共面断续节理岩体直剪强度特性模型

采用理论分析和模型试验相结合方法,对共面闭合断续节理岩体直剪强度特性进行分析和研究.引入法向变形协调条件,基于Mohr-Coulomb理论,推导共面断续节理岩体模型的直剪强度公式.模型试验表明:全应力-应变曲线主要经历了线弹性增长、节理面错动、次生裂纹起裂稳态扩展、节理面贯通破坏和残余强度5个阶段;剪切应力峰值和残余强度都随正应力的增大而增大,而变形特性随正应力的变化规律性不强;抗剪峰值强度随节理连通率的增大而减小,低连通率时强度下降速度慢;节理分布形态对强度也有影响,节理在两边分布的试样强度普遍高于节理在中间的;理论计算结果与试验值吻合较好,能较好描述共面断续节理岩体的直剪强度特征.     

节理特性对岩体力学性能的影响

采用颗粒流模拟研究单轴压缩下节理特性对试件宏观力学参数、能量及波传播规律的影响,揭示裂纹扩展演化机理及破坏模式的变化规律,定义细观节理刚度比和强度比反映节理力学特性。研究结果表明:峰值强度、弹性模量、起裂应力随节理厚度增加、刚度比的下降而不断减小,泊松比随节理厚度增加而大幅度增加,节理强度比直接影响峰值强度;与张开节理相比,节理充填物降低尖端应力集中,导致试件损伤破坏程度及破坏模式的改变,同时引起宏观力学参数增大,并随节理刚度减小,逐渐趋近前者。通过在模型内设置激发源和接收器,对激发源施加速度脉冲模拟剪切波和压缩波的传播过程,节理对波幅影响远大于波速,充填节理透射系数明显大于张开节理透射系数,前者随厚度增加衰减更快,与纵波相比,横波随节理弱化衰减较快。     

不同应力波在张开节理处的能量传递规律

通过对应力波与张开节理相互作用过程的分析, 建立应力波在张开节理处传播的解析模型. 利用该模型, 研究正弦波、矩形波和三角形波在张开节理处的能量传递规律. 研究结果表明： 不同应力波在张开节理处的传递系数均随应力波幅值的增大而增大, 随空隙宽度的增大而减小;当空隙宽度大于临界宽度时, 能量传递系数为0;矩形波的临界宽度最大, 正弦波的次之, 三角形波的最小;存在一个最优入射角, 当入射角等于最优入射角时, 能量传递系数达到最大值.     

非线性波在岩石节理处的透射规律研究

基于非线性波动方程和岩石节理非线性变形特性,建立一维非线性纵波法向入射单一节理的透射波计算理论.对节理、波源、岩石非线性系数和节理位置进行参数研究,探讨节理非线性变形对非线性波波形、透射系数和频率分布的影响.研究结果表明,非线性波传过节理后透射波振幅衰减,持续时间增长,节理初始刚度越小,波源的频率和振幅越大,该现象越明显.透射系数随节理距波源距离的增大而减小,振幅和频率越大的非线性波的透射系数减小的越快.节理距波源距离增大到一定值后,振幅越大的非线性波的透射系数越小,该距离的大小与波源参数有关.透射波中会产生一系列高频波,这些高谐波是在节理和岩石的共同作用下产生的.     

非线性准则下节理岩体稳定性的屈服接近度分析

为了将Barton-Bandis非线性破坏准则与岩体稳定性判断标准的屈服接近度相结合,推导Barton-Bandis准则强度参数和Mohr-Coulomb线性破坏准则强度参数之间的关系,然后,通过算例分析,讨论Barton-Bandis准则参数对于节理岩体屈服接近度的影响,得到Barton-Bandis参数表征的屈服接近度YAIbb。研究结果表明:YAIbb随节理粗糙系数JRC的增大而减小,JRC越大,岩体节理面越粗糙,岩体的稳定性越高,二者的关系符合线性特征;YAIbb随节理岩体压缩强度JCS的增大而减小,JCS越大,岩体的单轴压缩强度越大,则岩体越致密,强度越高,稳定性越大,破坏的概率越小,二者的关系可用指数方程进行描述。     

