巷道开挖围岩能量释放与偏应力应变能生成的分析计算

巷道开挖,围岩能量释放,同时在围岩中产生偏应力。围岩应力是原岩应力与偏应力的叠加,偏应力或偏应力能控制岩体破坏。在静水压力p0和岩体体积应变为0的条件下,利用文[1]在弹性、非线性软化本构模型导得的巷道围岩应力分布表达式,用重积分计算了围岩弹性区和软化区中的偏应力应变能Ud,证明了Ud可以简捷地用地应力p0关于巷壁位移ua做一次积分再乘巷壁周长的途径来得到,阐述了该计算途径的原理。巷道开挖过程围岩释放的能量等于围岩压力pa关于ua的积分乘巷壁周长。由此,可通过p0～ua曲线、pa～ua曲线所围面积的几何形式,表示围岩偏应力能、围岩弹性能释放量随ua变化的情况。所得研究结果可以深化围岩由于开挖产生的力学响应及挖成后围岩工况规律的认识。

圆巷开挖围岩偏应力应变能生成的分析解与图解

巷道开挖在围岩中产生偏应力,围岩应力是原岩应力与偏应力的叠加,偏应力或偏应力能控制岩体破坏。在假设静水压力和体积应变等于零条件下,利用文献[1]在弹性、非线性硬化和软化光滑连接的本构模型导得的圆巷围岩弹性、硬化和软化区光滑连接的应力分布表达式,用重积分计算了圆巷围岩弹性、硬化和软化区中的偏应力应变能U d,证明了Ud可以简捷地用地应力关于巷壁位移做一次积分再乘以巷壁周长得到。由此,可通过地应力–巷壁位移关系曲线及其所围面积的几何形式表示围岩偏应力能随巷壁位移变化的情况,此研究结果可以深化由于巷道开挖围岩的力学响应及挖成后巷道围岩工况规律的认识。

麦秸秆加筋滨海盐渍土的抗剪强度与偏应力应变

与土工格栅加筋土不同,植物纤维土在加筋补强机制与抗变形性能上具有自身的特点,这可通过纤维土的三轴UU压缩试验进行研究。由麦秸秆纤维加筋滨海盐渍土的三轴抗剪强度及其偏应力应变曲线表明:①与盐渍土相比,麦秸秆纤维土的黏聚力大幅提高,内摩擦角的增幅很小。②加筋长度比0.16质量加筋率0.25%为适宜的纤维加筋条件。③纤维土的偏应力应变曲线与盐渍土的变化形式相近,均呈应变硬化型。轴向应变较小时,加筋长度比和质量加筋率对主应力差的影响较小,纤维加筋作用微弱;随轴向应变的增大,两者的影响加大,纤维加筋作用才逐渐发挥出来。④相互交织的麦秸秆纤维对土形成了空间约束作用,使得4个围压的纤维土的破坏应变均大于盐渍土的。麦秸秆纤维加筋不仅提高了土的黏聚力,还增强了土的抗变形能力。

滨海盐渍土的固化方法及固化土的偏应力-应变

滨海盐渍土可使用水泥、石灰、粉煤灰和高分子材料SH固土剂单独及联合固化,以提高土的强度、抗变形能力和水稳性。为研究各种固化方法固化盐渍土的抗变形能力和偏应力-应变特征,通过三轴UU压缩试验得到盐渍土和6种固化盐渍土的偏应力-应变曲线。曲线显示:水泥+石灰类固化土呈应变软化型、石灰+粉煤灰类固化土呈应变软化型、石灰类固化土呈应变硬化型。掺入SH固土剂,提高了固化土的浸水前后的强度,同时也增强了固化土的水稳性。掺入SH固土剂使固化土达到偏应力峰值所需的应变增加,即抗变形能力增强;0.9%SH固土剂+12%石灰+36%粉煤灰固化土具有适中的强度、良好的弹性变形和水稳性的优点,作为轻质路堤填料使用,还可减少滨海地区软土路基的沉降量,这使其成为滨海盐渍土的6种固化方案中的最适宜方案。

固化滨海盐渍土的抗剪强度及偏应力应变特征分析

采用石灰+粉煤灰和高分子材料SH固土剂改性固化滨海盐渍土,以满足作为路堤填料强度和抗变形的要求.在对不同配合比固化土的无侧限抗压强度测试结果进行对比的基础上,选择两种固化方法进行固化土的三轴压缩试验,分析浸水前后固化土的抗剪强度变化及偏应力应变特性.结果表明:与单一无机固化材料的固化土相比,掺加SH固土剂的固化土的黏聚力大幅增加,内摩擦角变化相对较小;固化土的应力应变关系曲线表现为应变软化型,试样呈脆性破坏.两种固化方法均可增强土的抗剪强度、水稳性和抗变形能力,掺加SH固土剂的固化效果更优.

