地下水渗流对联络通道冻结帷幕影响研究

为探究流速对联络通道冻结温度场的影响,基于水热耦合理论构建地下水渗流条件下地铁联络通道冻结法施工数值计算模型,并采用现场实测数据对模型的合理性进行验证。运用该模型对南通市地铁2号线联络通道冻结帷幕的发展规律进行计算分析。结果表明,当地下水流速为3、6、9m/d时,冻结帷幕的交圈时间分别为20、28、34d。冻结帷幕交圈后,联络通道左墙(位于地下水上游)外侧与上、下墙外侧冻结帷幕厚度的增加速率均减小。在同一冻结时间下,随着流速增大,左墙内侧厚度增大,外侧厚度减小,右墙内侧厚度减小,外侧厚度增大,其中左墙内侧与右墙外侧增加的最为突出。在冻结稳定时期,冻结帷幕厚度的增加主要体现在内侧,外侧由于受地下水流速的影响,厚度增长率较低。由此可知,地下水流速是影响冻结帷幕发展情况的原因之一,流速越大冻结帷幕发展不均匀性越大,位于上游冻结壁发展速度越慢,下游冻结壁发展速度越快。该研究对探究不同流速下粉质粘土层联络通道冻结壁的发展状况具有参考价值。

两种纤维加筋模拟月壤地聚合物动态劈裂试验研究

为了解纤维加筋模拟月壤的动态劈裂力学特性,选用聚丙烯纤维和玄武岩纤维制备了纤维加筋模拟月壤地聚合物圆盘试件,利用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)装置开展了冲击劈裂试验,并使用扫描电子显微镜观察地聚合物断裂面处纤维的分布排列情况。试验结果表明:当聚丙烯纤维掺量为0.4%时试件的劈裂拉伸强度达到最大,较未掺时提高22.9%~27.3%;相同纤维掺量下,聚丙烯纤维对试件劈裂拉伸强度的增益效果要优于玄武岩纤维;纤维掺量一定时,试件动态劈裂拉伸强度与冲击气压呈正相关,纤维对劈裂拉伸强度的增益效果与冲击气压呈负相关;试件在冲击荷载作用下沿轴向劈裂为相对完整的两半,纤维的掺入减小了试件的破坏程度,改善了脆性破坏;试件的劈裂破碎块度平均粒径随纤维掺量的增加而增大。研究结果为未来月球基地建造材料的选择提供参考。

碱激发绿色超高性能混凝土早期力学性能研究

为研究通过碱激发方式制作的绿色超高性能混凝土(Green Ultra-high Performance Concrete,GUHPC)在7 d早期阶段的力学性能,设计了相关实验,分析了不同粉煤灰掺量、钢纤维掺量以及水胶比对GUHPC抗压强度和平台巴西圆盘劈裂抗拉强度的影响。通过观测反应物的微观形貌,对比分析不同粉煤灰掺量下生成物的变化情况,以验证结论的可靠性。结果表明,GUHPC的7 d抗压强度随粉煤灰掺量的减少、钢纤维掺量的增加以及水胶比的降低呈现线性增大的趋势。在无钢纤维掺量的情况下,抗压强度达到最低值89.4 MPa,而当钢纤维掺量增加至4%时,抗压强度显著提升至142 MPa,增幅近58.8%。GUHPC的7 d劈裂抗拉强度在钢纤维掺量为4%时达到最高值15.19 MPa。劈裂抗拉强度随粉煤灰掺量的增加和水胶比的增大呈现出先增大后减小的趋势,而随着钢纤维掺量的增加则持续增强。在无钢纤维掺量的情况下,劈裂抗拉强度最低为4.57 MPa;随着钢纤维掺量的增加,其强度提升近2.3倍。

透水混凝土的配合比设计及性能研究

通过L_(9)(3^(4))正交试验研究了骨料级配(m_(4.75~9.50 mm)∶m_(9.50~16.00 mm))=7∶3、6∶4、5∶5)、骨胶比(3.0、3.1、3.2)、粉煤灰掺量(10%、15%、20%)、增强剂掺量(4%、5%、6%)对透水混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、有效孔隙率和透水系数的影响。结果表明:对于抗压强度和劈裂抗拉强度,最佳的m_(4.75~9.50 mm)∶m_(9.50~16.00 mm)为6∶4、骨胶比为3.1、粉煤灰掺量为20%、增强剂掺量为4%;对于有效孔隙率和透水系数,最佳的m_(4.75~9.50 mm)∶m_(9.50~16.00 mm)为6∶4、骨胶比为3.2、粉煤灰掺量为15%、增强剂掺量为6%。

