软岩的多轴力学特性及其对拱坝的影响

与单轴试验相比，在多轴条件下，软岩(尤其是遇水软化的砾岩)的强度和刚度均有所提高。尝试利用多轴非线性模型，将砾岩在多轴应力条件下的试验成果应用于实际工程，使仿真计算结果更接近实际情况。由于考虑了围压对岩石刚度有提高的影响，非线性计算结果更安全一些，但这不足以弥补砾岩因泡水降低弹模带来的影响。此外，通过对比双轴与常规三轴试验成果，得出在低围压应力区可用双轴试验结果代替三轴试验结果的结论，既简化了试验又便于量测。     

硬岩应力–应变曲线真三轴仪研制关键技术研究

基于茂木式岩石真三轴试验原理,介绍真三轴试验机设计中的岩石体积变形测量、端部摩擦效应、应力空白角效应以及真三轴条件下的峰后行为捕捉关键试验技术。此试验系统具有高刚度、大吨位及高响应等特点,能获得真三轴条件下多种硬岩的全应力–应变曲线。同时,利用该试验系统,对不同减摩方案下的摩擦系数进行测试,并评估端部摩擦效应对岩石变形的影响。结果表明:硬脂酸和凡士林混合物具有较好的减摩效果,真三轴试验中,建议采用此减摩方案。端部摩擦往往造成岩石变形的不均匀分布,且对岩石的变形模量和强度有所提高。     

均质各向同性硬岩统一应变能强度准则的建立及验证

 在大量硬岩多轴加、卸荷强度试验成果分析基础上,研究硬岩强度及强度准则的基本特性,指出硬岩多轴加、卸荷强度均具有中间主应力效应、最小主应力效应、静水压力效应、应力Lode角效应和拉压异性效应。以强度准则的Zienkiewicz一般形式为基础,提出在Rankine型强度曲线和Drucker-Prager型强度曲线过渡的两参数表征的偏平面形函数,与有效应变能理论为基础的Wiebols-Cook强度准则的改进型子午面形函数相结合,建立均质各向同性硬岩统一应变能强度准则。大量硬岩加、卸荷试验数据验证了该强度准则能客观地反映各向同性硬岩强度基本特性和硬岩强度的非线性特征。通过参数调整,提出的统一强度准则将大量现有强度准则统一到同一强度理论框架下,极大地方便了强度理论的数值实现,适用于多种各向同性硬质岩类,进一步丰富了统一强度理论研究成果。     

软岩多轴流变特性及其对拱坝的影响

尝试利用多轴非线性流变模型，将砾岩在多轴应力条件下的流变试验成果应用于实际工程，使仿真数值计算结果更接近实际情况。与干燥状态相比，泡水后软岩除了瞬时变形模量大幅度降低外，流变也很显著，这会对坝体应力带来明显的影响。考虑了侧压对岩石流变的影响，由于侧压作用，软岩流变减少，拱坝拉应力区域缩减，拉应力值也有一定程度的降低。     

饱和状态下硬岩三轴流变变形与破裂机制研究

利用岩石全自动流变伺服仪对饱和状态下坚硬大理岩和绿片岩进行了三轴压缩流变试验,基于得到的硬岩三轴流变试验结果,研究了硬岩在不同围压作用下的轴向应变以及侧向应变随时间的变化规律,从而为岩石工程流变数值分析时参数的辨识提供了可靠的试验依据。然后研究了硬岩轴向变形与侧向变形之间的关系,探讨了围压与粒径对岩石轴向以及侧向变形特性的影响规律,分析了岩石三轴流变过程中的塑性变形特性,讨论了流变应力水平对岩石侧向-轴向变形特性的影响规律。最后对不同围压作用下岩石流变破裂断口微细观特征进行了分析。     

硬脆岩石的微观颗粒模型及其卸荷岩爆效应研究

 为准确反映硬脆岩石的力学特性并对其卸荷岩爆效应进行合理模拟,从微观层面建立了硬脆岩石的力学模型。首先依据花岗岩岩样的衍射测试确定了模拟岩样的微观结构,其次从能量发展和应力–应变2个角度确定了硬脆特性的评价指标,借助评价指标进行岩样的颗粒效应分析和力学性能调控,进而构建了一种反映岩石硬脆特性的微观颗粒模型“可视构架”(基于现有岩样结构,颗粒与黏结参数需保持的趋势和量值限制)。应用模型并采用颗粒流程序PFC3D对不同围压三轴卸荷下的岩爆效应进行模拟分析,结果表明：岩样的低围压卸荷与高围压卸荷都体现出以张拉性质为主导的黏结断裂,但高围压卸荷比低围压卸荷有更高的张拉断裂比重,体现出更明显的脆性破裂性质,应力跌落曲线表现得更为陡直;低围压卸荷下颗粒动能在破裂过程中均有所发展,岩爆效应体现出“持续型”特点,高围压卸荷下颗粒动能则表现出明显的差异性,岩爆效应体现出“爆发型”特点。     

