红层软岩滑坡稳定性分析

在中国,红层软岩分布广泛,其出露总面积约46×104km2,占国土面积的近5%。但由于红层软岩成岩程度差、岩体强度低、抗风化能力弱、水敏感性强,在各种地质营力的作用下,岩体完整性易被破坏,岩层层面结构强度易被软化形成滑动面,进而形成红层软岩顺层滑坡。论文以明珠花园9号楼东侧滑坡为例,详细研究了滑坡区工程地质条件,分析了滑坡变形破坏机制及其稳定状态。研究认为明珠花园9号楼滑坡在自重和地震工况下均处于稳定状态,在暴雨工况下处于不稳定状态。雨水是滑坡形成的最重要诱导因素。     

红层软岩高边坡的时效变形特性

为了研究边坡工程的长期稳定性,有鉴于红层地区的工程建设日益增多,受红层特殊工程地质特性的影响,红层软岩边坡在其整个寿命期内是一个逐渐“衰老”的过程,开挖边坡在运营5～10年以后常出现各种严重地质病害和安全风险,而在前期边坡稳定性评价中往往都采用传统的极限平衡法计算,但其无法根据红层特性预判边坡的长期稳定性和时效变形特征,无法指导工程设计制定出既经济又安全可靠的针对性预加固措施,因此为日后的长期安全运营留下了较大隐患。以西南红层山区某快速通道项目隧道改路基的深挖路堑100m级高边坡工程为例,通过FLAC3D建立了包含特殊节理裂隙单元的复杂数值模型,计算获得了边坡潜在变形范围、潜在滑面位置、深度等,对比分析了边坡刚开挖完成时、未加支护工程蠕变20年和增加支护工程蠕变20年后这三种工况下的长期稳定状态、位移及应力变化等时效变形特性,计算结果表明：红层地区高边坡在长期服役环境下会发生蠕变、应力松弛、软化破坏等复杂变形行为,其普遍存在于实际工程中,后期针对性的支护方案应高度重视红层软岩高边坡的时效变形问题。本文的计算结果成功应用于最终工程设计中,填补了传统计算方法难以分析解决此类问题的空白,以期为今后红层地区这类高达100m量级的软岩高边坡开挖后的时效变形特性研究和加固设计提供一定的参考和借鉴作用。     

冻结红层软岩的蠕变特性研究

为研究第三系红层软岩在低温下的蠕变特性,对冻结红层进行单轴蠕变试验,试验结果表明,在应力水平较低时,软岩只存在衰减蠕变,随着应力水平的增大,当超过流变长期强度时,出现了非稳定蠕变;同时,随着温度的降低,软岩的瞬时应变量和蠕变量都会明显减少,而长期强度则有较大幅度的增长,说明温度对软岩及冻结壁的流变性质影响十分显著。引入与时间和应力相关的非线性黏滞系数和时间开关函数,对西原模型进行改进,得到了可以描述加速蠕变的非线性流变本构模型,通过试验数据对冻结红层软岩的参数进行了辨识。将流变模型嵌入到abaqus有限元程序,并对井筒开挖进行数值模拟,获得冻结壁最大位移与时间曲线,通过与实测值进行比较,两者较为吻合。可见,建立的流变模型能够很好的描述冻结红层软岩的蠕变规律。     

水-岩相互作用下华南红层软岩力学特性

为研究红层软岩的水-岩相互作用,开展了不同含水率红层软岩的三轴压缩试验,分析了含水率对力学特性、破坏形式、微观结构和损伤机制的影响,构建了含水红层软岩的统计损伤本构模型。研究结果表明：随含水率的升高,红层软岩的峰值应变呈线性递增,峰值强度和弹性模量分别呈线性和指数函数递减;含水率对红层软岩的破坏模式产生明显影响,含水率较低时的破坏形式为剪切破坏,随着含水率的增加,破坏形式向剪切-张拉复合型破坏转变。在水-岩相互作用下,华南红层软岩的孔隙颗粒物相互吸附,形成片状结构;在饱水状态下,片状和鳞状结构进一步增多,整体结构变得更加松散破碎。考虑水-岩作用,引入损伤修正系数对本构模型进行改进,改进后的统计损伤本构模型计算结果与试验结果一致,能较好地描述水岩作用对红层软岩力学性质的影响。     

