软岩工程地质力学研究进展

在中国煤矿软岩工程地质力学的研究中 ,作者指出了国际岩石力学学会关于软岩定义的缺陷 ,提出了新的软岩定义和分类 ,并论述了软岩的变形力学机制、软化状态方程、软岩巷道支护理论、支护荷载的确定以及软岩工程地质力学设计方法。可以认为 ,中国软岩工程地质力学已经形成了较为完整的理论框架体系.     

山东龙口北皂煤矿软岩力学特性实验研究

根据室内实验结果, 本文讨论了北皂煤矿的岩石力学性质, 物化特性。泥质岩类的力学性质和水理性质、物化特性有关。泥质岩类具有显著的流动变形和各向异性。     

软岩的动态力学本构模型

利用分离式霍布金森压杆实验系统(SHPB)对2种典型的软岩砂质、泥岩进行动态力学性能测试, 测试的应力应变曲线表现出显著的应变硬化和塑性流动等复杂的动态力学特性。基于实验结果,在朱-王-唐 模型的基础上,并且考虑软岩本身结构缺陷的影响,建立了一种适应软岩材料的黏弹性统计损伤模型。该模 型由2个Maxwell体和1个损伤体并联组成,2个Maxwell体用来描述对软岩高分子材料的高低应变率响应 以及软岩材料在动载作用下的塑性变形特性,考虑软岩材料本身缺陷的影响,用一个损伤体代替朱-王-唐模 型中的非弹性弹簧。利用黏弹性统计损伤模型对不同应变率下软岩材料的动态应力应变曲线进行拟合,拟合 曲线与测试曲线一致性良好。     

基于数值仿真的某水电站软岩筑高混凝土面板堆石坝剖面优化设计研究

目前坝工界正在积极寻求解决软岩筑高面板堆石坝的技术方法以适应筑坝条件较差的工程.实践证明,合理的软、硬岩堆石料分区不仅有利于控制工程的投资、保护环境,同时还可以协调堆石体之间的变形,避免坝体出现不均变形.规范[1]建议将软岩堆石料用在坝轴线下游的次要堆石区,但是具体的范围由于不同软岩的力学性质而各有差异,只能借助数值分析的方法来优选确定.某水电站坝址区料源为岩性较软的绿泥石片岩,为达到充分利用该软岩的目的,论文对4种典型设计标准断面方案进行了2维有限元计算比较分析,给出了推荐方案.并就该坝址区特殊的河谷地形,对大坝作了3维有限元计算分析,指导面板功能缝的设置.     

岷江上游某水电站工程边坡软岩的崩解特性研究

工程边坡内软岩分布较广,可区分为泥化夹层、煤、炭质页岩、泥质粉砂岩等4种典型岩组。软岩的发育特征、空间展布形态、崩解特性直接关系到边坡整体稳定性和支护措施的方案设计。在重点研究F3断层、L9、L10、Lc、L11等软带内所发育的几种典型软岩岩组的崩解特性后,获知该类软岩极易吸水,遇水后发生泥化、软化和崩解。通过循环崩解试验,发现工程区内软岩的崩解度与泥质含量和崩解次数具有很好的相关性。同时,根据崩解度与崩解物形态,对软岩进行定性划分,分别定出Ⅴ类崩解岩和5种崩解破坏形式。最后就崩解机理作进一步地深入探讨。该成果为指导类似的工程边坡软岩的崩解性试验研究提供新的思路。     

测量界面软铬层力学性质的纳米压入法

为了测量双层铬的界面软铬层力学性质,提出了化学腐蚀基体法,通过溶解掉基体制备没有基体支撑的自由铬层,将在横截面内线状显示的界面转化为界面表面(铬层与基体相连接的面),避免了横截面不能显示界面表面的缺点。对界面表面进行纳米压入实验和借助于表征薄膜力学性质的表面压入能量法,测得了描述界面软铬层力学性质的弹性模量和压入弹、塑性功等参数。     

黄河上游某电站上新统石膏夹层对坝基岩体稳定性影响评价

拟建的黄河上游某水电站在勘查过程中发现在河床以下存在一层厚约2m的石膏层。石膏岩遇水易溶解,工程地质性质较差,力学强度较低,是水电建设中的不良岩体。本文对石膏岩的物理力学性质和化学成分做了仔细分析,分析了石膏溶蚀后对坝基稳定性的影响,找出防止石膏溶蚀的判断标准,最后得出防治措施。     

基于纳米压痕的页岩微观力学性质分析

通过引入纳米压痕技术研究了川南龙马溪组页岩的微观力学性质。定量化研究了页岩脆性颗粒和有机粘土复合体以及不同纹层的弹性模量和硬度,分析了影响其微观力学性质的主控因素。研究结果表明:页岩中不同矿物、不同纹层之间的力学性质差异较大,其微观力学性质的差异性来自于自身的成分、构造以及强烈的非均质性。其中脆性矿物颗粒的弹性模量和硬度最大,有机质粘土复合体颗粒的最小;纹层的力学性质介于两种颗粒之间,富含碎屑颗粒的纹层要高于富含粘土颗粒的纹层;页岩中矿物颗粒的弹性模量与硬度之间存在正相关性,而纹层的弹性模量随硬度的增大呈非线性增大。影响页岩力学性质的因素可分为两类,分别是软组份和硬组份两类,弹性模量和硬度与软组份之间存在负相关性,与硬组份呈正相关。     

