平台巴西圆盘研究综述及三维启裂点研究

总结了对平台巴西劈裂试验平台中心角的研究,归纳总结了抗拉强度计算公式的修正系数k。通过建立两种平台角的三维有限元模型探究试样内应力分布状态,通过对受压直径所在平面及过平台末端的竖直平面的受力分析,发现Griffith等效应力分布规律会随平台角的改变而改变,且在两种平台角下等效应力最大值均出现在平台边缘处。结合三维离散元方法模拟试验中裂纹开展过程,发现微裂纹最早集中于平台末端,但随着荷载的增加致使试样破裂的裂纹起始于试样中部。有限元的力学分析与离散元的破裂过程模拟可很好地相互印证。通过与试验现象对比发现,加工精度对裂纹模式有着重要影响,为保证由平台巴西劈裂试验测量岩石抗拉强度的有效性,在试样与试验机之间垫入垫片是较为可行的方法。     

基于广义Hoek-Brown准则的隧道纵向变形曲线研究

纵向变形曲线是隧道开挖面空间约束效应的直观反映,多数纵向变形曲线的研究并未考虑围岩质量和应力水平的影响。基于广义Hoek-Brown准则,采用有限差分法,提出了能够量化不同围岩质量及应力水平下开挖面空间效应差异的纵向变形曲线函数表达式,可以简便地得到不同地质条件下的隧道纵向变形曲线,通过误差分析及与已有研究成果对比,验证了该方法的合理性与普适性。研究结果表明：围岩基本质量指标值相同时,围岩纵向变形曲线随着埋深增加变得更加平缓,即围岩应力及位移的释放过程越缓慢,埋深相同时,随着围岩基本质量指标值的降低,围岩纵向变形曲线显示出同样的趋势,相对于开挖面前方,开挖面后方纵向变形曲线的这种特点更加明显;开挖面处纵向变形也是围岩质量与应力水平的函数,最大值不超过隧道径向变形最终值的30%。     

含软弱夹层土样变形破坏过程细观数值模拟及分析

基于颗粒流理论,引入接触连接模型和滑动模型,建立了含软弱夹层试样的颗粒流模型。通过颗粒流程序(PFC)数值模型试验,对含软弱夹层试样的强度和破坏发展进行了数值模拟,分别对比了不同围压以及不同夹层参数条件下的应力-应变关系曲线,通过位移矢量场分析了破坏发展趋势。模拟结果表明,一般围压条件下试样沿软弱夹层滑动破坏,但在某特定围压下,软弱夹层的存在并不起主要控制作用;试样应力-应变关系曲线峰值随软弱夹层颗粒的摩擦系数和法向接触刚度的减小而下降,当颗粒法向接触刚度趋近0时,试样加载初始阶段呈现塑性流变特征;夹层颗粒的切向接触刚度只有低于某一特定值时才会使试样应力-应变关系曲线峰值降低。通过分析,得到了土体颗粒细观参数和宏观力学行为的内在联系,并对土体软弱夹层力学性质和渐进破坏过程有了更进一步的认识。     

岩体破裂矩张量反演方法及其应用

地震及岩体失稳破裂过程中,破裂机制、震源参数及破裂能量等信息均可通过矩张量方法求解,文中详细介绍了矩张量基本理论,对比分析了绝对矩张量反演法、相对矩张量反演法、混合型矩张量反演法等3种常用方法的优缺点。在详细归纳、总结国内外相关文献的基础上,就水压致裂、采矿及深埋隧道等工程领域综述了矩张量反演理论在岩体工程中的应用现状,并结合其在德国黑林根矿区微震事件震源机制分析中的应用实例,表明通过矩张量反演获取的震源机制解及震源参数等信息,在岩体工程灾害预警及防治、水压致裂过程监测和控制等领域具有重要作用。最后分析了影响矩张量反演精度的因素及应用于岩体工程领域时存在的不足,包括定位精度低、波形识别及处理困难等问题,并对其在采矿、石油等岩体工程领域的应用前景、改进措施及需进一步研究的问题等进行了探讨,为矩张量反演方法的推广应用提供重要的参考。     

基于多因素评价的隧道围岩质量与超欠挖关系

围岩质量及施工方法是影响隧道超欠挖的本质原因,研究围岩质量与超欠挖的关系,对评价和预测超欠挖、判断隧道结构的稳定性具有重要意义。基于工程实测资料及数值试验,研究了跨度对隧道围岩质量的影响,进而建立了基于多因素评价的围岩质量修正指标。根据隧道开挖断面轮廓具有分形特征的特点,计算了鸳鸯会隧道20个典型断面轮廓分形维数,研究了围岩质量与超欠挖的关系,得出围岩质量多因素修正指标与超挖比及断面轮廓分形维数呈线性关系,随着围岩质量多因素修正指标的提高,超挖比和断面轮廓分形维数将降低,并根据复相关原理,建立了三者间的复相关关系,可为隧道围岩质量的正确评价及超欠挖分析提供有益参考。对比不同围岩分级方法与超欠挖的关系表明,基于多因素评价的BQ法在隧道工程中的适用性更好。     

