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岩石节理双向动态循环剪切试验系统研制与应用

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岩石力学与工程学报 2024年

作者：张强谷邱鑫李涛刘日成李树忱尹乾徐鼎平中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室中国矿业大学力学与土木工程学院中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室

为深入探究复杂工程环境下岩石剪切力学行为和破坏机制，自主设计研制了一套岩石双向动态循环剪切试验系统。该试验系统主要由主机加载系统、伺服油源系统、伺服控制系统、剪切工装系统和变形测量系统五部分组成。该试验系统的主要创新... 详细信息

为深入探究复杂工程环境下岩石剪切力学行为和破坏机制，自主设计研制了一套岩石双向动态循环剪切试验系统。该试验系统主要由主机加载系统、伺服油源系统、伺服控制系统、剪切工装系统和变形测量系统五部分组成。该试验系统的主要创新性如下：(1)可在法向和剪切方向以0.001～10Hz频率进行动态加载，同时实现切向位移、切向荷载、法向位移和法向荷载的混合加卸载控制，并通过双向剪切的方法确保试样法向中心恒定；(2)试验过程可采用载荷、油缸位移、变形传感器进行多速率多目标组合控制，以实现切向和法向方向上的动静态加载；(3)可实现恒定应力、恒定位移、恒定刚度、动载加载和自定义荷载形式等多个可控边界条件；(4)可对长×宽×高=200 mm×100 mm×100 mm或400 mm×200 mm×200 mm的大尺寸试样进行试验探究；(5)可同时探究剪切、锚固等多种工况组合下的耦合机理。通过该试验系统开展不同应力边界条件下的岩石剪切试验，验证该试验系统的可靠性与准确性。试验结果表明：所研制的岩石双向动态循环剪切试验系统能够满足岩石剪切力学行为的科研需求，系统操作方便，试验过程高效稳定，加载精度与试验数据精度高。该试验系统可为深部煤炭资源开采、巷(隧)道开挖建设、放射性核废料处置、震区边坡稳定性分析和地下能源封存等重大工程领域的研究提供重要平台。

关键词：岩石力学剪切试验边界条件动态加载试验系统研制

法向动载条件下粗糙岩质节理面剪切力学特性试验研究

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岩石力学与工程学报 2024年第7期 1751-1762页

作者：代万里张强谷邱鑫叶思哲李涛时林坡韩贵雷徐鼎平中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室中国矿业大学力学与土木工程学院华北有色工程勘察院有限公司中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室

为探究地震荷载作用下岩石节理的承载特性，开展不同法向动载应力边界条件下岩质节理面剪切试验，分析法向动载幅值和频率对节理面强度参数、变形参数以及破坏特征的影响规律。结果表明：(1)随着动载幅值由增大，峰值剪切强度呈线性趋... 详细信息

为探究地震荷载作用下岩石节理的承载特性，开展不同法向动载应力边界条件下岩质节理面剪切试验，分析法向动载幅值和频率对节理面强度参数、变形参数以及破坏特征的影响规律。结果表明：(1)随着动载幅值由增大，峰值剪切强度呈线性趋势降低48.27%～55.59%，而动载频率对峰值剪切强度影响较小；进入稳定残余阶段，剪切应力幅宽随幅值的增大呈线性趋势增大1.24～2.83倍；动载频率由0.2 Hz增大至0.5 Hz，剪切应力幅宽迅速减小36.28%～40.61%，在频率大于0.5 Hz后缓慢降低。(2)峰前剪切刚度呈现法向应力依赖性，随动载幅值和频率的增大剪切刚度和剪胀性均明显降低。(3)法向应力于剪切应力波峰存在明显相位偏移，相位偏移随着动载幅值和频率的增大而降低，且在频率达到2.0 Hz后无明显相位偏移。(4)当频率低于0.5 Hz时，节理面磨损面积占比迅速增加了36.10%～69.37%，而当频率大于0.5 Hz时，其磨损面积占比近似呈线性增加了5.17%～10.18%。

关键词：岩石力学节理法向动载剪切应力力学行为

高地应力卸荷条件下错动带塑性变形规律与硬化特征

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岩土力学 2022年第1期43卷 97-109页

作者：段淑倩高坡江权周扬一徐鼎平郑州大学土木工程学院河南郑州450001 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 东北大学深部金属矿山安全开采研究中心辽宁沈阳110819

