考虑微观孔隙结构的非饱和土水–力耦合本构模型

非饱和土在应力和水力路径的作用下均会产生微观孔隙结构的变化,同时,不同的孔隙类型和结构也会对非饱和土宏观水力、力学特性产生不同的影响,尤其是在膨胀土、压实黏土等双孔结构土中,这种影响尤为显著。以Wheeler建立的非饱和土水–力全耦合模型（GCM）为理论框架,引入有效饱和度来描述土体内部宏观和微观孔隙对水–力特性的不同影响,提出考虑孔隙结构影响的Bishop有效应力表达式,建立了各向等压状态下考虑微观结构的非饱和土水–力耦合本构模型,并实现了模型的预测功能。通过与非饱和土等向压缩试验结果的对比,初步验证了所建立模型的合理性和有效性。

非饱和砂土及黏土的水–力耦合双屈服面模型

使用精细的本构模型来同时分析非饱和砂土和黏土水力耦合特性依旧是一个挑战。提出了一种包含加载湿陷及剪切滑移双重塑性机制的水–力耦合模型。力学模型中选取Bishop应力作为应力变量,采用孔隙比和有效饱和度作为状态变量。模型中给出了孔隙比–平均土骨架应力的半对数坐标系内依赖于有效饱和度的临界状态线的表达式,其与剪切滑动屈服面的非关联流动准则的结合保证了模型可以更合理地预测非饱和土(包括砂土和黏土)的剪胀和剪缩性质。通过模拟粉砂和高岭土的三轴试验,对该模型预测非饱和土主要特征的能力进行了分析。

基于渗透非线性的黏土岩热–水–力耦合效应研究

在多孔介质的热–水–力耦合分析中,孔隙率和孔隙水的黏滞性是影响渗透性的主要因素。通过研究孔隙率和孔隙水黏滞性的改变规律,在数值分析时,引入了孔隙率随应力改变和孔隙水黏滞性随温度改变的渗透非线性分析方法。同时研究了数值分析中温度荷载作用下应力边界条件和位移边界条件对温度应力的影响。研究结果表明:温度荷载作用下,数值分析时采用应力约束边界比位移约束边界更合理;考虑渗透非线性情况下得到的孔隙压力计算值与实测值更接近。

全应力–应变过程中裂隙灰岩的水–力耦合特性试验研究

为研究裂隙灰岩在全应力–应变过程中的力学特性和渗透性特点,对裂隙灰岩进行不同渗透压和围压组合下的水–力耦合试验,研究水–力耦合作用下裂隙灰岩的强度和变形特性,并定义全应力–应变过程中6个关键的渗透率值。试验结果表明:渗透压对裂隙灰岩的力学特性有较大影响,渗透压的存在降低了裂隙灰岩的强度和变形模量,加剧其侧向变形,水–力耦合作用下裂隙灰岩的强度特性可用莫尔–库仑屈服准则来表征;全应力–应变过程中,裂隙灰岩渗透率经历缓慢下降–缓慢增加–快速增长–小幅度下降4个阶段,这大致对应于全应力–应变过程中体积压缩阶段,近线性变形阶段,峰值点附近的破裂阶段和峰后残余强度阶段。在较低渗透压(2 MPa左右)下,上述相应关系吻合情况良好,而在较高渗透压(8 MPa以上)下,上述相应吻合关系存在偏差,渗透率下降阶段要短于体积压缩阶段;在较低渗透压(2 MPa左右)下体积压缩阶段的渗透率与体积应变之间的关系可用负指数函数来描述,而在较高渗透压(8 MPa以上)作用下,在体积压缩阶段的渗透率和体积应变之间的关系可用三次多项式来描述。

热–水–力耦合条件下深部砂岩冲击动力学特性试验研究

为探究"三高一扰动"特殊环境下切顶卸压无煤柱自成巷顶板砂岩切缝的动态力学性能,利用自主设计的岩土体动态冲击力学试验系统,对粉砂岩进行不同热–水–力耦合条件下的冲击压缩试验,研究动态应力–应变特征、动变形模量与加载率关系、以及加载率、轴压、围压、渗透水压、温度、吸收能与峰值应力和峰值应变的动态力学性能,利用扫描电镜(Scanning Electron Microscopy,SEM)研究粉砂岩试样断口面微观结构。研究结果表明:(1)在不同的动荷载作用下,粉砂岩试样的峰值应力和峰值应变均随轴压、围压、渗透水压、温度的升高而不断增大,脆性逐渐减弱而延性逐渐增强,变形破坏总体分为压密、弹性变形、塑性变形和破坏4个阶段;(2)动变形模量随着加载率的增大呈现出先增大后减小的发展趋势,动变形模量136GPa左右为一个临界阈值;(3)轴压、围压、水和温度对砂岩在热–水–力耦合特定环境下的动态冲击力学性能具有一定的增强效应;(4)随着峰值应变的增加,粉砂岩试样的吸收能呈线性增加趋势,其破碎变形与吸收能呈正相关。