中间主应力与层理方向对页岩力学和渗透特性影响的试验研究

 为探讨中间主应力与层理方向对页岩力学和渗透特性的影响,运用自主研制的多功能真三轴流固耦合试验系统,以含气页岩为研究对象,进行真三轴应力条件下不同中间主应力加卸载试验。研究结果表明：中间主应力对页岩渗透率的影响在中间主应力垂直于层理面时最大,最小主应力垂直于层理面时次之,最大主应力垂直于层理面时最小;当中间主应力垂直于层理面或平行于层理面时,中间主应力与渗透率呈负相关。中间主应力垂直于层理面时渗透率对中间主应力的敏感性明显大于中间主应力平行于层理面时的敏感性,二者相差1～2个数量级;此外,定义损伤变量D表达式,发现加载过程中损伤变量–中间主应力曲线斜率变化不大,而在卸载过程中斜率变化明显,中间主应力垂直于层理面时损伤变量全程大于中间主应力平行于层理面时的损伤变量。     

高应力硬岩地区岩体结构对地下洞室围岩稳定的控制效应研究

官地水电站地下厂房属典型的硬岩地区深埋大型地下洞室群,其重要特点是同时面临高地应力和结构面发育这2个不利条件,实测最大主应力为25～35 MPa,厂区无大的断层和软弱结构面,但错动带和裂隙十分发育。通过对地下洞室群施工过程中出现的围岩局部失稳破坏现象进行全面的分析整理,对三大洞室的岩体结构特征和围岩变形破坏模式进行系统的分析、比较和总结,从而对影响围岩稳定的两大控制因素——地应力和岩体结构对官地地下厂房洞室群围岩稳定的影响程度和方式进行分析和对比。研究表明,由于三大洞室围岩类别以II类为主,岩体结构以块状～次块状结构为主,围岩具有较高的力学强度和强度应力比,从而具有较强的抵抗应力破坏的能力;岩体结构对地下厂房围岩变形与稳定的控制作用较地应力则更为明显,地下洞室群开挖过程中出现的局部失稳或较大变形多与不利方位的结构面直接相关。三大洞室围岩岩体结构特征总体上的相似性非常明确,反映在三大洞室围岩的变形特征和破坏模式上具有很好的统一性。然而,三大洞室的岩体结构特征也存在一定的差异,导致岩体结构影响围岩稳定的方式和程度有所不同。结构面发育造成的另一个不利影响是为坚硬岩体在高地应力条件下产生卸荷时效变形提供了内部条件。因此,在强度应力比较高的硬岩地区,应充分重视岩体结构及其演化对围岩变形和稳定的控制效应。     

微波加热路径对硬岩破碎效果影响试验研究

 不同的微波加热方式会对岩石产生不同的加热效果,功率和时间是影响破岩效果的2个重要参数。对立方体和标准圆柱形玄武岩试样进行了3种加热路径下的微波辐射试验,并对辐射前后的试样进行P波波速和单轴压缩强度测试。结果表明,当试样内产生的热应力先超过岩石的强度极限时,试样就会崩开破坏;当试样温度先达到岩石熔点时,试样以熔化为主。采用高功率微波连续加热岩石,试样在较短时间、较低温度就发生崩开破坏,试样在崩开前波速和单轴压缩强度发生了显著降低,且功率越高,试样崩开的时间越短,波速和强度折减的越快。因此,采用高功率微波连续辐射岩石,借助于其产生的热应力使岩石崩开破碎的特点,可显著降低岩石破碎时的能量消耗,这对于微波单独应用于开采中的破碎工艺及辅助机械破岩掘进等具有重要意义。     