红层软岩破碎软弱夹层边坡稳定性影响因素探讨

土质为红层软岩破碎软弱夹层的临空边坡往往是不稳定的,其主要影响因素为边坡的坡度、降水及上覆荷载等.本文对此进行了室内模型试验,给出了降水量与坡角的关系曲线、渗透深度与坡角的关系曲线,以及定性描述上覆一定厚度黄土层时的破坏特征,分析了破坏产生的原因,同时给出了坡率及降水引起边坡滑塌的最大坡角的定量界限.     

新近系红层软岩隧道系统锚杆优化设计研究

为解决新近系红层软岩隧道系统锚杆的优化设计问题,以两徽项目为依托,对不同系统锚杆设置条件下新近系红层软岩隧道支护结构的受力、变形进行现场实测及数值模拟,分析总结其规律,为此类隧道支护参数优化设计提供参考和借鉴.     

红层软岩浸水裂纹扩展试验与破裂机制分析

软岩遇水软化是其破坏的重要特征,也是导致该类岩体边坡、基坑等产生变形破坏的重要原因之一.究其原因,岩体中含有大量原始裂隙,当有水作用时,水通过裂隙浸入岩体内部,发生物理的、力学的作用,导致裂纹扩展和岩体强度降低.因此,针对裂隙红层软岩裂纹扩展问题,设计了两组不同初始裂纹的软岩浸水破裂试验进行研究,一组不含初始裂纹,另一组含一条初始裂纹,通过对两组样品浸水过程中裂纹扩展规律研究,获得红层软岩浸水裂纹扩展的规律,包括:①不含初始裂纹样品中裂纹由外向内逐层发育,含初始裂纹样样品破裂沿已有裂纹扩展,破裂速度上比不含初始裂纹样品更为迅速;②软岩裂纹在显微尺度下多沿石英矿物颗粒之间的间隙或填充在石英矿物颗粒间的黏土矿物发育扩展;基于上述试验,分析了软岩浸水后裂纹扩展的细观力学机制及其破裂全过程特点.     

基于分形理论的红层软岩填料缩尺料制备方法

采用分形理论研究了在室内采用球磨机制备与现场填料具有相同分形维的缩尺料的方法.基于对模拟现场重复破碎机制的考虑,选用球磨机作为破碎岩块制备缩尺料的设备.通过正交试验,研究了岩块初始粒径、球磨机转数、钢球数等参数对分形模型拟合优度、颗粒分形维的影响.在此基础上,通过中三轴制样试验进一步研究了试样制作过程对缩尺料二次破碎的影响.研究结果表明,对于红层软岩,采用破碎参数:球磨机转数100转,钢球数9个、岩块初始粒径20 mm,可以制备得到与现场原料相同分形维的中三轴试样缩尺料.     

基于FLAC3D的红层软岩边坡施工期加固效果

以在建的某高速公路典型红层软岩路堑边坡为研究对象,在边坡岩体结构稳定性定性分析的基础上,采用FLAC3D软件对坡体及时加固和滞后加固两种工况下的应力场、坡体变形与位移场、锚杆应力状态和塑性区进行了研究,并分析了加固的时效性．研究结果表明,及时加固较滞后加固可以有效地控制边坡坡体的变形与位移,对保证施工期红层软岩路堑边坡的稳定更为有利．     

基于分形理论的红层软岩崩解性消除方法研究

应用分形理论对自然崩解过程中的红层软岩粒度数据进行了分析，得到红层软岩崩解物分数维达到2.6~2.7后其崩解趋于停滞的特点.在研究了液压破碎锤、拖式羊足碾等设备对红层软岩的破碎能力后，基于分形图形构造过程中的“迭代”特征，提出了以“翻松—碾压”动作“迭代”为核心机制的消除红层软岩崩解性机械破碎工艺并在湖南省浏醴高速公路进行了现场破碎试验.对现场破碎过程中软岩粒度数据进行的分数维计算表明：重复2次“翻松—碾压”工艺即可将红层软岩破碎至分数维为2.6~2.7.因此，基于分形迭代特征开发的机械破碎工艺可有效消除红层软岩的崩解性.该方法应用在高速公路施工中可将红层软岩填筑利用范围扩大至上路堤，能取得较好的效益.     

