数字图像技术在岩石细观力学研究中的应用

岩石内部的细观组成和结构决定了其在外力作用下的应力-应变状态,进而控制了其宏观力学响应和破坏机制。数字图像处理技术作为一种材料细观尺度上的空间结构精确测量和数字表述手段,已广泛应用于土、岩石及混凝土的细观结构定量分析中。应用数字图像处理进行的岩石细观力学研究是对岩石力学研究方法的革新。现阶段主要研究内容包括：岩石裂隙隙宽的非接触测量,数字表述岩石结构的非均匀性,进行岩石细观力学行为分析,将提取的岩石数字特征值与相应的岩石物性结合以实现岩石流-固耦合研究,建立基于数字图像技术的岩石细观力学数值模拟方法。在研究相关文献的基础上,对数字图像技术在岩石细观力学定量研究中的成果进行客观评述,探讨各种方法的优缺点,分析展望数字图像技术在岩石细观研究领域中的应用前景。     

覆盖型岩溶塌陷的空间预测与评价

针对危害性最大的覆盖型岩溶,建立考虑土盖层厚度和岩土体类型的典型岩溶地质结构模型,分析其在地下水位升降及地表水入渗情况下的塌陷机制。结合具体岩溶工程问题,提出“物理探测－工程勘察－岩、土物理力学试验－数值模拟－监测评价”的岩溶塌陷空间预测方法,并将该方法应用于湖北省黄石市一处典型覆盖型岩溶灾害区。在物理勘探、工程勘察和岩土物理力学试验的基础上进行的岩溶塌陷数值模拟表明,相对于地下水位快速升降,因地表水入渗导致黏土盖层软化引起的地面沉降更大。依据数值模拟结果,结合研究区地面及房屋裂缝的发展情况,划分出塌陷危险区的具体空间范围。实践证明,该岩溶塌陷空间预测方法具有较强的可操作性和较高的可靠性,可作为类似工程问题的研究方法予以推广     

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。     

西江特大桥岩锚锚碇的承载特性研究

针对西江特大桥广州岸岩锚锚碇系统的承载稳定性问题,采用工程地质勘察、室内及现场原位岩石力学特性试验、钻孔摄像及声波测试等手段,获取承载边坡的岩体地质力学特性,并建立边坡地质力学模型,同时进行现场拉锚试验验证预应力锚索设计的可靠性。采用三维数值模拟方法研究锚碇系统在施加预应力和承担外荷载两种情况下,边坡岩体的稳定性和锚碇群锚中不同位置的预应力锚索锚固力的分布特征。研究表明,在桥梁施工荷载的拉拔作用下,广州岸锚碇边坡整体稳定,坡表变形为毫米级;锚索锚固力呈不均匀分布形态,主要集中在锚固段前2 m范围内,最大值出现在锚固段端头;锚碇群锚的锚固力应力集中程度由大到小依次是角锚、边锚、中间锚。超载试验表明,整个锚碇系统的极限抗拔力不小于8倍设计荷载。锚索现场监测数值显示,锚碇承载期间锚索索力基本稳定,中间锚的索力小于角锚。研究方法及成果可供类似的桥梁及抗倾拔工程中的岩锚锚碇设计及安全评价借鉴。     

石膏矿岩水致老化效应试验

为研究石膏岩的水致老化效应,在室内模拟石膏矿采空区的水环境条件,包括不同空气湿度环境和饱和地下水环境。将石膏岩岩样置于其中,定期取出测定其力学性质指标,得到石膏岩老化的宏观力学表现,并结合核磁共振技术测定试验过程中石膏岩岩样内部的孔隙结构变化,分析石膏岩的水致老化机制。研究结果表明,水对石膏岩的老化效应具有显著的影响。老化程度随时间递增,石膏岩的单轴抗压强度、巴西抗拉强度和弹性模量与置于水环境中的时间基本呈负指数关系,泊松比则无明显变化规律;石膏岩老化程度和老化速率与水的状态密切相关。相对湿度越高,石膏岩的老化越显著,老化速率也更快,尤其是被液态水浸泡时,石膏岩的老化最显著,老化速率最快。水对石膏岩的老化过程是水的物理作用与化学作用的耦合,而化学作用是水致石膏岩老化的根本原因。石膏岩与水接触时,石膏的溶解、重结晶作用的不断进行改变着石膏岩的矿物组成结构,使其结构由紧密变得松散,孔隙率增大,力学性质不断弱化。该试验研究结果可为石膏矿开采的设计及采后空区的长期稳定性评估提供参考。     

