岩爆预警与烈度评价的声音信号分析

利用真三轴岩爆实验系统在室内再现了岩爆动力破坏过程,采用数字录音笔对岩爆过程的声音信号进行监测,在声音信号预处理的基础上,对岩爆过程中的颗粒弹射、岩板劈裂、块片弹射3种岩石脆性破坏现象的不同声音特征指标进行分析。结果表明:3种典型脆性破坏现象的声音信号在波形、频谱、声纹和短时能量等特性指标上存在明显差异,这些特征指标适用于岩爆的特征提取。提出了一种基于声音信号的岩爆烈度评价指标——局部声响总能量,该指标适用于定量评价岩爆发生的剧烈程度。     

高地应力岩体多孔爆破破岩机制

深部岩体爆破破岩是爆炸荷载与高地应力共同作用的结果。基于一些简化假设，建立了一个高地应力岩体双孔爆破计算模型，采用光滑粒子流体力学-有限元方法耦合数值模拟方法，研究了高地应力作用下炮孔间裂纹的传播及贯通过程，分析了炮孔周围应力场动态演化过程与分布特征。研究结果表明:爆破引起的岩体开裂主要是环向动拉应力所致，地应力对岩体的压缩降低了炮孔周围环向动拉应力、缩短了环向动拉应力的作用时间，因而对爆炸致裂起抑制作用；静水地应力条件下多孔爆破时，垂直于炮孔连线方向传播的爆生裂纹更易受到地应力的抑制；对于高地应力岩体爆破，炮孔间的裂纹扩展长度随地应力水平的提高而减小，裂纹主要沿最大主应力方向扩展，因此沿最大主应力方向布置炮孔、缩短炮孔间距有利于炮孔间裂纹的连接贯通，形成良好的爆破开挖面。     

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。     

西周岭隧道地应力测量及岩爆预测分析

为指导施工,提高施工的安全性和经济性,对西周岭隧道进行了钻孔水压致裂法地应力测量。测试结果表明:西周岭隧道深埋段地应力场以水平应力为主,在测试深度内最大水平主应力值为10.57~19.39MPa,具中等偏高应力水平; 最大水平主应力方向为近N33°W,与隧道走向的夹角较小,即地应力对隧道围岩稳定性较为有利。基于地应力实测结果,本文采用Hoek判据、Turchaninov判据、Russenes判据和工程岩体分级标准等4种判别方法进行岩爆预测,并分析了发生岩爆的临界深度,认为西周岭隧道深埋段有发生轻微-中等岩爆的可能,发生岩爆的临界埋深厚度约为397m。因此,在施工过程中应采取合理的开挖方式及防岩爆安全措施,防止岩爆灾害的发生。     

千枚岩岩石微观破裂机理与断裂特征研究

岩石的宏观断裂与其内部微结构和微缺陷紧密相关,建立岩石微观破裂机理和宏观断裂之间更直观的联系是当今断裂力学的难题之一。本文以金沙江上游泥盆系中统中段的绢云母千枚岩与硅质板状千枚岩为研究对象,利用扫描电镜与力学试验等多种测试手段,通过对2种千枚岩岩石断口的微观形貌特征的研究,揭示了千枚岩岩石微观破裂形式、破裂机理与其矿物组成之间的联系。指出绢云母千枚岩岩石以沿晶面擦花的微观破裂形式为主,是典型的微观脆性剪断,而硅质板状千枚岩岩石既有沿晶断裂的拉断破裂,又存在切晶擦花的剪切微破裂形式,是属于拉、剪破裂并存的微观破裂机制。进一步结合岩石断裂的力学特征,分析千枚岩微观破裂与宏观断裂之间的联系。结果显示:千枚岩岩石在外力作用下的断裂形式与其微观破裂形式是可对应的。这一结论为建立起岩石微观破坏机制和宏观断裂特征的桥梁提供了依据,具有一定的理论意义。     

