水平层状岩体边坡动力响应中的结构面效应研究

根据应力波传播原理分析了水平层状岩体边坡中应力波传播特征,建立了应力波在该类边坡中传播的模型。利用离散元软件UDEC分析了不同频率垂向压缩应力波作用下边坡动力响应规律中的结构面效应。结果表明:边坡中的水平层面对坡顶的动力响应有明显影响。低频应力波作用下,水平层状岩体边坡坡顶的垂向峰值速度较均质坡体相同部位的峰值速度的增加值随坡高增加而增大。较高频率应力波作用时,边坡顶部靠近坡面的垂向峰值速度高于无结构面边坡相同部位的峰值速度,远离坡面时情况相反; 坡顶垂向峰值速度大小呈周期性变化,输入应力波频率越大该变化频次越高。研究结果将有助于进一步揭示各种不同岩体结构类型边坡在动力荷载作用下损伤机理及破坏模式。     

频繁动力扰动对围压卸载中高储能岩体的动力学影响

基于冬瓜山铜矿深部巷道围岩开挖过程中面临的高应力和频繁爆破扰动问题，利用改进的SHPB动静组合加载系统，开展了频繁动力扰动对围压卸载中高储能岩体动力学影响的研究。研究结果表明，围压卸载中的矽卡岩受到动力扰动时，其动态峰值应力和弹性模量随动力扰动次数非线性变化。围压卸载中的高储能矽卡岩受到动力扰动时会释放能量。轴压促使岩样内微裂隙轴向发育，造成岩样抵抗动力扰动能力减弱；围压减缓岩样内微裂隙轴向发育，造成岩样抵抗动力扰动能力增强。动力扰动对微裂隙扩展有促进作用，使围压卸载中的岩样由拉伸破坏向剪切破坏转变。     

关于脆性岩体岩爆成因的理论分析

大型工程开挖中,高地应力环境下高储能脆性岩体通常会通过脆性破裂快速释放应变能,产生岩爆。针对这类岩爆现象进行了一系列理论探讨,认为:(1)开挖条件下脆性岩体的岩爆破坏主要为张破裂或者张剪性破裂,破裂角一般较小,呈薄片状或刀口状。笔者认为开挖产生次生张应力和压剪应力条件下微裂纹裂尖出现张应力是可能的,因此采用格里菲斯强度理论研究开挖岩体破裂是有效的; (2)以格里菲斯强度理论为基础,分析了岩体在二维和三维情形下的岩爆破裂应力判据和破裂角,指出在有张应力的条件下,岩体的剪破裂角会减小,直至为零,这就解释了开挖面附近薄片状、刀口状破裂现象的原因; (3)分析了脆性岩体岩爆破裂的能量过程,指出张性破裂所耗能量较小,而张剪性和压剪性破裂耗能较高。认为岩爆破裂消耗的能量主要转化为新生裂纹的表面能和破裂碎片的动能,并指出表面能所占比例较动能为小。由此解释了脆性岩体岩爆破坏以动力效应为主的特征; (4)本文理论分析成果的工程应用价值在于:可以预示开挖脆性岩体破裂部位、破裂方式和破裂范围; 提出岩爆破裂的张性应力控制依据。     

深埋地下洞室局部让压效应及能量演化规律

为了更大程度地降低岩爆所带来的动力灾害，基于岩爆能量原理，提出了隧道内壁或掌子面前方产生的应力集中现象为非均匀薄壁应力集中的概念，分析认为诱发岩爆的位置为应力集中且应力梯度较大处。以实际工程为依托，通过FISH语言编译计算代码对三维有限差分数值软件进行二次开发，系统地从围岩局部让压的角度研究深部地下洞室在动载作用下的能量演化规律以及钢架合理支护让压间距对洞室破坏形式和动态响应规律，研究表明：由于围岩的局部让压效应，对围岩的扰动减少，冲击波能量在掌子面处被吸收和反射，导致动力响应减弱，使动力荷载有所消减。洞室开挖后，围岩在破坏初期首先出现张拉破坏而后以剪切破坏为主，剩余弹性应变能以动能形式向外剧烈释放，发生岩爆现象的部位与岩体最大主应力方向具有直接关系。     

