块系岩体滑移失稳中低摩擦效应的理论与试验研究

深部岩体具有块状层次结构,深部动载造成岩块发生相互间的振动脱离产生低摩擦效应,从而极易诱发原先处于平衡状态的岩体的动力变形破坏。在前人研究基础上,本文将块系岩体振动简化为等效质量-粘弹性模型,引入岩石摩擦滑移速率弱化模式,最终得到块系岩体滑移失稳计算模型。通过计算分析块系岩体自身特性及外荷载特性对岩块间低摩擦效应的影响。理论计算表明:水平静力及外扰动保持不变,增大岩块间弹性系数或者减小粘性系数,更容易引发岩体低摩擦滑移。随着冲击扰动、水平拉力幅值的增加,岩块的水平残余位移量值增加,当它们幅值超过一临界值时,岩块发生自持续滑移失稳运动。冲击扰动诱发岩块间不可逆位移、动力滑移失稳的临界能量与剪切力水平密切相关,在较大的剪切内力条件下,极其微弱的动力扰动即可诱发较大的岩块间不可逆位移甚至岩块的动力滑移失稳,随着剪切内力的减小,诱发岩块滑移失稳的能量阈值不断增大,当剪切内力低于岩块动摩擦强度时,单次冲击扰动只能诱发岩块间的不可逆位移。初步开展扰动诱发含初应力紫砂岩块体滑移试验,试验结果与理论计算基本符合,证明该模型的可行性。     

块系岩体滑移失稳中低摩擦效应的理论与试验研究

深部岩体具有块状层次结构,深部动载造成岩块发生相互间的振动脱离产生低摩擦效应,从而极易诱发原先处于平衡状态的岩体的动力变形破坏。在前人研究基础上,本文将块系岩体振动简化为等效质量-粘弹性模型,引入岩石摩擦滑移速率弱化模式,最终得到块系岩体滑移失稳计算模型。通过计算分析块系岩体自身特性及外荷载特性对岩块间低摩擦效应的影响。理论计算表明:水平静力及外扰动保持不变,增大岩块间弹性系数或者减小粘性系数,更容易引发岩体低摩擦滑移。随着冲击扰动、水平拉力幅值的增加,岩块的水平残余位移量值增加,当它们幅值超过一临界值时,岩块发生自持续滑移失稳运动。冲击扰动诱发岩块间不可逆位移、动力滑移失稳的临界能量与剪切力水平密切相关,在较大的剪切内力条件下,极其微弱的动力扰动即可诱发较大的岩块间不可逆位移甚至岩块的动力滑移失稳,随着剪切内力的减小,诱发岩块滑移失稳的能量阈值不断增大,当剪切内力低于岩块动摩擦强度时,单次冲击扰动只能诱发岩块间的不可逆位移。初步开展扰动诱发含初应力紫砂岩块体滑移试验,试验结果与理论计算基本符合,证明该模型的可行性。     

块系岩体非协调动力响应特征试验研究

岩体在块系构造状态下的动力传播存在块体和块体间软弱介质的非协调变形现象，对岩体结构的动力稳定产生重要影响。目前块系岩体的非协调动力传播响应研究尚不充分，导致不能进行有效的动力响应特征识别。通过试验对块系岩体非协调动力传播过程岩块动力响应特征进行研究，分别从动力传播速度、岩块加速度振幅衰减、岩块振动位移响应、岩块振动持续时间、块体动能显现、块体振动频域响应特性等方面对比纵波传播，给出块系岩体非协调动力传播的特征分析。通过分析可知，块系介质非协调变形运动产生的动力传播现象相比于纵波传播是一种低频低速波，并伴随着岩块的大位移运动，同时岩块振动持续时间较长，蕴含着动能与势能的相互转换过程，这些现象构成了块系岩体非协调动力传播的重要特征。该研究将为识别岩体非协调动力传播特征及块系岩体的冲击预警波动特征识别提供参考。     

