岩石破裂过程TMD耦合数值模型研究

从岩石的细观结构层次出发,应用损伤力学和热弹性理论,对热力耦合作用下岩石破裂过程中热-应力-损伤相互作用关系进行了分析。初步建立了细观热-应力-损伤（TMD model,thermal-mechanical-damage）耦合数值模型,并在岩石破裂过程分析系统RFPA2D中加实现。运用该数值模型计算模拟均匀与非均匀材料试样在热力耦合作用下的应力分布及破坏形 态,通过与理论及试验结果对比,证明了该数值模型的合理性和有效性。     

静动载下共面非贯通裂隙贯通机制分析

共面非贯通裂隙的贯通机制对于确定外载下岩质边坡的滑动面位置及滑动面综合抗剪强度至关重要。采用预制共面非贯通裂隙石膏模型试样单轴静动载对比试验,对不同裂隙倾角共面排列裂隙的扩展、贯通过程进行了观测,研究显示：共面非贯通裂隙不同倾角下的贯通模式存在较大差异,裂隙倾角为0o～35o时以裂隙面发生闭合变形为主;45o～65o时裂隙间较易出现剪切型破坏模式;75o～90o预制裂隙面较难产生滑动,裂隙试样主要产生劈裂形式的破坏。动载下预制裂隙试样裂尖翼裂纹及次生共面裂纹起裂后易朝原起裂方向快速发展;易在两预制裂隙内端部产生直接贯通,这与静载下岩桥处的贯通常通过分支裂纹拐折扩展、相连不同。含共面非贯通裂隙试样在裂隙倾角为35o左右时强度呈现最小值,这与贯通性裂隙试样裂隙倾角为60o左右呈现最小值相差较大,这是因为裂隙面摩擦强度没来得及发挥作用所致。因此,含非贯通节理裂隙岩体的综合抗剪强度公式应引入强度发挥系数,以充分考虑岩桥胶结强度与裂隙面摩擦强度不能同步发挥作用的破坏本质。     

深部三维圆形洞室岩爆过程的模拟试验

为了模拟深部圆形洞室三维受力情况下岩爆的发生过程,以具有极强岩爆倾向性的花岗岩作为试验材料,利用自行研制的TRW?3000岩石真三轴电液伺服诱变试验机,对含直径50 mm贯穿圆形孔洞的100 mm×100 mm×100 mm立方体花岗岩试样进行了三向不等压加载试验。试验首先模拟1 000 m深度的初始应力环境,以垂直于洞室轴向的水平方向作为最小主应力方向,通过增加竖直方向应力模拟应力调整过程诱发岩爆情况,并借助三维加载岩样内部结构破坏实时视频监控系统监控洞壁破坏情况。试验结果表明,岩爆过程可以划分为平静阶段、颗粒弹射阶段、岩片剥落和爆裂阶段,洞壁两侧中间部位应力集中系数最高,最先产生破坏,然后沿径向向深部发展,最终形成两个对称型的V型槽。圆形洞室洞壁两侧破坏的3个典型受力节点,符合深部工程中统计得到的无支护圆形巷道的远场应力状态与破坏模式之间的关系,达到了模拟的效果。利用现有的4种岩爆判据进行了分析,判别结果与试验过程中拍摄到的洞壁破坏情况基本一致。洞壁的破坏伴随着声发射计数增加和能量升高,岩爆越剧烈,声发射越活跃。     

基于三维地应力测量的岩爆预测问题研究

岩爆预测中常用的动态指标切向应力σθ是与初始地应力场密切联系的。根据开阳磷矿实测三维地应力值和该矿多层岩体赋存的特点,分析了洞室围岩岩性、空间巷道、倾斜层理等因素对σθ的影响。开阳磷三维地应力测试成果表明,埋深浅的砂岩比埋深大的红页岩的垂直地应力值要大近3倍,提出了考虑测点岩性的地应力场区域应用观点和考虑巷道轴向空间性的三维地应力空间分解方法。按上述方法,通过数值模拟研究发现,考虑倾斜层理时发生岩爆的位置主要在右帮底部。这与马路坪矿现场观测的破坏结果较吻合。区域空间分解法的岩爆预测结果比线性拟合回归法更接近实际。     

