矿山边坡软弱夹层赋存状态及蠕变特性对边坡稳定性影响研究

含软弱夹层的露天矿山边坡是一种广泛存在的地质体,其弱强度的夹层岩土体更易导致边坡发生滑坡失稳。然而,目前对含缓倾软弱夹层矿山边坡的研究不够系统深入,且缺乏对其的长期稳定性分析研究。本研究依托某典型的含缓倾软弱夹层露天矿山边坡,系统分析了软弱夹层赋存状态多因素影响下边坡的位移变形演化规律及破坏模式;借助能描述软弱夹层蠕变特性的 Burgers 本构模型,深入探讨了含软弱夹层矿山边坡的长期稳定性。研究结果表明：弱强度参数的缓倾软弱夹层对边坡稳定性也会产生显著影响,软弱夹层的倾角和埋藏深度会明显影响边坡滑裂带位置,且在临界破坏时沿软弱夹层形成完整的贯通滑面;软弱夹层的蠕变特性降低了边坡的长期稳定性。研究成果将为分析此类矿山边坡的工程问题提供借鉴。     

渗透水/气压反复循环下软岩剪切蠕变试验及本构模型研究

为探究软弱夹层在雨水反复作用下的剪切蠕变特性，以西南地区二叠系炭质页岩软弱夹层为研究对象，利用实时渗透水/气压循环剪切试验系统，开展了渗透水/气压循环剪切蠕变试验，分析了软弱夹层的剪切蠕变特性和长期强度劣化机理，并建立了考虑Weibull分布的蠕变损伤本构模型。结果表明：1）软弱夹层具有明显的蠕变特性，随渗透水/气压循环次数的增加，破坏前剪切变形逐渐增大，破坏时呈现出韧性与脆性两种不同的破坏形式；2）随渗透水/气压循环次数的增加，软弱夹层的劣化程度呈增大趋势，但最终趋于一定值，其劣化程度可用函数Di=0.7717×[1-exp（- 0.1n）]来表示；3）基于试验数据，提出了基于Weibull分布理论的损伤黏塑性元件，构建了渗透水/气压循环蠕变损伤模型，模型能够很好地描述软弱夹层蠕变的三阶段。研究成果对含软弱夹层的高陡边坡长期稳定性分析具有重要指导意义。     

含倾斜软弱夹层砂岩力学特性试验

为研究不同倾角软弱夹层对砂岩强度和变形的影响,预制含有不同倾角(15°,30°,45°,60°)软弱夹层的砂岩试件及完整砂岩试件进行单轴压缩试验.试验研究发现,软弱夹层对砂岩的强度具有明显的削弱效果,在0°～60°的倾角范围,随着软弱夹层倾角的增加,这种削弱效果更加显著;弹性模量和泊松比随着软弱夹层倾角的增大而减小,当软弱夹层倾角达到45°时,弹性模量和泊松比出现"跳跃式"减小;完整试件的破坏形式是常见的压-剪破坏,含软弱夹层的试件,随着软弱夹层倾角的增加,试件的破坏形式由拉-剪复合破坏向沿着软弱夹层面剪切破坏转变,在45°～60°范围内,软弱夹层倾角越大,沿软弱夹层面发生剪切破坏越明显.     

两种不同岩石在三轴压缩条件下的变形实验

利用电液伺服材料控制机试验系统,以不同的围压(5、10、15、20、25、30MPa)分别对矽卡岩和蛇纹岩试样进行三轴压缩试验,分析围压和岩样三轴抗压强度的关系,研究岩样各蠕变阶段非线性黏弹塑性变形特征,并比较两种岩样破坏形式的差异.试验结果表明,在三轴压缩条件下,两种岩样的三轴抗压强度与围压都有良好的线性关系;两种岩样的变形规律基本相同,且最终的破坏方式主要都为单斜面剪切破坏.     