高温循环作用含孔砂岩动态力学特性试验研究

为研究高温循环作用含孔砂岩动态力学特性,利用SHPB试验装置对常温和经历200~800℃高温循环作用后含孔和完整砂岩试件开展冲击压缩试验。研究表明:随循环作用温度升高,砂岩试件由灰色逐渐变成褐色;质量损失率、体积膨胀率和密度降低率等物理参数均呈增大趋势,超过400℃时变化幅值显著增加;常温砂岩含有少量微孔隙,随循环作用温度升高试件表面微孔隙数量增多、宽度增大。高温循环作用后含孔试件动抗压强度呈二次函数关系减小趋势;动应变和动弹性模量则分别呈幂函数增大和线性函数关系减小趋势。随循环作用温度升高,试件破碎程度加剧,破碎块度减小,分形维数呈幂函数关系增大趋势;循环作用温度超过400℃时,试件动抗压强度、动应变、平均粒径和分形维数变化幅值均显著增大。研究成果对深部矿山资源开采和地热利用具有一定参考价值。

C60流态混凝土的工作性及强度影响因素试验研究

采用单因素法研究了粒径为5~10 mm和10~20 mm粗骨料级配(比例5∶5、6∶4、7∶3、8∶2)、减水剂掺量(1.3%、1.5%、1.7%、1.9%、2.1%)、骨胶比(2.6、2.9、3.2、3.5、3.8)对C60流态混凝土工作性和抗压强度的影响。结果表明:随着5~10 mm石子比例的增加,混凝土的坍落扩展度、J环扩展度和抗压强度均呈先增加后降低的趋势,T500则先降低后增加;随着减水剂掺量的增加,混凝土的坍落扩展度和J环扩展度逐渐增加,T500逐渐降低,抗压强度呈先增加后降低的趋势;随着骨胶比的增加,混凝土的坍落扩展度、J环扩展度和抗压强度先增加后降低,T500先降低后增加;当粒径为5~10 mm和10~20 mm粗骨料级配比例为7∶3、减水剂掺量为1.7%、骨胶比为2.9时,混凝土的综合性能最佳。

基于PSO-BP算法的弹性力学课程教学质量评估模型研究

国家人才培养的战略核心是提高教育教学质量,构建切实可行的教学质量评价体系,优选合理的质量评估方法十分必要。本文以本科弹性力学课程的教学质量评价为研究对象,建立包括教师个人素质及教学内容、方法、效果的4个一级指标及19个二级指标的教学效果评价体系,并对1082名本科生进行数据调研,通过对调研数据的信度及效度分析,证明了评价系统因素选择合理有效;建立基于粒子群算法优化的神经网络分析方法(PSO-BP组合算法),利用调研数据进行训练分析,得出组合算法平均评价精度高于BP神经网络算法,可以更准确有效地进行弹性力学课程教育质量的评估,以期为本科课程教学质量的考核评价提供新思路。

富水砂层斜井明挖段三维冻结温度场时空演化规律研究

为解决冻结斜井明挖段施工过程中,斜井冻结温度场难以准确预测导致开挖时间及速度无法确定的工程难题,以升富煤矿冻结斜井明挖段为研究对象,基于实测地层特性及冻结孔布置参数,采用COMSOL Multiphysics有限元软件,构建三维冻结温度场数值计算模型,对冻结斜井明挖段施工期间温度场的时空演化规律进行数值计算预测分析。计算结果表明:在相同冻结时间条件下,细砂层冻结壁平均温度比中砂层低0.28~2.39℃,细砂层冻结壁有效厚度比中砂层厚0.36~0.59 m。在持续冻结88 d后,明挖段冻结壁平均温度低于-12℃,且不同层位的侧帮冻结壁厚度均能达到4 m以上,底板处的冻结壁厚度均达到5 m以上,满足设计开挖需求。在开挖期间,井帮位置暴露的土体存在“热流侵蚀”现象,但在快速开挖施工的条件下,冻结壁的有效厚度并未减小且冻结壁平均温度仍处于-10℃以下,因此开挖过程中不会发生大范围的冻结壁“软化”现象。基于预测结果,制定了现场开挖方案,由现场实测数据可知,在开挖过程中测点及井帮温度出现轻微波动,但整体温度发展趋势较为稳定,表明施工期间冻结壁是安全稳定的。研究成果可为斜井冻结法凿井的安全施工及优化设计提供参考。

