多因素影响下预崩解炭质泥岩动回弹特性研究

为探究多因素影响下预崩解炭质泥岩的动回弹特性,通过动三轴试验研究偏应力、最小体应力、含水率、压实度和干湿循环次数对动态回弹模量的影响,并建立考虑上述因素影响的动回弹模量预测模型。研究表明:动回弹模量与最小体应力、压实度呈正相关关系,与偏应力、含水率呈负相关关系;在同一围压下,动回弹模量随偏应力增加而降低,降幅区间为14.1%~30.7%;含水率为6%时对应的动回弹模量最大;在围压和偏应力相同时,含水率从6%递增至10%,动回弹模量降幅区间为18.6%~35.5%;压实度从93%递增至96%时,动回弹模量增幅区间为4.47%~20.64%。采用干湿循环损伤因子表征干湿循环次数对动回弹模量的影响,发现损伤因子随干湿循环次数N增加可分为3个阶段,即快速增长阶段(N=0~1)、缓慢增长阶段(N=1~6)和增长稳定阶段(N=6~9)。各因素按显著性由高到低排序依次为:压实度、干湿循环、含水率、偏应力、最小体应力。建立的综合考虑约束效应、剪切效应、压实度、含水率和干湿循环的预测模型具有较高地准确性和适用性,可有效评估和预测湿热地区炭质泥岩路堤的动回弹模量。

节理化炭质页岩地层隧道围岩大变形及控制技术研究

某高速铁路XHS隧道穿越节理化炭质页岩地层,在施工过程中围岩大变形、失稳坍塌现象显著,现场采用强支护和仰拱加深等措施后围岩变形控制效果不佳。针对XHS隧道节理化炭质页岩地层地质条件,结合现场监测手段、离散-连续耦合数值模拟分析围岩大变形及破坏特征,基于数值模拟提出以采取地层预加固为主的围岩变形控制措施,并通过现场试验探讨该控制措施的应用效果。研究结果表明:隧道开挖后,围岩变形具有变形量大、变形速率快的特点,围岩拱部沉降量大于水平收敛量且变形具有非对称的分布特征;受三台阶法多次开挖扰动影响,围岩卸荷范围动态发育并不断向全环扩展,松动区逐渐由浅部围岩向深部转移,并呈现出非对称的破坏特征,最终引发围岩大变形;采取地层预加固后,模型中围岩变形和松动区范围明显减小,围岩非对称变形破坏也得到了有效控制;在采用地层预加固、管棚超前支护、三台阶临时仰拱法开挖的控制措施后,围岩变形得到控制,施工效果良好,隧道恢复正常施工,保证了隧道的顺利贯通;以地层预加固为主的控制措施是此类节理化炭质页岩地层围岩变形控制的有效手段。

高地应力-化学侵蚀耦合作用下炭质板岩蠕变试验及非线性蠕变损伤模型

为克服高程障碍并降低施工风险,可采用长大隧道穿越崇山峻岭,但这些隧道往往处于深埋高地应力环境,并受到化学侵蚀影响。为了解决此问题,以丽江—香格里拉炭质板岩大变形隧道为研究对象,采用室内试验和理论推导,研究深埋炭质板岩隧道受化学侵蚀作用下的围岩变形特性。在Poyting-Thomson体蠕变体的基础上,根据模型元件的力学特性,叠加了损伤元件、化学损伤元件和非线性元件,提出高地应力-化学侵蚀耦合作用下炭质板岩非线性蠕变损伤本构关系。研究结果表明:1)炭质板岩试样受化学侵蚀影响显著,侵蚀90 d试样所产生的轴向蠕变应变为侵蚀0 d试样的2.02倍,侵蚀60 d试样所产生的径向蠕变为侵蚀0 d试样的1.85倍;2)受侵蚀的炭质板岩试样在三轴压缩状态下破裂以斜向贯通裂隙为主,并产生一定的滑移错动裂隙,且沿轴线的拉伸劈裂破坏受围压作用抑制明显,未产生竖向贯通裂隙。