弱动力扰动对花岗岩圆形隧洞岩爆影响的试验研究

为探究弱动力扰动对岩爆的影响，利用高压伺服动真三轴试验机，对含预制圆形贯穿孔洞的红色中粗晶粒立方体花岗岩试样进行弱动力扰动荷载条件下的岩爆模型试验，模拟隧洞洞壁围岩的岩爆弹射破坏过程，并采用声发射系统和视频观测系统对其进行监测、记录。基于无扰动、高应力下开始施加扰动和低应力下开始施加扰动3种加载路径的试验数据，从岩爆弹射破坏、岩爆坑破坏形态、声发射信号特征及岩爆烈度4个方面，详细分析弱动力扰动条件下的岩爆特征。研究结果表明:弱动力扰动会降低洞壁围岩发生岩爆时所需要的应力水平，增大岩爆破坏发生的范围。高应力下开始施加的扰动荷载会促进最终岩爆快速发生；而在低应力下开始施加的扰动荷载，岩爆的发生过程较为缓慢。相比与静应力条件下的岩爆，高应力下开始施加扰动触发的岩爆更剧烈，低应力下开始施加扰动触发的岩爆剧烈程度较弱。这主要是因为在高应力下开始施加的扰动对能量释放起到了激发和放大的作用，低应力下开始施加的扰动对能量释放仅起到激发的作用。     

不同粗糙度煤岩界面超低摩擦效应与声发射特征试验研究

为了揭示动载扰动作用下煤岩界面粗糙度对超低摩擦型冲击地压影响机制,采用自行研制的煤岩界面超低摩擦试验装置,以沈阳红阳三矿1082 m采深煤岩体为研究对象,通过改变煤块与砂岩块体表面粗糙度来模拟煤岩界面不同粗糙特性,以粗糙度系数表征煤岩界面粗糙程度,工作块体水平位移表征冲击过程中超低摩擦效应强度,声发射能量为工作块体摩擦滑动过程中的信号参数,进行应力波扰动下不同粗糙度煤岩界面超低摩擦试验.研究结果表明:(1)超低摩擦滑动过程中,工作块体水平位移、声发射能量计数以及累计能量曲线呈现出孕育阶段、激发阶段、稳定阶段变化特征;(2)煤岩界面粗糙度越小,工作块体水平位移和声发射能量峰值越大,煤岩界面越易发生超低摩擦效应;(3)不同煤岩界面粗糙度下,相比于其他扰动频率, 2 Hz时更易发生超低摩擦效应;(4)给出了声发射能量峰值与煤岩界面粗糙度系数对应关系.声发射能量峰值可以有效表征超低摩擦效应强度,可以用声发射能量峰值预测超低摩擦效应强度.     

可储能原则在一类岩爆问题中的研究和应用

从能量的角度对一类岩爆问题--应变型岩爆进行一些探讨.对此类岩爆能量的来源、能量的去处及能量释放的原因和大小进行了完整的论述.提出了岩体的可储能原则--岩体可存储的能量并非定值,而是随应力状态的变化而改变,当应力发生突变,岩体内实际存储的能量大于可储能时,多余的能量必将以各种形式瞬间释放,其中包括动能.根据此准则对简化了的一维、三维模型进行了详细的分析和计算,并结合离散元软件3DEC再现了三维卸载岩爆的破坏过程.     

不同采深煤(岩)体岩爆过程模拟分析

为了研究不同采深条件下诱发的岩体变形、岩爆、凸出和塌落特征,对采深120m~820m,间隔100m的8种工况开采后岩体破坏进行模拟。结合能量守恒理论和ΔU=Ue-U0来确定岩爆后由弹性势能转化为动能的ΔU。使用三维岩体爆破颗粒流模型将ΔU按照一定规则转化为岩爆飞石动能。模拟了各工况下开采后岩体变化情况,结果表明,采深为120m,220m和320m三种工况下不发生岩爆;420m开始发生岩爆;520m和620m在发生岩爆的同时也伴随开采面岩体凸出;720m和820m时具有岩爆、凸出和塌落现象。同时总结了岩爆特点,特别是提出岩爆是岩体系统为了保持自身能量平衡而向系统之外释放能量的过程。     

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.     

