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     

钻孔弹模法在某核岛岩体力学特性中的应用研究

钻孔试验法的最大优点是可测试深部岩体力学参数(变形模量或弹性模量),为工程支护设计、工程安全性评价提供最为不可缺少的参数。本文结合某核岛工程,介绍了钻孔弹模法在岩体力学特性的工程应用。研究表明:该方法能够反映岩体结构特征,测试获得的压力变形曲线符合实际,规律性良好。在低压力段,变形发展很快,压力与变形曲线呈非线性; 在中压力段,钻孔弹模计的承压板在不断输出增大的压力下与孔壁岩体达到全接触,裂隙闭合,压力与变形曲线接近线性; 在高压力段以上,压力与变形曲线在经历了低压力段非线性,中压力段接近线性后最终呈线性。考虑到岩体本身结构质量变化,弹性模量与变形模量会随深度发生一定的变化。经进一步分析核岛岩体变形模量或弹性模量可知,微风化至新鲜的花岗岩岩体各向异性不明显,部分受裂隙和结构面切割影响的测段岩体模量值小于其他测段,岩体模量比值较大,表现出较强的各向异性。最终,本文还给出了微风化至新鲜的花岗岩变形模量值NS向标准值为24.021.61GPa, EW向标准值为23.921.56GPa,综合变形模量标准值为23.971.10GPa; 弹性模量值NS向标准值为45.152.58GPa; EW向标准值为44.252.57GPa; 综合弹性模量标准值为44.701.79GPa。     

岩体波速与坝基岩体变形模量关系

岩体变形模量是岩体工程设计最重要的参数之一,尽管其可以通过各种现场试验来获得,但因其耗时、费力、投资大,使得许多中小型工程及大型工程的初步设计阶段无法通过试验来得到这一参数。因此,许多研究者建立了诸多岩体变形模量与岩体物理力学参数或岩体质量分级之间的相关关系,如岩体变形模量与RQD、RMR分级、Q分级、岩体纵波速度等之间的关系,从而利用这些关系估算岩体变形模量。总结了已有估算岩体变形模量的各种方法,讨论了其应用条件及预测结果,重点分析了利用岩体纵波速度估算岩体变形模量的方法及存在的问题,并以玛尔挡坝址为实例,建立了相关预测公式。通过与已有估算方法的对比研究,阐明了各种方法预测结果的异同,表明其建立的估算公式与Barton等公式具有较好的一致性,可以用来估算岩体的变形模量     

水电工程坝基玄武岩体波速与变形模量关系

岩体变形模量是岩体工程设计最重要的参数之一.由于受到资金、时间、尺寸效应等限制, 在工程勘察设计阶段往往不可能大量开展岩体现场和室内变形模量试验, 试验结果也不具有普遍代表性.因此, 水电工程常常采用岩体纵波波速与变形模量之间的相关关系来估算大范围及深部岩体变形模量.根据波动微分方程从理论上解释了岩体纵波波速与变形模量之间内在的联系.以我国西南金沙江干流上坝基主要为玄武岩体的4个大型水电工程为例, 根据132组现场变形模量试验结果与同向波速测试结果建立玄武岩体波速与变形模量相关方程, 并与也有的研究成果对比分析.研究成果表明, 玄武岩体波速与变形模量具有较好的相关性.当波速小于4 500 m/s时, 不同类型玄武岩根据波速计算变形模量差别较小; 当波速大于4 500 m/s时, 差别逐渐增加.选取最优的相关方程用于估算坝基玄武岩体变形模量, 为水电工程坝基玄武岩体变形模量的快捷评价提供科学依据.      

考虑荷载方向效应的软硬相间层状岩体综合变形模量取值研究

基于整体受力特征,提出用综合变形模量来表征多层层状岩体的整体变形效应。通过工程实例,建立体现各项异性特性的软硬相间层状岩体综合变形模量理论模型。采用弹性力学分别推求受力方向平行、垂直以及与层面呈任意角度情况下多层层状岩体综合变形模量理论解,并检验理论解一致性。推导受力方向平行层面的综合泊松比理论解和受垂直层面剪应力作用的综合剪切模量理论解。室内分别建立层面倾角为0o、30o、60o、90o的软硬相间层状岩体地质模型,试验获得其综合变形模量。对比分析试验值和理论计算值,两者差别在4.20%～8.77%之间,验证理论解的正确性。从理论分析和试验角度,研究工程荷载方向效应对层状岩体变形特性的影响,丰富完善现有层状岩体力学参数研究理论和技术方法。     

