深埋隧洞板裂化围岩预应力锚杆锚固效应试验研究及机制分析
摘要：采用高强石膏配制板裂化模型试样,选用铝棒制作预应力锚杆模型,通过一侧约束条件下的单轴压缩试验,研究板裂化模型试样的预应力锚杆锚固效应。试验结果表明:加锚试样的峰值强度、残余强度及弹性模量均有不同程度的提高,试样峰后侧向变形显著减小,且随着预应力值的增大效果更为显著;与无锚试件岩板压折、岩片弹射的失稳破坏现象相比,加锚试件保持了较好的完整性,局部发生岩板断裂、脱落现象;试样变形破坏过程中,锚杆轴向应力变化分为线性缓慢上升期、非线性增长期和急剧上升期3个阶段,锚杆轴向应力的变化规律反映了其自身工作机制及板裂化模型试样变形特征。分析锚固机制认为,预应力锚杆的施加不仅有效降低了预制裂隙尖端拉应力集中程度,体现出抑制裂隙扩展的止裂作用,而且将试样劈裂形成的岩板加固为整体,有效抑制了岩板向临空面的屈曲变形,进而提高了试样的临界失稳荷载值。最后,基于试验结果的认识,提出针对板裂化围岩的"及时支护、区域控制及重点加固"的锚喷支护控制策略。页岩储层Ⅰ型和Ⅱ型断裂韧性评价方法研究
摘要：岩石断裂韧性对于定量评价页岩储层可压裂性具有重要意义。基于此,根据直缝切槽巴西圆盘实验(SNBD),测定了14块龙马溪组储层页岩的Ⅰ型(张开型)、Ⅱ型(划开型)断裂韧性。并利用上述实验结果,结合岩心所处深度处的测井数据,选择密度、声波时差、GR测井数据回归了页岩的断裂韧性。与前人基于抗拉强度建立的断裂韧性预测模型相比,建立断裂韧性与地球物理测井数据的直接联系。由预测模型可以看出,富有机质页岩Ⅰ型和Ⅱ型断裂韧性均与岩石密度、声波时差成正比,与页岩泥质含量成反比。即页岩中有机质(TOC)含量或黏土矿物越多,页岩断裂韧性越小,页岩起裂后越容易向前延伸。结果表明,计算断裂韧性与实测断裂韧性相关性较好。模型的建立可以为工程设计过程中找出"甜点"提供重要理论依据。油页岩热物理特性试验与高温热破裂数值模拟研究
摘要：利用热膨胀仪和导热分析仪测试抚顺油页岩垂直层理和平行层理热膨胀系数和导热系数,利用试验结果,在正交各向异性、物理场单向耦合条件下进行油页岩热破裂数值试验。研究结果表明:油页岩正交方向热膨胀性能及导热性能存在各向异性。25℃时,垂直层理热膨胀系数为平行层理的1.69倍,而平行层理导热系数为垂直层理的1.83倍。随着温度升高,热膨胀系数起伏变化,导热系数呈线性规律降低。沿不同层理倾角压裂时,裂纹尖端应力强度因子KI值不同,沿水平层理压裂时KI值最大。提出导热局部效应概念,在油页岩导热系数较低但过热面积开阔的方向上可以获得比在导热系数高而过热面积狭小的方向上更高的升温速率,这一效应对裂缝面附近各点的温度变化规律有影响。研究结果对发展油页岩原位热解开采技术具有一定意义。岩体冻融疲劳损伤模型与评价指标研究
摘要：岩体冻融损伤模型与评价是研究岩体经历冻胀力萌生、发展与消散反复作用后物理力学性质劣化的主要内容,现有对岩体冻融循环后的损伤评价指标主要有孔隙率、纵波波速、静动弹性模量等物理参数。冻胀力对于岩体可等效为三轴拉伸应力,首先基于三向等效拉应力建立岩体冻融疲劳损伤模型,该冻融损伤演化方程与单轴循环拉应力下的疲劳损伤方程虽然具有同样的形式,但物理意义不同。基于动弹性模量的定义,以孔隙率和纵波波速为参变量推导出了统一的损伤变量表达形式,该损伤变量不仅考虑了双物理参数的影响,还能对不同冻融循环次数下岩石的单轴抗压强度进行较好预测,可作为岩体冻融损伤的评价指标。定义动弹性模量损失40%为岩石冻融破坏临界值,利用该临界值可避免通过试验确定最大冻融循环次数,进而结合统一损伤变量对冻融疲劳损伤演化方程进行求解,最后通过2个实例说明该冻融疲劳损伤模型与评价方法的正确性和实用性。岩石微焦CT扫描的三轴仪及其初步应用
