基于多物理场参数变化的花岗岩巷道岩爆前兆模拟实验研究

 通过室内实验以及数值模拟研究构造应力对花岗岩巷道岩爆的影响,从可见光图像、声发射、远红外的变化规律入手,分析三者与巷道岩爆的内在联系,揭示巷道岩爆的孕育机制。实验选择的花岗岩岩爆倾向性指数为13.84～18.02,属于中等程度岩爆倾向性岩石。研究结果表明：由于岩石破裂过程中的能量耗散,发生岩爆前均会出现多种物理参数突变现象;岩爆发生前,巷道围岩将出现大范围应力转移和应力集中,岩爆发生时巷道左右以及上下边帮将有岩屑弹出,并且侧压越高,岩爆的烈度越强;岩爆发生前至少出现2次大范围温度跳变,即温度初始异常点与岩爆前兆点;声发射绝对能量b值的跳变和平静期的出现可作为大破裂的前兆信息;经统计分析,这3种监测手段对岩爆的响应敏感顺序为：可见光图像＞远红外＞声发射。由于岩体内部观测的复杂性,采用多种监测手段,建立岩爆监测的多物理场参数联合预警方法,可为岩爆监测提供更准确地预警信息。     

PBL加劲型矩形钢管混凝土支管受拉节点有效分布宽度

为研究PBL加劲型矩形钢管混凝土支管受拉节点应力分布规律及其有效分布宽度,采用ABAQUS软件建立42个矩形空钢管、钢管混凝土及PBL加劲型矩形钢管混凝土节点有限元模型并进行位移加载;根据有限元计算结果拟合得到矩形空钢管、钢管混凝土及PBL加劲型矩形钢管混凝土节点的有效分布宽度表达式,将拟合公式计算值与CIDECT规范计算值和有限元计算值进行对比。结果表明:在节点受力全过程中,PBL加劲型矩形钢管混凝土节点相对于矩形空钢管节点和钢管混凝土节点的应力分布不均匀性减小;当加载位移达到3%b₀（b₀为主管宽度）时,PBL加劲型节点的有效分布宽度更大,具有更好的受力性能,支板应力分布效率ξ随主管宽厚比2γ与支主管厚度比τ的增大而减小,其中τ对ξ的影响更大;支板应力分布效率ξ随支主管宽度比β变化较小,且呈抛物线变化;拟合公式计算值与CIDECT规范计算值及有限元计算值吻合良好,验证了公式的正确性     

高地应力隧道岩爆破坏特征物理模型试验研究

采用岩爆相似材料制作大尺寸物理模型,自主研制隧道开挖装置,进行二维应力隧道岩爆物理模型试验,研究高地应力条件下(侧压力系数λ=2)隧道围岩岩爆等脆性破坏特征。试验结果表明:隧道开挖后,围岩有较明显的压应变波动和突变现象,拱墙处局部出现拉应变;同时,声发射能量表现出剧烈增大现象,在应变、声发射特征这两方面均表现出高应力区隧道岩爆的征兆。高地应力条件下(侧压力系数λ=2),隧道拱顶和拱底压应力集中明显而最早发生破坏,拱墙出现拉应力作用,产生张拉裂缝。围岩脆性破坏从颗粒弹射开始,随后变为碎块剥落和裂缝扩展,其变形破坏特征表现出一定的岩爆特性。     

考虑应力路径的软黏土小应变特性试验研究

以苏南地区原状软黏土经K₀固结形成的试样为对象,利用配备了弯曲元系统和局部位移测量系统的GDS应力路径三轴测试系统,研究了小应变范围内应力路径转角θ对剪切模量衰减曲线以及阈值剪应变(γ_0.7)的影响。试验结果表明,土体的初始剪切模量G₀值与初始固结应力大小呈正相关关系,并可表示为与孔隙比e、平均有效应力p′相关的函数关系式。土体的剪切模量在10^-6~10^-3的应变范围内随着剪应变的增加而逐渐衰减,并表现出和试验应力路径与近期应力历史间夹角θ的相关性:应力路径对衰减曲线的影响随着应力路径转角θ的增大逐渐增大,当两者完全相反时,其影响最大。在K₀固结条件下,应力路径转角θ对γ_0.7的影响大于初始固结平均有效应力p′,同时γ_0.7值随着应力路径转角θ的增大而逐渐增大。     

