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岩体力学论文

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摘要:岩体工程进一步发展,必然要求数值分析迅速发展.但应指出,数值分析方法的发展,一方面要求计算技术的发展,另一方面要求大规模的实验提供数值分析的发展基础.加强学科渗透;促进理论更新,这是今后应用科学发展的一个趋势.总之,随着人们对岩体认识的不断深入以及其它学科手段的进步,岩体力学将不断完善;同时,也将推动人们的工程实践的不断深化。
【关键词】
  • 岩体力学 岩体力学论文

岩体力学论文:关于岩体力学参数水利水电工程论文

1一般方法

1.1岩石力学试验法

(1)室内试验。

通过钻孔岩芯取样,利用室内岩块的单轴压缩试验确定岩石单轴抗压强度、弹性模量和泊松比。通过岩体的三轴压缩试验确定岩体的抗剪强度-凝聚力和摩擦角。通过岩体卸围压试验研究岩体卸荷过程中的变形和能量变化特点,确定卸载时岩体的参数,如弹模、泊松比、凝聚力、摩擦角。

(2)现场试验。

现场抗剪试验获得岩体、软弱夹层、混凝土与岩石接触面抗剪(断)强度;现场变形试验(刚性承压板法、狭缝法)获得岩体变形模量、弹性模量及泊松比。还有现场声波测试评价岩体完整性等。现场试验是确定岩体强度参数最准确的方法,但由于通常不具备施作原位试验的条件,而且试验周期长、费用高,所以这种方法应用较少。试验法是一种直接又可靠的方法,可以较好反映岩石特性。室内试验得到的是完整岩块的特性参数,但存在“尺寸效应”。现场试验受条件限制,试件制备难免受到扰动,试验结果分散,不能直接采用。

1.2工程岩体分级法

工程岩体分级法主要有:国标《工程岩体分级标准》、水利水电工程勘察规范的坝基和围岩工程地质分类法、巴顿的Q系统分类法及比尼威斯基的RMR分类法。这些分类方法往往是定性描述与定量评价相结合,采用多参数综合指标分级法给岩体进行评分和划分岩体级别,根据岩体级别并结合经验公式,给出岩体参数的范围值。国标《工程岩体分级标准》选取岩石坚硬程度和岩体完整程度这两个因素确定岩体基本质量,将影响岩体工程特性的因素如地下水、初始应力、结构面走向与工程轴线方位等作为修正因素,实现工程岩体的分级,并提供了各级别岩体物理力学参数表和结构面抗剪断峰值强度表。《水利水电工程地质勘察规范》的附录V提供了坝基岩体工程地质分类表,主要分类因素也是岩石坚硬程度和岩体完整程度,此外还有岩体纵波速度和钻孔RQD值,并在附录E中提供了坝基岩体抗剪断(抗剪)强度参数及变形参数经验值表和结构面抗剪断(抗剪)强度参数经验值表,用于规划和可研阶段。应注意该表的注明是参数仅限于硬质岩,软质岩应根据软化系数进行折减。

1.3工程地质类比法

工程地质类比法是利用大量已建工程的成功经验确定拟建工程的设计参数,是工程地质研究的传统方法之一。类比法是应用相似原理,要求主要的工程地质条件基本相同或相似,这其中最主要的是岩性和地层时代(或层位),其余还有地质构造(岩体完整性)、风化状态、应力条件、地下水等等。实际应用时应结合具体工程的地质条件,在类比、分析、判断的基础上提出合理参数。同时,在施工过程中,根据工程实际进展情况和出现的问题,特别是根据现场观测结果,对设计进行必要的调整和修改。类比的资料可以参考《岩石力学参数手册》、《岩基抗剪强度参数》、《工程地质手册》、《水利水电工程地质手册》,以及地区工程经验(资料库、数据库)等等。类比法完全依靠地质师所掌握的工程实例资料和他对工程岩体的经验判断,人为因素比较大,有时仅仅通过少量个别因素相比较而得到的参数,其结果可靠性较差。然而该方法简单、方便、快捷,在中、小型水利水电工程中应用较多。

1.4反演分析法

反演分析法是利用现场所测得的位移等数值反求岩体力学参数,包括位移反分析、应力反分析、混合反分析等。其中位移反分析方法是根据现场实测的位移值,采用解析法、有限元等方法以及弹性、弹塑性等本构模型进行求解。位移反分析的方法主要分为两类:直接逼近法和逆过程法。由于围岩本构关系的复杂性,目前的逆过程方法的位移反分析研究计算大都采用了线弹性等假设,设岩体为均值各向同性,而天然岩体地质条件复杂,这样与工程实际情况相去甚远。反分析方法在边坡稳定分析中应用较多。反分析时稳定系数取值为:蠕动挤压阶段宜采用1.00~1.05,初滑阶段宜采用0.95~1.00。滑带土抗剪强度(c,φ)参数反演分析的方法分为单参数反演和双参数反演两种。前者假定一个参数已知的前提下,反算另外一个参数,通常选择对滑坡稳定性影响较敏感的作为未知参数。后者在反演中有两个未知的参数,通常选择两个距主滑动面等距的剖面建立极限平衡方程求解,此外,还可以做参数的敏感性分析。

1.5人工神经网络法及模糊数学预测法

人工神经网络法是通过完成输入与输出问题的映射,自动建立复杂现象(系统)的模型并指出其控制规律。该方法考虑了影响岩石力学参数的各种定性因素,应用人工神经网络进行训练,随着数据的积累不断地对样本集进行补充和完善,使参数取值结果不断趋于合理。缺点是学习样本的选取具有很大的主观性。模糊数学预测法是考虑到影响岩体变形强度参数的相关因素模糊不确定性,根据经验确定权重集及隶属度,在此基础上进行岩体力学参数预测。该方法实质就是把岩石与岩体力学指标之间的比例系数当作模糊子集,依据经验进行模糊综合评判确定一个最佳模糊折减系数的问题,从定量上考虑影响力学参数的各种模糊因素,但在运用上不是很成熟,仍借助于经验。

1.6其他方法

除上述方法外,还有一些其他方法可以用来确定岩体强度参数,如:计算机模拟、声波测试技术、岩体分形分维理论、断裂损伤力学、统计数学等方法。

2岩体力学参数综合取值

岩体力学参数取值方法有很多,由于岩体的不连续性、各向异性和非均匀性等特有属性以及岩体结构的复杂性,使各种取值方法存在局限性,至今还没有一种令人满意的取值方法。实际工作中应该综合应用这些方法,互相验证,取长补短。笔者基于上述岩体力学参数的取值方法,并结合工程的规模和地质条件的复杂程度,在满足规程规范的前提下提出了岩体力学参数综合取值方法。该方法针对地质条件简单的小型工程、地质条件复杂的中型以上工程、重要的大型工程和参数敏感的工程分为以下3个层次。

(1)第一层次。

对于地质条件简单的小型工程,或项目规划、可研阶段,可采用野外地质调查和钻孔取样室内抗压试验→进行岩体分级、查表→获得抗剪强度和变形模量范围值,通过相似工程类比,调整、修正取得地质建议值;或者采用RMR分类和Hoek-Brown经验强度准则公式计算,参考类似工程修正后得到地质建议值。

(2)第二层次。

对于地质条件复杂的中型以上工程,如重力坝、拱坝,结构面影响坝基、坝肩稳定,初步设计阶段应布置原位抗剪和变形试验,参考类似工程,结合现场地质条件进行调整,必要时由地质、试验和设计三方共同研究确定设计采用值。

(3)第三层次。

对于重要的大型工程和参数敏感的工程,应做专门研究,除运用上述方法外,还应开展计算机模拟试验、人工神经网络法、模糊数学预测法等,慎重确定地质建议值。在施工阶段可以利用监测资料进行反演分析,复核岩体稳定性,及时修改设计和施工方法,确保工程安全。总之,地质调查和岩石力学试验是基础,是岩体分级、经验估算及数值模拟的前提,因此应重视野外第一手资料的收集,并注意取样、试验成果代表性问题,使地质建议值符合现场实际。

3应注意的问题

反思多年来我们所做的中小型水利水电工程勘察设计,在岩石力学参数取值方面应注意以下问题:

(1)在前期勘察时对设计意图不甚了解

设计方案不十分明确,加之勘察周期短,对地质条件的调查和分析不够深入,对试验只是要求做常规的内容,以室内试验为主,取样数量不足,成果代表性差,使得方案比选时难以取舍。按照有关规范,“小型水电工程岩土参数(取值)可在现场简易测试和必要的室内试验的基础上以类比为主。”“中型水电工程岩土测试以室内试验为主,必要时可采用大型野外原位试验。”对于拱坝和重力坝要特别注意,对影响坝基、坝肩稳定的岩土体及软弱结构面可视需要开展原位试验工作。尤其是软岩和完整性差的岩石,软弱结构面发育,且结构面对岩体稳定性不利,岩体稳定性的判别对工程影响很关键,这需要慎重研究,应在地质调查的基础上,布置适当的原位试验,并采取多种方法合理确定岩体力学参数。

(2)勘察报告中抗剪强度和变形参数仅仅根据室内岩石试验查规范,与现场地质调查结合不紧密。

抗剪强度和变形参数是混凝土坝稳定计算最重要的参数,对工程安全和造价影响很大。然而规范给出的值范围较大,勘察报告仅仅依据规范提供的参数表取值是远远不够的。中等规模以上和地质条件复杂的工程应进一步开展分析论证工作,结合现场地质条件调查,在岩体分级基础上,运用有关理论和经验公式,例如霍克-布朗(Hoek-Brown)经验强度准则公式等,并参考已建工程经验取值,必要时与地质、试验和设计专业共同会商,合理确定参数。

(3)在软岩地区建混凝土坝要特别注意

如页岩、千枚岩及白垩-第三系泥岩等,由于岩性软弱,构造发育,岩体强度较低,工程安全裕度小,岩体力学参数取值对工程安全和经济性影响大,甚至影响方案的成立。软岩地区一般不适合建中、高混凝土坝,万一要建,就应该投入一定的勘探和试验工作量,慎重研究和分析论证,并留有一定安全裕度。

(4)应考虑定值计算与可靠度问题。

实际勘察设计工作中,是由地质专业提供参数,设计人员进行计算。地质部门依据试验成果,结合地质条件和个人经验判断,提出地质建议值。设计一般直接采用地质建议值进行计算。问题是设计计算方法与地质模型是否一致,地质参数的可靠性或安全阈值是多少,即有多少安全储备。近十几年来国内外广泛开展了重力坝可靠度研究。结构可靠性分析是以概率理论为基础,采用极限状态设计方法,以可靠指标度量结构或工程的可靠性,比定值法不考虑参数的偏差有明显的优越之处。可靠度计算需要提供与大坝有关的各类荷载、材料和地基强度的统计特征值(均值、标准差、变异系数等)及分布类型,对地质参数的离散性进行评价。

(5)试验是基础。

如何看待试验成果,地质专业人员常常抱怨试验参数不准,造成的原因有几个方面,一是取样的代表性问题,或者原位试验选点问题,要考虑岩性、风化程度、构造等影响,对试验点做专门设计和布置;又譬如有的砂岩与页岩互层,页岩岩芯破碎取样困难,取样只能做砂岩的抗压强度试验,成果偏大;倾斜岩层抗压首先沿层面剪切破坏,成果偏小。二是试验中的误差,应采用数理统计法整理试验成果,在充分论证的基础上舍去不合理的离散值。对于原位抗剪试验,要了解试验点的岩性、构造、风化及地下水等因素对成果的影响。另外,试件制备时难免受到扰动,一般要求安排2组以上试验,以便对比和分析。

(6)确定参数时要处理好主观判断与客观评价的关系。

前述的岩体分级法、工程类比法及经验判据法(强度准则公式)都属于经验法,其取值时的人为因素和个人经验对结果影响很大,实际操作中应尽量避免人为因素干扰,从地质条件的客观出发,分别按不同因素对参数进行修正,减少取值的随意性。

(7)加强施工监测,利用监测资料进行“动态设计、信息化施工”。

由于工程地质条件的复杂性和不确定性,地质勘探、试验、计算分析方法的局限性,我们对工程岩体性状变化的认识有一定程度的不确定性。在施工中要加强岩体性状的监测,及时分析和判断,调整、修改设计和施工方法,以保证施工安全和工程安全。尤其是隧洞施工支护,要根据发现的新情况及时修改设计,即采取“动态设计、信息化施工”,既要确保工程安全,又不能造成浪费。

(8)利用已建工程进行类比确定岩体力学参数是我们常用的方法。

但是没有一个工程的地质条件是完全相同的,而我们个人掌握的资料有限,每个人的经验千差万别,往往仅通过少量个别因素相比较而获得参数,人为因素的干扰较大,其结果可靠性较差。应多参考类似工程,并不断积累工程经验。多年来笔者所在单位在湖北省水利水电工程勘测设计中做了大量的岩体物理力学室内外试验和原位测试,积累了丰富的实践经验。

4结论

(1)岩体力学参数的合理确定是水利水电工程中的一项基础工作

直接关系到坝基、边坡、地下洞室工程的安全性和经济性。由于岩体具有不均匀性、不连续性和随时间变化的特性,准确确定岩体力学参数是非常困难的。在研究了有关规程规范和各种取值方法特点的基础上,针对工程的重要性程度和地质条件的复杂程度提出了岩体力学参数的综合取值方法,分为地质条件简单的小型工程、地质条件复杂的中型以上工程、重要的大型工程三个层次。针对具体的工程应当选择合理的方法来确定岩体力学参数。水利水电工程岩体力学经验参数综合取值研究对水利水电工程坝基、边坡、地下结构稳定性研究和计算具有重要理论意义和现实意义。

(2)中小型水利水电工程具有规模小、设计周期短、勘察试验工作量有限的特点

在详细地质调查和少量室内试验的基础上进行岩体分级,参考已建工程的成功经验类比确定岩体力学参数是一种简单、快捷而有效的方法。结合工程经验指出了水利水电工程岩体力学参数取值时应该注意的问题,可以供相关的工程技术人员参考。

作者:陈汉宝 黄定强 彭义峰 熊友平 江妤 单位:湖北省水利水电规划勘测设计院 中国地质大学武汉工程学院

岩体力学论文:“岩体力学”结构体系及教学方法探讨

【摘要】“岩体力学”是高等院校工程类专业的一门重要专业课,具有很强的理论性、综合性和实践性,对于从未接触过程相关工程实践的学生来说比较难以接受。根据本课程的特点及教学要求并结合多年来的工程实践经验,作者首先对课程的特点及教学内容结构体系进行了总体分析,从而加强学生对课程特点的认识和内容的掌握;其次,结合本课程的一个重要特点——实践性强,提出了相应的教学方法。