寒区炭质千枚岩冻-动联合损伤特性

由于寒区隧道围岩在冻融及动载的作用下会产生严重的损伤和性能退化,因此研究两者耦合作用下岩石的劣化特征具有重要意义。利用MTS815加载系统对炭质千枚岩试样开展了0、30、60次不同冻融循环次数下的三轴多级循环加卸载试验,研究了冻融及循环荷载对炭质千枚岩力学参数及变形的影响,基于能量计算分析了不同冻融次数岩石在动载下的能量演化规律,从宏观和微观角度进行对比,分析岩石在静载与冻-动耦合下的破坏形态,揭示了相应的破坏模式。试验研究表明:(1)与静载压缩强度相比,在冻融和循环荷载共同作用下岩石的强度有明显的降低,并且表现出明显的塑性,同时冻融循环次数越多,该现象也越显著;(2)随着冻融循环次数的增加,弹性模量会逐渐减小而泊松比却逐渐增大;(3)在循环过程中,轴向和环向不可逆应变均逐渐增加,两者的应变增量均在每一级应力的初始循环内最大而后逐渐减小,而不可逆体积应变先增大后减小,即体积先以压实为主后逐渐转变为以膨胀为主;(4)岩石内部主要以弹性能为主,耗散能占比在第1个循环周期内迅速降低,在之后的循环周期内呈现阶梯式增加而后趋于稳定;(5)从宏观与微观角度分析,单调加载与循环加载作用下两者的破坏机理不同,但均为斜截面的剪切破坏,但循环加卸载破碎程度更大。

炭质泥岩地层隧道瓦斯突出成因及处治措施研究

为解决炭质泥岩地层隧道瓦斯突出问题,依托兰州至海口国家高速公路重庆至遵义段(贵州境)扩容工程桐梓隧道,通过现场调查和理论分析,总结了该隧道瓦斯突出动力现象及特点,分析了其瓦斯突出的规律以及影响因素,提出了钻孔泄压方案及处治措施。结果表明:经处治后,炭质泥岩施工掌子面的动力现象有了明显减少和减弱,工程施工基本不受影响,表明了该处治措施的效果较好。研究结果可供炭质泥岩地层及其他非煤系地层瓦斯隧道的设计和施工参考。

炭质页岩路基填料的路用性能研究

炭质页岩用于路基填筑不仅能缓解炭质页岩分布区路基填料的供应难题,也符合中国基础设施建设“资源集约、节约”和“绿色化”的战略要求。然而,此类岩石性质软弱、易风化崩解、遇水强度衰减显著,充分利用须建立在深入认知其性质的基础上。该文研究炭质页岩原岩的基本性质;设计填料级配;进行填料的击实特性及击实后颗粒破碎特征研究、干湿循环条件下的RCBR(加州承载比)变化特征研究、干燥及浸水状态下填料的压缩性能及压缩后颗粒破碎特征研究以及浸水过程中路基回弹模量的现场测试。研究发现:随风化程度增加,原岩趋于黏土化,微观结构变得疏松。填料颗粒越粗,击实过程中越难调整自身位置来寻求稳定密实状态,颗粒破碎越显著。遇水后填料表现出较强的软化、崩解特性:初始RCBR为54%,随干湿循环呈现先快后慢的减小趋势,最终稳定在26%左右;压缩试验中,填料浸水后的湿化附加变形极为显著,颗粒破碎率大幅增加,最佳含水率状态下未发生破碎的粒组在浸水饱和后也发生了破碎;未浸水路基的回弹模量为140.4 MPa,浸水6 h后衰减至82.1 MPa,之后随浸水时间延长回弹模量衰减不再明显。实际应用时建议优化填料级配、控制最大粒径,采用能有效防水、控湿的路基结构,并避免将炭质页岩填料用于地表水、地下水发育部位。

