节理间距对柱状节理玄武岩隧洞稳定的影响研究

在提出一种改进的包含节理间距的柱状节理模型的基础上,针对节理间距、节理倾角、围压三者联合作用对柱状节理岩体应力–应变曲线、岩体强度的影响进行了深入的研究。研究结果表明:(1)节理间距增大至一定程度时,其岩体强度等于岩块强度;节理间距减小至一定程度时,其岩体强度等于遍布节理强度;(2)节理间距对岩体应力–应变曲线的3个阶段均有较大影响,弹性变形、屈服强度和残余强度,均随着节理间距的增大而增大;(3)当围压增高时,节理间距导致的岩体劣化特征减弱,到达岩块强度和遍布节理强度的节理间距均减小;(4)当某一节理面倾角小于45°-φ/2或者大于45°-φ/2时,岩体不沿节理面破坏,即使改变节理面间距,其强度也不发生变化;而当节理面倾角大于45°-φ/2小于45°-φ/2时,岩体沿节理面发生破坏,并且随着节理面间距的增大,强度增大;(5)一类柱状节理可以按照遍布节理模型来考虑,但是二类、三类柱状节理由于节理间距较大不能按照遍布节理来考虑,而应采用本文所提出的包含节理间距的柱状节理模型。     

节理岩体隧道破坏机理分析

节理岩体隧道的破坏与节理属性密切相关,以拟建石背坪隧道工程为例,采用离散元模拟技术研究了节理岩体隧道在不同节理倾角、不同岩块强度、不同节理强度、不同埋深及不同节理间距下的破坏机理.研究表明:节理倾角影响隧道的破坏方向,岩块强度、节理强度及埋深影响隧道的破坏程度,节理间距在一定范围内影响其破坏程度.     

楔形掏槽爆破效果分析及其在硬岩巷道中的应用

为加快岩巷钻爆法快速掘进技术研究,利用LS-DYNA模拟软件对直眼掏槽和楔形掏槽爆破应力波传播及岩体损伤破坏进行对比分析,并在霍州煤电三交河煤矿下组煤胶轮车辅助运输巷进行现场应用。结果表明：楔形掏槽爆破因其槽底间距较近,可以使爆破能量更多消耗在两炮孔之间,而直眼掏槽爆破能量在两帮过度消耗;与直眼掏槽相比,楔形掏槽能够造成两炮孔之间的岩体大范围损伤破坏,有利于岩块破碎抛出;现场应用表明：采用楔形爆破后,炮孔利用率高、大块率低、循环进尺达到2.5 m以上,显著提高成巷速度。因此建议在硬岩巷道爆破掘进时优先考虑楔形掏槽方式。     

孔内双点起爆条件下的爆炸能量传输与破岩效果分析

爆破破岩过程中,起爆方式对爆炸能量传输和破岩效果有着重要影响。从理论上证明两相向传播的爆轰波的碰撞聚能效应,分析孔内双点起爆条件下的爆炸能量传输特征。采用张拉–压剪统计损伤模型计算不同起爆方式下的岩石爆破破碎范围,并结合台阶爆破现场试验对比不同起爆方式下的爆破块度分布规律。结果表明,孔内双点起爆时两束相向传播的爆轰波在炮孔中部发生正碰撞,碰撞点附近的压力大于两冲击波的强度之和,局部破岩能力显著增强。双点起爆条件下炮孔附近岩体的张拉破坏区和压剪破坏区体积均大于常规的孔底、孔口、中间起爆,当改变孔内双点起爆的起爆点位置时,压剪破坏区域体积变化不大,而张拉破坏区域体积有明显的改变。可以通过合理设计起爆点的位置和数量,利用爆轰波、冲击波的碰撞来调整炸药爆炸能量的空间分布,从而显著提高局部爆破破岩能力,以满足不同的工程要求。     

深孔台阶抛掷爆破岩石破碎及抛掷机理

为了分析提高抛掷爆破效果,揭示深孔台阶抛掷爆破岩石破碎及抛掷机理具有重要意义。分析了露天矿岩石抛掷爆破采用深孔柱状装药时岩石的破碎抛掷过程和受力特性,通过理论分析和公式推导,揭示了应力波和爆生气体对岩石破碎和抛掷的作用机理。研究结果表明,冲击波作用于炮孔壁周围形成径向裂隙和环向裂隙,爆生气体促使裂缝扩展,并形成破碎块度,剩余爆生气体能量促使破碎岩块沿最小抵抗线方向抛掷。     