【关键词】“岩体力学”;实践性;结构体系;教学方法;探讨

一、引言

“岩体力学”(有些学者也称为“岩石力学”)是地质、土木、建筑、交通、能源、水利水电等工科专业核心的专业课程之一,在上述专业的大学课程教育中占有非常重要的地位。尤其是近年来随着我国经济的快速发展,西部大开发、南水北调、高速铁路等项目的深入实施,大量的地质工程、岩土工程及地下工程建设广泛兴起,这一方面为岩土工程技术人员提供了施展才华的广阔空间,同时由于新问题、新技术层出不穷,因而也充满了前所未有的挑战。所以,当前的工程建设也对这方面的人才培养提出了更高的要求和期望,既要具备比较扎实的理论基础知识,又要有比较丰富的实践经验。高校作为人才培养的重要基地,更要担负起这一重要的历史使命。岩体力学作为一个在实践基础上发展起来的学科,不但有较强的理论性和系统性,而且更有着很强的实践性,这也是明显其区别于理论力学、材料力学及弹性力学等经典力学的一个重要特点,如黄明奎和刘开云都提出了实践环节在岩体力学教学中的重要性。从字面上理解,“岩体力学”包括“岩体”和“力学”两个词汇,通过前面对多门力学课程的学习,学生都已基本理解力学就是研究物体对外力的响应,包括内部响应(产生变形甚至破坏)及外部响应(产生运动),而岩体则是经过长期地质作用形成的复杂地质体,具有很强的地域性和个案性,因此明显不同于在材料力学中经常介绍的低碳钢等材料。因此,初学的学生都会明显感觉到岩体力学在理论上没有理论力学和弹性力学那么严谨,会出现很多的经验公式。所以在岩体力学的教学中一定要牢固地树立“实践性”这一根本特点,这样才能使学生更好、更快地掌握这门课程,进而灵活地运用于工程实践、服务于工程实践。 实践性强的特点应该贯穿在岩体力学教学的整个环节,具体地表现在教学手段和教学内容上分别为:在教学手段上应该充分安排一定的实践教学课时,让学生能够有机会接触到工程实践,比如让学生参观岩石标本,从感性上认识什么是岩石、结构面及岩体等,让学生去试验室亲自动手做一些岩石力学试验,去施工现场让学生见识一下什么是岩石隧道开挖、岩石边坡支护等,让学生自己动手做一个岩石工程设计等等,这样不但可以让学生增强感性认识,而且还可以激发他们的学习兴趣。另外在教学内容上,应该选择一本比较好的岩体力学教材,但是也决不能局限于教材。因为岩体力学从大的研究内容上来说基本是不会有太大变化的,主要就是研究岩体在外力作用下的变形与破坏机理,但是随着科学的发展,研究手段却会有很大的进展,如刚性试验机的出现使我们可以了解到岩石峰后的强度曲线、塑性及流变本构模型的提出可以使我们了解到岩石更为复杂的力学响应特征、有限元、离散元甚至流形元等数值方法的出现使我们更直观、方便地了解到岩石的变形及破坏过程,等等。下面就从岩体力学产生与发展的角度对其课程特点进行探讨,然后以黄醒春主编的《岩石力学》为例,从课程内容的结构体系上阐述其主要内容及其结构框架,最后在此基础上对其教学方法进行探讨。

二、课程特点及结构体系分析

2.1 课程特点。 岩体力学是运用力学原理和方法来研究岩体的力学以及与力学有关现象的一门新兴科学,即研究岩体在各种力场作用下变形与破坏规律的理论及其实际应用的科学。目前其主要有两种不同的发展方向:一是从力学的一般原理出发,考虑岩体的特殊力学性质,运用逻辑演绎的方法进行研究,这通常称为理论岩体力学;二是从经验出发,在大量实践的基础上归纳出对工程问题有指导意义的规律,这通常称为工程岩体力学。因此,岩体力学既是一门理论学科,也是一门实践性很强的工程学科,它不仅与国民经济基础建设、资源开发、环境保护、减灾防灾有密切联系,具有重要的实用价值,而且也是力学和地学相结合的一门应用型基础学科。 岩体力学的研究对象是各类岩体,由于岩体是一种经过漫长而复杂的地质作用而形成的地质材料,具有很强的个案性和地域性,因此对其物理力学性质的了解,远比其他各类工程材料困难,而岩体力学服务的各类岩土工程,如边坡工程、地基工程、隧道工程等既以天然岩体为岩体结构材料,又以天然岩体为建筑材料,同时以岩体所处的环境为建筑环境,而这环境包括岩体结构和岩体构造、地下水、气象、地温等是随着时间推移处于不断变化之中的。因此,对岩体物理力学性质的认识显然比其他工程材料更重要。现在有不少学者提出了“岩体结构”的观点,认为岩体是由岩石和结构面组成的有机结构,这比早期的“岩石力学”观点前进了一大步,该观点的提出也正是基于大量的岩体工程实践而得出的,这也充分说明了岩体力学是一门实践性很强的学科,其很多的研究课题及新观点都是从实践中总结出来的,同时又必须经过大量的实践检验。

2.2 课程结构体系分析。

下面对岩体力学课程的结构体系进行分析,进而对其教学方法进行探讨。“岩体力学”的主要内容结构如图1所示。由图1可以看出,岩体力学的研究内容、研究方法与研究流程和我们已经学过的土力学基本类似,这主要是由于二者的研究对象都是地质体,并且土体从某种意义上来说就是岩石,它是由岩石风化而来的,粘结力很低的岩石。所以二者研究内容上都是首先对介质本身的物理性质进行研究,研究其组成成分、结构特征及分类方法等。然后是研究工程上最为关切的三个主要问题,即强度、变形及渗透性。岩体与土体的一个重要区别是岩体含有明显的节理面,所以一般属于非连续介质,而土体颗粒之间的差别相对较小,所以土体一般可以认为是连续介质。在研究方法上,二者都是采用理论分析、试验研究和数值计算三种方法,其中理论分析都是采用弹性理论或弹塑性理论进行研究,采用试验研究主要是由于岩体和土体都是经过长期的地质演化发展而来的地质体,所以其物理力学性质有很大的变异性,因此在确定其物理力学性质时一定要采用试验的方法,尤其是对于重要的岩土工程,我国现行的规范都明确要求要根据现场试验结果进行设计。数值方法是近年来针对岩土体的复杂性而提出的,目前应用最多的有限元法,而有限元法也是弹性力学中的一部分内容。所以,由前面的阐述可以看出,岩体力学和土力学在研究方法上有很多的相似之处,而且它们的研究都是以弹性力学或弹塑性力学为基础。另外岩体力学与土力学区别的另外一个重要方面就是对地应力的研究,由于土体都处于地球的表层,所以其地应力主要就是指自重应力,因此土体中的地应力就比较简单。而岩体则不仅仅出现在地表,而且还更多地出现在地球深部,那么随着埋深的增加,岩体内不仅仅存在着自重应力,更重要的还有构造应力,而且随着埋深的增加,构造应力在地应力中占的比重也会越来越大。那么对于深部岩体工程如深部采矿、深部石油开采的设计与施工就必须要考虑到地应力的影响。另外在岩体工程稳定性分析方法上,除了土力学中常用的方法如工程类比法、地质力学分析法、刚体极限平衡及弹塑性有限元法以外,在岩体力学中还引入了赤平投影法,这也主要是由于岩体中存在结构面的原因。

岩体力学论文:浅谈我国岩体力学问题的现状和发展

[摘要]本文描述了中国岩石力学在土木工程、地质工程、采矿工程、水利工程、交通工程等的领域出现的应用,同时应用所学的岩体力学知识探讨和处理这类问题的一些现状和特征。对于岩石力学的发展给出了简单设想。

[关键词]岩石力学 现状 发展

1 岩体力学的时代背景

岩体力学是介于地学与力学两门学科之间的边缘学科,虽然说不是一门系统的学科,但其能解决传统的土力学不能解决的岩石问题,因此它在各种工程的领域都有广泛的应用。随着现阶段的矿山开采的智能化和集成化,处理岩体的问题越来越需要应用岩体力学的问题来完成设计和施工。近几十年来,尽管国内的工程规模和复杂程度的不断加大,我国优秀岩石工作者经过不懈努力,已经累积了在复杂地质条件下修建多种岩石工程的丰富经验。使得岩体力学的研究工作有了飞速的发展。这为笔者对本文的编写提供了丰富的资料。但是从总体上看,与国际先进水平相比,尚有一定的差距。尤其在综合运用研究成果,并将成果转化为生产力产生效益这一方面,尚嫌不足。并且不少岩体力学出来的新科研成果,未能充分应用于工程实践中去,发挥出更大的效益。

2 我国岩体力学的发展历史和现状

在新中国成立前,岩体力学研究基本上属于空白的。尽管我们的祖先们曾创造过世界瞩目的工程建设,如长城和岷江都江堰。但是岩体力学作为一门单独的学科进行研究还是相对起步较晚的。在中华人民共和国成立之后,我国充分发挥社会主义制度的优越性,对岩体力学中的一些前沿课题,在全国范围内组织力量进行了一系列的科技攻关。即便是在文化大革命期间,岩体力学业的研究工作遭受到极大的干扰,我国的科技人员仍然发挥自强不息的爱国主义精神,在很多的重点水电工程(如葛洲坝,刘家峡)、矿山(工程如金川镍矿)、铁路工程(如成昆线),做出了突出的贡献。并且在总结了一系列的成功的经验与失败的教训后,我国的优秀科研工作者解决了像葛洲坝和三峡坝区以及秦山核电站等重大的岩石施工的建设项目。这些成就都使得岩体力学的研究工作取得了重大成果。

在取得重大的实践成功的基础上,我国在岩体力学的理论的研究进行了系统的的集成。自1978年以来,我国陆续在全国性的学会上成立了专门岩体力学的研究机构。如中国煤炭学会岩石力学专业委员会、中国水利学会岩土力学专业委员会等。并成立了相应的专门期刊。

这些的工作和成就,大大提高了我国的岩体力学的水平。

3 我国岩体力学面临的问题

随着取得成就的同时,面临的问题也逐渐突出而来。经过许多学者的总结现阶段大致分三点。

①岩体力学的理论与技术研究中的有3个核心问题。这三个核心问题是:时间不可逆,多层次了系统与非线性,以及不确定的原始数值(初值)。上述3个核心问题构成了非确定性研究的必要性,但是,在生产实践中的经验告诉我们,开挖过程中存在着两种稳定状态:一种是稳定的,可以做出决定性的决策。另一种是不稳定的,具有不稳定性或明显的危险表征。这就构成了研究方法的复杂性。而我国在处理这些非确定性的问题上没有形成系统的系数,对生产设计存在着一些不稳定因素。

②西部开发首先面临着的生存发展基础的建设,即基础设施和生态环境的建设。而西部地区环境恶劣而且岩体脆弱。环境如沙澳戈壁,冻土灾害,黄土侵蚀般恶劣,地质作用活跃,环境灾害频繁,基础工程建设极为艰难,风险度高。岩体力学的理论数据在这些环境上的应用还显得不足。

③现阶段的工程的规模巨大,在处理上是岩体力学的系统与系统动力学的多种集成或多重综合集成,因此在面对工程的问题解决上,因素的增多表示着变数的增多。研究对象的多种因素相互作用,极大地增强了问题的不确定性和非线性。这就要求我们科学研究者处理程问题需要极大的数据库资料和数据运算。有人说:“岩石力学是数学力学游戏,解决不了工程问题”。这是便是极其不对的。

4 我国岩体力学发展的新途径和新方法

随着科技的不断攀升,生产的智能化将是时代的主题。综合智能分析方法及其在岩石力学与工程中的采用是将要攻关的课题。智能科学与岩体力学的结合将把岩体力学推向新的领域。这是对全球化的工业发展的必然要求,也是兴旺之路。

在这些课题中,一些学者前辈提出的人工智能(专家系统)和人工神经网络或智能采矿学以及处理岩石力学智能化问题,都是智能化的体现。

智能化发展的同时,必然的要应用新的数值方法。随着电子计算机科学的速猛发展,作为岩石力学分析的重要内容的数值方法,功能越来越强的数值法将不断长进。比如孙钧博士提出的几种有前景的新的数值方法:1半解析元法2分形块体力学法3非连续变形分析(DDA)法4非线性大变形问题有限差分((FLAC)法5流形元法。这些新型的数值方法已经在许多的设计中体现出来其优秀简捷的特点了。如实践已证明,半解析元法适应性强而应用范围广,可用于分析非匀质、变刚度、非线性,特别是多维问题由于采用了解析函数而能以收到降维的效果。在计算工作量和程序前、后处理方面都会有很大程度的节约。

结语

笔者相信随着我国社会经济向新的战略目标迈进,坚持走中国特色的社会主义道路,发展中国特色的工业化道路,我们振兴中华的理想会越来越显出光辉,希望年轻的岩体力学将会随着我们这些年轻科研工作者的不懈努力迎来岩体力学新时代的来临,能为祖国的工业大力发展做出贡献。

岩体力学论文:岩体力学在工程中的应用

【摘要】随着岩体力学学科的不断完善和发展,它与工程实践的联系越来越紧密, 必将会推动工程建设的不断深入. 本文简要介绍了岩体力学的发展情况, 然后从学科知识应用于实际的工程的步骤, 阐述了当前的进展并付以工程实例和新的理论, 最后对今后岩体力学在工程实践中的运用进行了展望.

【关键词】岩体力学; 工程实践; 分析方法;试验手段

前言

岩体力学作为岩土工程三大基础学科(岩体力学、土力学、基础工程学) 之一, 在工程设计和施工中, 岩体力学问题往往具有决定性的作用. 因此, 岩体力学的发展直接关系到工程开发的深度和广度.

1 岩体力学的发展

岩体力学的发展经历了如下几个阶段:(一) 连续介质岩石力学阶段. (二) 裂隙岩体力学阶段. (三) 岩体结构力学阶段. (四) 地质工程岩体力学阶段.而今的岩体力学与地质研究工作密切相关, 必须是多学科协同操作, 方能有所作为. 因此岩体力学的发展进入地质工程岩体力学阶段.

2 岩体力学的几种模型

要解决具体的岩体工程问题都得建立相应的模型. 等效连续介质模型与不连续介质模型是岩体力学中并存的两大模型 , 两者均反映了岩体的不连续性, 但对岩体的不连续性的处理方式是不一样的.

等效连续介质模型与不连续介质模型是从对岩体产状的处理方式来分析的. 而从岩体的力学性质角度来看, 则需要建立力学模型, 即本构关系. 岩体的力学性质可以用弹性、塑性、粘性或三者之间的组合, 如粘弹性、弹粘性、弹塑性、粘弹塑性、弹塑粘性等来表示.

值得注意的是, 出现了一种岩体的自适应本构模型. 其中的岩体本构关系表达不借用传统的数学公式和力学基本定律, 而是靠神经网络的自组织、自学习和自适应功能直接从离散的试验数据中提取和存贮岩体行为的知识来实现.

岩体的本构关系实质上就是应力状态和应变状态的关系. 对于自适应本构模型来说, 输入层可以是部分应力分量和部分应变分量, 而输出层也可以是另一部分应力分量和另一部分应变分量. 输入和输出什么要根据已有的知识而定, 同时也要考虑用这一模型解决的问题.