干湿循环下炭质泥岩软弱夹层剪切强度及渗透性演化规律研究

针对云南某露天矿边坡中的炭质泥岩软弱夹层,开展了室内干湿循环加速模拟试验、直接剪切试验和变水头渗透试验,研究了干湿循环作用下炭质泥岩软弱夹层抗剪强度和渗透性的演化规律,分析了循环次数对抗剪强度和渗透系数的影响,结果表明:干湿循环对炭质泥岩软弱夹层的抗剪强度影响显著,不同竖向荷载下,抗剪强度劣化趋势基本相同;随着干湿循环次数的增加,其内摩擦角基本不变,但黏聚力显著减小,且在干湿循环1次时黏聚力减幅最大,2~7次时黏聚力劣化速率较快,在干湿循环超过7次时,炭质泥岩软弱夹层的黏聚力变化速率趋于平缓,最终拟合得出黏聚力与干湿循环次数之间的指数函数关系模型;炭质泥岩软弱夹层的渗透系数和干湿循环次数呈正相关,循环次数在0~4次时渗透系数变化较为平缓,4次之后渗透系数显著增大,在7次循环时达到最大值,之后渗透系数基本不变。研究结果可为类似矿山边坡软弱夹层的强度和渗透系数预测提供参考。

滇中引水香炉山隧洞炭质页岩强度特性试验研究

以滇中引水工程香炉山隧洞开挖揭露的炭质页岩为研究对象,开展了点荷载、单轴压缩和巴西劈裂试验,获得了该岩石的几种强度及强度转换系数,分析了试件破坏模式和岩石微观形貌。结果表明,炭质页岩平行层理面加载时强度低于垂直层理面加载时强度,具有强度各向异性;在平行和垂直层面加载条件下,炭质页岩的抗拉强度转换系数分别为1.40、0.90,与理论值接近;在平行和垂直层面加载条件下,炭质页岩的单轴抗压强度转换系数分别为7.19、8.03,换算的单轴抗压强度低于国际岩石力学学会和规范经验公式的结果,原因是弱层面和基质体内微观缺陷造成炭质页岩的单轴抗压强度较低。研究结果可为滇中引水工程香炉山隧洞炭质页岩强度的快速准确评价提供参考。

高应力炭质板岩隧道开挖支护结构受力评价研究

为探究高应力下炭质板岩隧道开挖过程中围岩位移、支护结构内力变化规律,依托渭武高速木寨岭公路隧道,采用有限差分软件FLAC3D建立三台阶七步开挖法下炭质板岩隧道的数值模型,提出强、中、弱3种支护方案;分析开挖距离对围岩位移、支护结构内力等因素的影响,并对支护设计参数合理性评价。研究结果表明:开挖过程中围岩累计沉降和收敛变形量比较:强支护<中支护<弱支护;开挖相同距离下,随着支护强度上升,支护提供的弹性抗力越强,围岩沉降和收敛变形减小;以强支护为例,支护结构轴力呈现先增大后减小的趋势,最终轴力不断上升但趋势变缓的特征,开挖距离50 m趋于稳定;支护设计参数评价时,开挖距离(50 m)结束,强、中、弱3种方案钢架受压安全系数最小值分别为3.903、3.718、3.264,#1拱顶处强支护钢架较喷射混凝土先破坏,混凝土安全系数最小值分别为3.491、2.987、2.666,#2左拱腰处喷射混凝土较钢架先破坏,故选择中支护方案,材料I25b×C25、初衬厚度26 cm、钢架距离0.8 m。研究成果可为类似软岩隧道开挖和支护结构的设计提供一定参考。

击实和三轴压缩条件下炭质泥岩的颗粒破碎及力学响应研究

为充分认识炭质泥岩的颗粒破碎行为及力学特性,对不同粗粒质量分数的炭质泥岩在最佳击实状态下的破碎程度进行三轴剪切试验,分析粗粒质量分数对炭质泥岩粒径级配及力学性能的影响规律,明确炭质泥岩颗粒破碎与围压、粗粒质量分数间的关系。研究结果表明:在压实过程中,炭质泥岩存在明显的颗粒破碎现象,且粗粒质量分数越高,其颗粒破碎越明显;炭质泥岩的水敏性远大于硬质岩的土石混合体的水敏性,击实曲线更陡峭,且在粗粒质量分数为60%时具有最佳的击实状态;随着粗粒质量分数增大,炭质泥岩的抗剪强度呈现出先增长后减小的趋势,且在粗粒质量分数为60%时黏聚力达到最大,内摩擦角与粗粒质量分数呈负相关;当粗粒质量分数较小时,炭质泥岩抗剪强度主要由细粒间的黏聚力及粗粒与细粒间的咬合力提供,粗粒破碎较少;随着粗粒质量分数增大,试样中颗粒破碎现象更明显,颗粒间重新分布和咬合使其内摩擦力逐渐增大,抗剪强度由粗粒破碎及粗粒与细粒间的咬合力提供,细粒间的黏聚力较小;炭质泥岩的颗粒相对破碎率随围压、粗粒质量分数的增大而增大,且相对破碎率与粗粒质量分数和围压之间存在非线性关系。

