模拟岩石压剪状态下主次裂纹萌生开裂的扩展有限元法

压剪应力状态下,岩石类材料中常见两类裂纹：翼型张拉裂纹和次生压剪裂纹。基于扩展有限元方法（XFEM）,提出了模拟压剪裂纹面作用机制的扩展有限元位移增强方案,并给出了扩展有限元法分叉裂纹处理方法,分别用最大周向拉应力准则和Mohr-Coulomb准则判断张拉裂纹和压剪裂纹的萌生和扩展。基于Matlab平台编写了数值计算程序Betaxfem 2D,通过两个算例对所提方案进行了验证,所得结果与有限元法（FEM）计算结果吻合很好。模拟了单轴压缩载荷下含预制闭合裂纹试件的裂纹分叉、扩展过程,与试验结果的对比表明,所提方案可以模拟和预测岩石类材料张拉、压剪交互分叉裂纹的萌生和扩展行为。     

断裂问题的扩展有限元法研究

扩展有限元（extended finite element method,XFEM）是近年来发展起来的、在常规有限元框架内求解不连续问题的有效数值计算方法,其基于单位分解的思想,在常规有限元位移模式中加入能够反映裂纹面不连续性的跳跃函数及裂尖渐进位移场函数,避免了采用常规有限元计算断裂问题时需要对裂纹尖端重新加密网格造成的不便。在推导扩展有限元算法的基础上,分析了应力强度因子的J积分计算方法及积分区域的选取。采用XFEM对I型裂纹进行了计算,有限元网格独立于裂纹面,无需在裂纹尖端加密网格;分析了积分区域、网格密度对应力强度因子计算精度的影响,指出了计算应力强度因子的合适参数,验证了此方法的可靠性和准确性。     

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。     

基于EMS微震参数的岩爆预警方法及探讨

一系列深埋长大隧道工程在我国西部涌现,深埋隧道围岩的岩爆成因机制及监测预警成为亟待解决的课题。微震监测作为岩体微破裂空间监测技术在隧道工程岩爆预警上发挥了重要作用。由于微震数据存在的波动性（时间序列）、离散性（空间分布）和误差,利用震源参数随施工循环的演化特征评估岩爆发育过程并非足够稳定、有效。基于3种微震监测易于获取且紧密联系的震源参数（地震能量、地震矩和视应力）,扩展建立了用于岩爆评估与预警的EMS方法。该方法定义了地震能量、地震矩、视应力3种评价指标,并获得了3种评价指标间的关系;将3种评价指标用于岩爆预测,并进行了岩爆等级评估;同时还给出了微震路径与震源参数空间的概念。最后,将EMS方法应用于巴陕高速米仓山隧道的岩爆灾害实例,对岩爆里程段微震事件簇（微震事件聚集区域）内岩体累进破裂和岩爆发育过程进行了评估,实现了简易有效的微震数据日常处理与岩爆灾害评估预警。     

裂纹扩展过程的动态仿真技术

岩石断裂力学在岩土工程领域应用越来越广泛,其数值模拟技术是研究的主要方向之一,也是制约断裂力学发展的瓶颈。基于扩展有限元思想,依托ABAQUS用户子单元二次开发技术,引入Heaviside函数模拟不连续位移场,采用裂尖 逼近函数模拟裂尖位移场,通过J积分求解裂尖的应力强度因子（SIF）,最后采用最大周向应力准则,预测裂纹扩展方向,实现了裂纹动态演化过程的扩展有限元数值模拟。通过3个经典断裂力学模型,对比了计算值与理论值,验证了所开发程序的适用性和有效性     

板裂化模型试样失稳破坏及其裂隙扩展特征的试验研究

锦屏二级水电站深埋隧洞大量岩爆案例表明板裂化围岩的失稳破坏与岩爆之间具有很强的相关性。采用高强石膏配制满足板裂化围岩结构特征的硬脆性模型试样,通过一侧约束条件下的单轴压缩试验研究板裂化模型试样的失稳破坏过程、强度与变形特性及其裂纹扩展特征。研究表明,（1）板裂化模型试样失稳破坏过程表现出应变型岩爆的特征,其典型的破坏过程为预制裂隙尖端张拉裂纹的萌生与扩展-试样劈裂成板-岩板屈曲变形-岩板压折、岩片弹射;（2）与完整试样相比,含1条、2条、3条预制裂隙模型试样的峰值强度、弹性模量均呈现稳定下降的趋势,而峰值轴向应变则是先减小后增大;（3）试样预制裂隙尖端张拉裂纹的产生会造成：相邻预制裂隙尖端横向应变值的突变、试样侧向变形量的突增以及侧向变形速率的显著增大;（4）临空面附近的预制裂隙,其尖端产生的张拉裂纹在很短的时间内便会失稳扩展,并造成试样的失稳破坏。最后,分析试样变形破坏过程中的声发射特性。研究结果对于揭示深埋硬岩隧洞板裂化围岩的失稳破坏规律、岩爆的发生机制具有重要意义。     

