基于岩腔后退的危岩断裂破坏分析——以重庆市万州区太白岩危岩为例∗

硬质岩体危岩的突发性破坏本质是岩体的脆性断裂破坏。以重庆市万州区太白岩危岩为例,将危岩后缘卸荷裂隙的扩展贯通简化为半无限大板的边缘裂纹断裂问题,建立了卸荷结构面接触与非接触的裂纹断裂力学模型,推导了 I 型裂纹、II 型裂纹应力强度因子以及联合应力强度因子表达式,并基于数值模拟手段提出了危岩结构面正应力与剪应力确定方法。万州太白岩危岩 W10 断裂破坏分析结果表明：危岩崩塌失稳受控于岩腔的深度,岩腔深度加大,后缘卸荷裂隙扩展,其力学机制根据岩腔深度变化表现为拉破坏和拉剪破坏;对于危岩 W10, 裂纹联合应力强度因子随岩腔深度的增大表现出先增加后降低再增大的趋势,I 型裂纹断裂应力强度因子具有与联合应力强度因子相同的变化特征;岩腔深度 3~6 m 以及 9~10 m 内,危岩裂纹主要为拉应力集中状态;岩腔深度 6~9 m 时,危岩裂纹处于拉剪应力状态;当岩腔深度为 3.8 m 时,危岩 W10 发生拉剪断裂破坏,断裂扩展角为 29.5°。     

高强再生混凝土应力-应变全曲线试验研究

再生混凝土的本构关系是再生混凝土结构抗震设计与计算的关键问题之一,本构关系确定的试验依据是应力-应变全曲线,但是目前亟待研究的高强再生混凝土应力-应变全曲线的试验很少。为研究高强再生混凝土单轴受压应力-应变本构关系,制备了水胶比为0.32的再生混凝土,试件进行了16个100×100×300mm再生混凝土棱柱体试块的单轴受压应力-应变全曲线试验,分析了再生粗骨料置换率对高强再生混凝土应力-应变本构关系的影响。试验表明:高强再生混凝土应力-应变全曲线下降段脆性明显,再生粗骨料掺量较低时会出现应力台阶;随着再生粗骨料置换率增大,高强再生混凝土强度、弹性模量呈下降趋势,峰值应变小幅度增大,极限应变先增大后减小;拟合了试验所得应力-应变全曲线,效果较好。     

高寒山区深切河谷碎裂松动岩体成因机制分析∗

以澜沧江某水电站坝址区碎裂松动岩体为研究对象,通过对岩质边坡现场调查,并运用 ANSYS 有限元软件模拟河谷演化和冻融循环过程,综合分析碎裂松动岩体的成因。调查结果表明,碎裂松动岩体的形成与区域赋存的地应力场、地层岩性、河谷演化及高原冻融风化有关。数值模拟揭示了河谷演化过程中边坡岩体持续经历主应力降低、剪应力增大的状态,应力释放而驱动边坡岩体结构面破裂,形成大量的卸荷拉张裂隙,初现“松动”特征;在大温差冻融循环作用下,原本存在裂隙面的岩体不断扩展延伸直至发生疲劳性损伤裂化。由此,总结了碎裂松动岩体的成因机制,该成果对高寒山区深切河谷碎裂松动岩体的形成机制提供依据。     

复杂应力条件下地基岩石细观破坏研究

为了研究复杂应力条件下的深基坑岩石细观破坏问题,本构方程采用由应变空间导出的弹塑性损伤细观力学模型,借助有限元计算方法,实现了岩石三维破裂过程的数值模拟。采用细观破坏单元网格消去法,实现了有限元模拟裂纹扩展过程;利用位移加载来实现岩石逐渐破裂过程;数值模拟灰岩单轴拉伸及压缩破坏试验、双轴拉伸破坏试验和三轴受压破坏试验,得到其非线性应力—应变曲线和不同载荷阶段弹塑性损伤破裂演化系列图像;分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响。研究表明,在复杂应力条件下,随着围压增大,峰值抗压强度明显提高,塑性变形明显增大。本文研究对深基坑施工过程中预防工程事故的发生具有借鉴意义。     

