岩石吸水特性及水岩耦合力学特性试验

为了研究凝灰岩、泥炭质砂岩和泥质砂岩的吸水特性以及吸水引起的力学性能变化,利用X-射线衍射试验、SEM试验和压汞试验对3种岩样的矿物成分、微观结构和孔径分布特征进行了测试分析,在此基础上利用软岩水理作用试验系统对岩样的吸水特性进行了研究,并对吸水前后岩样的强度进行了测试。试验结果表明,3种岩石的吸水过程都可分为非线性吸水和线性吸水两个阶段,吸水特征曲线函数均为负指数函数,岩石的吸水量与其黏土矿物含量和其有效空隙数量之间为正相关;吸水后岩石强度的减小量和其吸水量与黏土矿物含量之间为负相关,较小的吸水量也会对岩石的力学特性产生较大的影响。

大理岩应变型岩爆红外前兆特征试验研究

为探究大理岩应变型岩爆的红外前兆特征,通过不同加载方式下单面临空的真三轴岩爆试验,模拟应力集中型和动力触发型岩爆的发生过程,使用红外热像仪监测两类岩爆的红外温度场变化过程,从平均红外温差、方差、升温速率、红外图像及傅里叶频谱图等方面分析了岩爆前兆信息,并探讨了不同类型岩爆前兆特征的差异。结果表明:岩爆发生前平均红外温差、方差及升温速率曲线均出现明显突增,其中平均红外温差突增分别提前应力集中型和动力触发型岩爆10,20 ms,可作为有效岩爆前兆;动力触发型岩爆发生前方差会出现小幅波动且升温速率有明显下降趋势,与温差曲线中岩爆前的一小段降温过程相对应,而应力集中型岩爆方差与升温速率无明显波动特征;岩爆前平均红外温差图像出现高低温异化现象,表现为:应力集中型岩爆前红外图像出现明显的倒“Y”型高温区域,动力触发型岩爆平均红外图像出现高温区域下移现象;此外,两类岩爆傅里叶频谱图中的垂直谱图均出现大量高频低幅的主要分量。

基于声发射幅频分布的大理岩岩爆试验研究

为了对岩爆前后声发射信号在幅值、主频方面的分布规律进行对比分析研究,探究大理岩在岩爆破坏阶段产生的声发射信号本质特征以及大理岩岩爆破坏产生的内在规律,采用三向加载和单面卸载的方式模拟岩石的应力状态变化过程,将大理岩制成标准的试件并开展了2例岩爆模拟试验,采集了试验过程中的三向应力时程曲线和声发射信号,通过分析三向应力时程曲线将岩爆试验过程划分为加载初期、加卸载阶段和岩爆阶段3大阶段,并对比分析了不同试验阶段内的声发射信号在幅值和主频方面的分布规律,同时提出了声发射信号在幅值-主频平面内分布密度的概念,分析了岩爆前后声发射信号在幅值-主频平面内的分布规律,得到了不同试验阶段声发射信号在幅值-主频平面内的密度最大位置,研究了大理岩发生岩爆的内部破坏规律。研究结果表明:大理岩发生破坏的声发射本征固有频率在以90 kHz和270 kHz为中心的2个频率带中,不随加载应力的变化而发生变化;不同阶段的幅值-频率分布规律有明显区别,岩爆阶段的声发射事件密度最大处对应的主频不小于加载阶段,岩爆阶段出现声发射最高幅值,岩爆阶段的声发射平均主频在200 kHz以上,岩爆阶段的声发射最高幅值和平均主频均大于加载阶段,表明了岩爆阶段岩石发生了更加剧烈的破坏。