考虑层理倾角的炭质板岩蠕变损伤本构模型

针对层状岩体的各向异性特征,以炭质板岩为研究对象,开展不同层理倾角炭质板岩的蠕变力学试验.基于蠕变试验结果,建立可以描述不同层理倾角炭质板岩加速蠕变的改进Nishihara非线性损伤蠕变本构模型,推导该模型的一维、三维本构方程.研究结果表明,炭质板岩的蠕变过程存在明显的应力阈值.当应力小于阈值时,炭质板岩只发生衰减蠕变;当应力达到或大于阈值时,开始发生稳态蠕变;当应力达到或超过破坏应力时,炭质板岩发生加速蠕变并发生蠕变破坏.模型参数反演辨识结果表明,改进Nishihara蠕变模型能够很好地描述炭质板岩的整个蠕变过程.基于参数辨识结果,对模型参数与围压和层理倾角的关系进行探讨,得到损伤参数c与层理倾角的关系式,分析损伤参数d与黏滞系数对加速蠕变阶段的影响.

炭质板岩冻融后蠕变特性试验及损伤模型研究

为了揭示炭质板岩冻融后蠕变力学,以汶川-马尔康高速公路卓克基隧道炭质板岩为研究对象。开展了不同冻融循环次数下的三轴压缩蠕变试验。假设岩石受荷载作用下的时效损伤服从Weibull概率密度分布,由此定义受荷损伤变量,依据唯象损伤力学理论定义冻融损伤变量,考虑冻融与应力的耦合效应,构建冻融、受荷总损伤变量。基于炭质板岩蠕变行为表现,确定H-H|N-N|S蠕变模型结构,基于此进行了损伤演化,得到一个新的可反映冻融与应力耦合的蠕变损伤模型,拓展为三维应力状态。给出模型参数求解方法,并分析了损伤演化规律,采用所建模型识别炭质板岩蠕变数据,引入一个传统模型进行了对比,分析模拟对比曲线,验证新模型的可行性和合理性。结果表明:炭质板岩的蠕变试验曲线呈“台阶形”,轴向应变随着时间增长而递增;随着冻融作用的增强,长期强度随之递减,冻融循环作用可能会降低岩石蠕变破坏的难度;新模型对炭质板岩蠕变行为的模拟效果较好,平均R^(2)达0.9878,证明了新模型描述炭质板岩冻融后蠕变特性的可行性。冻融作用的加强,使得炭质板岩内部结构的损伤发展更快,对岩石蠕变破坏起一定促进作用。

炭质板岩横观各向同性强度准则及参数辨识方法

为探究层理状岩石的横观各向同性力学特性,以炭质板岩为研究对象,通过室内试验和理论分析对其强度准则和参数辨识方法进行研究。首先,对水平与垂直层理岩样开展不同围压的常规单、三轴压缩试验,探讨不同应力状态炭质板岩的强度特性与破坏模式。其次,对比分析试验结果,建立适用于炭质板岩的横观各向同性弹塑性本构模型;基于Pariseau强度准则确定模型的屈服函数,用以描述炭质板岩不同方向的强度特性;基于相关联流动法则确定模型的塑性势函数,用以描述炭质板岩塑性变形阶段的流动方向。在各向同性假定下,该模型可退化为描述各向同性岩土材料的Drucker-Prager模型。最后,提出模型参数辨识方法,即通过常规三轴压缩试验和经验公式求解弹性参数;通过基于Duveau数值计算程序的最小二乘法常规三轴试验和直线型Mohr-Coulomb准则确定岩样的抗压、抗拉和剪切强度,再代入所推导公式求解塑性参数;结合试验结果验证了所提横观各向同性强度准则的合理性。结果表明:不同围压的水平岩样的抗压强度均高于垂直岩样,且抗压强度随着围压的增大基本呈线性增大;炭质板岩在压缩过程中多呈脆性破坏,水平层理岩样呈滑移-剪切破坏,垂直层理岩样呈张拉-剪切破坏。