地下煤火燃空区覆岩裂隙分布模型和局部化特征

在推导出覆岩层下沉曲面方程和微元面平面伸张量方程的基础上构建了地下煤火燃空区各覆岩离层裂隙率、破断裂隙率和总裂隙率的二维分布模型,经实例分析发现,覆岩裂隙场是由离层裂隙场和破断裂隙场组成的竖向不连续具有各向异性的非均质多孔介质,覆岩四周裂隙率大,内部裂隙率小;随着覆岩埋深减小,裂隙发育程度逐渐降低,离层裂隙率极大值由0.36、0.20、0.14、0.12逐次降低,破断裂隙率极大值由0.32、0.11、0.05、0.02逐次降低;在覆岩中部区域出现裂隙率竖向变化突变点;覆岩周边裂隙率分布形式由破断裂隙主导,内部则由离层裂隙主导。基于钻孔红外热像分析技术提出了一种间接性的覆岩裂隙现场实测方法,经验证选取的5个点的裂隙率计算值与实测值的差异率都小于9%,差异率低,模型具有较高的可靠性。     

应用碱性水泥外掺剂固化天津海积软土的试验研究

天津海积软土具有高含水量、低强度、高压缩性、低pH值等特征,不能直接满足工程建设需要,必须进行人工处理。在水泥土搅拌法中使用适量碱性外掺剂NaOH或Na2CO3,可以提高桩身水泥土强度和复合地基承载力,同时能节省大量水泥,降低工程费用。现场试验中将海积软土与分别掺入0.5%NaOH和0.5%Na2CO3的10%水泥就地搅拌,形成两种新型水泥土,在与原状土及20%纯水泥土进行比较后,发现碱性外掺剂可以促使生成大量针状、棒状或纤维状水化硅酸钙晶体,抑制了能产生膨胀作用的钙矾石的生成,同时,有Ca(OH)2晶体析出,它们共同构成土颗粒间和土颗粒表面的充填物和包裹物,使水泥固化土的孔隙明显减小,密度和强度得到极大提高。检测结果显示水泥土强度提高了20%以上,复合地基承载力不小于120kPa。     

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。     

动静载组合破碎脆性岩石试验研究

介绍了动静载组合破碎岩石试验系统及原理,确定了动静载荷破岩凿入力的一般形式。通过改变静压、冲击能的大小,应用硬质合金刀具对花岗岩、砂浆块进行了静压-冲击组合破碎试验。结果表明：组合载荷破碎岩石的深度、体积随静压和冲击能增加而增加,破岩比能则随之下降。试验得出破碎花岗岩、砂浆块的合理动静载荷组合分别为（63 J, 2 100 N）、(35.15 J, 1 200 N)。     

数量化理论Ⅰ在边坡锚索锚固角优化中的应用

锚索的锚固角是边坡支护设计中的重要参数之一。基于数量化理论Ⅰ的建模原理和方法,选取了15组可靠的实测样本数据,以滑面倾角、坡面角、滑面粘结力、滑面内摩擦角、锚索直径、边坡天然稳定系数等6项定量指标作为锚索锚固角的判别指标,建立了边坡锚索最优锚固角的预测模型。通过模型检验和精度分析,得出最优锚固角的残差绝对值为0.17°～4.60°,平均为2.18°;相对误差为0.51%~11.79%,平均为4.96%;复相关系数r为0.9613,剩余标准差s为2.8185,总体上最优锚固角的预测曲线与实测曲线吻合较好。可见,利用数量化理论Ⅰ确定边坡锚索最优锚固角是科学可行的,它为确定边坡支护设计的锚固角参数提供了一个新思路。     

岩石破裂电磁辐射频率与岩石属性参数的关系

为进一步明确岩石破裂电磁辐射频率特征,基于岩石破裂电磁辐射是由岩石破裂时传播裂纹引起原子扰动产生的假说, 通过断裂力学理论中小范围屈服条件下张开位移法计算岩石破裂时的裂纹宽度,由单脉冲电磁辐射频率与裂纹宽度之间的关系,研究电磁辐射频率与岩石属性参数之间的关系,并给出了它们之间的关系表达式;单独讨论了不同属性参数对电磁辐射频率的影响.结果表明,电磁辐射频率随弹性模量增大而增大,随岩样尺寸和强度增大而减小,随泊松比的变化、岩石弹模的不同电磁辐射频率有变化;当弹模较小时,泊松比的影响也较小,而当弹模很大,即岩石刚度很大时,泊松比的增大会导致频率的增大;裂纹初始长度的变化受试件尺寸的影响,进而影响频率,当尺寸较大时,裂纹长度对频率影响较小,当尺寸较小时,频率随裂纹长度增大而增大.通过计算几种常见岩石破裂时电磁辐射频率值发现,岩石破裂时电磁辐射频率达到10⁵ Hz量级,这与现有的实验结果相吻合.