冲击荷载作用下冻土劈裂拉伸破坏特性试验研究

冻土的动态拉伸强度和破坏特性在涉及冻土工程高效破碎和安全稳定性分析领域具有重要的参考价值。为研究负温和加载率对冻土动态拉伸性能的影响,利用铝质分离式Hopkinson压杆试验系统开展了冻土的动态巴西圆盘劈裂试验,结合高速摄像系统,分析了温度和加载率对冻土动态拉伸强度、能量耗散和破坏模式的影响,探讨了冻土巴西圆盘的劈裂破坏机理及动态拉伸强度的影响因素。结果表明:冲击荷载作用下,冻结黏土和冻结砂土巴西圆盘试样均遵循中心起裂的破坏模式,试件破坏为沿轴向相对完整的两半;随着冲击气压的增加,两种冻土的加载率均呈线性增大;两种冻土达到动态拉伸峰值应力所需的时间在92~242μs范围内;两种冻土的动态拉伸强度均存在明显的温度效应和加载率效应,动态拉伸强度随温度的降低和加载率的增加而增大;不同负温条件下两种冻土的吸收能与动态拉伸强度均存在较好的线性关系;冲击气压的增加会导致冻土试样的破坏程度加剧,高剪切应力引起的三角破碎区面积逐渐增大。

地下水对人工地层冻结过程的影响机制研究进展及展望

目前关于地下水渗流作用对人工地层冻结过程的影响机理研究主要集中在模型试验、数值计算以及理论解析解3个方面。关于模型试验的研究成果已经基本实现了地下水对人工冻结温度场影响规律的定性分析,但对于地下水流速度对冻结温度场的量化影响规律尚未得出一致的研究结论;关于地下水渗流条件下人工冻结温度场的数值计算方法主要包括“表观热熔法”以及“焓-孔隙度法”,但这两种数值计算模型均对水热耦合过程进行了简化,无法全面深入地反映较大流速地下水与冻结温度场耦合作用的科学本质,因此流速计算范围受到一定的限制,计算准确度也有待提高;关于地下水作用下冻结温度场解析解的研究成果主要集中在稳态温度场方面,能够反映温度场随时间及流速变化规律的瞬态温度场理论解尚无相关成果。基于当前的研究现状,提出了该科学问题未来的研究方向。

楔刀不同加载速率条件下细砂岩裂纹扩展研究

为提高西部竖井钻井法楔齿滚刀钻进细砂岩的破岩效率,开展西部弱胶结砂岩XRD与SEM试验,微观结构验证PFC2D模拟试验细观参数标定结果,探讨不同加载速度工况下弱胶结砂岩拉、剪裂纹形成,破岩阻力变化及破岩机理、破岩效率。研究结果表明:胶结物是加卸载段生成的微宏观裂纹萌生、扩展的通道,贯入速率超过0.01 m/min以上,将导致更大的动力效应、更大的应力集中(楔刀贯入)和应力波(密实核应力膨胀)传播,岩石内部的应力集中区域扩展,产生部分无效裂纹。贯入速率0.02 m/min平均贯入力是贯入速率0.01 m/min平均贯入力的1.64倍;贯入速率为0.01 m/min时取得最小胶结破坏比能耗,与可可盖矿中央回风立井施工现场钻进速率非常吻合。研究结果可为西部弱胶结砂岩楔齿滚刀破岩提供参考。

高温及冻融后蒸压轻质混凝土力学性能研究

为研究蒸压轻质混凝土结构在高温-冻融耦合作用下力学性能的变化情况,将不同高温处理后的蒸压轻质混凝土试件经过冻融循环试验后进行静态力学性能试验,研究了不同温度、不同冻融方法对蒸压轻质混凝土试件抗压强度、弹性模量、应力应变关系、能量吸收的影响。试验结果表明,蒸压轻质混凝土试件经高温与冻融循环耦合作用后,随着处理温度增加,其抗压强度减小,弹性模量降低,塑性提高,应力应变曲线变平缓,峰值应力减小,峰值应变增加,能量吸收减小,盐冻冻融循环相较于水冻冻融循环对高温处理后试件的力学性能劣化影响更大,使得试件破坏所需吸收的能量更小。

西部地区钻井法凿井壁后充填模拟试验研究

针对西部富水弱胶结地层中深立井钻井井筒壁后充填技术难题,开展了壁后充填模拟试验,对充填效果、充填层抗压强度和抗渗性能进行了分析。以可可盖煤矿中央回风立井钻井井筒为工程原型,基于相似理论原理构建了变态模拟试验系统,采用高性能微膨胀充填材料进行了钻井井筒壁后充填模拟试验。研究结果表明,高性能微膨胀充填材料整体置换护壁泥浆效果好,模拟试验各段置换率均达到97%以上,平均置换率为99.0%;充填层固结体3d抗压强度大于10MPa,28d抗压强度大于30MPa,其强度高、充填固井效果好;在流固耦合作用下,高性能微膨胀充填材料相较于传统水泥浆充填材料有更高的抗压强度和更好的抗渗性能,适宜作为深立井钻井井筒壁后充填材料。但模拟试验也发现,在模型最下部出现少量泥浆沉淀,该段置换效果相对较差。在实际工程充填前,调整泥浆参数、优化泥浆性能可以减少泥浆沉淀,提高工程充填效果。