非饱和土热–水–力全耦合本构模型及其验证

在地热资源开发与利用、核废料地质处理、垃圾填埋场等诸多岩土工程领域都需要考虑温度对非饱和土性质的影响。为了更为全面描述非饱和土在热–水–力耦合条件下的变形及持水特性,以平均土骨架应力、修正吸力和温度为应力变量,以比体积和饱和度为应变变量,建立了一个非饱和土热–水–力全耦合本构模型。模型通过屈服面方程及屈服面之间的耦合规律来反映热–水–力之间的相互影响,主要包含温度和饱和度对力学特性的影响,吸力和超固结比(应力历史)对热变形的影响,密度、温度和滞回效应对持水特性的影响,温度、应力和滞回效应对干化及湿化变形的影响。利用建立的模型,对不同应力路径下的试验进行预测。通过预测与试验结果的对比,验证了模型的适用性。

水-力耦合作用下页岩力学特性及其损伤本构模型研究

通过开展不同渗透水压力与三轴压缩作用下的页岩试验,分析页岩的变形、强度和破坏特征,建立考虑渗透压作用的页岩全应力–应变损伤本构模型。结果表明:(1)在常规三轴压缩和渗透水压力共同作用下,页岩的强度明显弱化,残余强度受渗透压的影响较大。(2)在不同围压和渗透水压力作用下,页岩从剪切破坏到拉剪复合破坏再到陡倾角剪切破坏,共计产生5种不同的剪切破坏形式。(3)在常规三轴压缩和渗透水压力共同作用下,页岩强度仍满足M-C强度准则,但内摩擦角和黏聚力均随渗透压力的增大而降低。(4)建立能够反映页岩在不同围压和渗透压作用下的应力–应变全过程的损伤本构模型,并可通过总损伤变量–应变曲线预测页岩的残余强度,理论曲线与试验数据吻合较好。

脆性岩石各向异性损伤和渗流耦合细观模型

采用细观力学方法提出一个岩石各向异性损伤和渗流耦合的细观模型。其中,岩石的损伤由裂纹的状态变量来表示,损伤演化通过裂纹扩展准则来定义,并采用细观力学的分析方法由含裂纹材料的自由熵推导出裂隙岩石的本构方程。同时可以假设:由于裂纹表面的粗糙不平,在裂纹扩展的同时将引起法向开度的产生,这是材料渗透系数变化的主要原因,根据上述假设及达西定律和微观层流理论,推导出岩石特征体积单元的渗透系数表达式,从而建立岩石各向异性损伤和渗流耦合的细观模型。模拟分析表明,提出的模型与试验结果吻合很好。

Performance of water-coupled charge blasting under different in-situ stresses

Water-coupled charge blasting is a promising technique to efficiently break rock masses.In this study,numerical models of double boreholes with water-coupled charge are established using LS-DYNA and are calibrated by the tests of rock masses subjected to explosion loads to examine its performance.The crack levels of rock mass induced by water-coupled charge blasting and air-coupled charge blasting are first compared.It is found that water-coupled charge blasting is more appropriate to fracture deep rock mass than air-coupled charge blasting.In addition,the effects of rock properties,water-coupled charge coefficients,and borehole connection angles on the performance of water-coupled charge blasting are investigated.The results show that rock properties and water-coupled charge coefficients can greatly influence the crack and fragmentation levels of rock mass induced by water-coupled charge blasting under uniform and non-uniform in-situ stresses.However,changing borehole-connection angles can only affect crack and fragmentation levels of rock mass under non-uniform in-situ stresses but barely affect those under uniform in-situ stresses.A formula is finally proposed by considering the above-mentioned factors to provide the design suggestion of water-coupled charge blasting to fracture rock mass with different in-situ stresses.