弱围压与垂直冲击强扰动下块系岩体超低摩擦效应试验研究

随开采深度增加,深部岩体结构趋于破碎,临近工作面待开采岩体受弱围压作用,遇冲击载荷强扰动时,易诱发超低摩擦型冲击地压。采用自主研制的弱围压块系岩体超低摩擦模拟试验装置,以5个上下叠加花岗岩块体模拟深部临近工作面破碎岩体,通过螺栓加载方式对块系岩体施加弱围压作用、垂直方向施加冲击载荷作用模拟强扰动。以垂直加速度差值变化作为超低摩擦效应强度特征参数,分析得到了冲击载荷强度、围压对块系岩体超低摩擦效应影响规律。研究结果表明:垂直冲击载荷作用下,块系岩体振动分为受迫振动和自由振动两个阶段,随冲击载荷增大,块体垂直加速度差值峰值增大,垂直加速度差值衰减时间延长,此时超低摩擦效应强度和持续时间均显著增加;围压与冲击载荷共同作用下,存在围压临界值使得超低摩擦效应强度达到最大;随围压增加,超低摩擦效应最大强度发生时刻提前,当试验围压达到最大值时,超低摩擦效应最大强度发生时刻趋于一致。     

高应力岩体爆破卸荷过程中应变率及应变能特征

针对高应力岩体爆破开挖卸载问题，自制了一台轴向加、卸载实验测试平台，通过实验测试获得了爆破卸荷过程中岩杆的动态应变及应变率数据。实测数据表明:开挖面附近岩体的爆破加、卸载以及初始应力卸载应变率均在10?1 s?1量级以上，验证了高地应力区岩体爆破开挖卸荷是一动态过程。建立了初始应力卸载一维力学模型，揭示了卸载波的传播机制；通过分析爆破卸荷过程应变能密度的时空分布特征，建立了应变能密度与各阶段应变率变化规律的联系。结合实测数据，采用隐式-显式顺序求解方法，进一步分析了高应力区岩体爆破卸荷荷载各阶段应变率沿岩杆的变化规律。结果表明:爆破加载阶段的平均应变率沿杆件逐渐衰减，且衰减速度逐渐减小；爆破卸阶段平均应变率沿杆件也呈衰减趋势；而初始应力的应变能稳定释放，其平均应变率无衰减趋势。     

不耦合装药爆破孔壁压力峰值的实验研究

不耦合装药爆破孔壁压力峰值是控制岩体轮廓成形质量及进行非流固耦合爆破振动响应数值模拟分析的重要参数,本文采用实验方法研究了不耦合装药爆破的孔壁压力峰值:利用材质为20钢的无缝薄壁钢管模拟不耦合装药爆破炮孔,以高灵敏度、高精度的应变片为传感器,选用超动态应变仪采集钢管内置柱状炸药卷爆炸过程中钢管外壁产生的环向应变,应用动荷载作用下薄壁圆筒的动力响应计算方法,反演分析采集的钢管外壁环向应变数据,得到了爆破过程中空气冲击波作用于钢管内壁的冲击荷载压力峰值,间接测量了不耦合装药爆炸后的孔壁压力峰值。实验获得了6种不耦合装药工况下的爆破孔壁压力峰值测试数据,并计算了相应工况下实验值较准静态爆生气体压力的增大倍数,拟合结果表明压力增大倍数随不耦合系数的增大近似呈线性增长。同时也分析了部分试验工况下爆炸测试结果不理想的原因,研究成果可为轮廓爆破孔壁压力峰值的测试与计算提供参考。     