考虑炭质泥岩颗粒破碎的级配演化预测模型

为准确预测炭质泥岩在冲击荷载过程中的颗粒破碎及级配曲线的变化,建立炭质泥岩“冲击能和含水率-破碎指标-级配分布”的数学模型。通过引入一个可以描述连续级配曲线的单参数级配方程,建立单参数级配方程和颗粒破碎率B w的数学关系表达式,实现了“破碎指标-级配分布”的转换。通过设置反S型和双曲线型两种典型炭质泥岩填料连续级配,开展了一系列不同含水率和冲击能的冲击试验。结果表明:无论炭质泥岩的初始级配是双曲线型分布还是反S型分布,当冲击能一定时,炭质泥岩的颗破碎率均随着初始含水率的增大而增大;当含水率一定时,炭质泥岩的颗粒破碎率随冲击能的增加而增加,当冲击能量达到6.075 kJ后,颗粒破碎率基本保持不变,各粒组的颗粒含量相对于初始含量的变化趋于一个稳定的比例。根据炭质泥岩在冲击过程中的颗粒破碎率B w与初始含水率和冲击能的关系,建立了颗粒破碎率与含水率、冲击能的数学关系式,实现了“冲击能和含水率-破碎指标”的转换。从而以破碎指标为媒介,建立了“冲击能和含水率-破碎指标-级配参数”的数学模型,并通过验证发现该模型可以较好反映不同冲击能和含水率条件下炭质泥岩级配曲线演化规律。

炭质泥页岩剪切破坏声发射特性及其分形特征

为了探究炭质泥页岩损伤细观机制和破坏前兆特征,通过剪切破坏声发射试验,结合分形理论,采用G-P(Grassberger-Procaccia)算法对振铃计数、能量、振幅进行相空间重构和关联维数计算,分析关联维数在炭质泥页岩破坏全过程的演化规律。结果表明:声发射活动在岩石不同变形阶段活跃程度不同,且在破坏前存在平静期;振铃计数、能量、振幅都具有分形特征,三者的关联维数在破坏全过程呈现出“升维—动态波动—降维”的演化规律;关联维数的降维现象出现在岩样破坏前,可作为炭质泥页岩失稳破坏的前兆特征;综合对比发现,与振幅和振铃计数相比,能量关联维数的降维现象更显著,持续时间更长,更适合作为炭质泥页岩失稳破坏的前兆特征。

炭质板岩隧道隧底结构裂损机理研究

炭质板岩遇水软化、泥化,稳定性差,是典型的软岩地层。施工期内炭质板岩隧道易发生变形,进而出现病害问题,严重影响隧道施工进度与安全。以西南地区某在建隧道为依托工程,针对隧底结构病害段所处的炭质板岩地层,通过室内材料物相组成分析试验,明确该段地层炭质板岩以石英、绿泥石等具有遇水易软化及膨胀特性的矿物为主要组成成分,得出炭质板岩大变形产生的原因。建立基于扩展Drucker-Prager准则的有限元精细化网格分析模型,获得不同剪胀角条件下隧道结构底部的裂损形态及周边围岩塑性区分布。数值仿真结果和现场实际裂损情况对比表明,有限元结果与实际隧底结构病害特征吻合良好。

