清华大学学报(自然科学版)杂志

清华大学学报(自然科学版)杂志2021年第8期

• 岩石破裂过程中裂隙流体X射线造影试验及应用

  孙欢, 刘晓丽, 王恩志, 张建民, 王思敬, 刘驰

  裂隙流体是水岩系统工程灾变的主要影响因素，直观可视化岩石破坏与裂隙流体的相互作用过程，是揭示不同工程背景条件下水岩互馈灾变机理的关键。该文提出了岩石破裂过程中裂隙流体X射线造影方法，开展了岩溶滑坡、红层边坡失稳及煤矿采空区涌水灾害背景下的岩石材料尺度试验。试验研究结果表明：岩溶管道-裂隙流过渡过程中流态经历了从层流到过渡流或紊流的演化过程，多级应力荷载作用下碳酸盐岩管道流体至裂隙流体的变化过程具有分形演化特征。水动力循环和多级应力荷载作用下红层泥岩损伤因子呈非线性增长，采取控制或降低渗流扩散系数的加固措施可有效治理或调控红层边坡灾害。煤岩破裂过程中裂隙水均方根流量具有分数指数演化规律，裂隙水演化经历了超-扩散流动向亚-扩散流动的变化过程，得出开采扰动作用下煤岩裂隙水的非线性流动和异常扩散现象是诱发采空区突涌水灾害的本质原因。

• 水岩作用下花岗岩裂隙剪切力学特性演化规律

  窦子豪, 赵志宏, 高天阳, 李津津, 杨强

  为研究水岩作用对花岗岩裂隙剪切力学特性的影响，分别对干燥和不同浸水时长条件下的花岗岩裂隙试样进行了室内直剪试验。结果表明：峰值抗剪强度、剪切刚度随浸水时长的增长而减小；峰值剪位移随浸水时长的增长而增大；剪胀效应随浸水时长的增长而减弱；剪切损伤体积随浸水时长的增长而增大。采用三维蓝光扫描仪获得了裂隙面剪切前后的形貌特征，分析了剪切损伤体积随浸水时长的演化规律，提出了考虑浸水时长条件下的粗糙裂隙剪切体积模型。此外，还分别进行了干燥、浸水12个月两种工况下的花岗岩纳米压痕试验。相比干燥试样，浸泡12个月后试样的最大压入深度和塑性变形都明显增大，长时间浸水后花岗岩试样纳米硬度和Young's模量明显降低，即裂隙凸起体更容易破坏。

• 岩石静态与动态断裂韧性的宏细观试验

  满轲, 刘晓丽, 宋志飞, 郭占峰, 柳宗旭, 于云鹤

  基于直切槽半圆盘弯曲（notched semi-circle bend，NSCB）试件及断裂韧性测试方法，分别对北京房山花岗岩样品实施了静态和动态断裂韧性试验，获得了其静态与动态断裂韧度的定量关系，发现在文中采用的中高应变率条件下，动态断裂韧度值为静态断裂韧度值的1.3~2.6倍。采用不同表面形貌刻画技术（SEM、激光共聚焦显微镜、高速摄像机等）对破坏岩样的表面形貌进行观测与表征，获得了岩石表面的三维重构及其粗糙度，其静态和动态断裂都是呈I型裂纹拉伸破坏模式，动态与静态裂纹扩展差异的原因在于应力波在岩样内部界面处的来回反射，诱导微裂纹的萌生、汇合与贯通；裂纹传播过程均经历了加速阶段和减速阶段，裂纹传播速度与其表面三维形貌重构的相对高度变化趋势一致，同样与表面粗糙度变化规律相吻合。岩石静态与动态行为的本质区别是：材料在动态加载时所表现出来的率效应（惯性效应），与材料自身由物理、几何引起的结构效应，此两类效应存在相互抵消、此消彼长的本质属性。