基于饱依丁-汤姆逊模型的软岩损伤蠕变模型

为更加准确地描述深部软岩的蠕变全过程,以饱依丁-汤姆逊模型为基础,将损伤变量引入到蠕变方程中,并构造了可描述加速蠕变阶段的模型元件,通过串联得到了新的蠕变模型。结果表明:该模型能够较好地描述软岩的衰减蠕变、稳态蠕变、加速蠕变阶段。用该模型对泥质页岩的蠕变试验结果进行数据拟合对比,结果显示该模型的拟合曲线与实验曲线基本吻合,拟合度为0.99733,能够很好地反映出软岩蠕变的特性,适合用于描述深部软岩的蠕变行为。     

温度和压力作用下软岩流变相似理论的研究及应用

分别利用方程推导法、量纲分析法推导出了温度和压力作用下软岩线弹性变形范围内及流变过程中的相似准则,并进行了简单分析。以抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角、导热系数相似准则为指导,制备了一种以石蜡为粘结剂、河砂为主要骨料的页岩相似材料,并测定了其力学参数及导热系数。通过实验数据与相似准则计算数据的比较,结果表明,此种页岩相似材料与页岩原型材料具有较高的相似性,相似准则对于模型实验开展具有重要的指导意义。研究丰富了软岩流变相似理论体系,对于深部软岩工程开挖及支护具有重要的实用价值。     

层状盐岩力学特性研究进展

盐岩具有孔隙度低,渗透率小,损伤自恢复和塑性变形能力大等特性.本文着眼于深部盐岩能源地下储备,在简要介绍国内外盐岩力学特性研究现状基础上,着重综述了近期关于层状沉积型盐岩工程力学特性研究的进展.层状盐岩压缩试验表明泥质硬石膏夹层对盐岩体的变形和破坏特性有明显的影响,揭示了复合岩体的变形和破坏机制;层状盐岩流变试验表明层状盐岩的蠕变主要由盐岩层控制,硬夹层的存在对溶腔围岩的长期蠕变起到抑制作用;为了深入了解界面的力学特性,开展了层状盐岩直接剪切试验、间接拉伸试验和界面微观分析试验,试验表明层状盐岩体中盐岩夹层界面具有较强的黏结力,这十分有利于盐岩溶腔的密闭性和稳定性;针对特殊的层状岩体提出了复合岩体Cosserat介质扩展本构模型,并应用于层状盐岩构造中能源储库稳定性分析中.最后指出了层状盐岩工程力学特性研究中值得关注的几个重点研究方向.      

岩石节理粗糙面的分形几何特性与剪切强度关系的实验研究

自然形成的岩石节理面的表面形状具有分形特性，利用分形理论来描述岩石节理的粗糙特性，并确立与岩石节理面的剪切力学特性间的关系对于指导岩体工程设计，和管理具有重要一研究利用开发设计的三维激光测距仪在精确测定岩石节理面的表面形状４ 基础上，依据变量图法建立了 岩石节理面的     

基于指数准则在莫尔空间对岩石剪切强度的研究

岩石是多种矿物颗粒构成的天然材料,内部存在不同尺度的孔隙、裂隙等损伤;岩体工程设计及灾害防治所使用的强度准则仍在研究之中.材料的黏结和摩擦在局部不能同时存在,线性的Coulomb准则仅在小范围内近似描述圆柱试样的常规三轴强度,众多非线性强度准则只是经验公式而缺乏物理背景. 作者提出的指数准则可描述岩石剪切破坏时强度与围压的关系;基于对11组试验数据的拟合结果在莫尔应力空间分析黏结力和摩擦力的变化特征:岩石承载的剪切力存在上限即材料的真实黏结力c₀;在试验范围内莫尔概念的内摩擦力达到约为0.38 c₀的峰值,且黏结力在其附近相交. 材料真实黏结力与正应力无关,因而名义黏结力表征了完好材料剪切破裂的面积;基于裂隙面积计算的等效摩擦因子随正应力降低,意味着裂隙滑移的爬坡角减小,而后者取决于正应力与真实黏结力的比值. 等效摩擦因子与指数准则的材料参数具有确定关系,体现了岩石在压应力作用下剪切破裂的物理背景.      

