深埋大理岩力学特性对岩爆发生条件的影响分析

岩爆作为深埋地下工程围岩的一种破坏方式,其发生条件受多种因素的制约。根据在锦屏二级深埋隧洞掘进过程中的岩爆统计结果,即使应力条件和岩体强度达到一定的要求,岩爆发生与否以及剧烈程度还与岩体力学特性有密切的联系。锦屏二级深埋隧洞沿线以大理岩为主,为此开展了大理岩力学特性与岩爆发生关系的相关研究工作。根据大理岩三轴压缩试验结果,验证了大理岩的脆-延-塑转化特性,确定了锦屏白山组大理岩的转化围压和相关的Hoek-Brown强度参数,并利用经验的方法初步评价了锦屏深埋大理岩的岩爆风险。为了进一步明确岩体力学特性对岩爆风险的影响,利用现场实际的岩爆破坏形态,通过考察不同深度处测点的应力路径,校核了现场岩体的力学参数。在此基础上分析了具有岩爆风险的围岩力学状态,分别研究了岩石强度、岩体完整性和岩体脆性特征对岩爆发生条件的影响。研究结果表明,锦屏大理岩岩石强度和脆性特征可以影响到锦屏深埋隧洞围岩岩爆风险程度,但其影响相对较小,而岩体完整性对岩爆风险形成具有比较明显的影响。     

煤样单轴压缩时滞性变形破坏的试验研究

在深埋中等坚硬煤层采掘工作面煤壁片帮大多表现出明显时滞性,针对采掘工作面煤壁片帮发生时滞性应力特征,在RMT-150B岩石力学试验系统上进行煤样单轴压缩和分级加载对比试验,分析两种加载方式下煤样时滞性变形破坏特征,结果表明：两种加载方式在煤样峰值前应力-应变曲线宏观没有明显区别,单轴压缩峰值后出现分次应力跌落,而分级加载最后一级应力高于煤样屈服强度时没有明显峰值点,出现屈服平台,峰值后应力跌落迅速;单轴压缩得到的力学参数明显高于分级加载试验值,表现出煤样的力学参数具有时滞性;分级加载应力比低于70%时,煤样轴向和环向变形特征不明显,分级加载应力比高于70%时,尽管轴向应力保持恒定,随着时间延长煤样轴向和环向变形则不断增加,且环向应变远大于轴向应变,体积不断增加,在此期间,煤样继续吸收外界能量内部材料逐步损伤破坏,新生微裂纹不断演化、发展和汇聚,分级加载应力水平比越高,延时破坏越短,相反延时破坏则越长,分级加载时表现出明显时滞性特征;单轴压缩时煤样破坏相对简单,具有明显张剪性双重破裂面,而分级加载时煤样破碎充分,破坏形式复杂,环向膨胀特征明显,与采掘工作面煤壁延时片帮破坏特征极为相似。其研究结果对采掘工作面煤壁延时片帮治理具有一定的参考意义。     

锦屏二级水电站大理岩复杂加卸载应力路径力学特性研究

地下洞室开挖围岩经历典型径向卸载、环向加载应力路径,由此引起的岩体强度、变形特征和破坏机制也不尽相同。针对锦屏二级水电站高地应力赋存环境,对施工排水洞大理岩开展常规单轴全应变、三轴压缩、卸围压、卸围压-加载轴压等4种不同应力路径力学试验,得到应力-应变全过程曲线、变形破坏特征和极限储能变化规律。试验研究结果表明, （1）锦屏二级水电站大理岩破坏时轴向应变一般较小,为硬脆性材料,卸荷应力路径下该脆性特征更为明显;（2）卸围压同时加载轴压试验峰值强度对应轴向应变、环向应变及体积应变值一般高于单纯的卸围压值,而对应峰值强度则一般低于卸围压值;（3）卸荷速率较大时,变形模量越大,大理岩峰值强度越低。加载速率越大,变形模量越小,峰值强度越高。初始围压越高,变形模量值越低,峰值强度越高;（4）无侧限作用时试件主要为张拉破坏,低侧限作用时为剪切破坏为主,局部存在张拉破坏,较高侧限时,剪切面为典型X或Y型;（5）岩石试件具有极限储能值,该值受多种因素的影响。一般情况下试件破坏对应围压越高,极限储能值越高,卸载速率越大,极限储能值越小。研究结果对于岩爆孕育发生机制解释以及工程实际问题的解决均有参考价值。     