自适应本构模型的输入与输出模式之间的非线性关系是通过网络的连接权值表达的, 因此, 它可以表示线性和非线性本构模型; 自适应本构模型有自学习功能, 因此, 随着知识的积累, 它的可能性和适用性将越来越高; 岩土的应变软化本构模型的建立, 一直未有突破性进展, 自适应本构模型将为这一领域的开拓提供有效手段.

3 试验手段更新对岩体力学及实际工程的影响

无论什么岩体力学理论, 都是基于岩体本身的性状来模拟的. 而对于岩体的性质研究有赖于实际工程的积累和试验手段的更新. 如本构模型的研究要求进行岩石的应力应变全过程测试, 裂隙岩体在拉应力状态下的开裂机理分析要求进行岩体断裂韧度测试, 边坡岩体卸荷带范围划分及岩体性质“弱化”程度研究要求采用声波等综合测试技术等.

4 地应力――岩体工程一个重要影响因素

对于岩体力学与具体工程的结合, 除了考虑岩体本身的力学性质与产状外, 另一个无法忽略的因素是地应力.

地应力是各种作用和各种起源的力, 它主要由自重应力和构造应力组成, 有时还存在流体应力和温差应力等. 地应力状态与岩体稳定性关系极大, 它不仅是决定岩体稳定性的重要因素,而且直接影响各类岩体工程的设计和施工.

越来越多的资料表明, 在岩体高应力区, 地表和地下工程施工期间所进行的岩体开挖, 常常能在岩体中引起一系列与开挖卸荷回弹和应力释放相联系的变形和破坏现象, 使工程岩体失稳.

当然, 地应力并不是在任何情况下都是不利的. 如岩体中具有较高天然水平应力时, 对有压隧洞围岩稳定有利.

总之, 岩体的地应力状态, 对工程建设有着重要的意义. 为了合理利用岩体地应力的有利方面,根据岩体地应力状态, 在可能的范围内合理地调整地下洞室轴线、坝轴线以及人工边坡走向, 较准确地预测岩体中重分布应力和岩体变形, 正确地选择加固岩体的工程措施.

5 计算机技术在岩体力学中的应用

随着对岩体力学的要求越来越高, 现代计算机的飞速发展为岩体力学的进一步发展提供了有力的平台. 同时, 其它各学科的发展也为岩体力学的发展起到了促进作用. 为岩体力学问题的解决提供了先进的理论与手段.有限元法、无单元法、边界元法、人工神经网络、遗传算法以及一系列的程序设计为岩体力学问题的解决和掌握提供了便利, 如: 本文第二节提到的基于BP 网络的自适应本构模型就是一个很好的例子.

6 岩体力学参数的确定

在岩石力学的研究和发展过程中, 其难题之一是工程岩体的力学参数的合理确定. 该原因涉及到工程岩体的连续性问题, 即一方面人们认为工程岩体是非连续性介质, 另一方面所用的力学理论又属于连续介质力学, 这是一个棘手的矛盾. 要想合理的确定工程岩体力学参数, 首先要解决上述矛盾.建立工程岩体连续性的概化方法. 该方法不仅适用于微观力学和细观力学介质的连续性判别, 也适合于宏观工程岩体的连续性问题. 在此基础上, 提出的工程岩体力学参数确定方法, 即根据室内完整岩块实验参数, 结合野外工程岩体结构特点进行计算机数值模拟实验, 从而确定工程岩体力学参数的新方法, 它展示了新理论、新方法的广阔应用前景.

7 岩体力学的展望

当今, 岩体工程中的各种课题如工程选址、设计、施工及运营等方面的许多问题亟待解决,岩体力学的发展与完善必须重视对众多已建岩体工程实例的分析与归纳总结, 加强现场判断研究,并逐步建立便于推广应用的切合实际的专家系统. 岩体力学在工程上应用的经验总结及专家系统建立将是本学科一个重要的研究方向.

今后, 岩体工程进一步发展, 必然要求数值分析迅速发展. 但应指出, 数值分析方法的发展,一方面要求计算技术的发展, 另一方面要求大规模的实验提供数值分析的发展基础. 加强学科渗透; 促进理论更新, 这是今后应用科学发展的一个趋势.

总之, 随着人们对岩体认识的不断深入以及其它学科手段的进步, 岩体力学将不断完善; 同时, 也将推动人们的工程实践的不断深化。

岩体力学论文:地下水渗流对岩体力学性质的影响

【摘要】针对地下水通过物理、化学和力学作用于岩石并引起岩石破坏的特点,分析了岩石水损伤机理,从总体上深化了对水―岩作用机理的认识。

【关键词】地下水;岩体;作用机理

引言

作为影响岩体力学性质的一个活跃因素,水对岩石强度、弹性模量等方面作用的研究越来越受到人们的重视0。然而,水对岩石作用机理的研究是真正关系到能否解决以上诸多问题的关键所在。

1 机理分析

地下水是一种重要的地质营力,它与岩体之间的相互作用,一方面改变着岩体的物理、化学及力学性质,另一方面也改变着地下水的物理、力学性质及化学组分。运动着的地下水对岩体产生三种作用,即物理的、化学的和力学的作用0。

1.1 地下水对岩体的物理作用

这种作用主要是由岩石中的结合水产生的,结合水是由于矿物对水分子的吸附力超过了重力而被束缚在矿物表面的水,水分子运动主要受矿物表面势能的控制,这种水在矿物表面形成一层水膜,产生下述几种作用:

润滑作用0。由可溶盐、胶体矿物连结成的岩石,当有水浸入时,可溶盐溶解,胶体水解,使原有的连结变成水胶连结,导致矿物颗粒间连结力减弱,摩擦力减低。这个过程在斜坡受降水入渗使得地下水位上升到滑动面以上时尤其显著。润滑作用使岩石的变形性提高,摩擦角减小。

软化和泥化作用。束缚在矿物表面的水分子通过其吸引力作用将矿物颗粒拉近、接紧,起连结作用,这种作用对于被土填充的结构面的力学性质的影响很明显0 。由于岩体结构面中充填物随含水量的变化,发生由固态向塑态直至液态的弱化效应,使岩体的力学性能降低,粘土质岩石尤甚0。此外,当硬岩断层破碎带中含有大量粘土质填充物时需注意这种作用[6]。

结合水的强化作用0。处于非饱和带的岩体,其中的地下水是结合水,处于负压状态,按照有效应力原理,非饱和岩体中的有效应力大于岩体的总应力,从而增强了岩体的强度。

冻融作用0。孔隙、微裂隙中的水在冻融时的胀缩作用对岩石力学强度破坏很大。这种作用我国北方应特别注意。

水楔作用0。当有水分子补充到矿物颗粒靠得很近的矿物表面时,矿物颗粒利用其表面吸着力将水分子拉到自己周围,在两个颗粒接触处由于吸着力作用使水分子向两个矿物颗粒之间的缝隙挤入。这种现象称水楔作用。饱水岩石在受力过程中,水楔作用的影响更大,岩石强度的降低也较多。

以上几种作用都是与岩石中结合水有关,而岩石含结合水的多少主要和矿物的亲水性(由粘土质矿物含量决定)有关。水对岩石的上述几种作用往往是其中几种同时发生。且绝大多数都降低了岩体的力学性能。根据实验研究,对于多孔隙的砂岩,饱水后的弹性模量甚至降低到了干燥时的1/3。Colback和Wiid对石英质页岩和石英质砂岩的研究,饱水抗压强度仅为干燥时抗压强度的50%0。

岩石试件的含水量也显著影响岩石的抗压强度指标值,含水量越大,强度指标值越低。水对岩石强度的影响通常以软化系数0。

1.2 地下水对岩体的化学作用0

主要是指地下水与岩体之间的离子交换、溶解作用(岩溶)、水化作用(膨胀岩的膨胀)、水解作用、溶蚀作用、氧化还原作用等。

离子交换。地下水与岩体之间的离子交换是由物理力和化学力吸附到岩土体颗粒上的离子和分子与地下水的一种交换过程。通常富含Ca或Mg离子的地下淡水在流经富含Na离子的土体时,使得地下水中的Ca离子或Mg离子置换了土体中的Na,一方面由水中Na的富集使天然地下水软化,另一方面新形成的富含Ca和Mg离子的粘土增加了孔隙度及渗透性能,使得岩土体的结构改变,从而影响岩土体的力学性质。

溶解作用和溶蚀作用。天然的大气降水在经过渗入土壤带、包气带或渗滤带时,溶解了大量的气体,弥补了地下水的弱酸性,增强了地下水的侵蚀性。这些具有侵蚀性的地下水对可溶性岩石如石灰岩(CaCO3)、白云岩(CaMgCO3)、石膏(CaSO4)、岩盐(NaCl)以及钾盐(KCl)等产生溶蚀作用,增大了岩石的空隙率及渗透性。

水化作用。水化作用是水渗透到岩土体的矿物结晶格架中或水分子吸附着到可溶性岩石的离子上,使岩石的结构发生微观、细观及宏观的改变,减小岩土体的内聚力。

水解作用。水解作用是地下水与岩土体(实质上是岩土物质中的离子)之间发生的一种反应,该反应一方面改变着地下水的PH值,另一方面也使岩土体物质发生改变,从而影响岩土体的力学性质。

氧化还原作用。氧化还原作用是一个电子从转移到另一个原子的化学反应。地下水和岩土体之间常发生的氧化过程有:硫化物的氧化过程产生Fe2O3和H2SO4,碳酸盐岩的溶蚀产生了CO2。地下水与岩土体之间发生的氧化还原作用,既改变着岩土体中的矿物组成,又改变着地下水的化学组分及侵蚀性,从而影响岩土体的力学性质。

以上地下水对岩土体产生的各种化学作用大多是同时发生的,一般地说化学作用进行的速度很慢。地下水对岩土体产生的化学作用主要是改变岩土体的矿物组成,改变其结构性而影响岩土体的力学性能。

1.3 地下水对岩体的力学作用0

岩石中的自由水不受矿物表面吸着力控制,其运动主要受重力作用控制,它对岩石力学性质的影响主要表现在孔隙水压力作用和溶蚀、潜蚀作用。

地下水对岩体的力学作用主要通过孔隙静水压力和孔隙动水压力作用对岩体的力学性质施加影响。前者减小岩体的有效应力而降低岩体的强度;后者对岩体产生切向的推力以降低岩体的抗剪强度。孔隙和微裂隙中含有重力水的岩石突然受载而水来不及排出时,岩石孔隙或裂隙中将产生高孔隙水压,减小了颗粒之间的压应力,从而降低了岩石的抗剪强度,甚至使岩石的微裂隙端部处于受拉状态从而破坏岩石的连结。地下水在松散破碎岩体及软弱夹层中运动时对土颗粒施加一体积力,可将岩石中可溶物质溶解带走,在孔隙动水压力的作用下可使岩体中的细颗粒物质产生移动,甚至被携出岩体之外,从而使岩石强度大为降低,变形加大,前者称为溶蚀作用,后者称为潜蚀作用,在岩石中有酸性或碱性水流时,极易出现溶蚀作用,当水力梯度很大时,对于孔隙度大,连结差的岩石易产生潜蚀作用;在岩体裂隙或断层中的地下水对裂隙壁施加两种力,一是垂直于裂隙壁的空隙静水压力(面力),该力使裂隙产生垂向变形;二是平行于裂隙壁的空隙动水压力(面力),该力使裂隙产生切向变形。具体同时还应当指出,除了上述几种作用外,还有一些作用值得我们去研究,如日本学者中龙之进等人的实验研究发现了磨光了的花岗岩表面湿润状态时比干燥状态时内摩擦角高的罕见现象。此外,还曾发现,当正应力增加到一定数值时,沿湿润状态的花岗岩磨光面进行剪切,会发生剧烈的粘滑。对于上述现象,目前还不能充分合理地阐明它们的机制。

2 工程实例0

鉴于岩体中水的性状是多样性的,水岩相互作用是多式的,二者再一叠加,其情况就错综复杂,因而开展水岩相互作用的敏感性研究有很大的必要性。通过敏感性的研究,不仅可深化水在岩体中的地位和作用,而且可精细地识别水在岩体中多方面的具体影响。为此,我们以实例开道,以便得到真实的启示。

实例一――平庄西露天煤矿。它的第16次滑坡,滑体长395m,宽181m,高41m。滑坡体积为4.212×105m3,主要岩性为砂页岩和页岩,滑坡前的倾角为20°,滑后的坡角16º30',滑坡面的倾角为18º40'。在滑坡顶部由于降雨积水,形成一条长约300m的积水区,它浸泡着软弱岩层。采用SARMA法进行稳定性演算时,在有水的情况下,其安全系数为K=1.15~1.21;如边坡处于疏干状态时,其安全系数为K=1.50~1.56。

实例二――哈密三道岭露天矿。侏罗纪系中的煤层底板一套泥岩与粉砂岩组成,厚度为12~19m。其底部的灰色泥岩遇水明显变软。人用肉眼就能作出判断;浸水后不久发出“丝丝”的声音,2小时内即崩解成糊状,实质上是泥化,就谈不上有太大的强度。显而易见,有些岩石对水的敏感性很强,像这样的情况,在煤系地层中屡见不鲜。

3 结论

通过上述实例以及大量工程实际表明,水对岩体的作用是十分明显的,它与岩体之间的相互作用,一方面改变着岩体的物理、化学及力学性质,另一方面也改变着地下水的物理、力学性质及化学组分,有时对岩石的破坏起着决定性的作用,所以,重视地下水渗流对岩体力学性质的影响的研究是很有意义的。

作者简介:

安新豪(1983.7-) ,男,河南禹州人,硕士研究生,主要从事地下岩土及结构工程方面的研究.