MECHANISM AND CATASTROPHE THEORY ANALYSIS OF CIRCULAR TUNNEL ROCKBURST

Mechanism of circular tunnel rockburst is that, when the carrying capacity of the centralized zone of plastic deformation in limiting state reduces, the comparatively intact part in rock mass unloads by way of elasticity; rockburst occurs immediately when the elastic energy released by the comparatively intact part exceeds the energy dissipated by plastic deformation. The equivalent strain was taken as a state variable to establish a catastrophe model of tunnel rockburst, and the computation expression of the earthquake energy released by tunnel rockburst was given. The analysis shows that, the conditions of rockburst occurrence are relative to rock's ratio of elastic modulus to descendent modulus and crack growth degree of rocks; to rock mass with specific rockburst tendency, there exists a corresponding critical depth of softened zone, and rockburst occurs when the depth of softened zone reaches.     

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.     

非贯通裂隙岩体损伤演化率相关性及变形特征

含非贯通裂隙岩体是自然界中岩体的主要赋存形式，其裂隙几何特征对岩体的强度及变形均产生显著影响。应变率对岩体的损伤演化及黏滞效应也具有显著的率相关性。首先，运用模型元件的方法，将非贯通裂隙岩体动态破坏过程视为具复合损伤、静态弹性特性、动态黏滞特性的非均质点组成，对黏弹性响应的Maxwell体进行改进，将细观损伤体与裂隙损伤演化的宏观损伤体根据等效应变假设并联组成宏细观复合损伤体，构建综合考虑岩体宏细观缺陷的动态损伤模型；其次，基于断裂力学及应变能理论，对岩体宏观裂隙动态扩展的能量机制进行分析，综合考虑初始裂隙应变能、裂隙动态损伤演化过程应变能、裂隙闭合应变能，得到裂隙岩体宏观动态损伤变量计算公式；最后，将模型计算结果与实验结果进行比较，模型计算结果与实验结果吻合较好，证明了模型的合理性，同时利用模型讨论了裂隙倾角、应变率、岩石性质对岩体变形特征的影响规律。     

深部岩体变形破坏的特征能量因子与应用

深部岩体在高地应力作用下储存了大量的弹性应变能。在开挖或爆破扰动作用下，原有的平衡状态被打破，围岩中形成了有势场和不平衡应力场。在不平衡力场和扰动场的共同作用下，岩体的变形与破坏表现出了诸如分区破裂化、大变形、岩爆以及人工地震等非线性行为。传统的连续介质理论并不能考虑岩体的构造特性与含能特性，因此无法很好地解释深部岩体的特殊非线性力学现象。特征能量因子从能量的角度出发，结合统计物理学观点，为分析深部岩体在动静荷载组合作用下的变形和破坏过程提供了有效的理论支撑。本文主要对特征能量因子进行了简要介绍，并回顾了其在深部岩体分区破裂以及动力诱发围岩不可逆变形等非线性工程灾害现象中的应用。     

地应力水平对深埋隧洞爆破振动频谱结构的影响

爆破振动的频谱特性对隧洞安全施工具有重要意义。采用动力有限元方法，分析了不同地应力水平条件下围岩爆破振动频率特征，通过对实测爆破振动信号的时域和频域联合分析，研究了不同频带上的振动能量分布。结果表明，爆破振动的主频及各个振动能量优势频带都有随地应力水平升高而降低的趋势，伴随爆破破岩过程而发生的地应力瞬态卸载动力效应是产生这一现象的主要原因。地应力水平越高，爆破振动信号中20～100 Hz的低频振动能量比重越大。当爆区的地应力为20 MPa时，20～100 Hz频带内的振动能量可达到总振动能量的35%左右；当爆区的地应力为30～50 MPa时，20～100 Hz频带内的振动能量可达到总振动能量的50%以上。除地应力水平外，应力卸载速率及岩体的力学特性也对爆破振动主频具有显著影响，卸载速率越高，低频振动能量比重越大。卸载速率取决于掏槽爆破方式，直孔掏槽导致岩体应变能释放速率最高。岩体弹性模量越大，爆破振动的主频越高。