融化作用下含冰裂隙冻岩强度特性及寒区边坡失稳研究现状

如何科学评价裂隙冻岩质边坡稳定性、如何采用有效措施保证冻岩边坡工程的安全建设和运营,已是目前岩石力学研究领域的一个重要课题.首先对青海木里地区含冰裂隙冻岩地层煤矿露采过程中的大规模边坡工程问题开展现场勘察和试验研究,分析了高寒地区冰体赋存特征、含冰地层消融特征及含冰地层融水出流特征;结合前人研究,较为全面地总结了含冰裂隙冻岩强度特性及冻岩边坡普遍性的变形失稳特点,提出寒区冻岩边坡失稳机理为冰-岩系统在热侵蚀和荷载共生作用下的热力耦合结果;对消融作用下含冰裂隙冻岩的物理力学、热力耦合特性及裂隙冻岩质边坡稳定性评价等方面的国内外研究现状进行了综述和讨论;认为开展融化作用下含冰裂隙冻岩体强度特性及边坡失稳研究将是与冻融损伤并重的一个新的研究方向.

高原冻岩隧道施工中融化圈深度对围岩稳定性的影响分析

冻岩隧道施工中,开挖、初衬、保温层和二衬等作业,产生的施工热量及洞内外空气的热交换,将影响冻土围岩原始地温场。这种地温场的扰动,破坏了冻土地层的热力学平衡,使其冻土的热物理力学性能发生改变,其中包括冻土的融沉性、冻土回冻过程的膨胀性以及隧道的稳定性等工程力学性能。因此,保护冻土、减少施工对冻土原始地温场的扰动是冻土隧道施工的重要控制因素之一。通过建立冻土围岩、支护衬砌结构、隔热保温层和洞内环境气体热力学模型,根据实际工况和实测洞内环境温度及地温,应用ANSYS有限元程序,对不同施工工况下围岩的温度场变化进行模拟,分别研究毛洞暴露时间、初衬施作时机、初衬持续时间等不同状况下,冻岩温度场的扰动规律、融化圈深度。根据不同施工方法下融化圈大小对洞室稳定性的影响,为冻土隧道施工控制和决策提供科学依据。

寒区裂隙冻岩隧道岩-水-冰力原位测试及冻胀力模型

为了研究寒区裂隙冻岩隧道冻胀力并建立合理的计算模型,以川藏公路雀儿山隧道为工程依托,组合利用水压力计、土压力盒和多点铂电阻温度传感器进行冻胀力原位测试,考虑静水压力,提出了裂隙成环贯通原位冻胀时的隧道宏观冻胀力理论模型,并将计算结果与原位测试结果进行了比较分析。研究结果表明:现场原位测试方法考虑了岩-水-冰在冻结过程中随时间和温度的变化特征,避免了对裂隙岩石细观结构模型的讨论,方案合理且易于实施;裂隙岩石冻结前水压力随径向深度增加而线性减小,径向1.5~2m围岩内裂隙水挤出形成急剧增压区间,靠近结构处水压力降到最低;原位测试得到冻胀压力0.615~3.355MPa,空间分布以拱顶处最小,拱腰处最大,冻胀力模型计算得到的冻胀压力约0.46MPa,去除水压力,裂隙成环贯通宏观冻胀力理论模型计算结果接近于工程实际。

西西伯利亚地区多年冻岩的温度动态和气候变化的关系

提出了西西伯利亚北部三个冻土地带〈-5列萨列、乌连戈伊和纳德姆）在气候变化条件下多年冻岩年平均温度动态的研究结果。列出了有关气候参数的数据。确定，最近30年中在这3个冻土地带观测到多年冻岩年平均温度的上升。沼泽地形的温度上升幅度最小，泥炭沼泽地形的温度上升幅度最大。在年平均气温上升1℃时评价了岩石年平均温度变化的范围，在冻原区为0．1～0．25℃,在森林冻原区和北部原始森林区为o．1～0．8℃。