不同地应力测试方法在三山岛金矿2 005 m竖井建井区域的应用及其地应力分布规律研究

地应力对地下工程安全施工及长期稳定性是极其重要的。运用声发射法、非弹性恢复(ASR)法、水压致裂法对三山岛金矿西岭矿区2 005 m竖井工程勘察区域进行地应力测量,获取了其地应力分布规律及其异常区域,并分析了不同地应力测试方法的测试原理、适用条件及测试结果的差异性。结果表明：不同埋深水平最大主应力始终为第一主应力;当埋深增加到一定程度后,第二主应力发生转换,由最小水平主应力转变为垂直主应力;声发射法测量结果表明,第三主应力Kaiser效应点与ASR法、水压致裂法测试结果存在较大差异;分析了σ_H/σ_v、σ_h/σ_v、σ_H/σ_h随埋深的变化趋势(σ_H为水平最大主应力,σ_h为水平最小主应力,σ_v为垂直主应力),并对测试区域地应力异常区域进行了圈定。上述分析为竖井的设计、施工及长期稳定性提供了有效的数据支撑。     

西南某水电站坝址区风化花岗岩工程地质性质分析

文章对西南某大型水电站坝址区深厚层全风化和强风化花岗岩进行研究。将全、强风化花岗岩物理、水理及力学性质与新鲜岩体相应性质进行比较,并分析了花岗岩风化后吸水性增大、岩体软化、抗压抗剪强度减小的成因。对强风化花岗岩与新鲜花岗岩抗压强度进行了比较;拟合了风化花岗岩弹模、变形模量值与新鲜花岗岩相应模量的变化百分比关系曲线。研究结果表明：强风化花岗岩的干抗压强度为新鲜岩体的1/4-1/3,湿抗压强度为新鲜岩体的1/4-1/5;岩体弹性模量和变形模量与岩体的风化程度成反比例线性关系。     

太原西山区块煤储层地应力分布特征及评价

地应力是影响煤层气开发的关键参数,为了分析太原西山区块煤储层地应力条件,为煤层气勘探开发提供理论依据,采用水力压裂法测量地应力,统计了太原西山区块35口井煤储层地应力资料,获取二叠系山西组2号煤储层地应力与煤层埋深之间的相关关系,阐明了现今地应力分布特征。结果表明,研究区山西组2号煤层破裂压力梯度、闭合压力梯度和煤储层压力梯度的平均值分别为4.77 MPa/hm、2.82 MPa/hm和0.6 MPa/hm;2号煤层最小水平主应力梯度、最大水平主应力梯度和垂直主应力梯度的平均值分别为2.82 MPa/hm、3.24 MPa/hm和2.7 MPa/hm。主应力均随煤层埋深增加呈线性规律增高。根据最小水平主应力的大小,将研究区划分为低应力区、中应力区、高应力区3个区。      

滇藏铁路香格里拉—邦达段地应力状态及工程效应分析

滇藏铁路香格里拉—邦达段沿线断层发育,构造运动强烈,为提高沿线工程的稳定性,基于构造形迹、震源机制解和实测数据的多元综合分析法,对研究区主应力方向进行了分析;基于Hoek-Brown强度准则和修正的Sheorey理论,结合实测数据,对研究区岩体强度参数和主应力量值进行了估算和预测,最后对研究区的地应力场特征及其工程效应进行了分析。结果表明:香格里拉-德钦应力区的水平最大主应力方向N0°W~N40°W;芒康-邦达应力区的水平最大主应力方向为N60°E~N80°E;铁路沿线埋深1000 m处,水平最大主应力范围为24.23~37.30 MPa;埋深2000 m处,水平最大主应力范围为47.29~66.69 MPa;香格里拉-德钦应力区隧道轴线设置为N80°W~N40°E有利于围岩稳定,芒康-邦达应力区隧道轴线走向设置为N10°E~N130°E有利于围岩稳定;铁路沿线高地应力显著,埋深超过400 m就可能处于高地应力状态,硬质岩埋深超过700 m会有岩爆风险,软质岩埋深超过1400 m会有大变形风险。     

