基于Weibull分布的非均质隧洞围岩破裂碎胀FDEM数值模拟研究

岩石材料具有非均质特征,矿物颗粒和胶结材料强度在统计学上服从Weibull分布。基于有限元-离散元耦合数值模拟方法(FDEM)提出了三角形单元弹性模量和四边形节理单元强度服从Weibull分布的参数赋值流程,随后研究了非均质岩样在单轴压缩、三轴压缩和巴西劈裂下的力学特征和破坏行为,最后对非均质隧洞围岩在高应力下的破裂碎胀大变形机制进行了模拟研究。结果表明:提出的随机参数赋值方法可建立不同弹性模量三角形单元数目服从Weibull分布、且空间分布具有随机性的FDEM数值模型;非均质岩样单轴抗压强度、三轴抗压强度、巴西劈裂抗拉强度、等效粘聚力和等效内摩擦角随着非均质度m的增大,均呈指数增大,并向均质材料逼近;高应力非均质隧洞围岩随着m的增大,裂隙网络形态变化不大,均以共轭剪切破裂为主,并伴随少量拉伸裂隙,但围岩破坏程度和裂隙扩展范围呈指数降低。

动态冲击下红砂岩蠕变特性及损伤本构模型

为研究岩石在动态扰动下的蠕变特性,在自行研发的冲击扰动蠕变试验装置上,对细粒红砂岩开展了多级冲击扰动蠕变试验,分析了不同蠕变应力与扰动能量下瞬时变形与蠕变行为,结合间接法得到了扰动能量对长期强度的影响。结果表明:动态扰动在较低的蠕变应力下使试样致密,而当蠕变应力超过一定的应力阈值后加剧试样内部的损伤恶化,其引起的瞬时变形与蠕变应变则随蠕变应力表现出先减后增的规律;随着动态扰动能量的增加,试样的破坏应变越大,但长期强度越低;引入长期强度与扰动能量的相关性、动态扰动单元和扰动-损伤黏性元件,建立了黏塑性扰动损伤蠕变模型,结合试验数据验证了该模型的准确性,该模型可以准确地描述砂岩在静态恒载和动态扰动组合作用下的瞬态变形和蠕变行为。该研究成果对于钻爆法隧道的支护设计以及安全生产具有重要的理论意义与应用前景。

隧道底板渐进破裂碎胀大变形:一种新的底鼓机制研究

底鼓是深埋高应力软岩隧道常遇灾害,现有底鼓力学机制忽略了隧道开挖导致的围岩应力释放、应力转移和应力集中现象,仅对初始地应力状态进行了分析。因此,鉴于有限元-离散元耦合数值方法(finite-discrete element method,简称FDEM)在模拟岩体材料弹塑性连续变形和断裂失效非连续变形以及破碎块体接触方面的优越性,采用FDEM数值模拟方法研究了隧道底板渐进破裂碎胀大变形演化机制,并研究了地应力侧压系数、围岩体抗拉强度和底板位置对底鼓机制的影响。结果表明:(1)隧道底板底鼓力学机制为围岩的破裂碎胀性大变形,可简述为隧道开挖导致径向应力降低、切向应力升高,当升高的切向应力超过岩体强度时便产生共轭剪切破裂并伴随拉伸断裂,最大切向应力不断向深处完整围岩演化直至与岩体强度达到极限平衡状态,剪切裂隙也随之不断向深处扩展,深部块体推挤浅部块体向隧道空间移动并产生大量空隙,发生体积膨胀现象,造成底鼓灾害;(2)根据地应力侧压系数和围岩体抗拉强度的不同,可归纳出5类不同的底板破坏模式,但都可归结为由于最大切向集中应力造成的破裂碎胀性大变形。修正了原有底鼓力学机制未考虑应力释放、转移和集中等应力演化现象的不足,提出了一种新的基于渐进破裂碎胀性大变形的底鼓力学机制,为隧道底鼓机制的研究提供了一种新视角。

