含层理加锚灰岩单轴压缩力学特性及变形全过程统计损伤模型

为了探究锚固角度对含水平层理加锚灰岩单轴压缩力学特性的影响,利用WAW-3000 kN伺服万能液压试验机和PCI-2声发射采集系统,对不同锚固角度的加锚灰岩进行单轴压缩及声发射特性试验,得到了弹性模量、泊松比、抗压强度等力学指标随锚杆倾角的变化规律,并对声发射变化规律进行了分析。结果表明,加锚灰岩力学参数表现出明显的各向异性特征,且在不同的变形阶段声发射能量的变化规律也不相同。同时,综合分析了加锚灰岩空隙与骨架两部分变形之间的关系,基于声发射规律建立了考虑压密效应和弹塑性损伤演化的加锚灰岩全过程变形破坏分析方法和解析模型,其计算结果与试验曲线吻合度较高,表明所建立的模型能够很好地反映荷载作用下加锚灰岩加载初期空隙压密非线性变形和中后期累计损伤破坏的全过程。

灰岩隧道开挖损伤区特征研究:以桐梓隧道为例

【目的】隧道损伤区范围及其损伤特征的精确表征对隧道工程岩体质量评价和围岩支护优化十分重要。【方法】以贵州桐梓隧道为研究对象,通过围岩钻孔岩芯精细编录、钻孔波速测试和钻孔电视摄影,获得围岩内开挖诱发裂隙分布及岩体波速劣化特征;并对不同钻进深度的岩芯开展核磁共振测试,认识损伤区岩芯细微观结构改变特征。【结果】结果显示,岩芯获得率在1.25倍洞径范围内降低,新生裂隙在1.25倍洞径范围内出现,岩体波速在0.4~0.6倍等效洞径范围内降低明显;孔隙率在0~3 m内急剧下降,该范围内大孔孔隙增大明显。【结论】对比多种理论强度计算的开挖损伤区范围结果发现,Hoek-Brown准则、统一强度理论和数值模拟计算获得的损伤区范围与实测结果一致,适用于灰岩体损伤强度理论计算。损伤范围判定的经验公式,获得了判定损伤区的指标,对定量判定灰岩隧道开挖损伤范围具有重要意义。

层状灰岩酸蚀化学-力学损伤演化机制研究

为研究酸性水对碳酸盐岩溶蚀-力学特性的影响,在固定时间、常温常压状态下,将不同倾角层理的灰岩岩样分别放在pH=3、4、5的酸液中进行固定流速溶蚀试验,并对溶蚀试验后的岩样进行单轴压缩、声发射(AE)及电镜扫描试验(SEM),获得岩样酸蚀前后质量、波速、Ca^(2+)/Mg^(2+)浓度、峰值强度、弹性模量、声发射振铃计数等指标的变化规律,分别采用溶蚀前后波速变化、声发射累积振铃计数表征岩样的化学溶蚀损伤和力学损伤,建立灰岩全变形过程的化学-力学损伤演化方程。试验结果表明,溶液酸性强度与岩样溶蚀率成正比,与宏观力学强度成反比,并且层理倾角对溶蚀的影响程度为90°>0°>45°。在酸性环境中,灰岩内部晶体被溶解,矿物联结减弱,从而引起宏观力学参数的改变,研究结果可以为废弃矿山岩体稳定评价提供参考。

