板裂化模型试样失稳破坏及其裂隙扩展特征的试验研究
摘要：锦屏二级水电站深埋隧洞大量岩爆案例表明板裂化围岩的失稳破坏与岩爆之间具有很强的相关性。采用高强石膏配制满足板裂化围岩结构特征的硬脆性模型试样,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失稳破坏过程、强度与变形特性及其裂纹扩展特征。研究表明,(1)板裂化模型试样失稳破坏过程表现出应变型岩爆的特征,其典型的破坏过程为预制裂隙尖端张拉裂纹的萌生与扩展-试样劈裂成板-岩板屈曲变形-岩板压折、岩片弹射;(2)与完整试样相比,含1条、2条、3条预制裂隙模型试样的峰值强度、弹性模量均呈现稳定下降的趋势,而峰值轴向应变则是先减小后增大;(3)试样预制裂隙尖端张拉裂纹的产生会造成:相邻预制裂隙尖端横向应变值的突变、试样侧向变形量的突增以及侧向变形速率的显著增大;(4)临空面附近的预制裂隙,其尖端产生的张拉裂纹在很短的时间内便会失稳扩展,并造成试样的失稳破坏。最后,分析试样变形破坏过程中的声发射特性。研究结果对于揭示深埋硬岩隧洞板裂化围岩的失稳破坏规律、岩爆的发生机制具有重要意义。水流冲刷过程中的边坡临界滑动场及河岸崩塌问题研究
摘要：针对河岸崩塌问题分析和研究,在考虑江河水位升降引起坡外水压力变化及坡内非稳定渗流基础上,同时考虑水流冲刷引起的河床冲深及河岸后退,提出了水流冲刷过程中的边坡临界滑动场和适用于天然江河崩岸的数值模拟,并对水流冲刷过程中的崩岸问题进行了分析。通过对两类不同土质岸坡的崩岸数值模拟,分析了水流冲刷引起的河床冲深及河岸后退过程中坡体的稳定性变化,探讨了不同土质岸坡的崩岸类型及崩塌模式。结果表明,坡度较陡的黏性岸坡崩塌时趋近于平面破坏且通过坡脚;坡度较缓的粉土岸坡崩塌时沿曲面破坏,且在水位骤降过程中易发生局部崩塌。节理连通率对岩体力学特性影响的细观研究
摘要：采用等效岩体(ERM)技术,将节理和岩块分别用光滑节理模型及颗粒体模型表征,构建含不同节理倾角、连通率的等效岩体模型。结合试验结果,从细观力学角度开展单轴压缩条件下节理连通率对岩体强度、破裂机制、能量演化等力学特征影响的定量研究。研究发现,当节理方向与加载轴向呈一定夹角时,岩体表现出沿岩桥连线方向的贯通破坏趋势,尤其当节理倾角α=30°,连通率L=0.8时,岩体破坏表现出岩桥复合贯通破坏模式。在该类节理倾角(α=30°)条件下,随节理连通率增大,岩体表现出的主要力学特征为:(1)峰值抗压强度呈不断降低趋势;(2)微破裂总数不断下降,但张拉型微破裂所占比例逐渐提高。微裂纹进一步集中在不同层间节理尖端岩桥连线上产生;(3)声发射(AE)事件产生时间在整个加载阶段逐渐分散,声发射事件总数及破裂强度分布范围、均值、标准差等均不断减小;(4)峰值应变能及峰后应变能、动能变化率降低,峰后摩擦能增速放缓,试样破坏所需的外界做功逐渐降低。堆积层滑坡水动力位移耦合预测参数及其评价方法研究
摘要：在系统分析滑坡的物质组成和失稳动因的基础上,分析和研究了地下水在滑坡稳定性演化过程中的卸载与加载动力作用及其位移响应规律和特点。从非线性系统动力学角度,提出了运用地下水卸加载动力与位移响应耦合预测参数来评价边坡稳定性演化规律与失稳特征,即以地下水位变化量作为堆积层滑坡的卸加载动力参数,以相应的位移作为其卸加载响应参数,建立和确定了地下水卸加载动力与位移响应比预测参数与评价模型。同时,运用损伤力学基本原理,建立了其卸加载响应比与坡体损伤变量和稳定性系数的定量关系以及失稳判据。以三峡库区典型堆积层滑坡分析为例,运用地下水动力与位移耦合预测模型对其稳定性进行了分析与评价,发现地下水动力位移耦合预测参数变化与边坡稳定性实际动态演化规律基本吻合。研究成果表明,所确定的参数是水诱发型堆积层滑坡的一种有效位移动力评价参数,可运用该参数对该类滑坡的动态稳定性进行实时监测预警与评价。基于连续-离散耦合的边坡稳定性分析研究
