泥岩卸荷损伤-水次序作用下的劣化规律研究

工程开挖建设导致软岩形成卸荷损伤,其在水-岩作用下的劣化特征与卸荷损伤程度密切相关。以巴东地区红层泥岩为研究对象,设计进行了泥岩卸荷损伤模拟试验,随后对卸荷损伤泥岩试样进行水-岩作用试验,结果显示:卸荷损伤导致泥岩局部矿物颗粒形态破坏、微裂缝发育,在后续水-岩作用下颗粒间胶结程度持续弱化,孔隙、裂缝进一步扩展。宏细观参数随水-岩作用时间的增长,其中质量m呈现先上升后骤然下降再趋于稳定的趋势,纵波波速P呈现先减少后上升的趋势,体积应变εv呈现逐渐增大的趋势,分形维数K呈逐渐增长的趋势;且各参数的增长速率均随卸荷损伤程度D的增大呈幂函数增加,当D≥0.49时,各参数的增长速率急剧增大;确定以质量、纵波波速、体积应变和分形维数作为与水反应系统的变量,并运用非线性动力学理论建立了水-岩作用下的泥岩劣化模型,并验证了模型的合理性。研究结果表明所建模型能表征卸荷损伤泥岩在水-岩作用下的宏细观特征参数变化趋势提供一定理论参考。

微膨胀泥岩地基原位水分入渗响应特征试验研究

红层泥岩的膨胀性和水敏性对地区公路、高铁的建设和工后变形控制构成了长期潜在威胁。为此,依托甘肃兰州一红层泥岩路堑段,开展了微膨胀泥岩地基原位水分入渗响应特征试验,分析泥岩地基膨胀变形量、膨胀力和体积含水率时空演化规律,并讨论了室内试验和原位试验的差异性。研究结果表明:红层泥岩地基水分入渗形式包括裂隙流和孔隙流,水分场具有明显的时空分布不均匀性,岩体裂隙对渗流、膨胀具有促进作用。入渗过程中泥岩吸水膨胀具有显著的时效性,原位地基膨胀量和膨胀力均经历骤增、减速增长和缓慢增长阶段,并未能达到收敛,浸润峰后泥岩表面逐渐软化甚至泥化,会导致地基承载力下降。室内试验对原位泥岩的水分入渗响应特征反映有限。

基于变分模态分解的采空区“三带”微震信号能量衰减规律

为探明微震信号能量在采空区“三带”结构中的衰减规律,拟开展采空区覆岩相似模型试验,采集人工激发微震波经由采空区结构传播的微震信号,通过变分模态分解(variational mode decomposition,VMD)处理微震信号,获取各频率下模态分量。针对采空区微震信号在VMD下各模态分量中心频率与能量之间的关系展开分析。根据中心频率法确定微震信号最佳模态数量,并计算微震信号欠分解状态、最佳分解状态、过分解状态下各分量能量;对各震源下信号最佳分解状态时各模态分量能量与中心频率分布关系进行拟合,分析在“三带”结构中,微震信号不同传播状态下各结构层对信号能量影响作用。研究结果表明:(1)在VMD过程中,人工激发震动信号有效模态数量在6~11范围内,微震信号能量随模态数量变化明显。(2)采用幂函数可实现对微震信号模态能量与频率关系的拟合,且拟合状态良好(决定系数大于0.9),其中低频模态分量包含能量占信号总能量近50%;采用高斯函数可以拟合震源各分量能量在频域上的分布表现,拟合状态较好,且表现出高斯单峰特征。(3)微震信号穿越采空区“三带”结构,微震信号能量随震源位置与传感器距离增加而减小,同时信号能量随震源位置到达传感器穿越岩层数量增加而减小,信号能量在经由垮落带时,能量变化明显,相较于裂隙带和弯曲下沉带,垮落带对信号能量衰减作用明显。