不同节理角度和地应力条件下岩石双孔爆破的数值模拟

在采矿工程、地下交通工程和水利水电工程等岩体开挖工程中,爆破法仍是一种主要的破岩方法. 实际天然岩体中存在的裂隙、节理等不连续面和所处的地应力场环境,都会对爆破荷载传播过程和最终的破碎效果产生重要影响. 本文把岩石爆破视为爆炸应力波动态作用和爆生气体压力准静态作用两个独立的先后作用过程,同时考虑初始应力场的静态作用,建立岩石爆破的力学模型. 基于渗流方程描述爆生气体在爆生裂纹中的传播过程,进而基于流固耦合理论实现爆生气体准静态压力对裂纹尖端的力学作用. 爆炸应力波主要在孔周引起压碎区和径向微裂纹区,随后爆生气体压力楔入径向裂纹尖端,促使裂纹进一步扩展,形成径向主裂纹. 数值模型可以再现孔周压碎区、径向微裂纹区、径向主裂纹区萌生、扩展的完整演化过程. 针对不同节理角度和地应力条件下岩石双孔爆破过程的数值模拟结果表明,初始地应力场的压应力作用不利于爆生裂纹的萌生与扩展,但节理的存在对裂纹的扩展具有明显的导向和促进作用,有利于爆生裂纹沿节理面方向的扩展.      

基于巴西劈裂试验的岩石声发射特性及断口特征分析

为综合研究岩石在拉伸状态下的破裂机理,对花岗岩、灰岩、砂岩、大理岩4种岩石进行巴西劈裂试验,采用PCI-2声发射仪采集试样破裂全过程的声发射信号,利用扫描电镜研究试样断口的微观结构,并探讨了岩石破裂声发射信号与断口微观特征之间的关系。试验结果表明:岩石破裂声发射信号的特征与断口微观特征可联合表征岩石在劈裂荷载下的破坏机理。在劈裂荷载下,岩石破裂产生的声发射信号的累计振铃计数呈稳定增长期、突增期、平静期3个阶段,且峰值频率呈带状分布,分别集中于0~50kHz,100~150kHz及300kHz上下3个频率段;岩石断口微观特征为典型的脆性拉伸断口样貌,且断口花样的复杂程度与振铃计数率呈正相关,断口破裂尺度与峰值频率呈负相关。     

基于聚能射流的岩石定向劈裂机制

基于岩石材料脆性断裂模型分析，从提高炸药能量向岩石断裂表面能转换效率的角度，提出采用预切槽和多点聚能射流冲击岩石进行裂纹引导与扩展，实现岩石定向劈裂。设计了一种可用于岩石劈裂的聚能装药，利用数值计算方法研究了岩石类脆性材料在聚能射流冲击作用下的定向劈裂机制，并计算比较了不同形状金属杆射流对岩体的冲击劈裂效果。分析计算该聚能装药射流形成与岩石的侵彻断裂过程，得出用于岩石劈裂的最佳聚能装药结构与炸高。实验成功用2枚聚能装药将岩石试块按预制方向劈裂，测试获得的岩石表面应力峰值约0.5～0.8 MPa。结果表明，采用该聚能装药在25 mm炸高下能够形成长径比约1∶3的楔形金属杆射流，沿着控界面预先设计的切槽方向，多点设置聚能装药，同时起爆后形成楔形金属杆射流冲击岩石，产生了较好的定向劈裂效果。该方法将爆炸能量精准导入控界面并有效地转换成岩石断裂表面能，从而提升了岩石定向劈裂的效果及炸药的能量利用率，研究结果可为大范围岩体开挖精确控界爆破切割装置设计及降低工程爆破危害提供参考。     

