基于地质强度指标法的柱状节理玄武岩体力学强度估计

节理岩体的强度是岩体工程设计的重要参数, 柱状节理岩体作为一种具有柱状镶嵌结构的特殊节理岩体, 缺乏相似的工程案例, 其岩体强度的确定是目前水电工程中的热点问题。本文综述了国内外相似工程中柱状节理岩体强度的研究进展, 以白鹤滩水电工程为例, 结合Hoek和Brown最新提出的地质强度指标法和强度准则估算了不同爆破损伤下的柱状镶嵌块状结构和柱状镶嵌碎裂结构柱状节理岩体的强度参数, 并得到白鹤滩水电站的原位试验成果的验证, 计算表明基于地质强度指标法的Hoek和Brown强度准则能较好的反映柱状节理岩体的强度参数。      

基于量化的地质强度指标在围岩力学参数评价中的应用

围岩力学参数是隧道工程围岩稳定性评价和进行数值计算的关键与难点,岩体地质强度指标(GSI)正是针对节理化围岩体提出的一种用于解决这一问题的分类体系。概述了基于量化的地质强度指标和Hoek-Brown经验破坏准则估算围岩力学参数的方法,在引入量化的扰动系数D及绝对风化指数AWI的基础上,对某公路隧道的围岩力学参数进行了评价。在缺乏原位试验与大量样本数据的情况下,该方法可较准确反映节理化围岩的力学特性,为类似工程提供参考。     

小浪底工程岩体力学参数研究

本文系统研究了小浪底工程的岩体的强度特征,采用了室内试验,野外结构面统计,工程地质类比法、模型试验法和Hoek Brown的经验法,估算了工程岩体的力学指标,指出了上述各种方法中所存在的不足,认为在工程实践中,应尽可能使用多种估计方法,交叉校核所得参数,以提高参数的可靠性,保证工程的安全,节约投资。     

节理岩体关键块体稳定的概率分析

基于地下岩体受节理面的控制,节理面的几何和力学参数随机分布,从而导致岩体系统具有高度不确定性,提出以关键块体理论为基础,考虑节理几何和力学参数随机性的岩体开挖可靠度分析方法,并给出了块体稳定的总失效概率评价模型。以澳大利亚阿德莱德地区一铜矿地质条件为例,以节理面倾角、倾向、摩擦系数和黏聚力为随机变量,通过Monte Carlo模拟和概率图方法,进行了岩体可靠度和失效概率的计算。最后,采用条件概率的分析方法,计算了单面滑动块体的总失效概率。计算结果表明,块体沿单面滑动并且出现的概率为11.0%,总的失效概率为3.85%,超过一般岩体工程可允许的风险水平,认为该方法可以作为评价块体可靠性的依据。     

云锡大屯锡矿岩体力学参数的确定

阐述了岩体力学参数研究的重要性,系统地介绍了几种国内外常用的岩体力学参数的确定方法及其原理。以云锡大屯锡矿岩体力学参数研究为例,并以其室内试验得出的岩石物理力学参数和岩体质量评价RMR值为基础,采用这些方法对岩石物理力学参数进行工程折减弱化处理,计算得出其岩体力学参数。其结果对比分析及其推荐值的工程应用结果表明：将最新的Hoek-Brown准则、室内试验、M.Georgi法和费森科法四者相结合来进行分析,得出的岩体力学参数更为合理,提高了工程岩体力学计算精度。     

考虑截面规则性的柱状节理岩体变形及强度特性研究

柱状节理岩体的复杂结构使其现场力学参数的确定存在困难,可靠地估计柱状节理岩体强度及变形特性对工程安全至关重要。结合Voronoi图形及3D打印技术制作不规则柱状节理岩体光敏树脂模具,并制备了具有不同倾角的规则及不规则柱状节理岩体试样。基于开展的单轴压缩试验结果,分析不同截面柱状节理岩体的变形及强度特性差异。根据试样最终破坏形态,揭示柱状节理岩体破坏模式及机制。结合已有研究结果,描述节理面材料对柱状节理岩体破坏形态及强度的影响。基于传统节理系数方法,提出了更能反映柱状节理岩体柱体结构特征的修正节理系数方法。采用修正节理系数法建立规则及不规则柱状节理岩体试验结果与现场变形及强度参数间的经验关系,将所提出计算公式应用于白鹤滩水电站工程,预测结果与现场实测值及RMR法（RMR为岩石质量评分指标）、Q法（Q为岩体质量指标）的预测值进行比较。结果表明,对于现场变形和强度参数,所提出的修正节理系数法的预测结果与现场实测结果较为吻合。     