摘要：以河北省某露天铁矿边坡为工程背景,采用连续-离散耦合数值分析方法,对典型边坡断面进行分步开挖,结合强度折减法,计算分析坡体的变形规律和受力特征。连续、离散网格区域分别采用有限差分FLAC和颗粒离散元PFC进行建模,着重从连续-离散模型的数据一致性,剪应变增量的形成、发展与局部位移的关系,连续-离散介质受力与位移过程,离散体细观破裂与坡体塑性变形等方面,对边坡稳定性的耦合分析方法进行研究,从宏观和细观角度对边坡的失稳机制进行了较为全面的探索。结果表明:(1)计算过程中坡体应力和位移在连续域和离散域保持了较高的一致性,连续-离散耦合分析方法适用于边坡稳定性研究;(2)作为边坡失稳判据的剪应变增量变化过程主要受岩土体水平位移控制;(3)细观破裂机制可有效表征边坡的宏观塑性变形;(4)土体颗粒接触力链的方向改变是土体位移和变形的驱动因素。地下工程设计施工手册
去耦合方法求解非均质地区地下水中多组分反应-运移模型
摘要：近些年来地下水中多组分反应-运移模型在地球科学及环境领域开始得到应用,但其求解较为复杂,为了提高计算效率,可以采用去耦合化方法处理,从而使模型求解得到简化。针对自然界中广泛存在的非均质地质体,提出该类条件下的去耦合化方法,即根据水-岩间、水溶组分间反应的不同,将整个研究区划分为若干子区域,获得对应的去耦合化矩阵。对化学场中各子区域间相邻边界进行设定,达到简化模型求解的目的。最后,以一维非均质介质中基于热力学平衡的反应-运移问题作为算例,基于以上方法进行求解,并与该算例经PHAST软件所示的结果较为一致。结果表明,基于去耦合化方法获得的各离子浓度随时间演变和沿空间分布特征与PHAST所示的结果较为一致,显示该方法在非均质区域模拟溶质运移等方面具有较好的适用性。活性MgO碱性激发粒化高炉矿渣固化黏土的抗硫酸盐侵蚀试验研究
摘要：通过系列室内试验,研究了硫酸盐长期浸泡环境下GGBS-Mg O固化黏土的物理和力学性质及微观特征变化规律,并与水泥固化黏土进行对比,揭示了GGBS-Mg O固化黏土抵抗硫酸盐侵蚀的机制。与水泥固化黏土相比,硫酸盐浸泡条件下GGBS-Mg O固化黏土表面完整度较好;质量变化率在浸泡120 d时仅为水泥固化黏土的0.25倍;固化黏土体p H略小于同期水泥固化黏土;浸泡初期GGBS-Mg O固化黏土强度增长达20%,同周期时无侧限抗压强度较水泥固化黏土高15%~80%。X射线衍射试验(XRD)表明,硫酸盐侵蚀下GGBS-Mg O固化黏土中水化硅酸钙(C-S-H凝胶)的峰值高于水泥固化黏土,而钙矾石(AFt)的XRD图谱峰值明显低于水泥固化黏土。电镜扫描试验结果表明,两种固化黏土中钙矾石形态明显不同:钙矾石在水泥固化黏土中以团聚型晶体存在,可具较强膨胀性,而在GGBS-Mg O固化黏土中则以细短形态分布于颗粒间,可有效填充试样孔隙,使其具备良好的抗硫酸盐侵蚀能力。三轴压缩蠕变试验下石英云母片岩各向异性蠕变特性研究
摘要：对石英云母片岩进行三轴压缩蠕变试验,研究丹巴水电站石英云母片岩的三轴蠕变特性及其各向异性特性。按轴向荷载与层理面关系加工成平行组和垂直组2组试件,开展分级加载方式进行不同围压条件下的蠕变试验。试验研究表明,石英云母片岩具有蠕变特性,包括瞬时变形、衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变阶段;采用带Kachanov蠕变损伤律的蠕变模型来描述石英云母片岩的蠕变特性,并进行蠕变参数辨识,拟合结果显示此模型能很好地描述石英云母片岩的蠕变特性;根据试验结果获得2组试件的长期屈服强度、破坏形态、瞬时变形参数和稳定蠕变速率,分析表明石英云母片岩的蠕变力学特性具有明显的各向异性特性。层理面与轴向荷载垂直的试件较层理面与轴向荷载平行的试件的强度、弹性剪切模量、体积模量和黏性系数相对较大,表现出较高的抗变形和抗破坏能力;平行组以剪切破坏为主,垂直组破坏时出现侧向鼓胀现象,显示出延性破坏的特点;2组石英云母片岩试件的瞬时应变量和稳定蠕变速率都随着应力水平的提高而增大。土体直剪力学特性颗粒尺度效应理论与试验研究