巷道围岩状态的等效应力等效应变表述

在体积应变为零的条件下,根据巷道围岩属简单加载的特性得到围岩中同时关联三向应力σθ,σz,σr和三向应变εθ,εz,εr的,用等效应力σi和等效应变εi表示的对围岩加载-形变关系式。严格地论证了巷道围岩的弹性、硬化、软化和流动区的应力应变状态分别与围岩的等效应力-等效应变曲线各阶段的应力应变状态相对应。以等效应力、等效应变为中间变量可以简化围岩弹性分析,简捷地写出巷道围岩偏应力应变能的计算公式。等效剪应力τi是围岩中的最大剪应力τmax,等效剪应力单元受正应力和剪应力作用,但其上只有剪切应变,这突出了巷道围岩形变破坏是由于最大剪应力和偏应力应变能所致的实质。根据等效剪应力概念确定的滑移线,可适用于材料应变硬化和软化阶段,不要求刚塑性假定条件。

高饱和度下含瓦斯水合物煤体的应力-应变关系

为获得含瓦斯水合物煤体在不同围压和饱和度下的应力-应变特征,利用自主研发的水合固化反应-三轴压缩一体化装置,通过高饱和度下含瓦斯水合物煤体的三轴压缩实验,对所得到的偏应力-应变曲线进行拟合。结果表明:含瓦斯水合物煤体在高饱和度条件下,偏应力-轴向应变曲线均呈应变软化型;含瓦斯水合物煤体的峰值强度均随围压和饱和度的增大而增大;复合幂-指数模型可以较好地描述含瓦斯水合物煤体强度随围压和饱和度变化的趋势及残余强度;采用修正的邓肯-张模型更能准确反映含瓦斯水合物煤体偏应力-应变曲线的弹性模量和峰值强度。该研究可为瓦斯水合防突技术研究提供理论参考。

三轴循环加卸载条件下砂岩能量和孔隙演化

【目的】为了对考虑复杂应力环境下的岩土工程破坏特征演化及稳定性加固提供指导依据,【方法】对砂岩进行循环加卸载试验,基于宏观三轴压缩试验和微观核磁共振试验研究砂岩能量和孔隙演化规律。【结果】结果显示:砂岩在三轴循环加卸载下偏应力-应变曲线出现了明显的滞回环,试样峰值强度与围压成正相关关系,并且试件延性破坏程度随初始围压增加而增强;基于能量密度准则,径向能量表现出相似的变化规律,耗散能均在最后一个阶段明显增加,且径向总能量和径向弹性应变能差距变大;基于核磁共振理论,发现试件T_2谱和核磁成像灰度值变化规律一致。【结论】结果表明:从滞回环和能量密度准则揭示了岩石在试验过程中的能量损耗特征和岩石的破坏是因为岩石储存弹性应变能的能力达到极限导致能量的急剧释放;从微观核磁共振成像结合试件宏观破坏特征分析,两者在破坏形态上高度一致,增加初始围压可以提高试件循环次数从而致使试件峰值强度增大。

松北致密气藏砂砾岩储层脆性特征实验研究

以松北致密气藏砂砾岩储层为研究对象,通过三轴压缩实验,开展含不同粒径砾石的砂砾岩脆性特征研究。在岩样破坏特征、偏应力-应变曲线特征分析的基础上,利用能量演化理论,研究不同粒径对砂砾岩力学性质和脆性特征的影响,并对岩样破坏过程中的声发射响应特征进行分析,结果表明:在三轴压缩实验中不同粒径砾石对砂砾岩岩样的破坏特征具有不同影响。相比于小粒径(<1 mm)砾石为主的岩样,大粒径(2~6 mm)砾石为主的岩样在更低的围压下被剪切破坏,且破裂面倾角较小。由于大量弱胶结砾石界面的存在,大粒径砾石为主的岩样通常具有更低的抗压强度,形成的破裂面更复杂。破裂面凹凸不平导致岩样破坏过程中一部分能量耗散于破裂面的摩擦,因此,大粒径砾石为主的岩样脆性更低,在剪切事件中占比更高,岩样破坏过程中以剪切破坏占主导。