非均质共面断续节理岩体拉伸剪切破裂机制研究

工程开挖面附近卸荷扰动区的岩体,受结构面和拉应力共同影响作用,其变形和破坏具有拉剪复合特征。为研究节理岩体的拉剪力学特性,基于颗粒离散元法针对共面断续节理岩体开展了系列数值模拟研究。通过假设粒间接触的力学参数服从Weibull分布表征岩体的非均质性,探讨了非均质性、均质度、法向拉应力和节理连通率对节理岩体拉剪强度和破坏模式的影响。研究表明:拉剪应力条件下非均质性节理岩体主要沿阶梯型破裂面破坏,剪应力-水平位移曲线可以分为线性变形阶段、非线性变形阶段、峰值及峰后阶段;随均质度提高,节理岩体的剪切强度逐渐增加且提升幅度逐渐减弱,趋于均质岩体,岩体中微裂纹由弥散型分布向破裂面集中;节理岩体峰值剪切强度和法向拉应力的大小呈非线性负相关关系;岩体剪切强度随节理连通率增加而显著降低。     

单轴压缩荷载下非贯通闭合节理岩体损伤本构模型

目前损伤力学已被认为是研究节理岩体力学行为的有效工具,但是在目前的节理岩体损伤变量定义中大多仅考虑节理几何特征而未考虑节理内摩擦角等力学参数,这显然不能很好地反映节理岩体的力学特征。为此,拟推导出一个能够综合考虑节理几何及力学参数的损伤变量（张量）,并由此建立单轴压缩荷载下岩体损伤本构模型。首先,基于断裂力学的由于单个节理存在引起的附加应变能增量与损伤力学的损伤应变能释放量相关联的观点,推导出了含非贯通节理岩体的损伤变量计算公式;其次,根据断裂力学理论对单轴压缩荷载下的单个节理尖端应力强度因子计算方法进行了研究,得出了应力强度因子K_Ⅰ、K_Ⅱ的计算公式;同时考虑多节理间的相互作用给出了单组单排及多排非贯通节理应力强度因子计算公式。最后,利用该模型对含单条非贯通节理的岩体在单轴压缩荷载作用下的峰值强度及损伤变量进行了分析计算。结果表明,当节理倾角小于其内摩擦角时,岩体强度与完整岩石相同,岩体损伤为零,而后随着节理倾角增加,岩体强度、损伤随节理倾角的变化分别呈开口向上及向下的抛物线,当节理倾角约为60°时,岩体损伤最大,强度最低。随着节理长度增加,岩体损伤增加,而随着节理内摩擦角的增加,岩体损伤则减小。      

用Hoek－Brown强度准则确定 岩石地基极限承载力

岩石地基承载力,是地基稳定性分析中的强度问题,不仅控制建筑物的安全,而且客观上影响工程的经济合理性,因此,精确确定岩基承载力至关重要。介绍基于Hoek－Brown强度准则计算完整岩体、节理岩体、破碎岩体、软弱岩体岩基承载力的极限平衡解法,以及参数m,s的确定方法。最后,以工程实例证明此方法的正确性和实用性。     

地下洞室岩体变形模量的尺寸效应研究

变形参数是岩体工程变形计算、稳定性评价的前提,岩体变形参数的合理取值一直是岩土工程界关注的热点和难点之一.由于岩体力学参数存在随研究尺度不同而变化的特性,被称之为岩体力学参数的尺寸效应,因此由室内试验获取的岩石力学参数,甚至现场试验获取的岩体力学参数,均代表不了岩体工程尺度实际的力学特性,不能直接用于工程实际.为获取能...     

节理岩体力学性能不确定性分析方法研究

基于连续介质损伤力学框架,通过损伤张量和有效应力来描述节理岩体的力学性能,自主研发了基于损伤力学模型的有限元程序（CD-FEM）,用于节理岩体等效力学性能研究。同时,采用Karhunen-Loeve（K-L）展开来分解随机输入场,用混沌多项式来表示随机输出场,采用概率配点法生成配点,再由连续损伤有限元分析系统CD-FEM求解确定性方程组,最终得到输出域的统计数据,从而提出了一种将随机分析与基于连续损伤力学模型的数值分析方法解耦进行节理岩体不确定性力学行为分析的方法。利用该方法,对一典型节理岩体在加载条件下的力学行为进行不确定性分析,并与蒙特卡罗方法进行对比,结果表明,所提方法的计算量大大减少,极大地提高了节理岩体力学性能不确定性分析的效率,可应用于对节理岩体在不同载荷条件下的不确定性进行分析。     