基于裂纹体应变的深埋大理岩加、卸荷破坏机制研究

为了弄清深埋硬岩的加、卸荷破坏机制,系统开展了深埋大理岩的常规三轴试验、保持 不变的卸围压试验和变 的卸围压试验等。以裂纹体应变为主要分析变量,结合体应变、等效塑性应变等参量深入分析上述不同应力路径下硬岩的破坏过程。运用裂纹体应变-轴向应变曲线、等效塑性应变-轴向应变曲线和轴向应力-应变曲线来解释岩石破坏过程所产生的现象与规律。结果表明：在裂纹闭合阶段岩样裂纹闭合的变化程度（裂纹体应变改变的大小）可以反映岩石的初始损伤程度;裂纹闭合阶段对岩石弹性模量的计算有重要的影响,需要根据合适的阶段划分,消除裂纹闭合阶段对弹性模量计算的影响,进而得到较为准确的弹性模量;在卸围压点处岩石的可闭合程度突然增加,裂纹体应变-轴向应变曲线发生突变;岩石卸荷破坏过程中裂纹扩展存在滞后性。研究成果有助于进一步理解深埋硬岩的加、卸荷破坏过程和机制,为深埋隧洞的灾害防治提供理论依据。     

地下洞室围岩脆性破坏时的应力特征研究

在高应力作用下,岩爆、钻孔崩落、片帮都是地下空间硬脆围岩中常见的破坏现象,这三类现象本质上均可归于完整岩体的脆性破坏,它们分别反映了高应力作用下完整岩体不同的破坏程度。通过对前人关于岩爆判据、钻孔崩落判据和片帮应力强度比判据研究成果的类比分析可知,这些脆性破坏现象在破坏时具备相同的应力背景条件。脆性破坏的应力条件可以用地下空间周边切向最大应力与岩石单轴抗压强度之比（ / ）或者工程区最大主应力与岩石单轴抗压强度之比（ / ）来描述,两种指标本质上反映了相同的应力背景条件。对于 / , / = 0.4 ± 0.1是发生脆性破坏的应力临界条件;对于 / , / = 0.15 ± 0.05是发生脆性破坏的应力临界条件。大量的工程实例和基于Hoek-Brown强度准则的力学分析也证明了这一背景条件的正确性。这里两种指标都取了一个范围,主要是由于不同的岩体分级、岩性和工程地质条件会对指标的界定产生较为显著的影响。     

岩爆破坏过程能量释放的数值模拟

岩爆是地下岩石开挖中的一种工程灾害现象,是岩体结构发生破坏时,由于内部储存的弹性能释放并转换为动能而造成动力形式的破坏。岩爆破坏过程中的能量释放与岩体在应力峰值前后的应力-应变特性紧密相关。另外,施工中开挖速度引起的加载速率的变化也会对岩爆的产生有明显影响。以岩体全过程应力-应变曲线试验为基础分析岩爆破坏过程。分析中采用的模型考虑了岩石峰值后应力-应变特性及加载速率的影响。运用数值方法对岩石洞室的开挖过程进行了模拟,在模拟中对岩体破坏的发生及弹性能释放过程进行了分析。数值分析结果显示,岩体洞室开挖过程中岩石破坏由岩体表面向岩体内部发展,岩石的弹性能释放率也随着破坏的发展而不断增加。分析结果还显示,岩体破坏时的弹性能释放速率会随着开挖速率的提高而明显增加。     

高水压条件下大理岩破坏机理试验研究

锦屏二级水电站深埋隧洞中大理岩洞段处于高水压力和高应力环境中, 该段在施工过程中多次发生严重突水灾害。对该段大理岩的高水压条件岩石力学试验表明, 高水压条件下, 岩石应力-应变曲线在峰值应力附近出现明显平缓段, 应力降大, 岩石峰值强度及脆性破坏后破碎程度随水压力升高而升高, 岩石试件以压致拉裂破坏为主。基于高水压条件下裂纹周边应力解析分析, 认为裂隙中高水压力存在降低了裂隙尖端附近高应力集中效应, 与加载方向一定小夹角范围内的微裂隙尖端附近最大拉应力集中程度接近, 这使得岩石中应变能可进一步积累、压致拉裂型微裂隙数量进一步增加, 岩石呈脆性破坏, 并且破碎程度明显增加。研究工作对深埋隧洞突水灾害防治及强降雨诱发高速滑坡灾害预防具有重要的理论和现实意义。     