圆孔缺陷与I型运动裂纹相互作用的试验研究

为了研究运动裂纹与圆形孔缺陷的相互作用机制,采用数字激光动态焦散线方法进行了含圆形孔缺陷的冲击试验。结果表明：在冲击载荷下,I型运动裂纹在与圆形孔贯通前,断裂面光滑,扩展路径平直;运动裂纹从圆形孔上端起裂后,断裂面凹凸不平,扩展路径也更为弯曲。当运动裂纹朝向邻近的圆形孔扩展时,圆形孔对运动裂纹的扩展速度和动态应力强度因子有抑制作用,且随着圆形孔直径的增大,这种抑制作用不断增强。当运动裂纹与圆形孔缺陷汇聚后,圆形孔阻碍了裂纹的继续扩展,裂纹尖端被钝化,钝裂纹的起裂韧度较尖裂纹提高9.58%～13.87%,裂纹再次起裂时的扩展速度和动态应力强度因子存在明显的跳跃,表明钝裂纹更难起裂,需要消耗的能量更多。

微差爆破的爆生裂纹扩展特性试验研究

以有机玻璃为模型材料,采用新型数字激光动态焦散线实验系统,研究了延时为20μs和40μs的微差爆破爆生主裂纹扩展特性,比较了试件破坏形态和破坏过程的差异,分析了爆生主裂纹扩展过程中的偏转角度、扩展速度和动态应力强度因子等物理量随时间的变化关系。结果表明,延时为20μs的爆生主裂纹的竖向偏移值明显大于延时为40μs的情况。延时时间的不同对爆生主裂纹动态应力强度因子的第一次峰值没有明显影响,但对其第二次峰值影响显著。此外,两个或多个切槽炮孔同向并排起爆会使得爆生主裂纹的扩展偏离切槽方向,影响定向断裂效果,应尽量避免。

动态爆生裂纹相互影响的试验研究

采用以有机玻璃（PMMA）为材料的模型试验方法,分析了试件的破坏形态和裂纹尖端的应力特征,研究了对向切槽炮孔的不同竖向间距对爆生裂纹扩展的影响。结果表明：爆生裂纹扩展过程中,裂纹速度震荡减小,裂纹尖端应力变化经历两个阶段,Ⅰ阶段（0～110μs）裂纹尖端动态应力强度因子迅速减小,试件破坏以拉伸破坏为主;Ⅱ阶段（110μs～止裂）裂纹尖端动态应力强度因子先增大后减小,试件破坏兼有拉伸破坏和剪切破坏。炮孔的竖向间距的不同对爆生裂纹Ⅰ阶段扩展影响不大,对Ⅱ阶段扩展影响显著。对向裂纹起到自由面作用并引导己方裂纹向其发生偏转,从对向裂纹面处反射的应力波加强了己方裂纹尖端的应力集中。

混凝土与混凝土接触摩擦试验及其数值计算模型

目的研究混凝土与混凝土接触摩擦特性,得到混凝土与混凝土接触面剪切应力与剪切位移变化关系,为相似剪切破坏问题的数值计算提供依据.方法采用直剪试验和数值计算两种方法对混凝土与混凝土间的接触摩擦响应进行分析,对试验进行数值计算,并与试验结果进行了对比分析,利用PPR内聚力模型来描述接触面的接触摩擦响应.结果接触面剪切应力随剪切位移变化过程可分为弹性变形阶段、塑性硬化变形阶段和理想塑性变形阶段;剪切应力达到峰值后,接触面仍处于较高的应力状态,局部位置会出现应力集中态和局部破坏.Archard非线性摩擦幂次准则能够较好地描绘出混凝土与混凝土接触面剪切应力峰值与轴向应力的关系.结论数值计算剪切应力随剪切位移变化关系曲线与试验结果基本吻合.在轴向荷载较小时数值结果与试验结果存在较小差异.PPR内聚力模型能够较准确地反映剪切破坏问题中剪切应力随剪切位移变化中各阶段的响应,可用来描述相似剪切破坏过程.