工程因素对围岩稳定性影响三维数值模拟分析

结合某地下工程实际,运用FLAC^3D模拟了巷道断面形状、开挖面距离以及开挖顺序对巷道围岩稳定性的影响,并模拟了围岩深部多点位移规律。结果表明,相同围岩条件下,不同断面形状其力学效应不同,同一断面在不同围岩条件下变形不一样;围岩水平位移曲线随开挖面的距离呈“S”形,围岩水平最大位移主要发生在距开挖面后方 2倍巷道长径的范围内;Ⅲ级围岩深部位移影响范围约 2 .8～ 4 .3m,Ⅳ级围岩影响范围 6 .9～ 7.8m;对较大断面,分步开挖有利于围岩控制。     

基于DPM系统的风化岩软弱区定位以及性质描述

风化岩体中存在软弱区,这些软弱区导致岩体的力学性能大幅度降低。现阶段往往采用地质钻孔取样对岩体中的软弱区进行定位以及性质分析。但是,由于造价以及工期方面的原因,地质钻孔数量非常有限,这些软弱区很难被有效定位,这在分析风化岩体的力学性能中造成了很大的隐患,成为边坡、基坑设计施工过程中岩体失稳的重要原因。本文介绍了一个风化岩体软弱区定位和性质描述的新方法。该方法应用钻孔过程监测系统(DPM)对土钉、锚杆、抗滑桩以及其他加固体的钻孔过程进行监测,无需取样,通过对钻孔过程数据的分析,实现对软弱区的定位和性质描述。工程实例证明,基于DPM系统的钻孔过程分析方法能够快速有效的定位和描述风化岩体中的软弱区。该方法的出现为风化岩体的工程勘察提供了新的思路,为基于该方法的岩体质量评价系统的建立打下了坚实的基础。     

Predicting the Dynamic Compressive Strength of Carbonate Rocks from Quasi-Static Properties

In this study, the split Hopkinson pressure bar testing method was used to quantify the dynamic strength characteristics of rocks with short cylindrical specimens. Seventy dynamic compression tests were conducted on 10 different carbonate rocks with the split Hopkinson pressure bar apparatus. Experimental procedure for testing dynamic compressive strength and elastic behaviour of rock material at high strain rate loading is presented in the paper. Pulse-shaper technique was adopted to obtain dynamic stress equilibrium at the ends of the sample and to provide nearly a constant strain rate during the dynamic loading. In addition to dynamic tests, the physical properties covering bulk density, effective porosity, P-wave velocity and Schmidt hardness of rocks, and mechanical properties such as quasi-static compressive strength and tensile strength were determined through standard testing methods. Multiple linear regression analyses were carried out to investigate the variation of dynamic compressive strength depending on physical and mechanical properties of rocks and loading rate. A three parameter model was found to be simple and provided the best surface fit to data. It was found that dynamic compressive strength of rocks increases with increase in loading rate and/or increase in rock property values except porosity. Statistical tests of regression results showed that quasi-static compressive strength and Schmidt hardness are most significant rock properties to adequately predict the dynamic compressive strength value among the other properties. However, P-wave velocity, quasi-static tensile strength of rocks could also be used to estimate the dynamic compressive strength value of rocks, as well, except the bulk density and effective porosity.     

大跨度采空影响顺倾构造山体侧向变动的复合机理

采空区地表山体侧向变动,不同于一般天然山坡,也与采空区一般上覆岩层的变形破坏有异;它是二者复合机理的效应。本文在分析考察了毗邻电厂的横山顺倾构造山体,剖析了地下采空情况后认为,山体侧向变动中,软弱夹层有决定性作用;变动范围、速率与规模,与地下采空有关。从而又利用地质力学模型试验和数值模拟,探索了采动引起山体应力场及变动规律。结果表明,山体岩层的变形、位移、破坏,由直接顶板向地表发展;采空坍陷诱发了软弱夹层的蠕滑,则产生山体侧向滑移;电厂区地表隆起变形是山体侧向滑移挤压地基土的反映。通过现场实际调究、变形观测资料分析与数值模拟和模型试验的对比研究,提出了“坍落拱梁”的成生效应、挤压蠕滑效应、失稳效应;揭露了顺倾构造山体在采空影响下,具有地表、地下的“复合临空面”的“复合应力场”中“复合变动”的“复合机理”;并提出这种山体侧向变动机理的典型地质模式,借以论证山体稳定性。     

试验机弹性储能对岩石力学性能测试的影响

在材料试验机上进行岩石力学性能测试时，如何准确测量岩石的变形是整个测试分析的基础．为了具体考察试验机刚度对岩石变形测量的影响程度，在两台不同的试验机上进行了岩石的单轴压缩试验，通过对加卸载过程中试验系统及岩石能量变化的分析，详细研究了试验系统弹性储能对岩石变形测量的影响，进而给出了基于试验机刚度的修正计算方法，来确定岩石在测试过程中的变形．     

RESEARCH PROGRESS OF LOCKED-IN STRESS IN ROCKS1)

封闭应力对岩石力学特性的影响不容忽视。从陈宗基提出岩石的封闭应力定义以来,研究的学者较少。本文从前人对封闭应力的定义出发,结合岩石力学发展现状,对封闭应力概念进行了拓展,提出了新的定义。将岩石力学研究中符合封闭应力定义的应力形式进行了归纳和分类,总结了各类封闭应力的变化规律及其计算公式,讨论了封闭应力与地下工程开挖之间存在的关联性及其影响的表达形式。本文对于推动封闭应力的深入研究具有积极意义,将为解释深部岩石力学特殊现象提供新的途径。