干湿循环作用下炭质泥岩孔隙演化及本构模型研究

【目的】建立干湿循环作用下炭质泥岩的损伤本构方程。【方法】对0、5、10和15次干湿循环作用下的炭质泥岩进行核磁共振试验,探讨炭质泥岩孔隙演变规律,并对干湿损伤的炭质泥岩进行单轴压缩试验,研究干湿循环对岩石力学特性的影响。在此基础上,利用Weibull分布函数表征岩石损伤演化,考虑干湿损伤炭质泥岩的孔隙变形,建立炭质泥岩的损伤本构方程。【结果】随干湿循环作用次数的增加,炭质泥岩孔隙增多、尺寸增大,小孔汇合、贯通形成中孔。干湿循环加剧炭质泥岩力学性质劣化,干湿损伤后的炭质泥岩峰值应力和弹性模量减小、延性增强。损伤本构方程可以较好地描述炭质泥岩应力应变发展的全过程,特别是可以较好地反映岩石压密阶段的非线性变形。【结论】该损伤本构模型有较高的适用性,可为干湿环境下炭质泥岩边坡工程的建设提供参考。

降雨作用下含炭质泥岩夹层边坡的变形破坏机理

为揭示降雨诱发含炭质泥岩夹层边坡的变形破坏机理,通过对株洲市蓝天花园小区边坡进行降雨量、地下水位和深层土体水平位移的监测,发现边坡不同部位地下水位变幅受降雨影响差异显著,将单孔地下水位变幅按从大到小的顺序排列,依次为滑坡后缘(变幅0.1~1.6 m)、坡体(变幅0.4~1.1 m)、坡脚(变幅0.1~0.6 m);边坡滑动面在全风化炭质泥岩夹层所在的位置。在此基础上,开展不同含水率的炭质泥岩直剪试验和边坡数值分析,结果表明:随着含水率的增加,炭质泥岩的黏聚力和内摩擦角均有所减小,夹层含水率增加和坡脚开挖均是边坡变形破坏的重要原因;随着含水率的增大,边坡塑性区面积逐渐增大,并由坡脚到软弱夹层底部再到坡顶发展贯通;最大水平位移随着夹层含水率的增大而增大,最大水平位移由第三级边坡坡脚向第二级边坡坡脚再向软弱夹层转移;坡脚开挖后,塑性区和最大水平位移的变化规律与开挖前的一致,但边坡的塑性区和最大水平位移增加得更为明显。

羟基纤维素改良预崩解炭质泥岩工程特性研究

为探究羟基纤维素对预崩解炭质泥岩工程特性的改良效果,开展了无侧限抗压强度、干湿循环以及理化特性的试验,以分析掺量、养护时间、干湿循环次数对预崩解炭质泥岩力学和理化特性的影响,并结合扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)技术揭示了羟基纤维素改良预崩解炭质泥岩的微观机制。结果表明:在养护时间相同的情况下,改良后的预崩解炭质泥岩的无侧限抗压强度随羟基纤维素掺量的增加呈现出先增大后减小的趋势,且当掺量为4%时,其无侧限抗压强度达到最大值;当羟基纤维素的掺量保持不变时,随着养护时间的增加,改良后的预崩解炭质泥岩的无侧限抗压强度也随之增加,并在养护14 d后趋于稳定;在干湿循环作用下,经羟基纤维素改良后的预崩解炭质泥岩的无侧限抗压强度变化符合指数函数规律;改良后的预崩解炭质泥岩的pH基本保持不变,而TDS值、电导率及盐度均有所降低;羟基纤维素主要通过胶结颗粒和填充孔隙的方式来增强预崩解炭质泥岩的力学性能。

炭质板岩隧道大变形控制施工技术

隧道工程建设中,软岩大变形是一种常见的地质灾害,这种灾害的出现往往会导致隧道结构的破坏,进而影响到隧道的正常使用。软岩大变形问题通常是由于软岩的强度和稳定性不足引起的[1]。某铁路隧道开挖后揭示的围岩为陡倾极薄层板岩、千枚岩、炭质板岩等不良地层,其岩体极为破碎,岩石抗压强度低,变形往往持续时间长,若采取的支护措施不到位极易发生侵限情况[2]。针对该铁路隧道已陆续出现一、二级软岩大变形的段落,为了进一步提高软岩大变形应对处置的及时性和有效性,保障隧道施工安全,对施工现场实施的隧道软岩大变形分级判识标准及变形控制措施进行了总结,旨在指导现场施工,防止隧道变形严重甚至侵限的现象发生。