为阐明高地应力地下工程开挖卸荷条件下错动带变形破坏的塑性规律与硬化特征,通过一系列不同围压、不同加卸荷应力路径下的三轴试验,着重研究了不同加卸荷应力路径下的错动带塑性变形规律;基于试验结果,在应力空间进一步探究了等效塑性... 详细信息

为阐明高地应力地下工程开挖卸荷条件下错动带变形破坏的塑性规律与硬化特征,通过一系列不同围压、不同加卸荷应力路径下的三轴试验,着重研究了不同加卸荷应力路径下的错动带塑性变形规律;基于试验结果,在应力空间进一步探究了等效塑性功、等效塑性应变、塑性体应变等内变量作为硬化参数的应力路径相关性,并提出应力路径无关的硬化参量修正公式。研究结果表明:(1)高地应力下错动带的变形力学特性存在着明显的应力路径效应,在相同卸荷应力路径下,高围压会抑制错动带试样环向塑性变形的发展;在相同初始围压下,卸轴压卸围压应力路径下错动带试样的塑性体积残余应变(6%)明显大于其余卸荷应力路径(2%~4%);不同应力路径对错动带塑性体积变形的促进作用为卸轴压卸围压应力路径>恒轴压卸围压应力路径>增轴压卸围压应力路径;(2)错动带在不同卸荷路径变形破坏过程中,其塑性体应变、等效塑性应变、等效塑性功等内变量均存在一定的应力路径相关性,因而在错动带的弹塑性分析中,直接将以上任何一个状态参量作为其硬化参数并假定其与应力路径无关是不准确的。为此,提出等效塑性功修正方法,发现当修正等效塑性功公式中反映错动带材料特性的参数n_(s)=-0.4时,修正等效塑性功具有明显的应力路径无关性,更适宜作为高地应力卸荷条件下错动带的硬化参数来描述其卸荷塑性应变硬化特征。揭示的错动带塑性力学特性可进一步深化高地应力卸荷条件下错动带的变形破坏认识,为实际工程中错动带的破坏机制分析和支护控制提供理论依据。

关键词：错动带高地应力卸荷塑性变形硬化特征

考虑力学参数不确定性的岩质边坡开挖卸荷响应概率评价

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岩土力学 2023年第7期44卷 2115-2128页

作者：刘国锋冯坤晏长根丰光亮徐鼎平周迟长安大学公路学院陕西西安7100641 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071

鉴于目前关于节理岩体力学参数空间变异性表征及存在潜在滑移面边坡的可靠性问题研究较多,但对于岩质边坡力学参数空间变异性影响及开挖卸荷响应(变形与塑性区)不确定性分析的研究较为有限。提出考虑力学参数不确定性的岩质边坡开挖卸... 详细信息

鉴于目前关于节理岩体力学参数空间变异性表征及存在潜在滑移面边坡的可靠性问题研究较多,但对于岩质边坡力学参数空间变异性影响及开挖卸荷响应(变形与塑性区)不确定性分析的研究较为有限。提出考虑力学参数不确定性的岩质边坡开挖卸荷响应概率评价方法,该方法以室内岩石力学试验及现场地质勘察测绘数据为基础,利用Hoek-Brown经验准则与Monte Carlo分析手段,构建了以岩石单轴抗压强度(uniaxial compressive strength,简称UCS)、地质强度指标(geological strengthindex,简称GSI)和节理工程参数为输入的边坡岩体力学参数概率统计模型,并采用卡方检验进行模型的吻合度检验;基于点估计原理构建岩体力学参数组合方案,并结合数值模拟开展边坡开挖过程的仿真分析,获得边坡开挖后整体安全系数及位移及塑性区的概率分布。利用该方法对在建京秦高速沿线某路堑边坡岩体力学参数及开挖卸荷响应进行分析,得到了岩体强度、弹性模量、黏聚力与内摩擦角的取值及不确定性分布,采用点估计与FLAC3D模拟分析,得到了边坡安全系数及典型观测点的位移与塑性区分布结果,并与实测值进行对比,结果表明该方法的适用性较高。该研究为岩质挖方边坡的力学参数估计及稳定性分析评价提供了一种有效途径,能够为实际工程施工决策提供重要参考依据。

