二十年岩体应力现场实测研究

本文介绍了几个现场应力量测实例,并将其划分为三种类型:低强度岩体中应力;高强度岩体中应力;高应力地区岩体中应力。被测岩体包括各种各样的沉积岩、火成岩和变质岩,它们的杨氏模量介于1—105 GPa。用于应力解除的最深钻孔为90.7m。根据上述实测结果及简单分析计算,归纳出初始应力在地壳浅部分布的一般规律,论述了初始应力与岩石杨氏模量的关系及其对岩体工程的影响。     

工程区高地应力判据研究及实例分析

对原地应力状态的准确把握是地下工程稳定性评价的重要基础,而选择可行的高地应力判据是进行地应力状态评价的前提条件。在详细分析现有各种原地应力评价判据的基础上,提出可行的高地应力判据,并在判据模型中引入了国际上认可度非常高的Shoerey模型,但该模型没有考虑岩体变形模量和岩石弹性模量的区别。通过广泛研究目前国内外关于岩体强度的理论和方法,引入Hoek-Brown岩体强度估算理论,补充完善了Shoerey模型。云南禄丰某工程隧道,工程区共布置两个地应力测孔,测试结果较为离散。利用应力状态评价和数据拟合方法,推算出最大埋深部位的应力值达19.29 MPa,而岩体整体强度仅为5.243 MPa。按照强度应力比和Shoerey模型的评判标准,该隧道洞身部位的应力状态均为极高应力状态,应引起重视。对原地应力状态评价的一般方法和步骤进行了概括总结,以方便其他工程参考使用。     

多尺度节理岩体力学特性的颗粒流分析

以白云鄂博露天铁矿东矿岩质高边坡为工程背景,结合现场地质调查、室内岩石和节理力学试验等数据,采用等效岩体技术,构建能充分反映节理分布特征的实验室、现场原位试验和工程尺度等多尺度等效岩体模型。通过对各类等效岩体模型进行单轴压缩试验,研究岩体单轴抗压强度、弹性模量等力学特性的尺寸效应和各向异性。研究表明：节理的存在使岩体表现出尺寸效应和各向异性,且随着尺寸的增大,这种特性基本呈逐渐减弱的趋势;研究区域岩体的表征单元体积、单轴抗压强度和弹性模量分别为20 m×10 m×10 m、1.46 MPa和3.91 GPa;岩体单轴抗压强度、弹性模量与轴向尺寸的关系,近似符合渐进式指数函数关系,且该函数能直观地给出工程尺度岩体的力学特性。     

锦屏二级水电站大理岩复杂加卸载应力路径力学特性研究

地下洞室开挖围岩经历典型径向卸载、环向加载应力路径,由此引起的岩体强度、变形特征和破坏机制也不尽相同。针对锦屏二级水电站高地应力赋存环境,对施工排水洞大理岩开展常规单轴全应变、三轴压缩、卸围压、卸围压-加载轴压等4种不同应力路径力学试验,得到应力-应变全过程曲线、变形破坏特征和极限储能变化规律。试验研究结果表明, （1）锦屏二级水电站大理岩破坏时轴向应变一般较小,为硬脆性材料,卸荷应力路径下该脆性特征更为明显;（2）卸围压同时加载轴压试验峰值强度对应轴向应变、环向应变及体积应变值一般高于单纯的卸围压值,而对应峰值强度则一般低于卸围压值;（3）卸荷速率较大时,变形模量越大,大理岩峰值强度越低。加载速率越大,变形模量越小,峰值强度越高。初始围压越高,变形模量值越低,峰值强度越高;（4）无侧限作用时试件主要为张拉破坏,低侧限作用时为剪切破坏为主,局部存在张拉破坏,较高侧限时,剪切面为典型X或Y型;（5）岩石试件具有极限储能值,该值受多种因素的影响。一般情况下试件破坏对应围压越高,极限储能值越高,卸载速率越大,极限储能值越小。研究结果对于岩爆孕育发生机制解释以及工程实际问题的解决均有参考价值。     

高应力区隧道围岩变形破坏的数值模拟及物理模拟研究

隧道失稳和维护困难是高地应力隧道的普遍问题,对隧道的支护设计提出了更高的要求。研究从地下工程岩体应力环境变化和岩体强度变化的角度探讨了高应力隧道围岩的变形破坏机制。根据重庆某深埋隧道围岩实际情况,运用FLAC3D三维显式有限差分法分析软件,建立了摩尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。通过隧道的三维数值计算,分析了高应力环境下隧道周边塑性区分布、应力场、位移场等的分布特点,得到了高应力隧道围岩在高地应力环境下的破坏规律。通过物理模型验证了高应力隧道围岩的破坏特点,并进行了超载试验,将其与数值模拟进行对比,进一步验证了所建数值模型的科学性。     