我国软岩大变形灾害控制技术与方法研究进展

我国软岩工程涉及能源开采、水利、交通、国防等重要工程领域。随着我国能源开采逐渐向深部延伸以及交通、水利、隧洞等工程的发展,大量隧道、巷道需穿越软岩地层,高地应力、围岩破碎软弱等问题突出,软岩大变形灾害频频发生,造成重大安全隐患和经济损失。对我国现阶段软岩支护的研究进展做了系统的总结,从4个方面概括分析了软岩大变形灾害控制技术与方法的研究现状,包括:(1)以改进型刚性或可缩性支架、复合型衬砌为代表的被动支护方法;(2)以高强预应力锚杆、锚索为代表的增强型主动支护技术;(3)以注浆改性为主导思想的软岩改性技术;(4)让压技术;(5)多重改进方法联合支护技术。阐述了不同支护技术和方法的发展现状,分析了不同支护手段的适用条件、技术优势与不足。采用单一支护手段的改进通常难以满足软岩大变形控制的需求,如何实现不同支护措施之间的高效协同控制,以及实现对围岩变形应力场的实时精准监测等问题是目前我国软岩大变形灾害防控亟待解决的难题。最后,基于上述研究成果,分析了我国软岩大变形灾害控制技术的发展趋势并提出了建议。

砂岩裂纹起裂损伤强度及脆性参数演化试验研究

岩石起裂强度σci及损伤强度σcd作为岩石重要的强度特征值,其研究对于分析岩石的渐进破坏过程及预测隧洞脆性破坏有着重要意义。首先采用应变分析及声发射监测方法,研究了两组硬质砂岩试样在单轴及三轴压缩过程中的裂纹演化特征。试验结果表明,试样的侧向膨胀变形及声发射计数值可以较好地反映其内部的裂纹演化情况,二者随着裂纹的萌生积累都表现出一致的阶段性变化规律。同时通过进一步分析应变及声发射曲线中的阶段性变化拐点,确定了砂岩试样的起裂强度及损伤强度值。其中青砂岩平均起裂强度约为其峰值强度的0.42倍,红砂岩平均起裂强度则约为其峰值强度的0.48倍。最后通过对比不同围压下的试验结果,发现两组砂岩试样起裂阶段内摩擦角均小于其峰值阶段,初始φ0约为终值的1/2。由此定义了可反映岩石脆性程度的起裂摩擦水平φ0/φ,并建立考虑摩擦作用的线性起裂准则。

基于权重反分析的岩溶地面塌陷危险性评价方法研究

为能快速、准确地对覆盖型岩溶发育区进行地面塌陷危险性评价,提出了基于权重反分析的岩溶地面塌陷危险性评价方法。该方法在确定岩溶地面塌陷主要影响因素的基础上,收集整理了唐山地区100个典型工程实例,进而采用权重反分析方法,求得了岩溶地面塌陷各主要影响因素的权重,并建立了岩溶地面塌陷危险性综合评价的评分表。权重反分析结果表明,选取的5个主要因素的权重分别为:岩溶发育程度0.338、第四系底部隔水层隔水能力0.255、覆盖层厚度0.186、基岩水水位埋深0.174、距断裂距离0.047,采用新建立的评分表对100个工程实例的评价结果显示,其评价的正确率达到99%,证明该表具有良好的可行性与有效性。此外,该评分表具有评价因子易于获取、评价过程简单易懂等特点,可准确、快捷地对与唐山岩溶发育区相似区域的岩溶地面塌陷危险性给出评价,因而值得推广和应用。

节理岩体中锚杆剪切力学模型研究及试验验证

依据最小余能原理,在考虑节理岩体中锚杆剪切变形的基础上,分析了节理面水平剪切位移与锚杆轴向及切向变形之间的关系。结合锚杆受力特点拟定了锚杆屈服模式的判定流程。建立了考虑＂等效剪切面积＂的加锚节理面抗剪强度理论计算模型,并通过室内物理试验验证了理论计算模型的准确性。讨论了锚杆倾角、围岩抗压强度、锚杆直径、法向应力等因素对加锚节理面抗剪强度的影响规律。结果表明：所建立的锚杆剪切力学模型能够较好的反映锚杆轴向力及剪切力对节理面抗剪强度的贡献;考虑＂等效剪切面积＂的加锚节理面抗剪强度计算结果与试验结果较为吻合;锚杆倾角及围岩抗压强度越大,锚杆轴向力越小,剪切力越大;锚杆直径增大,锚杆轴向力及剪切力都会增大;节理面法向应力会显著影响剪胀效应,法向应力越大,节理面抗剪强度越高。