不同地应力条件下切缝药包爆破的数值模拟

针对切缝药包定向爆破的特点,考虑岩石介质非均匀性的基础上,把岩石爆破视为爆炸应力波动态作用和爆生气体压力准静态作用的过程,基于损伤力学理论建立岩石爆破的力学模型,并对不同地应力条件下切缝药包爆破的裂纹演化规律进行数值模拟,分析不同地应力条件对切缝药包爆破效果的影响。模拟结果表明:采用切缝药包爆破时,裂纹主要萌生于切缝周边,沿切缝方向扩展,切缝对定向裂纹的控制作用明显;当考虑地应力作用,且最大地应力方向与切缝方向垂直时,不利于定向裂纹的扩展;最大地应力方向与切缝方向平行时,有利于定向裂纹的扩展。裂纹的扩展方向受控于切缝角度和最大地应力方向这2个条件,裂纹扩展规模则受到地应力的限制。     

SHPB冲击作用下层状千枚岩多尺度破坏机理研究

通过分离式霍普金森杆对层状千枚岩施加动态载荷，得到不同层理倾角下层状千枚岩的动态抗压强度与宏观破坏模式。采用三维激光仪获得断裂面细观形貌，引入分形几何定量计算断口面粗糙度；结合SEM观察到的微观尺度下不同层理倾角断口破坏机理，分析了不同层理倾角下层状岩石的动态破坏机制。研究结果表明:动态压缩下层理弱面对岩石的抗压强度影响较大；不同层理倾角千枚岩的断口形貌分形维数随层理倾角增大呈U型变化；从强度与裂纹扩展两方面考虑层理弱面对层状岩石破坏特征的影响，对于层理倾角为0°的试样，强度由岩石基质控制，但层理弱面仍对岩石破坏的裂纹分布与走向产生较大影响；对于层理倾角为22.5°的试样，强度与裂纹走向受岩石基质与层理弱面共同控制；对于层理倾角为45°～67.5°的试样，强度与裂纹走向受层理弱面控制；而对于层理倾角为90°的试样，动态抗压强度受岩石基质的影响较大，在层理弱面较早形成纵向宏观裂纹，导致该层理弱面角度下裂纹受层理弱面的影响较大。     

花岗岩晶粒尺寸对岩爆影响的试验研究

为探究晶粒尺寸对硬脆性岩石岩爆的影响，利用真三轴岩爆试验系统，对细中、中粗两种不同晶粒尺寸的含预制圆孔花岗岩开展了岩爆模拟试验。试验结果表明:在相同的加载过程中，细中晶粒花岗岩出现板裂静态脆性破坏，而中粗晶粒花岗岩出现岩爆动力破坏；细中晶粒花岗岩早期声发射活动较弱，大破裂、低主频事件在时空分布上较集中，特征应力较大，而中粗晶粒花岗岩早期声发射活动较活跃，大破裂、低主频事件在时空分布上较离散，特征应力较小，碎屑破碎程度更高。晶粒尺寸对花岗岩的岩爆倾向性具有重要影响，晶粒尺寸较大的硬脆性岩石的岩爆倾向性更强。深部地下岩体工程的岩爆倾向性评价中，除强度和脆性外，晶粒尺寸也是需要考虑的重要因素。     

Dynamic damage constitutive relation of mesoscopic heterogenous brittle rock under rotation of principal stress axes

A micro-mechanics-based model is developed to investigate microcrack damage mechanism of four stages of brittle rock under rotation of the principal stress axes. They consist of linear elastic, non-linear hardening, rapid stress drop and strain softening. The frictional sliding crack model is applied to analyze microcracks nucleation, propagation and coalescence. The strain energy density factor approach is applied to determine the critical condition of microcrack nucleation, propagation and coalescence. The inelastic strain increments are formulated within the framework of thermodynamics with internal variables. Rotation of principal stress axes affect the dynamic damage constitutive relationship and the failure strength of brittle rock.     