含水率对红层泥岩填料刚度劣化特性及微观结构影响研究

为研究含水率对红层泥岩填料刚度劣化规律和微观结构的影响,开展了不同含水率下三轴不排水剪切试验、压汞试验和扫描电镜试验,基于能量守恒定律推导了填料刚度劣化与弹塑性应变能增量间的关系。结果表明:填料黏聚力随含水率增加而降低,内摩擦角则随含水率增加先增加后降低。填料结构损伤由应变能转化引起,从宏观上表现为刚度劣化。归一化刚度比值随塑性应变能增量占比增加而线性降低,随应力发展呈非线性衰减。以最优含水率为界,当试样在干侧时,填料有较好的荷载抵抗能力;湿侧填料荷载抵抗能力远低于干侧。损伤应力等值线与等含水率线构成上下界为对数曲线的状态面。填料孔隙分布在干侧为单峰形态,粒间接触较为紧密,结构稳定性好。在湿侧呈双峰结构,团聚体排列定向性程度较低。填料应在干侧压实填筑,推荐采用5%~7%作为填筑目标含水率。

裂隙花岗岩非线性蠕变本构模型及参数分析

裂隙花岗岩的蠕变特性对高放废物地质处置库的长期稳定性和安全性至关重要。本文基于裂隙花岗岩在不同应力条件下的蠕变试验结果,结合蠕变过程中应力产生的损伤累积的影响,提出一种考虑损伤的弹黏塑性体。通过将经典Burgers模型的黏性元件替换为分数阶黏弹性元件,将黏弹性体替换为考虑损伤的弹黏塑性体的方法,构建了裂隙花岗岩非线性蠕变本构模型,并推导出模型在3维应力状态下的本构方程。通过对倾角30°及45°单裂隙花岗岩在不同应力条件下蠕变试验数据的拟合分析,确定了模型参数,验证了模型的适用性和合理性,获得了各模型参数随应力水平的变化规律。通过模型参数的敏感性分析,揭示了分数阶导数、损伤参数,以及应力水平对裂隙花岗岩蠕变应变的影响规律,并验证了裂隙花岗岩非线性蠕变本构模型在特殊条件下可退化为经典Burgers模型。研究表明,本文提出的裂隙花岗岩非线性蠕变本构模型能够准确地描述裂隙花岗岩蠕变破坏全过程的3个阶段,尤其是加速蠕变阶段应变随时间非线性增长的过程。

基于P波到时拾取的分析法与遗传算法联合定位方法与应用

针对岩石力学震源定位问题,提出了一种在P波到时精确拾取的基础上通过分析法过滤异常到达传感器和遗传算法(genetic algorithms,简称GA)求解联合定位方法,并将其应用于岩石材料的破裂面定位以及采矿工程中。为了消除传感器到时精度、传统迭代法及迭代初值选择对定位的影响,基于时频分析的改进长短时窗(short-term average/long-term average,简称STA/LTA)法拾取P波到时,求解不同传感器组合分析解的逻辑概率密度函数过滤异常到达,引入遗传算法对到达清晰的震源进行定位。通过断铅、含夹层组合煤岩单轴压缩试验及定点爆破试验对该方法进行验证。结果表明:在对信号预先带通滤波后进行变分模态分解(variational mode decomposition,简称VMD)精确滤波的基础上结合改进STA/LTA法可以大幅提升到时拾取精度;通过分析法过滤异常到达对定位精度的影响,结合具有全局性、不受初值影响的遗传算法对震源定位,应用于岩石材料试验以及采矿工程中可以较准确的对震源进行定位,该方法较传统迭代法、线性定位法等更具有工程实际应用价值。