全断面隧道掘进机护盾受力监测及卡机预警

全断面隧道掘进机(简称TBM)在穿越深部软弱地层时围岩收敛变形较大,围岩容易挤压护盾,导致TBM卡机,影响TBM正常掘进。通过分析TBM卡机灾害孕育过程,得到了预测TBM卡机的重要条件:一是围岩变形量大于预留的空间,二是额定推力不能克服摩擦阻力。为了监测实际工程TBM卡机状态,提出了一种监测护盾变形的方案以及护盾受力的计算方法,可通过监测得到的变形估算护盾的受力,进而计算出护盾受到的摩擦阻力,得到TBM卡机的状态。根据TBM受到的摩擦阻力、TBM正常掘进时所需推力和TBM额定推力之间的关系,将TBM卡机状态分为4个等级,即无卡机、轻微卡机、卡机和严重卡机,并提出了对应的处理措施。结合TBM卡机条件以及护盾受力监测方案,提出了TBM卡机灾害预警流程。在兰州水源地输水隧洞工程中应用了该监测方案和卡机灾害预警流程,应用结果表明,预测的卡机状态与TBM实际状态基本一致,说明该方法具有一定的可靠性,对指导TBM隧道施工具有重要意义。

3D打印技术在岩石物理力学试验中的应用

3D打印技术在岩土工程领域的应用还处于初步探索阶段,但其可重复制造含复杂内部结构的试样是常规室内试验无法实现的。现阶段制约3D打印技术在岩石物理力学试验中应用的主要因素在于3D打印试样强度偏低,延性较强。初步探讨了3D打印后干燥时间、打印胶水浓度对试样强度的影响,在此基础上提出了最优化打印方案,使打印试样在强度和脆性方面均有很大提升;通过改变打印方向模拟了天然层状节理岩石的各向异性特征。研究结果表明,随着打印倾斜角度的增加,3D打印试样的单轴抗压强度先减小后增大,呈"U"型变化趋势,抗拉强度也随打印方向的改变出现明显的各向异性特征,这与天然层状节理岩石相关研究成果相似。研究成果可为3D打印技术在岩土工程领域的推广和室内试验研究提供参考。

胜利褐煤及盐酸洗煤热解过程中微结构演变特性研究

利用固定床获得胜利褐煤及盐酸洗煤在不同温度条件下的半焦。利用FT-IR、XPS、XRD和Raman等技术对所得半焦进行表征,以研究胜利褐煤及盐酸洗煤热解过程中微结构演变特性。结果表明,盐酸洗煤/焦中含氧结构含量相对较高。随热解温度升高,煤/焦中含氧结构所占比例降低。褐煤热解过程中,盐酸洗脱的矿物质会抑制芳环的有序化排列,同时促进褐煤中芳环簇的缩聚,造成煤焦晶体结构缺陷增加,并对煤焦中侧链的发展不利。

支持向量回归算法在地应力场反演中的应用

地应力场是煤矿深部巷道开挖支护设计的基础数据。针对煤矿深部地层地应力实测值有较大随机误差的特点,提出基于支持向量回归(SVR)优化算法的地应力场反演方法。该方法以特征向量结构风险最小化为原则,将经验风险和置信范围最小化,减小实测地应力随机误差对参数反演的干扰。基于平煤一矿地质及地应力实测资料,建立三维有限元计算模型,引入侧压力系数,使用均匀设计表试验设计方法构造应力边界条件。根据计算分析结果建立学习样本,进而通过支持向量回归算法对边界条件参数进行优化,确定最佳应力边界条件,施加到模型上计算分析得到整个模型的地应力场。地应力测点反演值与实测值对比分析结果表明,反演值与实测值误差在合理范围,反演值比实测值随机性更小;反演地应力场分布规律与平顶山矿区地应力场分布规律一致;反演结果准确可靠。