关键词：岩质边坡力学参数卸荷响应 Hoek-Brown准则 Monte Carlo模拟概率分析

双江口电站超高应力区地下厂房岩爆空间特性规律研究

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岩石力学与工程学报 2023年第S1期42卷 3141-3150页

作者：马行东李鹏郭松峰徐鼎平黎昌有中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司四川成都610072 国电大渡河流域水电开发有限公司四川成都610041 中国科学院地质与地球物理研究所北京100029 中国科学院武汉岩土力学研究所湖北武汉430071

双江口电站左岸实测地应力达37.82MPa,从地应力平面空间展布规律和技施阶段岩体空间应力测试成果分析,地应力具有一定的区域差异性,可从洞室布置区域的地应力大小、洞轴线与地应力方向夹角关系宏观定性分析主副厂房岩爆最强、破坏现象... 详细信息

双江口电站左岸实测地应力达37.82MPa,从地应力平面空间展布规律和技施阶段岩体空间应力测试成果分析,地应力具有一定的区域差异性,可从洞室布置区域的地应力大小、洞轴线与地应力方向夹角关系宏观定性分析主副厂房岩爆最强、破坏现象最严重,上游侧岩爆破坏大于下游侧,数值模拟定量分析也得到相同结论。开挖后,在现场大量调查、统计岩爆发育基础上,对岩爆的空间特性进行了分析,概括总结了宏观岩爆空间发育规律,3大洞室中主副厂房岩爆最严重、尾调室次之、主变室最弱,主厂房岩爆破坏程度中导洞、第Ⅰ层、第Ⅱ层上游侧拱肩和边墙大于下游侧,而第Ⅲ层、第Ⅳ层下游侧岩锚梁和边墙大于上游侧岩锚梁和边墙,宏观调查规律与前期成果较吻合。结合微震监测事件空间分布规律,研究发现双江口电站具有典型的岩爆空间特性,通过总结这些特征,可初步预估小尺度区域岩爆特征,对今后引水系统地应力细化研究及支护具有一定的指导意义。

关键词：岩石力学超高应力地下厂房岩爆空间特性

太和铁矿西端帮冰碛土边坡稳定性分析方法研究

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岩石力学与工程学报 2008年第A2期27卷 3335-3340页

作者：徐鼎平朱大鹏中国中钢集团公司马鞍山矿山研究院安徽马鞍山243004 广东省石油化工设计院广东广州510130

针对太和铁矿西端帮冰碛土边坡这一具体工程,提出以冰碛土原位试验和室内试验成果为基础,耦合元胞自动机(CA)和FLAC3D进行冰碛土三轴数值模拟试验并建立其抗剪强度模型的方法;提出基于数值模拟,有效整合数值分析、极限平衡分析和可靠度... 详细信息

针对太和铁矿西端帮冰碛土边坡这一具体工程,提出以冰碛土原位试验和室内试验成果为基础,耦合元胞自动机(CA)和FLAC3D进行冰碛土三轴数值模拟试验并建立其抗剪强度模型的方法;提出基于数值模拟,有效整合数值分析、极限平衡分析和可靠度分析方法的边坡稳定性综合分析方法。最后,以上述研究成果为基础,从多角度进行该冰碛土边坡的稳定性分析。位移矢量和变形分析表明,边坡的潜在破坏主要以浅表层剪切破坏为主,其均值安全系数较高(1.40～1.59),但因参数不确定性大,致使破坏概率亦较高(1.07%～3.36%),为不可接受的风险水平,故需采取适当的工程措施以降低风险。

关键词：数值模拟冰碛土元胞自动机简化一次二阶矩法边坡稳定性分析

基于大样本不完整数据的岩爆致因特征及预测模型

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地球科学 2023年第5期48卷 1755-1768页

作者：刘国锋杜程浩丰光亮晏长根李胜峰徐鼎平长安大学公路学院陕西西安710064 长安大学陕西省公路桥梁与隧道重点实验室陕西西安710064 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071

为判别影响岩爆的敏感性因素并构建不完整数据条件下的岩爆预测方法,在收集到429组国内外岩爆案例的基础上建立大样本数据库,归纳总结岩爆致因分布特征及规律,选取埋深、岩石单轴抗压强度、岩石单轴抗拉强度、围岩最大切向应力、弹性应... 详细信息