地应力与岩体模量关系的理论及试验研究

岩体模量（弹性模量及变形模量）是工程岩体力学特性的基础参数之一,研究地应力状态与岩体模量之间的关系具有重要意义.基于静弹性热力学模型原理,结合弹性理论,推导了水平主应力与岩体性质参数的定量关系,并对地应力与岩体模量的关系进行了探讨.在此基础上,以赣龙铁路梅花山隧道为依托,开展了围岩应力及岩体模量参数的现场测试工作,并将实测成果与理论分析进行对比.结果表明：当埋深影响较小时,花岗岩中的水平主应力与岩体模量呈线性正相关关系;当埋深相差较大时,深度对地应力及岩体模量的影响均不可忽略,水平主应力与岩体模量一般呈非线性关系,需要进一步研究;对花岗岩中的岩体弹性模量和变形模量与水平主应力之间的相关性进行对比发现,岩体变形模量与水平主应力的相关性更好.研究成果可为工程岩体力学参数取值及评价提供借鉴.     

地应力与岩石弹性模量关系试验研究

在北京某深孔原岩应力测量和原岩应力测量段同等深度单轴及不同围压下的三轴岩石力学试验的基础上,结合统计的钻孔岩体结构参数,分析了原岩应力测量段深度处修正前、后的岩石弹性模量,进而探讨了地应力与岩石弹性模量间关系。结果表明,在花岗岩中,主应力大小与修正前、后的岩石弹性模量间均呈正相关关系,而在灰岩中,主应力大小与修正前、后岩石弹性模量间的关系不明确,需要进一步研究;在花岗岩中,主应力大小与修正后的岩石弹性模量间的相关性系数高于主应力大小与修正前的岩石弹性模量间的相关性系数;各向同性高的岩体（如花岗岩）,实测地应力大小与岩石力学试验结果相关性好,而各向异性大的岩体（如沉积岩）,实测地应力大小与岩石力学试验结果相关性较差     

In-situ Rock Spalling Strength near Excavation Boundaries

It is widely accepted that the in-situ strength of massive rocks is approximately 0.4 ± 0.1 UCS, where UCS is the uniaxial compressive strength obtained from unconfined tests using diamond drilling core samples with a diameter around 50 mm. In addition, it has been suggested that the in-situ rock spalling strength, i.e., the strength of the wall of an excavation when spalling initiates, can be set to the crack initiation stress determined from laboratory tests or field microseismic monitoring. These findings were supported by back-analysis of case histories where failure had been carefully documented, using either Kirsch’s solution (with approximated circular tunnel geometry and hence σ _max = 3σ ₁ ?σ ₃) or simplified numerical stress modeling (with a smooth tunnel wall boundary) to approximate the maximum tangential stress σ _max at the excavation boundary. The ratio of σ _max /UCS is related to the observed depth of failure and failure initiation occurs when σ _max is roughly equal to 0.4 ± 0.1 UCS. In this article, it is suggested that these approaches ignore one of the most important factors, the irregularity of the excavation boundary, when interpreting the in-situ rock strength. It is demonstrated that the “actual” in-situ spalling strength of massive rocks is not equal to 0.4 ± 0.1 UCS, but can be as high as 0.8 ± 0.05 UCS when surface irregularities are considered. It is demonstrated using the Mine-by tunnel notch breakout example that when the realistic “as-built” excavation boundary condition is honored, the “actual” in-situ rock strength, given by 0.8 UCS, can be applied to simulate progressive brittle rock failure process satisfactorily. The interpreted, reduced in-situ rock strength of 0.4 ± 0.1 UCS without considering geometry irregularity is therefore only an “apparent” rock strength.     

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。     

Predicting mechanical properties and ultimate shear strength of gypsum,limestone and sandstone rocks using Vipulanandan models

ABSTRACT

In this study, over 1000 data from the literature was used to characterize and compare the density, strengths, modulus, fracture toughness, porosity and the ultimate shear strengths of the gypsum, limestone and sandstone rocks. The compressive modulus and Mode-1 fracture toughness of the gypsum rock, limestone rock and sandstone rocks varied from 0.7 GPa to 70 GPa, and from 0.03 MPa.m^0.5 to 2.6 MPa.m^0.5  respectively. Vipulanandan correlation model was effective in relating the modulus of elasticity, fracture toughness with the relevant strengths of the rocks. A new nonlinear Vipulanandan failure criterion was developed to quantify the tensile strength, pure shear (cohesion) strength and to predict the maximum shear strength limit with applied normal stress on the gypsum, limestone and sandstone rocks. The Vipulanandan failure model predicts the maximum shear strength limit was, as the Mohr-Coulomb failure model does not have a limit on the maximum shear strength. With the Vipulanandan failure model based on the available data, the maximum shear strengths predicted for the gypsum, limestone and sandstone rocks were 64 MPa, 114 MPa and 410 MPa respectively.     