中深孔双螺旋掏槽爆破的破碎机理与设计应用

分析研究了中深孔双螺旋掏槽形式在爆炸冲击波或应力波的作用下，掏槽炮孔爆源附近岩体破碎、破裂的过程及空孔在掏槽爆破中的作用效果。在此基础上提出了中深孔掏槽爆破设计的理论依据，具体给出双螺旋掏槽爆破的设计参数。这种掏槽在三峡工程茅坪溪泄水洞大断面开挖掘进中得到应用     

基于遍布节理模型的断层破碎带隧道稳定性研究

因地质条件的复杂性,导致节理、断层、裂隙等弱面较为发育,致使隧道围岩稳定性研究中很难全面考虑各弱面对稳定性的影响。文章通过引入遍布节理模型,同时考虑岩块和节理属性,使研究更为符合岩体状态和工程实际,详细探明了TBM隧道在穿越不同节理倾角和不同节理间距的断层破碎带时,其围岩的稳定性及安全性的变化规律,为施工的安全快速进行提供参考。研究表明,断层破碎带中节理倾角越大或者节理间距越小,对隧道围岩所造成的不良影响越大。     

应力波在充填节理岩体中传播规律的数值研究

通过离散元数值模拟对应力波在含一组平行充填节理岩体中的传播规律开展研究,并应用等效介质模型对应力波在含多条小间距充填节理岩体的传播规律进行分析。首先,通过数值模拟结果与理论结果的对比,验证UDEC模拟应力波在单个充填节理处的传播规律的可行性。然后将UDEC模型进行扩展研究应力波在含一组平行充填节理的岩体中的传播规律,并对充填厚度、节理间距、节理数量展开参数分析。研究发现,随着充填厚度的增加,对于不同的节理间距和数量,透射系数均减小,而节理数量对透射系数的影响与节理间距有关。存在2个临界值将节理间距对透射系数的影响规律划分为3个不同区间,当节理间距足够大时,透射系数趋于稳定,且稳定值与节理数量呈指数函数关系。最后,当节理间距较小时,采用一维等效介质多条充填节理进行分析,并对入射波频率、充填材料特性、充填厚度以及节理数量展开了参数分析对比,结果表明一维等效介质可用于简化应力波在多个小间距的充填节理中的传播计算。     

节理粗糙度对应力波传播的影响研究

考虑节理吻合程度,分析节理粗糙度对应力波传播和节理岩石力学特性的影响规律。使用分离式霍普金森压杆对预制节理试样进行冲击压缩试验,定性研究节理吻合程度对应力波传播的影响,采用投影覆盖法分析节理面,探究分形维数对应力波传播的影响规律。由劈裂试验获得粗糙节理面试样,2个标准试样组合得到光滑节理面试样。试验中控制子弹速度保证入射波的相同,得到以下结论:光滑节理试样的透射系数和等效刚度与完整试样相比衰减约2.1%,表明光滑完全吻合节理对应力波传播影响不大;节理吻合程度相同时,节理粗糙度越大(分形维数2.088～2.214),应力波穿越节理试样的透射系数和等效刚度越小,其中等效刚度近似呈线性减小,透射系数呈二次曲线减小;节理粗糙度相同(分形维数)时,节理吻合程度越小,节理应力波透射系数和试样等效刚度越小,表明节理吻合程度是应力波传播的重要影响因素。     

节理接触面对应力波传播影响的SHPB试验研究EI北大核心CSCD

为探讨岩体的节理接触面积对应力波传播规律的影响,采用分离式霍普金森压杆试验装置开展试验研究,分析不同接触面积比的节理的动态力学特性以及节理的接触面积几何分布对应力波传播特性的影响。人工切槽的岩块与完整岩块组合得到不同接触面积比的节理岩块作为试样。通过一系列的实验,得到以下的结论:节理的接触面积比、接触面积分布和冲头冲击速率不仅影响节理岩块的动态力学特性而且影响应力波的传播。应力波的透射系数与冲头冲击速率、节理面大小及相对密集度(即接触面分布离散和接触面分布紧凑)有关;当节理接触面的几何相对密集度一定时,应力波透射系数随着节理接触面积比的增大呈线性增长,且透射系数随冲头速率的增大而增大;此外,相对于节理接触面积小但分布离散的岩体,应力波通过接触面积大、分布紧凑的节理的衰减更为明显。     