滇东北深埋特长公路隧道工程区地应力场研究

深埋特长隧道工程区地应力场的预测一直是工程技术人员面临的难题,而工程地质综合分析法则可为工程区地应力场的分析提供较为全面准确的结论。因此,本文以滇东北典型深埋特长隧道——乐红隧道为例,采用综合分析法来研究工程区的地应力场特征。首先基于中国大陆应力分区,利用Anderson断层力学理论、震源机制解及实测地应力统计数据来获取研究区主应力方向。其次,基于工程地质勘察成果,利用Hoek-Brown强度准则对工程区的岩体强度进行了初步估算。在此基础上,利用修正Sheorey模型对工程区地应力量值水平进行了预测。分析结果表明,工程区以先进构造应力为主导。其中:水平最大主应力优势方位为N20°~60°W,应力场方向较为稳定。地应力量值水平预测结果表明,工程区在埋深500 m左右时,最大、最小水平主应力量值范围分别为11.2~20.5 MPa、6.6~12.2 MPa;埋深在1000 m左右时的最大、最小水平主应力量值范围分别为25.9~28.2 MPa、15.4~17.1 MPa。工程区在埋深超过500 m时的高地应力情况下,可能存在岩爆风险,而围岩大变形的问题几乎不存在。综合分析法的预测结果与现场实测数据较为吻合,表明该方法在线状公路隧道地应力状态的预测分析中,具有良好的应用效果。     

潞安矿区井下地应力测量及分布规律研究

在山西潞安矿区的13个煤矿采用小孔径水压致裂地应力测量装置,完成了60个测点的原岩应力测量工作。实测数据表明：潞安矿区55%的测点最大水平主应力大于垂直主应力,由于受埋藏深度与地质构造影响,矿区内各矿地应力值差别较大,但地应力大小总体上属于中等地应力值;潞安矿区最大水平主应力方向从南到北变化较大,构造应力场呈现出多变的形态。在实测数据的基础上,绘制了潞安矿区地应力分布图;分析了地应力随埋藏深度的变化规律、平均水平主应力与垂直主应力的比值与埋藏深度的关系。煤矿井下地应力测量为井田开拓、巷道布置与支护设计等工程实践提供了可靠的基础参数,提高了工程设计的科学性、合理性与可靠性。     

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。     

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.     

岩质高边坡岩体变形参数及松弛带厚度研究

预测岩质高边坡开挖后岩体变形模量的变化及松弛带厚度，是分析岩质高边坡在开挖后变形（位移）和作好防护设计的重要资料，运用波动力学关于平均应力与体积模量、岩体纵波速度与弹性模量、变形模量间的关系，通过部分实测资料及边坡应力场有限元分析的资料，分别建立了纵波速度与岩体变形模、岩体应力间的关系，研究了开挖边坡岩体变形模量的变化，预测了岩体松弛带的厚度。     

松动岩体工程特性研究——以雅砻江楞古水电站松动岩体为例

为了对松动岩体的工程特性进行系统研究,以楞古水电站厂址区边坡为例,对该边坡岩体进行了详细的地质编录和物理勘探试验,重点对节理裂隙的空间发育规律、镶嵌结构和碎裂结构岩体的发育深度及空间分布、软弱结构面发育分布规律以及边坡已有变形破坏特征这四个方面进行了系统的统计和分析,认为松动岩体是区域断裂活动和浅表生改造的结果,岩体工程效应差、变形模量低;同时结合应力测试、声波测速、高密度电磁勘探等试验成果进行分析,结果显示松动岩体具低波速（波速大部分小于3 000 m/s）、低应力（最大主应力不超过20 MPa）、强透水性（透水性系数大于10 L/（min·m·m））。认为岩体破碎主要受断层及节理裂隙影响,分析了岩体破裂松动的演化过程及特征。     

岩体变形模量的尺寸效应

岩土工程中,现场岩体的承压板试验和变形试验可看作是不同尺寸岩体的变形试验。在某工程的现场岩石力学试验中,对同一组试点的岩体先后进行了承压板变形试验和承载力试验,研究了岩体变形模量的尺寸效应,结果表明,岩体变形模量主要受岩体中的裂隙发育状况控制,当岩体质量较好时,可以由承载力试验曲线来确定岩体的变形特性,这一做法具有一举两得的效果。     

尾砂胶结充填体损伤模型及与岩体的匹配分析

分别对灰砂配比为1:4,1:8,1:10和1:12的4种尾砂胶结充填体进行了力学试验,得出了其应力-应变曲线。分析了不同配比充填体变形与破坏特征,用损伤力学建立了4种不同配比充填体损伤本构方程。经验算对比,所建立的损伤本构方程与试验结果吻合。尾砂胶结充填体损伤研究表明,不同配比的充填体表现出不同的损伤特性,充填体配比越低,达到峰值应力时的损伤值越小;峰值应力后,损伤增长越快,破坏过程越突然。根据岩体开挖释放能量与充填体蓄积应变能相近的原则,探讨了充填体与岩体的合理匹配。充填体与岩体的匹配系数与原岩应力、岩体弹性模量、充填体弹性模量及充填体损伤参数相关。为了便于工程实际应用,对充填体力学试验结果进行了回归分析,得出了充填体强度设计公式,并研究了深部矿床不同开采深度所要求的充填体强度。