含V型切口混凝土梁I、II复合型断裂特性研究∗

通过采用三点弯曲加载,结合电阻应变片法以及数字图像相关法,研究初始缝高比、偏心距以及切口角度对V型切口混凝土梁荷载值和断裂过程区的影响,最后运用有限断裂力学进行理论分析,并与平均应力准则做比较。试验结果说明,起裂荷载和破坏荷载的变化随着缝高比的增大而减小,不同范围内的切口角度对起裂荷载和破坏荷载的影响也有差别,起裂荷载和破坏荷载随着加载偏心距增加而增大起裂时刻和最大荷载时刻的断裂过程区等于裂缝长度,而失稳时断裂过程区远远小于裂缝长度,断裂过程区以切口角度120°为界,具有不同的变化趋势;平均应力准则下的裂缝扩展长度随着切口角度的增加整体呈现下降趋势,无论是临界破坏荷载还是裂缝扩展角度,有限断裂力学准则的理论预测值较平均应力准则更为接近试验结果。     

三峡库区高边坡紫色土抗剪强度的水敏性特征∗

为了研究高边坡紫色土的抗剪强度及变形随含水率的变化规律,在不同围压下对不同含水率的非饱和重塑紫色土进行了固结不排水三轴试验。结果表明：在不同的含水率及围压条件下,土体应力-应变关系曲线均呈现出“持续硬化”甚至“加速硬化”现象。其应力-应变关系曲线经历了3个阶段：轴向应变0%~2.3%为弹性阶段,2.3%~4%为应变硬化阶段,4%后逐渐变为屈服阶段。在同一围压下,土体主应力差峰值随含水率的增加而降低,其峰值下降幅度最大可达67.37%。不同含水率下的最大主应力差与围压均表现出较好的线性关系。在给定含水率下,主应力差峰值随围压的增加而明显增大,其峰值增大幅度最大可达150.98%,但随着含水率的升高,这种增大趋势逐渐减小,且围压对紫色土抗剪强度影响约为含水率对其影响的66.63%。随着含水率的增加,土壤的内聚力先增加后减小,峰值处的含水率为12%;而土壤的内摩擦角随含水率的增加呈现一阶线性减小,且下降程度最大可达56.88%。土体任意平面(破坏面)上σ-τ曲线的斜率随着含水率的增加而逐渐减小,而破坏包面逐渐变缓。分析并讨论了含水率对紫色土内部结构、颗粒间作用力及特性的影响,以期为三峡库区高边坡紫色土的综合治理提供理论支持和技术支撑。     

高陡山区深部硐室地应力测量方法与结果分析——以大红山铁矿硐室为例

地应力是地下工程围岩稳定与支护结构设计的一个基本参数,其测量方法有很多种。本文详细介绍了适用于深部地下硐室的地应力测量方法——应变解除法,并介绍了大红山铁矿矿区深部地应力测量的方法、过程和结果。在区域地质构造分析的基础上,采用应变解除法进行现场实测,获得了该矿区深部4个水平6个测点的三维地应力状态;利用多方程回归方法分析初始地应力场,获取了大红山铁矿矿区深部地应力分布的基本规律。测量成果为工程设计和稳定性分析提供了依据,并为进一步研究该矿区岩体应力状态和应力场奠定了基础。     

考虑中间主应力的粗粒土扰动状态应力—应变模型

基于统一强度理论与扰动状态概念(DSC),考虑洛德参数影响,建立了同时考虑中间主应力(IPS)和扰动影响的粗粒土IPS-DSC应力—应变模型。根据某坝基粗粒料三轴剪切试验结果,采用拟合方法对IPS-DSC模型参数进行反演和优化,模拟曲线和试验曲线对比显示两者基本吻合,说明该模型能较好地描述粗粒土应力应变特性。进一步研究表明,其洛德参数、中间主应力系数及扰动影响参数对粗粒料应力应变曲线影响较大,粗粒土应力应变曲线先随洛德参数增大上升至临界值,后随洛德参数增大而下降,软化现象先减弱后增强;随中间主应力系数的增大,呈上升趋势,峰值增加明显,软化现象更加突出;随扰动影响参数增加而上升且软化现象有所减弱。     

锈蚀箍筋约束混凝土的单轴受压试验与本构关系模型∗

为了研究揭示锈蚀箍筋约束混凝土的单轴受压特性,基于36组锈蚀箍筋约束混凝土试件的单轴受压试验,获得了不同锈蚀程度箍筋约束混凝土的应力—应变曲线试验数据,分析了箍筋质量锈损率对约束混凝土的峰值应力、峰值点应变、极限应变以及破坏形态的影响规律,并分别建立相应的计算模型,进而研究提出了锈蚀箍筋约束混凝土的单轴受压本构关系模型。结果表明:随着箍筋质量锈损率的增加,约束混凝土的峰值应力、峰值点应变和极限应变逐渐降低;箍筋体积配箍率越小,箍筋质量锈损率对峰值应力和极限应变的影响越显著;当箍筋质量锈损率分别超过15%、10%和30%左右时,大部分方形箍、棱形箍和螺旋箍在试件轴压破坏位置处发生断裂;锈蚀箍筋约束混凝土单轴受压本构关系模型的计算值与试验数据吻合较好,说明该模型能够合理描述箍筋锈蚀程度对约束混凝土单轴受压应力—应变曲线的影响规律。     