等向压缩及偏压加载下锦屏大理岩变形特性研究

以中国锦屏地下实验室工程T_(2b)大理岩为研究对象,开展了等向压缩(σ_1=σ_2=σ_3)试验及不同围压下的三轴偏压(σ_1-σ_3)加载试验,分析讨论了大理岩等向压缩体积变形特点、围压对峰后变形行为及峰前渐进性变形破坏过程的影响。试验结果表明:大理岩的等向压缩体积变形在不同围压范围内经历了一个线性-非线性-线性的变化过程。等向压缩体变曲线上存在一个拐点(敏感应力),该点的围压能在一定程度上反映其应力历史。偏压加载时峰后变形表现为脆性-半脆性-延性转化特征,峰值强度随围压变化与等向压缩体变曲线斜率发生变化的转换围压是一致的。围压对渐进性破坏过程各个阶段均会产生一定影响,除偏差闭合应力阈值外,其余各特征偏应力阈值均随围压近似呈线性增加关系。在等向压缩和偏压加载时出现了2次裂隙闭合过程。试验成果对进一步研究硬岩的变形破坏机制、防治深部地下工程灾害具有一定参考价值。     

围压对黄砂岩疲劳破坏变形特性的影响

为研究三向应力状态下周期荷载对工程岩体长期稳定性的影响,对黄砂岩试样进行了不同围压的常规三轴压缩试验和周期轴向荷载疲劳试验,得到了黄砂岩疲劳破坏的轴向、环向及体积变形特性。试验结果表明:常规三轴轴向周期荷载作用下,黄砂岩疲劳破坏的轴向、环向以及体积变形受到静态应力-应变曲线变形量的控制;疲劳破坏轴向、环向的峰值变形和不可逆变形均符合三阶段倒S型曲线发展演化规律;围压对轴向变形发展规律有一定强化作用,对环向变形发展规律却有所抑制;在疲劳破坏变形过程中,峰值应变ε_(max)具有和不可逆应变ε~p相似的发展规律,弹性应变ε~e在3个阶段基本保持不变,不可逆应变增量Dep的变化规律能够反映3个阶段应变速率的发展演化规律;变形比强度更适合作为岩石疲劳破坏的依据,黄砂岩的疲劳破坏变形特性研究为建立岩石的疲劳破坏力学模型做了基础。     

岩石分数阶体积变形模型及其试验研究

为了可以合理地描述岩石的体积变形行为,从分数阶微积分出发,基于分数阶常黏性和变黏性系数Abel黏壶元件,提出了环向-轴向应变分数阶黏壶,构建了岩石在单三轴压缩,松弛及蠕变条件下的分数阶体积应变-轴向应变关系,得到了模型的解析解,新模型可为求解岩石的体积应变提供一种新方法。在完整砂岩、泥岩试样及单裂隙砂岩试样的单三轴压缩、松弛及裂隙花岗岩蠕变试验数据的基础上,通过拟合分析确定了分数阶导数体积-轴向应变关系模型的参数,并进行了参数敏感性分析,揭示了围压、单裂隙倾角、微分阶数及模型参数对体积应变的影响规律。结果表明,利用该黏壶构建的体积-轴向应变关系模型,不仅可以更好地描述岩石体积变形的剪缩、剪胀特性,还能够反映岩石的松弛及蠕变变形特性。     

秦岭公路隧道通风竖井岩爆预测和防治措施

秦岭公路隧道2号通风竖井,为国内乃至世界公路隧道规模最大的竖井工程。根据工程地质资料分析,岩爆是该竖井施工过程中的主要难题。为了从岩性角度评价竖井围岩的岩爆倾向性,开展了室内岩石单轴压缩变形试验和物理模型试验,根据改进脆性指数指标和模型试验的结果,表明竖井围岩有岩爆倾向性,必须加强岩爆预测和防治。根据水压致裂法的地应力测试结果和地应力分布特点,采用三维有限元回归分析反演了竖井工程区域的初始应力场。根据竖井围岩地应力场和Kirsch解得到的围岩二次应力场,结合Russenes和陶振宇岩爆判据,进行了竖井岩爆综合预测和分析,得出竖井有轻微和中等岩爆发生的结论,并提出岩爆防治措施。     