高应变率冲击荷载下节理花岗岩损伤机制研究

针对冲击荷载作用下贯通节理花岗岩动力响应特征和能量演化规律这一研究目标,以含不同倾角节理花岗岩为研究对象,基于不同倾角节理岩体损伤力学理论模型,开展了高应变率下不同节理倾角花岗岩的分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,简称SHPB)冲击试验,完成了高应变率下花岗岩的损伤特征研究,获取了岩体动态力学性质和能量耗散特征。研究结果表明:(1)基于Druck-Prager准则和Weibull强度分布准则,结合弹性波理论,建立了不同倾角节理岩体的应力-应变理论模型,该模型能够较好地反映花岗岩的抗压强度、弹性模量随节理倾角变化的动态力学特性,具有较强的倾角效应;(2)相同冲击荷载下,随节理倾角的增大,能量反射系数呈线性上升趋势,能量传递系数呈线性下降趋势,岩样的峰值应力逐渐而减小;相同节理倾角下,随冲击荷载增大,能量反射系数先增大后减小,能量传递系数先减小再增大,能量吸收率随节理倾角的增大而减小;(3)当冲击荷载相同时,完整岩样、节理倾角θ=0°和θ=15°岩样的破碎程度较大,而节理倾角θ=30°和θ=45°岩样的破碎程度较小;当节理倾角相同时,随冲击荷载增大,超过岩样最大抗压强度时,岩样由剪切和拉伸破坏逐渐转化成压碎破坏,且破碎程度也随之增大。

在役岩溶隧道衬砌水压分布及预警控制标准研究

随着强降雨天气的频发,在役岩溶隧道衬砌开裂、渗漏水及失稳破坏事故日益增多。地表降雨补给下衬砌背后积聚高水压力是岩溶隧道发生水压灾害的主要原因,对在役岩溶隧道开展监测预警是避免灾害发生的重要手段。以郑万线岩溶隧道为依托,开展了相似模型试验及渗流数值模拟,研究了不同岩溶形态下衬砌背后水压分布规律及衬砌隆起位移,制定了岩溶隧道运营监测预警控制标准。结果表明:当地表降雨补给超过隧道排水能力时,衬砌背后将形成“地表补给+洞内排水”的动水压力,仰拱底部极易积聚高水压力;地层中存在岩溶管腔和溶蚀裂隙带时,地表降雨将会导致衬砌水压局部增高,衬砌承受偏压荷载,并使仰拱受力进一步劣化;以隧道仰拱中心水压力和隆起位移作为控制基准,将岩溶隧道运营监测预警等级划分正常运营、临时补修、限速整治和封闭整治。研究成果可为岩溶隧道的结构设计优化及监测预警提供借鉴。

岩石节理接触特征尺寸效应的数值试验研究

为探究岩石节理接触特征尺寸效应,采用自仿射分形方法构建系列尺寸数值模型,利用离散弹塑性计算方法求解闭合变形,定量分析节理接触特征尺寸效应规律,并探究不同岩性和粗糙度对其尺寸效应的影响差异。自仿射分形方法构建的岩石节理其粗糙程度随尺寸增加逐渐变小,接触面积比和组合形貌微凸体参数之间具有关联,接触面积比的尺寸效应可归因于组合形貌微凸体参数ηR的尺寸变化。岩石节理尺寸越大,闭合变形引起的塑性部分占比越多。塑性变形对接触面积比尺寸效应具有弱化作用,对闭合变形尺寸效应具有强化作用,硬岩节理的接触特征尺寸效应强于软岩节理,其接触特征代表性长度也更大。岩石节理的粗糙度对其闭合变形和接触面积比的尺寸效应具有相反的效果。

斜入射情形场地基本周期的计算

场地基本周期是场地效应模型的重要变量,是场地分类的重要指标。已有基本周期的计算假定基岩地震波为垂直入射,常用方法包括利用垂直入射情形下场地内SH波竖向一维传播模型建立的模拟与经验方法,其中逐层单自由度法这一经验方法因计算简易、结果与模拟方法相当而被日本抗震设计规范所采纳。然而垂直入射假定大多与实际不符,为此给出可考虑基岩地震波斜入射的场地基本周期计算方法。首先利用Snell定律将基岩斜入射地震波作用下场地内的SH波二维传播表征为一维竖向视传播建立了斜入射情形场地内SH波传播模型。其次利用这一模型给出了斜入射情形基本周期计算的模拟和修正逐层单自由度法并应用于KiK-net台站场地,结果表明基本周期随入射角的增加而变小,就统计所得平均入射角57°而言,基本周期将缩减11%;修正逐层单自由度法可准确考虑斜入射的影响且计算简易度和原方法相当。最后,讨论了基岩面选取对基本周期计算的影响,结果表明,若依据土体首次达到给定剪切波速以确定基岩面,当剪切波速大于700m/s时,不同基岩面所对应的基本周期具有高度线性相关性。

