岩溶化裂隙岩体损伤演化方程。采用颗粒流数值软件进行单轴压缩数值试验,进一步研究岩溶化裂隙岩体试件在单轴压缩条件下的损伤演化特征,分析岩溶化裂隙岩体的微观损伤特征。结果表明：岩溶化裂隙岩体的初始损伤主要包括溶蚀损伤和裂隙损伤。岩溶化裂隙岩体的初始损伤随着溶蚀率的增加而增加,最终增加速率趋于平缓;岩溶化裂隙岩体的损伤演化曲线均呈“S”型变化,先缓慢增加,再迅速增加,最后缓慢增加至损伤值1;岩溶化裂隙岩体存在异构特征,导致破坏裂隙起源于具有初始损伤的溶蚀孔洞和裂隙处,随后裂隙经历萌发、扩张和剪切作用、数量和长度增加以及裂隙贯通4个阶段后发生宏观破坏。     

动态荷载下胶结充填体力学响应及能量损伤演化过程研究

为研究尾砂胶结充填体的动态力学性能及能量损伤演化过程,采用分离式霍普金森杆对尾砂胶结充填体进行了不同应变率下的冲击加载试验。试验结果表明：充填体的动态抗压强度和动态抗压强度增强因子随应变率的增加呈指数函数递增规律,且水泥含量越低的充填体应变率效应更显著;充填体的峰前能耗量密度、峰后能耗量密度、单位体积应变能及总能耗量密度随应变率的增加均呈指数函数递增规律,且动态抗压强度与峰后耗散能密度具有明显的正相关关系;冲击载荷作用下,充填体变形破坏主要经历了线弹性变形、屈服破坏及峰后破裂这3个阶段;在充填体的线弹性变形及屈服破坏阶段,能量以弹性应变能的形式储存在试样内部,而在峰后破裂阶段,能量以耗散能释放为主;冲击加载下,充填体的受荷能量损伤演化过程划分为损伤稳定发展阶段、损伤加速阶段及损伤破坏阶段3个阶段。     

基于数字图像处理技术的溶蚀岩体细观变形破坏机制模拟研究

通过数字图像处理技术对广泛发育于岩溶地区的溶蚀岩体的溶蚀特征进行提取,构建离散元溶蚀岩体模型,并模拟单轴压缩试验研究溶蚀岩体的细观变形破坏机制,以分析溶蚀岩体的变形破坏特征和裂隙演化规律。结果表明:溶蚀岩体模型能够很好地表征岩体的溶蚀特征,对真实的溶蚀形态具有较好的还原作用;溶蚀岩体的累计破坏数曲线呈现“S”型变化特征,即分为裂隙不发育阶段、稳定发育阶段和不稳定发育阶段,溶蚀岩体的破坏具有累进性特点;由于溶蚀孔洞的存在,使得溶蚀岩体接触力力链表现出各向异性特征,随着加载的进行,岩体骨架为抵抗外部荷载的作用,导致接触力在岩体骨架内集中,表现为接触力力链线条变粗;随着应变的增加,试样发生起源于溶蚀孔洞周围的破坏,破坏区域发生卸荷作用,接触力力链被淡化,最终试样发生破坏,力链消失,溶蚀岩体应力应变关系是试样内部接触力变化规律的宏观表现。      

三峡水库碳酸盐岩区岩溶作用与斜坡破坏

三峡水库峡谷区矗立着大量岩溶不稳定库岸,危及长江黄金水道安全。采用野外勘查和力学分析,对三峡库区碳酸盐岩区岩溶作用与斜坡破坏关系进行深入研究。野外勘查发现,三峡库区碳酸盐岩库岸存在许多与溶洞、溶隙、溶蚀带、溶槽、溶沟等表层岩溶作用有关的斜坡不稳定现象。巫峡段库岸内共发育岩溶地质灾害及隐患点186处,其中滑坡隐患点37处,大型以上危岩体6个。岩体力学分析表明:强降雨、蓄水和岩体劣化会因为有效应力减少、强度下降而造成破裂的节理/裂隙逐渐扩大。同时,水位变动带岩体劣化的裂缝扩展速率比三峡的平均溶蚀率高出约1 300倍,极大地加快了已经进入屈服状态的不稳定岩体的演化进程。溶蚀作用是岩溶岸坡中最基本的作用,库水长期波动加快了岩溶岸坡演化。本次研究将为三峡库区峡谷段不稳定库岸识别和防灾减灾提供技术支撑。      