节理接触面对应力波传播影响的SHPB试验研究

为探讨岩体的节理接触面积对应力波传播规律的影响,采用分离式霍普金森压杆试验装置开展试验研究,分析不同接触面积比的节理的动态力学特性以及节理的接触面积几何分布对应力波传播特性的影响。人工切槽的岩块与完整岩块组合得到不同接触面积比的节理岩块作为试样。通过一系列的实验,得到以下的结论:节理的接触面积比、接触面积分布和冲头冲击速率不仅影响节理岩块的动态力学特性而且影响应力波的传播。应力波的透射系数与冲头冲击速率、节理面大小及相对密集度(即接触面分布离散和接触面分布紧凑)有关;当节理接触面的几何相对密集度一定时,应力波透射系数随着节理接触面积比的增大呈线性增长,且透射系数随冲头速率的增大而增大;此外,相对于节理接触面积小但分布离散的岩体,应力波通过接触面积大、分布紧凑的节理的衰减更为明显。     

岩体的初始损伤对爆破效果的影响研究

根据损伤力学理论，提出了含初始损伤岩体动态损伤本构模型。结合Grady根据破碎能量守则给出的脆性材料动态平均块度尺寸公式，将初始损伤变量引入计算模型，并充分考虑爆炸应力波对岩体的破碎作用和在爆生气体膨胀及渗流压力作用下岩块之间的相互挤压碰撞作用，得出了爆破后的平均块度计算式，同时进行了试验验证。计算和试验结果表明，岩体的初始损伤对爆破效果的影响是非常显著的，但是可以通过改变爆破设计参数控制并利用初始损伤以改善爆破效果。同时还得出了一些有益的结论，对指导工程实践具有一定参考价值。     

高宽比及应力波扰动对砂岩块体超低摩擦影响试验研究

为揭示层状岩体在应力波扰动作用下岩块尺寸对超低摩擦型冲击地压影响机制,以沈阳红阳三矿顶板砂岩块体为研究对象,将5个块体上下依次叠放置于自主研制块系岩体超低摩擦试验装置加载腔内,始终以中间块体为工作块体,用不同工作块体的高宽比H_s/H_w(0.8～2.0)模拟不同构造层次或同一构造层次不同破碎程度的岩体,通过对块系模型系统施加应力波扰动P_v(频率0～10 Hz、振幅0～1 MPa)模拟爆破、顶板断裂、集中开采等扰动作用,施加轴压F_v和水平冲击F_h分别模拟岩体上覆岩层压力和顶板断裂冲击作用,开展应力波扰动作用下高宽比不同的砂岩块体超低摩擦试验。以高宽比作为反映岩块尺寸的表征指标,以应力波扰动频率和振幅作为反映扰动作用的表征指标,以工作块体水平位移作为超低摩擦效应强度的表征指标,分析得到轴压、应力波扰动及水平冲击组合作用下高宽比及应力波扰动对砂岩工作块体的超低摩擦效应强度影响规律与能量演化特征。研究结果表明：应力波扰动、轴压及水平冲击作用一定时,工作块体水平位移随其高宽比增大而呈递减趋...     

柱面波在含节理岩体中传播的UDEC模拟

柱面波是岩体工程爆破中常见的波动形式之一,研究其传播规律对于岩体工程开挖及地下结构安全有重要意义。首先,采用离散元程序UDEC对柱面波在含线弹性节理岩体中的传播特性进行数值模拟研究。建模时通过在模型底部设置半圆柱状空腔实现柱面波的加载。之后,分别对无节理以及含单个节理的岩体中柱面波的传播进行模拟,并将数值结果与相应的理论结果进行对比,结果表明,UDEC能够准确有效地模拟柱面波在节理岩体中的传播。然后,分析节理刚度、入射波频率和监测点位置等因素对单节理岩体中柱面波透反射系数的影响规律。参数研究表明,监测点的位置变化会通过影响波的几何衰减和改变波的入射角度共同影响柱面波的传播特性;节理刚度在一定范围内会对透反射系数有显著影响,当刚度取值较大时影响较小,此时应力波主要以透射为主;频率影响分析再次印证了节理通低频、阻高频的特性。最后,对柱面波在一组节理中的传播特性进行研究,并且对影响波传播的因素展开分析。结果表明,节理间距和节理数量共同影响着波的传播特性。     

单轴压缩下节理间距和倾角对岩体模拟试件强度和变形的影响研究

通过含一组预置张开裂隙石膏试件的单轴压缩试验,系统地研究了当节理连通率固定时,节理组的间距和倾角对试件强度和变形特性的影响。研究发现：①随着节理间距的增大,试件的应力-应变曲线的由单峰型变为多峰型,延性增大。试验中观察到的应力-应变曲线包括4种类型,单峰型、软化段多峰型、多峰平台后软化型和多峰平台后硬化型。②当节理间距不变时,试件的当量化强度、当量化弹性模量和第一峰值应变随节理倾角的变化曲线都呈V型,其最小值发生在节理倾角为45°处;而残余强度与强度之比和第二峰值应变随节理面倾角的变化规律则反之。③当节理倾角不变时,当量化弹模、当量化强度和第一峰值应变都随节理化系数的增大而减小;而残余强度与强度之比和第二峰值应变则反之。④各节理倾角下,试件的当量化弹模和当量化强度随节理化系数的变化规律可以用相同形式的幂函数来表示。⑤上述宏观力学行为与预制节理闭合、次生裂隙发展等细观损伤力学机制密切相关。上述研究表明,节理间距对岩体的强度和变形特性的影响有显著的各向异性。     