不同地应力下应力波在节理岩体中传播试验

在地应力作用下,应力波在节理岩体中的衰减规律是近些年在深埋地下工程中的热点问题.本研究设计了可同时模拟单条节理和多条节理的组合砂浆试块模型试验,自制地应力加载系统,其尺寸为180 cm×80 cm×25 cm.为避免炸药爆炸应力波与爆生气体难以分离的情况,提出一种电火花震源替代炸药震源激发应力波的方法,分析了应力波在地应力荷载下单条节理和多条平行节理中的传播衰减规律.试验结果表明,当电火花激发电压为2500 V时,随着地应力从0.5 MPa增加到5.0 MPa,地应力对波传播有一定的抑制作用,应力波在节理岩体中有效波速随地应力的增加而增大,单条节理与多条节理岩体中透射系数都随地应力增加而减小.     

节理岩体对P波传播的影响

应力波在节理岩体中的传播规律是十分复杂的,不仅会受到岩石物理力学参数的影响,还会受到节理性质及分布特征的影响.以含平行双节理的岩体作为研究对象,采用数值模拟的方式探讨了平面P波在节理岩体中传播规律.首先,对含平行双节理的岩体进行了分析,探讨了节理刚度、归一化节理间距、节理倾角、节理刚度比对质点振速缩放系数(VSF)在节理前、节理间和节理后分布特征的影响.结果表明:对于节理岩体,节理刚度越大,平面P波的透射性越好,能量衰减的越少;在一定范围内,归一化节理间距越大,能量衰减的越多;节理倾角对不同位置的监测点的影响各不相同;不同刚度比下,对节理2附近的监测点影响较大,其余监测点基本上没有影响.     

节理频度对类岩石介质裂纹扩展行为的影响

为研究节理频度对类岩石介质受冲击荷载作用时动态裂纹扩展行为的影响,借助新型数字激光动态焦散线实验系统进行了试验研究.结果表明:随着节理频度的增大,竖向裂纹起裂时的动态应力强度因子减小,但大于水平节理翼侧裂纹起裂时的应力强度因子;裂纹扩展至节理区域时,动态应力强度因子有一个交替震荡的过程,此过程持续时间随节理频度增大而延长;竖向裂纹从加载到起裂时间并不明显改变,但从起裂到试件贯通破坏的时间近似线性增长;竖向裂纹起裂后的速度随节理频度增大有所减小,但大于裂纹扩展通过节理区域后的速度.可见不同节理频度类岩石介质的裂纹扩展行为存在差异,为冲击荷载下岩石断裂破坏提供理论参考.     

基于动态蠕变试验的沥青混合料黏弹性分析

基于沥青混合料Burgers模型的黏弹性理论,通过动态蠕变试验进行AC-20黏弹性分析,得到不同温度及应力下的混合料变形特征曲线及Burgers模型4个参数的变化规律.结果表明:在同一温度下,随应力水平增加,永久变形随之增大,稳定期永久应变发展速率增大且破坏期提前到来,Burgers模型参数中E1、E2增大,η1、η2减小;在同一应力水平下,永久变形会随温度升高而增大,同时E1、E2减小,η1、η2增大.因此应力及温度对沥青混合料黏性及弹性影响程度不同,随着应力增加,弹性增强而黏性降低;随温度升高,则弹性降低而黏性增加,该结论与路面实际使用状况一致.     