薄层灰岩浅部岩溶发育特征及分布模型

碳酸盐岩往往含有较多泥质夹层,多发育浅部岩溶裂隙,影响工程基础稳定性。文章依托广西合山市溯河矿区某道路浅部岩溶调查成果,分析了薄层灰岩岩溶宏观形态和垂直分布特征,按照溶蚀程度将其分为碎屑残留带、表层岩溶带和下部包气带;通过室内溶蚀试验,分析了矿物组成、CO2及水动力条件影响下的溶蚀规律;对比分析了薄层和厚层岩溶发育特征。结果表明:（1）薄层灰岩浅部岩溶发育程度与微地貌有关,通常在山谷和地下水强径流带溶蚀作用更为强烈;（2）薄层灰岩溶蚀优先开始于方解石,在岩石表面形成溶孔、粗糙程度增加,提供了侵蚀性溶液流动通道;（3）薄层灰岩岩溶较厚层灰岩岩溶规模小,分布较为均匀,由地表土体渗入地下岩体的地下水含有较多侵蚀性CO2水溶液,会促进岩溶作用的进行;（4）薄层灰岩浅部岩溶发育分布模型为:发育均匀的微小溶蚀裂隙在溶蚀下渗过程中遇到软弱夹层时会沿水平向扩展并随进一步溶蚀作用被充填,垂向深部发展时溶蚀作用逐步消散。     

三峡库区泥质灰岩溶蚀作用与边坡岩体破坏

三峡库区泥质灰岩边坡的溶蚀与破坏问题,影响到三峡工程的顺利进行,正确掌握它的破坏规律,有利于边坡治理与防护工作。本文从岩体的基本地质信息入手,分析溶蚀作用从不同方面对边坡工程性质的影响。主要包括:岩体内部可溶岩成分被溶蚀后泥质成分富集,岩体成份发生变化;岩体密集节理裂隙发育,结构疏松,成为溶蚀液体的入渗通道,加剧深层岩体的溶蚀作用发生。溶蚀作用叠加不同的地质破坏因素后,三峡库区泥质灰岩岸坡的变形破坏类型总结为三类:薄-中厚层块裂式破坏、中-厚层点裂式破坏、厚-巨厚层层裂式破坏。      

节理连通率对岩体力学特性影响的细观研究

采用等效岩体（ERM）技术,将节理和岩块分别用光滑节理模型及颗粒体模型表征,构建含不同节理倾角、连通率的等效岩体模型。结合试验结果,从细观力学角度开展单轴压缩条件下节理连通率对岩体强度、破裂机制、能量演化等力学特征影响的定量研究。研究发现,当节理方向与加载轴向呈一定夹角时,岩体表现出沿岩桥连线方向的贯通破坏趋势,尤其当节理倾角? = 30°,连通率L = 0.8时,岩体破坏表现出岩桥复合贯通破坏模式。在该类节理倾角(? = 30°)条件下,随节理连通率增大,岩体表现出的主要力学特征为：（1）峰值抗压强度呈不断降低趋势;（2）微破裂总数不断下降,但张拉型微破裂所占比例逐渐提高。微裂纹进一步集中在不同层间节理尖端岩桥连线上产生;（3）声发射（AE）事件产生时间在整个加载阶段逐渐分散,声发射事件总数及破裂强度分布范围、均值、标准差等均不断减小;（4）峰值应变能及峰后应变能、动能变化率降低,峰后摩擦能增速放缓,试样破坏所需的外界做功逐渐降低。     

可溶岩地层的地球物理特征及其地质解译

为查明某水利枢纽工程区域岩溶发育特征,对云南省某水利工程测区开展了以瞬变电磁法和微动探测为主的物探测试工作。测试结果表明:岩溶作用会造成可溶岩地层物性分布的不均匀性;工程区域岩溶发育受岩体结构面和岩性分布影响显著,且在垂向上表现出成层性;强风化带和构造破碎带附近往往会伴随岩溶的发育,出现大范围或者离散状的低电阻率和低波速异常,裂隙性溶蚀可能极大程度改变岩体电性参数特征,但对岩体弹性参数特征影响相对较小;岩体电性和弹性参数的离散系数可用来表征岩体的抗溶蚀风化能力及岩溶的发育程度,结合其物性参数大小和分布特征,可有效分析岩溶发育情况及其充填物性质。      