厚层河道砂体地应力分布影响因素分析

相邻的沉积微相不仅地应力大小不同,地应力方向也存在较大差异。利用有限单元法,通过改变不同的边界条件（包括河道介质和周围岩体的弹性模量、泊松比,河道走向与区域主应力方向夹角及边界应力比）,对河道砂体地应力的影响因素进行分析。模拟结果表明,相比于河道周围岩体和区域地应力特征,不同的边界条件对河道砂体地应力大小和方向的改变程度很大,其中河道砂体与周围岩体的弹性模量比、河道走向与区域主应力方向夹角及边界应力比是影响河道砂体现今地应力方向和大小的主要因素。研究结果可以为不同沉积微相下进行人工压裂和井网部署提供参考依据。      

秦岭公路隧道通风竖井岩爆预测和防治措施

秦岭公路隧道2号通风竖井,为国内乃至世界公路隧道规模最大的竖井工程。根据工程地质资料分析,岩爆是该竖井施工过程中的主要难题。为了从岩性角度评价竖井围岩的岩爆倾向性,开展了室内岩石单轴压缩变形试验和物理模型试验,根据改进脆性指数指标和模型试验的结果,表明竖井围岩有岩爆倾向性,必须加强岩爆预测和防治。根据水压致裂法的地应力测试结果和地应力分布特点,采用三维有限元回归分析反演了竖井工程区域的初始应力场。根据竖井围岩地应力场和Kirsch解得到的围岩二次应力场,结合Russenes和陶振宇岩爆判据,进行了竖井岩爆综合预测和分析,得出竖井有轻微和中等岩爆发生的结论,并提出岩爆防治措施。     

地下洞室开挖过程围岩应变能调整力学机制

深埋洞室岩体开挖过程中,围岩应变能的聚集和释放是洞室发生灾变破坏的重要诱因。针对圆形洞室开挖,分析和比较初始地应力准静态和动态两种不同卸载方式下围岩应变能的调整过程,基于能量角度判定了围岩损伤范围。研究表明：伴随地下洞室的开挖,岩体能量靠径向应力做功的方式在围岩中由远及近传递,并导致近区围岩应变能聚集;初始地应力动态卸载诱发围岩应变能先减小后增大,先对靠近开挖面的相邻岩体通过径向应力做功的方式释放自身的应变能,随着卸载应力波的继续向前传播,远离开挖面的相邻岩体又通过径向应力对其做功的方式促使其应变能聚集;相比初始地应力准静态卸载,动态卸载条件下高应变能聚集程度导致围岩损伤破坏范围更大。     

攀枝花尖山矿区细中粒辉长岩力学特性试验研究

对攀枝花钒钛磁铁矿尖山矿区的细粒和中粒辉长岩进行了单轴压缩、常规三轴压缩、抗拉强度和软化等系列岩石力学试验,研究了岩石结构(矿物颗粒大小)、水和围压等因素对岩石强度和变形特性的影响。结果表明,细粒辉长岩单轴抗压强度、弹性模量和压拉比均高于中粒辉长岩,但在三轴压缩情况下,两种岩石的峰值强度、残余强度和弹性模量差异较小;与中粒辉长岩相比,细粒辉长岩的峰值强度的黏聚力C较大,而峰值强度的内摩擦角φ较小;随着围压的增长,辉长岩峰值强度、残余强度与围压近似呈线性关系,剪切破坏角减小,平均模量E增长不明显,割线模量E50增长较显著;辉长岩的软化系数较高,在水的作用下弹性模量降低,泊松比升高。     

岩石裂纹损伤及围压对剪切破坏影响研究

岩石内部细观裂纹的存在,对压缩作用下岩石剪切断裂的宏观现象有着重要的影响。然而,能够通过解析解阐释细观裂纹几何特性、围压等影响因素对压缩作用下剪切断裂面角度变化趋势的研究很少。基于Ashby模型中提出的裂纹尖端应力强度因子,提出了一种改进的考虑裂纹角度影响的应力强度因子表达式。利用该改进的应力强度因子表达式,推出了一个可以预测岩石峰值强度的裂纹扩展、应变与应力之间的本构关系。结合本构关系的峰值强度与摩尔-库仑失效准则,得到了岩石损伤与内摩擦角、黏聚力、剪切强度及失效断裂面角度之间的理论关系;讨论了围压、裂纹尺寸、角度及摩擦系数对岩石宏观剪切断裂面角度的影响,通过试验结果验证了模型合理性。结果表明：随着损伤增大,内摩擦角、黏聚力及剪切强度不断减小;随着围压增大、摩擦系数增大和初始裂纹尺寸减小,剪切断裂面角度不断增大;随着裂纹角度增大,剪切断裂纹面角度先减小后增大。     