不同控制方式和卸荷应力路径下类岩石节理剪切强度特征研究

为研究不同控制方式和卸荷应力路径下岩石节理失稳剪切强度特征,借助RDS-200型岩石节理剪切试验系统开展了2种控制方式和3种卸荷应力路径下的类岩石节理直剪试验。结果表明:(1)采用应力控制方式进行切向加卸载时,各剪切加卸载路径下,节理剪切应力-时间曲线多存在失稳跌落现象,剪切应力-位移曲线失稳后多表现为折线形式。(2)与采用应力控制方式进行切向加载的试样结果相比,采用位移控制方式进行切向加载、采用应力控制方式进行法向卸载并保持剪切应力恒定、采用应力控制方式进行法向卸载和切向加载、采用应力控制方式同时进行法向和切向卸载的试样失稳剪切强度均有所降低;节理黏聚力减小百分比平均值为36.07%,而内摩擦角变化范围仅在4.12%以内,所以黏聚力降低是节理失稳剪切强度降低的主要原因。(3)以采用应力控制方式进行切向加载试样的拟合摩尔-库仑公式为基准,位移控制方式或其他采用应力控制方式的加卸载应力路径下试样失稳剪切强度的相对误差平均值最大可达55.78%。经引入黏聚力修正系数k对摩尔-库仑准则进行修正后,相对误差平均值的最大值减小到5.23%,说明对经受位移控制方式或采用应力控制方式的其他加卸载应力路径的工程节理来说,进行黏聚力的折减修正是必要和可行的。研究结果对不同控制方式及卸荷应力路径下岩体节理剪切承载能力的准确估计具有一定参考价值。

基于静力推覆试验的4车道公路隧道围岩压力计算模型研究

以典型4车道公路隧道为原型,开展缩尺模型的静力推覆试验,重点关注地层位移、地层裂缝、围岩压力随推覆位移的发展规律,并与2车道隧道的试验结果展开对比。试验结果表明:(1)地层以起拱线为界发生相反方向位移进而产生裂缝,因此计算模型中起裂点位置应由边墙底部修正为起拱线处。(2)地层在推覆作用下沿隧道环向平顺滑移且大角度偏转倾斜,因此计算模型中潜在滑移面应由恒定竖直修正为线性倾斜。在此基础上,探讨了围岩压力计算模型假定在4车道隧道中的适用性,提出适用于4车道公路隧道的围岩压力修正计算模型。研究成果可为4车道公路隧道的抗震计算/验算提供试验依据与技术支撑,为围岩压力计算模型的进一步完善提供参考。

基于矿物溶解理论的砂岩化学损伤动态模型

酸腐蚀环境下岩石物理力学性质的劣化本质上由岩石矿物的溶解引发的孔隙微裂隙的扩展贯通所致。为研究酸性环境下砂岩矿物的溶解特性,选择pH=1、3的盐酸溶液为腐蚀环境,借助X射线衍射试验鉴定砂岩矿物成分及含量,测试不同浸泡周期下溶液的pH值、阳离子浓度、岩样的质量及其纵波波速,并通过矿物溶解理论与化学动力学原理,建立反映整个腐蚀过程的砂岩化学损伤动态模型。研究结果表明:酸性环境下砂岩的损伤主要由长石和方解石的溶解所致,矿物溶解反应分为界面吸附、界面交换、解吸附三个步骤,且步骤最慢者对整个反应起控制作用。矿物溶解速率与H+浓度的n次幂成正比,且0<n≤1,其数值与矿物自身特性和溶液pH值有关。酸-岩反应具有较强的时间依赖性,其速率随腐蚀时间的延长逐渐减小而后趋于稳定,且溶液pH值越小,腐蚀时间越长,砂岩劣化越严重。pH=1、3的盐酸溶液作用下,通过化学损伤模型得到的砂岩孔隙度与通过纵波波速得到的孔隙度随腐蚀时间的变化规律具有较好的一致性,验证了模型的有效性与合理性。研究结果可为酸化学环境下岩体工程的安全性评估与灾害防治提供理论参考。

