地下工程中岩土结构面的影响分析

研究已表明岩土体中都存在结构面,工程岩土体的变形破坏一般受结构面控制。本文依据结构面 (断层 )优势指标综合值 (Ri)的量化比较,可得出各结构面 (断层 )对隧道稳定影响程度的大小,从而针对各结构面 (断层 )采取不同的工程措施。本文分析还表明,结构面和地下工程中的水害、瓦斯突出、岩体质量好坏等也有密切关系。     

三山岛金矿控矿断层F1的力学性质及补强措施

作者以正在开采中的三山岛金矿采场为研究对象，分析矿区开采过程中的岩体结构特征及重力方向矿柱、护顶矿柱与控矿断层F1断层泥及其上覆岩体之间的关系和力学机制。通过试验研究了断层泥的物质成分和力学性质，总结了力学特性与断层泥厚度及含水量之间的关系。在此基础上提出锚固大于中倾角的结构面，提高结构面的抗滑阻力；增加含有高、陡倾角结构面矿柱的刚度等对矿柱的补强措施。对护顶矿柱提出预先锚固；分阶段开采的补强方法。在裂隙密集带设置排水设施，改善断层泥的赋存条件，提高它的力学性能。     

下伏软弱层黄土边坡变形机制分析及治理对策研究

本文研究了陕北某电厂夹断层破碎带上覆黄土的泥岩、砂岩互层反倾边坡的变形机制,并研究治理对策及其治理效果。通过边坡工程地质条件及变形破坏特征分析,建立FLAC3D地质模型,采用数值模拟方法研究了边坡变形破坏机制,在此基础上提出削方减载、锚筋桩、锚杆及坡面防护的综合治理措施。研究结果表明,边坡的变形受开挖坡形的影响,坡体浅表层特别是断层带及坡顶黄土部位出现大范围拉应力集中,断层带出现向坡外的挤出变形,带动上部黄土的牵引式变形,引起沿黄土和基岩基覆界面的剪切变形,在黄土中出现大量拉裂缝,在一定条件下潜在滑移面逐渐贯通,坡体将产生整体失稳。边坡的治理应通过削方减载改善坡体应力环境,并重点控制断层带及黄土与基岩基覆界面的变形,数值模拟结果表明,治理后边坡稳定性较好,满足设计要求。     

论“岩体结构控制论”

经过长期实践和研究,作者于1984年提出岩体结构控制论是岩体力学的基础理论,并全面、系统地以岩体结构控制论为指导研究了岩体变形、岩体破坏及岩体力学性质的基本规律;提出岩体变形系山岩体材料变彤和岩体结构变形共同贡献的,岩体破坏系受岩体材料破坏和岩体结构破坏控制的;岩体力学性质不仅决定于岩体材料力学的性质,而且受控于岩体结构力学效应及环境因素力学效应。在此基础上,作者提出了岩体可以划分为连续介质、碎裂介质,块裂介质及板裂介质四种岩体力学介质,从而建立了完整的岩体结构力学理论体系。     

单轴压缩条件下溶蚀岩体力学特性数值试验研究

工程尺度的溶蚀岩体难以开展室内外力学试验,导致溶蚀岩体的力学参数获取存在困难,因此基于岩石矿物含量特征、室内力学试验和岩体结构面特征,采用三维颗粒流离散元法,通过建立等效孔隙型溶蚀岩体模型进行单轴压缩数值试验,进而分析其力学特性和变形破坏机制。研究表明：采用改进平行黏结模型,基于细观矿物特征,通过元胞自动机算法剔除颗粒可建立孔隙型溶蚀岩体模型;加载前期,岩体结构面首先快速破坏而产生以剪切为主的微裂纹;随加载进行,岩块内逐渐产生以拉裂纹为主的破坏,其微裂纹呈指数增加,而结构面微裂纹先激增后趋于稳定;相同轴向应变时,岩块内拉裂纹随溶蚀率增加而增加,而结构面剪切微裂纹减少;岩体的变形破坏分为结构面快速破坏、岩块弹性变形、岩块塑性变形和岩体完全破坏等4个阶段,其破坏形式随溶蚀率增加而从整体均匀性破坏转化为局部结构性破坏;溶蚀使岩体强度降低,溶蚀率与单轴抗压强度和变形模量分别呈反比和负指数函数关系。     