加载条件对不同尺寸岩石单轴压缩破裂过程的 影响研究

 针对岩石单轴压缩试验中存在的加载条件敏感性的问题,采用自行开发的二维弹塑性细胞自动机模拟系统EPCA2D,对不同尺寸的非均质岩石试样进行单轴压缩破裂过程模拟,研究不同的加载条件对岩石宏观变形行为和破裂模式的影响。结果表明,均质性相同的岩石试样在单轴压缩破裂过程中所表现的尺寸效应和形状效应现象与岩石本身的非均质性关系不大,加载垫板与试样之间力学性质的差异是造成岩样单轴压缩破裂过程尺寸效应和形状效应的根本原因,模拟结果再现了典型的试验现象。通过研究加载垫板与试样端部之间不同的摩擦情况,结果表明,即使试样端部存在较小的摩擦,仍然会造成岩样单轴强度和变形特性的离散性。因此,通过减小试样端部的摩擦来提高岩石单轴压缩试验质量是不可靠的。     

硬质岩石卸荷破坏特性试验研究

 对硬质灰岩进行加轴压、卸围压试验,研究卸荷应力路径对其力学性质的影响,结合试验数据分析5种强度准则描述岩石卸荷破坏的适用性。Mohr-Coulomb强度准则和Hoek-Brown强度准则回归效果较差,考虑中间主应力影响的Drucker-Prager强度准则和Mogi-Coulomb强度准则回归效果较好,并且Mogi-Coulomb强度准则回归效果优于Drucker-Prager强度准则,抛物线型强度准则对高围压下的试验结果回归较好。岩石卸荷破坏发生强烈的体积扩容,从描述体积应变变化的角度对岩石卸荷破坏本构模型进行修正,理论模型结果与试验结果吻合较好。     

深埋硬岩隧洞围岩的破坏模式分类与调控策略

 根据锦屏II级水电站地下隧洞的地质条件、现场试验、数值分析和支护设计与施工全过程,建立深埋硬岩隧洞围岩的破坏模式分类方法。该分类方法依据支护要求和控制因素将深埋硬岩隧洞的破坏现象分为3个大类、9种典型破坏模式,分析各种破坏模式的发生机制、表现形态以及调控策略,重点讨论岩爆的机制以及相应的调控策略。应用该分类方法对锦屏II级水电站地下隧洞围岩的破坏模式进行识别、机制分析,相应的调控措施也得到采纳。工程实践表明,该分类方法全面、实用,为现场设计、地质和施工工程师等在深埋硬岩条件下进行隧洞开挖和支护设计优化提供具体指导方针。     

深水下岩石切割的模拟试验研究

通过自行开发设计的一套深水环境条件模拟试验装置，进行一系列深水环境条件下磨料水射流切割岩石的试验研究。针对岩石切割深度的主要影响因素，分别进行一系列的靶距变化、切割次数变化、射流横移速度变化和不同水深的模拟试验，从而揭示在深水环境条件下岩石切割深度与各主要切割参数的关系和规律，以及水深对岩石切割深度的影响。在深水环境条件下岩石切割技术的生产实际应用中，要综合考虑切割次数和射流横移速度与效率的关系；岩石等材料的合理靶距是一个关键性技术问题，应控制在有效靶距范围内才具有实际意义。     

考虑高地应力下围岩劣化的硬岩本构模型研究

鉴于高地应力环境下洞室开挖过程中围岩脆性破损行为和破损区内岩体力学性质发生改变的工程事实,并认为岩体破损劣化过程是岩体力学参数降低的过程,提出考虑高地应力硬岩地层中开挖扰动下围岩劣化的硬岩本构模型.该模型的应力-应变关系具有明显的线弹性段、应力跌落段和塑性流动段,其后继屈服面具有随等效塑性应变发生形状和面积改变的特点,可以实现岩体累积损伤过程中力学参数(弹性模量E、黏聚力c、内摩擦角ψ)动态劣化,并可以与目前较广泛使用的岩土工程软件FLAC3D相结合.室内花岗岩三轴压缩试验曲线的拟合和锦屏二级水电站厂房探洞开挖破损区的模拟验证,都说明该模型的正确性和可推广性.     