软弱夹层倾角对煤系砂岩物理力学特性的影响研究

针对某矿区煤系砂岩软弱夹层倾角分布各异的特点,分别对不含夹层及倾角为0°,30°,45°,60°和90°的软弱夹层岩样进行单轴压缩试验及波速测试,探讨不同软弱夹层倾角对煤系砂岩单轴抗压强度及岩石完整性等特性的影响,研究结果表明:(1)软弱夹层对煤系砂岩的单轴抗压强度具有明显的弱化作用;(2)软弱夹层对煤系砂岩强度的弱化整体趋势为随夹层倾角的增加呈现出先减小、再增大,其中30°的夹层对强度弱化最显著,使岩石单轴抗压强度降低19.1%,且轴向变形增大17.7%;90°的夹层弱化作用最小,强度仅降低4.9%,且变形基本一致;(3)与对强度的影响类似,软弱夹层对波速同样产生弱化作用,整体趋势为先减小后增大,其中30°的夹层对波速影响较大,相比完整岩石,波速降低11%,而90°夹层对波速影响最小,仅降低2.0%。     

露天煤矿软弱夹层剪切强度特性分析

通过大量的剪切试验成果，分析了软弱夹层剪切强度的特性和剪切破坏过程的变形特征。提出进行剪切强度试验研究除了强度大小外，应注重强度特性变形特征的研究，为岩体稳定和变形破坏、滑坡中长期预报提供完整的基础资料。     

露天煤矿软弱夹层剪切强度特性分析

通过大量的剪切试验成果，分析了软弱夹层剪切强度的特性和剪切破坏过程的变形特征，提出进行剪切强度试验研究除了强度大小外，应注重强度特性变形特征的研究，为岩体稳定和变形破坏，滑坡中长期预报提供完整的基础资料。     

基于真三轴卸载试验不同倾角组合煤岩力学特性研究

为深入研究煤炭开采过程中顶板结构面倾角对煤岩力学特性的影响,通过自主研发的地声过程模拟试验系统,开展不同结构面倾角条件下组合煤岩真三轴加卸载试验,并利用声发射探测系统进行监测。研究结果表明:随着结构面倾角的增大,试样的破坏强度逐步下降,裂隙发展也逐渐减弱,其破坏形态从张拉剪切破坏逐渐向剪切破坏转变,直至倾角达到40°时,试样整体发生滑移破坏;在卸载破坏前,倾角<30°的试样发生充分的塑性变形,其承载力得到充分发挥,而倾角≥30°的试样达到临界破坏极限时迅速破坏,出现部分或完全滑移破坏;声发射信号集中于卸载破坏阶段,试样的结构面倾角越大,声发射累计计数越少,当倾角达到40°时发生滑移破坏,最大振铃计数大幅下降,对其累计计数略有影响。研究成果可为深入认识顶板结构面倾角引起的卸载破坏机制及矿山安全开采提供参考。     

渗透压作用下黄山石灰石矿区炭质泥页岩剪切蠕变特性分析

针对西南地区二叠系软弱夹层在降雨反复作用下蠕变效应明显等问题，以四川省黄山石灰石矿区炭质泥页岩为研究对象进行渗透压作用下的剪切蠕变试验，得到其剪切蠕变试验曲线，通过分析其蠕变特性以及非线性破环规律，基于传统的西原模型，提出了一种能同时描述炭质泥页岩黏弹塑性特性的非线性蠕变模型，并利用该模型进行剪切蠕变参数辨识，结合FLAC3D数值模拟计算，研究了炭质泥页岩变形破坏特征，对比分析了室内试验结果和数值模拟结果，数值模拟结果证实了室内试验的可靠性以及本构模型和参数选取的合理性。研究结果表明：在渗透压、法向压力以及剪切应力的作用下，炭质泥页岩试样经历了完整的蠕变三阶段；改进的西原模型能够很好地拟合炭质泥页岩蠕变的三个阶段，对加速蠕变阶段的拟合效果也很好；运用FLAC3D软件对室内剪切蠕变试验进行计算得到的数值模拟结果与实际结果相吻合。     

复合岩层三轴压缩蠕变力学特性数值模拟研究

进行了泥岩与煤的三轴压缩蠕变试验并对蠕变试验结果进行分析,结果表明泥岩与煤在三轴压缩条件下的蠕变特性均可以采用Burgers模型进行描述。分别采用泥岩与煤的蠕变参数作为软、硬岩石材料参数建立了软硬互层复合岩样数值模型,分析了不同层间距、软硬岩体积比及层间界面倾角下复合岩样的蠕变特性。结果表明,软硬岩复合岩样蠕变特性同样满足Burgers模型流变规律;相同应力条件下复合岩样的瞬时应变及稳态蠕变速率均随软岩体积比的增大非线性增大;相同软硬岩体积比下,复合岩样的瞬时应变、黏性应变及稳态蠕变速率受层间距的影响不大;层间倾角由0°增大至60°时复合岩体瞬时应变先增大后减小,稳态蠕变速率则先减小后增大,层间倾角由60°增大至90°时,瞬时应变与稳态蠕变速率均先减小后增大。分析结果对软硬互层岩体蠕变特性的研究具有一定的参考意义。     