深立井冻土冻岩快速施工

总结济宁二矿中央风井深表土冻结段掘砌工艺、施工安装和冻土冻岩快速施工４项成功经验。

高寒区冻岩爆破机理分析及力学特性试验研究

高海拔寒区矿山气温低,岩石常处于冻结状态,且上覆冻土层,爆破机理不明,爆破效果难以控制。将理论分析与室内试验相结合,分析了低温冻结条件下岩石爆破破碎机理及岩石主要力学参数变化规律。从非冻结岩石爆破破碎基本理论出发,阐述了岩石爆破破碎机理的3种较为流行的理论基础,分析了冻结岩石的爆破破碎机理。此外,开展了20℃、0℃、-5℃、-15℃、-30℃条件下岩石动静力学试验。结果表明,相同冻结温度下,岩石动态强度显著大于静态强度;随着温度的降低,岩石的动静态强度逐渐增大,岩石力学参数均呈现出线性相关关系;冻结条件下,岩石内部结构更为紧密,整体承载能力大幅度提升,岩石的爆破难度增大。研究结果可为高寒区现场爆破参数技术优化提供重要依据。

岩石冻胀力研究综述

岩石冻胀过程中的水分迁移研究是冻岩力学研究的核心。首先阐释了薄膜水迁移理论、毛细理论、分凝冰理论3种主流的水分迁移理论,对3种理论的应用情况进行了介绍。从原位冻结、水分迁移冻结产生冻胀力的角度入手,对冻胀力解析模型研究、试验研究、数值模拟研究3个方面的研究进展进行概述。分别就解析模型中单一椭圆形裂隙冻胀力及寒区隧道3类典型冻胀力的计算、试验研究中冻胀力量值的影响因素及冻融循环中冻胀力的演化特征、数值模拟中单裂隙冻胀力及寒区隧道冻胀力模拟问题,展开了分析并指出了存在的不足之处。提出在冻胀力的解析模型研究和数值模拟研究中应充分考虑多种情况的耦合作用和水分迁移过程,以及在试验研究中开展测量方法的改进等研究建议。

冻融条件下岩石损伤劣化机制和力学特性研究

通过循环冻融试验方法,研究岩石在冻融条件下的损伤劣化机制和相应的力学特性。研究对3种岩石(粉砂质泥岩、辉绿岩和白云质灰岩)在2种水化环境下(蒸馏水饱和,饱和并经1%硝酸溶液浸泡侵蚀)分别进行循环冻融试验研究(每循环冻融各4h,共8h),并在不同循环次数下对试样进行饱和单轴压缩强度测试和质量变化测定。研究发现:岩石冻融损伤劣化模式受多种因素影响,不仅与岩石自身特性、冻融温度及循环次数有关,还与所处环境有关;在酸性条件下,岩石冻融强度损伤较纯水化条件下要剧烈得多。因此,纯水化环境下的冻融试验结果常常会给出较为危险的工程安全性评估。研究成果对寒区工程建设及工程安全运营具有重要的参考价值。

冻融岩体力学特性实验研究

岩石的冻融破坏是寒区岩石工程中常遇到的主要病害之一。通过对3种岩石进行冻融循环试验及电镜微观扫描的方法,研究了不同性质的岩石在冻融条件下的劣化损伤机制,分析了其冻融破坏机理;并针对不同性质的岩石总结提出了2种不同的冻融劣化模式:裂隙扩展劣化模式和颗粒析出劣化模式;通过不同冻融循环次数后的3种饱和岩石单轴抗压强度试验,得到了不同性质岩石的单轴抗压强度与冻融循环次数的拟合关系表达式,初步量化了循环冻融对寒区岩石强度衰减的影响,具有一定参考价值,为今后岩石冻融劣化研究和寒区工程建设及工程安全运营提供了可靠的依据。

岩石冻融破坏机理分析及冻融力学试验研究

岩石的冻融破坏是寒区岩石工程中常遇到的主要病害之一。深入系统地分析了岩石受冻融循环影响的冻融破坏过程、影响因素,研究了其冻融破坏机理;通过试验研究了2种岩石的冻融破坏过程,发现了岩石的2种基本冻融破坏模式:片落模式和裂纹模式;并通过在室温下(20℃)对2种饱和岩石经历不同冻融循环次数后的单轴压缩试验,得到岩石的单轴压缩强度、弹性模量分别与冻融循环次数的拟合关系表达式,为今后岩石冻融损伤及冻融断裂研究提供了可靠的试验依据。

寒区岩体低温、冻融损伤力学特性及多场耦合研究

我国是寒区面积分布最多的国家之一,随着寒区建设工程的日益增多,出现了大量的冻岩问题,而至今人们对冻岩问题的研究还非常不足。围绕冻岩问题,本文以实验研究为基础,采用理论分析和数值计算相结合的方法,系统地研究了岩石在低温、冻融循环条件下的力学特性,并根据实验结果建立岩石的宏观冻融损伤本构关系,最终以寒区实际大型岩体工程——青藏铁路昆仑山隧道为背景,建立相应的温度–渗流、温度–渗流–应力多场耦合数学模型,采用有限元方法,进行寒区冻岩工程实例计算分析。本文的主要研究工作与成果如下:

裂隙岩体冻融损伤力学特性及多场耦合过程研究

我国寒区分布广泛,在寒区工程建设和资源开采过程中,会遇到很多岩体工程冻融损伤破坏的问题,严重威胁着岩体工程的安全稳定,并造成巨大的经济损失。以"裂隙岩体冻融损伤力学特性及多场耦合过程"为主题,将裂隙岩体视为岩块系统和裂隙系统,通过室内试验、理论分析和数值模拟等多种手段,对涉及冻岩领域的相关问题展开研究,取得如下成果:(1)通过测试低温环境下饱和及干燥的花岗岩、白砂岩和砂质泥岩随降温产生的应变特征,研究岩石冻胀融缩效应。结果表明:在一次冻融循环内,干燥岩样发生线弹性变形,而饱水岩石的变形经历冷缩阶段、冻胀阶段、升温迟滞阶段、融缩阶段和热胀阶段等阶段。一次冻融循环内,干燥岩样未产生残余应变,而饱水岩样产生明显的残余应变。(2)基于物理化学相关理论,考虑岩体裂隙水相变的特殊性,分析水冰相变平衡物态方程,得出冰点与压力的关系,并根据能量守恒定律和功能原理推导出冻结率的表达式。提出"等效热膨胀系数法"模拟裂隙水的冻胀融缩效应,同时模拟冻胀荷载作用下夹冰(水)裂隙尖端的应力场分布,并与解析解进行对比。(3)参照岩石冻胀变形试验和相变分析的相关结论,将岩石在低温环境下的变形分解为热应变、冻胀应变和围压产生的弹塑性应变3部分,建立岩石准蠕变冻胀本构模型。引入冻胀激活单元,用以控制冻胀单元是否发生作用。以FLAC3D现有的本构模型为蓝本,运用VC++编写本构模型动态链接库文件,并借助Fish函数对冻结过程中的黏聚力、内摩擦角等力学参数进行动态调整,同时控制冻胀激活单元的工作状态。(4)运用双重孔隙介质模型理论,根据质量守恒定律、能量守恒定律及静力平衡原理,并考虑岩体水冰相变的参与,得出冻结条件下裂隙岩体的热水力(THM)耦合控制方程。通过一个含裂隙隧道低温THM耦合算例,研究低温THM耦合条件下的温度场、应力场及孔隙压力等的分布规律。(5)基于脆性断裂力学理论,分析冻胀条件下压剪复合裂纹起裂扩展判据,得出冻胀力和围压共同作用下的裂隙起裂条件、扩展方向和扩展长度公式,并分析冻胀裂隙岩桥的贯通模式。基于拓扑学相关理论,提出一种可实现二维冻胀裂隙网络扩展演化的算法,可实现扩展路径定义、扩展域单元的识别及更新、裂隙贯通判断等功能。(6)结合上述研究成果,以Chalmers理工大学试验低温储库为工程背景进行模拟,按照现场试验条件施加温度和力学边界条件,对冻结过程中的温度场、位移场等进行模拟,并与实测的变形和温度测试结果进行对比。此外,以高寒地带的乌鞘岭隧道为工程背景,对洞口端冻融环境下围岩温度场、应力场、位移场的分布规律,以及冻结状态分区等问题进行研究。

风火山隧道围岩冻胀对支护结构体系的影响

针对目前在建的青藏铁路工程———世界第一高隧风火山隧道,探讨了围岩冻胀对隧道支护结构体系的影响,给出了隧道围岩冻胀力的弹性解;根据风火山隧道岩层地质条件,分析了寒区隧道支护结构的力学性能,得到了不同围岩完整度情况下,随着冻融圈厚度的变化,衬砌刚度不同、厚度不同时冻胀力的分布规律,确立了高海拔寒区隧道围岩冻胀对支护结构体系的影响;同时在明确冻土隧道冻害概念基础上,提出了减弱围岩冻胀对支护结构体系影响的有效措施。