河南洛阳龙门石窟溶蚀病害机理的研究

河南洛阳龙门石窟位于碳酸盐岩体中,易于溶蚀。近年来,石窟区伊河水以及雨水中Cl-、SO2-3等有害离子明显增加,加剧了石窟的岩溶病害。在龙门石窟溶蚀现4、NO-4、NH+状调查的基础上,从岩溶的空间分布规律、岩体结构渗水连通网络和微观结构等方面探讨了溶蚀病害的机理。提出治理龙门石窟溶蚀病害的根本途径是治水,应该通过裂隙注浆,设置地表防渗铺盖和地表排水系统等止水措施,杜绝雨水入渗到洞窟内溶蚀雕刻品。此外,对现有岩溶沉淀物可以采用软化剥离的方法进行人工清除,对雕刻品上的溶洞、溶沟等可采用石窟原岩岩屑调制的修复砂浆进行充填修复。     

不同倾角软-硬组合岩体破裂演化过程分析

为探究软岩倾角对组合岩体破裂演化过程的影响,论文通过对不同软岩倾角组合岩体进行单轴压缩试验,采用数字散斑和声发射方法作为观测手段,探究含不同软岩倾角组合岩体的破裂演化过程,分析组合岩体力学性能随角度的变化规律,得出含不同倾角软硬组合岩体的破裂模式。结果表明：（1）软硬组合岩体破坏是岩体内部发生损伤,在软岩周围开始出现裂纹,并沿着软岩层及周围扩展、贯通破裂的动态演化过程。（2）组合岩体的变形破坏过程仍表现为原始裂隙压密、弹性变形、塑性变形及破坏四个阶段。（3）随着软岩倾角的增大,岩体的压密阶段逐渐增大,弹性模量逐渐减小,抗压强度越来越小;当软岩倾角θ=0°、15°时,岩体破裂表现为软硬组合岩体组合破裂;当软岩倾角θ=30°、45°时,岩体破裂主要发生在软岩区域,岩体的破坏形式由贯穿软岩层剪切破坏转变为沿软岩层滑移剪切破坏。可见软岩层倾角越大,岩体越容易发生失稳破坏。论文可为含软硬组合岩体工程的长期稳定性分析及复杂层状组合岩体的力学行为研究提供参考。     

广花盆地南部金沙洲岩溶演变及环境特征

根据大量的地质钻探资料结合多种物探手段,在查明金沙洲地质环境条件的基础上,深入分析金沙洲岩溶发育的控制因素、岩溶发育程度及岩溶发育的分布规律,并对碳酸盐岩的溶蚀机理进行了探讨。分析研究表明,金沙洲大面积碳酸盐岩岩溶发育受到矿物组分、结构构造、机械破坏、溶蚀面积和溶蚀率等多方面的综合影响;受断裂构造影响越强烈部位,岩溶越发育,沿断裂两侧各100m范围内,单孔岩溶率、单个溶洞高度及溶洞发育层数均明显强于外部范围;总体上,石磴子组及壶天群灰岩岩溶属中等-强发育等级,大塱山组泥质粉砂岩岩溶属弱发育等级;纵向上,灰岩岩溶发育强度随深度增加而呈递减态势,而可溶性泥质粉砂岩由于可溶岩组分分布不均匀,纵向岩溶发育强度的规律性不明显。进一步分析显示,在岩溶强发育地段有利于土洞的形成,并容易发生岩溶地面塌陷。     

拉-压应力状态下脆性岩石强度及破坏机制颗粒流模拟

高地应力区地下岩体工程开挖常形成围岩拉-压应力状态,发生岩体张性破坏灾害。本文针对传统PFC平行黏结模型不能模拟脆性岩石高单轴压缩与拉伸强度比的问题,建立双抗拉强度参数的平行黏结强度准则,开展岩石拉-压数值模拟试验,得到了与物理试验接近的拉-压强度,实现了岩石高压拉强度比的模拟,并深入分析了破坏机制。研究结果表明随着围压的增加,破裂面倾角逐渐增大,由拉伸破裂转化为拉-剪破裂,发现了拉-压应力状态下破裂面处的雁行裂纹。根据细观颗粒位移场揭示了破裂面力学性质,随着围压的增加(破裂面倾角逐渐增大),破裂面张性逐渐减弱而剪性增强。可将拉-压应力状态下岩石损伤演化过程大致分为弹性变形阶段、稳定破裂发展阶段、不稳定破裂发展阶段和整体破裂阶段(峰后应力跌落及残余阶段)。围压较大时弹性变形和稳定破裂发展阶段相对较短,不稳定破裂发展阶段相对较长较剧烈,峰后残余阶段破裂面摩擦更强、应力波动较大。     