饱水、干燥砂岩损伤破坏声、热异常信号及敏感性耦合分析

为进一步研究饱水、干燥砂岩损伤破坏异常前兆时序信号以及声、热信号的动态敏感性变化,开展不同含水状态砂岩单轴压缩试验,并实时监测砂岩内部声发射信号和表面热红外信号。研究表明:饱水砂岩热红外异常信号率先出现,声发射异常信号滞后出现;而干燥砂岩则相反;饱水砂岩声、热两类异常信号首次出现的时间差小于干燥砂岩,该时间差对于判断砂岩内外损伤加剧程度有重要参考意义,水减少了该时间差,增加了对饱水砂岩损伤破坏的监测难度;饱水砂岩声、热信号动态敏感性指标强弱顺序为:声-热联合信号>热红外信号>声发射信号;干燥砂岩声、热信号动态敏感性指标强弱顺序为:声-热联合信号>声发射信号>热红外信号。声-热联合信号敏感性明显高于声、热信号,因此在实际工程中分析失稳前兆时,对声、热信号耦合分析是十分有必要的。

岩石化学风化力学特性的宏微观定量关联

为了分析化学风化对岩石力学性能的影响机制,采用密集排列的颗粒集合体模拟岩石材料,将与化学风化时间相关的质量损失率引入颗粒刚度和胶结模型。基于均匀化方法和格构模型,推导获得了风化岩石弹性阶段应力‒应变关系和强度准则以及宏观弹性和强度参数与微观参数(颗粒接触响应特性、风化损伤参数等)的定量关联,并探究了化学风化及其时效性对岩石力学性能的影响规律。结果表明,随着质量损失率的增大以及反应时间的增加,风化岩石的刚度和强度均呈负指数减小;当环境pH值较低时,岩石的峰值黏聚力和峰值内摩擦角随着反应时间的增大均显著降低;当环境pH值较高时,开始阶段岩石的峰值黏聚力显著降低,而峰值内摩擦角变化不大,峰值内摩擦角的显著降低需要更长的风化时间。

冲刷作用下砂岩宏观力学特性及微观结构

水流环境下库岸边坡岩石劣化会严重危害坡体稳定性,如何精细化揭示动水冲刷作用下岩石宏观力学特性及微观结构对库区灾害防治具有重要意义。为模拟库岸边坡所处的水流环境,设计了一套岩石抗冲刷试验装置。以砂岩为研究对象,考虑自然、静水浸泡和动水冲刷3种工况。结合室内试验、数字图像相关方法、扫描电镜和分形理论,从宏观力学参数、应变场分布特征、微观结构等角度系统探讨了不同水环境对岩石力学特性的影响。研究结果表明:(1)动水冲刷后的岩石抗压强度和弹性模量软化系数比饱水试件分别降低了0.07和0.06;(2)应变场分异速率-轴向应变曲线在峰值应力前出现拐点P,与断裂过程区的集聚相关,可作为岩石破裂的前兆信号;相较于饱水作用,冲刷作用使得破裂前兆点出现变早,这是因为冲刷作用加剧了岩石内部缺陷的发育,更易形成裂纹;(3)相较于饱水试件,动水冲刷后砂岩内部矿物颗粒和胶结物流失程度加大,微观结构劣化更为显著,这种变化在扫描电镜图像的分形维数计算结果中得到了印证,冲刷试件的分形维数最大。