三向高应力状态下深埋大理岩变形特性试验研究

为获得深部岩体的变形模量,在真三轴试验机上,对中等尺寸大理岩试样进行不同侧压下的变形试验,重点对同一试样进行多个等侧压和不等侧压的对比试验。试验表明：(1) 大理岩的变形模量与侧压之间具有显著的非线性关系,且当侧压增大至30 MPa后,变形模量不再随着侧压的增大而显著增大,该侧压值反映了大理岩脱离母岩后的弱化程度;(2) 建立大理岩的变形模量与三向应力之间的关系,用试样所对应部位地应力值计算出深埋大理岩的变形模量为66.7～68.2 GPa;(3) 变形模量计算值与采用其他间接方法获得的变形模量相当,并显著高于常规室内和现场变形试验值。由此说明,深部岩体在释放应力后容易使其力学性质弱化,弱化程度与所处的地应力大小有关。该方法对研究极高～高地应力环境下深部岩体及偏应力较大的边坡的变形特征具有重大意义。     

不同洞形与加载方式对深部岩体分区破裂影响的模型试验研究

 随着地下工程开挖深度的增加,深部洞室围岩将产生不同于浅部洞室的分区破裂现象。为研究分区破裂的破坏机制和形成机制,以淮南矿区丁集煤矿高地应力深部巷道为工程背景,采用模型相似材料和数控真三维加载模型试验系统,开展圆洞、城门洞和马蹄形洞在沿洞轴向和垂直洞轴向加载条件下的洞室开挖真三维地质力学模型试验。模型试验研究表明：(1) 初始最大主应力平行于洞轴方向且其量值超过1.5倍围岩单轴抗压强度是深部岩体产生分区破裂的重要条件;(2) 洞室分区破裂的范围与洞形和洞室尺寸有关,洞室尺寸越大,分区破裂范围越大。模型试验结果有效揭示分区破裂的形成条件和破坏规律,为深入研究高地应力深部岩体的非线性变形特征与破坏机制奠定了坚实的试验基础。     

北山深部花岗岩不同应力状态下声发射特征研究

采用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统及声发射(AE)三维定位实时监测系统,开展北山深部花岗岩不同应力条件下岩石破坏的声发射特征研究。试验得到北山花岗岩的直接拉伸强度为9.53 MPa,仅为其单轴平均抗压强度的1/17。试验结果表明,在拉伸应力条件下,由于无原生微裂隙闭合过程,声发射事件出现时间较晚并集中出现于破坏阶段;峰值应力后,声发射信号的继续增加说明花岗岩并未立刻破断,而仍具有一定拉伸承载能力。在压缩应力条件下,初期加载阶段即有声发射信号出现并随加载应力增加而持续增长,反映原生裂纹闭合及新生裂纹扩展演化的过程;随着围压增加,花岗岩在峰值应力阶段延性变形特征显著增强,其内部裂隙(损伤)在该阶段渐进式发展,导致声发射事件的集聚量远高于其他阶段;同时,围压增加使北山花岗岩的非线性特征增强,特别是破坏前的显著延性变形特征与其他工程常见花岗岩特性具有明显不同。研究得到北山花岗岩在不同应力状态下的变形特征和声发射特征,为北山花岗岩在不同应力条件下损伤演化机制研究奠定基础。     

复杂应力下强风化软岩湿化变形试验研究

强风化软岩用于高等级公路路基填筑时，压实特性和湿化变形特性是评价填料性能的主要指标。对填料在不同压实度下进行承载比试验，试验结果表明，承载比值随填料压实度的增大而增大。利用室内三轴剪切仪对强风化软岩进行干、湿双线平行试验和在复杂应力状态下不同压实度的湿化变肜认验，试验结果表明，填料在压实度为90％且有较大的偏应作用下，湿化不仅产生较大的附加轴向应变，而且还能引起相当大的附加体积应变和偏应变。因此，提高路基填士的压实度是减少湿化变形的关键因素。     

基于粒子群优化算法的高地应力条件下硬岩本构模型的参数辨识

粒子群优化(PSO)算法是一类随机全局优化技术,具有收敛速度快、规则简单、易于实现的优点。高地应力条件下硬岩本构模型参数的确定是个尚未解决的难题。以一种适用于高地应力条件下的硬岩本构模型为研究对象,提出基于PSO算法的本构模型参数辨识方法。该方法从本构模型参数的随机值出发,以破坏区的数值计算值与实测值的误差大小作为适应度来评价参数的品质,利用PSO算法规则实现模型参数的进化,搜索出全局最优的模型参数值,从而实现硬岩本构模型参数的自适应辨识。采用该方法对加拿大的Mine-by隧洞和我国的太平驿水电站引水隧洞进行了围岩本构模型参数识别,计算结果与实测情况相吻合,表明该方法是科学可行性的,具有较高的效率和精度。