Deformability study of Gezhouba dam foundation rocks

This paper summarizes the research work done for the study of the deformability of foundation rocks at the Gezhouba Hydraulic Engineering Project on the Yangtze River, China. A total of 109 in-situ deformation tests in 4 kinds of rock have been conducted, using various testing methods. The test results are analyzed to clarify factors influencing the values of modulus of deformation. The dependence of axial strain (or displacement) on the stress state has been investigated and the way of assigning deformability parameters for calculation is discussed. Finally, some suggestions for improving the rock deformability study of future major hydraulic engineering projects are made.     

基于变固结系数的静压桩周土体力学特性研究

以静压沉桩后桩周土体的应力状态为初始条件,根据桩周土体孔隙比、渗透系数和有效应力之间的相关性,在考虑固结系数随固结时间变化的条件下改进了轴对称条件下的太沙基固结控制方程。随后,采用分离变量法和离散化分析推导得出了桩周超孔隙水压力消散的半解析半数值解,并将解答与实测数据进行对比验证。在此基础上,采用空间滑动面理论改进的修正剑桥模型（SMP-MCC）定义土体三维不排水抗剪强度,研究了静压桩周土体强度、剪切模量随固结时间的变化规律。研究结果表明：由于解答考虑了固结系数随固结时间的变化,因而与实测结果吻合良好;土体压缩指数与渗透指数之比对土体固结系数和孔压消散速率影响较大;当土体压缩指数与渗透指数之比为1时,土体固结系数保持不变,解答退化为经典的太沙基轴对称固结方程;土体强度和剪切模量随固结时间的增长而逐步增加,固结完成后其值超越了土体原位强度和原位剪切模量。     

深部三维地应力实测与巷道稳定性研究

原始地应力是地下工程围岩稳定与支护结构设计的一个基本参数。在唐口煤矿井下回风石门、西翼辅助运输石门等不同构造部位的3个测点采用空心包体应力解除法进行了现场地应力的实测工作,测点的埋深达1 024～1 030 m。详细介绍了三维地应力及其主应力的计算原理,并根据矿区实测地应力资料,分析了矿井地应力大小、方向变化和分布特征,进而获得了该矿区地应力的定性及定量资料,初步分析了地应力对巷道稳定性的影响,为巷道的合理支护结构设计提供了可靠依据。     

水井反冲洗地层三维弹塑性固结分析

注水井反冲洗工艺是抽油机井维持正常生产的重要措施之一,反冲洗压力是决定反冲洗效率的主要因素。反冲洗过程涉及到地层与套管在水压作用下的相互耦合作用,鉴于目前对洗井压力的制定以套管抗挤压强度为依据,运用ABAQUS-6.5软件,对油藏岩石-套管进行了三维弹塑性固结有限元分析,建立了流-固耦合数学模型,研究了注水井反冲洗过程中套管、地层和流体的瞬态响应,实现了套管、地层和流体间的耦合作用,得到了套管应力随洗井时间的变化规律。计算结果表明,洗井地层的地应力分布状态和地层性质对洗井压力影响较大,主要受到地层弹性模量、渗透性能和地层水平地应力的影响。洗井压力的制定应综合考虑套管和地层状况,与单纯考虑套管的承载能力相比,其研究结果可为洗井工艺的制定提供更为准确的理论基础。     

莺琼盆地重点区带深层储层岩石力学参数求取及意义

莺琼盆地中新统是油气勘探开发的重点层系,但海上区块深层储层取心极少,岩石力学参数研究较为薄弱。针对这种现状,文章基于声波全波列测井曲线,计算岩石动态力学参数;利用全岩矿物、物性分析以及压汞实验资料,分析岩石力学参数的影响因素。结果表明：研究区中新统储层杨氏模量介于20~50 GPa之间,泊松比介于0.1~0.35之间,内摩擦角介于20°~35°之间,抗张强度介于5~30 MPa之间。横向上,同一层位各岩石力学参数之间具有非均一性;垂向上,岩石力学参数与埋深呈弱正相关性。影响因素分析表明,岩石孔隙度、粘土矿物含量、脆性矿物含量以及孔隙半径影响岩石力学参数大小。研究成果一方面为该区地应力场模拟、储层裂缝评价以及目的层压裂优化设计提供了可靠的基础数据;另一方面,为衔接深部储层地质参数与地质力学参数评价提供了理论依据。