基于3D打印的粗糙结构面模型表征及渗流特性试验研究

基于Weierstrass-Mandelbrot(W-M)分形函数开展三维粗糙结构面表征,讨论了W-M典型几何参数对三维曲面形态影响,分析确定对应于典型Barton节理JRC轮廓线的二维与三维W-M几何参数。基于自主设计结构面渗流测试系统,结合3D打印开展不同分形参数和开度的裂隙渗流试验,试验结果表明:随着水力梯度和粗糙度的增加,流体的流动表现出明显的非线性,Forchheimer方程的系数A与B都随着裂隙粗糙度的增加而增大,随着裂隙开度的增加而减小;随着裂隙粗糙度的增加,临界雷诺系数Rec趋于减小,说明流体流动趋于非达西流动。光滑表面流体的流场流速比较均匀;粗糙裂隙表面流场更加复杂,整个粗糙面上存在多个高流速区域和低流速区域。研究成果可为裂隙渗流特性研究提供了可靠的分析方法和模型。

石窟寺表面泛盐病害热学响应的离散元模拟

石窟寺长期遭受自然与人为因素破坏,往往会出现多种类型病害。其中,盐害是一种破坏性较大的病害,在表面泛盐阶段对其开展病害程度的量化评估对石窟寺保护利用工作具有重要意义。以甘肃省庆阳市北石窟寺为研究对象,使用PFC 2D软件建立表面泛盐病害模型。采用主动式热红外检测技术并施加外部热源,获取不同泛盐厚度处的升温曲线。结果表明,在相同热激励条件下砂岩表面的温度低于泛盐表面的温度,且泛盐越厚其表面温度越高。归一化后的温度−时间曲线可以使用幂函数拟合,且幂函数指数与泛盐厚度呈现明显的负相关线性关系;可以将其作为升温指数,实现泛盐病害程度的定量化评估。

基于分形理论的多孔介质渗透注浆机制

为研究宾汉姆浆液在多孔介质地层的渗透注浆机制,基于分形理论、毛细管模型和宾汉姆浆液流变方程,推导了基于分形理论的宾汉姆浆液渗透扩散表观速度公式和多孔介质渗透注浆球形扩散公式;利用已有的理论模型和室内渗透注浆试验成果对推导的理论公式进行了对比、分析和验证。研究结果表明:与传统的宾汉姆浆液渗透注浆扩散公式相比,基于分形理论的多孔介质渗透注浆扩散公式获得的浆液扩散半径更接近于室内试验成果。该研究成果可为实际多孔介质地层注浆工程提供一定的理论支撑。

基于蠕变曲线对称的蠕变模型研究及参数敏感性分析

为了获得滇中引水隧洞围岩的蠕变特性和研究隧洞围岩的长期稳定性,采用中国科学院武汉岩土所自主研发的全自动三轴开展绿泥页岩的单轴蠕变试验,获得了绿泥页岩的轴向蠕变曲线和等时应力-应变曲线,并基于等时应力-应变曲线的特征确定出绿泥页岩的长期强度值。基于经典蠕变曲线特征与大量试验蠕变曲线,发现描述衰减蠕变曲线的方程可以通过对称处理,故假设加速曲线与衰减蠕变曲线是关于稳定蠕变曲线的中点对称的,得到一种基于蠕变曲线对称的加速蠕变模型,并基于蠕变试验曲线的特征提出一套确定蠕变模型参数的方法。最后,将引入加速蠕变模型中的参数进行敏感性分析,使得引入模型中的参数具有明确的物理意义。结果表明:随着轴向应力的不断增大,岩石的瞬时应变值和蠕变变形值不断增大,而第一级荷载作用下岩石的瞬时应变占蠕变总变形比值最大。所建立的蠕变模型不仅可以很好地描述绿泥页岩的衰减蠕变和稳定蠕变变形规律,也较好地弥补了西原模型无法描述加速蠕变的缺陷,且该模型曲线与试验曲线的吻合度要远远高于西原模型与试验曲线的吻合度,并且不同应力作用下模型曲线与试验曲线的相关性系数均在0.90以上;同时,通过不同类型试验曲线与模型曲线的验证也说明了该模型是可用于不同类型岩石蠕变曲线的预测。最终,引入参数j值控制了加速蠕变的变形速率和进入加速蠕变的时间,参数k值控制了蠕变时间和加速阶段的蠕变速率。