摘要：土体是一种颗粒物质,其强度与变形特性具有显著的颗粒尺度效应。根据土体颗粒间的连结性状和微重比,将土颗粒划分为基体颗粒与加强颗粒。构建了反映土体内部材料信息和颗粒特征信息的土体胞元,基于应变梯度理论建立可以描述土体颗粒尺度效应的土体胞元模型。设计一系列饱和重塑土的直接快剪试验以研究土体直剪力学特性的颗粒尺度效应,并定量计算了土体胞元模型的应变梯度和內禀尺度等微细观计算参数。试验结果表明,土体的剪切屈服应力随加强颗粒体积比和平均应变梯度的增加而增加,且与加强颗粒体积比呈近似线性关系,与平均应变梯度呈抛物线关系;加强颗粒粒径对土体的剪切屈服应力影响不明显。土体剪切屈服应力的试验结果与土体胞元模型的预测结果一致。水下圆形隧道注浆加固区渗流特征理论研究
摘要：对于水下隧道开挖后隧道围岩中渗流作用对隧道结构水荷载的影响问题,应用复变函数理论方法,建立了水下隧道加固区渗流模型,研究得出考虑加固区渗透率和加固区厚度参数影响的渗流解析解。研究表明,当围岩加固区渗透能力变小时加固区围岩中的水力梯度将增大,加固区半径增加,加固区内的水力梯度也有所增加,但加固区渗透率大小对水力梯度的影响较加固区范围大小变化的影响大很多。在围岩中渗透力的影响起主要作用;加固区在常规厚度范围内变化对围岩中水力梯度的影响相对很小,厚度只需满足相关要求即可。数值解证明了理论解的合理性。粗粒料多边形表征及二维FEM/DEM分析
摘要：考虑到颗粒形状对粗粒料的力学特性有重大影响,提出了一种新的表征颗粒形状的方法,即在椭圆上随机选取一系列点连接成多边形颗粒,表征狭长扁平的颗粒。新方法较圆上取点的方法能代表更多类型的颗粒形状,适用范围更广。提出了一种新的粗粒料投放算法,即先缩小颗粒,然采用随机算法将缩小的颗粒投放至给定区域,对颗粒划分好网格后,将颗粒放大到原来的大小,然后采用有限元-离散元(FEM/DEM)方法计算稳定后即生成了相应的试样。通过将上述颗粒生成及投放算法与FEM/DEM结合,应用于粗粒料的数值模拟。分析表明,FEM/DEM是研究粗粒料力学性质的较好方法,对复杂的颗粒形状也可简单建模,且因在颗粒内部划分了有限元网格,复杂的接触判断及接触力计算转化为标准统一的三角形和三角形之间的接触判断及接触力计算,所有的计算均可标准化、统一化。同时因为颗粒是可以变形的,依然保留了连续介质力学中应力和应变的概念,无须像PFC那样需通过测量圆来间接表示某点的应力、应变。最后,通过粗粒料的侧限压缩试验的数值模拟,展现了文中提出的一整套解决方案在模拟粗粒料方面的巨大潜力。浸湿对原状Q2黄土微观结构与力学性质的影响研究
摘要：改进了非饱和三轴浸水试验系统,通过调整吸力控制土样的浸湿程度;进行了环境电镜扫描和非饱和三轴压缩试验,研究了浸湿引起的Q2黄土微观结构变化和力学性质变化。微观结构测试表明,Q2黄土集粒间孔隙以引起中等或弱湿陷的中等孔隙为主;围压不变,随着浸湿程度的加深,孔径较大的集粒间孔隙相对含量逐渐减少,而孔径为10~20μm的孔隙相对含量逐渐增大。三轴压缩试验结果显示,不同浸湿程度的Q2黄土应力-应变关系均呈弱软化型,可分为偏应力随轴向应变快速上升、缓慢上升和缓慢下降至平稳3个阶段。分析了浸湿后Q2黄土的力学性质与微观结构特征之间的关系。引入微观结构参数,将微观结构特征与宏观力学性质联系起来,初步建立了考虑微观结构影响的Q2黄土本构模型。超大跨度深埋地下结构围岩压力计算研究
摘要：围岩压力是地下结构设计与施工的重要依据。新建京张城际铁路八达岭车站拟定备选方案之一的单拱超大跨设计方案中,最大的跨度近45 m。对于类似超大跨度的深埋地下结构,传统的围岩压力理论与经验计算方法都存在着明显的局限性,已经不再适用。而结合现场勘查资料和室内外试验成果的数值模拟方法,尽管可以得到相对精确的围岩压力计算结果,但存在着计算过程复杂、计算效率低下的不足。因此,在计算分析了多种传统围岩压力计算方法与数值模拟方法获得的围岩压力所存在差异的基础上,对Q系统的围岩压力公式引入跨度项进行了修正,从而获得了能够快速估算超大跨度深埋地下结构围岩压力的估算方法。最后对不同跨度工程的围岩压力进行估算,并与监测值进行比较,对比结果良好。该方法不仅可以为工程设计人员及现场工作人员提供设计计算依据,还可为相关研究人员提供理论参考。超临界CO2压裂起裂压力模型与参数敏感性研究