单轴压缩下两种脆性岩石强度及声发射特性的试验研究

脆性对岩石破裂机制及声发射特性具有重要影响。采用花岗岩及大理岩两种不同岩性的岩石,开展了单轴压缩及声发射测试试验,获取了两种岩石的强度及变形特性,并对其脆性大小进行定量评价,分析了单轴压缩过程中两种岩石声发射能量演化特性,结合声发射b值计算结果及其物理意义,对比了两种岩石破裂机制的差异性。结果表明:(1)试验所采用的两种岩石,花岗岩的σ_cd/σ_p之比介于0.676~0.745之间,平均为0.706,而大理岩的σ_cd/σ_p之比介于0.439~0.615,平均为0.52;(2)基于脆性评价指标,结合试样宏观破坏现象及形态,本次试验采用的花岗岩其脆性大于大理岩;(3)岩石脆性程度越大,在裂纹不稳定扩展阶段,在产生相同的轴向压缩变形的情况下,环向变形量越大;(4)强脆性的花岗岩在裂纹不稳定扩展阶段持续出现高能级的声发射信号,而弱脆性的大理岩则表现出能量持续降低的变化趋势,峰值强度后,弱脆性的大理岩其高能级能量的声发射信号更活跃;(5)单轴压缩下,与大理岩相比,花岗岩破坏过程中大尺度的破裂事件所占比例较大。     

锦屏深埋大理岩破裂扩展的时间效应试验及特征研究

脆性岩石破裂扩展的时间效应与地下工程的长期稳定性密切相关。针对锦屏深埋大理岩易受高应力卸荷而产生初始损伤的特点,首先利用无损取样技术获得无损岩样,并利用声发射对无损岩样进行初始损伤检测,剔除初始损伤对试验结果的影响。之后利用获得的无损岩样进行一系列的长期加载的静态疲劳试验验证锦屏大理岩强度的时效特性。结果显示,锦屏大理岩表现出强度随时间衰减的特性,当应力驱动比较低时,需要的时间也相应增加,最后得到静态疲劳极限为0.48。分析证明,脆性岩石在稳定荷载作用下蠕变曲线也分为3个阶段,同时应变率也表现出相应的变化趋势,利用扩容指标阐述了岩样在静态疲劳试验中的变形特征和破坏模式。最后,利用FLAC3D计算了开挖引起的应力松弛区和应力集中区,说明了埋深对试验结果的影响。针对试验中出现的含节理岩样强度较低的问题,借助颗粒流程序PFC中的光滑节理模型进行了数值试验,结果显示,节理的存在极大地影响了岩样的整体强度,并且在加载初期,存在压缩紧密,而在残余阶段,存在一定的强化效应和延性特征。     

大埋深高地应力关山隧道围岩变形破坏分析

甘肃省关山隧道是一条受高地应力影响的大埋深硬脆性闪长岩铁路隧道,位于青藏高原东北缘,构造活跃,运动速率较大,且方向变化显著的六盘山挤压隆升构造区。在隧道开挖过程中围岩变形破坏现象明显,围岩等级低于前期岩体质量分级,表现出强烈的岩体质量劣化和各向异性。针对该问题,除了采用矿物成分和微结构分析寻找原因,还通过现场结构面统计分析对围岩质量劣化和各向异性进行描述,同时运用自行研发的钻孔电视进一步分析开挖前后一定时间间隔内围岩的渐进式变形和破坏。钻孔电视试验结果表明,尽管闪长岩作为一种硬脆性岩体,单轴抗压强度（UCS）高于现场地应力值,但其变形和破坏却普遍发生,开挖过程中新生裂隙迅速发育,原先在高地应力下闭合的裂隙也会重新张开和发展,围岩劣化,稳定性降低。为了进一步分析围岩的变形破坏过程,设计了变压力大小和方向的单轴抗压试验,试验中闪长岩的单轴压力值低于单轴抗压强度,试验结果与钻孔电视试验观测结果吻合,证明了在开挖引起的地应力剧烈变化条件下硬脆性闪长岩结构劣化,存在变形破坏的可能性。在大埋深高地应力条件下,除了岩体的各向异性,地应力的变化也是硬脆性围岩稳定性的重要考量因素。     