Air pressure law of a reservoir constructed in karst sinkholes

Karst sinkholes with natural negative landform provide favorable conditions for the pumped storage reservoir construction for less excavation work.However,the construction of the reservoir would plug the natural karst channels for water and air,which would cause remarkable air pressure in karst channels when the groundwater level fluctuates.A large laboratory simulation test was carried out to study the air pressure variation of a reservoir built on the karst sinkhole.The air pressure in the karst channel and inside the model was monitored during the groundwater rising and falling process.Result showed that the variation of air pressure in the karst channel and the surrounding rock exhibited a high degree of similarity.The air pressure increased rapidly at the initial stage of water level rising,followed by a slight decrease,then the air pressure increased sharply when the water level approached the top of the karst cave.The initial peak of air pressure and the final peak of air pressure were defined,and both air pressure peaks were linearly increasing with the water level rising rate.The negative air pressure was also analyzed during the drainage process,which was linearly correlated with the water level falling rate.The causes of air pressure variation in karst channels of a pumped storage reservoir built on the karst sinkhole were discussed.The initial rapid increase,then slight decrease and final sudden increase of air pressure were controlled by the combined effects of air compression in karst channel and air seepage into the surrounding rock.For the drainage process,the instant negative air pressure and gradual recovering of air pressure were controlled by the combined effects of negative air pressure induced by water level falling and air supply from surrounding rock.This work could provide valuable reference for the reservoir construction in karst area.

岩溶洼地抽水蓄能建库适宜性评价体系及目标优选

为解决岩溶洼地修建抽水蓄能电站选址的实际工程问题,利用DEM数据和ArcGIS平台自动提取岩溶洼地并进行属性分析和计算,开展岩溶洼地建库资源评价及上库库址优选研究。提出洼地坡度、库容、岩组类型、断层、水文地质、上下库竖直距离和距高比7个建库决策关键性影响因子,构建模糊综合评判模型和偏最小二乘通径模型,以生态保护红线和自热保护区为限制性因素,对研究区488个候选洼地进行初步筛选排序。研究结果表明,竖直距离、库容、距高比三个因素对选址决策起到关键性作用;应用GIS地图叠加技术能很好排除因环境因素限制的不可行站点。通过两种模型普选出的前10个优选洼地中共有6个吻合,一致性较好说明评价模型适用性强、评价结果可靠性高;优选出的洼地与指标体系的量化标准基本一致,在工程实例中得到了很好的验证,其中白水塘1#洼地最适合建设抽水蓄能电站。

岩体裂隙网络渗流模型及隧道掌子面渗流预测研究

【目的】岩体的裂隙特征直接影响其渗流特性,随着隧道工程中与岩体裂隙渗流有关的突涌水问题日益突显,为提高隧道建设与维护的安全性及稳定性,建立一套隧道掌子面岩体裂隙渗流量的预测计算程序。【方法】基于MATLAB平台,利用Monte-Carlo随机模拟方法编制岩体裂隙二维网络模型生成程序及稳定渗流数值计算程序,研究了裂隙岩体表征单元体积(REV)的尺寸效应及渗透张量的确定方法。将该程序应用于某地铁隧道,在现场调查及裂隙参数统计的基础上,对隧道掌子面裂隙岩体稳定渗流量和渗透系数进行预测。【结果】结果显示:(1)掌子面岩体裂隙方向角服从正态分布,迹长及间距服从负指数分布;(2)裂隙岩体表征单元体(REV)的最佳尺寸为裂隙迹长均值的14倍;(3)计算了裂隙岩体的渗透系数椭圆、渗透张量及渗透主轴,分析结果表明该隧道掌子面裂隙岩体具有强烈的渗透各向异性特征。【结论】结果表明:岩体裂隙的网络模型对于隧道工程岩体的水力学问题研究有不可替代的作用。所编程序可以预测隧道开挖过程中掌子面的渗流量和渗透主方向,为采取经济、合理的地下水控制措施提供依据。