秦岭隧洞4#支洞微震规律与岩爆预警研究

引汉济渭工程秦岭段4#支洞在开挖过程中多次遭遇岩爆的危害,为尽可能对岩爆风险区域进行有效的预报,减少开挖施工风险,利用微震监测技术对4#支洞进行了连续监测。构建秦岭隧洞4#支洞微震监测系统,实时监测开挖过程中隧洞围岩的微震信息,探究4#支洞围岩微震活动规律及其与岩爆灾害的关系。在此基础上,以岩爆经验预测为基础,提出基于微震前兆信息的岩爆要素综合预测方法,对岩爆的风险、范围、等级进行综合预测。研究结果表明:引汉济渭4#支洞岩爆大多数均存在明显的前兆信息,岩爆区域通常与微震事件的集中区域重合;岩爆发生前夕,高震级事件不断发生,同时b值有减小趋势;采用岩爆要素综合预测方法,在4#支洞测试洞段进行了17次预报,准确率达到76%。     

大理岩应变型岩爆红外前兆特征试验研究

为探究大理岩应变型岩爆的红外前兆特征，通过不同加载方式下单面临空的真三轴岩爆试验，模拟应力集中型和动力触发型岩爆的发生过程，使用红外热像仪监测两类岩爆的红外温度场变化过程，从平均红外温差、方差、升温速率、红外图像及傅里叶频谱图等方面分析了岩爆前兆信息，并探讨了不同类型岩爆前兆特征的差异。结果表明：岩爆发生前平均红外温差、方差及升温速率曲线均出现明显突增，其中平均红外温差突增分别提前应力集中型和动力触发型岩爆10,20 ms，可作为有效岩爆前兆；动力触发型岩爆发生前方差会出现小幅波动且升温速率有明显下降趋势，与温差曲线中岩爆前的一小段降温过程相对应，而应力集中型岩爆方差与升温速率无明显波动特征；岩爆前平均红外温差图像出现高低温异化现象，表现为：应力集中型岩爆前红外图像出现明显的倒“Y”型高温区域，动力触发型岩爆平均红外图像出现高温区域下移现象；此外，两类岩爆傅里叶频谱图中的垂直谱图均出现大量高频低幅的主要分量。     

不透水地基上设有排水棱体堤坝渗流计算的理论解

论述了堤坝下游设有棱体和褥垫排水堤坝的渗流计算,排水边界的坡角大于 90 °。主要内容和成果有：①对于下游水深 H ₂ = 0 的棱体排水,按柯钦娜式 q / k = μ h ₀ ,高精度计算出流量和出逸点高度关系式的比例系数 μ 的倒值,并提出相应的 1/ μ 拟合式,以便于应用,应用转化的超越几何函数,导出出逸段的坡降计算式,并具体计算出排水边坡坡角 90 °, 135 °, 180 °的出逸坡降分布;②应用速度平面保角变换的简化方法,导出排水棱体临界水深 H _C 的计算式,其推导过程较之努米诺夫的混合函数法大为简化,另提出相应的 H _C 拟合式,以便于应用;③对于下游水深 H ₂ ≥ H _C 的棱体排水,按努氏式 Δ L₂ = D₁ H₂+ D₂ q / k ,高精度计算出下游区附加渗径 Δ L₂ 式的比例系数 D ₁ 和 D ₂ ,并提出相应的拟合式,以便于应用,应用保角变换求出该型堤坝下游区的精确解,再结合努氏的上游区精确解,举出一具体算例,精确计算出堤坝的流量和渗透系数的比值 q / k ,出逸点高度 h _s ,出逸段坡降 I 的分布,以及全程浸润线和上下两反弯点的坐标,可借以校核该型堤坝渗流有限元计算程序和其它近似计算方法的正确性及其计算精度;④对于下游水深 0< H₂< H_C 的棱体排水,提出出逸点高度 h _s 和下游区附加渗径 Δ L₂ 两近似理论计算式,据此算出的 q / k 和 h _s ,与有限元计算的结果相符。     