基于扩展有限元法对土体滑坡破坏过程的模拟

边坡失稳一般经历滑裂面萌生、扩展和贯通的过程。近年发展起来的扩展有限元法（XFEM）可以合理地模拟这一过程,但在实际应用中仍未克服需要预先设定滑裂面的起始位置,以及滑裂面前端扩展方向的判断精度较低等缺陷。首先介绍滑裂面萌生和扩展的判断和程序实现机制。然后提出了确定滑裂面起始位置的方法,重点描述了其中的自动判断裂缝萌生位置的方法,即根据单元内的应力状态求得拉应力水平和剪应力水平,根据其相对关系并结合应力历史进行判断。接着介绍了联合运用扇形控制域和圆形控制域确定滑裂面前端扩展方向的新方法。该方法可提高XFEM对滑坡破坏过程的模拟精度。最后通过两个边坡失稳算例的计算分析验证所提方法的可靠性。     

基于快速应力释放的深埋隧洞岩爆防治对策研究

大型地下工程开挖中,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而产生岩爆。岩爆作为常见的一类动力失稳地质灾害现象,极大地威胁着现场施工人员和设备的安全。作为雅砻江锦屏二级水电站的主要工程,千米级埋深的引水隧洞也面临高地应力下硬岩岩爆问题。针对锦屏二级引水隧洞岩爆的特点,提出采用快速应力释放的方法防治岩爆,并采用数值模拟的方法优选了倾斜辐射爆破孔方案。数值模拟结果表明：该方法能使岩体内的初始应力快速卸荷,同时使应力集中区向岩体深部转移。通过在锦屏二级引水隧洞工程中的试验与运用,采用声波测试法对实施快速应力释放方案的效果进行检验,验证了快速应力释放方法防治岩爆的有效性。研究成果为解决类似工程岩爆防治问题提供了理论依据和借鉴。     

西南地区某隧道围岩岩爆预测研究

岩爆预测一直是地下工程领域中的世界性难题。本文以西南某隧道工程为例,从岩爆形成的3个条件：岩石岩爆倾向性、岩体完整性和高地应力环境3个方面着手,应用最大储存弹性应变能指标Es和岩石脆性系数B,对深埋隧道区段内可能发生岩爆的石英砂岩、灰岩岩体进行岩爆倾向性分析预测; 基于地应力测量数据资料,采用地质过程动态模拟的有限元分析方法,反演分析隧道工程区岩体地应力场,对隧道高应力区段作出判断; 根据现场所取样品试验结果综合分析隧道围岩的物理力学性质、岩石单轴抗压强度等。在分析和总结前人岩爆预测预报方法的基础上,以工程地质分析为基础,详细阐明隧道岩爆发生的条件,并以岩体力学和非线性科学理论为指导,采用地质综合分析、应力强度比法对隧道可能发生岩爆的部位及其强度进行综合预测。     

岩爆的损伤断裂模型

在分析岩爆形成的物理力学特征的基础上，建立了岩爆的损伤断裂模型。该模型能够合理地分析围岩应力调整过程中的裂纹的扩展，连接和裂纹与洞室表面的相互作用问题，以及由裂纹扩展和连接而分离出来的薄片岩层的屈英断裂问题。     

冲击地压预测的遗传神经网络方法

根据重庆市南桐矿务局砚石台煤矿的生产技术条件和开采地质条件,针对传统方法预测冲击地压存在的弊端,运用BP人工神经网络和遗传算法相结合的方法,通过改进激励函数来缩短训练时间,并利用给权值加入动量项和变速率学习方法,减少学习中的振荡,来对该矿冲击地压预测进行研究。工程实际应用表明,该方法能有效的确定网络结构和训练参数,并可以很好地应用在相关工程上。     