摘要：超临界CO2流体具有低黏度、无表面张力的特性,若应用于非常规油气储层压裂可望实现一种无污染的新型无水压裂方法。通过建立流体在井筒内的增压速率模型,得到了考虑超临界CO2流体黏度、压缩性及增压速率的裂缝起裂压力预测模型,并与水力压裂、液态CO2压裂起裂压力进行了对比分析。结果表明,超临界CO2流体的起裂压力比液态CO2流体低20.5%,比常规水力压裂起裂压力低75.5%;超临界CO2流体的黏度、压缩性及增压速率对裂缝起裂压力影响显著。模型与文献中试验数据对比,误差在3%以内,可为超临界CO2压裂起裂压力预测提供指导。基于分数阶微积分的改进西原模型及其参数智能辨识
摘要：传统西原模型难以描述岩石的非线性加速流变特性,根据Riemann-Liouville分数阶微积分理论,采用分数阶黏壶及非线性黏塑性体NVPB(nonlinear viscoplastic body)模型,分别取代传统西原模型黏弹性体中的牛顿黏壶及黏塑性体,提出改进的西原模型,并推导出岩石在恒应力情况下的三维蠕变本构方程。模型采用基于流变阶段分解-粒子群-模拟退火算法相结合的智能算法对已有的试验数据进行反演,结果表明该模型能有效地反映岩石3个阶段的蠕变特征。通过对模型的敏感性分析发现,岩石的非线性渐变过程及加速蠕变阶段的快慢程度分别由分数阶导数的阶次及流变指数控制,传统西原模型是改进西原模型的一种特例。界面倾角对复合层状物理模型材料力学特性的影响研究
摘要：针对我国层状盐岩的地质赋存特征,开展了层状模型材料的三轴压缩试验,探讨了界面倾角对层状交互模型材料试样的应力-应变曲线、压缩强度、弹性模量、峰后应力跌幅和破坏形态的影响,并对不同界面倾角试样的破坏形态进行了理论分析。分析结果表明,(1)三轴峰值强度随界面倾角的增大呈先减小后增大的变化趋势,60°时取得最小值,90°时取得最大值;(2)弹性模量随界面倾角的增大而增大,刚开始随角度增大而增大的趋势很平缓,倾角接近90°时增大趋势明显,0°时取得最小值,90°时取得最大值;(3)随界面倾角增大,峰后应力跌幅先减小后增大,30°最小,90°最大;(4)破坏形态随界面倾角增大依次呈现出共轭剪切(0°)、沿弱面的剪切破坏(30°和60°)和剪切-局部劈裂破坏形态(90°)三种破坏模式;(5)储库腔顶和腔底部位强度较高,但脆性很强,须采取一定措施控制这些部位的变形和位移,腔体30°和60°的腰部部位及附近强度较低,塑性变形能力较强,须对储库形状和运营压力进行精细设计。针对试验结果进行的理论分析,可为进一步分析层状盐岩地层中储库的围岩稳定性和局部破损特性提供一定参考。循环荷载下考虑主应力旋转的软土力学响应研究
摘要：目前用于轨道路堤分析计算的参数多是通过三轴试验获得,而列车荷载经过时土单元应力路径与循环三轴试验加载路径的显著差异可能导致预测失真而引发工程问题。针对某城市轨道进行了三维计算,并分析了移动列车荷载下土单元应力幅值、循环周数、主应力轴旋转的分布规律。在该基础上,采用空心圆柱循环扭剪试验对该复杂应力路径进行了模拟,研究了饱和软黏土的孔压及变形累积特性。结果表明,列车荷载经过时地基土单元大主应力将在(-90°,90°)内发生旋转;该主应力轴旋转将显著促进软黏土孔压和应变的累积,竖向应力幅值为15 k Pa时,循环扭剪试验产生的孔压值比循环三轴试验高77%,累积应变增大了近50%;随着循环应力水平提高,二者累积孔压及累积应变的差值还会进一步增大,甚至出现循环三轴下仅产生较小应变而循环扭剪下已破坏的本质性差异。