Analysis of strength and moduli of jointed rocks

This paper deals with two aspects of jointed rock mass behavior, first the finite element modeling of a jointed rock mass as an equivalent continuum, second the comparison of empirical strength criteria of a jointed rock mass. In finite element modeling the jointed rock properties are represented by a set of empirical relationships, which express the properties of the jointed medium as a function of joint factor and the properties of the intact rock. These relationships have been derived from a large set of experimental data of tangent elastic modulus. It is concluded that equivalent continuum analysis gives the best results for both single and multiple jointed rock. The reliability of the analysis depends on the estimation of joint factor, which is a function of the joint orientation, joint frequency and joint strength.Empirical strength criteria for jointed rocks, namely Hoek and Brown, Yudhbir et al., Ramamurthy and Arora, Mohr–Coulomb have been incorporated in a nonlinear finite element analysis of jointed rock using the equivalent continuum approach, to determine the failure stress. The major principal stress at failure, obtained using Ramamurthy's criteria, compares very well with experimental results.     

峰前卸荷对节理岩体力学特性影响试验研究

实际工程中,岩体的应力变化状态非常复杂,并不只是简单的加载或者卸荷,如水利工程中的大坝,当坝基开挖时其力学条件主要表现为开挖方向的卸荷(其他方向有可能卸荷,也有可能加载),而坝体修筑以后,力学条件又主要表现为加载。因此,对卸荷损伤后的岩体再次加载时的力学性质进行研究具有十分重要的工程意义。通过三轴卸荷及卸荷损伤后加载破坏试验,研究了不同围压下,含断续预制节理岩体经过不同程度卸荷损伤后再次加载时的力学特性。研究结果表明:围压对于含断续节理岩体变形模量影响不明显,岩体弹性模量与围压没有明显关系,相同围压下节理岩体弹性模量和变形模量均显著低于完整岩体:节理岩样峰值应变随着围压的增大线性增大,二者之间有较好的相关性,相比于完整岩样,节理岩体峰值应变随围压增大增长更快:围压越低,卸荷对岩体强度的影响越大,随着围压增加,卸荷量不同造成岩样的损伤差异逐渐减小。     

节理岩体冲击破坏的数值流形方法模拟

节理的存在是岩体明显区别于岩石的一个重要特征,也是导致岩体具有非均质性及各向异性的一个重要因素。节理岩体在爆炸冲击荷载作用下的破坏特征不仅是岩体力学研究的一个热点问题,也是岩石爆破领域经常遇到的一个工程问题。目前,常用的有限元和离散元等数值方法都不能很客观地反映岩体中节理分布的实际规律,而最新出现的数值流形方法则完全能够按照岩体中节理的实际分布规律进行建模,并能够很好地模拟岩体在外力作用下新裂纹的产生及已有节理的开裂。对3种不同节理岩体,即无节理岩体、均布水平节理岩体、均布垂直节理岩体等在均布垂直于圆周方向上的冲击荷载作用下的破坏过程进行了模拟。由模拟结果可以明显看出,节理的存在对岩体的破坏型式起到了关键性的控制作用。对于完整岩体,其破坏型式呈现出了很好的对称性;而对于水平及垂直节理岩体,其破坏型式在很大程度上受到节理分布的控制。研究结果对岩石爆破工程设计具有一定的指导意义。     

An Anisotropic Geomechanical Model for Jointed Rock Masses at Taishan Nuclear Power Station, Southern China

An anisotropic geomechanical model for jointed rock mass is presented. Simultaneously with deriving the orthotropic anisotropy elastic parameters along the positive axis, the equivalent compliance matrix for the deflection axis orthotropic anisotropy was derived through a three-dimensional coordinate transformation. In addition, Singh’s analysis of the stress concentration effects of intermittent joints was adopted, based on two groups of intermittent joints and a set of cross-cutting joints in the jointed rock mass. The stress concentration effects caused by intermittent joints and the coupling effect of cross-cutting joints along the deflection-axis are also considered. The proposed anisotropic mechanics parameters method is applied to determine the deformation parameters of jointed granite at the Taishan Nuclear Power Station. Combined with the deterministic mechanical parameters of rock blocks and joints, the deformation parameters and their variability in jointed rock masses are estimated quantitatively. The computed results show that jointed granite at the Taishan Nuclear Power Station exhibits typical anisotropic mechanical characteristics; the elastic moduli in the two horizontal directions were similar, but the elastic modulus in the vertical direction was much greater. Jointed rock elastic moduli in the two horizontal and vertical directions were respectively about 24% and 37% of the core of rock, showing weakly orthotropic anisotropy; the ratio of elastic moduli in the vertical and horizontal directions was 1.53, clearly indicating the transversely isotropic rock mass mechanical characteristics. The method can be popularized to solve other rock mechanics problems in nuclear power engineering.     