洱海泥炭质土动剪切模量和阻尼比试验研究

为探究洱海地域泥炭质土动力学特性,利用GDS动三轴仪对重塑土样进行循环加载试验,得到了一系列围压、固结比、频率控制条件下的泥炭质土动应力-应变关系曲线,分析了不同围压、固结比、频率对土体动剪切模量G_d、动剪切模量比G_d/G_dmax和阻尼比λ的影响规律。结果表明:动剪切模量G_d随剪应变γ_d增大而减小,γ_d较小时,衰减速率较小,随着γ_d继续增大,衰减速率先增大后减小;在同一剪应变下,G_d随围压、固结比增大而增大,G_d对频率变化表现不敏感;采用Hardin-Drnevich双曲线模型(H-D模型)对重塑泥炭质土动应力-应变曲线拟合效果较好,动剪切模量比G_d/G_dmax随剪应变γ_d增大而减小,围压、固结比和频率对G_d/G_dmax的衰减规律无明显的倾向性;阻尼比λ随剪应变γ_d增大而增大,围压对λ变化规律影响较复杂,γ_d较小时,λ随围压增大而减小,γ_d较大时,λ随围压增大而增大;固结比越大,λ越大,频率越大,λ越小,λ对频率变化表现更敏感,体现了循环加载下泥炭质土的速率效应。     

不同强度煤体声发射特征研究

为研究不同强度煤承载的声发射特征,选取平均单轴抗压强度分别为30 MPa(大同矿区忻州窑矿)和10 MPa(双鸭山矿区东荣二矿)的煤体试样进行了单轴压缩条件下的声发射试验,对煤在单轴压缩过程各阶段声发射能量、振铃计数等进行分析。试验结果显示,不同强度的煤压缩过程中表现出的AE能量、振铃计数等存在着差异,尤其在线弹性阶段和应力峰值阶段,AE特征发生明显突变;强度较大的忻州窑矿的煤样振铃计数出现的时间晚于东营二矿,但振铃计数与能量峰值增幅较东营二矿更快。论文亦综合分析了文献中其他煤样受压声发射研究的数据,均支持本文结论。     

侧压对巷道岩爆声发射及损伤特性影响试验研究

采用双轴刚性伺服控制系统进行花岗岩岩爆模拟试验,采用美国物理声学公司生产的PCI-2型声发射系统同步采集岩爆过程中的声发射数据,研究了不同水平构造应力对巷道岩爆的影响。研究结果表明:随着侧压的升高,花岗岩峰值强度随之增加,并且孔洞内壁初次弹射岩屑的时间提前;轴向载荷达到峰值荷载的80%～88%时,声发射进入平静期。随着侧压的增大,峰值载荷前的声发射平静期延长,振铃计数率突增点出现的时间提前;随着侧压的增大,岩样出现初始损伤的时间相对滞后。花岗岩孔洞内出现碎片弹射时,声发射b值下降到最低值,这一现象可作为发生岩爆的前兆特征。     