预制平行双节理类岩石材料板动态破坏试验研究

大型土木工程选址通常会遇到较复杂的地质结构.在工程建设或运营期间,往往受到地震、爆破等动态荷载作用,动载下其基础坐落的岩体内蕴含的节理裂隙会被激活发展,严重威胁着大型岩体工程的安全,因此,研究含节理岩体在动荷载作用下裂纹的起裂及扩展机理十分必要.试验基于断裂力学理论,取含平行双节理的类岩体材料作为研究对象,以节理角度作为变量,制作水泥砂浆试块,利用分离式霍普金森杆(SHPB)加载系统和数字图像相关(DIC)技术,动态捕捉节理的起始扩展及动态传播过程,分析其破坏形态、位移场和应力场,结果表明:①随着节理角度从0°至90°逐渐变化,样品强度呈现出先增大再减小,最后再增大的变化规律;②不同角度双裂纹试样均呈现X型主裂纹分布破坏,试样中心部位出现应变集中,岩桥连通破坏.岩桥破坏类型主要有两种,一种为两条节理尖端斜对角线相连的Z型破坏,另一种为口字形破坏.此外,高加载率会改变Z型岩桥破坏的连通位置;③同等加载条件下,0°节理试样裂纹尖端应力较小;15°～45°节理试样裂纹尖端应力略高,呈现出随加载率先增大后减小的形态;60°节理试样组受压明显导致节理面摩擦增大,使得Ⅱ型应力强度因子KⅡ持续增大;75°～90°试样组应力场由于相对加载方向垂直度较高,导致KⅡ相对较小,变化幅度也较小,破坏形态基本对称,不同裂纹尖端的KⅡ差值也较小.试验结果反映了节理岩体在动态荷载下的扩展机理,为工程建设及地质灾害防治等领域提供了一定的理论支撑.     

分维在电磁幅射技术预测冲击矿压中的应用

根据在应力作用下，煤岩体中非均匀变速变形产生电磁辐射的机理，应用分形理论分析电磁幅射参数曲线的分形特征；用关联维数描述电磁幅射强度、电磁幅射脉冲数等参数随时间的变化。理论研究和应用实例表明：在正常情况下，电磁辐射值分维维数变化小：在冲击矿压发生前，电磁辐射值的分维维数变化大。电磁幅射参数维数变化异常的现象，可用于冲击地压的预测预报。     

加载速率对砂岩破碎及能耗特征的影响

为了研究应力波加载速率对岩石破碎与能量利用效率的影响,利用杆件纵向撞击面局部变形的非线性模型设计了5种不同曲率半径的锤头,获得了非等入射能与等入射能条件下不同加载速率的入射应力波,并对红砂岩进行了冲击试验.结果表明:随着应力波加载速率的增大,砂岩试样破碎块度的分形维数呈近似线性增长关系.在加载速率相同的情况下,砂岩试样破碎块度的分形维数随入射能的增大而增大.随着入射应力波加载速率的增加,破碎能耗密度增大.在加载速率相同的情况下,入射能越大岩石破碎能耗密度越大.在非等入射能条件下,岩石破碎过程中的能量利用率随着入射能的增大呈明显的下降趋势.实际生产中最优的应力波形必须综合考虑破岩效果和能量利用率等因素.     

地震作用下大断面隧道衬砌结构的动力损伤特性

基于混凝土材料的动力损伤特性,建立了其弹塑性损伤本构模型,将该模型应用于强震区某大断面隧道工程,分析了不同地震波入射方向、地震波强度和围岩条件下隧道结构的地震响应与动力损伤规律,探讨了大断面隧道结构的地震损伤特性和破坏机理。研究结果表明：地震波垂直、水平两种入射条件下两者衬砌的压主应力、加速度响应形态相似,但水平入射条件下衬砌结构的应力、加速度响应相较于垂直入射条件更加剧烈;水平入射时衬砌的动力损伤远大于垂直入射时的动力损伤,且动力损伤主要集中于拱腰与墙脚处;围岩条件对隧道衬砌结构的拉主应力响应以及动力损伤有显著影响,V级围岩条件下衬砌结构的最大拉应力是IV级围岩下的5.7倍;隧道结构的地震响应与动力损伤特性也受地震波强度的影响,随着地震波强度增大,应力、加速度响应峰值以及最大动力损伤量均呈现非线性增大趋势,动力损伤随之加剧且由拱腰和墙脚处逐渐向外扩展;在强震区软岩隧道抗震设计以及运营期间震后加固修复应着重注意动力损伤集中的部位。     

