含水层状页岩的蠕变行为

本文对含水层状页岩进行了单轴蠕变试验,研究了含水率和层理倾角对其蠕变性质的影响,构建了含水率和层理倾角与瞬时弹性模量和瞬时蠕变速率的关系。将含水率和层理倾角的影响引入Burgers蠕变模型的蠕变参数中,构建了能够反映页岩层理和含水率的蠕变模型。基于矿物成分分析解释了水岩相互作用导致的蠕变性质变化的微观机制。结果表明,层理倾角较高的页岩具有较高的瞬时弹性模量和较低的瞬时蠕变速率;含水率越高,瞬时弹性模量越低,瞬时蠕变率越高。

基于巴西劈裂试验的页岩声发射与能量分布特征研究

为探究不同角度层理下页岩力学特性和声发射特征,通过对不同角度层理龙马溪组页岩的巴西劈裂试验、声发射测试以及3DEC数值模拟研究,对页岩破坏模式进行了对比分析。研究结果表明:由于页岩具有明显的层理构造,其抗拉强度具有明显的各向异性。页岩巴西劈裂应力-时间曲线可划分为3个阶段,对低角度层理,受载的累计声发射曲线表现为"平缓—陡增"增长模式;对高层理角度,累计声发射曲线表现为"台阶式"增长模式。研究物理实验与3DEC数值模拟结果均表明页岩破裂模式与层理角度密切相关,页岩声发射能量概率密度P(E)均较好的满足幂定律,层理效应并不改变声发射能量的尺度不变性。层理角度为90°时,能量概率密度曲线的临界参数最大,在低能量区间的声发射信号所占比例更大,利用临界参数可以对巴西劈裂试验过程中页岩损伤程度进行表征。研究成果可对页岩气压裂工程的设计提供借鉴。

层状含水页岩蠕变特性试验研究

为分析层理和水对页岩的蠕变特性影响,室内制取0°、30°、60°、90°和不含层理5种页岩,每种层理页岩均处理成干燥、自然、不饱水、饱水4种含水状态,对其进行单轴压缩下的蠕变试验。试验结果表明,(1)层理角度和含水率对页岩的蠕变特性均有较大影响。同一含水率下随层理角度的增大,页岩的初始瞬时弹性呈指数式减小,瞬时弹性模量成指数式增加。相同层理角度下,随含水率升高,页岩的初始瞬时弹性应变线性增长,瞬时弹性模量线性下降;(2)采用含有弹性元件、黏性元件及开尔文体的"伯格斯"蠕变模型对页岩的蠕变过程进行描述,并对模型的参数进行了反演和验证,表明该模型能够较好地反映页岩的蠕变特征。根据试验所得层理和水对页岩蠕变变形的影响规律,通过瞬时弹性模量和黏性系数与层理角度和含水率的拟合关系,将蠕变模型中的瞬时弹性模量和黏性系数替换为层理倾角和含水率的函数,构建了能够反映页岩层理和含水率的蠕变模型。

浅埋偏压小净距隧道围岩压力分布与围岩控制

根据浅埋偏压小净距隧道受力特点,研究推导了考虑施工工序及地形坡度的浅埋偏压小净距隧道围岩压力计算公式。分析了考虑不同地形坡度及同一坡度不同埋深2种工况下地形坡度及埋深对围岩破裂范围、水平侧应力、拱顶压力的影响规律,并指出了浅埋偏压小净距隧道围岩压力在考虑地形坡度下与水平地表下分布规律的差异,建立了3DEC数值模型以对上述理论规律进行验证,结果表明,数值分析规律与理论推导计算规律相吻合。将理论计算公式应用于马嘴隧道出口浅埋段隧道稳定性计算,由计算所得围岩稳定性系数及现场隧道变形监测结果提出隧道围岩及地表稳定性处理措施。

