岩体中应力波幅值随时空衰减的关系

把岩石抽象为Kelvin-Voigt黏弹性体,应用复数理论建立了应力波在岩石中传播时的振动频率和波动频率的关系,在此基础上,研究了岩石和含有一组平行结构面的岩体中应力波幅值随时间和随空间衰减的关系。研究表明,应力波在岩石的传播过程中,频率是影响应力波幅值衰减的的主要因素;应力波在含有1组平行结构面岩体的传播过程中,由于结构面的存在,影响了应力波能量的传播,其幅值随时空衰减系数主要由结构面间距及其反射系数决定,结构面间距减小和反射系数增加,幅值随传播距离的衰减系数增加和随时间的衰减系数减小,而结构面的黏性系数增加,幅值随传播距离的衰减系数增加,但随时间的衰减系数变化很小。上述结论对岩体结构探测具有重要的指导意义。     

有限单元法在地质力学中的应用

地质构造体和岩体是一种岩性和结构高度变化的非连续而且非均一的介质,在压力(包括岩体中的间隙水压力)和温度的作用下所产生的变形和破坏现象,不仅为非线性关系,并随空间和时间而变化。对某一点而言,这种关系会由于作用力的大小和时间的长短,由弹性过渡到塑性或粘性状态。对整体而言,在同一时间内,却会在不同的部位出现不同的应力状态和变形的程度。     

不同产状节理岩体隧道围岩稳定性的模型试验研究

大量实践和理论分析表明,地下洞室的应力分布、变形特征和稳定性受许多因素的影响,这些因素如岩体初始应力状态、岩体结构特征、洞室断面的形状和大小、施工技术和方法等。其中,岩体的初始应力状态和岩体结构特征起着重要作用。国内外许多地下工程实践还表明,岩体中初始应力场问题是一个相当复杂的问题,测得的洞室围岩中初始应力状态是各式各样的。水平方向的压应力有的     

硬岩开挖诱发扰动应力旋转规律及其对岩体破裂的影响

针对深部地下工程扰动应力场变化诱发围岩损伤破裂的问题,在详细分析锦屏地下实验室Ⅱ期工程扰动应力场测试数据的基础上,解译了不同施工过程下扰动应力场的变化规律,分析了主应力方向的变化模式,通过对照分析岩体原位钻孔成像,揭示了主应力方向变化对围岩破裂的影响。研究结果表明：中导洞开挖阶段是扰动应力场变化最活跃的阶段,开挖掌子面向监测断面推进的过程中主应力方向的变化模式以应力回旋为主,开挖掌子面远离监测断面推进的过程中主应力方向的变化模式以应力旋转为主,主应力方向出现最大变化幅度的位置在距离边墙4.5 m测点处;边墙扩挖阶段,主应力方向的变化模式以应力旋转为主,主应力方向出现最大变化幅度的位置在距离边墙2.5 m测点处;扰动应力方向变化直接影响岩体裂隙发育的形态和走向,大角度旋转的应力容易诱发张拉裂隙以及拉-剪混合型裂隙,小角度旋转时更倾向于诱发破裂面偏转角度与应力旋转角度相当的、具有凹凸形态的剪切裂隙,大角度回旋的应力多形成相互交叉的“X”型剪切裂隙。基于实测扰动应力的研究结果可为深埋高应力硬岩开挖的扰动应力场变化规律及其对岩体破裂发展的影响研究提供参考。     

深埋隧洞爆破开挖扰动损伤效应的数值模拟

爆破开挖扰动是深埋隧洞损伤区孕育及演化的重要影响因素。根据隧洞岩体钻爆开挖过程分析了爆炸荷载及开挖荷载瞬态卸荷对岩体的扰动作用,基于LS-DYNA动力有限元程序,提出了利用施加节点反力模拟待开挖隧洞岩体的约束作用,通过控制节点反力的变化过程以模拟开挖荷载瞬态卸荷,采用爆炸荷载变化曲线模拟爆炸作用过程的爆破开挖扰动数值模拟方法,并利用该方法模拟分析了爆破开挖扰动对围岩的损伤效应,结果表明,应力重分布对围岩损伤最大,隧洞围岩损伤区主要由围岩初始应力重分布所导致,爆炸荷载作用将增大围岩损伤区范围,考虑开挖荷载瞬态卸荷作用的围岩损伤区最大,且地应力越高,开挖荷载瞬态卸荷作用对围岩的损伤效应越显著     