深部软弱地层TBM围岩力学行为试验研究

为揭示TBM深部软弱围岩变形破坏力学特性,开展了反映深埋隧道TBM机械开挖卸荷本质——高初始围压下缓慢准静态卸荷这一卸荷特征的砂质泥岩三轴卸围压试验,研究结果表明:缓慢卸荷条件下的岩石峰前应力-应变曲线接近于常规三轴压缩峰前应力-应变曲线,卸荷屈服阶段产生损伤扩容,侧向变形加速增长,从体积压缩开始转向扩容;应力达到峰值强度后,岩石首先发生1~2级脆性跌落,随着围压继续缓慢卸荷,岩石沿一条斜率较小的近似斜直线发生伴随有多级次生微破裂的线性应变软化;岩石变形全过程由弹性变形段、峰前卸荷损伤扩容段、峰后脆性跌落段、含有多级微破裂的线性应变软化段以及残余强度阶段组成;岩石缓慢卸荷发生宏观张剪复合破坏,并伴有轴向劈裂裂纹,破裂断面为由许多劈裂裂纹相互贯通形成具有一定宽度的剪切带,剪切带内劈裂的岩片在轴向挤压力和沿破裂面的剪切力共同作用下被挤压和摩擦成许多细颗粒和岩粉。     

富水软岩的蠕变特性实验及非线性剪切蠕变模型研究

富水软岩巷道变形速度快,变形量大,巷道支护困难,建立描述该类软岩特性的流变模型是解决该问题的关键。通过不同含水率软岩的直剪蠕变试验表明:在同一剪应力水平下,随着含水率的上升,软岩瞬时弹性模量、极限变形模量和黏滞系数将下降,蠕变速率先增大后减小,加速蠕变的破坏时间缩短;在同一含水率条件下,随着剪切应力的增加,软岩瞬时剪切位移量、蠕变变形量和衰减蠕变段的曲率半径都逐渐增大。依据含水软岩蠕变的非线性特征,建立了能够描述含水软岩蠕变特性的非线性剪切流变模型,基于BFGS算法和通用全局优化法对模型参数进行识别,识别结果与试验曲线吻合较好,表明所建模型的正确性和合理性,该成果可为深部复杂地质力学环境下的富水软岩巷道稳定性研究提供参考。     

软弱夹层对露天矿边坡稳定性的影响

软弱夹层或软弱结构面的存在,引起边坡蠕动变形破坏,威胁露天矿边坡稳定。通过探讨含软弱夹层边坡的破坏机理,分析含软弱夹层边坡的破坏形式,并结合矿山实际情况,运用ANSYS软件,建立含有软弱夹层的露天矿边坡体模型,并通过有效数据进行分析,确定该露天矿边坡体是否稳定,从而确定软弱夹层对露天矿边坡稳定的重大影响。在工程实践中,应详细查明软弱层位置,提早制定有效的边坡防护措施。     

动静载荷作用下片麻岩蠕变实验及非线性扰动蠕变模型

深部巷道围岩应力状态处于岩石强度极限邻域内,围岩会产生较大的蠕变变形,特别是深部扰动荷载对巷道围岩蠕变变形的影响更为敏感。为了研究深部岩石在扰动载荷作用下的岩石非线性蠕变特性和蠕变扰动效应,利用自行研制的岩石三轴扰动蠕变试验台,以片麻岩为岩石试样,采用分级加载方式,开展静载轴压、不同扰动幅值、不同扰动频率作用下的岩石单轴压缩扰动蠕变试验,得到扰动载荷对岩石蠕变特性的影响。试验结果表明:轴压是岩石蠕变变形的主导因素,随着轴压的增加,岩石蠕变变形量逐渐增大;岩石蠕变变形量随着扰动幅值和扰动频率的增加而增大,在相同轴压和作用时间的情况下,扰动幅值对岩石蠕变变形比扰动频率明显;在相同的扰动条件下,随着轴压的增大,岩石蠕变破坏受扰动作用影响越大,当轴压大于40 MPa时,岩石蠕变受扰动影响敏感度越高;每次扰动加载后,岩石蠕变应变量出现台阶式突增,同时蠕变曲线也出现陡突现象,随着扰动幅值和扰动频率的增大,突变值越大。以试验结果分析为依据,引入非线性黏塑性扰动蠕变元件和损伤原件,并与Burgers串联,建立了岩石非线性扰动蠕变损伤复合模型。采用基于模式搜索的改进的非线性最小二乘法反演蠕变参数,并将蠕变方程计算结果与实验结果进行拟合,效果良好。     