块系岩体间黏弹性性质对摆型波传播的影响

基于深部非连续自应力等级块系岩体构造理论,研究冲击载荷在块系岩体中以摆型波形式传播时岩块间黏弹性性质对摆型波传播的影响。当岩块间具有五种不同黏弹性性质时,通过对块系岩体的始端和末端区域中间岩块加速度响应计算及各岩块加速度正负摆幅幅值分析可知：岩块间黏性变化时,对岩块加速度衰减周期没有影响,但黏性增大时各岩块正负摆幅下降幅度比黏性周期增大时大;岩块间弹性变化时岩块加速度衰减周期均发生变化,但弹性减小时正负摆幅值向平衡位置平移,弹性周期减小时块系岩体的前半部分岩块正负摆幅曲线均出现波动且负摆波动较大,岩块间弹性梯级增大时,岩块加速度迅速衰减,同时各岩块加速度的正负摆幅曲线在初始端区域出现波动。     

围压与冲击扰动作用下组合煤岩超低摩擦效应分析

深部煤岩在垂直扰动作用下发生振动,当水平冲击足以克服块体间摩擦阻力时,极易发生超低摩擦型冲击地压。文章以细砂岩-煤-细砂岩组合块体为研究对象,考虑顶板-煤-底板临近工作面开采工况,采用数值模拟方法,建立围压与冲击扰动下组合煤岩数值模型,以煤块水平位移、垂直加速度差值作为超低摩擦效应特征参数,分析围压、垂直冲击及水平冲击对特征参数的影响规律。研究结果表明:在垂直冲击与围压共同作用下,煤岩体残余位移及水平位移峰值随围压增大且呈指数增长趋势;在垂直冲击、水平冲击和围压三者共同作用下,煤岩体超低摩擦效应强度与作用时间都随着围压呈增加趋势;垂直冲击对组合煤岩超低摩擦效应的影响最为显著。      

深部岩体工程响应的特征科学现象及"深部"的界定

根据实测数据和工程实例介绍了深部岩体工程响应中发生的一系列特征科学现象,这些特征科学现象归蚋为静力特征现象和动力特征现象两类。静力特征现象表现为在深部工程围岩中交替出现若干破裂区和不破裂区;动力特征现象表现为深部矿井中的岩块弹射和岩块冒落等岩爆现象和地下爆破时发生的冲击地压动力事件,即岩体中的工程性地震。文中在阐明动力特征现象本质的同时,介绍了与之紧密相关的岩块系的超低磨擦效应、岩块系的准共振现象和岩块系运动时发出的慢速变住波(摆型波)。最后介绍了时深部岩体工程的“深部”概念的应有理解及其如何科学界定。关键词：深部岩体;工程响应;分区破裂化现象;冲击地压动力现象     

冲击地压矿井的围岩与支护统一吸能防冲理论

针对冲击地压过程的能量传递与耗散,基于块系围岩与支护系统动力模型,研究冲击扰动在岩体中传播时,围岩与支护特性对能量传递与耗散的影响,通过岩体和支护中的阻尼吸能作用对支护端岩块的动能变化进行分析。经分析表明:支护端岩块的冲击能量是可控的,当增大围岩中局部岩块间的阻尼作用时,支护端岩块的动能明显下降,有效地吸收了冲击能量,同时局部岩块间的阻尼分散作用在相邻两个块体间的吸能效果相比于集中作用时更好;当增大支护中的阻尼作用时,相比于同样的围岩中阻尼变化,其吸收冲击能量的效果较弱。当围岩与支护中的阻尼共同作用进行吸能防冲时,应以岩体主动吸能为主,支护被动吸能为辅进行统一吸能防冲,由此提出围岩与支护统一吸能防冲理论,为吸收冲击能量防御冲击地压动力灾害提供思路。     

高频微幅冲击振动作用下岩石破碎行为计算方法

针对现有岩石破碎研究的现状以及不足,进行高频微幅冲击振动作用下的岩石破碎行为计算方法研究。首先建立高频微幅冲击振动模型,在此基础上建立求解破岩体积、破岩比功、岩石裂纹长度的计算方法,并分析冲击频率、幅值对岩石破岩效率的影响。通过对比试验与算例结果,验证了计算方法的可靠性。结果表明:当冲击频率增加到2 000 Hz时,冲击时间的周期将减小到0.001 s,冲击力将会增加到12 900 N,钻头吃入岩石的深度以及冲击末速度也对应增加;并且高冲击频率、低幅值能够增加破岩体积、减小破岩比功、增加岩石裂纹长度。研究结论对于提高破岩效率,进行高频微幅冲击振动破岩的技术研究与工具研制具有参考价值。     