不同内径圆环砂岩试件温水耦合动态劈裂力学试验研究

煤矿巷道围岩经常处于地下水和温度共同作用环境中。由于岩石动抗拉强度远小于其动抗压强度,当受到掘进爆破等动载作用时岩体破坏往往取决于动抗拉强度,温水耦合岩石在动荷载扰动下动态抗拉力学性能值得深入研究。对不同内径圆环砂岩试件(外径50 mm,内径0~25 mm)进行温水耦合作用,开展X射线衍射和扫描电子显微镜试验,并利用霍普金森压杆试验装置进行动态劈裂力学特性试验研究。结果表明:温水耦合作用使砂岩试件产生损伤劣化,基本物理参数发生变化,动力学性能呈现出弱化现象;相同加载条件下,圆环砂岩试件内径增大,试件更易发生张拉破坏;劈裂后的半圆环发生了挤压断裂;相同内径时,温水耦合作用砂岩试件碎块更加明显;从能量耗散角度对试件破碎形态进行分析。

钢渣粉/聚酯纤维沥青混合料水稳定性研究

为了实现钢渣粉在沥青路面中的可持续利用,同时结合河南省冬季冰雪天气下路面的除冰情况,研究了掺有聚酯纤维与钢渣粉沥青混合料的水稳定性。制备4种聚酯纤维掺量(0、0.3%、0.4%、0.5%)AC-13沥青混合料开展复盐(掺量配比为NaCl∶CaCl2∶CH2COONa=1∶1∶2)冻融循环劈裂试验,结果表明聚酯纤维掺量为0.4%时,沥青混合料水稳定最好;在最佳纤维掺量下制备5种替代率(0、25%、50%、75%、100%)钢渣粉沥青混合料,采用冻融劈裂抗拉强度比(freeze-thaw splitting tensile strength ratio,TSR)确定最佳钢渣粉替代率为75%,混合料水稳定性最佳;通过冻融腐蚀因子K评价沥青混合料的抗侵蚀性能,结果表明:聚酯纤维/钢渣粉沥青混合料的抗侵蚀性能最强,聚酯纤维沥青混合料次之,普通石灰岩沥青混合料最弱。通过电镜扫描(scanning electron microscope,SEM)、X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)技术探索钢渣粉/聚酯纤维沥青混合料界面黏附作用的改性机理。微观分析表明:掺量为0.4%的聚酯纤维形成的纤维网状结构以及沥青、钢渣粉(75%的替代率)和矿粉三者存在界面能量作用可以很好地改善沥青混合料的水稳定性。

掺蔗糖-柠檬酸复合缓凝剂混凝土性能的研究

将蔗糖和柠檬酸按质量比1∶5配制成复合缓凝剂,通过L9(34)正交试验,研究了水胶比(0.30、033、0.36)、砂率(31%、35%、39%)、粉煤灰掺量(10%、20%、30%)、复合缓凝剂掺量(0.15%、0.20%、0.25%)对混凝土坍落度、终凝时间及抗压强度的影响。结果表明:随着水胶比的增大,混凝土的坍落度先增大后减小,终凝时间延长,抗压强度降低;砂率对混凝土坍落度和终凝时间的影响较小,但对混凝土抗压强度的影响较大;粉煤灰掺量对混凝土坍落度、终凝时间和抗压强度的影响均较小;随着复合缓凝剂掺量的增加,混凝土的坍落度增大,终凝时间延长,抗压强度变化较小;实际应用时,可根据工程要求选择合适的水胶比、砂率、粉煤灰掺量和复合缓凝剂掺量。

一种新型大直径多盘土锚承载力数值模拟分析

新型大直径多盘土锚是采用专业扩孔成盘装置进行多次扩孔,形成多个空腔,在钻孔中放入带有对中支架的钢绞线,灌注水泥砂浆,固化后得到的。为研究该土锚抗拔特性,将等直径土锚作为对照组,运用FLAC3D软件对其在不同荷载作用下的极限抗拔承载力、竖向位移、轴力、锚盘承担荷载和侧摩阻力等方面进行数值模拟分析。结果表明:相同条件下,新型大直径多盘土锚的极限抗拔承载力相较于等直径土锚提高了50%;达到各自极限抗拔承载力时,新型大直径多盘土锚的竖向位移相较于等直径土锚减少了24.22%;新型大直径多盘土锚的侧摩阻力较小且增速较慢,达到极限抗拔承载力时,锚盘分担荷载占施加总荷载的32.094%。