不同倾角厚层灰岩极限拉应变确定方法研究

岩土工程中广泛应用极限分析法判断岩土体的局部破坏和整体破坏,其中极限应变值的确定是关键。基于室内试验、FLAC 3D有限差分和PFC 2D离散元方法,对7种不同倾角厚层灰岩岩样进行巴西劈裂试验及对应的数值模拟,研究其抗拉力学参数各向异性特征和破坏过程,并对3种确定极限拉应变的方法进行对比分析。研究结果表明:不同倾角的层状灰岩其抗拉强度和峰值应变具有各向异性特征;0~90°倾角岩样破坏模式从基质拉裂破坏逐渐向拉-剪复合破坏、层理拉裂破坏转变;应力-应变曲线弹性阶段的终点纵坐标为极限拉应变,其大小约为破坏拉应变的70%,当应变超过极限拉应变后裂纹开始萌生、扩展从而进入塑性阶段;3种方法得出的极限拉应变值随岩层倾角变化规律相似,量值差异较小。将室内试验和数值模拟相结合能从宏细观层面多角度展示含层理灰岩岩样裂纹萌生、扩展及贯通的全过程,对于岩土工程设计中的参数取值具有重要的指导意义。

基于结合水膜厚度变化的红黏土收缩机理研究

结合水的含量及存在形式对红黏土的物理力学性质具有重要影响,而红黏土宏观收缩会引起土粒、孔隙、结合水微观结构变化,进而可能产生土体浅表层开裂引发渗透、失稳等工程地质问题。采用热重分析试验、BET测试试验、电镜扫描和Zeta电位试验对原状红黏土收缩过程中结合水的变化特征进行了研究,建立了基于结合水膜均匀分布下的球状和薄片状黏土颗粒结构模型,并推导出结合水膜厚度的计算公式。研究结果表明,原状红黏土中的水分大部分以结合水的形式存在,红黏土的收缩过程一直贯穿着弱结合水的损失,Zeta电位和比表面积不断减小,结合水膜厚度也不断减小。研究结果揭示了红黏土失水收缩的内在机理,可为解决环境工程地质问题提供理论支持。

层理灰岩酸性溶蚀损伤特性试验研究

碳酸盐岩在我国西南地区广泛分布,其溶蚀特性为工程建设带来不少阻力。为研究层状碳酸盐岩在酸性溶蚀条件下的溶蚀损伤规律,采用自制流动溶蚀系统对4种不同条件下的层理灰岩进行室内溶蚀试验,获得层理灰岩溶蚀后的质量损失、纵波波速变化量、溶液中Ca^(2+)和Mg^(2+)质量浓度、表面溶蚀带形态特征等状态指标。采用层理灰岩溶蚀前后质量损失率定义损伤变量,通过多元统计回归分析方法,建立起4个不同自变量(层理倾角、pH值、溶液流速、溶蚀时间)和溶蚀损伤变量之间的关系,结果表明:层理灰岩的溶蚀损伤与层理倾角、溶液pH值、溶液流速、溶蚀时间之间存在良好的数学关系;溶蚀时间对层理灰岩溶蚀损伤有显著影响,溶液流速和pH值次之;不同层理倾角的灰岩,相同酸性环境下溶蚀效应呈现出90°>0°>45°>30°>75°>15°>60°的规律;层理倾角对灰岩溶蚀影响较其他因素小,但是对岩样表面溶蚀形态起到了决定性作用。研究结果可以为灰岩地区工程实践和地质灾害防治提供一定参考。

贵阳红黏土轴向循环加卸载强度与变形特性试验研究

为了探究循环加卸载作用下贵阳红黏土宏观力学特性,采用固结不排水剪三轴试验,分析含水率、围压、应力路径对贵阳红黏土强度及变形性质的影响,研究循环荷载作用下土体受损程度的表征方法。研究结果表明:循环加卸载过程中红黏土存在后继压密与小幅回弹特性,随着围压的升高、含水率的降低,后继压密阶段更加明显,峰值强度呈明显的上升趋势。相同围压条件下孔压达到峰值状态时存在一临界应变点,此点之前孔压循环曲线不能形成滞回环,之后随循环荷载呈滞回环式平稳消散。循环荷载作用下试样小孔增多,有利于摩擦强度的发挥,但孔隙水压力增大使得有效黏聚力减小。加卸载模量随着应变的增大呈减小趋势,表现出明显的损伤特性,损伤系数最终分布在0.80~0.95。