摘要：为了观察和度量岩石空隙结构随应力的变化,研制一种能和微焦X射线CT系统配套使用的三轴仪,该设备轻便,能够施加三轴压力,并在不卸载压力情况下对试样进行CT扫描和渗透系数的测量,且能够实时记录压力和变形等数据。利用研制的CT三轴仪得到了Berea砂岩在加载过程中的一系列CT图像,结合3DMA空隙结构计算方法,获得Berea砂岩在不同应力状态下的有效孔隙半径分布、有效喉道半径分布以及弯曲度分布等定量细观几何特征。同时采用瞬态脉冲法测量Berea砂岩不同方向的渗透率随有效围压的变化规律。结合围压对细观空隙结构参数的影响,认为细观空隙结构的变化是导致渗透发生改变的根本原因,当有效围压从0增至15 MPa时,半径40~100μm的孔隙数量减少、孔喉半径减小以及Z方向的迂曲度增加,是导致Berea砂岩渗透率随有效围压增大而降低的主要原因。城市地下空间开发利用前沿论坛
上提工作面支架围岩关系及其对矿压显现的影响
摘要：针对淮南矿区提高回采上限工作面易于发生压架事故,采用理论分析和现场实测对上提工作面特殊的覆岩结构及其压架机制进行研究。建立不同覆岩结构围岩–支架力学模型,推导出上覆基岩及松散层作用在关键层上的载荷,确定了支架临界工作阻力,并提出相应的工作面压架防治措施。研究结果表明:以直接顶充填系数、覆岩关键层结构、基岩面表土层水文地质结构为判据,可将上提工作面覆岩结构分成4大类6种。单一关键层结构上提面压架危险性要比多层关键层结构高。对于单一关键层结构,当工作面临近松散承压含水层时,关键层距离含水层越近,水压越大,则作用在关键层上的载荷越大,关键层"砌体梁"结构越容易发生滑落失稳;当基岩面为厚黏土层时,采动影响下黏土层内部形成自然平衡拱结构,在"拱"结构保护下,"砌体梁"不易发生滑落失稳。碎石泥土混合体介电常数研究及隧洞软弱带FDTD正演
摘要：基于地质雷达方法对深长引水隧洞施工过程中出现的软弱带进行地质超前预报。以软弱带碎石泥土的混合介电常数为研究对象,研究碎石泥土混合体的相对介电常数值及变化趋势,推导含水率与混合介电常数经验公式及关系曲线;通过对2种软弱带的空间分布情形进行FDTD(finite difference time domain)正演,分析其典型成像规律及特征,从而达到以实测数据推算软弱带的空间位置的目的。分析结果为:碎石及泥土混合体的各成分体积比对其混合介电常数影响较大,混合体的水体对电磁波的反射特征明显并更容易形成多次波;通过建立FDTD模型正演对比隧洞内实测数据排除多次波干扰,修正地层含水率取值并建立地层三维切片图,可直观体现地层含水分布位置,从而对类似地质预报工作提供方法和指导。定制雷管微差时间实测与识别法在城市隧道爆破设计中的应用
摘要：微差爆破间隔时间的确定,对高安全性振速指标下的城市复杂环境隧道爆破设计具有重要作用。以重庆渝中连接隧道爆破工程为背景,在采用多段定制非电雷管条件下,研究根据爆前、爆后实测雷管延迟时间进行精确爆破设计的方法,用非电雷管实现逐孔掏槽爆破以满足严苛低振速控制要求。比较Hilbert-Huang变换(HHT)理论中用于雷管延迟识别的瞬时能量法与EMD识别法的识别能力,发现EMD识别法识别率为66%~90%,比瞬时能量法高1/3以上。爆后用EMD识别法辨别的延迟时间证明实际爆破微差间隔在爆前样本雷管起爆精度范围之内。为准确控制爆破振动,以识别雷管实际延迟时间和振动波形图为依据调整了爆破参数。现场振动监测数据表明:采用多段位定制非电雷管缓解了雷管段别不足的矛盾,根据实测结合EMD识别法识别获得雷管延迟特性进行爆破设计对于严苛振速控制是可行的,在全程爆破振速不超0.8 cm/s条件下进尺1.8 m,通过2次爆破完成上台阶掘进。这一方法对今后城市密集建筑群下浅埋隧道爆破安全施工具有一定的参考价值。基于浆液黏度时空变化的水平裂隙岩体注浆扩散机制