软岩冻融损伤的水-热-力耦合研究初探

冻融力学研究正温、负温环境交替变化对材料的物理力学性质的影响。由于软岩为强度低、孔隙度大、胶结程度差、含有大量膨胀性粘土矿物的松散、软弱岩层。因此,软岩的水-热-力耦合不是一个简单的过程。初步提出了软岩的水-热迁移机理,进而提出了软岩水-热-力耦合的基本数学模型。最后用ANSYS软件模拟了隧道围岩温度场与应力场,得到了隧道围岩冻胀力的分布趋势。

阿尔金山隧道洞口段气温与围岩冻融过程研究

季节冻土区隧道工程面临冻融不利影响,准确掌握隧道进深方向洞内气温分布与围岩体季节冻融过程对进出口保温段长度和保温材料厚度的合理设置至关重要。依托甘肃省阿尔金山公路隧道工程,开展了隧道进口段不同进深洞内气温的现场监测。在此基础上,基于考虑冰水相变的土体传热方程,利用数值模拟手段研究了不同保温层厚度条件下隧道洞口段不同进深围岩体季节冻融过程。结果表明,随进深不断增加,洞内气温年平均值逐渐增加,振幅逐渐减小,显著变化发生在洞口段300 m内。随保温层厚度增加,洞口段围岩体季节冻深呈指数函数形式减小。无保温措施条件下,距洞口5 m处季节冻深为2.51 m,相应冻结持续天数为138 d。铺设4 cm厚保温材料后,可有效保护洞口段围岩体不受季节冻融过程的显著影响。随进深增加,受洞内气温随进深增加而减小影响,围岩体冻结深度随保温层厚度的下降速率有所不同。

含相变低温岩体水热耦合模型研究

根据冻融循环条件下岩体水分运动和热量迁移的基本规律,基于连续介质力学、热力学以及分凝势理论,建立低温岩体温度场和渗流场耦合控制方程,该耦合方程不仅考虑了热传导、相变潜热和渗流速度对温度分布的影响,而且分析了由分凝势引起的孔隙水流动对渗流速度以及渗透压力分布的影响,实现了温度场和渗流场的双向全耦合。并将研究成果与M.Smith等的模型试验和现场试验进行对比分析,结果表明,所建立的耦合控制方程计算结果与实测结果吻合较好。在此基础上,应用此耦合模型数值仿真寒区隧道,对隧道温度场分布规律和冻融圈大小进行分析,该计算结果能为寒区隧道的设计和施工提供一定的参考。

裂隙岩体水-冰相变及低温温度场-渗流场-应力场耦合研究

岩体冻融损伤涉及低温环境下温度场、渗流场和应力场的耦合问题。基于水–冰相变理论和能量守恒原理,得出冻结率表达式。运用双重孔隙介质模型理论,根据质量守恒定律、能量守恒定律及静力平衡原理,得出冻结条件下裂隙岩体的温度场–渗流场–应力场(THM)耦合控制方程。最后,通过1个含裂隙隧道低温THM耦合算例,将围岩当作岩块与裂隙介质组成的系统,采用等效热膨胀系数法对夹冰(含水)裂隙的冻胀效应进行模拟,并考虑冻结过程对岩体渗透系数的影响,研究低温THM耦合条件下的温度场、应力场及孔隙压力等的分布规律。

多年冻土地区隧道围岩冻融圈测试技术

介绍了多年冻土地区隧道围岩冻融圈的温度变化测试方案以及先进的自动测试系统,并提出测试数据的整理和分析方案,得出围岩冻融圈的温度变化及分布特性以及相互影响关系。

低温饱和岩石未冻水含量与冻胀变形模型研究

寒区岩石在季节性温度变化下会经历冻胀融缩过程,研究低温岩石中未冻水含量以及冻胀变形规律是进行寒区工程数值仿真和稳定性分析的关键问题。岩石是不同于土体的脆性多孔介质材料,孔隙中的未冻水含量还无法通过实验直接测量;基于累计孔隙体积分布规律,考虑孔隙水的冻结点变化和未冻水膜的影响建立低温岩石未冻水含量理论表达式,实例证明该计算式具有较高的可靠度。假定岩石为弹性孔隙介质,基于孔隙冰与岩石孔隙间的膨胀耦合关系可计算冰压力;利用应变等价原理将孔隙中的冰压力等效为岩石表面的三向拉应力,从而根据弹性理论建立了有效冻胀力下低温饱和岩石冻胀变形模型。结果表明饱和岩石低温冻胀变形与岩石基质的力学参数、岩石孔隙率以及未冻水含量等因素有关。最后通过与2个已有的室内冻胀变形实验对比,说明本文冻胀变形模型的正确性以及实用性。