土工格栅加筋土强度及排水特性优化研究

加筋土由于筋土界面相互咬合、摩擦、粘结,不仅有效提高土体的承载力和稳定性,而且点面(或线面)型接触在界面上形成了一条优先导水通道。为了认识土工格栅加筋土的变形、强度和排水特性,在常规三轴压缩试验基础上,设计含水率、加筋间距、垫层料粒径3因素、4水平的L_(16)(4^(3))正交试验,得到固结排水量-时间曲线、应力-应变曲线、孔隙水压力-时间曲线。通过极差分析,找出不同因素和水平变量对格栅加筋地基填料抗剪强度和渗透系数影响大小的关系,从而找出相对于不同含水率的最优加筋间距和垫层料粒径。经过研究结果发现:随着加筋层数的增加,加筋土的黏聚力也会有所提升,而内摩擦角则会有所下降,渗透系数也会有所上升;此外,砂垫层的加入也会提高加筋土的黏聚力,但粒径的变化对黏聚力影响不明显,而内摩擦角则会随着粒径的增加而有所上升;渗透系数在砂垫层粒径较小时有增加,随粒径增大而减弱;加筋土固结不排水三轴试验表明了加筋对土体强度和渗透能力均有促进作用。研究成果为充分发挥土工格栅力学和排水特性提供了依据。

基于横观各向同性的土工格栅增强地基力学特性研究

【目的】土工格栅加筋地基在水利、建筑、交通等工程应用广泛,其竖直方向和水平方向的力学特性是值得关注的焦点。为研究不同加筋间距、层数对土工格栅加筋地基竖向和水平向承载特性的影响,【方法】通过物理模拟浅层平板载荷试验,将土工格栅加筋地基视为横观各向同性介质,结合复合材料力学理论推导出了弹性参数的求解方法,同时考虑地基横观各向同性特征计算了竖向附加应力及沉降量。【结果】结果显示:400 kPa可作为地基极限荷载值,加筋5层、7层、16层在相同沉降位置的地基承载力分别提高了26%、39.2%、63.5%;在相同挡墙高度107 cm处,加筋5层、7层、16层工况相比无加筋工况水平位移减少了59%、66%、85%。【结论】结果表明:土工格栅加固地基后对土体的变形模量、剪切模量增强作用显著,而竖向泊松比变化较不明显;加筋地基的水平、竖向变形模量分别与加筋率之间存在较好的线性关系,采用横观各向同性模型推导计算的附加应力值接近试验值,计算的沉降量与试验值误差较小。研究成果可为类似实际工程设计提供一定的理论依据。

地质工程本科专业“三全育人”培养模式探索与实践

为落实“立德树人”根本任务,调动广大教师广泛参与“为党育人,为国育才”行动,针对地质工程专业特点,将地质精神、工匠精神、创新精神等思政元素、贯穿教育教学全过程和各环节,对学生全员、全过程、全方位成长加以辅导,构建“品格塑型”“知识储备”“能力培养”高度融合的培养体系,提升贵州大学地质工程专业人才培养质量,方法具有一定的推广及借鉴价值。

岩质相似材料配比的正交试验研究

为研究模型试验中岩质相似材料的选择和配比问题,基于正交试验设计方法,选取重晶石粉、石英砂、细砂为骨料,石膏和水泥为黏结剂,设置(重晶石粉+细砂)/骨料、细砂/(重晶石粉+细砂)、(石膏+水泥)/固体、水泥/(石膏+水泥)质量比4个控制因素,每个因素4个水平,共计16组试验方案。通过室内试验,得到不同相似配比下相似材料的密度、抗压强度、弹性模量、黏聚力和内摩擦角等力学参数指标。试验结果表明:相似材料和岩质材料的全应力-应变曲线以及单轴压缩试验的典型破坏形态基本吻合;相似材料密度分布较均匀,抗压强度、弹性模量、黏聚力和内摩擦角分布广泛,达到了模型试验中对岩质相似材料的要求。采用极差分析法和方差分析法对影响材料性质的不同因素进行分析得出,影响密度、抗压强度、弹性模量、黏聚力的主控因素均为黏结剂中水泥的含量,内摩擦角主要受重晶石粉和细砂在骨料中所占比例的控制。研究结果可为后续地质力学模型中岩质相似材料的选取提供一定的理论依据和实践操作经验。