层状含水页岩的抗拉强度特性试验研究

为分析层理和水对页岩的抗拉强度特性的影响,现场选取龙马溪组黑色页岩制备成4种含水状态含层理页岩,沿与层理呈0°、30°、60°和90°夹角加载进行巴西劈裂圆盘试验,试验过程同步进行声发射测试,并采用离散元软件3DEC对试验结果进行数值模拟验证。结果表明,相比于含层理页岩,同时考虑含水和层理的页岩在巴西劈裂试验中有其独特的破坏模式和力学特性。含层理页岩的巴西劈裂破坏模式和抗拉强度均与层理角度和含水率有关,破坏模式主要受控于层理与荷载的加载方向,水虽不会影响其破坏模式但能够导致次生裂纹的形成。抗拉强度则表现出随层理角度的增加而先减小后增大,随含水率的增加而减小的趋势。并且,在页岩同时受水和层理损伤作用时,受层理损伤程度越大,水对其损伤程度也越高。通过对含层理不同含水率页岩的微观结构分析得到了上述变化规律的内在机制,即页岩层理面处的内部矿物颗粒遇水膨胀,产生膨胀力作用,使页岩内部结构变得松散、破碎,微裂纹逐渐增多、变宽,宏观表现为次生裂纹的增多,矿物颗粒间的黏结力也在水的作用下降低从而使页岩的抗拉强度下降。

单轴压缩下层状含水页岩损伤破坏过程及特征

页岩在重庆地区分布较广,在隧址围岩赋存环境中占较大比重,考虑到层理和水对页岩性质影响显著,因此,对页岩在层理和含水率影响下损伤破坏过程和劣化机制进行研究。试验借助于MTS815岩石力学测试系统和PAC声发射仪,进行单轴压缩条件下层状页岩损伤破坏过程的声发射试验研究,并采用大型离散元软件3DEC对页岩破坏模式进行对比分析。研究结果表明:(1)页岩的矿物成分、矿物排列和加载方向决定其损伤破坏过程,原生微裂隙的分布、矿物晶粒大小和加载方向决定了宏观裂隙的分布,宏观裂隙则控制着页岩的破坏模式。(2)页岩内部沿层理方向原生微裂隙群是页岩破坏起裂部位,次生微裂隙常沿矿物边界发展,与加载方向基本一致,最终形成宏观裂隙,起到连通层理破裂面的作用。(3)层状页岩AE事件的生成和分布与试件内部的微裂隙分布关系密切,初始压密阶段积聚于试件中部层理附近,后沿层理法向方向向端部或两侧发展,最终沿宏观裂隙转折及交点处聚结成核。(4)层理和水对页岩的损伤劣化机制不同,层理对页岩的损伤作用本质上是沿层理分布的原生微裂隙群的损伤作用,而水对页岩的损伤作用主要是水的吸附和毛细管压力作用。

锚固方式对节理岩体剪切性能影响试验研究

分别采用预制混凝土块、45号钢螺杆、矿用化学浆液来模拟围岩、锚杆及锚固剂进行节理岩体室内剪切试验,研究在无锚、端锚和全锚3种情况下节理岩体抗剪特性及锚杆受力变形特征。研究结果表明:在不同锚固方式下节理岩体的剪力-位移曲线有显著的差异,无锚试件表现为脆性特征;端锚试件在调动锚杆抗剪强度时会有一剪力小幅下降的转折点,全锚试件与节理匹配性较好,可以承受更大的剪力;对于加锚试件,无论是端锚还是全锚锚杆,根据锚杆变形特点,均可分为拉伸区、剪拉区和压缩区。锚杆在剪力和拉力综合作用下破坏时即发生在剪拉区。锚固方式不同,剪切试验过程中锚杆轴力分布也不同,全锚锚杆主要分布于节理面附近,随着与节理距离增加,轴力迅速衰减。端锚锚杆轴力分布则相对均匀。

孔洞数量及孔径对大理岩力学特性影响的试验研究

为分析孔洞数量及孔径对大理岩力学特性的影响,对含不同孔洞数量及孔径的大理岩进行单轴压缩试验,并对破坏前后的试件进行CT扫描,研究其损伤裂纹空间分布特征。试验结果表明,孔洞数量及孔径对试件的强度参数、破坏形式及损伤程度等均有较大的影响,主要具体表现为(1)随着孔洞数量及孔径的增加,试件的弹性模量、峰值强度、起裂应力和起裂应力水平逐渐减小;(2)随着孔洞数量及孔径的增加,试件在破坏过程中的拉剪裂纹增多、远场裂纹减小,且在破坏后的破坏形式逐渐由拉剪破坏过渡到剪拉破坏,破坏后的损伤程度逐渐增加;(3)单轴压缩条件下的含孔试件,其破坏过程在试件的前后方向表现为由一方向另一方逐渐破坏,在试件的上下方向表现为由圆孔所在平面向上下两端逐渐破坏;(4)单轴压缩条件下的含孔岩样损伤分布在试件的前后方向上表现为由一方向另一方的逐渐减小,上下方向上则表现为由圆孔向上下两端逐渐减小,需注意的是由于损伤的叠加效应多孔试件在其上下方的最大损伤面并非位于圆孔处而是位于两圆孔的中间处。

