相似材料力学性质影响因素试验研究

选取地下工程物理模型试验中常用的石膏作为胶结剂,石英砂作为骨料制成相似材料试件.将相似材料试件置于不同尺寸、温度、含水率及加载速度条件下进行单轴压缩试验,得到单轴抗压强度和弹性模量,分析不同因素对相似材料力学性质的影响规律.研究发现,相似材料力学性质受尺寸、含水率及加载速度影响大,受温度影响小,且相似材料力学性质受不同因素影响原因与岩石的影响原因相同.为避免这些因素的影响,大型相似材料模型铺设时要严格控制用水量、充分搅拌原料、合理控制密实度及养护已经铺设的材料,同时精确控制荷载施加速度.

隧道坍塌事故类型划分及其主要特征

根据坍塌事故案例的特征,提出隧道坍塌分类的8个依据,分别为隧道类型、坍塌的原因、发生位置、发展速度、规模、破坏形态和危害形式、造成的经济损失与人员伤亡以及时效性。基于每个依据将隧道坍塌事故划分为:山岭、城市和水下的隧道坍塌;围岩失稳、支护强度不足引起的隧道坍塌;洞口、洞身的隧道坍塌;突发性、阵发性、缓慢变形的隧道坍塌;小型、中型和大型的隧道坍塌;局部、拱形、异形和贯穿型的隧道坍塌;一般、较大、重大和特别重大的隧道坍塌;初期支护前、二次支护完成前和二次支护后的隧道坍塌。在此基础上,重点分析隧道坍塌事故主要类型的典型特征及产生原因。根据分类结果,可以对坍塌事故的发生机理、可能造成的危害等进行研究,从而为隧道风险预测、施工技术和支护措施等提供理论支持。

软岩流变相似材料的研制及物理模型试验应用

目前能合理模拟软岩流变效应的相似材料很少,而采用模型试验法研究软岩工程的长期流变效应也处于探索阶段。为给软岩流变模型试验提供合适的相似材料,研制出一种以铁粉、重晶石粉和石英砂为骨料,松香酒精溶液为胶结剂,液压油为黏滞剂的软岩流变相似材料。该相似材料强度低,流变性强,不仅可模拟软岩的瞬时弹塑性性质,也能较好模拟软岩的流变特性。假定骨料比例恒定,调节松香酒精溶液浓度m和液压油含量w,开展了一系列梯度配比试验。研究表明:(1)该相似材料的主要瞬时强度变形参数和西原模型流变参数均受m和w两因素的双重影响;(2)松香酒精溶液浓度越大,试样强度越大,流变性越小;(3)液压油含量越大,试样强度越小,流变性越明显;(4)相比松香酒精溶液浓度m,液压油含量w对西原模型各参数的影响更大,起主控作用。最终,将该相似材料应用于神华新街软弱砂质泥岩煤矿盾构斜井的长期流变模型试验中,试验结果表明:该材料瞬时力学性能和流变特性均达到试验要求,为试验取得良好结果提供了材料保证。

基于变形与脆性特性的类岩石材料配比正交试验研究

采用正交试验方法配制了不同水胶比、砂胶比、硅灰-水泥比的颗粒性材料探究与选定砂岩具有相近变形及脆性特征的类岩石材料的配制过程。选取材料变形指标E/σc及脆性指标σc/σt与砂岩统计数据作比较,确定了符合砂岩基本变形以及脆性特征的材料配比范围;针对正交试验组E/σc及σc/σt进行极差分析,得到这两个指标随配比三因素各水平变化规律;采用多元多项式求解方法确定了与选定砂岩性质相近的类岩石材料配比,并进行试验检验。经对比认为,采用该方法配制的类岩石材料其变形、脆性指标数值与选定砂岩对应指标数值均较好地符合,可以代替选定砂岩进行室内岩石及岩体力学性质试验。

基于分形理论构建随机粗糙节理模型的方法研究

粗糙节理三维形貌特征是影响岩体沿节理面剪切力学性质的关键因素。采用3D扫描方法重构巴西劈裂试验得到的砂岩张节理表面形貌模型。根据粗糙节理表面统计自相似性质,引入地形学领域广泛应用的随机分形数字高程模型生成方法,通过调节不同的随机参数d,采用"菱形–正方形"算法迭代生成一系列不同形貌特征的分形粗糙表面数字高程模型,并将其与天然砂岩张节理进行形貌特征比较。采用三维盒维数法计算天然砂岩张节理以及随机构建的分形高程模型的分形维数,并基于选定的剪切方向统计2种模型的视倾角统计分布规律。分别以分形维数以及视倾角统计分布标准差为表征粗糙模型三维形貌特征的参数,确定了该天然张节理的形貌特征参数对应的粗糙度水平符合随机参数d=2~3 mm范围的分形高程模型的粗糙度水平,验证了基于分形理论构建随机数字高程模型的方法在模拟构建粗糙节理表面模型方面的可行性。