基于敏感性分析的围岩力学参数反演方法研究

由于影响隧道变形的围岩强度参数和变形参数较多,现有的反分析研究主要集中在算法的优化上,因而忽略了工程应用的便利性和实用性。针对这种状况,以南京某隧道工程为依托,结合数值模拟,提出了基于敏感性分析的反演方法。根据工程实际,将围岩和支护结构综合考虑分为初始围岩区(简称Z₁),松动圈与锚杆锚固共同作用区(简称Z₂)以及钢支撑和喷射砼等效作用区(简称Z₃);通过安排试算初始值,利用FLAC^3D程序计算并分析不同的力学参数对不同隧道变形的敏感性,从而确定反演流程;根据反演流程结合各测点的实测变形值获取合理、准确的围岩力学参数。研究结果表明:与常规的反演方法相比,通过敏感性分析确定隧道不同变形的主控因素,以此变形来反演该主控因素参数在很大程度上提高了工程应用的效率与可靠度;拱顶下沉受Z₁区弹性模量E₁、Z₂与Z₁区弹性模量比值n的影响较大,受围岩泊松比μ₁的影响相对较小;隧道收敛受E₁、n、μ₁ 三者的影响都较大;围岩力学参数反演结果为E₁=362.6 MPa、n=0.62、μ₁=0.30;现场应用证明了该方法的有效合理性。     

基于三维应力状态的静止侧压力系数研究

为研究土体静止侧压力系数K₀,基于土的压缩变形特性,设计制作了一种能够测算K₀的圆筒模型试验装置,对天津地区浅层砂土进行了一维加卸载压缩试验。采用三维土压力盒测试了各方向土压力,得到了深度分别为20、70、120 cm处土体的三维应力状态。基于比值形式的K₀计算公式,揭示了K₀在不同深度处的变化规律,进行了同一深度水平方向x和y上K₀大小的对比分析。结果表明:经过加载、卸载和稳定3个阶段,不同深度的正应力σ_x、σ_y和σ_z均随测试时间先增大再减小后平稳,其中竖向应力值沿深度增加明显减小; 不同深度的K₀变化趋势基本一致,加载前期K₀突变是合理的,且120 cm处的稳定值满足设计规范要求; 加卸载条件下K₀值随深度增加而增大,同一深度处K0x和K0y稳定值的差值在0.04～0.07之间,这与轴对称受力条件和土的各向异性相吻合; 通过传统经验方法得到的K₀值为0.416,处于试验测算得到的K₀稳定值范围内; 该试验装置结构具有稳定性和系统性,操作简单方便,测试结果准确可靠,研究结果可为各种土的K₀研究提供参考。     

基于改进D-S证据理论的冲击地压预警方法

冲击地压监测信息往往存在不准确、模糊甚至相互矛盾的问题,经典D-S理论在对高冲突信息进行融合时常常出现“Zadeh悖论”。采用D-S证据冲突概率平均加权融合算法进行处理,即将λ·f(A)替代证据冲突概率赋值函数f(A),有效解决了融合结果易失真的问题。将改进的D-S证据理论应用于冲击地压多源监测信息的融合预警,得到冲击概率δ_hp,能够实现对高冲突信息的一致性描述。通过对冲击概率δ_hp进行实时修正,得到冲击态势δ_rs,将冲击态势δ_rs和背景概率相结合,得到了冲击地压发生的概率增益指标G(A),有效消除了危险指数受预测对象时、空、强、范围及背景概率的影响,进一步提高了融合结果的准确性和可操作性。     

深废矿坑高陡边坡极限承载力计算方法研究

针对深废矿坑高陡边坡极限承载力问题,综合考虑锚索锚固岩体的压力墙和组合梁作用,结合Hoek-Brown强度准则,采用特征线法推导得到了矿坑高陡边坡极限承载力计算方法。结合工程实例,就坡度α、岩石力学参数GSI、m₀以及锚索的主动支护力等影响因素对矿坑岩壁岩石地基极限承载力的影响进行了分析,研究表明: (1) 承载力系数随坡度的增加呈线性降低,当GSI为45、m₀为7时,也即矿坑岩壁岩体为质量较差的石灰岩时,加锚后其承载力约为加锚前承载力的1.32~1.54倍,考虑锚索的组合梁作用可作为安全储备;(2)随着岩体质量越来越好,地基极限承载力系数增长的幅度越来越大,当坡度α为60°、GSI取85,坑壁为好岩体时,承载力系数值为1.28;GSI取45,坑壁为较差岩体时,承载力系数值为0.23;前者约为后者的6倍,表明岩体质量指标的好坏对承载力的影响较大。     