岩体力学论文:离散单元法在岩体力学中的应用

摘要:岩体是一种地质材料,岩体的力学性质具有各向异性,高度非均质,不连续性等特点。为了解决工程中遇到的岩体力学问题,数值模拟是岩体力学中常用的手段。由于岩体中存在大量节理面,基于非连续介质理论的离散单元法更加适合于岩体力学。本文主要介绍了离散元法块体元的基本原理,以及其在岩石力学中应用范围和应用过程中的典型问题。最后,提出一些个人见解。

关键词:离散元,非连续介质,岩体力学,数值模拟

一.引言

当前,我国正处在一个基础建设的繁盛时期,在水利水电,核电,矿山,隧道,地下工程等各领域都会遇到地质环境复杂的岩石力学问题。为了解决工程中遇到的问题,对于岩体的力学性质有一个较为准确的把握,数值模拟是一个广泛应用的方法。

岩土力学中常用的数值计算方法可以分为两大类。一类基于连续介质的理论。如有限元方法,有限差分法,边界元法等。特别是有限元和有限差分法,应用极为广泛。连续介质方法对于处理断层、节理、裂隙这样的不连续结构面具有一定的局限性,只能处理为数不多的不连续结构面,例如,在有限元中,岩体中的节理被看作是特殊的节理单元[2];在有限差分中,岩体中的节理被看作滑移面;在有限元与边界元的耦合中,岩体中的节理被看作是边界面单元。在这些方法中,对于节理的处理都是小数量、小位移的,因此,对多结构面的不连续介质不适合用连续介质方法模拟,而应采用非连续介质方法进行模拟。于是离散单元法应运而生。

离散单元法是Cundall 于1971年提出的[3]。该法将结构面切割的岩体视为复杂的块体的集合体,允许各个块体平移或者转动,甚至相互分离。离散元法以受裂缝切割或分立的块体为出发点,块和块之间的相互作用在角和面上有接触,角点可以有较大的位移。在某些情况下如滑坡或冒顶时,岩块可以滑动甚至脱离母体而自由下落。

二.离散单元法原理介绍

离散元法的单元从几何形状上分类可分为块体元和颗粒元两大类,本文主要介绍块体元在岩石力学中的应用。

1.基本原理;

它的基本原理是牛顿第二定律,其基本思想是将岩体看成是由断层、节理、裂隙等结构面切割而成的一个个刚性或者可变形块体,块体与块体之间通过角、面或者边进行接触,块体可以平移、转动或者变形,节理面可以被压缩、分离、滑动,所有块体镶嵌排列,在某一时刻当给定块体一个外力或者边界位移约束,各个块体在外界的干扰下就会产生力和力矩的作用,由牛顿第二定律可以得到各个块体的加速度,然后对时间进行积分,就可以依次求出块体的速度、位移,最后得到块体的变形量,块体在位移矢量的方向会发生调整,这样又会产生力和力矩的作用,如此循环,直到所有块体达到一种平衡状态或者处于某种运动状态之下。因此,离散单元法比较适合于模拟节理系统在准静态或者动态下的变形过程。

2.基本方程[4]:

从力学分析角度上离散元对三大定律的满足上与有限元方法不同。从平衡方程上看,离散元采用牛顿第二定律来控制,按围绕各刚性块体形心的力平衡和力矩平衡来满足。

a.运动方程:每一个单元在任意时刻都应当满足牛顿第二定律

b.本构方程:从材料本构关系上看,离散元法避开了复杂的本构关系推导,采用在刚性块体间设置不同种类弹簧和阻尼(法向刚度和阻尼、切向刚度和阻尼)来反映材料的应力-位移关系。

c.几何方程:相对于有限元,从几何方程上看,各刚性块体间不再位移连续,而是允许大变形和断裂分开,可以模拟岩体不连续结构面的滑移与开裂。其位移联系为刚性块体间各接触点的相对速度关系。

在块体离散元中,假设块体为刚体,这样单元间法向和切向的相对位移的大小就反映了材料的变形和相互作用,这反映了材料在发生变形情况下的几何关系。岩体应力水平较低的情况下,这种假设是合理的。

上述的运动方程、本构方程以及几何方程构成了离散元法的基本方程。对于材料的塑性和破坏可以通过单元间连接元件进行模拟, 即可以用单元间弹簧的断裂来模拟材料的局部破坏或通过限制弹簧的变形和改变弹簧刚度来模拟材料的塑性行为[4]。

三.适用范围

归纳起来,离散单元法适用于节理岩体的应力分析,其适用范围为[1]:采矿工程、露天和地下的开挖设计、地震工程、隧道工程、地下核废料处理系统

四.发展趋势

离散单元计算方法仍属于“发展中”方法,该方法在工程中应用远不如有限单元法等方法广泛。从前面所述典型问题可以看出,离散单元法若想在岩体力学中推广应用,还有很多问题需要解决。

1.离散元理论的研究

从总体上来看,利用离散元法计算工程问题的应用文章占绝大多数, 而研究离散元法的理论和算法的文章却很少。而离散元法自它诞生的那天起就带有缺乏理论严密性的先天不足。有人说离散元法是经验计算。理论基础的欠缺在块体元模型中尤为明显, 运动、受力、变形这三大要素都有假设或者简化[4]。离散元理论和算法有待于进一步研究。

接触力学模型与块体力学计算结果有直接联系,在离散元中,块体之间的接触是通过弹簧来实现的.目前广泛采用的弹簧方法还不能满足计算精度的要求,且人为因素多。建立更切合实际、人为干扰因素少或没有的接触力学模型也是今后研究的一个重要内容。

节理的确定也是经过统计分析处理的,这也是不真实的,在这些假定前提下,模拟的结果有可能偏离实际很大,因此,如何合理地确定离散元中相关参数,如何尽可能地反应真实节理在岩体中的位置和作用,这些都需要理论上的完善。

加强离散元相关理论的研究,可以保持其在模拟散体介质整体力学行为和力学演化方面的优势,可以有效地反应模拟介质地应力和应变状态,使其建立的模型满足几何、物理、受力和过程仿真的原则。另外,还应加强数值模拟结果与试验结果的比较。从中寻找离散元方法的不足,对其有针对性地进行改进。

2.与其它数值方法的耦合

有限元法、边界元法等数值方法基于连续性假设适合于解决连续介质问题, 而离散单元法适合于界面弱连接的非连续介质问题或连续体到非连续体转化的材料损伤破坏问题。因此, 如果能将离散元法与有限单元法和边界单元法等有机地结合起来, 便能充分发挥各自的长处, 可以极大地扩大该数值方法的范围。对于离散元和有限元等其他数值方法的耦合计算问题,已经有很多人进行了研究探索。离散元能否与其他数值方法如无网格方法等新兴算法进行耦合也是一个有价值的尝试。

3.多相多场耦合

随着浅部资源的逐渐减少和枯竭,矿产资源地下开采的深度越来越大。同时,地下工程建设如复杂地质条件下的核废物料堆放、地下水电站、地下厂房等的建设及深部丰富地热资源的开发利用,迫切需要展开对深部岩体力学问题的研究。由于深部岩体多处于高地应力、高温度和高渗透压即多场、多相介质耦合作用,因此,深部多相介质、多场耦合作用及其灾害发生机理与防治成为当前研究的重点之一。由于该问题的复杂性和非线性,有学者认为离散元法将成为解决深部复杂节理岩体中多相多场耦合作用问题的一种有效工具。

五.存在问题

1.在块体离散元中,依据节理、断层等结构面将岩体切割成单元。要想真实反映岩体的地质特征,就要有详细的统计资料(节理的走向、倾向、倾角、间距等),然而实际中要详细的统计这些地质资料,工作量是巨大的。实际中对节理几何信息的简化处理,可能导致误差。这是一个问题。

2.在离散元中,对于块体有不同的假设方法。1种方法是把结构面切割的块体处理成刚体,变形和破坏只沿结构面发生;还有方法把块体假设为可变形体,岩块、结构面同时可以发生不连续的变形和破坏。具体选择应视所面对的问题而定。比如如果研究对象是地表或近地表工程的块体稳定问题,在坚硬岩石条件下,如果岩石的变形相对结构面的变形可以忽略,块体可以处理成刚体,就没有必要太多地考究块体的力学参数,重点应该分析结构面的变形和强度特征。而若是在高地应力条件下,岩块变形不能忽视,再假设岩块为刚体就有问题了。

3.无论是离散单元法,还是有限元,边界元,有限差分都是很好的工具。针对不同的情况,要选择不同的工具。比如,假如受小型结构面切割的大面积块体可以处理成连续介质,岩块的变形处于主要地位,结构面的变形处于次要地位,就可以应用有限元方法来模拟。

在岩土力学中,应用数值方法计算十分普遍。然而在实际工程中,数值模拟的结果指导工程实践的作用还很有限,很多情况下,还是依靠工程人员的经验来解决工程问题。究其原因,往往问题不在数值方法本身。岩体参数的合理选择是很大的问题。

岩体力学论文:采矿工程岩体力学教学改革初探

摘要:

本文针对采矿工程专业本科生专业基础课《岩体力学》教学现状存在的不足,提出了理论实践并重、优化教学内容、革新教学方法、培养学生兴趣、拓宽学生知识结构等为一体的优化改革方案,教学实践表明,效果良好。

关键词:

采矿工程;岩体力学;教学改革

一、《岩体力学》教学现状

《岩体力学》作为采矿工程专业的一门重要的专业基础课,其目的在于培养学生掌握岩石工程(井工开采、隧道、地下空间工程等)中一些力学现象的分析能力,使学生接受矿山开采和岩层控制基本理论和试验技能的初步训练,为学生学习专业课程及从事理论研究打下良好的基础。《岩体力学》一般在先修课程(高等数学、弹性力学、材料力学、理论力学等)完成后开设,在学生学习本课程时,不仅可对先修课程进行系统回顾,又可有效运用前期基础课程相关分析与计算方法分析宏观工程问题;同时,该课程的学习可为《采矿学》、《矿山压力与岩层控制》等主干专业课程的学习夯实理论基础。但是,随着科技水平的提高及分析方法的多元化,岩体力学所涉及研究范围及方法日趋复杂,这也要求高校教师对岩体力学知识掌握更加全面,推陈出新,与时俱进。传统教学过程中,有关《岩体力学》的教学多以课堂原理的讲授,已不再适用于本科生的教育及行业人才培养的发展需求。因此,结合现有条件对该课程进行教学改革,适应工科专业发展方向,培养学生实践与应用能力势在必行。

二、《岩体力学》教学中存在的问题

对于采矿工程专业的学生,力学基础相对较弱,即使之前已对相关基础课程进行了学习,但由于前期多为应试型学习,且理论性较强,导致学生对于基础知识的掌握多为“碎片式”,无法有效形成知识网络,导致学生学习《岩体力学》时非常吃力。此时,若依然按照传统教育模式采用灌输式讲授方法,则事倍功半。总结传统教学方法下存在的主要问题如下:

1.学生基础知识薄弱,易形成被动接受方式。《岩体力学》是对前期相关力学课程的延伸学习,若前期基础力学知识及运算方法掌握不牢,将导致学生学习过程形成停顿感,由于课程逻辑性较强,一个知识点产生卡顿,学生对于后续知识的学习将产生被动接受的局面,学习效率低下。

2.教师课堂讲授方法单一,不易于接受。资料显示,目前非力学专业教师采用的《岩体力学》课件大同小异,均是对课本一些原理及方法的罗列,讲授过程中多采用灌输式,导致课堂教学环节枯燥乏味,缺乏与专业特点的联系,学生不易参与其中,知识点也难以接受。

3.教学方法机械性较强,难以融会贯通。《岩体力学》主要采用的教学方法包括课堂讲授与岩石力学实验,对于实验部分,一般由实验老师授课,学生容易将理论知识的学习与实验独立开来,因此,实验作为揭示岩体力学现象的一种有效手段,无法让学生理解其独特含义。

4.传统理论讲授过多,新型技术所占比例少。随着科技发展,行业内涌现了大批岩体力学分析软件,这些软件借助于力学原理,在分析工程问题中得到了普遍推广应用。高校教师分析岩体力学问题时,可充分利用新型技术,将问题分析方法多元化,辅助学生学习力学,又可拓宽学生知识面。

三、课程教学改革方法初探

近年来,随着国家经济的发展,我国逐渐跻身世界岩土工程大国,存在较大的发展空间。因此,对于工程类学生,掌握岩体力学分析方法及相关理论,为以后从事相关工作及科学研究铺垫良好的基石至关重要。针对采矿工程专业《岩体力学》课程教学中存在的一些问题,初步提出了课程教学改革,具体包括以下几个方面:

1.注重课堂效果,激发学生兴趣。由于《岩体力学》内容相对枯燥,学生容易失去兴趣,因此,教师在讲授时应注重方法,提高课堂效果。讲授内容时应充分结合本专业工程实例,循序渐进,让学生理解所讲知识的来龙去脉。如讲授平面应变问题下巷道弹塑性分析时,可以具体教学实例进行切入,首先对弹性力学中平面问题进行回顾,进而对问题进行假设简化,最后引入弹塑性力学知识对问题进行分析,不仅对前期所学知识进行了复习,同时应用于解决现场工程问题中去,事半功倍。

2.注重基础,构建知识框架。采矿专业学生由于力学基础相对薄弱,甚至对一些专业术语掌握都不够准确,给课程后期学习带来了极大的困难。因此,教师需注重基础理论、基础知识和基本技能的讲授,讲岩体力学中复杂的理论知识及工程实践成果浓缩在有限的课时内。同时,注重课本知识的统筹规划,强调基础的同时,合理规划授课内容,突出重点,构建知识框架,促使学生对知识内容形成一个宏观的认识,利于融会贯通。

3.理论结合实践,加强学习感知。《岩体力学》具有理论复杂和实践性强的特点,理论复杂体现在不确定性上,实践性强则因与工程实践密不可分。岩石力学实验则是连接理论知识与工程应用的桥梁,因此,在教学环节应注重对实验的教学,同时,实验应在授课教师与实验教师共同参与下由学生独立完成,提高学生的分析问题能力,调动学生独立思考的积极性,培养学生应用创新能力。

4.做好通识教育,触类旁通。岩体物理力学特性受外界条件及自身结构影响极大,不同行业接触的岩体也存在较大的差异性,不同专业分析问题的角度不尽相同。因此,应结合专业特点,对讲授内容突出侧重点,例如,边坡工程、地基工程及地下工程所涉及岩体力学问题求解方法存在较大差异,因此,非专业知识课简单讲授原理,专业知识则重点讲授,做到触类旁通。

5.创新教学方法,未雨绸缪。在《岩体力学》教学过程,可适当引入一些新型分析软件和方法,如有限元、离散元及有限差分等软件,做到与时俱进,同时辅助学生理解一些复杂的原理,学生对于一些数值分析软件的理解可为工作及深造后岩体力学问题的分析提供新的解决路径,做到分析问题针对性强、操作应用快,理解容易,易于自身能力的提升。结合工科采矿类本科学生的实际特点,加强《岩体力学》课堂讲授与工程应用的联系,优化教学内容,革新教学方法,培养学生学习兴趣,拓宽学生知识结构面,让采矿专业学生掌握岩体力学问题中涉及相关理论及分析方法,综合运用所学知识,在实际工程问题中找到突破口,提高授课效果,培养学生独立发现问题及解决问题的能力,为学生后期工作及学习打下良好的基础。以上具体方案,经过教学实践,授课效果得到良好改善。

作者:王猛 单位:河南理工大学能源科学与工程学院

岩体力学论文:浅谈如何改进岩体力学教授方法

一、课程内容及教学安排

1.教材选择。

目前国内岩体力学教材比较多,侧重点也有所不同,通过对国内其他兄弟院校授课教材调研发现,基本上都是采用本校权威教授所编的教材或者是国家规划教材。结合我校地质学专业特色及课程教学团队经验,采用我校刘佑荣教授所编的,由中国地质大学出版社出版的《岩体力学》教材;2009年又再次对教材进行了重新编审,由北京化工出版社出版了修订版的《岩体力学》教材,对部分章节进行了合并,并增加了目前国内外研究方面的成果,例如结构面网络模拟等内容。近2年授课则是以这本修编教材为主,但在部分章节的授课中也兼顾了蔡美峰主编的《岩石力学与工程》教材,供学生课后学习,以满足本专业学生对岩体力学知识的需求。