摘要：速凝类浆液的双液混合注浆方式及其黏度时变特性导致浆液扩散区内黏度空间分布不均匀。基于此,认为速凝类浆液流型为具有黏度时变性的宾汉流体,研究其在静水条件下水平裂隙中的注浆扩散过程,建立恒定注浆速率条件下考虑浆液黏度时空变化的水平裂隙注浆扩散理论模型,推导浆液扩散区内的黏度及压力时空分布方程,进而得到注浆压力与注浆时间及浆液扩散半径的关系。通过与不考虑黏度空间不均匀性所得结果进行比较,说明考虑黏度空间不均匀的必要性。通过在数值计算模型中预定义黏度空间分布函数,实现了考虑黏度空间分布不均匀性的裂隙注浆数值模拟。通过理论分析、数值模拟与试验结果三者的对比,验证理论分析及数值模拟的合理性,以期为实际注浆工程中注浆参数的确定提供一定借鉴。隧道衬砌裂缝特征提取方法研究
摘要：衬砌裂缝图像的分割和信息提取是裂缝自动检测系统中的重点。在采集图片大量试验的基础上对裂缝信息采集流程进行优化。其中,针对衬砌图像分割,提出结合prewitt算子和Otsu阈值的梯度类间阈值法,并用数学形态学对图片进行进一步优化,从而得到裂缝区域完整而杂质区域较少的二值图像;针对裂缝特征提取,通过对试验图片集合特征的分析确定描绘子为面积、周长、集中度、外接矩形长宽比、外接矩形占有率以及平均宽度。应用实例表明,梯度类间阈值法能够更好地实现对图像的分割,较常用的Otsu法更能适应复杂背景的裂缝图片。通过对优化图像的不同区域进行描绘特征提取统计,可形成具有一定代表性的图片库,为实现裂缝自动识别奠定基础。基于能量耗散修正的Boom clay上下加载面模型及其数值实施
摘要：针对剑桥模型不适用于超固结土和结构性土的局限性,引入上下加载面模型以描述Boom clay的结构性;基于Boom clay的屈服面的特点,通过修改能量耗散函数对上下加载面的形状进行了修正,构造一个更好地反映其特性的弹塑性模型;以有限元程序ABAQUS的UMAT子程序接口为平台,采用隐式积分算法——最近点映射法(closest point projection method,CPPM)实现了模型的二次开发;最后利用该模型对不同围压下的Boom clay不排水三轴试验进行了模拟,并将该模型的计算结果与修正剑桥模型的计算结果以及试验实测结果进行比较,结果表明,该模型能较好地反映Boom clay在剪切过程中的结构性演化,且在一定程度上纠正了常规上下加载面模型高估重超固结土峰值强度而低估正常固结土和轻超固结土峰值强度的问题。不同温度及应力状态下北山花岗岩蠕变特征研究
摘要：基于不同温度及应力状态下的蠕变特性试验,结合三维声发射实时监测信息,开展北山花岗岩的蠕变变形特性以及加载条件(温度、围压和应力状态)对其蠕变破坏过程的影响研究。试验结果表明,北山花岗岩的蠕变破坏包括初始蠕变阶段(瞬态蠕变)、稳定蠕变阶段和加速蠕变阶段3个阶段,在加速蠕变过程中裂纹迅速扩展和积聚是导致岩石最终破坏的主要原因。蠕变试验过程中,声发射累计数和岩石蠕变体积应变的演化趋势整体上具有一致性,但声发射信号对岩石变形破坏的敏感性更强。对试验数据综合对比分析显示,花岗岩蠕变破坏变形受围压的影响显著,围压越高,岩石蠕变破坏前所能承受的变形越大。温度和应力水平对蠕变破坏变形影响并不明显,但可以对蠕变速率造成影响,进而改变岩石的蠕变破坏时间。根据试验结果,在围压2,10,30 MPa条件下,北山花岗岩的蠕变破坏轴向应变平均值分别为0.34%,0.54%和0.71%。高低承台桩基地震行为差异研究