广花盆地南部金沙洲岩溶演变及环境特征

根据大量的地质钻探资料结合多种物探手段,在查明金沙洲地质环境条件的基础上,深入分析金沙洲岩溶发育的控制因素、岩溶发育程度及岩溶发育的分布规律,并对碳酸盐岩的溶蚀机理进行了探讨。分析研究表明,金沙洲大面积碳酸盐岩岩溶发育受到矿物组分、结构构造、机械破坏、溶蚀面积和溶蚀率等多方面的综合影响;受断裂构造影响越强烈部位,岩溶越发育,沿断裂两侧各100m范围内,单孔岩溶率、单个溶洞高度及溶洞发育层数均明显强于外部范围;总体上,石磴子组及壶天群灰岩岩溶属中等-强发育等级,大塱山组泥质粉砂岩岩溶属弱发育等级;纵向上,灰岩岩溶发育强度随深度增加而呈递减态势,而可溶性泥质粉砂岩由于可溶岩组分分布不均匀,纵向岩溶发育强度的规律性不明显。进一步分析显示,在岩溶强发育地段有利于土洞的形成,并容易发生岩溶地面塌陷。     

裂隙岩体不均匀冻胀性研究

隧道冻胀力是引起隧道冻害的主要原因之一，隧道冻胀力主要由围岩不均匀冻胀引起。裂隙的存在会对岩体不均匀冻胀产生进一步影响，因此推导了岩体不均匀冻胀系数 的计算公式，并获得岩体不均匀冻胀系数 的相关规律。（1）岩体不均匀冻胀系数随裂隙与冻结方向的夹角? 的增大而增大。（2）温度梯度增加，岩体的不均匀冻胀系数 增加，岩体的不均匀冻胀性增强。（3）裂隙率对岩体不均匀冻胀的影响需要考虑到裂隙与温度梯度夹角?，当裂隙与温度梯度的夹角? 较小时，岩体不均匀冻胀系数 随裂隙率的增加而减小；当裂隙与温度梯度的夹角? 较大时，岩体不均匀冻胀系数 随裂隙率的增加而增大。（4）裂隙对岩体不均匀冻胀的影响程度与岩体的岩性有关，裂隙对孔隙率小的岩体影响较大。根据推导的裂隙岩体不均匀冻胀系数计算公式，计算得到了不同岩性不同级别含裂隙围岩的不均匀冻胀系数范围，从而，在寒区隧道设计中可以更精确地计算隧道围岩作用于衬砌上的冻胀力，对寒区隧道工程的设计具有重要作用，对路基、边坡等寒区工程冻胀力的研究也可起到推动作用。     

鄂尔多斯盆地奥陶系压释水岩溶地球化学模拟

鄂尔多斯盆地的压释水岩溶是在中深埋藏条件下,富含有机酸的压释水渗入碳酸盐岩含水层所产生的溶蚀作用过程及岩溶化结果.从矿物的化学成分上来看,具有较低的Sr,较高的Fe、Mn含量,反映了埋藏较深、温度较高的成因环境.包裹体的大小、形态和分布特征显示矿物形成于水流交替缓慢,温度、压力及溶液浓度变化较为稳定的环境;包裹体的化学成分表明压释水岩溶作用较强的地区,溶解离子含量较低,pH值较低;包裹体同位素分析结果显示溶蚀孔、缝充填物的(D值较高,形成于氘富集的热卤水环境.通过压释水岩溶的地球化学模拟试验与系统分析得出:压释水的溶蚀动力源于有机酸的介入;压释水的溶蚀过程是一个缓慢的渗流扩散过程;压释水的溶蚀强度与有机酸的含量密切相关.     

某电站坝址区岩溶发育特征及岩体透水性研究

某电站位于玉树县西南部的子曲河下游,属澜沧江二级水系,坝址区碳酸盐岩较发育,有良好岩溶发育的物质条件。本文根据野外地质调查及地质勘探资料,论述坝址区岩溶发育形态、规模及空间展布特征,探讨岩溶发育规律。并结合钻孔压水实验,分析坝址岩体的透水性及岩溶发育特征与岩体透水性的相关性。研究结果表明:在岩溶发育特征方面,岩溶发育明显受岩性和地质构造的控制,岩溶发育具有垂向分带性及分布不均匀性的特征;在岩体线溶蚀率与透水率相关性方面,钻孔溶隙发育的孔段,岩体透水率与线溶蚀率相关性较差,岩溶裂隙不发育的孔段,岩体透水率则与线溶蚀率有较好的相关性。     