地铁联络通道冻结法土体温度现场试验研究

为研究地铁联络通道冻结施工在杭州淤泥质黏土地层中的土体温度变化规律及冻土帷幕厚度,因此特依托杭州地铁5号线16标段江南大道站至江虹路西站区间1号联络通道冻结法施工项目,进行现场冻结试验,对测点温度及盐水去回路温度进行监测。结果表明:冻结期间,盐水去回路温差从2℃逐渐降至0.9℃,冻土帷幕形成良好,温度场趋于稳定;受盐水温度及土中自由水相态影响,冻结管1 m处的土体温度变化曲线可大致分为快速降温、缓慢降温、自由水相变、稳定降温4个阶段;自由水在快速降温和缓慢降温阶段为液态,在自由水相变阶段和稳定降温阶段为固态;累计冻结35 d后,冻结管1 m范围内土体冻结,冻土帷幕厚度达设计要求的2 m。研究结果可为冻土帷幕性状分析及类似工程应用提供参考。

负泊松比锚索超大断面隧道围岩大变形控制体系

为解决传统吸能锚索不能解决超大断面隧道软弱围岩隧道大变形的问题,首次提出将负泊松比(negative Poisson's ratio,NPR)锚网索支护体系应用于超大断面隧道支护措施中。依托侨城东路隧道东线标准段为工程背景,通过实地勘察,室内试验和理论分析的方法,从围岩岩性、物理力学特性以及水文地质条件方面,揭示了侨城东路隧道围岩大变形机理;通过室内试验得到NPR锚索物理力学特性并构建本构模型;再利用Rhino软件建立隧道以及初期支护模型、FLAC_(3D)软件进行模拟计算,对比分析无锚索、泊松比(Poisson's ratio,PR)锚索、不同排距NPR锚索4种方案围岩应力、位移、变形破坏规律。基于以上研究成果,进行室内相似比物理模型试验进行对比验证。结果表明,NPR锚网索支护体系相比普通锚网索支护能够有效地控制超大断面隧道软弱围岩大变形,不仅为侨城东路北延通道工程的施工及初期支护提供了数据支撑,也为类似条件隧道的围岩变形控制奠定了理论基础。

爆破开挖中巷道围岩缺陷扩展的动焦散模型试验研究

为了分析爆炸动荷载对巷道围岩不同位置处缺陷扰动的影响,采用爆炸加载透射式动焦散试验方法进行了相关试验研究。试验结果表明:在爆炸动荷载作用下,位于巷道顶端的竖直裂纹最易扩展,拱部和底角处倾斜裂纹较易发生扩展,巷帮处水平裂纹不易扩展,扩展位移分别为31,17,20,6 mm;裂纹扩展位移的大小与应力强度因子值密切相关,巷道顶部裂纹KⅠ值最大,拱部和底角处倾斜裂纹的KⅠ值次之,巷帮处水平裂纹的KⅠ值最小。上述研究成果对减少爆破动载荷对围岩的扰动和损伤、节约围岩的支护成本、保证安全施工和快速施工有重要意义。

冻融灰岩单轴声发射损伤特性试验研究

为探究冻融及轴向载荷作用下灰岩力学特性演化规律及内部细观结构渐进损伤特征,开展不同冻融循环次数灰岩单轴声发射试验,获得相应的物理力学参数,分析声发射信号与冻融灰岩内部微裂纹活动的相关性,定量研究冻融灰岩损伤累积变化规律,阐明冻融灰岩损伤劣化机制。结果表明:随着冻融次数的增加,灰岩单轴抗压强度、弹性模量、泊松比逐渐降低,冻融80次后分别折减61.43%,48.42%,17.33%,峰值应变点逐渐后移;声发射振铃计数变化过程可分为平静阶段、增长阶段、陡增阶段;随着冻融次数增加,灰岩单轴声发射信号活跃且呈局部高密度释放特征,声发射b值呈“V”型变化,动态b值局部突降表明大尺度裂纹产生,灰岩内部裂纹类型由剪切裂纹向拉伸裂纹阶段过渡,对应岩样由剪切破坏转为劈裂破坏;冻融0,10,20次灰岩损伤变量呈突变或渐进突变特征,冻融40,60,80次灰岩损伤变量呈分段渐进式增长;水冰相变引起孔隙结构体积膨胀、孔隙局部冰结造成的细观水压致裂现象及自由水动力学响应是造成灰岩冻融损伤的主因。