桥梁吊索高强钢丝疲劳裂纹扩展试验与数值模拟

反复车辆荷载作用下,斜拉桥斜拉索及拱桥吊杆疲劳损伤问题日益严重。针对大跨桥梁中常用的镀锌高强钢丝,开展了应力比R分别为0.1、0.2、0.3的疲劳裂纹扩展试验,研究了应力比及应力幅对钢丝疲劳裂纹扩展性能的影响,每种应力比下的应力幅分别为140.4、152.1、163.8、175.5MPa。采用分步加载方法,设计不同加载应力幅在试件断裂面留下裂纹扩展时的条纹特征,利用光学显微镜对疲劳断口的疲劳条纹进行观测,得到了不同应力比下裂纹扩展深度与疲劳循环次数的a—N曲线,拟合了高强钢丝的疲劳裂纹扩展速率模型。试验结果表明:钢丝疲劳裂纹呈三阶段扩展,随着应力比R的增大,Paris公式中参数C变小,m变大。运用有限元软件ABAQUS模拟了裂纹扩展过程,定量分析了裂纹扩展径向与表面方向的关系,试验结果与有限元结果吻合较好。试验得到的疲劳裂纹扩展速率曲线,可用于大跨桥梁吊索的抗疲劳、防断裂设计及疲劳寿命评估。     

用高震级b值与低震级b值之比预报地震的可能性

天然地震资料和实验室资料均表明,震级与频度对数之间的关系不是一条严格的直线。它们可用两条斜率不同的直线来拟合,从而得到高震级b值b_H和低震级b值b_L。大量震例和实验发现在地震前或岩石破裂前b_H和b_L的比值在增加,因此,b_H/b_L可作为预报地震的一种前兆。本文还对岩石破裂前b_H/b_L值增加的物理本质进行了初步的讨论。     

岩石断裂和破碎的分形研究

岩石断裂与破碎的研究一直是岩石力学的前沿领域,也是采矿、能源、水利、交通、地震等众多工程领域不可或缺的理论基础。本文系统介绍了将分形理论引进到岩石断裂和破碎研究的成果,其中包括岩石微观断裂、宏观裂纹动态扩展以及岩体破碎的块度分布,旨在从一个侧面反映分形理论在岩石力学中的应用,最后还给出了一个工程应用的例子。本文的部分结果曾发表于国际杂志上。     

粤赣高速公路某岩质边坡稳定性分析与加固研究

采用双平面滑动刚体极限平衡法计算边坡稳定性分析模型,考虑了水压力、地震动荷载的作用并进行加固研究,探讨了结构面力学参数敏感性分析。结果表明,水压力是边坡破坏最重要的影响因素,地震动荷载对边坡稳态的作用是比较显著的;应当将总锚固力的标准值提高到2920 kN,才能满足边坡稳定的要求;锚固角为25°时,锚固效果较好又相对经济;结构面力学参数1φ对边坡稳定性没有影响,参数c1、c2和2φ增大有利于边坡稳定,这三个参数的影响程度从小到大依次增强,但是总的来说影响并不大。本文研究方法和成果可以为改善工程施工提供依据。     

黄河黑山峡大柳树坝址区地应力模拟计算及破裂危险性评价

在区域构造应力场模拟的基础上,采用子模型方式提取出黑山峡大柳树坝址区应力边界条件,对大柳树坝址区应力场进行了模拟计算及破裂危险性评价。计算结果显示,大柳树坝址区浅层应力场以水平应力为主,断裂对应力场有明显的控制作用。破裂危险性分析表明,对坝址构造稳定性起决定作用的主要是坝址北侧F 201地震断层的活动,以震源的垂直投影位置看,如果F 201发生强震,其南盘岩体至少5 km范围内将受到严重影响而产生地表破裂,危及坝体安全。     

唐山市地震影响系数分布研究

地震影响系数是构建地震反应谱的最重要参数之一,也是抗震房屋设计和减灾的基础,唐山市地震影响系数的分布受到场地条件、基岩条件和特殊地质现象等诸多因素的共同影响。通过分析唐山市地震影响系数分布的主要影响因素,得到影响唐山市地震影响系数分布的主要指标。考虑各指标与地震影响系数之间的非线性关联关系,应用人工神经网络方法构建了唐山市地震影响系数分布预测模型。根据实际资料,确定了模型的参数和多个系数矩阵,计算和分析了综合考虑场地和基岩等诸多条件的唐山市地震影响系数分布,并对唐山市的抗震设防规划提出了几点建议。     