深部隧洞掘进开挖瞬时卸荷动态破坏研究

瞬时卸荷是岩体开挖形成的瞬时岩体应力释放和调整。针对高应力区隧洞岩体开挖瞬时卸荷过程,通过能量守恒推导出了瞬时卸荷位移公式;基于Kachanov准则对构件的脆性破坏理论推导出隧洞侧壁围岩卸荷的初始破裂时间和完全破裂时间,并得出完全破裂时间等于岩体开挖卸荷完成时间;通过锦屏二级水电站某隧洞瞬时卸荷分析得出岩体在开挖瞬时卸荷条件下会产生岩爆,并且卸荷岩体的初始破裂时间较完全破裂时间短,但破裂却已很明显。     

非均布荷载作用下煤岩力学强度特性试验研究

考虑不同初始垂向应力、不同初始水平应力及不同应力转移速度条件,借助于自主研发的采动应力试验系统,研究了非均布荷载作用下煤岩体的力学强度特性。研究结果表明:煤岩外部损伤残余块体对煤岩内部力学承载能力具有强化作用,当初始垂向应力、初始水平应力、应力转移速度一定时,煤岩内部力学承载能力近似为煤岩外部力学承载能力的2倍;伴随初始垂向应力的增加,煤岩整体后期力学承载能力不断降低,且处于不同初始垂向应力范围,煤岩内、外部后期力学强度递减特征不同,当处于较小初始垂向应力范围时,煤岩外部后期力学强度递减量大于煤岩内部,当处于较大初始垂向应力范围时,煤岩外部后期力学强度递减量小于煤岩内部;初始水平应力越大,煤岩体的力学承载能力越高,且无论较小还是较大初始水平应力范围,煤岩内部后期力学强度增量总大于煤岩外部;伴随应力转移速度的增加,煤岩峰值强度不断升高,应力转移速度对煤岩内部区域力学性质的影响相对较大。     

裂隙岩体渗透性影响因素的研究

采用UDEC离散单元法中关于裂隙岩体开挖模拟及水力全耦合分析模型,分析裂隙岩体洞室开挖后,因围岩应力与水力耦合作用导致裂隙隙宽变化及渗流变化的过程。为了更直观地了解耦合作用对裂隙岩体渗透特性的影响,以隧洞开挖为例,用开挖后隧洞内总涌水量来表征岩体的渗透特性。利用数值试验的方法,研究了块体边界大小、初始应力比、裂隙隙宽和裂隙夹角对开挖后隧洞内涌水量变化的影响,进而可以看出它们对裂隙岩体渗透性的影响。并得出如下结论：随着块体尺寸和初始应力比的增大,隧洞内总涌水量减少;随初始隙宽的增大涌水量增加并当达到某一固定值时保持不变;隧洞涌水量在θ2/θ1=3.5,其中θ1=30°,即两组节理的夹角为75°处达到最大。     

对岩体初始应力的初步认识

为了保证地表工程,特别是地下工程的安全性和经济性,了解和掌握岩体初始应力状态是非常必要的。岩体初始应力;就是天然岩体在工程建设开挖之前所具有的自然应力状态,通常也叫做地应力,主要决定于重力场和构造应力场。 研究岩体初始应力有两种方法,即理论的方法和经验的(实测的)方法。理     

应力波在非线性结构面介质中的传播规律

用切线刚度和法线刚度描述结构面特性,研究结构面初始刚度、频率、法向闭合量与其最大允许闭合量的比值对透射系数的影响。采用基于连续介质的块体离散元程序（CDEM）模拟结构面发生非线性变形条件下块体响应,研究结果表明,应力波在岩体中传播是一个传播和块体响应的过程,结构面的存在影响了应力波传播和响应,存在一个特征频率能够有效反映结构面刚度变化,给出了近似计算该特征频率的表达式,对岩体结构探测具有一定的指导意义。     

深部开采底板岩体卸荷损伤的强扰动危险性分析

为研究深部高应力岩体强烈的卸荷效应扰动底板破坏并诱发突水的危险性,根据卸荷力学理论,研究了深部开采卸荷对底板扰动破坏的影响,运用离散元软件计算了深部开采底板卸荷损伤的强扰动特征,基于三轴卸荷试验及损伤因子概念推导了卸荷量与损伤因子的关系,获得了底板岩体卸荷的扩展破坏条件,划分了底板卸荷扰动分区,分析了深部开采底板岩体卸荷损伤破坏的强扰动危险性。结果表明：随采深增加,底板卸荷起点及卸荷应力增加,卸荷量却降低,而深部开采较小的卸荷量便造成底板严重损伤破坏;岩体卸荷量越大,卸荷速率、位移量及渗透系数越高,越易致其扩展破坏;裂隙倾角及水平应力与垂直应力比值越小,越易满足底板岩体卸荷的扩展破坏条件。     