深部巷道围岩变形破坏机制分析

采用弹脆性本构模型以及滑移破坏理论,对深部围岩应力分布以及变形破坏机制进行分析。计算结果表明,开挖卸荷将引起剪应力的增长,滑移剪切变形的发展将围岩划分成具有一定尺度的块体（或条带）,它们之间的相互摩擦决定着残余强度的大小;在各向不均匀压缩的作用下,深部围岩能够产生区域拉伸破碎,使围岩开挖断面监测到的位移大大超出按连续介质理论计算得到的数值。采用考虑扩容的计算模型可以得到围岩产生区域拉伸破碎的条件,计算得到的该条件与岩体力学性质以及破碎尺度密切相关。     

强震作用下顺层岩质斜坡动力失稳机制及启动速度研究

岩质斜坡地震稳定性评价和地震滑坡启动速度计算是边坡地震失稳防治中的难点。结合5•12四川汶川地震诱发的大型高速滑坡,重点以唐家山高速滑坡为例,提出强震作用下中陡倾顺层岩质斜坡动力失稳机制为拉裂－楔劈－滑移－剪断,并着重阐述了拉裂面形成机制、“楔劈”岩块的杠杆作用和碎屑岩块的滚动摩擦效应。对应于该失稳模式,采用弹性力学理论,推导出地震作用下顺层岩体斜坡锁固段的破坏判据和突发剪断时锁固段岩体的形变能公式。考虑锁固段岩体形变能释放的优势方向,运用能量转化原理,给出了更为合理和精确的顺层岩质滑坡突发启动速度公式,进而确定滑坡启程速度。其研究结果为滑坡灾害范围和冲击损害程度提供有效定量计算方法。     

岩石剪切断裂面接触算法的开发与应用

为了克服现有数值计算方法在计算复杂断裂面接触滑移过程中效率低的问题，通过吸收边界元的建模思想，提出了新的数值计算方法。在该算法中，所有网格均位于岩块的边界，利用显示差分方法计算得到岩块之间的相互作用力以及岩块的位移量。利用“小球在抛物面上滑移”、“哑铃在不同倾角的斜面上”两个模拟试验对文中的算法进行验证，同时利用文中算法与有限元算法对直剪试验进行模拟。结果表明：算法能够准确描述物体之间的相互接触，准确计算得到接触块体之间的法向位移。算法能够准确判断出接触物体的“滑移状态”和“稳定状态”，摩擦力的数值计算结果与解析解的误差小于10?10。在计算断裂面接触和剪应力变化规律时，算法与有限元算法的计算结果一致，但文中计算方法的效率显著提高。     

考虑突变理论的顺层岩质边坡失稳研究

应用突变理论,以顺层岩质边坡为例,考虑地下水对滑面带介质的应变和水致弱化性质,以及地下水对边坡后缘张裂缝的水力效应,构建了边坡的尖点突变模型,分析了顺层岩质边坡失稳的力学机制：边坡失稳过程主要是内部因素和外部因素共同作用的结果,内部因素主要是地下水通过物理化学作用软化了滑面带岩体,使滑面带岩体刚度比降低,在边坡失稳的过程中起主导的定性作用;外部因素主要是指边坡后缘张裂隙的静水压力,不仅使得边坡的滑动势能增加,还对边坡造成一种扰动的作用,加速滑坡的启动。在突变分析的基础上,推导了边坡后缘张裂缝临界充水高度和临界降水强度的关系式,建立了边坡滑移破坏的水力判据;给出了边坡岩体在渐进软化过程中的位移变化规律,剪切位移并非均匀增长,而是呈现出阶梯状跳跃式上升。同时,进行了室内物理模型试验（当刚度比 ）,在一定程度上验证了考虑突变理论来分析顺层岩质边坡失稳的力学机制和边坡岩体在渐进软化过程中位移变化规律的合理性。并提出了此种类型边坡的处治技术与优化方法建议。     