• 双护盾TBM掘进数值仿真及护盾卡机控制因素影响分析

  侯少康, 刘耀儒

  卡机是制约双护盾全断面隧道掘进机（tunnel broing machine，TBM）安全、高效施工的重要工程地质问题。卡机涉及影响因素较多，数值仿真是对各种因素的影响程度进行定量化分析的有效手段。该文提出了考虑双护盾TBM掘进施工过程的数值仿真方法，通过基于内变量热力学的蠕变模型模拟围岩的时效变形特性，并实现围岩与护盾的相互作用的模拟。以某公路隧洞为研究对象，对TBM推进速度和超挖量2个卡机控制因素的影响进行了研究。分析结果表明：增大TBM推进速度，能在一定程度减小接触压力和卡机风险；而超挖量对减小接触压力的作用更为显著，且对于高地应力、软岩条件下的隧洞施工，2种卡机控制措施的收益将更加明显。研究结果可为类似工程的卡机风险分析及TBM推进速度和超挖量等参数的优化设计提供一定的借鉴。

• 适用于非均质岩石破坏模拟的偏心四维弹簧模型

  赵高峰, 乔磊, 张玉良, 孙建华, 陈华

  超大规模非均质模型的生成速度制约着离散数值方法在复杂工程实践中的应用，为了解决超大规模模型非均质岩石的快速建立问题，该文基于四维弹簧模型（four-dimensional lattice spring model，4D-LSM），提出了偏心四维弹簧模型（eccentric 4D-LSM，ECC4D），开展了Poisson比、弹性模量和法向变形量的参数分析研究。通过弹性参数和破坏参数的研究论证了模型的可行性。结果表明：采用质心随机偏移的方式生成了非规则偏心四维模型ECC4D，通过特定算法可以轻松实现大规模计算，既能在一定程度上表征岩石材料的非规则性，也能快速获取任意几何模型。该方法在本地工作站上已经成功实现了超过1亿颗粒的大坝模型计算。

• 低裂隙密度条件下三维裂隙岩体的有效渗透性

  何忱, 姚池, 邵玉龙, 黄帆, 周创兵

  裂隙岩体的渗透性是许多地下工程的重要参数之一。低裂隙密度下岩体渗透性特征与目前广泛研究的高裂隙密度显著不同，并且具有强烈的不确定性。该文首先提出了一种裂隙多孔介质渗流数值方法，该方法建立在等效离散裂隙网络模型之上，采用二维三角形单元网络等效描述三维岩体的孔隙基质和裂隙，推导了等效单元导水系数的解析表达式。该方法自然考虑了裂隙与基质之间的流量交换，且无需添加额外的参数。随后，对不同裂隙密度、不同研究尺度的裂隙岩体渗透性进行了Monte-Carlo模拟。结果表明：裂隙网络是否贯通研究区域对有效渗透性影响巨大；裂隙岩体的有效渗透性在低密度区间内存在独有的尺度效应；将岩体的渗透性依据网络是否贯通分类后，两类渗透性平均值依据样本尺度呈现规律变化，该规律能够用帮组建立不同尺度下岩体有效渗透性之间的关系。

• 基于有限元方法的水力压裂全三维全耦合数值模型及其物理实验验证

  包劲青, 杨晨旭, 许建国, 刘洪霞, 王高成, 张广明, 程威, 周德胜

  以有限元方法为基础，采用2套方程描述水力压裂过程中岩石变形、裂缝扩展、裂缝内流体流动和滤失等关键力学问题。通过同步求解2套耦合有限元方程，建立水力压裂全三维全耦合数值模拟模型。通过数值模型和经典的水力压裂物理实验对比，在流体净压力、裂缝宽度、裂缝长度及裂缝扩展模态等方面数值实验结果和物理实验结果具有良好的一致性。模型得到经典物理实验验证，同时表明裂缝宽度即使在微米级别水力压裂理论中的立方体定律仍然适用。