北京市戒台寺滑坡发生发展机理研究

戒台寺滑坡位于北京市门头沟区马鞍山的北麓,马鞍山背斜的北翼,组成边坡的岩性较为软弱。由于多期构造运动的影响,岩体中裂隙发育,岩体结构破碎,风化卸荷严重。边坡为顺倾结构,边坡中顺倾坡外的软弱夹层、软弱结构面及断层发育,它们分别为边坡的滑动提供了滑动面和切割面的作用。由于边坡中岩层倾角大于边坡的坡度,因此并没有剪出的临空面,只是一个受特定边坡结构控制的蠕变体。但是近年来在胜利煤矿和石厂煤矿的大规模采掘Ⅳ级平台山梁下煤层影响下,形成采空移动盆地,造成Ⅳ级平台山梁整体塌陷,客观上为蠕变体提供了变形空间,引起戒台寺SN向山梁Ⅰ～Ⅲ级平台坡体依附于断层破碎带或软弱夹层的松弛,导致各块坡体沿软弱结构面向临空产生蠕动和滑动。采石场大药量爆破的地震波的频繁作用影响,使坡体内的构造结构面扩展松弛张开,表水易于下渗,岩体强度及变形特性显著降低,斜坡稳定性对降雨入渗的敏感性显著提高,最终导致了蠕变体变形的加速。     

FRP-混凝土界面剥离破坏过程并行数值模拟

FRP-混凝土界面粘结性能和抗拉裂能力是外贴FRP片材加固混凝土结构技术的关键问题。基于FRP与混凝土界面面内剪切试验的结果,采用材料真实破裂过程三维并行分析(RFPA3D-Parallel)系统,对FRP-混凝土界面的粘结性能进行了三维并行数值模拟研究。数值试验再现了FRP-混凝土构件的三维破裂过程演化过程,清晰地反映了拉伸载荷作用下FRP-混凝土构件界面剥离破坏的规律,FRP-混凝土界面剥离破坏是一个细观损伤不断产生和宏观裂缝形成的渐进过程,可通过监测FRP-混凝土结构损伤演化过程的声发射来揭示FRP-混凝土结构在外载荷作用下的损伤程度。FRP片材在加载过程中的变形剥离破坏过程大致可以划分为四个阶段：(1)弹性变形阶段;(2)弹性软化阶段;(3)弹性软化剥离阶段;(4)软化剥离阶段。本文的数值计算表明RFPA3D-Parallel并行数值模拟方法为FRP片材-混凝土界面剥离破坏过程和机理研究提供了一个很好的途径,同时也为研究FRP-混凝土工程结构等的损伤断裂机理提供了一个新的分析手段,这对于土木建筑工程中FRP-混凝土结构的工程设计施工、损伤断裂控制及混凝土结构加固等研究无疑具有重要的理论指导和实践意义。     

强度与振动教育部重点实验室近期研究工作进展

1 实验室概况 本实验室于1985年由原国家计委投资建设,主要支撑学科为力学,其中:固体力学为首批博士点、首批国家重点学科.实验室主任和学术委员会主任分别由王铁军教授和杜善义院士担任.实验室总体定位是面向国家重大需求和国际学科前沿,开展应用基础研究.重点研究重大装备、国家安全、交叉边缘及其它领域中的关键力学问题,强调理论、方法与技术创新.主要研究方向为:(1)固体变形与强度理论;(2)复杂系统动力学与振动控制;(3)超轻多功能结构及多场耦合;(4)结构安全与监检测.     