干湿状态对红层软岩脆延特性影响的试验研究

为研究含水状态对脆延转化特性的影响,针对工程性质特殊的胡麻岭隧道红层软岩展开了系列试验,探究了干燥与天然含水状态试样脆延性区的强度变形规律。首先对干湿组红层软岩分别进行不同围压下的常规三轴压缩试验,进一步引入脆性指标对岩样脆性程度进行定量表征,并基于Mohr-Coulomb强度准则以及考虑结构强度的初始屈服面模型对各特征应力进行了分析。在此基础上通过试验,从宏细观尺度上探究了红层软岩脆延转化机理。研究表明:岩样干燥后,峰值强度增加了93.39%～145.35%,残余强度增加了77.83%～133.72%,脆延转化压力增加近40%,峰值应变降低了24.13%～88.92%;延性区的干湿试样的黏聚力近似为脆性区的1.8倍,但内摩擦角均小于脆性区,为脆性区的50.4%～90.5%;同时发现延性区试样在施加围压时已经进入了弹塑性变形阶段,且脆延转化压力等于等向固结压力。该研究内容可进一步丰富红层软岩的工程特性,并为穿越红层软岩地下工程的开挖支护提供理论依据。     

胡麻岭隧道红层软岩的侧限与三轴压缩力学特性试验研究

通过对胡麻岭隧道红层软岩进行侧限与三轴压缩试验,系统地分析该类软岩的压缩特性、脆性及延性区的强度参数、扩容特性以及能量转化特征.在此基础上,引入帽子屈服面模型,探究脆?延转化压力PT与名义先期固结压力P～C的关系.研究结果表明:正常沉积岩的名义先期固结压力均大于岩石历史最大竖向有效应力;当脆、延性区试样处于峰值应力点时...     

兴安矿深部软岩的扫描电镜-X射线能谱分析

为了探讨鹤岗兴安矿深部软岩水理特性和塑性变形原因,分别在埋深500和740 m的不同岩性特征处,选取5个试样,采用扫描电镜-X射线能谱仪,对该矿深部软岩矿物成分与微观结构进行实验分析。结果表明:兴安矿深部软岩中主要矿物成分为石英、长石、方解石及黏土矿物,各别试样中含有菱铁矿和金红石。黏土矿物的主要成分为伊/蒙(I/S)混层、伊利石、高岭石、绿泥石等。I/S混层中蒙脱石的类型有钠蒙脱石和钙蒙脱石。碎屑矿物中有石英加大、方解石溶蚀、长石淋滤、菱铁矿解理发育等现象。黏土矿物I/S混层主要呈片架结构、蜂窝结构和絮状结构,高岭石呈书本状结构,伊利石与绿泥石呈片架结构。     

红层软岩崩解破碎过程的分形分析及数值模拟

通过红层软岩的室内恒温保水和模拟大气条件的渐进崩解实验,跟踪观察崩解产物的粒度变化,引入分形几何的理论模型,提出利用分维数来定量描述红砂岩崩解破碎的非线性动态过程,并结合湘南某高速公路红层软岩路基工程建设,提出相应的崩解稳定分维数。研究结果表明:基于质量的分形分布模型能较好地描述岩石崩解破碎过程中粒度的分布特征,其分维数可作为判断红层软岩崩解完成与否的控制指标。通过计算机数值模拟,进一步验证了分形理论应用于崩解破碎过程定量描述的适用性,并以数值模拟实验得到的筛分数据,统计得出基于质量的分形分布和常用的R—R分布的参数之间的关系。     

氧化带软岩微观特征与单轴压缩宏观力学性能

为研究氧化带软岩的力学性能,探究微观结构对宏观力学性能的影响.采用微观分析与力学试验结合的方法,对岩石试样分别进行了X衍射分析、电镜扫描试验和单轴压缩试验.试验结果表明:砂质泥岩与泥质砂岩相比,微观结构松散,泥质成分多,容易被孔隙水软化,容易被氧化;砂质泥岩单轴抗压强度为33.45 MPa,弹性模量19.11 MPa,分别为泥质砂岩的52%和58.5%,印证了微观分析的结果,岩石微观结构对宏观力学性能影响显著.研究结论可以用来指导随后的现场设计与施工,对其他材料的力学性能研究起到了一定的借鉴作用.     