不同围压下花岗岩破裂机制及形状效应的离散元研究

在花岗岩地层中开挖隧道时会引起围岩的变形破坏,多表现为岩爆、板裂、塌方等形式,通过室内单轴和三轴压缩试验能得到花岗岩的宏观力学参数及其渐进破坏机制。室内岩石试验可以从宏观角度分析花岗岩的破坏本质,而通过PFC2D离散元软件模拟室内单轴及三轴试验,则可以从微观方向研究分析花岗岩的破坏过程。本文以港珠澳大桥连接线南湾隧道工程为背景,综合采用室内岩石力学试验和离散元数值模拟方法,从宏观、微观两种角度对不同围压条件下花岗岩的宏细观力学参数、破裂机制及其形状效应进行了对比分析,全面的研究分析了花岗岩的变形破坏本质。研究结果表明:①数值模拟与室内试验所得的结果,无论是宏观力学参数还是最终破坏形态均较为接近;随着围压的增大,岩石的峰值强度增加、弹性模量基本不变;随着试件长径比L/D增大,岩石峰值强度减小、弹性模量增大。②采用基于相对轴向应变和单位面积裂隙数量的统计方法,能更加合理分析岩石微观渐进破裂机制;随着试件长径比L/D增大,岩石最终破坏形态逐渐从张拉破坏转变为剪切破坏;当L/D=1.0时单位面积内最终裂纹数量最大,当L/D=2.0时剪切裂纹所占比例最大。③随着岩石试件长径比L/D的增大,其峰值强度有所减小且受围压影响明显,弹性模量也明显的增大但与围压的关系不显著。④通过分析裂隙数量与应变关系可知,在不同围压条件下,岩石内部裂隙数量随着轴向变形的增加呈现"S"型曲线增长,当轴向变形接近峰值应变时裂隙出现突变增长,且仅当围压较小时最终裂隙数量趋于收敛。⑤随着试件长径比L/D的增大,岩石破坏时单位面积内裂隙数量逐渐减少,且减小速度增快。总的来说,岩石试样的形状改变对花岗岩的整体峰值强度和弹性模量有着明显的影响,因此,室内试验中应合理设计岩石试样的形状,以获取准确的岩石强度和力学参数。     

锦屏深部大理岩蠕变特性及分数阶蠕变模型

为保障锦屏地下实验室(CJPL)硐室群的长期稳定性,开展2 400 m深埋大理岩蠕变特性的研究,在常规三轴压缩试验的基础上进行分级加载蠕变试验,系统分析了大理岩蠕变过程中的轴向与环向变形规律及不同围压(5 MPa和64 MPa)下大理岩蠕变特征差异,采用等时应力-应变曲线法确定了大理岩的长期强度,并基于分数阶导数改进了大理岩蠕变模型。研究表明:13,27 MPa围压下,大理岩轴向应力应变曲线达到峰值应力后快速跌落,40,53,64 MPa围压下,峰值应力附近的应变曲线呈现明显的平台段,表明CJPL深部大理岩变形行为随着围压的增加具有由脆性向延性转化的趋势;无论是低围压还是高围压,相比于低应力水平,高应力水平下大理岩更容易发生蠕变变形且环向蠕变现象更加显著,蠕变过程中的扩容现象也更加明显,试样破坏时64 MPa围压条件下的体积蠕变变形为5 MPa围压下的16. 3倍;在蠕变加载过程中,大理岩变形模量均为先增加后减小。变形模量增加阶段,高围压下增加幅度较低围压小,64 MPa围压下试样变形模量增加的幅值为1. 8 GPa,小于5 MPa围压下的3. 6 GPa,表明试样受高围压作用已经部分压密。随着应力水平的增大,变形模量减小,高围压下减小幅度较低围压更大,围压64 MPa下试样变形模量减小幅值为9. 4 GPa,约为峰值变形模量的22%,围压5 MPa下试样减小幅值仅为1. 8 GPa,约为峰值变形模量的4%,表明高围压试样在破坏前裂纹的产生和扩展更为剧烈,岩石劣化程度更大;相同偏应力条件下,围压越大的试样蠕变速率越小,但破坏时变形更大且扩容现象显著,表明相同外荷载条件下,深部围岩赋存环境应力水平较高,变形难以收敛,易发生时效大变形破坏;围压为5,64 MPa时,采用等时应力-应变曲线法确定大理岩长期强度分别为170,290 MPa,为相应围压三轴压缩强度的82%,73%;基于分数阶导数,改进了大理岩黏弹塑性损伤蠕变模型,该模型具有形式简单同时能够很好的描述大理岩蠕变过程中的非线性加速特征的特点。     