2.课程内容优化。

结合教材的内容编排,主要从以下几方面的内容来进行重点讲解,包括岩体的地质特征,岩体的物理、地下洞室围岩应力重分布,边坡岩体稳定性分析等内容。在具体内容编排中也适当地增加了部分内容,如在岩体的地质特征章节,补充安排了工程岩体分类等内容;在岩体强度与变形性质方面,增加了地下工程岩体分级标准及体系的相关介绍;在内容编排上突出地下建筑方向的专业特点及需求。

3.教学学时安排。

本课程的课时安排在第三学年的第五学期,总学时为40个学时,2.5个学分,其中课堂教学34个学时,实验课6个学时。本门课程是在系统学习完理论力学、材料力学等力学基础课后进行开设的。

二、课程教学方法改革

1.围绕专业工程实例展开授课。《岩体力学》课本身就是实践性特别强的一门课,在进行每一章节的授课时,可以多以工程实例来展开,尤其是国内外比较知名的工程实例,多多采用照片、录像等生动形象的方式,来增加学生的感性认识,使学生投入其中,增强学生学习的兴趣及热情。例如,在讲第五章地应力的时候,可以结合水利水电工程中,如锦屏电站的高地应力问题来说明地应力研究的重要性;在讲边坡工程,可以选用大量边坡地质灾害的图片。由问题入手,来追根溯源找到解决问题的源头。

2.结合专业方向特色来授课。岩体力学作为土木工程、地质工程、采矿工程等诸多工程的主干专业课,面对的专业层次不尽相同,在授课的时候尽量能结合专业背景展开。针对地下建筑工程方向的学生,要从学生的专业方向特色及专业需求来阐述。作为土木工程地下建筑方向的本科生,《岩体力学》这门学科的发展都与地下工程的发展是密不可分的。从本质来讲,纵观岩体力学发展的几个重要阶段,从19世纪末~20世纪初的初始阶段诞生的静水压力理论、侧压系数,到20世纪初~20世纪30年代的经验理论阶段出现的普氏理论、太沙基理论,然后在20世纪30年代~20世纪60年代产生的围岩和支护共同作用理论及地质结构理论,这些重大理论及思想的诞生过程就是对地下工程认识实践不断深入的过程,并促进了岩体力学学科向前发展。在授课时,可以将这一发展脉络讲述给学生,并贯穿到后续的课程教学中,不仅大大地培养了学生对自己专业的自豪感,也加深了对自己专业的认识。

3.结合教师科研工作来授课。讲授这门课的老师,不仅有科研经历丰富的教授博导,也有刚走出校园的博士年轻教师,他们在长期的工作和求学中,完成和参与了大量的科研项目,也取得了一定科研沉淀。在授课时,可以将这些科研成果进行整理,在每章结束时,抽出专门的时间,做个与授课内容相关的小型专题讲座,丰富学生的专业眼界的同时,也可将岩体力学最新的研究方法、手段和技术介绍给学生。例如,在讲地应力一章,就曾经将参与过的地应力测试及地应力反演分析的课题成果向学生进行介绍;讲地下洞室稳定性时,就将参与的软岩隧道科研项目成果进行介绍;上课时的反响很热烈,大大激发了学生科研的热情,建立了专业教师和学生之间一座良好的沟通桥梁。尤其是对那些希望继续攻读研究生的学生,也为他们开启了一扇科研的窗户;此外,也让学生了解授课老师及其团队的专业方向及特长,为后续研究生报考提供了便利条件。

4.结合学生实践课来展开。我校《岩体力学》课程是安排在大三上学期,上这门课的学生仅仅经历的与此相关的实践环节就是大二结束时的地质学专业教学实习。虽然是地质实习,但也是与这门课的研究对象———各类岩体在打交道,例如各种岩石、结构面。在上课时,不妨将课程中提到的各种岩块、结构面等内容与实习中能看到的种类联系起来,使学生的认识更为深刻。例如,在谈岩块、结构面和岩体的地质特征时,便可列举实习线路中各类成因、不同类型、不同特征的结构面及岩石;在讲结构面的强度及变形性质时,可以将实习中遇到的各种断层、软弱结构面等现象作为实例来分析其性质上的差异。这些实例学生在实习中都亲自参与过,已经有了部分感性上的认识,重新回到课堂上学习其相关的知识,认识和教学效果也会更好。

《岩体力学》课程内容丰富,更要求我们在教学时进行一定的教学改革,要结合所教学生专业方向的特点以及未来需求,多采用先进的教学手段和方法,注重加强理论基础联系工程实际的教学模式,提高学生认识问题深度和广度,培养学生良好的工程专业素养和专业精神,为学生后续的发展奠定良好的基础。

作者:左昌群 孙金山 罗学东 单位:中国地质大学

岩体力学论文:采矿工程专业《岩体力学》课程教学改革初探

(河南理工大学 能源科学与工程学院,河南 焦作 454000)

摘要:本文针对采矿工程专业本科生专业基础课《岩体力学》教学现状存在的不足,提出了理论实践并重、优化教学内容、革新教学方法、培养学生兴趣、拓宽学生知识结构等为一体的优化改革方案,教学实践表明,效果良好。

关键词:采矿工程;岩体力学;教学改革

一、《岩体力学》教学现状

《岩体力学》作为采矿工程专业的一门重要的专业基础课,其目的在于培养学生掌握岩石工程(井工开采、隧道、地下空间工程等)中一些力学现象的分析能力,使学生接受矿山开采和岩层控制基本理论和试验技能的初步训练,为学生学习专业课程及从事理论研究打下良好的基础。《岩体力学》一般在先修课程(高等数学、弹性力学、材料力学、理论力学等)完成后开设,在学生学习本课程时,不仅可对先修课程进行系统回顾,又可有效运用前期基础课程相关分析与计算方法分析宏观工程问题;同时,该课程的学习可为《采矿学》、《矿山压力与岩层控制》等主干专业课程的学习夯实理论基础。但是,随着科技水平的提高及分析方法的多元化,岩体力学所涉及研究范围及方法日趋复杂,这也要求高校教师对岩体力学知识掌握更加全面,推陈出新,与时俱进。传统教学过程中,有关《岩体力学》的教学多以课堂原理的讲授,已不再适用于本科生的教育及行业人才培养的发展需求。因此,结合现有条件对该课程进行教学改革,适应工科专业发展方向,培养学生实践与应用能力势在必行。

二、《岩体力学》教学中存在的问题

对于采矿工程专业的学生,力学基础相对较弱,即使之前已对相关基础课程进行了学习,但由于前期多为应试型学习,且理论性较强,导致学生对于基础知识的掌握多为“碎片式”,无法有效形成知识网络,导致学生学习《岩体力学》时非常吃力。此时,若依然按照传统教育模式采用灌输式讲授方法,则事倍功半。总结传统教学方法下存在的主要问题如下:

1.学生基础知识薄弱,易形成被动接受方式。《岩体力学》是对前期相关力学课程的延伸学习,若前期基础力学知识及运算方法掌握不牢,将导致学生学习过程形成停顿感,由于课程逻辑性较强,一个知识点产生卡顿,学生对于后续知识的学习将产生被动接受的局面,学习效率低下。

2.教师课堂讲授方法单一,不易于接受。资料显示,目前非力学专业教师采用的《岩体力学》课件大同小异,均是对课本一些原理及方法的罗列,讲授过程中多采用灌输式,导致课堂教学环节枯燥乏味,缺乏与专业特点的联系,学生不易参与其中,知识点也难以接受。

3.教学方法机械性较强,难以融会贯通。《岩体力学》主要采用的教学方法包括课堂讲授与岩石力学实验,对于实验部分,一般由实验老师授课,学生容易将理论知识的学习与实验独立开来,因此,实验作为揭示岩体力学现象的一种有效手段,无法让学生理解其独特含义。

4.传统理论讲授过多,新型技术所占比例少。随着科技发展,行业内涌现了大批岩体力学分析软件,这些软件借助于力学原理,在分析工程问题中得到了普遍推广应用。高校教师分析岩体力学问题时,可充分利用新型技术,将问题分析方法多元化,辅助学生学习力学,又可拓宽学生知识面。

三、课程教学改革方法初探

近年来,随着国家经济的发展,我国逐渐跻身世界岩土工程大国,存在较大的发展空间。因此,对于工程类学生,掌握岩体力学分析方法及相关理论,为以后从事相关工作及科学研究铺垫良好的基石至关重要。针对采矿工程专业《岩体力学》课程教学中存在的一些问题,初步提出了课程教学改革,具体包括以下几个方面:

1.注重课堂效果,激发学生兴趣。由于《岩体力学》内容相对枯燥,学生容易失去兴趣,因此,教师在讲授时应注重方法,提高课堂效果。讲授内容时应充分结合本专业工程实例,循序渐进,让学生理解所讲知识的来龙去脉。如讲授平面应变问题下巷道弹塑性分析时,可以具体教学实例进行切入,首先对弹性力学中平面问题进行回顾,进而对问题进行假设简化,最后引入弹塑性力学知识对问题进行分析,不仅对前期所学知识进行了复习,同时应用于解决现场工程问题中去,事半功倍。

2.注重基础,构建知识框架。采矿专业学生由于力学基础相对薄弱,甚至对一些专业术语掌握都不够准确,给课程后期学习带来了极大的困难。因此,教师需注重基础理论、基础知识和基本技能的讲授,讲岩体力学中复杂的理论知识及工程实践成果浓缩在有限的课时内。同时,注重课本知识的统筹规划,强调基础的同时,合理规划授课内容,突出重点,构建知识框架,促使学生对知识内容形成一个宏观的认识,利于融会贯通。

3.理论结合实践,加强学习感知。《岩体力学》具有理论复杂和实践性强的特点,理论复杂体现在不确定性上,实践性强则因与工程实践密不可分。岩石力学实验则是连接理论知识与工程应用的桥梁,因此,在教学环节应注重对实验的教学,同时,实验应在授课教师与实验教师共同参与下由学生独立完成,提高学生的分析问题能力,调动学生独立思考的积极性,培养W生应用创新能力。

4.做好通识教育,触类旁通。岩体物理力学特性受外界条件及自身结构影响极大,不同行业接触的岩体也存在较大的差异性,不同专业分析问题的角度不尽相同。因此,应结合专业特点,对讲授内容突出侧重点,例如,边坡工程、地基工程及地下工程所涉及岩体力学问题求解方法存在较大差异,因此,非专业知识课简单讲授原理,专业知识则重点讲授,做到触类旁通。

5.创新教学方法,未雨绸缪。在《岩体力学》教学过程,可适当引入一些新型分析软件和方法,如有限元、离散元及有限差分等软件,做到与时俱进,同时辅助学生理解一些复杂的原理,学生对于一些数值分析软件的理解可为工作及深造后岩体力学问题的分析提供新的解决路径,做到分析问题针对性强、操作应用快,理解容易,易于自身能力的提升。

结合工科采矿类本科学生的实际特点,加强《岩体力学》课堂讲授与工程应用的联系,优化教学内容,革新教学方法,培养学生学习兴趣,拓宽学生知识结构面,让采矿专业学生掌握岩体力学问题中涉及相关理论及分析方法,综合运用所学知识,在实际工程问题中找到突破口,提高授课效果,培养学生独立发现问题及解决问题的能力,为学生后期工作及学习打下良好的基础。以上具体方案,经过教学实践,授课效果得到良好改善。

收稿日期:2016-11-25

作者简介:王猛(1986-),男(汉族),江苏徐州人,博士,讲师,研究方向:从事矿山压力与岩层控制方面的研究。

岩体力学论文:青岛地铁上覆岩层岩体力学参数研究

0引言

青岛坐落于大面积分布的燕山晚期花岗岩上,具有良好的地质条件,而且青岛市地铁一期工程,80%以上的线路处于花岗岩中,其余隧道处于第四系地层中。青岛市特有的花岗岩地质条件,对土建方面而言,将节约大量的投资,土建造价大大低于其他城市,所以对青岛地铁上覆岩层岩体力学参数的研究就有其重要意义!所以本文研究任务是针对现有规范对青岛地下工程设计不尽适应的问题,利用青岛地铁水清沟试验段的观测资料,对青岛地铁上覆岩层岩体力学参数进行验算和反演,为青岛地区岩体分类进一步研究打下基础。极限分析有限元法在边坡稳定分析中取得了成功[1-2],并逐渐在地基、基坑稳定分析中得到推广应用[3]。郑颖人、胡文清、张黎明等人[4-6]开始将有限元强度折减法应用于隧道,由此求得隧道的剪切安全系数。这就给我们提出了一个新的思路,通过安全系数反演岩体的力学参数,进一步修正岩体力学参数,最终得到适合青岛地铁上覆岩层的岩体力学参数。

1剪切安全系数的定义

安全系数是指剪切破坏面上实际岩土体的强度与破坏时的强度的比值。就是事先假定一滑动面,根据力(矩)的平衡来计算安全系数。将安全系数定义为沿滑面的抗剪强度与滑面上实际剪力的比值,如式(1)所示:

可见,极限平衡法是将岩土体的抗剪强度指标c和tanφ减少为和,使得岩土工程达到极限稳定状态时的ω即为安全系数,实际上就是强度折减系数。

2工程概况

青岛地铁试验段工程选取了地质条件具有代表性的区间(水清沟~国棉五厂),由1200m的区间隧道和218m的青纺医院站组成。

青岛地铁试验段区间隧道为双洞单线,双洞之间的距离为9m,区间隧道埋深为10~20米,横断面型式为直墙三心圆拱,跨度为4.86m,直墙高3.54m,拱高1.82m。计算选取三个不同埋深的截面,分别为10m、14m和18m。

岩体主要为花岗岩,处于微~未风化带,结构、构造清晰,岩体以整体块状结构为主,完整性好,根据国际《工程岩体分级标准》GB50218-94,分别属于Ⅱ、Ⅲ类围岩。

在节理方面:产状走向以NE~NEE向为主体,其次以NW~NWW向,倾角70~80度为主,部分50度左右,节理裂隙存在一定程度的未贯通岩桥,裂隙连通率统计在24~75%,结构面紧闭,岩块坚硬。结构面以闭合~微张裂隙为主,平面光滑,犹如刀切。

3均质岩质隧道围岩稳定分析

计算按照平面应变问题来处理,准则采用DP4准则,边界范围取底部及左右两侧各5倍隧道跨度[2],地面超载按照国家规范标准20KN/m2,按照《工程岩体分级标准》,各级围岩的物理力学指标标准值如表1,下标上下表示围岩的上下限。