单轴压缩下含层理加锚岩石力学特性研究

为分析锚固方式和层理对加锚岩石力学特性影响规律,采用相似材料预制含层理岩石,室内钻取0°和90°层理标准试件,以45号钢加工而成的螺杆模拟锚杆,分别对试件进行端部锚固和全长锚固,从而得到不加锚杆、端部锚固、全长锚固3种试件,而后在MTS815岩石力学试验系统上对试件进行单轴压缩试验分析其变形、强度特征。结果表明:锚杆可提高岩石的强度,且层理方向和锚固方式影响其对强度的提高幅度。层理相同的加锚试件,全长锚固下岩石的抗压强度提高幅度大于端部锚固岩石;同一锚固方式下,90°层理加锚试件的单轴抗压强度提高幅度大于0°层理加锚试件。锚固方式不同,加锚试件的破坏形式亦有所差别。根据锚固方式不同,可将破坏形式分为剪切拉伸和剪切错断2种。锚固方式对加锚试件锚杆失效模式无影响,二者均表现为岩体与灌浆界面滑脱,但全长锚固与端部锚固所不同的是,全长锚固锚杆与岩石粘结长度更大,粘结强度更高,失效时可带出更多、更厚的岩石碎屑。

地下采空诱发顺层岩质斜坡变形破坏特征研究

为揭示地下采空诱发顺层岩质斜坡变形失稳的机制,采用底摩擦模型模拟试验方法,以重庆市鸡尾山地质条件为试验对象,研究不同开采顺序(顺坡开采、逆坡开采)、煤柱留设(上下边界矿柱、区段或水平矿柱)情况下,地下采空区不同空间分布诱发其上覆岩层的变形破裂响应特征。结果表明:1)地下采空区分布不同,其上覆岩层变形破裂响应特征也不同;2)软弱夹层是顺层斜坡的潜在滑动面,同一矿山地质条件、不同采空区影响下的软弱夹层可分为凹形、凸形、S形、反S形4种类型;3)地下采矿形成采空区后,岩体破坏规模及程度主要受地质环境和开采方式的控制,地下采空影响下类似含软弱夹层缓倾斜顺层斜坡的变形机制为弯曲-断裂、滑移-拉裂。

水平层状页岩隧道底鼓机理及处治技术

采用室内岩石物理力学性质、理论分析、数值模拟和现场调查相结合的方法,对南道高速公路马嘴隧道左线水平层状页岩底鼓机理进行研究。结果表明,页岩单轴抗压强度仅为17.7 MPa,强度较低,仰拱开挖后未及时封闭成环是底鼓发生的主要因素,水理作用、围岩蠕变特性使底板页岩岩层强度进一步劣化,底板岩层在水平应力作用下发生离层、弯曲、折断,形成挠曲褶皱型底鼓。在对水平层状页岩隧道底鼓机理正确认识的基础上,提出了底板锚杆注浆+反底拱相结合的返修处治方案,采用FLAC3D数值模拟软件对处治前后效果进行对比分析,借助现场底板变形监测数据进行验证,该方案能够有效控制层状页岩的底鼓。

层状炭质页岩隧道底鼓机理分析

为分析重庆某高速公路隧道穿越层状炭质页岩段底鼓机理,采用现场调查、室内实验的方法调查分析仰拱质量,隧道底板赋水情况,炭质页岩隧道围岩强度,遇水软化性、膨胀性及地下水对仰拱混凝土的腐蚀性。建立了Flac3d数值模型进一步分析围岩压力和地下水压力作用下隧道围岩位移场、应力场和渗流场分布情况。研究结果表明,该炭质页岩隧道底鼓是隧道围岩强度低、地下水对围岩的软化和水压力作用以及炭质页岩的流变等综合因素所产生的。