坡顶荷载作用下岩质边坡弯曲倾倒破坏分析

车辆、坡顶堆载等造成的坡顶荷载是影响边坡稳定性的一个重要因素。首先,基于叠合悬臂梁模型和极限平衡理论,建立了坡顶荷载作用下岩质反倾边坡的力学分析模型,推导了坡顶荷载作用下边坡的剩余倾倒力和剩余滑移力计算公式,给出了岩层破坏模式判别条件,并通过大型数学分析软件Matlab将分析方法程序化;然后,通过与离散元模拟结果进行对比分析,验证了所提分析模型的准确性;最后,基于所提分析方法,进行了不同参数的敏感性分析。研究结果表明,坡顶荷载对岩层剩余力的影响较大,但对岩层破坏模式的影响不大;对边坡稳定性较为敏感的切坡角度为50°和岩层倾角为58°,当小于该值时,边坡稳定性将显著提高;层间黏聚力对自重边坡稳定性影响较大;数值模拟与理论分析得到的安全系数较为一致,验证了考虑坡顶荷载作用下弯曲倾倒破坏分析理论解的正确性,可为类似工程稳定性分析提供参考。     

石膏矿岩三轴压缩蠕变特性试验研究

石膏矿开采多采用房柱法,其蠕变特性对采空区稳定性有重要影响。以荆花石膏矿为背景,利用RC-2000微机控制岩石三轴蠕变试验机,结合具体工程情况,对荆花石膏矿岩进行围压分别为0、2.5、5.0、7.5 MPa的蠕变试验。分析了所得的蠕变试验数据,选取合适的模型对试验曲线进行拟合,利用等时应力-应变曲线簇法求得在不同围压下的长期强度。分析可知,荆花石膏矿蠕变包含衰减蠕变和等速蠕变2个阶段,轴向应力较小时只出现衰减蠕变,轴向应变增大到一定程度时将出现衰减蠕变和等速蠕变2个阶段。选择西原模型对试验曲线进行拟合结果表明,西原模型能较好地描述石膏矿的蠕变力学特性,拟合相关系数R均大于0.9;在不同围压情况下长期强度与蠕变强度的比值为0.89～0.95,即围压对长期强度的影响不大。研究结论能为石膏矿采空区的稳定性分析提供依据。     

相对湿度作用下的石膏矿护顶层突变破坏机制分析

依据室内试验所得的石膏岩的基本力学性质随着大气中相对湿度变化的规律,并结合石膏矿采空区的破坏特征,将护顶层简化为铅直方向受均布荷载q作用的三铰拱分析模型,建立了相对湿度作用下的石膏矿采空区护顶层的尖点突变模型,研究了相对湿度作用下护顶层突发破坏的失稳机制。试验结果表明：石膏岩的力学性质在采空区中环境湿度的作用下,其强度和变形参数会大大降低。分析和工程计算结果表明：随着采空区中环境湿度的增加,支撑体系越不稳定,越容易跨越分叉集而发生突发失稳破坏;相空间的控制参数a随着采空区中环境湿度的增加,其代数值是逐渐增大的（绝对值减小,由负值向0变化）,而控制参数b逐渐增大,系统突发失稳控制参数（a,b）的变化路径为向东北方向变化,该路径是系统较为容易发生突发失稳的路径。