经过ANSYS有限元计算,逐步折减强度参数,分别得到各种工况的剪切破坏安全系数见表2,分析发现:①安全系数随埋深深度减少,明显出现两侧直墙先破坏;②通过破坏时等效塑性应变图可找出最大应变发生在拱角和墙角处,而且根据围岩等效塑性应变发生突变时各断面中等效塑性应变最大点的位置,可以发现围岩的潜在破裂面。

在Ⅱ上围岩下、埋深18米的工况下,隧道的塑性区和应力应变图如图1、图2所示。

4节理裂隙岩质隧道围岩稳定分析和岩体力学参数反演

选取埋深18米的断面,因为埋深18米的跨度最长,且通过地质勘探发现大部分为微~未风化花岗岩,且所处断面最上面基本没有覆土层,分别属于Ⅱ、Ⅲ类围岩。为了简化模型,考虑如下情况:只考虑一组起重要作用的结构面(产状走向为NE~NEE向),倾角75°,间距2.5米,贯通率为75%。各级围岩参数见表3。

经过有限元强度折减,最终分别得到各类围岩下的安全系数见表4。

在Ⅱ上围岩下、埋深18米的工况下,隧道的塑性区和应力应变图如图3、图4所示。

所以在埋深18m情况下,通过均质岩质中给出的安全系数与节理裂隙岩质的安全系数比较,进行反演,最终在表5中,对一、二、三类围岩岩体的强度参数提出了建议值。

对表5中给出的各级围岩岩体的强度参数建议值研究发现:对II类和III类围岩的,值较规范值增大,这说明青岛地铁上覆岩层主要是花岗岩,岩性好,所以岩体强度参数建议值要大于规范中的给定值。

最后通过《青岛地铁第一期工程 水清沟――青纺医院试验段 施工地质、变形量测、环境检测总结报告》中的位移检测,验证了反演的强度参数建议值的合理性。

最终通过分析发现:相对于青岛花岗岩地区,规范中给出的岩体分类的强度参数偏低,按照规范中的参数进行设计就会偏于保守,所以针对青岛地区花岗岩的岩性特征,笔者对规范中给出的岩体分类的强度参数做了修正,为进一步确定了青岛地铁上覆岩层岩体分类打下基础。

岩体力学论文:浅述岩体力学参数监测在隧道施工中的重要性

摘要:采用新奥法进行隧道工程施工时,设计单位只能根据监控单位和施工单位反馈的监控数据和隧道开挖揭露情况对设计的合理性进行宏观判断,隧道设计时应把力学计算和实际背景岩体力学参数相结合,才能更科学、经济的按照新奥法的理念完成隧道工程的设计、施工。

0 引言

在现时的公路建设中,为满足线型、车速、里程、生态环境等要求,隧道工程已被大量采用。建设环境的不可预知性是隧道工程最大的特点,在施工中,开挖的围岩与设计不符的情况屡见不鲜。

鉴于此,新奥法(NATM)被流行地应用于隧道工程工作中。而施工监控量测则是新奥法施工方法中的重要工序之一。

施工监控量测是将施工过程中的围岩稳定性、支护结构承载能力、初期补强及二次衬砌合理的施作时间、开挖揭露岩体的力学参数等情况反馈给设计与施工以达到优化设计参数、优化施工方案及施工工艺目的的工序。

1岩体力学参数的重要性及其在新奥法施工中的现状

监控量测的内容在相关技术规范中已做了相关规定,着重于对揭露围岩情况的观察以及开挖洞室的净空变化、围岩的蠕变趋势、结构及围岩的应力、应变及位移大小量测等。由这些监控数据在指导施工中起到了很直观、重要的作用。但是对岩体的力学参数测试包括抗压强度、变形模量、黏聚力、内摩擦角、泊松比、围岩完整性指数、应力强度比等没有引起足够的重视。只有在少数工程中对力学参数进行了监测。在进行隧道的围岩基本质量分级和力学建模计算分析时,这些参数是必不可少的。

对于工程岩体这样复杂多变的隧道工程,为了选择一条正确的设计途径,一方面要使经验方法科学化;另一方面还要使设计中所进行的力学计算具有实际背景。

为了做到这点,现场的监控测试就应该提供更多的依据,这样才能把力学计算和实际情况更好的结合。

现在的勘察设计单位都存在时间紧、任务重的问题,勘察单位不能对隧道的地质情况做详细细致的勘察工作,而设计单位也只能根据勘察单位提供的有限的勘察资料更多的采用工程类比法进行设计。

然而隧道的围岩揭露情况与勘察情况有很大一部分不相符。在出现不相符时,设计单位只能根据监控单位和施工单位提供的资料进行设计变更。

变更时分两种情况,第一种,设计偏弱,设计只能根据有限的资料进行一定的补强设计;第二种,设计偏强,实际工作中,此种情况一般未变更设计。

第一种情况,在实际工作中影响施工进度,有时还给工程留下隐患,甚至造成质量安全事故;第二种情况,使工程不能体现其经济性,甚至造成不必要的浪费。要想隧道工程设计更加科学合理,设计方就必须要有足够的资料作为设计的背景。在施工过程中,监控量测作为提供设计资料背景方,应该不仅要为设计方提供净空变化、围岩的蠕变趋势、结构及围岩的应力、应变及位移大小等作为宏观判断设计合理性的依据,还应提供更细致的岩体的力学参数为隧道的力学计算提供直观依据,这样才能更为科学、经济的完成整个隧道的新奥法设计、施工。

2岩体力学参数测试和计算方法简介

2.1 抗压强度是指岩石单轴饱和抗压强度(RC),按照抗压强度试验的试件的尺寸、精度、含水率制作试件,以0.5~1MPa/s的速度加载直到破坏,记录试件破坏形态,逐级记录荷载及应变值,并绘制应力与纵向应变和横向应变曲线图,按照R=计算其单轴抗压强度,按照Eav=,μav=计算平均弹性模量、平均泊松比(σa,σb分别为曲线上直线段始点、终点应力值,εa-εb分别为σa,σb处纵向应变值,εda-εdb分别为σa,σb处横向应变值)。

2.2 黏聚力、内摩擦角可由原位试验得到。

2.3 围岩完整性指数可以由KV=求得,纵波、横波速度可以用岩石超声波参数测定仪、纵横波换能器测得。

2.4 应力强度比可由Sm=式计算得到,σmax为岩体的最大主应力。

3结论及改善建议

逐步的优化设计、施工参数,使隧道工程建设经济、科学、安全的完成,使新奥法施工广泛应用于隧道工程修建的主要原因,但此种施工方法只是更多的反馈于施工,在设计中其作用还未得到更好体现。

要想新奥法中的监控量测结果更好地反馈于设计,岩体的力学参数的监测在监控量测中的重要性就必须得到体现。

岩体的力学参数的监测在隧道施工监控量测中很少实施,原因是隧道工程实施的相关人员未意识到此项工作的重要性。为了新奥法能更好的应用到隧道设计、施工生产中去,相关人员应对此项工作的作用给予足够的重视,配备相应的人员和设备来完成此项工作。

岩体力学论文:岩体力学本科教学改革探讨

摘要:为适应当前勘察、土木、地质、石油等行业对相关专业本科毕业生的高要求,本文基于岩体力学的特点,详细分析了当前我国岩体力学本科教学的现状以及进行改革的必要性。在此基础上,从教学内容、试验环节、教学方法等方面提出了初步的改革措施。以期通过这些措施,提高岩体力学本科教学质量,培养适应社会发展和时代要求的复合型人才。

关键词:岩体力学;教学内容;试验教学;数值仿真;教学方法

岩体力学是土木工程、石油工程、地下工程、水利水电工程、地质工程、采矿工程、勘查技术与工程等专业本科生的重要专业基础课之一,是研究岩体在外界因素(荷载、水、温度等)作用下的应力、变形、破坏、稳定性与加固的学科,理论基础广泛,涉及地质学、固体力学、流体力学、计算数学、地球物理学等学科知识[1,2]。通过这门课程的学习,学生能够建立起有关岩体力学的基本理论体系以及相应的工程概念(如强度理论、工程岩体分类、稳定性分析),为后面的相关专业课(如基础工程、钻探工艺学、计算岩土力学、矿山压力与岩层控制)提供必要的知识储备,也为毕业后从事建筑、勘探、采矿、采油等相关工作奠定必备的理论基础。随着我国社会经济的快速发展,大量的岩土工程广泛兴起,复杂的岩体力学问题不断涌现,从而对高校培养的相关专业人才的综合能力提出了更高的要求:不仅要具有扎实的专业基础知识,还要有一定的分析和解决现场实际问题的能力[3]。

作为人才培育的主要基地,高校在岩土工程人才培养过程中,在培养模式以及相关的各类软硬件条件等方面已经远远跟不上社会发展的步伐及社会对复合型人才的需求[4]。因此,针对当今社会的实际需求,如何安排好岩体力学教学,培养合格的本科生,成为摆在各大高校相关教师面前的重要问题。

一、岩体力学教学改革的必要性

岩体在形成与存在过程中,长期遭受着复杂的建造与改造地质作用,最终变成一种被大量不同类型与规模的断层、节理、层理、片理、裂隙等结构面切割包围而成的材料,具有非均质、非连续、各向异性的特点。同时,岩体还赋存于复杂的天然应力状态和地下水中。这些使工程岩体的力学行为极其复杂,通常呈高度非线性。岩体力学问题大多是病态的、不确定的、多尺度的,很难找到一种解析或数值算法进行精确地求解[5]。从而,依托于岩体上的各类工程(如地下空间与地下隧道工程、岩质边坡工程、岩石地基与坝基工程、采矿工程以及钻井工程)的设计计算分析极为复杂,目前实际工作中,仍通过以工程经验、现场试验与监测为主,理论指导为辅来完成。可以说,岩体力学还很年轻,知识体系还不够完善,许多理论尚不成熟,自身发展速度远远落后于工程实践的要求。

随着中国能源、交通、水利、国防、城市建设等事业的发展,岩体工程建设越来越多,规模也越来越大,这些给岩体力学带来了新的机遇与挑战,也对相关从业人员提出了更高的要求。然而,作为培养高级人才的摇篮,高校在岩体力学本科教学方面还存在很多问题,比如教材陈旧、内容落后、试验教学不足、理论与实际脱节严重、课堂教学方法落后、教学手段单一,在很大程度上影响了本科生在实际工作中解决复杂问题的能力和创新能力。因此,开展岩体力学本科教学改革是十分必要的。通过教学改革,旨在既提高相关从业人员的基本素质与实践能力,又为培养高层次复合型人才打下坚实的理论基础。

二、岩体力学本科教学改革的主要内容

笔者认为岩体力学本科教学改革应从多方面着手:与时俱进地优化教学内容,以实际工程为教学案例密切联系实际,增加室内试验与数值仿真等试验教学环节,改革教学方法,从而探索满足当今社会快速发展条件下的岩体工程建设需求的复合型人才培育的教学方法。

(一)优化教学内容

目前国内高校岩体力学本科课程无统一教材,教学内容由任课教师自己掌握。相关教材也比较多,如沈明荣与陈建峰主编的《岩体力学》(2006),刘佑荣与唐辉明主编的《岩体力学》(2009),陈海波等主编的《岩体力学》(第2版,2013)以及阳军生与阳生权主编的《岩体力学》(2008)。各教材在基础理论方面的表述基本上是一致的,只是在工程应用方面侧重点有所不同。笔者认为各任课教师应根据其校本专业特点,依据教学大纲与学时安排,以一本教材为主、多本教材为辅的方针授课,在讲授岩体力学基本原理与知识的基础上,以实际工程进行案例教学,并适当向学生介绍当前的新概念、新技术、新方法等发展动态与学科前沿,提升学生的学习兴趣,拓宽学生的知识面。

本校地质工程专业(岩土钻掘方向)的岩体力学本科课程,根据国家学科组指定的教学大纲,编制授课计划,结合本专业的特色与发展需要,对大纲进行了适当调整与修改。教材以教育部地质工程教学指导分委会推荐的刘佑荣与唐辉明主编的《岩体力学》为主,以《Fundamentals of rock mechanics》、《岩石力学与工程》、《岩石力学与石油工程》、《钻井岩石力学》、《矿山岩石力学》等相关教材为辅,删除其他相关课程的重复性内容,同时补充隧道钻掘、地下工程支护、工民建勘察、大陆科学钻探以及石油钻井等方面的工程实例,根据本校本专业本科教学计划40学时左右的内容进行编辑,在满足本专业学生对岩体力学认知与掌握的需求的同时,实现专业基础知识扎实、知识面宽的复合型人才培养要求。

(二)增加试验教学环节

试验是岩体力学教学的重要环节,但是限于学时、设备、经费等原因,在本科教学过程中一般只能有选择地让学生动手做几种相关室内试验,难以很好地培养学生的动手能力,因此,增加试验教学环节势在必行。笔者认为可以从如下三个方面来解决这个问题:

1.通过与相关试验室相关人员协调,在课余时间借用试验,开展相关岩体力学试验,从而尽可能多地锻炼学生的实际动手能力;在不影响试验室正常运行的前提下,将学生划分多批次,参观有关科研项目的岩体力学试验过程,以实现尽可能多地感性认识岩体力学课堂上讲授的理论知识。

2.通过鼓励和指导本科生积极参与所在院系教师的相关科研项目、科技报告会项目、大学生创新基金项目等活动,在项目中实际运用岩体力学知识,进一步锻炼学生认识、分析与处理岩体力学问题的能力。

3.充分利用计算机仿真技术[6],采用数值仿真手段弥补试验场地和设备的不足[7,8],并初步培养学生运用数值模拟与理论相结合的方法,分析边坡稳定性、地下隧道与矿山开采围岩变形、地基岩体稳定性、井壁稳定性等实际工程问题。

通过以上措施实现室内试验与数值仿真试验教学环节的增加,使本科生在实践中体会所学知识,找到自己的不足,增强对岩体力学的理解与掌握,锻炼动手能力,提高分析问题、解决问题的能力与创新能力。

(三)改革教学方法

目前以多媒体电子课件为主、黑板板书为辅的教学方式已被广泛应用于高校教学中。岩体力学是一门理论性与实践性均很强的学科,教师应针对此特点开展教学活动。但是,限于学时、安全等原因,任课教师通常无法带学生到现场进行实地参观讲解。为了加强理论与实践的相接轨,就需要充分利用电子课件能够图文并茂、声像俱佳的优势,形象生动地向学生传递工程现场信息,从而弥补实践的不足。

对于理论方面,采用传统的板书教学方法补充多媒体教学,对重点、难点公式用板书一步步推导,便于学生理解与记忆。增加课上与学生互动环节,如让学生回忆上堂课内容,多多就知识点提问,增加课堂作业环节,添加学生分组演讲报告环节。增加课下与学生互动,如建立QQ群、微信朋友圈,在上面经常发布行业最新动态的图片、新闻、视频,发表小课题引导学生讨论,以及邀请学生参加自己的科研项目。改革考核方式,总成绩既包括期末闭卷考试成绩,又包括平时表现、试验报告、文献综述报告等。