穿越页岩段大变形隧道初期支护系统试验研究

为解决马嘴隧道穿越破碎薄层状页岩段时发生的大变形问题,进行了隧道初期支护系统试验研究。现场分别设置Ⅰ14,Ⅰ16钢拱架试验段,通过现场试验、数值分析、室内岩石力学试验综合分析,得出以下结论:马嘴隧道掌子面上半部页岩岩层薄、岩体破碎,裂隙水大,页岩浸水强度减小是拱顶部位发生大变形的内因;格栅架不能满足掌子面开挖后混凝土达到预期强度前的支护要求,Ⅰ14钢拱架支护效果稍优于格栅架,但不能控制围岩的持续变形,Ⅰ16钢拱架立架能提供较大的支护阻力,控制混凝土喷层达到设计强度前的围岩变形,保护混凝土喷层不受破坏,保证支护系统的完整性。现场实证,Ⅰ16钢拱架+系统锚杆+喷射混凝土+钢筋网+超前注浆导管+锁脚锚杆的支护系统能很好地解决马嘴隧道的大变形问题。

地质因素对隧道围岩松动圈的影响分析——以重庆某隧道为例

为了分析地质因素对隧道围岩松动圈的影响,以重庆某深埋特长隧道为工程背景,根据该隧道埋深和围岩级别多变等特点,运用数值模拟、正交试验和现场实测相结合的方法,研究该隧道围岩松动圈产生、发展和分布的规律。结果表明:该隧道围岩的内摩擦角和黏聚力与松动圈大小呈负相关关系,侧压系数和埋深与松动圈大小呈正相关关系,且内摩擦角和埋深是影响该隧道围岩松动圈大小的主要因素。依据研究结果,可以确定该隧道不同地质条件下的围岩松动圈分布情况,及时优化支护参数,以指导隧道安全高效地施工。

监控监测系统在马嘴隧道的综合应用

本文基于KJ90NB监测监控系统、KJ251A人员定位系统及车载瓦斯监控系统在高瓦斯隧道马嘴隧道的应用,着重介绍了KJ90NB瓦斯监控的组成、工作原理及在马嘴隧道的应用;着重介绍了KJ251A人员定位系统的组成、工作原理及在马嘴隧道的应用;着重介绍了车载监控系统的组成、工作原理及在马嘴隧道的应用。

层状复合岩体损伤演化规律及分形特征

采用现场所取页岩和灰岩经室内加工"拼接"成6种不同组合方式的层状复合岩体,研究其在单轴压缩下的损伤破裂过程和声发射特征。试验过程中采用声发射系统采集试件在试验过程中所释放的声发射信号,试验前后对复合岩体进行CT扫描,分析试件破裂前后内部裂纹发育情况,并引用分形理论对破裂试件不同部位CT图像进行损伤程度分析。研究结果表明:(1)层状复合岩体的破坏是页岩组分材料和灰岩组分材料在荷载作用下耦合破坏的过程。破坏过程中灰岩组分材料对页岩组分材料的横向变形有制约作用,页岩组分材料对灰岩组分材料的横向变形则有反向促进作用,破坏时页岩组分材料的强度大于单一页岩,灰岩组分材料的强度则小于单一灰岩。(2)根据组合方式不同,将层状复合岩体破坏模式分为张拉劈裂型破坏、剪切滑移型破坏和劈裂剪切复合型破坏3种。岩石的组合方式决定着其受力状态,从而影响着复合岩体的破坏模式。(3)复合岩体平均CT数和试件扫描破裂断面盒维数均能够反映出复合岩体的损伤程度,即试件破坏前后断面CT数差值越大,断面盒维数越大,则其损伤程度也越大。