边坡岩体滑动稳定的动力学分析

在地震或爆破等强烈振动影响下边坡岩体往往产生块体滑动。这种失稳的动力学特性迄今尚未获得应有的研究。 在大部分现有的文献中都采用惯性力原理,将动力问题化为静力问题解决。这种常规的准动态分析,只考虑最大振动加速度,使问题过于简化而偏于保守。少数文献中探讨了动力问题,但也未考虑动荷载的全波形,所以未能解决块体滑动的真正的动力学问题。     

An analysis of the action of dowels on the stabilization of rock blocks on underground excavation walls

Summary  Underground excavation in fractured rock masses can lead to instability of rock blocks on its perimeter. Among the stabilization measures that are often used, dowels or passive bolts play an important role. These passive reinforcement measures cannot, however, be easily considered in simplified calculation techniques based on the Limit Equilibrium Method (LEM). The analysis of such elements cannot be separated from rock-dowel interaction following the displacement of the block. A new simplified calculation procedure is presented in this paper for the analysis of the interaction between rock and dowels on walls of an underground excavation where potentially sliding rock blocks are present. The assumed interaction scheme is, however, partial in that dowel reinforcement is only activated by a small displacement, while this displacement does not induce a destressing of the rock block. Such a procedure allows a fast dimensioning of the dowels, considering the maximum stabilizing force that they are able to apply to the block without reaching a critical condition with reference to dowel failure or to its connection to the rock. Correspondence: Dr. Pierpaolo Oreste, Politecnico di Torino, DITAG, C. so Duca degli Abruzzi 24, 10129 Torino, Italy     

地震荷载作用下危岩体边坡动力响应及失稳机理探讨

采用连续介质快速拉格朗日分析方法,模拟了含单一顺坡向结构面的危岩体边坡在地震荷载作用下的动力反应。基于时程分析法,分析了其动力响应规律,并简单探讨了失稳机理。发现了危岩体边坡的加速度和速度存在竖直放大效应和临空面放大效应。受结构面的影响,加速度、速度、位移和剪应力等的不连续现象明显,危岩体边坡的水平位移峰值在结构面以下向上逐渐减小、跨过结构面时突然增大、在结构面以上又向上逐渐减小,而危岩体上的位移放大系数明显比母岩上的大。有助于进一步研究结构面的动力特性和危岩体边坡的动力失稳机理。     

基于超载法的拱坝坝肩地震动力稳定性方法研究

拱坝坝肩地震动力稳定性一直是工程界关注的一大热点,然而对坝肩动力稳定性的评判方法和标准的研究还不成熟。为完善坝肩动力稳定分析方法,将有限元法与刚体极限平衡法的优势相结合,提出了地震动力超载方法以及极限累积位移评判标准。首先,基于有限元法开展实时动力分析,对坝肩可能的滑移块体采用多重网格应力插值求任意时刻的阻滑力和下滑力,确定其主滑方向,而后采用刚体极限平衡法计算每个滑块的动安全系数;同时,对瞬时动安全系数小于1.0的时段,进行加速度积分,求出滑块累积失稳位移。结合滑块尺寸及滑动面强度参数提出极限累积位移计算公式作为失稳判据,通过比较累积位移与极限累积位移判定滑块的稳定性。基于以上思路开发了一套坝肩动力稳定分析系统SAFEDAM。以沙牌拱坝经受反映5.12地震的人工波为例,开展了沙牌拱坝坝肩动力超载稳定分析,验证了极限累积位移判据的合理性。研究表明,沙牌左岸坝肩超载稳定安全倍数Kp0 =3.2,右岸坝肩超载稳定安全倍数Kp0 =4.2。工程实例计算表明,该方法计算坝肩动力稳定性使用较为方便可靠,具有较大的工程实用价值,为坝肩动力稳定性分析和评价提供了一条新路径。     