摘要：对于采用桩基的各类结构,按承台埋没于地基土体与否,可区分之高、低承台桩基形式。在许多实际工程中,因回填土或欠固结土地基的继续沉降,或因土体流变或场地震陷等后沉降效应,均可致使承台与土体接触解除,即先前按设计采用的低承台桩基可能转为高承台形式。在静力条件下,这将导致桩身产生负摩阻力而降低其部分竖向承载能力;然而,在地震作用下,通过开展离心机地震模型试验和ABAQUS计算分析发现:当承台与地基土体脱离时,桩基最大弯矩设计值将会增大,且弯矩有效深度也将变深;并且,基础(承台)周期明显延长,充分表明高、低承台桩基形式地震行为差异迥然,高承台桩基形式较之相应低承台情况更为不利,在抗震设计时应充分予以认识、考虑。主应力轴旋转条件下软黏土的非共轴研究
摘要：采用空心圆柱扭剪仪对杭州软黏土进行一系列不排水试验,首先求得软黏土的弹性参数,在此基础上研究主应力轴旋转条件下土体的非共轴特性,并探讨中主应力系数、弹性应变、偏应力水平和次生各向异性对非共轴特性的影响。试验结果表明软黏土的非共轴特性虽与砂土存在相似之处却又不尽相同。主应力轴旋转条件下,无论原状黏土还是重塑黏土,其非共轴角均随主应力方向角增加而循环波动变化,且周期约为90°;非共轴角基本随中主应力系数的增加而减小;弹性应变对加载起始时刻的非共轴角影响较大,如果忽略弹性应变的影响,将高估土体的非共轴特性;偏应力水平对非共轴角的大小和发展趋势均存在一定的影响,且偏应力水平越大,非共轴角越小。重塑土的试验表明,软黏土的非共轴特性并不完全由土体的初始各向异性所决定,次生各向异性的影响也很大。考虑地基土剪切模量非线性分布的基桩受扭分析
摘要：为了探讨非均质单层地基中单桩受扭承载特性,基于平衡原理和剪切位移法,考虑地基土剪切模量在地面处为非零值且随深度呈幂函数分布模式,以及桩侧极限摩阻力沿深度非线性变化,建立纯受扭桩桩身与桩周土的扭转控制方程,进而推导出桩周土分别处于弹性、部分塑性及完全塑性受力状态时桩身的扭矩–扭转角解析解。由此进行的参数分析表明:剪切模量地面处非零因子ɑg的取值将影响桩身扭矩的传递效率,且桩顶刚度随桩周土塑性区深度的开展呈递减变化,当桩周土塑性区开展深度距离桩顶达0.3倍桩长时,桩顶刚度降低60%,即近地面土层的塑性破坏对桩顶刚度的降低起主导作用,工程实际中加固桩周地表土层可有效提高基桩抗扭性能。隧道–土体–地表结构相互作用体系地震响应影响因素分析
摘要：为探讨地下结构近距离穿越地表结构时二者之间地震响应的相互影响规律,建立隧道–土体–地表框架结构相互作用体系计算模型,系统研究对该体系地震响应影响显著的参数,具体包括:隧道的直径和埋深、土体的分层特性、框架结构的高宽比及其与隧道圆心的间距、输入地震波特性等。计算分析表明:(1)隧道对体系自振特性影响并不显著,但地表框架结构则显著改变了体系的频率特征;(2)隧道对地表框架结构地震响应的影响主要与隧道的半径相关,较大的隧道半径可阻隔地震波的传播,从而起到一定的减震功能;(3)由于考虑的框架结构质量相对较轻,地表框架结构对隧道地震响应的影响不显著;(4)由于地震波频谱成分及结构自身频率的影响,不同地震波对体系地震响应的影响十分显著;(5)土的分层特性改变了土体的刚度,因而也影响了体系的地震响应。研究成果可为初步定性确定地下结构与临近地表结构地震响应的相互影响提供参考。静动应力下正常固结黏土循环特性研究
摘要：利用动三轴仪对天津正常固结饱和黏土进行循环剪切试验,重点研究静偏应力与动应力组合作用下土体动变形、动弹性模量及动孔压的变化规律。结果表明静偏应力对黏土循环特性影响显著。静偏应力为0时,土体产生拉应变,其随动应力增加不断增大,量级为10-3。静偏应力大于0时,土体产生压应变,此时若动静应力比小于1,压应变随动应力增加不断增大;若动静应力比大于1,压应变不断减小。相同静偏应力下,动弹性模量随动应力增加不断减小;相同动应力下,动弹性模量随静偏应力增加不断减小,且土体更易发生应变软化。静偏应力为0或为拉时,动孔压在-1~1 kPa范围波动。