小应力扰动下岩石弹性波速变化的波形检测

弹性波速变化能够反映岩石内部结构和应力的变化,成为工程结构监测的重要基础,其关键是实现小应力扰动下的高精度检测。在室内建立一套试验测量系统,对3类岩石的6块样品进行单轴压缩试验,同步记录小应力作用下岩石的应变、声发射及超声波波形。分析岩石非均质引起的多次散射波(尾波)特性,利用尾波干涉测量实现波速变化的高精度波形检测,发展小应力扰动下岩石弹性波速变化的检测方法,并对尾波波速随应力的变化规律进行分析。结果表明:尾波干涉测量可以实现小应力扰动下的高精度动态监测,具有对岩体扰动小、灵敏度高、稳定性好、操作简单的优点;所提方法应用的条件是介质散射强度高,尾波较为发育,观测系统重复性好;尾波波速随应力的相对变化率dv/v是岩石损伤状态的一种表征,尾波波速变化具有记忆效应;与声发射相比,所提方法稳定,易识别,可用于岩心地应力测试。     

煤岩冲击矿压过程电磁辐射传播规律的研究

从电磁辐射MAXWELL方程出发,对煤岩冲击矿压过程中产生的电磁辐射在煤岩中的传播规律进行了分析与研究,提出对破裂过程电磁辐射在煤岩中的传播进行数值模拟时可将电磁辐射产生源理想化为水平电偶极子和水平磁偶极子的叠加;并得出了电磁辐射源产生的场在煤岩中空间分布的解析计算式,为冲击矿压等动力灾害预测的电磁辐射监测仪的研制和定向定位监测提供了理论和计算依据。     

地层条件下岩石动静力学参数的实验研究

在实际地层三轴应力和温度条件下 ,测量了 CX地区地表至 50 0 0 m深度砂、泥岩样品的静力学参数。对其中大部分样品进行了岩石力学和声波速度 (v P,v S)的同步测试 ,由此获得了在相同应力和温度条件下岩石的动、静力学参数。根据实验结果 ,讨论了在实际埋深条件下CX地区砂、泥岩的静力学参数、波速及动力学参数的变化特征 ,以及岩石动、静力学参数间的关系。     

坚硬顶板组合煤岩样破坏电磁辐射规律及其应用

采用实验室试验和分形理论相结合的方法研究了组合煤岩样变形破裂的电磁辐射规律。研究结果表明,加载初期,电磁辐射信号增加,然后略微减小,出现一段较为稳定的区域,当临近主破裂时,又大幅度增加,进入残余变形阶段时,电磁辐射又逐渐减小;电磁辐射信号与顶板在组合煤岩样的比例成正指数关系;电磁辐射脉冲数具有分形特征,并且随着加载进行,分形维数增加,临近主破裂时分形维数急剧减少;分形维数与顶板在组合煤岩样的比例成正线性关系。利用上述规律,成功地对7251工作面的冲击危险进行了预测预报。     

由煤岩变形冲击破坏所产生的电磁辐射

对岩石破裂所产生的电磁辐射现象的观测和研究 ,对于研究地震规律和矿山冲击矿压及其预报具有重要的意义。在实验室和现场条件下 ,采用 EAE- 0 4声电测试系统和KBD5电磁辐射监测仪对煤岩变形破裂过程中的电磁辐射进行了测定。试验和测试结果表明 ,煤岩体在变形、破坏过程中均产生电磁辐射现象 ;煤岩在冲击破坏前 ,电磁辐射强度一般在某个值以下 ,而在冲击破坏时 ,电磁辐射强度突然增加 ;而电磁辐射的脉冲数则随载荷的增加及变形破裂过程的发展而增大。依此规律 ,可以对冲击矿压危险性进行评价和预测预报。     

某校园电磁环境时间变化特征与评估

随着电磁环境的日益复杂,对电磁环境进行实际测量和评估具有重要的应用价值.本文根据电磁环境在时间上具有随机变化的动态性,对某校园实际电磁环境的时间变化特征进行了研究.通过选取某个校园内不同区域的采样点,分别在不同时间测量采样点的电场值,然后对采集的数据进行统计分析,进而给出了相应空间区域内的电场概率密度分布以及电场随时间变化曲线图,具体分析和讨论了实际电磁环境随时间变化的特征,比较了不同区域电磁环境分布情况,并对校园电磁辐射水平作了简要评估.