浅埋煤层长壁开采顶板岩层灾害控制研究

根据浅埋煤层顶板岩层的赋存特点和长壁开采时基岩老顶的断裂下沉特征,应用初始后屈曲理论和突变理论探讨了初次来压期间基岩老顶的灾害机制和灾害控制,补充了基岩老顶破断后控制岩块滑落失稳的充分条件和岩块触矸前后台阶下沉的判据,确定了台阶下沉量,给出了控制台阶下沉和维持顶板稳定的支护力计算公式,并以神东矿区大柳塔1203工作面为例给出了工程实例。研究发现,顶板破断后岩块处于不平衡状态,台阶下沉的机制是结构的滑落失稳;岩块触矸前后的台阶下沉分别与断裂下沉和开采高度之间存在着确定的关系;顶板强烈来压主要是由结构滑落失稳造成的,控制台阶下沉的实质是控制岩块沿煤壁的滑落失稳。研究结果表明,综合应用初始后屈曲理论和突变理论,可根据顶板结构的赋存状况和结构特征,确定基岩老顶触矸前是否会出现全厚度切落;根据工作面的开采高度和采空区有效充填厚度等,可确定基岩老顶触矸后岩块的运动形式;根据顶板的破断步距、断裂下沉量和岩块摩擦因数等,可确定岩块触矸前后控制台阶下沉的支护力     

重庆武隆鸡尾山滑坡视向滑动机制分析

重庆武隆鸡尾山山体为典型的斜倾厚层灰岩山体,其破坏模式不同于常见侧向崩塌-堆积层滑坡,属于真倾向滑移变形转为视向整体滑动的特殊失稳模式。在现场地质调查的基础上,从地层岩性、岩体结构、岩溶及地下水作用、软弱夹层等影响因素分析重庆武隆鸡尾山滑坡形成原因;根据滑坡破坏机制,基于关键块体控制理论,对鸡尾山滑坡进行三维稳定性极限平衡分析;利用三维离散元软件模拟鸡尾山滑坡的初始变形破坏过程,分析了鸡尾山滑坡不同影响因素条件下的视向滑动形成机制和变形破坏特征,并探讨了节理化和溶蚀岩体的参数取值。结果分析认为,在重力的长期作用下,鸡尾山山体初始沿真倾向方向滑移,沿岩溶发育的陡倾节理裂隙逐渐产生后缘及侧向裂缝,形成块状后部驱动块体,由于地下水等因素使软弱夹层软化,驱动块体下滑力增大,前缘阻滑关键块体内部应力积累,并最终沿强度较低的岩溶发育带发生剪切破坏,从而导致整体滑动;在进行滑坡稳定性极限平衡分析时,考虑实际的滑坡机制,将滑体分为驱动块体和关键块体分别进行力的解析,并以关键块体的安全系数代表滑坡的安全系数更加合理。数值模拟显示,软弱夹层强度降低、岩溶发育带剪切破坏后,滑体进入大变形阶段,表明关键块体控制和阻滑作用明显,软弱夹层强度降低是滑坡发生的关键因素。采矿形成的采空区对山体的影响主要是使上覆岩体压应力增大,但对滑体的变形无影响。     

基于固有振动频率的危岩安全监测试验研究

危岩体在经历地震和强降雨之后其抗滑力下降,从而导致重力作用失稳,是一种常见的破坏形式。危岩块体的失稳破坏取决于岩体结构面的状况,随着结构面的张开及黏结程度下降,危岩块体会发生失稳而崩塌,基于常规位移监测方法难以达到危岩块体监测预警的目的。而固有振动频率可以有效反映岩体的物理力学参数的变化,进而可以对其安全性做出预判。基于模型试验,在保持下滑力不变的情况下,通过固有振动频率来对滑坡内部的黏结力和摩擦力等力学指标进行分析。通过实际静摩擦力是否达到最大静摩擦力的方法来科学判识岩体的稳定情况。试验结果得出：计算的摩擦力可以有效分析岩体的安全性,并证明固有振动频率在降低至6 Hz以下,岩体开始趋于破坏。同时,得出由于摩擦力破坏后期占据抗滑力的比重逐渐升高,最高达到抗滑力的80%,从而造成破坏末期摩擦力不降反升的情况。基于固有振动频率的监测,可对岩体的损伤做出定量判断,也可评估岩体静摩擦力指标,从而实现扰动后岩体的安全评价。这种基于振动模态的岩体安全监测与损伤评价新的技术思路,将在实际工程中发挥重大作用。