基于有限元极限分析的双孔隧道稳定性分析

为进一步探讨在考虑土体内摩擦角情况下,双孔隧道在支护反力及地面超载共同作用下的相互作用规律及稳定性分析,首先,基于有限元极限分析法,采用MATLAB平台编制了相关计算程序;此外,为减少各参数之间的交叉影响,引入无量纲分析方法;然后,将本文模型的计算结果与已有成果进行对比,验证了本文分析方法的合理性;最后,在此基础上求得各影响因素下的隧道稳定性参数(N_s),并绘制了无量纲分析图表。结果表明:(1)N_s随φ的增大逐渐增大,且当φ较大时,在N_s未达到稳定值之前,对其产生显著影响;(2)N_s随S/B的增大而增大并趋于稳定;(3)φ的存在与否对N_s随着γB/c的变化产生相反的规律,且随φ的增大,γB/c的变化对临界间距比(S/B)的值影响减弱;(4)临界间距比随H/B的增大不断增大;(5)S/B和φ是影响隧道破坏模式的关键因素。     

不同围压下页岩声发射及破裂前兆信息研究

对页岩进行常规三轴压缩下的声发射试验,并以时间为参考变量,得到力学与声发射参数之间的耦合关系,对其进行分析,以研究常规三轴压缩下页岩声发射特征的围压效应及其破裂前兆信息,并进一步揭示岩石破坏的微观机制,结果表明:(1)页岩声发射信号可分为4个阶段,即:原生裂纹压密阶段、平静阶段、爆发阶段、破坏阶段。(2)随着围压的升高,页岩的峰值强度随之升高,损伤强度σcd也随之升高,并且其数值约为峰值强度的91%。(3)随着围压的升高,由于破裂后的岩块之间的破裂面在凹凸处存在相互啮合啃断,岩样声发射信号在峰后残余强度阶段出现多个峰值。(4)页岩声发射RA值在主破裂发生前都有突然增大,并达到峰值的现象,预示着主破裂即将发生,因此可以将声发射RA值的突然增加作为页岩主破裂前兆信息。     

堆积体湿化试验及其状态相关弹塑性模型模拟

通过双线法大型三轴湿化试验,研究了较密与较松两种密实度的土石混合堆积体,在不同围压σ₃下湿化前后力学特性的变化规律,分析了湿化对土石混合堆积体的割线模量E₅₀、临界状态摩擦角、峰值状态摩擦角以及临界状态线位置的影响。结果表明,湿化作用会引起堆积体的割线模量E₅₀、临界状态摩擦角与峰值状态摩擦角的衰减,明确了土石混合堆积体湿化前后的等向固结线(ICL)与临界状态线(CSL)的变化趋势。基于无黏性土的状态相关本构模型,对湿化前后的堆积体应力应变关系进行了模拟,与试验结果对比,发现该模型较好地反映了堆积体湿化前后的剪胀特性变化。     

柱状节理岩体侧向变形特性单轴压缩试验研究

由于柱状节理网络的存在,柱状节理岩体在单轴压缩下沿柱状节理的滑移、松弛或局部破裂将产生较大的外观侧向变形,相应的侧向应变与轴向应变之比(以下简称侧向应变比)将大大超出连续介质泊松比上限值0.5。正确把握柱状节理岩体较大侧向变形特性,是地下洞室等大型柱状节理岩体工程设计需要解决的关键问题之一. 为此,以石膏混合材料制作柱体与σ₁具有不同夹角β的模拟柱状节理岩体试件,通过单轴压缩试验得到了模拟柱状节理岩体侧向应变比ν_r随β的变化曲线,曲线近似为倒“U”型,并在β=30°时取得最大值,在此基础上根据模拟柱状节理岩体的破坏模式对其侧向变形力学机理进行了分析。最后,参照Ramamurthy各向异性经验模型构建了预测柱状节理岩体侧向应变随夹角β变化的经验公式,将经验预测值与试验实测值进行比较发现两者吻合较好,该经验公式可以较好地预测侧向应变随夹角β的变化趋势。