川藏公路茶树山滑坡特征及成因机制分析

通过对川藏公路茶树山滑坡地质环境条件的系统调查研究,分析了滑坡岩土体结构、边界条件、变形特征、影响因素,并结合3DEC数值模拟,对其变形破坏机制进行了深入的探讨。综合分析表明,滑坡位于活动断裂带内,后缘斜坡陡峭,岩体破碎,同时前缘为较厚的松散堆积体斜坡,在地震活动、降雨等影响因素的诱发作用下,滑坡成因机制主要表现为以下3个阶段:(1)倾倒拉裂阶段,滑坡受后缘地形及岩体结构控制作用较为明显,在坡体浅表层一定深度范围内出现较为强烈的倾倒拉裂变形带,产生倾倒-拉裂滑动; (2)蠕滑变形阶段,前缘松散堆积体在强大的自重推力作用下发生蠕滑变形; (3)前部"锁骨段"剪断,整体失稳阶段,滑坡前部锁骨段在自重推力及断层活动的持续影响下,发生剪断,控制后缘倾倒拉裂体稳定性的潜在滑面与前缘松散堆积体体内的剪切滑动面贯通,滑坡整体失稳。     

缓倾外层状结构边坡变形破坏模式及支护对策研究

高速公路开挖形成越来越多的工程边坡。缓倾外层状结构边坡作为一种典型的岩质边坡,一般情况下整体稳定性较好,但在特定的结构面组合状况下,开挖后也可能产生整体变形破坏。本文以软弱结构面和长大裂隙发育的公路工程边坡为例,通过岩体结构及边坡一定范围内已有边坡破坏现象的调查研究,采用工程地质类比和三维离散元法综合分析边坡变形破坏模式,并针对变形破坏模式的特点,提出支护对策。研究结果表明,结构面贯通坡体形成切割块体的后缘和侧缘边界时,缓倾外层状结构边坡可沿层面产生滑移-拉裂变形,若滑面与临空面具有一定夹角,边坡的变形可表现为旋转式滑移-拉裂;结构面组合控制的缓倾外层状结构岩质边坡稳定性受坡体中下部的关键块体控制,一旦关键块体失稳,将引起上部块体的连锁失稳,此类边坡变形控制的重点是对关键块体分布区域进行强支护;支护工程实施后的变形监测结果表明,基于变形破坏模式分析的边坡支护方案保证了边坡施工和运营过程中的安全。     

弹体高速侵彻钢筋混凝土靶试验研究

为研究结构弹体对钢筋混凝土靶的高速侵彻破坏效应,利用口径35 mm弹道炮开展了1 030～1 520 m/s速度范围内的高速侵彻试验,获得了弹体的撞击速度、破坏形态、剩余长度、剩余质量和靶体中的侵彻深度及成坑尺寸等试验数据,分析了侵彻深度和侵彻机理随速度的变化关系。结果表明:在1 030～1 390 m/s的速度范围内,弹体头部磨蚀,磨蚀程度随侵彻速度增加而加剧,侵彻深度随撞击速度近似线性增大;撞击速度在1 390～1 480 m/s范围内,弹体头部严重磨蚀,侵彻深度随撞击速度增加而减小;撞击速度大于1 480 m/s后,弹体严重破碎,侵彻深度急剧下降。针对结构弹体高速侵彻过程中的破坏特点,将侵彻速度划分为刚体侵彻区、准刚体侵彻区、侵蚀体侵彻区和破碎体侵彻区,可为钻地弹结构设计提供参考。     

机械密封在干摩擦状态下的摩擦界面热力耦合分析

依据W-M分形函数建立了接触式机械密封摩擦副三维瞬态滑动接触模型，考虑了接触微凸体之间相互机械作用和摩擦的热力耦合，基于ABAQUS分析平台，首次提出了能够模拟机械密封摩擦副回转运动的计算模型，仿真分析了机械密封摩擦副在干运转条件下的摩擦特性. 研究结果表明:接触面温度分布不均匀，局部温度很高，在接触微凸体中心区域出现极值；在滑动后很短时间内温度急剧上升，随着滑动进行，接触节点温度继续升高，但是温升速率减缓；粗糙体轴向温度梯度较大，其亚表层区域存在较大的热应力，易发生热损伤失效；在接触微凸体轴向距表层较近的局部区域存在拉应力，滑动行为会使微凸体内部拉应力区域扩大，拉应力的数值也增大. 微凸体接触区轴向上的应力状态是变化的，依次为压应力-拉应力-压应力.      