节理岩体强度特征研究综述

随着岩体工程建设规模的加大,对节理岩体的研究提出了更高的要求,需要对节理岩体强度及其相关问题有全新的认识。在认真总结国内外节理岩体理论与试验研究的基础上,以节理岩体强度为主线,详细论述了理论强度准则、经验强度准则及其与强度有关的节理岩体试验、本构、数值模拟等内容,指出了节理岩体需进一步研究的几个关键问题。      

锚固节理岩体等效力学参数三维离散元模拟

节理岩体是工程边坡的重要研究对象,通过数值模拟（3DEC）的方法研究了加锚节理岩体的力学特性。以龙滩水电站左岸边坡的锚固设计为例,推导了边坡加锚节理岩体的等效力学参数,进行了岩石数值单轴压缩试验、直剪试验以及岩体结构面直剪试验,对数值试验的结果进行了误差分析和修正,确定出加锚节理岩体的等效力学参数为：岩石的变形模量、内摩擦角、内聚力不变,结构面的内摩擦角不变,内聚力由50 kPa提高到122 kPa。所得结论与采用物理试验的试验结果相符,验证了用数值模拟方法进行岩石力学试验的可行性和可靠性。     

基于裂隙产状和迹长划分岩体统计均质区研究

岩体统计均质区的划分是岩体工程设计的首要步骤,因为不同的均质区内岩体的结构特性和力学特性都存在差异。大多研究考虑产状或者其他单一参数划分岩体统计均质区,却很少有人考虑多参数进行划分研究。考虑了裂隙产状、迹长两个参数,提出了一种划分裂隙岩体统计均质区的新方法,即基于秩和检验评价两个样本之间的相似性,从而实现对裂隙岩体统计均质区的划分。结合工程实例即云南省马吉水电站左岸坝肩某两高程4个平硐的岩体结构统计均质区划分,分析了多参数对裂隙岩体统计均质区划分的影响。研究结果表明：PD241和PD253、PD201和PD241分别划分为一个统计均质区,而PD201和PD251 以及PD251和PD253不具有统计相似性。考虑了产状和迹长因素对岩体统计均质区的影响,划分结果较Miller方法更加合理可靠。结合现场调查分析,新方法的结果更加吻合实际情况。     

三向应力作用下节理岩体渗流-应力耦合特性

节理岩体渗流-应力耦合特性研究是岩石力学领域的重点和难点。水利水电工程与地下工程中天然节理岩体往往处于三向不等压应力状态,针对三向应力状态下节理岩体渗流-应力耦合特性研究较少。其中,单节理岩体渗流-应力耦合特性研究是基础。首先分析与探究了单节理岩体侧向应力作用效果及渗流作用机制,在单节理岩体渗透性-应力耦合分析模型基础上推导了单节理岩体渗流-应力耦合的理论公式。通过室内真三轴渗流-应力耦合试验,基于全局优化算法的非线性拟合及块体离散元数值仿真,验证了所提出理论公式的合理性。基于电路原理,给出了模拟电路与渗流问题的相似物理量,通过引入等效渗流阻方法,探究了典型的含正六边形主干节理网络的渗流-应力耦合特性。该研究结果对实际工程岩体的渗流分析有一定的参考价值。     

节理岩体卸荷强度特性的试验研究

卸荷状态工程岩体的强度特性与传统的加载岩体有本质的区别。目前对于岩石卸荷强度特性的研究比较多见,但对于含节理的岩体在卸荷应力状态下的强度特性,尤其是节理面对其强度的影响研究实属少见。本文通过岩体三轴模拟试验研究了卸荷应力状态下节理岩体的破坏特征,突出考虑了节理面性质对卸荷强度的影响,在此基础上提出了节理岩体卸荷强度准则的一般表达式并进行了对比验证。