软土等向固结与K_0固结条件下的三轴试验研究

对某软土重塑样分别进行等向固结和K0固结条件下的三轴试验,研究了不同固结条件、不同围压下软土的强度和应力应变特性,并对试验结果进行了分析和对比。结果表明:低围压下,等向固结三轴压缩试验和K0固结三轴压缩试验土样破坏时的主应力差差别不大,随着围压增大,K0固结条件下试验土体的主应力差要明显大于等向固结条件下的试验土体;与等向固结相比,K0固结条件下的土体粘聚力c值减小,而内摩擦角增大;土体呈现剪缩特性。运用等向固结三轴压缩试验确定的邓肯模型参数模拟K0固结条件下土体的试验曲线,吻合较好,初步验证了邓肯模型参数对K0固结土体的适用性。     

短临前兆跟踪中的前兆场反演法和地震参数预报

利用静力位错理论对地震发生过程中的应力场状态进行分析;利用震时被灵敏仪器记录到的高分辨率应变(形变)阶的量值及其空间分布来反演地震断层的参数。将大地形变仪器的观测数据进行统一标度的归化,对前兆观测物理量进行归化处理分析,并进行震例验算。为正确把握地震时震源周边岩石中的应力过程及对在岩石中设置的形变类仪器的影响情况,特选择在布有各类高灵敏形变观测仪器的徐州综合形变地震台大型坑道中,使用化学致裂试验模拟震源的致裂点周围不同构造和距离位置上的岩石应力状态,分析应变的衰减规律,研究岩石中的不同构造方向上与距离因素有关的能量释放情况,建立相应的关系式。编制了震源参数反演、前兆场物理量归化处理等计算软件。通过震时形变资料反演地震断层参数,在为探索地震预报新途径方面做了一些尝试。     

岩体边坡地震稳定性动安全系数分析方法

在分析几位学者研究成果的基础上,提出一种适合于岩体边坡动安全系数非线性分析的方法,其主要步骤如下:1)确定介质非线性本构模型的参数;2)考虑边坡的外部及自身载荷,进行边坡静力有限元非线性分析,确定滑坡带单元的初始应力;3)在静力分析的基础上,进行边坡动力有限元非线性分析,确定滑坡带单元的动应力时程;4)根据滑坡带单元的初始静应力和动应力时程,计算每一时刻的边坡动安全系数,从而得到边坡的动安全系数时程;5)根据评价标准,进行边坡地震稳定性评价。 根据上述步骤,结合三峡重庆库区某典型滑坡进行了动安全系数分析,结果表明了该方法可行性。本文只是提出一种初步的边坡稳定性评价标准,由于这方面的震害资料尚少,对其可行性的研究还有待于进一步深入。     

路堑节理边坡开挖稳定性及影响因素分析

以某公路节理岩质边坡为工程背景,首先利用FLAC3D建立该边坡的数值分析模型,计算得到5台阶开挖的安全系数分别为2.62、2.39、1.61、1.06、0.67,并确定其破坏模式为双滑块平面剪切破坏;然后针对边坡的破坏模式建立理论计算模型,分别改变节理的倾角和力学参数(c,),分析它们对稳定性的影响。结果表明:变化下滑块节理面的倾角时,安全系数先变小,而后逐渐增大;变化上滑块节理面的倾角时,安全系数逐渐增大;当c1、c2取值较小时,两者的变化对于安全系数的影响基本相同,但随着取值的增大,c2的影响效果逐渐大于c1。     

动荷载作用下地下岩体洞室应力特征的影响因素分析

用FLAC3D初步分析了动荷载作用下埋深、洞室形状、地应力特征对地下岩体洞室应力特征的影响。分析结果表明:动荷载下,随着埋深的增加,各种洞型应力量值有明显的减小趋势;地应力状态对地形洞室的应力响应有较明显的影响,在自重地应力为主的情况下,洞室拱顶、拱底地最小主应力处于拉应力状态,而构造地应力为主的情况下,洞室拱顶、拱底最小主应力处于压应力状态,且随着侧压系数的增加,洞室的应力由较明显的减小趋势;动荷载作用下,不同断面形状的洞型应力响应有一定区别,圆形洞室应力响应最小,矩形洞室应力响应最大,随埋深、地应力的增加,洞形对洞室应力响应影响减小,当埋深超过300 m后,洞型对应力的影响变化程度不大。