大掺量橡胶粉对沥青玛蹄脂碎石混合料低温性能的影响

为提高废旧轮胎的回收利用率,将轮胎粉碎加工成橡胶粉,采用等体积法替换石灰石集料,优化橡胶粉级配设计,制备聚酯纤维掺量0.4%和不同橡胶粉替代率(0、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%)的沥青玛蹄脂碎石混合料(stone mastic asphalt, SMA)。基于马歇尔稳定度试验和半圆弯曲(semi-circular bending, SCB)试验,采用SCB试件的极限拉应力、断裂能、断裂韧性和断裂劲度综合分析了不同低温环境下橡胶粉对SMA-13沥青混合料抗裂性能的影响。结果表明:SMA-13沥青混合料的最佳沥青用量与橡胶粉掺量成正比,橡胶粉掺量的增加会提高混合料的弹性性能。与石灰岩沥青混合料相比,橡胶粉沥青混合料抗裂能力更加稳定和优异。当橡胶粉替换率为3%时,SMA-13沥青混合料抵抗变形能力最强,可显著提升其低温性能,为沥青路面材料组成设计提供了理论依据。

喷射混杂纤维混凝土抗冻性及损伤模型

目的为提高高寒地区喷射混凝土耐久性,改善冻融环境下普通喷射混凝土易开裂、抗冻性能差等问题。方法在喷射混凝土中掺入混合纤维,通过冻融循环试验、超声波检测、压拉性能试验以及气孔结构测试等方法,研究不同冻融循环次数下喷射混杂纤维混凝土的相对纵波波速、相对压拉强度以及试件内部气孔结构变化规律。通过压拉性能损伤量对试件冻融损伤进行多项评价,分析钢纤维和聚丙烯纤维贡献率与喷射混凝土抗压强度之间的关系,并根据钢纤维和聚丙烯纤维贡献率公式建立喷射混凝土冻融损伤模型。结果与单掺钢纤维和聚丙烯纤维试件相比,混合掺入1%钢纤维、0.1%聚丙烯纤维喷射混凝土试件的抗压强度损失分别降低了7.5%、33.3%,劈裂抗拉强度损失分别降低了15.6%、35.0%。在弦长尺寸0.1mm<d<1mm处,混合掺入0.1%聚丙烯和1%钢纤维喷射混凝土气泡弦长频率比单掺1%钢纤维喷射混凝土和单掺0.1%聚丙烯喷射混凝土分别降低了24.9%和27.3%。钢纤维和聚丙烯纤维对抗压强度的贡献率呈现先增长后下降趋势。基于冻融损伤与钢纤维和聚丙烯纤维贡献率建立冻融损伤模型。结论喷射混杂纤维混凝土力学性能损伤量低,不易开裂,抗冻性能好,可为高寒地区喷射混凝土结构提供理论参考。

动静组合加载下裂隙试样力学特性和破坏模式

目的为了深入了解裂隙岩石在同时受到地应力和动力扰动时的工程灾变机制。方法采用改进的分离式霍普金森压杆系统,对预制裂隙类岩石试样进行了动静组合加载试验。研究了应变率、裂隙倾角和预应力对试样动态力学特性和能耗特征的影响,并对试样的破坏模式进行了分析。结果当应变率从61.82s^(-1)增加到195.57s^(-1),裂隙试样的动态增长因子不断增大,具有显著的应变率效应;动态弹性模量变化规律不明显,应变率效应不显著。随着入射能的增加,裂隙试样的单位耗散能密度不断增加。当裂隙倾角由0°变化到90°,试样的动态增长因子增不断增加,动态弹性模量和单位耗散能密度不断降低。当施加预应力后,30°、45°和60°裂隙试样的动态增长因子增长均有所增加;45°裂隙试样动态弹性模量有所增加,30°和60°裂隙试样的变化规律不明显;45°和60°裂隙试样单位耗散能密度有所降低,30°裂隙试样的变化规律不明显。裂隙试样的破坏模式主要包括张拉破坏、剪切破坏和张拉-剪切复合破坏3种,施加预应力对试样破坏模式的影响不明显。结论0°裂隙对工程岩体的承载能力削弱程度最小,90°裂隙有利于提高破岩效率。预应力在一定程度上会提高工程岩体的承载能力。研究结果可以为预测和评估岩石工程中的风险,制定合理的加固措施提供参考。