基于PFC^(3D)位移判据的低渗堆积层滑坡临界降雨阈值反演

贵州省罗甸县纳缝堆积体滑坡体具有吸水性强、低渗透性、易饱和的特点,目前处于蠕滑变形阶段。通过堆积体颗粒级配试验及室内大剪试验结果,运用PFC^(3D)离散元数值软件建立反映颗粒相对大小的三维数值试验模型,反演对应于滑坡土体材料宏观力学特征的细观参数。通过现场无人机勘测摄像(UAV)生成数字高程模型(DEM),建立纳缝滑坡的三维数值模型,模拟该滑坡在自重及不同地下水位静水压力作用下的变形和运动过程,监测模拟过程中颗粒的位移,将位移突增点(计算不收敛)对应的地下水位作为临界过渡参数。基于Pradel&Raad提出的降雨入渗土坡深度的算法,反演临界降雨强度、降雨时长及降雨量;结合该滑坡体的位移监测数据、年降雨量的变化情况以及斜坡所处的稳定状况,验证降雨预警阈值的合理性。研究结果表明,纳缝滑坡地下水静水压力的大小与坡体的稳定性关系紧密,其破坏的临界静水位高度在1.70-1.75 m之间,反演得到的降雨预警参数阈值为降雨强度5.73×10^(-5)cm/s,降雨量439.13 mm。其工作思路和方法可为类似滑坡提供参考和借鉴。

贵阳红黏土介-微观结构分形特征研究

为揭示贵阳红黏土介-微观结构分形特征和准确预测其宏观物理力学特性,通过对组成贵阳红黏土的颗粒和孔隙分别进行粒度分析和吸附测试,研究其颗粒和孔隙分形特征,并采用岩土体多孔介质分形模型合理预测孔隙率等宏观物理力学特性.研究结果表明:贵阳红黏土颗粒和孔隙分布均具有分维性,通过对比分析贵阳红黏土颗粒质量分维和体积分维,并考虑介-微观结构的影响,取其颗粒分维数为2.83;基于N2吸附-脱附等温曲线,采用FHH模型和Pfeifer等理论求解出贵阳红黏土孔隙分维数为2.65,同时通过SEM图像定量计算出孔隙结构特征的量化参数与理论计算结果基本一致;采用Rieu和Sposito基于假想的团聚体模型和分形理论推导的土体孔隙率公式,结合贵阳红黏土基本物理力学试验,实现了对贵阳红黏土孔隙率的合理预测;结合不同干密度下贵阳红黏土三轴剪切试验结果,较好的分析了贵阳红黏土颗粒和孔隙分布分维特征及对初始干密度和宏观力学强度的影响.

贵阳红黏土的应力-应变软化模型及参数研究

通过对不同含水量和不同围压下的贵阳红黏土进行三轴固结不排水试验,系统地研究了贵阳红黏土的软化特性及孔隙水压力的变化规律。试验结果表明:贵阳红黏土破坏形态具有明显的剪切带;应力-应变曲线出现了带有驼峰的应变软化现象,固结过程中孔隙水压力与时间呈指数函数关系,剪切过程中孔隙水压力与轴向应变呈双曲线型。研究认为,土体的结构屈服应力和固结不排水试验中产生的孔隙水压力是造成贵阳红黏土软化的主要因素。根据沈珠江、张尔齐等人的软化模型,对贵阳红黏土进行拟合,求解模型参数及置信区间,为贵阳红黏土进一步的数学模型建立提供理论基础。