深部巷道软弱围岩破裂碎胀过程及锚喷-注浆加固FDEM数值模拟

针对深部巷道软弱围岩的破裂碎胀大变形预测及围岩控制存在的难题,采用了有限元与离散元耦合程序(FDEM)数值模拟方法对上述问题进行了研究。首先阐述了FDEM的基本原理;然后采用单轴压缩、巴西劈裂和三轴压缩模拟试验与室内试验对比,进行了输入参数的标定;最后对深部高地应力条件下的巷道开挖后软弱围岩破裂碎胀大变形进行了模拟,并基于实体建模的方法采用了锚喷(锚杆+喷浆)-注浆对巷道围岩加固进行了模拟。研究结果表明:巷道的大变形主要是由于围岩的破裂、碎胀造成的,浅部以拉伸破坏为主,向深部过渡到剪切破坏;剪切破坏角与单轴压缩试验结果一致,为58°;裸巷的裂纹最大扩展范围为10.6 m、表面最大位移收敛量20.7 cm。采用锚喷和锚喷-注浆加固后能有效地控制围岩的变形,抑制了裂纹的扩展范围(减小到5.8 m、5.1 m),且围岩表面收敛量大幅减小(5.1 cm、4.2 cm)。

基于格栅拱架的软岩巷道分步联合控制技术研究

针对煤矿深井软岩巷道大变形灾害频发难题,以淮南矿区潘三矿软岩大变形巷道为工程背景,在系统分析围岩失稳破坏大变形原因的基础上,提出了深部软弱破碎巷道基于格栅拱架的分步联合支护技术,包括:格栅支架+一次锚杆锚索、初喷、浅孔注浆、预应力锚杆、复喷150 mm厚混凝土、深孔注浆和帮顶预应力锚索。进一步,分析了格栅拱架支护控制原理,并采用FLAC^(3D)确定了基于格栅拱架的分步联合技术的最优支护参数。现场对比分析表明,格栅拱架支护围岩初期变形速率及最终收敛变形量均大于型钢支护,但加设二次支护之后格栅拱架位移能较快收敛,此外,格栅支护在经济和效率方面优于钢拱架支护。最后,通过现场监测,格栅拱架分步联合技术各工序的最优施工周期为:预应力锚杆、锚索合理的支护时间是注浆后10 d内,而深孔注浆之后预应力锚杆2周内较优。实践表明,基于格栅拱架的分步联合控制技术深井是软岩巷道围岩控制的一条有效途径。

流变应力恢复法压力传感器传感单元方位布设研究

实时测量深部三维地应力场分布及扰动规律对工程岩体稳定性分析至关重要,但目前仍缺乏成熟的针对深部软弱围岩的地应力测试技术及配套仪器。首先详细介绍了深部软岩地应力测试方法流变应力恢复法的原理与技术,随后针对岩体压力传感器传感单元的方位合理布设问题展开了深入的理论分析。研究结果表明:如果六向压力传感器上半球的3个传感面法向布设为两两相互垂直,则下半球的3个传感面法向不能布设为两两相互垂直;如果上半球的3个传感面法向布设为两两相互垂直,则下半球的3个传感面法向不能与上半球的3个传感面法向平行,且下半球的3个传感面中不能有两个法向同时垂直于上半球任一传感面法向,下半球3个传感面法向与x、y和z轴的方向余弦值最好相差不大,且不能接近于两两相互垂直;如果上半球的3个传感面法向不两两相互垂直,从设计角度考虑列举了一种情形:上半球的3个传感面法向布设为与水平面夹角为45°,下半球的3个传感面法向与水平面夹角30°,上下半球的传感面法向在Oxy水平面上投影的夹角为60°,计算结果显示,此种布置方式是其中一种科学合理的布置方式。

两层流体中具有β变化和地形影响的Rossby波（英文）

本文研究了两层流体中具有变化的Rossby参数和地形Rossby波的问题.利用行波法和摄动的方法,获得了Rossby波振幅满足齐次Kd V方程和齐次m Kd V方程,推广了Rossby参数和地形对Rossby孤立波的影响.