地应力影响下钠长岩-片岩物理力学特征随赋存深度变化规律研究

本次研究以西南某大型铜矿山的钠长岩-片岩物理力学特征为研究对象,在标高+1890~1760m之间共开展了54个点的工程地质调查工作,标高+1880~1760m之间10次地应力测试,并在标高+1984~1760m之间进行钠长岩、片岩的岩块取样,完成了岩样的物理性质、单轴抗压强度、单轴压缩变形试验,获取了各标高岩样的密度、孔隙率、单轴抗压强度、弹性模量、泊松比及岩体的节理间距、地应力测试数据。研究结果表明:该矿山钠长岩和片岩的单轴抗压强度、弹性模量、密度及泊松比均随赋存深度增加而增加,孔隙率及节理间距随赋存深度增加而减小。随着岩石的赋存深度增加,地应力值随之增加,直接改变了岩石的应力环境,岩体节理间距的变化同时反映了应力环境的改变。这也引起岩石孔隙率、密度的改变,进而组成岩石的矿物颗粒受到挤压,导致岩石的结构逐渐致密,岩石力学强度特性提高。     

深井软岩巷道底鼓的防治

随着我国煤炭开采深度不断增加．巷道所处的岩层的岩体性质多具有软岩性质,应力也随之增大,巷道底鼓问题日趋突出。底鼓是指受采掘工程的影响。巷道顶底板和两帮岩体产生变形并向巷道内产生位移;造成巷道底板向上隆起。底鼓所导致的巷道断面缩小,阻碍运输和行人、妨碍矿井通风,严重制约着煤矿的安全生产。一、现状分析     

煤矿巷道软岩性质及支护方法的多尺度研究

通过微观结构分析、细观力学机制分析,为软岩工程支护提供指导。通过地质调查和岩石力学试验,对某煤矿巷道软岩物理力学性质和微观性质进行了综合研究,包括物理性质、矿物成分、及强度和变形性质。基于颗粒流离散元程序PFC,从细观尺度研究岩块的的应力-应变曲线,使细观尺度模型表现与宏观尺度模型相同的力学性质。     

改进Verhulst模型与灰色效果测度的软岩巷道顶板破坏规律分析

为了对软岩巷道顶板的位移进行有效预测,防止因顶板位移过大而使得巷道破坏带来损失,利用改进Verhulst模型与灰色效果测度理论对软岩巷道顶板破坏规律进行分析。利用位移监测手段对矿山部分巷道顶板位移进行监测,利用预测精度更高的改进Verhulst模型对检测结果进行分析,得到巷道顶板的最终位移,并判断巷道破坏情况。对影响巷道顶板位移的顶板地应力、围岩质量、巷道跨度以及支护方式等因素灰色效果进行综合测量,将测度值与巷道破坏情况相结合,得到矿山各巷道顶板的宏观稳定性评价结果。研究结果表明:当灰色预测效果测度值在0～0.705 1之间时,巷道是比较稳固的,为巷道进行二次支护提供了依据。     

考虑软岩参数随时间变化的非定常西原蠕变模型参数辨识及数值模拟

为了准确地描述软岩蠕变规律,基于经典西原模型,考虑软岩参数随时间的变化,建立一种非定常西原模型,并采用单轴压缩蠕变试验研究软岩的蠕变力学特性,基于单轴压缩蠕变试验数据对所建立模型进行参数辨识;利用ABAQUS软件的二次开发功能,将所建立模型嵌入其中进行软岩蠕变过程的数值模拟。结果表明：通过拟合单轴压缩蠕变试验数据并辨识相关参数,相关系数不小于0.997,所建立模型与实际情况吻合度较高,可准确地描述软岩的初期蠕变、等速蠕变、加速蠕变3个阶段;模拟结果与单轴压缩蠕变试验结果基本吻合,验证了所建立模型可以在数值软件中准确应用并进行相关工程计算。