岩体夹层应力波能量演化及应力响应特征分析

夹层是常见的地质结构,在地震或爆破荷载作用下,夹层对应力波的传播以及对岩体的响应具有重要的影响。以往对应力波在夹层介质中传播的研究多集中于夹层对应力波的隔振或透射性能,而对应力波在夹层中的多次折、反射过程中能量的演化规律缺乏讨论,对夹层介质的应力响应与破坏没有开展较好地分析。通过理论方法对应力波在夹层内部传播过程中的能量系数的变化规律进行了研究,分析了岩体介质波阻抗和应力波入射角对夹层内外介质中累积波动能量系数的影响规律,以及平面型边坡中软弱夹层的应力响应特征和动态稳定性。研究发现,应力波在夹层内部往复反射过程中,夹层内剩余应力波能量随折、反射发生次数呈指数曲线下降,第4次折、反射后产生的应力波能量可以忽略;夹层内外介质中应力波的累积能量系数的差异随着夹层内外介质波阻抗的相对差异的增大而增大。在平面谐波入射下,边坡内部的夹层中的剪应力和抗剪强度呈波动变化;相对P波,SV波入射会产生较高水平的剪应力,对边坡稳定性影响最大。且SV波入射时,边坡的安全系数对夹层的倾角变化更为敏感,随倾角增大而迅速降低。     

线性加载下考虑土体非线性变形的一维固结理论

深厚软黏土一维固结计算中,初始应力和附加应力分布形式对固结度存在较大影响。假设土体初始应力和附加应力均沿深度线性变化,推导了线性加载时的双曲线一维固结控制方程,并用差分法加以解答。同时,在不同的外荷载qa、压缩层厚度H、初始模量E0、附加应力分布系数β及边界条件下,分析了初始应力和附加应力沿深度线性变化对平均固结度Us、Up的影响。结果表明,当顶面和底面均透水时,除了E0≤388 k Pa且H≥25 m情况外,初始应力和附加应力沿深度线性变化对Us、Up的影响不大。但当顶面透水而底面不透水时,在土体初始应力和附加应力的两种不同分布形式下计算的Us、Up相差较大,特别是对于深厚软黏土,这种差别更加明显。另外,还可以看出,考虑初始应力和附加应力随深度变化时,Tv不再适合作为描述时间的无量纲因子。     

基于岩体蠕变效应的锚杆应力分布及其变化规律研究

考虑岩体蠕变效应的锚杆应力分布及变化特征对研究工程锚固效应具有非常重要的意义,而目前关于这方面的研究并不多见。首先从锚固微元体受力特点的角度出发,研究微元体在围岩蠕变条件下的受力变化规律,得到如下结论：蠕变岩体下锚杆锚固力的变化趋势和岩体所受应力状态及其变形密切相关。当微元体受拉时,锚杆轴力随时间有不断增长的趋势;而当微元体受压时,锚杆轴力则随时间不断减小。针对锚杆在黏弹塑性围岩体中的受力分布,以解析方法推导了锚杆应力峰值所在位置与围岩体塑性区重合的重要结论,且从工程数值计算角度进一步验证了锚杆应力峰值的位置特点,并分析了地下工程中锚杆应力随围岩体蠕变而逐渐增大的变化特征。     

边坡岩体浅层破坏的热应力效应研究

温度变化是影响边坡岩体风化并导致浅层破坏的一个重要因素。边坡岩体内的温度变化比较复杂, 且随地面温度的变化呈周期性的变化。温度的变化导致热应力的生成, 温度变化的周期性致使热应力具有交变性。在这种交变应力作用下, 边坡浅部岩体的破坏表现出疲劳特征。本文分析了边坡岩体中的温度场和热应力的分布特征以及边坡岩体疲劳破坏的机理及判据。     

考虑空间效应的地下洞室爆破开挖松动区参数场位移反分析

将地下洞室爆破开挖松动区视为一个随开挖过程演变的非均匀、非稳定三维扰动场,松动区内岩体力学参数则是一个具有时空演化特性的参数场。考虑爆破开挖扰动空间效应和岩体真实变形响应,提出了真实工作状态下开挖松动区岩体参数场辨识的位移反分析方法。基于局部监测变形空间插补得到的空间位移场,通过分析洞室爆破开挖围岩变形扰动机制,建立了开挖松动区岩体变形模量参数场数值演化模型,并进行了模型适用性和参数敏感性分析。在此基础上,以变形模量参数为例,结合围岩实测位移信息,提出了开挖松动区参数场位移反分析的动态实现过程。将该方法应用于溪洛渡地下洞室群施工期参数场反演和围岩稳定动态反馈评价及预测,结果表明,该方法合理有效,在大型地下洞群施工开挖与快速监测反馈方面具有显著的工程适用性及实用性。     