单轴压缩下软硬互层岩石破裂过程的离散元数值分析

采用离散单元法研究了软硬互层岩石材料在不同层面倾角条件下的单轴压缩破坏过程,并结合复合岩体破坏的理论分析,求解了交界面上的界面黏结应力。考虑弱相岩石和弱界面的影响提出了软硬互层岩体的强度曲线。结果表明:随着层面倾角的增大,岩石的单轴抗压强度和弹性模量,以及总裂纹数量呈先减小后增大,层面倾角90?时的强度甚至超过了0?时的强度。裂纹数量以剪切裂纹为主,而拉伸裂纹较少。互层岩体由于层间力学属性不同,极有可能在交界面处引起应力集中,使得在交界面附近裂纹最先萌生,裂纹进一步向交界面两侧岩体中扩展,从而引起宏观裂纹的出现,最终引起岩体的破坏。裂纹的萌生位置和扩展模式直接决定了岩体的最终破裂形态。层面倾角?=45°~75°的试件主要发生沿材料交界面的滑动破坏。层面倾角?=0°和?=90°的试件主要发生拉伸破坏。层面倾角?=15°和?=30°的试件呈现弱相材料的拉伸破坏与沿层面滑动相结合的复合破坏。建立的界面黏结应力表明界面的应力状态由弱相材料控制。

支护结构对层状及软弱岩体隧道支护作用机制

为分析隧道支护结构作用机制及其在层状和软弱岩体隧道中的支护特性,通过室内物理模拟试验和现场测试,研究普通螺纹锚杆和钢花管锚固下的岩石在单轴压缩试验下的力学、变形特性及其现场支护特性。试验结果表明:(1)锚杆主要通过改善围岩的受力状态和提高围岩强度2个方面来实现其锚固作用,并且锚杆对锚固体围岩强度参数的提高主要表现为预紧力的压缩带作用、锚固剂对围岩损伤的修复作用和锚杆杆体对锚固体整体强度和密度的增强作用3个方面。(2)通过对试验后的加锚试件进行CT扫描发现,锚杆对裂纹的止裂作用是锚固区对裂纹的弱化、剪段、止裂的结果,其止裂效果与锚固区范围大小有关,锚固区范围越大,止裂效果越好。(3)由于药卷锚杆和钢花管的锚固特性不同,药卷锚杆能够很好地锚固岩性一般的层状页岩隧道,而具有注浆功能的钢花管更适用于岩性较差的软弱破碎岩体。

高分子材料固结和加固作用下试件力学性质及其应用研究

为了研究高分子材料作用于岩体后试件力学特性及破坏规律,以采煤工作面大冒顶、片帮事故为研究背景,采用在实验室制取高分子材料固结、加固试件并对其进行单轴压缩试验的方法进行研究。通过对试件结果进行分析,得出固结、加固试件单轴受压的宏观力学响应规律,以此为基础将高分子材料应用于现场处理工作面因大冒顶、片帮事故引起的矸石堆积、煤壁破碎等问题。研究表明:高分子材料能够有效固结矸石,并且试件抗压强度、裂纹扩展、破坏形态等规律与高分子材料用量有关;高分子材料加固煤、岩体时在材料高强的黏接作用下显著提高预制裂隙煤、岩体的力学强度,对于同种岩性的岩体来说,在材料用量一定的条件下,竖向加固与横向加固作用效果有明显区别,高分子材料加固不同岩体时,作用效果也不尽相同。

含孔洞加锚岩石力学特性及裂纹扩展规律

为研究含孔洞加锚岩石的力学特性和裂纹扩展规律,采用相似材料制作包含7种支护情况、0°和90°两种层理的含孔洞加锚试件,在MTS815岩石力学试验系统上进行单轴压缩试验,试验后对破裂试件进行CT扫描,分析试件不同部位裂纹分布规律。结果表明,支护结构显著提高了含孔试件的强度值,但不同支护结构的提升效果不同,以锚杆的作用最为显著,混凝土和钢拱架层效果则不太明显。层理不同,支护结构对试件的强度提升效果也不同,支护结构对90°层理试件的围岩强度提升效果要好于0°层理试件。结合试验结果和理论解析解公式发现,锚杆对岩体的锚固作用主要是通过改变锚固区域围岩应力状态和改善围岩力学参数来实现的,而混凝土和钢拱架则可以为孔洞提供支撑压力,有效防止孔洞的剥落、片帮等破坏,有利于维持孔洞的完整性。另外,对破坏后的试件CT扫描断面进行分析,发现锚杆对岩体的锚固作用使岩体一定范围内形成锚固区,锚固区对试件中的裂纹发展具有弱化、止裂和改变其传播路径等作用。