基于波场等效的节理面刚度参数取值研究

节理岩体中的节理面往往有一定厚度,如果采用无厚度的线性节理模型分析,其刚度参数的确定非常困难。通过分析弹性波穿过节理面时的波场效应,建立了基于节理后振动强度相等的波场等效法,用于确定带厚度节理的刚度参数,并分析了各因素对弹性波在节理上传播的影响。结果表明:线性节理面的刚度参数是节理岩体的固有属性,与外界荷载无关,采用波场等效法计算刚度参数可行;在弹性波范围内,这种等效参数与入射波频率、入射角等因素关系不大。该方法可用于有厚度节理面动强度参数的确定与分析,完善现有的节理面刚度取值方法。     

深埋隧洞岩体开挖瞬态卸荷机制及等效数值模拟

 岩体爆破开挖过程中,开挖荷载瞬态卸荷伴随着爆破破岩的裂纹扩展、爆生气体逸出以及新自由面形成等过程而发生。针对深埋隧洞全断面钻爆开挖,确定分段微差爆破对应的分步开挖荷载,分析爆炸荷载耦合作用下的开挖荷载瞬态卸荷方式与持续时间,实现开挖荷载瞬态卸荷的荷载边界条件的数学描述。考虑到炮孔近区岩体因爆破破碎引起的介质连续性的改变及其所经历的复杂应力状态,根据炮孔周围岩体爆破破坏的空间分布特征,基于等效弹性作用边界的概念,提出群孔起爆条件下爆炸荷载与开挖荷载瞬态卸荷耦合作用的等效数值模拟方法。现场实测振动数据验证了计算结果的正确性。     

溶岩岩质边坡对爆破开挖施工影响的研究

以安顺关花大道道路工程一标段高岩质边坡开挖为施工背景,针对爆破过程中溶洞对岩质边坡开挖效果的影响,采用有限元程序对岩质边坡深孔爆破过程进行了数值模拟,分析结果表明:如果溶洞外侧岩体强度大、整体性好,该处爆破后容易形成大块岩体,需要进行二次破碎;如果溶洞外侧岩体较为破碎、强度低,直接爆破会导致破碎岩块获得较大的动能,从而产生严重的飞石;最后针对有溶洞的边坡爆破开挖施工提出了建议。     

节理特性对顺层隧道破坏模式及稳定影响分析

顺层隧道的破坏模式及稳定性与岩体节理特性密切相关。建立顺层隧道的节理岩体模型,采用有限元强度折减法,研究了当顺层隧道围岩为硬质岩层、硬质岩软质岩互层时,节理倾角变化以及节理间距变化对隧道破坏模式及稳定性的影响。结果表明,顺层隧道开挖后,顺层面方向围岩会顺着节理面滑移,垂直层面方向围岩会产生弯曲折断破坏。当节理倾角变化时,两个方向的破坏程度和破坏范围会随之发生变化,从而影响隧道的安全系数,倾角40°时安全系数达到峰值。当隧道围岩为硬质岩层时,节理倾角的变化对隧道围岩的破坏模式影响较小,当隧道围岩为硬软互层时,随着节理倾角的增大,软质岩顺着节理面滑移的可能性大大增加。当节理间距增大时,隧道围岩宏观力学性质逐渐趋向于岩石,安全系数逐渐增大。研究成果对于合理设计顺层隧道的支护措施具有指导意义。     

地应力作用下不同掏槽孔角度爆破效果分析

为探究地应力作用下掏槽孔角度对掏槽爆破效果的影响，以贵阳市轨道交通S1线一期工程为背景，设置了多种地应力工况及不同掏槽孔角度，通过数值模拟方法对掏槽孔爆破过程进行模拟，分析了地应力及角度对掏槽爆破的影响。结果表明：地应力为抑制岩体破碎及槽腔成形，在水平应力不变前提下，垂直应力越大，抑制效果越显著；掏槽孔角度增加会扩大掏槽孔损伤面积，但角度过大会导致垂直炮孔的应力过小而影响爆破效果，当掏槽孔角度为60°时爆破效果最好。