金沙江某电站钙质砂(砾)岩溶蚀对岩体质量的控制作用

拟建电站位于金沙江上。其坝址区区域地质构造复杂,分布侏罗系中统河湖相沉积的厚层砂(砾)岩。其下部钙质砂(砾)岩在地下水作用下产生溶蚀现象。这些溶蚀岩体的发育使得岩体强度降低,影响坝基的抗滑稳定和压缩变形。论文在坝址区工程地质条件评价及岩体质量分级的基础上,利用岩体弹性波速的变化,深入研究了钙质砂(砾)岩溶蚀对岩体质量的控制作用,提出初步的岩体质量分级修正标准,得到坝区的岩体质量分级体系。其结果可直接为工程岩体稳定性评价提供基础依据。     

实时高温下加载速率对花岗岩力学特性影响的试验研究

为综合考虑温度、加载速率两个因素对花岗岩力学性质及破坏方式的影响,在实时高温（25～1 000 ℃）作用下利用MTS810电液伺服材料试验系统对岩样进行不同加载速率作用下的单轴压缩试验。研究结果表明：（1）各个温度点,岩样单轴压缩应力-应变曲线大致经历了压密、弹性、屈服、破坏4个阶段。岩样峰后曲线在加载速率为0.001～0.01 mm/s出现台阶型分段跌落状,在加载速率为0.01～0.1 mm/s呈现光滑、陡峭的连续曲线。（2）岩样峰值强度、弹性模量随温度的升高可分为4个阶段：25～200 ℃区间为缓慢上升段;200～600 ℃区间为快速下降段;600～800 ℃区间为缓慢上升段;800～ 1 000 ℃区间为平缓下降段。1 000 ℃时的峰值强度和弹性模量相对于25 ℃时分别降低了53.47%和64.34 %。峰值应变与温度呈现三次多项式拟合关系。（3）岩样峰值强度、弹性模量与加载速率对数均呈现二次多项式增长关系,加载速率为0.1 mm/s时的峰值强度和弹性模量相对于0.001 mm/s时分别提高了38.82%和37.22%。岩样峰值应变与加载速率没有明显的对应关系。（4）单轴压缩状态下,随着温度的升高,花岗岩变形破坏形式由拉剪破裂向锥形破裂并伴随向碎性流动过渡,失稳型式由突发失稳向渐进破坏过渡。同一温度状态下,加载速率对岩样的破裂形式没有明显影响,但失稳型式发生了变化。     

基于Hoek-Brown准则的非等比强度折减方法

针对节理岩质边坡稳定性分析问题,开展了基于Hoek-Brown破坏准则的强度折减法研究。边坡的失稳过程是一个渐进累积破坏过程,破坏过程中各强度参数的衰减程度不同,在强度折减法中对应的折减系数也不同,不同折减系数间关系的确定及其综合安全系数的定义值得深入探讨。首先从岩体材料软化（硬化）特性出发,根据岩体强度参数从峰值强度到残余强度的变化规律,推导了Hoek-Brown破坏准则中3个强度参数折减系数间的数学关系式,然后以折减前后滑面上抗滑力之比定义综合安全系数来评价边坡的稳定性,最后结合算例验证了该方法的合理性,可有效应用于节理岩体边坡的稳定性分析。     

单裂隙砂岩单轴压缩的中等应变率效应颗粒流模拟

加载速率对裂隙岩体的力学性质及变形破坏均有重要影响。利用二维颗粒流程序PFC2D开展了不同倾角非贯通单裂隙砂岩试件的单轴压缩试验,研究了中等应变率对裂隙砂岩应力-应变曲线特征、裂隙尖端应力状态、特征应力状态、岩体损伤及裂隙扩展等力学响应的影响规律。裂隙岩体应力-应变曲线呈现明显的波动性,定义应力突变指标 对应力突变型波动剧烈程度进行了定量统计分析：随应变率的增加,曲线应力突变波动越剧烈,且峰后明显大于峰前;随裂隙倾角的增大,波动幅度峰前增大,而峰后减小。裂隙尖端破裂应力随应变率增大均有所提高,随裂隙倾角的增大,切向剪应力 总体上呈增加变化,而法向应力 明显减小。尖端破裂时岩样加载应力 、岩样临界扩容应力 及峰值应力 均随应变率增大而增大。裂隙尖端的破裂可立即引起岩体扩容,一般应变率越低,岩体裂隙尖端破裂点 和扩容点 越接近峰值强度 。随着应变率的提高,损伤裂纹及宏观裂隙类型越多,岩体试件损伤破裂程度越强,特别是试件端部效应愈显著。裂隙首先以I型翼裂纹在其尖端起裂,而I型翼裂纹的扩展长度与加载速率与裂隙倾角具有较强的相关性。