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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年第8期43卷 1870-1882页

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江苏徐州221116 中国矿业大学力学与土木工程学院江苏徐州221116 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... 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×高为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制。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

层状岩体磷矿床采空区失稳风险定量评价方法研究

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工程科学与技术 2024年第5期56卷 168-175页

作者：陈东方王梦柯徐鼎平叶海旺王其洲刘建向彬武汉理工大学资源与环境工程学院湖北武汉430070 昆明有色冶金设计研究院股份公司云南昆明650032 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 湖北杉树垭矿业有限公司湖北宜昌443100 宜昌宜化殷家坪矿业有限公司湖北宜昌443100

现有层状岩体磷矿床采空区失稳分析方法很少考虑岩体力学参数的空间变异性。以杉树垭磷矿为研究背景,构建了能够表征岩体力学参数自相关性、互相关性及非高斯性的随机场,以层状岩体破坏接近度(FAI)为评价指标,建立了岩体单元破坏的极限... 详细信息

现有层状岩体磷矿床采空区失稳分析方法很少考虑岩体力学参数的空间变异性。以杉树垭磷矿为研究背景,构建了能够表征岩体力学参数自相关性、互相关性及非高斯性的随机场,以层状岩体破坏接近度(FAI)为评价指标,建立了岩体单元破坏的极限状态方程,并借助Hermite随机多项式建立了随机岩体力学参数输入场与网格单元FAI输出场间的显式函数表达式。最后,采用蒙特卡洛法计算磷矿采空区网格单元破坏概率,实现了磷矿采空区失稳风险的定量评价。结果表明:参数随机场能够很好表征岩体力学参数的空间变异性,采空区失稳高风险区域(破坏概率≥70%)位于矿柱高度的中间部位,矿柱表面的破坏深度在2m以内,与实际矿柱破坏位置与破坏深度相吻合。常规数值计算因计算结果指标分布差异,常面临难以判定磷矿采空区是否失稳的问题,而本文数值计算方法既考虑了层状岩体力学参数自相关性、互相关性及非高斯性的客观空间变异性特征,又实现了基于破坏概率的磷矿采空区失稳风险定量评价。

关键词：层状岩体磷矿床采空区失稳风险定量评价

Estimation of the three-dimensional in situ stress field around a large deep underground cavern group near a valley

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Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering 2021年第3期13卷 529-544页

作者： dingping xu Xiang Huang Quan Jiang Shaojun Li Hong Zheng Shili Qiu Huaisheng xu Yonghong Li Zhiguo Li Xingdong Ma State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering Institute of Rock and Soil MechanicsChinese Academy of SciencesWuhan430071China University of Chinese Academy of Sciences Beijing100049China POWERCHINA Chengdu Engineering Corporation Limited Chengdu610072China

Understanding three-dimensional(3D)in situ stress field is of key importance for estimating the stability of large deep underground cavern groups near ***,the complete 3D in situ stress fields around large deep underground cavern groups are difficult to determine based on in situ stress data from a limited number of measuring points due to the insufficient representativeness and unreliability of such *** this study,an integrated approach for estimating the 3D in situ stress field around a large deep underground cavern group near a valley is developed based on incomplete in situ stress measurements and the stress-induced failures of tunnels excavated prior to the step excavation of the cavern *** integrated approach is implemented via four interrelated and progressive basic steps,*** of the regional tectonic stress field direction,analyses of in situ stress characteristics and measurement reliability,regression-based in situ stress field analysis and reliability assessment,and modified in situ stress field analysis and reliability *** orientations and magnitudes of the 3D in situ stress field can be analyzed and obtained at a strategic level following these four basic ***,the tectonic stress field direction around the cavern group is deduced in accordance with the regional tectonic framework and verified using a regional crustal deformation velocity ***,the reliability of the in situ stress measurements is verified based on the locations and depths of stressinduced brittle failures in small tunnels(such as exploratory tunnels and pilot tunnels)within the excavation range of the cavern ***,considering the influences of the valley topography and major geological structures,the 3D in situ stress field is regressed using numerical simulation and multiple linear regression techniques based on the in situ stress ***,the regressed in situ stress field is further modified and reveri

关键词： Underground cavern group In situ stress Stress-induced brittle failure Spalling depth Numerical simulation

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43卷 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江苏徐州221116 中国矿业大学力学与土木工程学院江苏徐州221116 华北有色工程勘察院有限公司河北石家庄050024 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... 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

A local homogenization approach for simulating the reinforcement effect of the fully grouted bolt in deep underground openings

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International Journal of Mining Science and Technology 2022年第2期32卷 247-259页

作者： dingping xu Xiuyang Liu Quan Jiang Shaojun Li Yangyi Zhou Shili Qiu Fei Yan Hong Zheng Xiang Huang State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering Institute of Rock and Soil MechanicsChinese Academy of SciencesWuhan 430071China University of Chinese Academy of Sciences Beijing 100049China Key Laboratory of Ministry of Education on Safe Mining of Deep Metal Mines Northeastern UniversityShenyang 110819China