双软弱夹层岩质滑坡的滑动模式及变形规律

顺层岩质滑坡具有分布广,破坏性强,滑动机理复杂等特点,其滑动主要受软弱夹层的控制。在自然界中,顺层岩质滑坡往往受到双层或多软弱夹层的影响与控制。针对此特点,通过对山西吕梁山一带的顺层岩质滑坡发育特征与破坏规律进行总结,建立两种含双软弱夹层顺层岩质滑坡计算模型,基于极限平衡法,考虑软弱夹层的抗剪强度在滑坡不同发育阶段的强度衰减,分析发现滑坡在不同的力学判定条件下会以不同的模式发生滑动,且不同模式下滑坡的启滑机理是不同的,模式一为上层软弱夹层软化而引起的,启滑时,上层岩层首先失稳,而下层岩层暂时保持稳定;模式二滑坡的启滑是由于下层软弱夹层软化而引起的,失稳破坏的形式是整体失稳。另外,基于FLAC~(3D)数值模拟,分析了双软弱夹层顺层岩质滑坡的破坏变形规律。结果表明:由上层软弱夹层控制的滑坡滑动变形时,软弱夹层会在前缘发生切层现象,在中部与后缘滑坡会沿上覆岩层与软弱夹层的接触面滑动;由下层软弱夹层控制的滑坡滑动变形中,在前缘断面上层软弱夹层处会发生不连续性变化;在由上下软弱夹层共同控制下的顺层岩质滑坡中,当上层软弱夹层首先软化启滑,下层软弱夹层的软化会导致滑坡上下岩层发生分离滑动;当下层软弱夹层首先软化启滑,上层软弱夹层的软化对滑坡的整体滑动影响并不显著。     

特厚倾斜复合顶板巷道破坏特征与稳定性控制

大倾角特厚复合顶板巷道因其围岩原位强度低、层间黏结力弱,在复杂应力作用下巷道围岩具有非对称破坏特征。结合具体工程实例,采用相似模拟试验、FLAC3D数值模拟和工程测试等方法,分析不规则梯形与拱形巷道在常规对称支护和非对称强力支护条件下围岩应力、位移等变化规律,揭示特厚倾斜复合顶板巷道的非对称破坏机理。研究表明:受岩层赋存特征影响,巷道围岩结构和应力分布的非对称性是造成巷道非对称性破坏的根本原因;复合层状岩层结构面法向约束力减小与钝角部位应力集中直接导致弱面剪切滑移失稳;采用拱形巷道与非对称强力支护能有效改善围岩应力状态、减小围岩变形,提高巷道支护体系的平衡承载能力。     

爆破开采诱发周边岩体损伤破裂的数值模拟研究

基于连续-非连续单元方法（CDEM）中的朗道点火爆炸模型及拉剪复合应变软化模型,探讨了爆破开采与炮孔周边岩体损伤破裂程度的对应关系。通过量纲分析,确定了爆破诱发岩体损伤破裂的主要影响因素;通过应变软化的Mohr-Coulomb模型及最大拉应力模型,详细探讨了不同黏聚力及抗拉强度下,炮孔周边岩体的损伤因子随爆破距离的变化规律。数值计算结果表明：炮孔附近以压剪破坏为主,岩体处于完全损伤状态,出现具有一定半径的密集破碎带;在远离炮孔的区域,以张拉破坏为主,出现若干条贯通性的张拉裂缝;损伤因子随爆破距离的增加呈指数型衰减,并拟合获得了损伤因子与无量纲爆破距离、无量纲黏聚力及无量纲抗拉强度间的函数关系;强损伤区（损伤因子大于0.9的区域）的临界半径一般在2.5~5.5 m,仅受黏聚力控制;弱损伤区（损伤因子小于0.1的区域）的临界半径一般大于8 m,受黏聚力及抗拉强度的联合控制。