循环加卸载作用下贵阳红黏土损伤特性试验研究

为研究贵阳红黏土在循环荷载作用下的损伤特性,揭示抗剪强度参数随加卸载过程的损伤演化规律,通过应力-应变控制式三轴剪切渗透仪中的应力路径试验模块,对ω=29%、32%、35%以及38%4种含水率的贵阳红黏土在σ_(3)=100 kPa、200 kPa和300 kPa围压下开展固结不排水剪循环加卸载试验。研究结果表明:卸载过程中土样表现出变形增强性,卸载后轴向应变增量越大,松弛时间越长,回弹变形量越大;综合考虑含水率与围压条件的影响,建立贵阳红黏土剪切过程中弹性变形演化的数学关系式,并与试验结果进行对比验证,拟合度达95%以上;采用等效塑性剪切应变作为塑性内变量,对贵阳红黏土剪切全过程强度损伤特性进行研究,发现其胶结强度不断损失,而摩擦强度不断增加;且随着含水率的增加,内摩擦角的变化范围为21.8°~16.1°,黏聚力的变化范围为83.7~57.5 kPa。研究成果可为路基压实及考虑加卸载工况的土坡稳定性评价提供理论指导。

单向加锚双向增强岩质材料力学参数试验研究

岩土锚固技术在边坡工程和地下洞室支护过程中有着广泛的应用,能将较不稳定的岩土体锁固在稳定的地层中,但因岩体结构的复杂性导致岩体存在着沿其结构面破坏的趋势,使锚杆不但承受沿其轴向的抗拉作用,还应发挥沿结构面方向的抗剪作用。为验证单向加筋对岩石力学参数的双向增强作用,基于相似理论,以西南地区常见的灰岩为参照对象,进行了不同加锚方式、不同加锚密度条件下加锚岩体双向增强作用效应的相似材料力学试验。试验结果表明:岩体加锚后,不仅对其轴向有加固作用,对径向也有一定加固作用。当加锚密度一定时,与水平加锚试样相比,垂直加锚试样的抗压强度及弹性模量提高效果更为显著,最高可达到20.60%和41.51%;在加锚方式相同的情况下,加锚密度越大,加锚岩体抗压强度和弹性模量越大,且抗压强度在加锚率0.22%附近增长最快。同时,单向加筋对其垂直面上的抗剪强度有显著提高,尤其体现在黏聚力上,最高可达199.04%,而内摩擦角值变化不大。根据试验数据,拟合了加锚复合材料轴向及径向力学参数与其加锚率之间的函数关系,得到加锚复合材料横观各向同性力学参数,可为后续的岩土体稳定性计算提供依据。

基于核磁共振技术的贵阳红黏土剪切全过程孔隙演变规律研究

为研究常规三轴压缩条件下贵阳红黏土剪切全过程孔隙结构的演化规律,探讨分析贵阳红黏土细-微观结构形态变化,揭示贵阳红黏土宏观破坏形态与细-微观结构变化的关联性。采用全自动三轴仪、低场核磁共振技术以及SEM扫描电镜对贵阳红黏土开展全过程剪切测试,并结合颗粒(孔隙)及裂隙图像识别与分析系统(PCAS)对剪切前后的试样进行分析。研究结果表明:贵阳红黏土T2谱图呈现出3种峰型,分别对应大孔隙、中孔隙以及小孔隙;荷载作用下贵阳红黏土试样的变形破坏主要以内部颗粒之间相对位置的调整为主,孔隙体积整体表现为减小;随着应力的增加,红黏土逐渐形成肉眼可见的弧形小褶皱,大尺度孔隙逐渐向小尺度的孔隙发展,小孔隙数量逐渐增加,大-中孔隙数量逐渐减少,孔隙方向越来越混乱;当小褶皱逐渐扩展、贯通形成大的滑移面,孔隙形态表现出短暂的方向性,之后滑移面的压密将使小孔隙数量减少,大-中孔隙数量增加;在整个剪切过程中,贵阳红黏土孔隙形态逐渐趋于相似,孔隙边界趋于复杂。