• 中国锦屏地下实验室开挖隧洞灾变特征与长期原位力学响应分析

  李邵军, 郑民总, 邱士利, 姚志宾, 肖亚勋, 周济芳, 潘鹏志

  深埋高应力隧洞建设过程中潜在岩爆、片帮、塌方等工程灾害。中国锦屏地下实验室二期（CJPL-II）是目前世界上埋深最大的实验室（2 400 m），在隧洞群建设过程中开展了变形、应力、微震等系统的综合原位监测和力学响应数值模拟，该文系统分析了隧洞灾变特征与长期原位力学响应，研究结果表明：隧洞围岩变形以1#实验室和4#实验室北侧边墙较大，最大变形达83.7 mm，岩体锚杆应力最大为530 MPa，开挖完成后3个月，岩体变形趋于稳定；基于岩体声波和钻孔摄像揭示的围岩松弛深度范围总体约为0.8~3.5 m；围岩随开挖内部破裂演化，存在分区现象，强度较高且完整的岩体，破裂区范围较小，强度较低且完整性较差的岩体，破裂区范围较大；各实验室开挖时的微震在完整岩体隧洞和断层附近区域更为活跃，各隧洞强弱顺序依次为：8#、7#、4#、3#、5#、6#、1#、2#、9#，已完成开挖后的各洞室微震活动性逐渐趋于平静；基于CASRock软件分析表明：实验室开挖卸荷后南侧拱肩和边墙应力高、松弛深度较大，是高风险区。研究成果为实验室灾害预警、稳定性评估、动态设计及长期安全运营提供了直接支撑，也将为相似地质条件的高应力深埋隧洞安全建设提供借鉴。

• 深部巷道全空间协同控制技术及应用

  左建平, 孙运江, 文金浩, 吴根水, 于美鲁

  深部巷道支护受地应力和围岩力学特性共同影响，且支护方式多样化。该文系统总结了深部巷道围岩变形破坏的典型特征，提出了深部巷道全空间协同控制技术，其对不同地质条件下深部巷道的支护方式和参数进行针对性优化设计。阐释了全空间协同控制的力学原理：“全空间支护、刚柔协同、让压释能、动态监测、局部加强”，其核心是锚网索全空间协同控制，充分发挥围岩的自承能力。对比分析了不同预紧力条件下单体锚索、传统桁架和全空间桁架预应力场差异。研究表明，全空间桁架的最大预应力能比单体锚索提升了35%~40%。模拟分析知围岩黏聚力、内摩擦角和弹性模量为巷道变形主控因素。现场实践表明，全空间协同控制技术能够有效控制不同埋深巷道围岩变形。

• 西域砾岩边坡破坏机制及稳定分析方法

  王玉杰, 孙平, 李文新, 张强

  针对新疆地区水利工程建设中遇到的西域砾岩边坡的破坏问题，通过现场调研和离散元数值模拟分析，研究了西域砾岩边坡特殊的变形破坏机制和特征。在此基础上，基于力和力矩平衡分析，提出了与其变形破坏机制相适应的稳定分析方法，并分析了不同掏蚀深度与裂缝深度对边坡稳定性的影响。研究结果表明，西域砾岩边坡破坏过程总体呈现“坡脚掏蚀-后缘拉裂-错落式塌落”的特点，可分为坡脚掏蚀、局部塌落、局部塌落加剧与竖直拉裂缝形成、整体塌落4个演化阶段。随着掏蚀深度或后缘拉裂缝深度的增加，边坡的倾倒安全系数也随之降低。

• 地震作用下岩体结构及岩性对高陡岩质边坡动力响应特征的影响

  宋丹青, 黄进, 刘晓丽, 王恩志

  为研究岩体结构及岩性对高陡岩质边坡地震响应特征的影响，该文建立了均质软/硬岩边坡、层状软/硬岩边坡4个数值模型，采用有限元方法进行动力分析。通过分析边坡的动力加速度放大系数（MPGA），研究岩体结构及岩性对坡内波传播特征及其动力放大效应的影响。研究结果表明：岩体结构及岩性对坡内的波传播特征具有影响，软弱夹层使波在地震坡内出现了局部放大效应；相同条件下软岩边坡的动力放大效应大于硬岩边坡，与岩体结构相比岩性对边坡动力响应影响更显著，与均质边坡相比岩性对层状边坡的地震放大效应影响更大，均质软岩与均质硬岩边坡的MPGA比值小于层状软岩与层状硬岩边坡的MPGA比值；软硬岩边坡均表现出一定的高程及趋表放大效应，与均质边坡相比层状边坡的高程放大效应具有明显的非线性变化特征；软弱夹层对边坡的动力放大效应具有影响，层状边坡的动力放大效应大于均质边坡。