中缓倾角结构面分类及其抗剪强度的研究

西南某坝区中缓倾角结构面具有分别倾向上游和下游的空间分布规律。根据结构面接触情况,首先将结构面分为刚性结构面和软弱结构面两大类。其中,刚性结构面属于裂隙型;软弱结构面根据其物质组成和结构特征,可以细分为岩块岩屑型、岩屑夹泥型、泥夹岩屑型3个亚类。断层类结构面具有垂直于断层走向,由高高程到低高程,由泥夹岩屑型→岩屑夹泥型→岩屑砾型→裂隙型逐渐过渡的发育规律。最后在分析抗剪试验资料和分类及发育规律的基础上,提出了抗剪强度指标的建议值。     

Exact Analytical Solutions of Static Electroelastic and Thermoelectroelastic Problems for a Transversely Isotropic Body in Curvilinear Coordinate Systems

An approach to the solution of three-dimensional static problems for a transversely isotropic (rectilinear anisotropy) body is expounded and the solutions for piezoceramic canonical bodies are systematized. The result of the study is explicit analytical solutions of three-dimensional problems. Bodies are examined whose boundary surface is the coordinate surfaces in coordinate systems that permit the separation of the variables in the three-dimensional Laplace equation. The stress concentration in bodies near necks, cavities, inclusions, and cracks is investigated. The stress intensity factors of the force field and electric induction near elliptic and parabolic cracks are determined. The contact interaction of a piezoceramic half-space with elliptic and parabolic dies is studied. The bodies are under various mechanical, thermal, and electric loads     

汶川大地震触发地质灾害的断层效应分析

“5·12”汶川大地震(Ms=8.0)触发了数以万计的崩滑地质灾害,分布范围约10万km2。这些地质灾害的空间分布固然受地形地貌、地层岩性和人类工程活动等因素的影响,然而主要还是受到发震断层的控制,沿发震断裂呈带状分布。通过都(江堰)—汶(川)路、北川—安县、马公—红光3个地质灾害集中发育区的研究,发现汶川地震地质灾害具有以下断层效应：（1）由于属逆断型发震,地质灾害的分布表现出了明显的"上/下盘效应",发震断层上盘较下盘地质灾害分布密度高、范围广、规模大;（2）断层上盘0~7km范围为地质灾害强发育区,断层上盘7～11km范围和下盘0～5km范围为地质灾害中等发育区;绝大多数的大型滑坡都分布在距断层5km范围内;（3）断裂的转折和错列部位是地质灾害集中发育部位,大型地质灾害也往往发生在这些部位;（4）滑坡滑动的优势方向为NW-SE, 与映秀—北川断裂的空间展布方向基本垂直,这与地震波垂直于断层方向传播有密切的关系;（5）地震地质灾害主要集中发育在Ⅸ度及其以上烈度的区域。其中,Ⅺ度区发育密度与Ⅹ度区的基本相当,Ⅸ度区灾害密度只有前两者的1/3,而Ⅷ度区发育密度只有Ⅺ度区或Ⅹ度区的1/10。     

Structural interfaces in linear elasticity. Part I: Nonlocality and gradient approximations