通过以上种种手段,更好地调动学生的学习积极性,更好地培养学生的学习能力与解决问题的能力,更加公平地评价学生的课业表现。

三、结语

岩体力学内容丰富、知识复杂,给本科教学带来了挑战与机遇。笔者针对目前岩体力学本科教学方面的不足,从教学内容、试验环节、教学方法等方面提出了初步的改革措施。以期通过这些改革,既能促进学生更好地掌握岩体力学的基础知识与技能,又能培养学生的创新能力与实践能力,为国家培养满足行业需求的复合型人才。

岩体力学论文:岩体力学发展史与新技术展望的综述

摘要:本文阐述岩土力学发展历史和概貌,岩体力学的基本研究内容和研究方法,以及当今岩土力学发展存在的问题,对岩石力学研究提出的更高一个层次的要求,使岩石力学面临许多前所未有的问题和挑战,急需解决和提高岩石力学理论和方法的研究水平,以适应工程实践的需要。

关键词:岩土力学,发展,新技术,展望

引言岩体力学是近代发展起来的一门新兴学科和边缘学科,应用范围涉及采矿、土木建筑、水利水电、铁道、公路、地质、地下工程等众多的与岩石工程相关的工程领域,一方面它是上述工程领域的理论基础,另一方面正是上述领域实践促使了岩体力学的诞生与发展,作为地球科学的一个重要组成部分面临一系列新的机遇和挑战。

一、岩体力学的发展历史和概貌

(1)初始阶段(19世纪末~20世纪初)

这是岩石力学的萌芽时期,产生了初步理论以解决岩体开挖的力学计算问题。海姆提出了静水压力的理论认为地下岩石处于一种静水压力状态,作用在地下岩石工程上的垂直压力和水平压力相等;朗金和金尼克也提出了相似的理论。

(2)经验理论阶段(20世纪初~20世纪30年代)

该阶段出现了根据生产经验提出的地压理论,并开始用材料力学和结构力学的方法分析地下工程的支护问题,最有代表性的理论就是普罗托吉雅柯诺夫提出的自然平衡拱学说,即普氏理论,该理论认为,围岩开挖后自然塌落成抛物线拱形,作用在支架上的压力等于冒落拱内岩石的重量,仅是上覆岩石重量的一部分。太沙基提出相同的理论, 只是他认为塌落拱形状是矩形,而不是抛物线型。普氏理论是相应于当时的支护型式和施工水平发展起来的,进一步说围岩和支护之间并不安全是荷载和结构的关系问题,在很多情况下围岩和支护形成一个共同承载系统,维持岩石工程的稳定最根本的还是发挥围岩的作用,尽管如此,上述理论在一定的历史时期和一定条件下还是发挥了一定作用的。

(3)经典理论阶段(20世纪30年代~20世纪60年代)

岩石力学学科形成的重要阶段,弹性力学和塑性力学被引入岩石力学,确立了一些经典计算公式,形成围岩和支护共同作用的理论,岩体工程技术问题的解决,这些都说明岩石力学发展到该阶段已完成为一门独立的学科。在经典理论发展过程阶段,形成了“连续介质理论”和“地质力学理论”两大学派。早在20世纪30年代,萨文就用无限大平板孔附近应力集中的弹性解析来计算分析岩石工程的围岩应力分布问题,20世纪50年代,鲁滨湟特运用连续介质理论写出了求解岩石力学领域问题的系统著作,同时,开始有人用弹塑性理论研究围岩的稳定问题,导出著名的芬纳-塔罗勃公式和卡斯特纳公式,塞拉塔用流变模型进行了隧峒围岩的粘弹性分析。

20世纪60年代,运用早期的有限差分和有限元等数值分析方法,出现了考虑实际开挖空间和岩体节理、裂隙的围岩和支护共同作用的弹性或弹塑性计算解,使运用围岩和支护共同作用原理进行实际岩石工程的计算分析和设计变得普通,促进了中国早期的地应力测量工作的开展。

地质力学理论注重研究地层结构和力学性质与岩石工程稳定性的关系,由德国人克罗斯创立起来的,理论反对把岩体当作连续介质简单地利用固体力学的原理进行岩石力学特性的分析,强调重视对岩体节理、裂隙的研究和结岩石工程稳定性的影响和控制作用,1951年在第一届地质力学讨论会,形成“地质力学研究组”并广泛应用于岩石工程。

(4)现代发展阶段(20世纪60年代~现在)

此阶段是岩石力学理论和实践的新进展阶段,其主要特点是用更为复杂的多种多样的力学模型来分析岩石力学问题,把力学、物理学、系统工程、现代数理科学、现代信息技术等的最新成果引入岩石力学,20世纪60年代和70年代,原位岩体与岩块的巨大工程差异被揭露出来,岩体的地质结构和赋存状况到重视。20世纪70年代开始出现用于岩石工程隐定性计算的数值计算方法,主要是有限元法,20世纪80年代数值计算方法发展很快,有限元、边界元及混合模型得到广泛应用,成为岩石力学材料分析计算的主要手段,20世纪90年代数值分析终于在岩石力学和工程学科中扎根,岩石力学专家和数学家合作创造成一系列计算原理和方法。20世纪80年代和90年代,岩石工程三维信息系统、人工智能、神经网络、专家系统、工程决策支持系统等迅速发展起来,并得到普遍的重视和应用。20世纪90年代现代数理科学的渗透是非线性科学在岩石力学中的重要应用。

智能岩石力学涉及人工智能、神经网络、遗传算法、模糊数学、非线性科学、系统科学、固体力学和岩石工程等许多领域。

二、岩体力学的基本研究内容和研究方法

岩石力学服务对象的广泛性和研究对象的复杂性,对任何岩石工程领域来讲,下列基本内容是首要进行研究的。

(1)工程岩体的稳定性包括:1)各类工程岩体在开挖荷载作用下的应力、位移分布特征;2)各类工程岩体在开挖荷载作用下的变形破坏特征;3)各类工程岩体的稳定性分析与评价等。

(2)岩石的基本力学性质包括:1)岩块在各种力学作用下的变形和强度特征以及力学指标参数;2)影响岩石力学性质的主要因素,包括加载条件、温度、湿度等;3)岩石的变形破坏机理及其破坏判据。

(3)岩石的物理、水理与热力学性质。

(4)结构面力学性质内容包括:1)结构面在法向压应力及剪应力作用下的变形参数及其确定;2)结构面剪切强度特征及其测试技术和方法。

(5)岩体力学性质包括:1)岩体变形与强度特征及其原位测试技术与方法,2)岩体力学参数的弱化处理与经验估计;3)影响岩体力学性质的主要因素;4)岩体中地下水的赋存、运移规律及岩体的水力学特征。

(6)地应力分布规律及岩体规律及其测量理论与方法

(7)岩石、岩体的地质特征,内容包括:1)岩石的物质组成和结构特征;2)结构面特征及其对岩体力学性质的影响;3)岩体结构及其力学特征;4)岩体工程分类。

(8)岩石工程稳定性维护技术包括岩体性质的改善与加固技术等。

(9)各种新技术、新方法与新理论在岩石力学中的应用。

(10)工程岩体的模型、模拟试验以及原位监测技术,模型试验包括数值模型模拟、物理模拟等。

根据所采用的研究手段或所依据的基础理论所属学科领域的不同,岩石力学的研究方法可大概归纳以下四种:

(1)工程地质研究方法;(2)科学实验方法;(3)数学力学分析方法;(4)整体综合分析方法。

三、岩体力学研究的主要问题

主要研究的问题有以下几种:

(1)水利水电工程;(2)采矿工程;(3)铁道和公路建设工程;(4)土木建筑工程;(5)海洋勘探与开发工程。以上只是一些主要方面,随着岩石工程建设的发展,还会有新问题的不断提出。

四、岩体力学与工程发展趋势和前景展望

国际上岩石力学与岩石工程研究的最新趋势:

(l)岩石工程对环境的影响越来越受到重视,这是同全球的环境保护意识增强离不开的。

(2)对岩石或岩体的力学和水力学特性与温度场、应力场等相关场的耦合问题的研究越来越多,不再是对简单环境下单一岩石力学性质的研究。

(3)对岩石力学特性及岩石工程的数值方法和数据模拟的研究一直是长盛不衰的。

(4)岩石或岩体特有的节理裂隙对其力学性质的影响的研究越来越深入和细致。

(5)原位测试及勘探。水压致裂及三维裂纹勘探受到重视,声发射致裂研究裂缝扩展及强度的破坏。

(6)越来越重视岩石力学的研究成果在实际工程中的应用。

(7)高科技在岩石力学与岩石工程中的应用开始崭露头角。

以下五个方面的问题应成为我们的主攻方向。

(1)岩体力学研究由局限的岩体走向解决山体和地体等大范围、大尺度的工程和资源开发问题。

(2)岩体力学由研究单一的固体不连续材料向多场耦合和多相运动研究发展。

(3)岩体力学从单纯的地球内动力驱动或外动力驱动模型向内外动力耦合作用模型的转变。

(4)岩体力学从工程岩体稳定性研究向极端灾害的非线性动力过程的预测及防治进军。

(5)从常规的岩石开挖的失稳防治到新型大规模暴力攻击的防护,以及人地关系的协调。

这些问题都是对岩石力学提出的更高的要求,使岩石力学面临许多前所未有的问题和挑战,急需发展和提高岩石力学理论和方法的研究水平,以适应工程实践的需要。

岩体力学论文:深部开采岩体力学研究的现状

摘 要:在深部开采工程中产生的岩石力学问题是目前国内外采矿及岩石力学界研究的焦点,“三高一扰动”的复杂环境,是深部开采面临的挑战性、高难度课题。虽然目前对于深部开采工程的研究已经取得了部分成果,但对深层次、注重个案、侧重技术的基础研究重视仍然不够。今后主要研究方向应集中在深部岩石力学基本特性、深部开采工程稳定性控制、深部开采地表环境损伤控制以及深部厚煤层综放开采基础理论研究等方面。

关键词:深部开采;岩石力学;三高一扰动

深部开采岩石力学,主要是指在进行深部资源开采过程中引发的与巷道工程及采场工程有关的岩石力学问题。目前,对能源的需求逐步增加,开采强度也不断加大,这些都造成了浅部资源的日益减少,因而国内外的矿山都相继进入深部资源开采状态。而开采深度的不断增加,工程灾害也随之增多,这对深部资源安全高效的开采造成了巨大威胁。

1 深部开采岩体的力学特点

1.1 开采环境

深部开采和浅部开采最明显的区别在于深部岩石所处的特殊环境,也就是“三高一扰动”的复杂力学环境。“三高”主要是指高地温、高地应力和高岩溶水压。“一扰动”主要是指强烈的开采扰动。当进入深部开采后,岩体呈现塑性状态,即由各向不等压的原岩应力引起的压、剪应力超过岩石的强度,并且对岩石造成破坏。

1.2 力学行为特性

深部岩石的“三高一扰动”复杂环境,对深部岩体的组织结构、基本行为特征和工程响应产生根本性的影响。主要表现在深部岩体动力响应的突变性,深部岩体应力场的复杂性,深部岩体的大变形和强流变性,深部岩体的脆性一延性转化,深部岩体开挖岩溶突水的瞬时性等五个方面。

2 深部开采工程中的岩石力学问题

目前对于深部开采工程的研究已经取得了一系列成果,但是对于侧重技术、注重个案的深层次基础研究始终没有得到足够的重视。深部开采“三高一扰动”的复杂力学环境,使深部岩石力学行为及其深部灾害的特征与浅部开采明显不同,因而在浅部开采基础上建立的传统理论不能适应现在的研究环境。

2.1 强度确定

深部开采时地应力水平比较高,因而工程开挖后的工程岩体在高围压作用下,一个或两个方向上应力状态的改变所表现出的强度变化并不是简单的表现在受拉或受压,而是复杂的拉压复合状态,即径向产生卸载,同时切向产生加载。所以深部开采时工程岩体的强度不能单纯用岩块强度来确定,必须建立符合深部开采特点的工程岩体拉压复合强度确定理论。

2.2 设计理论

深部开采时,由于工程围岩所表现出的非线性力学特性,在稳定性控制设计时不能采用简单的一次线性设计,因而必须建立采用二次以至多次非线性大变形力学稳定性控制设计理论。

2.3 稳定性控制理论

在深部开采环境下,工程开挖后工程围岩就会有不同程度的破坏,必须采用二次支护甚至多次支护才能够实现工程稳定性。因此,原有的稳定性控制理论不能适合新的环境,必须建立适合深部开采工程的二次(支护)稳定性控制理论。

3 今后研究重点

随着我国国民经济的提高和科学技术的发展,在复杂地质条件下一些长深铁路、公路隧道的修建,有了许多深部开采事故的预防应用,并由此发展了先进的科学技术和理论。我们认为对岩石力学问题,今后主要研究方向应集中在对深部岩石力学基本特性、深部开采工程稳定性控制、深部开采地表环境损伤控制和深部厚煤层综放开采基础理论研究等方面。

3.1 “深部”的概念及其分类体系

目前国内外对深部工程中所引发的岩石力学问题研究十分重视,但是在“深部”、“深部工程”等一系列概念上的差异较大,这些对该领域理论与技术研究的发展及交流有一定影响。因而,对“深部”的概念、分类体系以及评价指标进行科学的定义,是推动深部岩体力学的基础理论研究的当务之急。

3.2 深部岩石力学的基本特性研究

深部工程的“三高一扰动”复杂环境,使得深部岩体的组织结构、基本行为特征和工程响应都发生了根本性的变化,同时也导致深部开采中灾变事故的多发性和突发性。因而,深部资源开采面临的核心科学问题正是采掘扰动表现出来的特殊力学行为。其中的深部高应力场成因以及多个应力场的耦合作用状态研究、深部复杂应力状态下岩体拉压复合强度确定方法及其灾变机理更是今后研究的重点。

3.3 深部开采工程的稳定性研究

深部开采工程的稳定性问题是研究围岩在开采破坏后与支护系统相互作用所达到的二次稳定问题。在深部条件下的工作面回采所形成的采动应力场与巷道掘进形成的开挖应力场相互耦合叠加,这些形成了复杂的三维应力场。同时,采动应力的分布与回采空间动态、多维的时空规律以及支承压力区的范围和峰值应力等也将产生很大变化。因此,应该结合深部岩体的非线性力学特性研究,在对深部采场以及巷道围岩采动的应力时空分布规律的深入分析基础上,探讨深部开采采场及巷道一体化的稳定性非线性力学控制对策。

3.4 深部工程灾害的发生机理以及控制对策的研究

在深部条件下,“三高一扰动”环境使深部岩体的基本行为特征、组织结构和工程响应发生了根本性的变化,这同时导致了深部开采中灾变事故的多发性和突发性。因而,研究岩体在地下水、瓦斯、高地应力、温度等作用下的稳定与非稳定变形,破坏状态以及转化机理、条件和规律,探索深部多相介质、多场耦合的作用下工程灾害频度和强度等特征,这些对揭示深部工程灾害的诱发机理和成灾过程,并对相应的灾害提出预测方法及控制对策具有重要意义。