冻融循环下初始含水率对非饱和膨胀土剪切特性试验

为探究冻融循环条件下初始含水率对膨胀土偏应力-应变关系和剪切特性的影响,本文对不同初始含水率的非饱和膨胀土进行了不固结不排水三轴剪切试验。结果表明:1)非饱和膨胀土的偏应力-应变曲线的形式随含水率增大由应变软化逐渐转变为应变硬化,偏应力峰值随含水率增大而降低;2)非饱和膨胀土的抗剪强度随初始含水率的增加呈线性下降趋势;3)非饱和膨胀土在第1次冻融循环后偏应力及抗剪强度大幅度下降,在3~7次冻融循环后达到稳定。初始含水率是影响非饱和膨胀土力学性质的主要原因。

剪切速率对黄土力学性质及邓肯-张模型参数的影响

为探究加载速率对原状黄土强度和变形特性及其邓肯-张模型参数的影响,采用SLB-1型三轴剪切渗透试验仪,开展原状黄土在不同围压和剪切速率下的不固结不排水三轴剪切试验,并通过微观试验验证其宏观力学性质。结果表明:在试验参数设定范围内,剪切速率对原状黄土的力学性能有显著影响,不同剪切速率下原状黄土的偏应力-应变关系基本符合双曲线关系;初始变形模量随围压的增大而增大,随剪切速率的增大呈现先增大后减小的规律,原状黄土的黏聚力c、无因次基数K、应力破坏比R_(f)和破坏强度与剪切速率之间存在明显的临界剪切速率转折点1.7 mm/min,此时各参数均达到最大值,无因次指数n无明显规律可循;当剪切速率小于此临界值时,黏聚力c、无因次基数K、应力破坏比R_(f)和破坏强度随着剪切速率的增大而增大,当超过剪切速率临界值时又有一定程度的降低,总体上呈现先增大后减小的规律,而内摩擦角随着剪切速率的增大而逐渐增大且增大幅度甚微;试样的偏应力-应变曲线无明显的峰值点,呈应变硬化型;通过拟合曲线,得到了原状黄土试样的抗剪强度指标和破坏强度与不同剪切速率之间的拟合公式,以期更好地研究剪切速率的变化对西宁原状黄土力学性能的影响。

固化剂加固冻结盐渍土工程特性试验研究

通过对冻结盐渍土进行三轴试验,研究固化剂加固前后冻结盐渍土强度特性与强度相对提高率变化规律。研究表明,冻结盐渍土的偏应力-应变关系曲线为应变硬化型。为了有效改善盐渍土性能采用固化剂进行改良,有效增强土体强度与稳定性,固化剂是良好的改良材料。冻结固化盐渍土的偏应力-应变关系曲线表现为应变软化型,随着固化剂掺量增加早期强度、弹性模量和破坏强度呈先增后减变化趋势,残余强度增加,残余强度比呈先减后增变化趋势。固化剂对冻结盐渍土强度相对提高率从两方面进行分析:强度提高系数(破坏时对比)和规格化应力(整个受力变形过程对比);固化剂加固后冻结盐渍土强度相对提高率均大于1,说明固化剂对冻结盐渍土有良好的加固作用;随着固化剂掺量的增加,固化冻结盐渍土的强度相对提高率呈先增后减变化趋势。因此,固化剂掺量为6%时土体强度最佳,抵抗变形的能力最强,即最为合理的加固方案。

鄱阳湖区域粉质黏土三轴试验研究

采用GDS三轴仪对鄱余特大桥工程某段的原状粉质黏土进行了固结不排水三轴剪切试验,得到了试样在不同净围压下孔隙水压的变化曲线、偏应力~应变曲线、有效应力路径。对试样孔隙水压的变化曲线进行了分析;采用邓肯~张双曲线模型对试样的偏应力~应变关系进行了拟合,得到了邓肯~张双曲线模型的5个参数;对试样的有效应力路径和破坏性状进行了总结和分析。试验表明:鄱阳湖粉质黏土具有明显的剪胀性,围压对土体剪胀影响显著;土体的偏应力~应变曲线为应变硬化型;试样的极限状态应力比为1.32,且有效应力路径呈S型;破坏形态一般为上部或下部呈鼓状变形。