侧向受拉脆性岩石压缩本构及蠕变失效研究

轴向压缩作用下,脆性岩石侧向应力严重影响岩石力学特性。侧向压应力影响下的轴向压缩岩石力学行为已经得到广泛研究,然而侧向拉应力对轴向压缩岩石力学行为影响研究很少。本文基于脆性岩石翼型裂纹扩展模型中,初始裂纹面法向应力与剪切应力的正负方向为判断依据,研究了侧向拉应力对轴向压缩力学行为的影响。发现恒定的侧向拉应力作用下,轴向压缩应力渐进变化过程中,脆性岩石内部细观初始裂纹面的法向应力只能为压缩应力,不存在拉应力情况。分析了从侧向压应力到拉应力转化过程中,脆性岩石轴向压应力与细观裂纹扩展长度关系、轴向压应力与轴向应变关系、岩石峰值强度、裂纹启裂应力及初始弹性模量的变化规律。并分析了侧向拉应力对岩石蠕变裂纹长度、裂纹速率、轴向应变及应变率演化曲线,以及对蠕变失效时间及稳态蠕变应变率的影响。讨论了侧向拉压应力突变转化以及侧向拉应力分级增大对轴向压缩岩石蠕变演化行为影响。该研究为深部地下工程围岩稳定性评价提供了一定理论依据。     

秦岭公路隧道2号竖井地应力与岩爆分析

利用水平圆柱形激波管对激波驱动的可压缩性气固两相流进行了试验研究. 利用压电式压力传感器、电荷放大器、示波器及计算机组成的压力信号测试系统, 对激波 与颗粒作用前后的气相参数进行测量及分析. 试验中测得了激波在管中的传播速 度, 波后气流的压力, 反射激波、透射激波的压力和速度等. 分别考察颗粒、装载 比、驱动气源以及入射激波马赫数等因素的差异对气相参数的影响. 试验结果表明: 激波与颗粒群相互作用时, 会产生反射激波和透射激波, 其强度与驱动气源、颗粒大小、颗粒装载比等参数有关; 激波衰减率随着装载比、马赫数的增大而减小. 研究指出, 在颗粒群被激波加速的初始阶段, 颗粒间的弹性碰撞起着重要的作用.     

单轴拉伸条件下脆性岩石微裂纹损伤模型研究

利用断裂力学、损伤力学和均匀化原理,对脆性岩石单轴拉伸条件下的力学特性进行分析,建立了脆性岩石的微裂纹损伤本构模型.首先对岩石内部微裂纹的统计分布规律进行分析,给出了理论分析过程中微裂纹分布的假设条件,在此基础上,参考已有研究成果,得到含细长微裂纹脆性岩石有效弹性参数的计算公式.然后,对岩石内部单一微裂纹进行断裂力学和损伤力学分析,得到了扩展裂纹尖端的应力强度因子计算公式,在一定微裂纹断裂扩展准则和断裂扩展速率的假设基础上,利用积分原理,得到了岩石整体的损伤变量和损伤演化方程,由此建立单轴拉伸条件下脆性岩石的微裂纹损伤本构模型.最后,通过一花岗岩的单轴拉伸试验结果对微裂纹损伤本构模型进行了验证.     

岩爆的压缩流体包裹体膨胀力源假说

岩爆是地下工程中的一种奇异力学破坏现象. 开挖后的围岩块石突然、猛烈地向开挖空间弹射、抛掷和喷出. 它具局部性、突发性、隐蔽性、滞后性、无前兆性、高初速度和高冲击动能. 岩爆常常导致深部岩石工程重大人员伤亡和经济损失. 虽然人们对岩爆做了大量研究, 岩爆的成因机理依然是公认的"国际岩石力学领域的世界性难题". 本文指出、分析、论证了造成这个"世界性难题" 的原因是, 国际岩石力学领域忽略了连续完整岩石中微小流体包裹体的存在和异常作用. 本文进一步提出、分析和论证了封闭在完整岩石中的微细流体包裹体可能处于被压缩状态, 能够拥有高压强, 能够造成完整岩石内部的局部异常高地应力场. 岩石开挖可导致封闭在岩石内部的众多微细高压缩流体包裹体重新随时间而渗流、移动和相变, 再造成局部完整脆性围岩的岩爆. 对岩石流体包裹体的力学研究能让我们破解世界性岩爆难题.     