基于矩张量的深埋隧洞岩爆机制分析

以锦屏二级水电站微震监测数据为基础,将矩张量引入到深埋隧洞岩爆机制分析研究中。对分析过程中遇到的2个关键问题提出了针对性的建议：① 隧洞工程为线性工程,传感器布置空间有限,难以形成良性传感器阵列,矩张量分析结果的可靠性受到很大的影响,为此,提出了数值计算过程中的坐标系空间旋转法。该方法按最优路径旋转隧道坐标系,使对于同一个事件的每个传感器,源-传感器射线到新坐标系的3个方向余弦差值在10倍数值范围以内,在数值计算过程中,可以得到较理想的矩张量结果。②针对Ohtsu使用矩张量分解判断岩石破裂类型的方法中,提出的各分量比重计算公式,仅适用于各分量均为受拉的情况。考虑快速掘进条件下隧洞工程受力方向的不确定性,扩展其分量比重计算公式到更一般适用状态。在此基础上,建立了一套完整的岩爆孕育过程矩张量分析方法。利用该方法对锦屏二级水电站典型岩爆微震数据进行分析,结果表明,该方法可以较好地解释岩爆孕育过程岩石破裂演化机制。     

卸荷诱发巷道模型岩爆的发生机理实验研究

以“巷道-围岩”系统为研究对象,以水平应力卸荷操作模拟工程现场的巷道周边矿岩开挖卸荷作用,再现了巷道卸荷岩爆。实验结果指出,巷道卸荷岩爆经历了“平静期→小颗粒弹射→片状剥离→片状剥落”的演化过程,在巷道内壁产生“岩爆→应力调整→应力调整失败→再次岩爆”的多次岩爆过程,最终形成“V”字型岩爆坑。卸荷条件下,不同水平应力的巷道模型岩爆将产生不同的破坏,形成了不同的破裂面。理论推导得出卸荷前巷道围岩的应力分布规律,运用修正Griffith破坏准则,计算了不同水平应力（8.9MPa、13.3MPa、17.8MPa）卸荷后巷道围岩发生岩爆破坏的竖向起裂应力,构建了巷道边壁“V”字型岩爆坑的计算模型。研究得出水平应力存在一个影响竖向承载能力的应力点（13.3MPa）,当水平应力小于13.3MPa时,水平应力与竖向起裂应力呈正相关;当水平应力大于13.3MPa时,水平应力与竖向起裂应力呈负相关。对左右边壁应变能累积区域的信息进行量化处理,得出相较8.9MPa和17.8MPa,水平应力为13.3MPa的左右边帮应变能集中区域的累积能量最大,集中区域与边壁的距离最短。     

扩展有限元法在岩石断裂力学中的应用

岩石裂纹的扩展是一个经典的不连续问题,常规有限元方法难以实现裂纹扩展过程的仿真模拟。扩展有限元法(XFEM)实现了计算网格与不连续面相互独立,因此模拟移动的不连续面时无需对网格进行重新剖分。本文介绍了XFEM基本原理和岩石断裂力学常用判据,尝试对岩石类材料单缝Ⅰ型三点弯曲、单缝剪切和双缝平板实验进行模拟。分析结果表明:扩展有限元模拟岩石类材料断裂问题不受网格划分限制,裂纹以实际应力场分布随机扩展;直观地给出岩样的微裂纹产生、演化,直至完全破坏的全过程,并与实验结果吻合。该方法能够应用到岩石断裂力学方面的研究,模拟岩石类材料的宏细观破坏过程,为解决复杂问题提供了方便的途径。     

爆破扰动下TBM隧洞时滞型岩爆特征及影响机制研究

时滞型岩爆的发生通常具有很强的随机性,会对施工安全造成巨大的威胁,而开挖扰动、爆破扰动等均会对潜在时滞型岩爆区产生不同程度的影响。依托某隧道掘进机（TBM）引水隧洞,采用理论分析和对比分析法研究了拆机洞爆破开挖期间K54+000—K54+700段发生的5次时滞型岩爆,发现：（1）强烈岩爆和中等岩爆区位于缓倾断层附近,围岩发育短小隐节理和含充填的细密节理,轻微岩爆距断层远或位于正断层附近,除含充填的细密节理外,均至少发育1条含充填物的倾向SW的陡倾结构面;（2）TBM法开挖隧洞时滞型岩爆滞后爆破时间更长,滞后工作面距离更远,且爆破对TBM隧洞的扰动作用相对较小;（3）爆破扰动使得潜在时滞型岩爆区围岩失稳变得容易,从而加速了时滞型岩爆的进程。研究成果可为TBM隧洞时滞型岩爆的预警与防控提供参考。     