为判别影响岩爆的敏感性因素并构建不完整数据条件下的岩爆预测方法,在收集到429组国内外岩爆案例的基础上建立大样本数据库,归纳总结岩爆致因分布特征及规律,选取埋深、岩石单轴抗压强度、岩石单轴抗拉强度、围岩最大切向应力、弹性应变能量指数、岩体完整性系数6个评价指标,利用贝叶斯网络建立基于大样本不完整数据集的岩爆概率预测模型,并进行敏感性分析和工程应用.分析发现围岩最大切向应力与岩体完整性系数对岩爆的影响较大,所建模型对信息缺失率为20%的岩爆案例预测吻合率达83.3%,且预测效果优于常用岩爆经验判据.结果表明所选取的预测指标能够综合考虑岩爆的影响因素,所建立模型对于深部岩爆灾害的预测具有适用性和可靠性.

关键词：岩爆致灾因素敏感性分析概率预测不完整数据集灾害地质.

高应力地下交叉洞室爆破诱发掉块的微震活动及震源机制研究

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Journal of Central South University 2023年第2期30卷 542-554页

作者：赵金帅江权裴书锋陈炳瑞徐鼎平宋磊博 Faculty of Civil Engineering and Mechanics Jiangsu UniversityZhenjiang 212013China State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering(Institute of Rock and Soil Mechanics Chinese Academy of Sciences)Wuhan 430071China North China University of Water Resources and Electric Power Zhengzhou 450046China Faculty of Civil Engineering Shaoxing UniversityShaoxing 312000China

岩体掉块是在地下洞室开挖过程中容易遇到的破坏灾害之一。为客观评价爆破开挖引起的地下交叉洞室岩体掉块的微震活动及震源机制,在白鹤滩水电站母线洞安装了6个单轴加速度计和8个单轴检波器,开展原位微震监测试验。在时域上,生产爆破... 详细信息

岩体掉块是在地下洞室开挖过程中容易遇到的破坏灾害之一。为客观评价爆破开挖引起的地下交叉洞室岩体掉块的微震活动及震源机制,在白鹤滩水电站母线洞安装了6个单轴加速度计和8个单轴检波器,开展原位微震监测试验。在时域上,生产爆破的微震活动响应表明,爆破后3 h内,微震活动处于活跃阶段。在空间域上,随着工作面的推进,开挖区周围的应力集中分布,岩体的破坏和劣化逐渐加剧。微震事件的活动区域与应力集中区域一致。基于矩张量反演法分析破裂机理可知,地下交叉洞室岩体掉块的破裂机理以拉张断裂为主。研究结果可为类似地下洞室围岩的稳定性分析、爆破开挖及支护优化等问题的重新思考提供重要参考依据。

关键词：掉块微震监测爆破开挖微震活动特性震源机制

白鹤滩层间错动带微结构特性及其化学改性初探

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岩土力学 2013年第5期34卷 1287-1292页

作者：史存鹏冯夏庭江权徐鼎平中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室武汉430071

白鹤滩水电站层间错动带结构疏松、性状软弱、空间展布范围大、力学强度低,严重影响着地下厂房洞室的稳定性。为了揭示并改良层间错动带的力学特性,首先通过矿物成分分析试验、扫描电镜试验和压汞试验,从微观结构角度对层间错动带的矿... 详细信息

白鹤滩水电站层间错动带结构疏松、性状软弱、空间展布范围大、力学强度低,严重影响着地下厂房洞室的稳定性。为了揭示并改良层间错动带的力学特性,首先通过矿物成分分析试验、扫描电镜试验和压汞试验,从微观结构角度对层间错动带的矿物组成特征、颗粒排列规律、孔隙分布规律进行了详细的研究,阐明了层间错动带的微观结构特性及其对灌浆材料选择的影响,进而开展了层间错动带化学溶液浸泡对比试验。试验表明,硅酸钠溶液可以有效改善层间错动带的完整性,明显提高层间错动带的弹性波速、抗压强度、弹性模量和凝聚力。其研究结果对白鹤滩层间错动带的工程加固和改性设计具有一定的借鉴意义。

关键词：层间错动带微结构特性化学改性