动力损伤后的脆性岩石静力蠕变断裂模型研究

应力波动力扰动下脆性岩石的静力蠕变特性,对深部地下工程围岩变形的评价有重要的实践意义.动力载荷作用导致的局部细观裂纹损伤严重影响脆性岩石蠕变力学行为.基于细观裂纹扩展与应力关系模型、动力扰动损伤演化函数、静动力载荷演化路径函数与黏弹性本构模型,提出一种应力波动力扰动下脆性岩石蠕变断裂特性的宏细观力学模型.其中动力损伤通过控制岩石内部细观裂纹数量变化实现.模型描述了应力波动力扰动下岩石的应变时间演化曲线,解释了岩石动力扰动下蠕变失效特性.研究了不同应力波幅值及周期影响下的脆性岩石应变-时间关系曲线,并通过试验结果验证了模型的合理性.讨论了动力损伤变化形式,突变发生时刻,突变量的大小对岩石蠕变失效特性的影响.分析了应力波幅值、周期对岩石动态动力损伤效应以及蠕变失效特性的影响.主要研究结果:动力损伤的变化值越大,岩石蠕变失效发生时间越短.冲击载荷扰动期间,动力损伤发生的时刻及增加的形式,对动力扰动后的岩石应变及蠕变破坏时间影响很小.动力损伤变化量随应力波幅值增加、周期减小而加速增大.应力波幅值越大、周期越小,岩石发生蠕变失效时间越短.     

钻孔岩芯饼状断裂破坏机制

本文首先阐述岩芯饼状断裂及其特征, 进而用断裂力学的理论与方法对岩饼破坏进行了断裂扩张机制的分析, 不但合理地解释了断裂特征及断裂破坏机制, 且以二滩坝址为例, 分析了产生钻孔岩饼的微裂纹条件及应力条件, 为定量地评价坝址地应力状态, 包括其大小及方向提供了一种新的方法。上述不仅具有重要的理论意义, 而且具有重要的工程实际意义。     

某深埋隧道围岩破裂发展机理数值模拟

围绕某深埋隧道支护结构失效机理展开研究。调查了某深埋隧道围岩地质及支护结构失效特征,根据深埋隧道围岩的地质力学历史,提出岩石峰后力学特征描述的塑性应变指标。通过数值模拟获得在开挖扰动下该隧道围岩中应力大小的交替分布及围岩破裂的分层现象,分析了分层断裂中次生自由面、多重似开挖面形成的力学机制,揭示出武陵山脉隧道深埋段支护结构破坏的原因在于围岩的分层破裂。研究结果为深部隧道支护设计及稳定性分析提供了有效的思路与处理方法。     

Modeling of failure characteristics of rectangular hard rock influenced by sample height-to-width ratios: A finite/discrete element approach

In the present study, a combined finite/element approach is used to analyze failure characteristics of a rectangular hard rock with different sample height-to-width ratios based on the uniaxial compression test. The objective of this paper is to illustrate the transitional mechanisms from shear fracture to extension failure of brittle rocks and the occurrence conditions of surface-parallel slabbing. Numerical results show that failure modes have experienced the shear, tension with shear and surface-parallel slabbing failure with the decrease of sample height-to-width ratios. It is seen from the simulation results that the shear band in larger height-to-width ratios is composed of an amount of extension meso-cracks that are parallel to the loading direction, and the slabbing failure tends to be the result of the accessible propagation of extension meso-cracks due to short sample height, which validate the essence of extension failure in hard rocks. The good agreement between simulation and laboratory testing also shows the practicability and advancement of a combined finite/discrete element approach.