液氮冻结对岩石抗拉及抗压强度影响试验研究

液氮温度极低（?195.8℃）,当与储层岩石接触时,能够改变岩石物性并对岩石结构产生损伤致裂,因此,可用于储层压裂改造。为了研究液氮压裂时低温对岩石力学性能的影响,分别对不同含水状态（干燥与饱和）的不同类型（大理岩、砂岩和花岗岩）岩石进行液氮冻结处理,并对冻结前、后岩样进行抗拉及单轴抗压强度对比测试。结果表明,经液氮冻结后,岩石的单轴抗压强度、抗拉强度和弹性模量都降低;岩石在干燥状态下,液氮冻结对大理石强度的影响大于对红砂岩的影响;岩石饱和水状态下,液氮冻结对红砂岩强度的影响大于对大理岩的影响;饱和水状态岩石经液氮冻结后,其应力-轴应变曲线在弹性变形阶段出现一个拐点;对于同种类型岩石,饱和水状态能加剧液氮冻结并对岩石损伤,岩石强度影响显著;对3种岩样微观结构进行了电镜扫描（以大理岩为例进行分析）,发现经液氮冻结后在矿物颗粒之间生成了微裂隙。研究结果可为进一步研究液氮压裂机制提供试验依据。     

基于灰色理论的脆性岩石抗压强度尺寸效应试验研究

采用相同直径不同高度的圆柱形白色大理岩及灰岩试样进行单轴压缩试验研究,验证了脆性岩石抗压强度在一定范围内随高径比的增大而减小的规律。依据岩石单轴压缩试验结果,基于灰色预测GM（1,1）模型建立了脆性岩石的单轴抗压强度与试件高径比之间的非线形关系式,该经验公式对脆性岩石具有统一的形式,同时通过式中参数a值反映了由于岩性、试验条件等不同而引起的强度差异。利用该关系式可以很方便地在相关岩土工程中为相似岩石估算其强度值提供参考、借鉴。     

On Tension Failure of 2-D Rock Specimens and Associated Acoustic Emission

Summary To understand the failure mechanism of quasi-brittle materials like rock under tensile stress, observations on the failure process of granite and marble plate specimens under tension are summarized and presented. Micro- and macro-failure properties of rock plates under uniaxial tension have been characterized by using an acoustic emission technique. Acoustic emission signals associated with micro-fractures are captured to locate the sources. An algorithm based on arrival time difference is developed for this purpose. The results reveal clearly the failure processes of rock which include initiation, nucleation and propagation of micro-fractures when the axial stress is close to the peak strength of rock. It is believed that the difference in heterogeneity between granite and marble specimens leads to different fracture shapes and different behaviors of associated acoustic emissions. Numerical simulation of acoustic emissions for two-dimensional tensile test is also carried out. The simulated characteristics are in good agreement with the experimental results.     

Rock burst and slabbing failure and its influence on TBM excavation at headrace tunnels in Jinping II hydropower station

Two headrace tunnels and the drainage tunnel were excavated by tunnel boring machines (TBMs) in Jinping II Hydropower Station. During TBM excavation, two types of slabbing failure were encountered in these deep buried marble tunnels. One is rock bursting and the other is non-violent slabbing. In order to study the rock burst and slabbing failure, a unique true triaxial rock burst test was carried out to simulate the rock burst process with different in situ stresses. Four rock samples in different marble layers were obtained in the site, and then four experiments are conducted under the same stressed conditions as the in situ field. The rock burst process and slabbing failure phenomena of the four experiments are in good accordance with the observations of corresponding excavation site. The failure modes of slabbing and rock burst in different rock groups can be predicted based on the experiments. The influence of the slabbing and rock burst failure on TBM excavation is analyzed in depth. Non-violent slabbing is beneficial to the rock breakage process. Rock burst with violent slabbing process greatly affects the tunnel support, cutter and cutterhead damage, gripper movement and force and so on.     

基于3D雕刻技术的岩体结构面剪切各向异性研究

相同形貌结构面重复性剪切试验和各向异性剪切试验一直是岩体结构面剪切力学特性试验研究中的难点,而该问题对于工程岩体的开挖力学响应和稳定性分析、评价与控制至关重要,问题的关键在于同一种岩石的结构面形貌的再现。为此,基于3D扫描和3D雕刻技术,重复制备了3种不同粗糙度的大理岩结构面试样,开展了不同法向应力下相同形貌结构面的各向异性剪切试验。试验结果发现：（1）同一法向应力、不同剪切方向下,相同形貌结构面的剪切强度、剪胀和剪切破坏特征均呈现明显各向异性;（2）结构面粗糙度各向异性很大程度上决定了剪切强度的各向异性,两者具有较好的正相关性;（3）随着法向应力的升高,结构面剪切特征的各向异性有逐渐弱化的趋势。同时,研究还充分表明,3D雕刻技术是系统开展结构面剪切力学特征各向异性研究的可靠手段,可在将来研究中发挥更为重要的作用。