Fully grouted bolts are a key component of the support system for underground *** considerable effort has been made in the simulation of the reinforcement effect of the fully grouted bolts on the rock masses surrounding underground openings,most of the work has limited significance since the structural element approach is *** study proposes a local homogenization approach(L-H approach)that integrates elastoplastic mechanics,composite mechanics,and analytical approaches with numerical simulation to effectively simulate the reinforcement effect of the fully grouted bolt on deep surrounding rock *** the L-H approach,the representative volume of bolted rock mass(RVBRM)with a fully grouted bolt is established based on the original mesh model utilized in the rockbolt element *** RVBRM is a regular quadrangular prism with a cross-sectional size equal to the bolt spacing and a length equal to the bolt *** RVBRM is homogenized by the L-H approach from a unidirectional bolt-reinforced composite into a homogeneous transversely isotropic medium whose mechanical properties are described by a new transversely isotropic elastoplastic *** L-H parameters for the RVBRM are obtained using analytical approaches,composite mechanics,and known parameters of the rock mass and *** the L-H approach,the reinforcement effect of the fully grouted bolt on the bolted rock specimen and the surrounding rock mass in Jinping II Diversion Tunnel#2 with a depth greater than 2000 m is *** results show that the predictions of the L-H approach are more in agreement with the physical model results of bolted rock specimen and provide a more realistic response of the bolted surrounding rock *** L-H approach demonstrates that fully grouted bolts with common bolt spacings and diameters substantially enhance the elastic modulus,shear strength,and tensile strength of the rock mass in the direction of the bolt axis.

关键词： Fully grouted bolt Reinforcement effect Representative volume Transverse isotropy Homogenization

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A02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

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高应力条件下错动带加卸荷力学特性试验研究

岩石力学与工程学报 2016年第6期35卷 1090-1101页

作者：段淑倩冯夏庭江权徐鼎平徐鸿刘国锋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试验室湖北武汉430071 东北大学深部金属矿山安全开采研究中心辽宁沈阳110819

针对白鹤滩地下厂房开挖过程中所揭露的力学响应行为十分复杂的错动带,为研究其在高应力条件下的加卸荷力学特性,开展一系列不同应力水平和应力路径下的不排水三轴常规加、卸荷试验。研究结果表明:(1)卸荷过程中,错动带卸荷应力–应变... 详细信息

针对白鹤滩地下厂房开挖过程中所揭露的力学响应行为十分复杂的错动带,为研究其在高应力条件下的加卸荷力学特性,开展一系列不同应力水平和应力路径下的不排水三轴常规加、卸荷试验。研究结果表明:(1)卸荷过程中,错动带卸荷应力–应变曲线特征与初始围压相关性很大,错动带向卸荷方向回弹变形显著,从卸围压开始即表现出强烈的剪胀现象;卸轴压卸围压方案比增轴压卸围压方案的侧向扩展变形表现更为显著;且在试样表面都出现了张/张剪裂纹。(2)卸荷应力路径下,错动带变形模量劣化效应十分明显,随围压的减小而逐渐降低,基本呈三次多项式递减;体积模量随体积应变的增加而减小,整体呈负指数形式降低;泊松比则随体积应变逐渐增加,整体呈近似抛物线形式递增。(3)相同初始围压条件下,相较于加荷条件,卸荷条件下错动带的破坏应力有所降低,内摩擦角明显增大,而黏聚力则明显降低;卸轴压卸围压方案下的破坏应力劣化更显著。试验所采用的应力水平和应力路径基本涵盖和反映了错动带在洞室开挖过程中所经历的复杂的应力重分布过程,具有一定的代表性,地下厂房开挖后高边墙错动带黏聚力和内摩擦角取值基本可参考卸轴压卸围压应力路径下天然含水率错动带的试验结果,为后续进一步讨论错动带强度特征并建立错动带本构模型提供了有效依据。

关键词：水利工程错动带卸荷试验变形特征强度参数

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S01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

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某露天铁矿冰碛土台阶边坡可靠性分析

岩土工程技术 2007年第1期21卷 11-14页

作者：徐鼎平马鞍山矿山研究院岩土工程研究所安徽马鞍山243004

以某露天矿边坡台阶为研究对象,提出一种新的可靠度求取方法———简化统计矩法。采用该法对原设计的台阶边坡和本研究所推荐的台阶边坡进行了可靠性分析。分析结果表明,台阶边坡破坏概率较高,主要是由冰碛土强度的固有不确定性、抗风... 详细信息

以某露天矿边坡台阶为研究对象,提出一种新的可靠度求取方法———简化统计矩法。采用该法对原设计的台阶边坡和本研究所推荐的台阶边坡进行了可靠性分析。分析结果表明,台阶边坡破坏概率较高,主要是由冰碛土强度的固有不确定性、抗风化能力以及水理性质决定的,而边坡结构因素对其影响不显著。建议采取平台宽度3 m、3 m和16 m的三台阶组方案,同时采用截洪和护坡等有效措施来提高台阶边坡的稳定。

关键词：台阶边坡冰碛土可靠度破坏概率