基于改进Dempster-Shafer证据理论的岩体质量异质集成评价方法

为客观获取准确可靠的岩体质量评价结果,针对现有单个评价模型容易产生误判与偏倚现象,提出基于改进D-S(Dempster-Shafer)证据理论的岩体质量异质集成评价方法。在确定岩体质量评价标准与数据集的基础上,采用6个异质基分类器对数据集进行训练,获得初步岩体质量评价结果。将每个基分类器结果作为一条证据,经过改进D-S证据理论对各证据进行集成,形成综合评价结果,解决现有评价方法的结果非一致性问题。以30组样本构建基于改进D-S证据理论的异质集成评价模型,并运用于广州抽水蓄能电站二期工程岩体质量评价中。结果表明：基于改进D-S证据理论的异质集成评价方法提高了岩体质量等级的识别准确性和可靠性,能够避免评价过程中的主观性与不确定性,具有较高的工程实用价值。     

基于矩张量反演的传感器校准方法应用和对比

矩张量反演理论是研究深部岩体破裂机制的有效手段,而监测台站/传感器校准对获取准确的矩张量结果十分重要。为求得更加准确的校准系数和矩张量结果,提出一种新的传感器校准方法——搜索校准法。将该方法和监测网校准法分别应用于加利福尼亚州北部的Geysers地热田微震监测数据中,并综合考虑不同震源机制参数、预设校准系数、噪声添加方式及噪声水平等因素的影响,进行两种校准方法有效性对比的理论计算和模拟分析。结果表明：两种校准方法均可通过微震监测数据获得稳定的校准系数,且校准后的震源成分及应力状态分布均更加集中;所有模拟工况下,两种校准方法均可有效降低矩张量反演误差;低噪声条件下,两种方法对应的矩张量反演误差较小且十分接近;混合噪声和高噪声条件下,搜索校准法的准确性和稳定性多优于监测网校准法;进而优选出Geysers地热田微震监测数据更加可靠的矩张量结果。研究思路和结论为微地震矩张量研究提供了进一步指导。     

裂隙砂岩应变场演化与超声时移衰减特征研究

微裂纹萌生、扩展和聚结模式的识别是研究岩体灾害孕育演化过程的基础。为探究裂隙岩石微裂纹发育过程及机制,采用主动超声测量和数字图像相关（digital image correlation,简称DIC）技术同步监测单轴压缩下预制裂隙砂岩的损伤破裂过程,分析了表面应变场演化及超声衰减特征。结果表明：小倾角预制裂隙尖端的局部拉应力集中利于裂纹更早萌生;随裂隙倾角增加,预制裂隙试样由较为稳定的渐进性破裂转变为突发性破坏,其脆性特征也更明显,表面应变场可实时追踪裂纹的萌生和扩展。P波波速、振幅谱和超声振幅的衰减与微裂纹的发育和宏观裂纹的形成密切相关,可将超声波主频的明显衰减视为宏观裂纹形成的直接证据;不同射线路径P波速度及振幅衰减的差异,是轴向应力和预制裂隙诱导损伤累积各向异性的结果。此外,采用改进谱比法分析了超声衰减的时移特征,发现超声波衰减比P波波速对岩石介质中微裂纹的发育更敏感,进一步对比发现超声振幅、表面应变、P波波速对岩石损伤识别的敏感性依次降低。该研究结果表明,主动超声衰减和DIC表面应变同步监测是识别和量化岩石损伤和裂纹扩展先兆信息的有力工具。     

基于声发射上升时间/振幅与平均频率值的花岗岩劈裂破坏评价指标研究

通过花岗岩巴西劈裂试验,研究基于声发射RA（上升时间/振幅）与AF（平均频率）值的参数指标描述岩石破坏剧烈程度的可行性与优势。通过对比破坏过程中的RA与AF值分布的变化,与矩张量分析结果相互印证,发现即使宏观上以张拉为主的岩石劈裂破坏,在临近破坏阶段,仍会出现剪切破裂成分增加的现象,并提出了花岗岩巴西劈裂试验中基于RA与AF指标进行岩石破裂机制分析的判定建议值;提出r =RA/AF作为描述岩石破坏剧烈程度的基本指标,对比其与振幅参数在不同破坏阶段的变化趋势及不同传播距离下的衰减规律,结果表明：在衰减的影响下,基于r的参数指标将得到偏安全的评价结果;进一步提出r值变异系数CV(r)作为r值参数的统计指标,并与基于振幅的统计指标b值进行对比,对比结果验证了以CV(r)描述岩石破坏剧烈程度的可行性,且根据b值对岩石失稳破坏的判定值提出了花岗岩劈裂破坏中的CV(r)建议判定值。     

隧道大变形机制及处治关键技术模型试验研究

大变形是隧道建设中无法完全避免的灾害之一,发生后若处治不当极有可能出现多次换拱甚至塌方等二次灾害。通过相似模型试验,采用自行设计的隧道模型开挖装置和围岩内部位移监测装置,研究了隧道开挖和埋深增大过程中围岩渐进性破坏过程及位移和应力变化规律,揭露出预防隧道大变形的重点支护部位,并进一步研究了大变形出现后处治过程中衬砌的破坏规律,明确了大变形处治时的支护措施。试验结果表明：（1）隧道产生大变形过程中,拱顶与拱底的变形量大于拱腰与拱脚的变形量,且随着埋深增大,差值逐渐增大;（2）大变形产生后隧道拱顶径向和切向应力值均减小,而拱脚切向应力值大幅上升;（3）更换变形拱架时,更换位置附近衬砌拱顶处可能出现张拉破坏,拱腰处可能出现剪切破坏,因此,大变形处治时需保留两侧衬砌的临时钢支撑,必要时需增设底部横支撑或临时仰拱。该研究结果有助于得到大变形发生时和发生后处治时的防控重点,为大变形的预防及安全处治提供指导和参考。