深埋隧洞卸荷过程中围岩应力变形的时间效应

深埋圆形隧洞围岩的应力应变状态是深地下工程设计的重要参考依据。针对岩体内部的缺陷引起的应力集中和松弛,建立了局部附加应力与缺陷尺度和卸载时间之间的联系,得到圆形隧洞在卸载时围岩破坏前遵循的一系列方程,进而推导出围岩变形的解析积分表达式。将围岩应力应变的时间效应分为卸载阶段和应力松弛阶段,通过逐步逼近法分别求解了围岩的应力和变形的近似解析表达式。该近似解析式考虑了岩体内部缺陷处应力集中的影响和卸载的时间效应,可用来考察不同半径处缺陷应力集中和卸载快慢对应力变形状态的影响。计算表明,围岩内部在卸载过程中和卸载完成后均存在局部附加拉应力集中,围岩变形在卸载完成后仍会进一步增加。     

长江葛洲坝工程基坑卸荷效应断裂力学模型分析

在一些大坝工程中,有关岩体应力的现象引起人们的关注。J·Muller(奥地利,1963)曾以瓦依昂坝失事为例,说明残余应力对地面工程的影响,并提出一些相应的处理方法。在第八届国际大坝会议上(1966),N.Hast(瑞典)指出,在修筑大坝前必须充分分析坝基岩体的应力状态,并预测建坝后的应力状态的变化。在第三届国际岩石力学会议上(1974),一些欧州学者如Manuel Rocha陈述过开挖基坑将引起基坑底板岩石斜交地表的剪切断裂和水平分离。关于地表和地下大尺寸开挖及其有关应力问题被列为国际工程地质协会第五层会议的主要议题之一,这表明人们的认识日益深化且受到重视。 全世界地壳应力实测的上万数据表明,水平应力大于垂直应力且大于按自重计算应力的例子大约占75％。我国几个大尺寸开挖的水电工程现场如葛洲坝、三峡和二滩工程等亦属此类。在大的初始水平应力作用下,决定大尺寸开挖或自然侵蚀而引起的应力～应变变化的主要因素是地表几何形态随开挖或侵蚀过程的变化。 本文以葛洲坝工程二江电厂基坑为实例,视发生卸荷效应的地表人工坑槽和自然侵蚀河谷为半无限空间弹性体的边缘缺口,建立其卸荷效应的线弹性断裂力学模型。本模型用于岩质高边坡和坝基稳定分析可能是可取的简便方法。     

高轴压和围压共同作用下矽卡岩受频繁动态扰动时的动力学特性

以冬瓜山铜矿深部出矿进路附近的矽卡岩为研究对象,采用改进的SHPB试验系统,进行高轴压和围压共同作用下受频繁动态扰动时深部矽卡岩动力学特性的研究。研究结果表明：预加载的高轴压和围压促使岩石内部微裂纹闭合,致使冲击荷载作用时动态应力-应变曲线初始阶段无下凹现象,即无压密阶段;峰值应力后,当岩样内部存储的弹性力大于卸荷时的冲击荷载时,出现应变减小的回弹现象,否则压缩应变一直增大至岩样破碎;累计扰动冲击次数随围压增大递增,随轴压增大递减,且增减率受围压、轴压大小的影响;动态变形模量、动态峰值应力随扰动冲击次数增加而减小,但最大应变及动态峰值应变增加;动态均值强度随轴压增大而减小,随围压增大先减小后增大;岩石动态变形过程中伴随着弹性变形,产生的回弹应变总体上随扰动冲击次数的增加呈先增大后减小的趋势发展。     

裂隙岩体高压压水试验水-岩耦合过程数值模拟

为了解高压水渗流作用对裂隙岩体应力和变形的影响,结合黑麋峰抽水蓄能电站岩体高压压水试验的渗压及变形测试成果,采用多孔连续介质全耦合理论,研究了试验区岩体测点在压水孔加压和卸压过程中的孔隙压力和位移变化过程。通过对测点位移和渗压随时间变化过程的计算值和实测值对比研究,验证了所采用的水-岩耦合数值模型的合理性。研究表明：在压水孔内的水压力和岩体孔隙压力的共同作用下,岩体内的应力大幅度增加;压水过程中,岩体因渗流作用产生了较大的位移,停止压水后的一段时间内,由于岩体中还存在一定的孔隙水压力和水压力梯度,从而导致岩体内仍存在部分变形值,且该部分变形值并非是压水孔卸载后岩体内的塑性残余变形;高压水渗流作用下的岩体耦合效应对工程应力和围岩变形有重大影响,考虑水-岩耦合效应的岩体稳定性评价结果对工程设计更具指导意义