Many biological and optimal materials, at multiple scales, consist of what can be idealized as continuous bodies joined by structural interfaces. Mechanical characterization of the microstructure defining the interface can nowadays be accurately done; however, such interfaces are usually analyzed employing models where those properties are overly simplified. To introduce into the analysis the microstructure properties, a new model of structural interfaces is proposed and developed: a true structure is introduced in the transition zone, joining continuous bodies, with geometrical and material properties directly obtained from those of the interfacial microstructure. First, the case of an elliptical inclusion connected by a structural interface to an infinite matrix is solved analytically, showing that nonlocal effects follow directly from the introduction of the structure, related to the inclination of the connecting elements. Second, starting from a discrete structure, a continuous model of a structural interface is derived. The usual zero-thickness linear interface model is shown to be a special case of this more general continuous structural interface model. Then, a gradient approximation of the interface constitutive law is rigorously derived: it is the first example of the analytical derivation of a nonlocal interface model from the microstructure properties. The effects introduced in the mechanical behavior by both the continuous model and its gradient approximation are illustrated by solving, for the first time, the problem of a circular inclusion connected to an infinite matrix by a structural interface and subject to remote uniform stress.     

利用大型岩质滑坡形成的环境条件及重力圧密原理分析滑面形态与强度参数

大型、特大型岩质滑坡,因其体积大,范围大,且多位于高山峡谷地区,用勘探方法虽能较准确的查明滑带的位置、形态,但因极恶劣的地形条件,绝大部分在初步研究阶段,由于缺少勘探资料而不能确定滑面位置,因而也难以获得滑面的强度参数。本文从大型岩质滑坡形成的初始环境地质条件：地形条件,地貌条件,岩性条件,构造条件,河流形态,斜坡坡体结构和变形破坏特征,结合滑坡形成后的形态特征,以反馈研究的方式,分析确定大型岩质滑坡滑面的位置及形态特征,在获得滑坡滑面位置的基础上,分析、计算滑面上覆岩体重量在滑面上产生的正应力（压应力）;在获取部分滑带土的基础上,用滑坡体重力在滑面上产生的正应力,以重力压密原理在室内开展相匹配的试验,进而获得各地段相应的物理指标,在室内开展相匹配的强度试验,获得强度参数,建立滑带土孔隙比、含水量与摩擦系数、内聚力的关系,用试验获得的关系式,结合重力压密试验得到的不同部位的含水量,去分析、研究滑面的强度参数,采用传递系数法、摩根斯坦法开展相应的稳定性分析,得到的稳定性系数均大于12,与滑坡当前的变形动态较吻合。     

Exact Analytical Solutions of Three-Dimensional Static Thermoelastic Problems for a Transversally Isotropic Body in Curvilinear Coordinate Systems

An approach to the solution of three-dimensional static thermoelastic problems for a transversally isotropic (the case of rectangular anisotropy) body is proposed. The results of construction of the general analytic solutions to thermoelastic problems for canonical bodies are systematized. The exact analytic solutions of three-dimensional problems are obtained. It is assumed that the bodies under consideration are thermoelastic and their boundary surface corresponds to the coordinate surfaces in coordinate systems that allow separating the variables in the three-dimensional Laplace equation. The stress concentration near cavities and inclusions is studied. The stress intensity factors near elliptic and hyperbolic cracks are determined. Formulas are presented for the stress intensity factors on the surface of a rigid elliptic inclusion and inside the body near a homogeneity under various thermal effects     

Controlling the level of the sonic boom generated by a flying vehicle by means of cryogenic forcing. 2. Distributed injection of a supercooled gas from the vehicle surface

The possibility of improving the efficiency of cryogenic forcing on the parameters of the hanging shock determining the length of the region of minimization of the sonic boom (middle zone) generated by a modified power-law body is studied. The effect of distributed injection of the coolant from the body surface on the formation of a perturbed flow near the body and at large distances from the body is considered. The scheme of distributed injection and the regime of coolant exhaustion are demonstrated to exert a significant effect on the length of the middle zone of the sonic boom. A scheme of cryogenic forcing is determined, which ensures reduction of bow shock wave intensity by more than 40% at distances corresponding to 7000 body diameters. The mechanism of cryogenic forcing on the flow structure near the body is discussed. __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 50, No. 2, pp. 136–144, March–April, 2009.