在“三高一扰动”特殊地质力学的环境下,传统的理论、方法和技术已经部分或全部失效。因此,对深部开采工程岩石力学基础理论研究的大力开展,能够对深部资源开发提供可靠的理论基础,并为我国经济的可持续发展和国家安全战略的实施提供有效的能源和资源保证。

岩体力学论文:12081工作面煤岩体力学参数的选取及UDEC数值模拟分析

摘 要:由于12081采场围岩运移的复杂性,现场实测的数据反映的只是某一方面或者几方面的规律,对顶板活动难以有一个全面了解。研究方法采用相似模拟只能在部分方面取得较好的成果,但是会消耗较高成本。实验周期经较长,并且一次只能模拟一种状态。近年来,采用数值模拟方法能得到相似模拟所达不到的效果。

关键词:煤岩体 力学 参数 模拟 分析

由于12081采场围岩运移的复杂性,现场实测的数据只能反映某一些方面或某几方面的规律,难能对顶板活动有一个全面的了解。采用相似模拟的研究方法,虽然在某些方面能取得很好的效果,但是,模拟的成本高,实验周期经较长,并且一次只能模拟一种状态。近年来,采用数值模拟方法能得到相似模拟所达不到的效果。本次采用UDEC数值模拟方法,研究不同初撑力条件下,上覆岩层的稳定性。

1 煤岩体力学参数的选取

1.1 煤岩体力学参数的选取

关于岩体参数的参考值,其材料特性满足库仑—摩尔准则。确定模型材料参数如表1所示。

1.2 节理和角点圆弧化

可以将岩石块体之间的接触面认为是节理。根据不同的粗糙程度,个别的接触点构成接触面系,通常两个端点的接触可以代表,端点会在运动的时候发生相对的法向位移和切向位移。

块体不仅会有面接触还有点接触,不管是点还是面的接触,都会有数学上的奇异性,点接触会引起计算上的应力集中,但是实际情况是,尖角在力的作用下被折断钝化,因此还要将圆弧化处理加入到角点的计算中。

圆弧化处理角点之后,可以将圆弧的中心道边的垂线和边的交点作为边和角的接触点,节点的发现方向也就是垂线方向。两个焦点的接触点可以取两个圆弧中心的联机和圆弧交线的交叉点。经过圆弧化处理的角点增加了计算的时间,但是角点接触的奇异性被消除,这样的计算和实际接触点的物理图像更加符合。本次模拟时round取值0.2。

1.3 刚度系数

在UDEC中节理的法向和切向刚度系数kn和ks的正确选取是至关重要的。如果刚度系数取得太大,刚体块将连接成为一个整体,无相对运动可言;如果取得太小了,则刚体块将成为一盘散沙,相互间没有约束。作为一个经验的规则,刚度系数最大可取为刚度最大的邻接块体之间的等值刚度的十倍,即有:

式中:K为体积模量;

G为剪切模量;

Zmin为节理两侧块体单元的最小宽度。

如果取用太大的刚度系数,会将大幅增加计算时间,却不会改变物理图像。但是如果取用太小的刚度系数,时步会被增大,加快计算速度,但是节理“过软”,块体间“嵌入”太多,与实际情况不符。

刚度系数对于不同的岩石其变化是很大的。对于软弱粘土夹层可为10~100 MPa/m。而对于花岗岩或玄武岩等的致密节理,则刚度系数甚至可以超过100 GPa/m。

UDEC中的刚度系数不同于一般弹性体的刚度系数,它仅仅作为单元间传递力的因子。刚度系数应取足够大,以使计算结果趋于稳定值。同时考虑到计算费用的经济性,在满足精度和稳定收敛要求的前提下,宜尽量减小块体刚度,刚度系数一般取1010~1011 n/m较为适宜。计算中刚度系数取值1010。

2 UDEC数值模拟

2.1 低初撑力状态模拟

根据实测单体支柱平均支护力为13.8 kN,采用UDEC进行了数值模拟,按单体支柱平均支护力为90 kN,采用UDEC进行了数值模拟。

2.2 UDEC模拟结果分析

从模拟结果可以得出,低支护力状态下,顶板离层,平衡结构形成的层位相对较低,当地质条件发生变化时,遇断层或特殊地质结构岩体时,容易出现顶板事故。高支护力状态下,平衡结构的层位相对较高,对工作面的影响也较小,工作面变形量也较小,工作环境大大改善。

采场围岩运移是一个动态的过程,动态过程有两层内容,一是随着时间变化的动态过程;二是随支护力不同而变化的动态过程。如图1所示为低支护载荷条件下围岩运移状态,支护顶板距平衡结构8~12 m,平衡结构对采场的影响较大,由于支护力过小,顶板易发生离层,支护状态差。如图2为合理支护条件下围岩运移状态,平衡结构下方岩层厚度为15~19 m,距离支柱较远,支柱上方顶板发生离层的可能性较小,采场处于安全状态下。

2.3 FLAC数值模拟结果分析

从FLAC数值模拟可以看出,工作面的支护初撑力大小对工作面围岩应力分布有十分显著的影响。低载荷,应力峰值和高应力范围均显著增大,而导致顶板剪应力区显著扩大。而高载时,顶板剪应力仅在煤壁上方很小的范围出现峰值。

剪应力从煤壁附近向控顶区上方顶板的扩展是导致顶板破碎的主要原因,而顶板破碎范围与支架载荷有关。

随支护载荷的增加,煤壁前方的支撑压力明显减少。煤壁前方顶板应力减少。由于支架载荷较低,煤壁前方垂直应力增加,控顶区上方剪应力集中程度增加,范围增大。

控顶区上方的顶板铅垂应力随支架载荷的增加明显改善。支护载荷的增加,导致和围岩应力降低,从而改善围岩控制,避免顶板破碎。

随着支护载荷的加大,位移矢量也有所改变。位移矢量由低载垂直位移变为高载的水平位移。即控顶区围岩的稳定性有所增强。

在主应力图中低载时,应力矢量比较紊乱,很不规则。而高载时,主应力矢量在煤壁上方的顶板岩层,指向煤壁前方,显示了煤壁前方的应力集中效应和压力拱效应。

综上所述,选择合理的支护载荷(即高载荷)对工作面的围岩控制是非常重要而且有利的(如图3~4)。

岩体力学论文:12081工作面煤岩体力学特性与电镜分析及底板特性测试

摘 要:为更好的服务生产,保证12081工作面回采顺利,并探索一套能够指导类似工作面的技术,我们在12081工作面进行工业性试验,对煤岩体力学特性与电镜进行分析并对底板特性进行测试。

关键词:煤岩体 力学特性 电镜分析 底板特性 测试

为更好的服务生产,保证12081工作面回采顺利,并探索一套能够指导类似工作面的技术,我们在12081工作面进行工业性试验,对煤岩体力学特性与电镜进行分析并对底板特性进行测试。

1 12081工作面煤体特性和电镜分析

12081工作面所采煤层为山西组二1 煤,煤种贫煤,煤质以低灰、发热量特高热值、特低硫、特低氯、低磷为主要特征,为一级含砷煤。煤灰属较高软化和较高流动温度灰。二1煤中无烟煤和贫煤可做为动力用煤和民用燃料。开采煤层煤质特征见表1。12081工作面煤体电镜分析见图1。

二1煤煤类有无烟煤和贫煤,以粉状为主,粒状、鳞片状次之,块状少许,易磨碎。二1煤为黑色-灰黑色,黑-灰黑色条痕,以粒状为主,次为块状,粉状,可见鳞片状。

块煤为金刚—— 玻璃光泽,贝壳状、参差状断口,内生裂隙发育,可见镜煤条带,莫氏硬度2~3度。粉、粒状煤污手、质软,煤芯疏松易碎。二1煤层相对真密度为1.49t/m3,相对视密度为1.45t/m3。

与底板特性测试的结果相吻合。说明煤体软而且酥,极易风化。工作面可见底板煤层浸水后,踩上去似泥窝一样把矿工靴陷进去。

2 12081工作面顶板和底板岩体力学性能与电镜分析

二1煤直接顶板多为砂质泥岩和泥岩,砂质泥岩为深灰色薄层及中厚层状,裂隙不发育。泥岩多为深灰色块状。也有砂岩为灰白色,一般致密坚硬,裂隙不发育。有伪顶,岩性为泥岩及炭质泥岩,厚度0.43~0.95m。

从电镜图可见,岩体破坏的界面与煤层截然不同,煤层的界面就像小米粒一样处于松散的状态;顶板岩体的界面就像坚硬的实木裂口一样,处于相互嵌合的状态。

综上所述,12081工作面即二1煤层直接顶板,为砂质泥岩和泥岩,岩石抗压强度较高,属易管理顶板。12081工作面即二1煤层底板,为泥岩和砂质泥岩为不易变形中硬度底板,亦易管理。

3 底板比压特性曲线图谱显示

12081工作面底板比压测点分布,如图3所示,在工作面每测区距煤壁1~4m之间建测点,共建16个测点。按照上述计算方法计算每个测点的对应数值,并绘出底板比压特性曲线图谱。

图3中编号:左起第一为数字是指,按照距离槽头的距离排序的序号;第二位数字是指,1代表用采用BPN型内注式静压比压仪测定底板实体煤层的比压,2采用DZD40-A底板比压仪测定底板表层煤层的比压。最后一位数字是与井下记录的联系,没有具体含义。空心曲线代表底板比压。当底板比压仪的底模尺寸大于的油缸内径时,因为折算后的值小,如空心曲线所示。

4 结论

为全面掌握12081工作面支柱与底板的相互作用现状,必须测量和研究12081工作面底板的煤层或岩层抗压入特性,确定容许的底板比压值,以选定单体支柱的底座面积与合理支护密度,增强支护系统的刚度。对指导和加强回采工作面底板管理工作,搞好安全生产有重要意义。

岩体力学论文:如何依据岩体力学理论确定巷道锚杆支护参数

摘 要:浅析巷道围岩松动圈的基本理论、围岩分类与松动圈的测定方法、巷道锚杆支护机理,以及锚杆支护参数的合理选择。

关键词:围岩松动圈;锚杆支护;参数选择;煤矿巷道

一、引言

锚杆支护在煤矿巷道的支护中,是一种应用形式最多的支护方式。应用锚杆支护,关键的一个问题就是如何选择锚杆支护的参数,如何达到既经济合理,又能取得较好的安全支护效果,这才是最根本的目的。运用围岩松动圈理论,以锚杆支护机理为基础,合理选择锚杆支护的参数,能够取得较好的支护效果。

二、围岩松动圈的理论概念

矿井下的岩体,在开挖前是处于原始的应力平衡状态,当开挖后这种平衡状态就会遭到破坏和打破,使得由单向应力状态变为双向应力状态,并且在巷道周围产生了应力集中。而巷道周边变为单向应力状态,其径向应力σr下降为零,切向应力σt集中。当围岩集中应力σt小于岩体强度时,围岩处于弹性变形状态;当围岩集中应力σt大于岩体强度时,围岩就会产生破裂松动,并由巷道周边开始向深部发展。这种破裂松动,深入围岩深部的距离称为围岩松动区的厚度,这个破裂区则称之为围岩松动圈。

三、围岩分类与松动圈的测定方法

围岩松动圈是由围岩应力和围岩强度所决定的,所以各煤矿的地质条件不同,其围岩松动圈的参数也不尽相同。确定围岩松动圈的最好办法,就是进行现场实测。我们可以采用围岩裂隙探测仪,根据声波波速和振幅,从而做出巷道围岩岩体声速振幅变化曲线,就很容易地确定了松动圈的范围。而对于采准巷道来说,测站间隔可达到50m以上,每个测站可设置几条测线,每个测线布置6~8个测孔即可。顶板测孔要垂直顶板层理方向,其它测孔可沿煤层倾斜方向布置。测孔长度,按煤层柱状图来确定,一般为2~3m,其钻孔钻好后用水将孔冲洗干净,并将探头插入钻孔,注水封闭后即可测试(实例见图1、图2)。

在实际操作过程中,可以根据围岩松动圈支护理论,并结合单位实测资料进行围岩详细分类。一般情况下,都将围岩分成三类,即稳定围岩(松动圈LP ≤40cm)、中等稳定围岩(40cm <LP ≤150cm)和不稳定围岩(LP>150cm)。按此分类,制定具体的支护方案与措施。

四、巷道锚杆支护机理

一般在现有的支护条件下,试图采用支护手段来阻止围岩的松动破坏而是不可能的。支护的的主要作用就是限制围岩松动圈形成过程中破碎力所造成的有害变形。锚杆支护要达到较好的支护效果,其布置及参数必须充分考虑到松动圈内岩体的变形及破坏情况。利用锚杆支护的作用,就是通过巷道周边的数根锚杆稳固,使岩体互相挤压,形成一个接近原岩强度的组合承载结构,这样既锚固围岩的表层和防止冒落,又可利用岩体本身强度实现稳定的支护效果。因此,锚杆支护参数的选择,必须适应围岩松动圈岩体的特性,这样才是确定松动圈参数与选择锚杆支护的基本依据。如此施工方能达到应有的效果和作用。

五、锚杆支护参数的合理选择

1、稳定围岩

由于松动圈围岩的自重有限,锚杆将不起较大的作用。因此,对于整体性好、耐风化的围岩可不进行支护,必要时可用单一的喷射混凝土来支护。这种工程实践表明,其混凝土的最大厚度以不超过20cm为宜。在节省材料的同时,也能起到稳定的支护作用。

2、中等稳定围岩

通过现场的理论和实践表明,这时围岩碎胀变形比较明显,其围岩的收敛变形将使巷道岩体表层产生裂缝或破坏,因而必须用锚杆来控制其变形。锚杆锚固端为松动圈以外的岩体,锚固端位于塑性区。所以采用悬吊理论来合理确定锚杆参数,使得锚杆能充分起到拉伸、挤压、加固作用,从而使松动圈内岩体保持稳定状态。

3、不稳定围岩

在岩石松动圈大于1.5m 时,巷道围岩的收敛变形较大,这时支护除要有一定的支护强度外,还应具备一定的可缩性。从现场实践表明,此时可采用锚喷网支护结构,其锚杆参数选择原理与上述相同。如松动圈厚度较大,锚杆过长也安装不易,且承受较大的拉力,锚固效果可能不好。因此,在层状岩层结构下,选择较坚硬的岩层作为锚杆的锚固点,并在巷道表面布置金属网进行喷层处理,这样会取得理想的支护效果。

六、结语

在巷道进行支护时,应根据围岩松动圈理论,并通过测定来确定围岩岩石的稳定性与硬度情况,从而科学合理地确定锚杆及其相应的支护形式。这样,既能在现有的支护投资条件下达到安全支护的目的,又能最大限度地节省支护材料。

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