完整Coriolis力作用下带有外源强迫的非线性ZK方程

在正压流体中,从包含完整Coriolis参数的准地转位涡方程出发,在弱非线性长波近似下,采用多时空尺度和摄动方法,推导出大气非线性Rossby波振幅演变满足带有外源强迫的二维Zakharov-Kuznetsov(ZK)方程.然后利用Jacobi椭圆函数展开法,求解了ZK方程的椭圆正弦波解和孤立波解.分析结果表明,Coriolis参数的水平分量将影响二维Rossby波传播的频率特征,而外源不仅对二维Rossby波动的传播的频率有影响,对振幅也产生一个调制作用.

现场岩体三轴流变试验设备研制

深部煤矿巷道围岩存在大量软弱破碎岩体,其流变特性对井下的采矿工程具有重要的影响。为研究深部煤矿巷道围岩软弱破碎岩体的流变力学特性,研制了现场岩体三轴流变试验设备,主要包括加压稳压系统、位移测量装置和整体框架三部分,通过矿用防爆电动液压泵站驱动和控制液压油缸实现对岩体试样的加卸压和保压功能,并由位移测量装置测得岩体试样的各个方向变形,整体框架实现各部分的连接及系统荷载的传递。采用该设备对煤矿井下巷道底板上现场制备的岩体试样进行分级加载蠕变试验。结果表明,该设备可实现对在煤矿井下巷道底板上现场制备的岩体试样的压缩蠕变试验,岩体试样在同一级应力水平下表现出不同的阶段流变特征,在高低应力水平下的流变特征也各不相同,应力水平增加到破裂应力时岩体试样迅速进入加速蠕变阶段并很快发生破坏。

材料科学基础网络课程应用现状及分析

为了适应课程网络化的发展需求,材料科学基础课程组建立了网络课程。本网络课程除了具有网络课程的特色外,还具有其自身的特色:教学内容的与时俱进性,教学素材的实用性、全面性和激励性以及相关优秀网络课程的链接性。

非线性(2+1)维Zakharov-Kuznetsov方程及其孤立波解

在正压流体中,利用摄动方法从描写既有Coriolis力垂直分量又含有水平分量的位涡方程出发,推导了近赤道非线性Rossby波振幅的演变所满足的非线性(2+1)维Zakharov-Kuznetsov(ZK)方程,并利用Jacobi椭圆函数展开法,求解了非线性Zakharov-Kuznetsov(ZK)方程的行波解及孤立波解.通过分析其方程的行波解及孤立波,表明Coriolis力的水平分量及β效应对Rossby波动产生一定的影响.

煤基型焦牺牲阳极强化水电解制氢实验研究

传统炭辅助电解水制氢技术将煤、生物质等碳源直接加入阳极室形成浆液,受炭颗粒、氧化基团和电极之间传递影响,反应速率慢,只有在低电流密度下才能实现电解制氢能耗的降低。以煤为碳源、碱活化生物质为黏结剂、石墨为导电颗粒,通过共成型和共热解工艺获得煤基型焦牺牲阳极,并用于炭辅助水电解制氢过程,可在高电流密度下(50 mA/cm^(2))显著提高炭辅助水电解制氢效率。电化学测试和阳极材料表征表明,煤基型焦牺牲阳极通过自身的牺牲(被氧化)强化阴极反应,进而实现水电解制氢电化学性能的提高。型焦牺牲阳极在1.23 V(vs.RHE)时,制氢电流密度是铂阳极的87倍,Tafel斜率降低了41%。煤基型焦阳极在50 mA/cm^(2)电流密度下阴极产氢速率是铂阳极体系的2.47倍,但电极电位仅为铂阳极的85%。SEM、TGA、BET、FT-IR和XPS结果表明,电解后牺牲阳极自身被氧化,羧基类C=O键被氧化生成CO_(2),醚类C–O含量显著增加。研究成果为炭辅助电解水制氢技术提供了全新思路与参考。