基于缩放因子的参数曲线自由变形

构造出一种用于参数曲线自由变形的分段多项式函数,称之为缩放因子,将该因子作用于待变形曲线,从而使曲线发生形变。通过交互改变控制参数,可这到预期的变形效果。实验表明,这种方法数学背景简单,易于控制,操作方便,重复使用可获得丰富的变形效果,适用于几何造型、计算机动画等领域。     

深埋高地应力隧道勘察期岩爆烈度概率分级预测

岩爆是地下工程开挖过程中硬质岩体存储的弹性应变能突然、迅速释放的动态过程。我国西南山区正在建设或拟建大量深埋长大隧道,勘察阶段岩爆的准确预测对有效设计和控制投资十分重要。从隧道工程勘察阶段线路比选与设计需求出发,针对隧道勘查期岩爆灾害预测指标获取难、预测精度低的问题,以该阶段岩爆预测指标的易获取性为前提,利用贝叶斯网络解决不确定性问题的有效性来反映岩爆烈度与各影响因素的相关关系。基于473组岩爆灾害案例,采用4个预测指标（地应力、地质构造、围岩级别和岩石强度）来构建岩爆烈度朴素贝叶斯概率分级预测模型,利用十折交叉验证方法确定模型预测精度达84.47%。将该模型应用于雅安—叶城高速公路跑马山1号隧道岩爆段落,预测结果显示：28次岩爆预测中有24次正确、4次错误,准确率高达85.71%;其中2组错误预测中,现场判别为轻微-中等岩爆,而本文模型预测为轻微岩爆。验证结果表明所建立的贝叶斯网络模型具有良好的预测性能,研究成果可为我国西南山区深埋长大硬岩隧道勘察设计期岩爆灾害预测提供技术支撑。     

深埋隧道岩爆规模现场快速估算方法

以岩爆破坏的洞壁面积及爆落的岩体体积作为衡量岩爆灾害规模的重要指标,提出一种基于现场测量信息的爆坑几何形态快速建模及岩爆规模估算方法,该方法的重要组成部分包括:爆坑形态类型的概化、爆坑测量断面的选取、控制测点的确定及坐标记录、爆坑纵横断面轮廓线线型的拟合、洞壁破坏面积与爆坑体积估算公式的推导。针对工程中常见的窝型与V型爆坑,分别建立了适用于隧道直线形与拱形洞壁的岩爆规模估算公式,探讨了非典型窝型与V型爆坑,岩爆规模估算的近似处理方法。将所提出的方法应用于我国西南锦屏二级水电站深埋引水隧洞工程的岩爆规模估算,典型案例验证结果表明,利用该估算方法所给出的结果与现场实际的岩爆规模接近一致,估算误差约为15%以内。研究成果能够为岩爆烈度等级划分及严重程度的评定提供重要的基础性指标。     

基于声音信号的室内岩爆动态预测方法

利用自主研发的真三轴岩爆试验机,在室内再现了应变型岩爆过程,并对岩爆过程中的声音信号进行监测。采用梅尔倒谱系数、谱质心、短时平均过零率等可定量化描述声音特性的组合指标作为岩爆过程典型破坏现象声音信号的特征提取信息,在此基础上结合适用于处理小样本、非线性分类问题的高斯过程机器学习方法,建立岩爆过程典型破坏现象识别的高斯过程模型,由此实现室内岩爆过程典型破坏现象的智能识别。进而,针对岩爆传统预测方法侧重于趋势预测而不能判别岩爆过程发展阶段的不足,采用智能识别+趋势预测的动态识别策略,以岩爆发生前夕的平静期、谐波均值、色谱向量均值等声音特征指标的变化规律作为岩爆前兆信息,提出一种多层次递进式的岩爆动态预测方法。室内岩爆的预测结果表明,该方法是可行的,为未来建立基于声音的现场岩爆预测方法奠定试验基础。     

地下工程围岩潜在岩爆问题评估方法

潜在岩爆评估是工程前期或可研阶段预估工程施工风险、建设成本和规划工程布置中的重要课题,现有单独采用岩爆倾向性或应力与强度之比的评价方法存在不足。文中建议了一种地下工程潜在岩爆问题评估方法,综合考虑了岩石力学特性、围岩质量和地应力三方面的内外在因素,归纳了岩爆对应的地质条件,总结认为岩爆主要发生在II、I类围岩。以体积应变反弯点为卸载控制点,改进了岩爆倾向性指数的试验方法。综合考虑岩石弹性能指数、应力强度比和主应力比3个因素,提出了潜在岩爆指数新指标,并给出了相应界限值,可为工程可研阶段岩爆风险预估提供了一种操作简单、逻辑科学的评估方法。