网格化磨料射流割缝辅助截齿破岩试验研究

针对煤矿岩巷掘进过程中截齿破岩能力不足、效率低、磨损快等问题,提出了网格化磨料射流割缝辅助截齿破岩方法,并进行了正交化物理模拟试验,研究了工况参数对破岩效果的影响。结果表明:(1)磨料射流对岩石预制割缝,能够显著提高截齿单位时间的破岩体积,且试验中网格尺寸和割缝深度取值越大,破岩效率越高。(2)当射流割缝辅助破岩时,截齿等效应力峰值和均值均显著降低,有效减少截齿磨损。(3)网格化磨料射流辅助截齿破岩参数的优选工况组合为:横向和纵向网格尺寸分别为44、30 mm,喷嘴进给速度为600 mm/min。研究成果为网格化磨料射流辅助机械截齿破岩技术推广应用提供了理论基础与数据支撑。

不同围压梯度下砂岩力学及声发射特性研究

分别对砂岩试样施加不同围压,在不同围压梯度下,施加轴向荷载,探究应力-应变的变化及声发射产生数量规律;基于离散元理论,采用二维颗粒流PFC2D软件,建立不同围压下砂岩岩石模型,结合试验数据,研究不同围压梯度下砂岩力学特性及声发射事件的产生。结果表明:随着围压的不断增大,砂岩的破坏应力逐渐增大,达到破坏后产生的微裂缝也逐渐增多。

石灰岩微波致裂规律研究

为探求微波激励对坚硬石灰岩力学特性与致裂效果的影响,选取徐州地区典型石灰岩进行微波处理和单轴压缩试验,并建立二相岩模型开展数值试验,分析石灰岩的损伤程度随微波激励功率、时间的变化规律。结果表明:微波激励对石灰岩力学性质的改变包括在两成分的交界面由温度应力引起细小裂缝,此外,微波功率恒定时,两成分交界面的温度增长梯度、应力增长梯度均与处理时间呈负相关;压缩破岩的最佳微波激励功率和时间为3.0 kW/m^(3)的微波处理岩石10 min;随着载荷作用点距中轴线的距离增加,各激励功率下的断裂应力曲线不断收缩,不同激励功率的效率趋于一致;3.0 kW/m^(3)作为岩石受微波激励的裂缝增长关键功率节点,对岩样不同区域裂缝增长梯度影响显著。研究结果可为坚硬石灰岩致裂工作提供参考。

颗粒材料堆积体的基底压力分布试验研究

针对颗粒材料堆积体的压力下降问题,研究了点沉积法下不同漏斗高度、颗粒粒径和颗粒形状对基底压力分布的影响。结果显示,基底压力下降现象与内部应力拱有关,且与漏斗高度、颗粒粒径和颗粒形状相关。随着堆积体质量的增加,应力拱稳定性增强,应力凹陷比趋于稳定。漏斗高度距堆顶距离越大,测得的基底压力越大,应力凹陷程度越小。堆积体应力凹陷比随颗粒粒径的增加,呈现先增加后减少的趋势,并在粒径0.6~1.18 mm的堆积体中出现了应力集中现象。随着堆积体质量的增加,标准砂试样的应力凹陷比先增加后减小,而散煤则是一致下降。

砂岩加卸载条件下能耗特征试验研究

采用MTS815刚性伺服试验机,对砂岩进行了单轴、三轴压缩和三轴峰后卸围压试验,对比研究了砂岩在加卸载试验条件下的能耗特征。结果表明,单轴压缩各能耗指标值均小于三轴压缩和三轴峰后卸围压,三轴峰后卸围压介于单轴与三轴压缩之间。三轴压缩和三轴峰后卸围压各能耗指标均具有明显的围压效应,随着围压的升高而线性增大。单轴压缩时砂岩表现为突发性的脆性破坏,初期储存的弹性应变能瞬间几乎全部转化为耗散能,成为岩样破坏时所表现出的一切现象的源动力;三轴压缩时砂岩表现为从局部破坏到整体失稳的渐进过程,耗散能所占吸收能量的比例越来越大,表现为明显的能量耗散,能量耗散发展到一定程度表现为明显的能量释放,随即岩石整体失稳破坏。

页岩储层裂隙渗透率模型和试验研究

页岩储层的裂隙渗透率是评价页岩气开采的重要参数,基于裂隙法向刚度的概念,考虑页岩储层变形过程中裂隙系统和基质系统之间的相互作用以及页岩气解吸引起的体应变,提出了与有效应力相关的页岩储层的渗透率模型。然后分别分析了页岩气藏在单轴应变和常体积条件下的渗透率模型,分析表明,单轴应变和常体积条件下(3个方向的总应变都为0)的裂隙渗透率模型完全一致。采用脉冲衰减渗透率仪测试了煤系页岩的裂隙渗透率,当有效应力从0.7 MPa增加到14.5 MPa时,渗透率从41.81×10-17m2降到5.43×10-17m2。为了阐述渗透率模型的有效性,利用煤系页岩的渗透率数据对有效应力-渗透率模型进行拟合。结果表明,当裂隙的法向刚度、张开度和煤系页岩的初始渗透率分别为57 922.5 MPa/m、0.000 17 m和50.15×10-17m2时,有效应力-渗透率模型和煤系页岩的渗透率拟合程度较好。然后利用现场渗透率数据对该模型进行拟合,结果表明,当裂隙的法向刚度和张开度的关系符合反比例函数时,拟合程度非常好。该渗透率模型适合于单轴应变、常体积和常围压条件,可用于描述页岩气开采过程中页岩储层裂隙渗透率随孔隙压力的变化规律。同时,该渗透率模型和P&M模型以及S&D模型进行了比较,结果表明,该渗透率模型的拟合结果与S&D模型基本一致,但与P&M模型存在一定的差别。

损伤破裂砂岩单轴蠕变特性试验研究

深部岩体工程处于高应力环境中,开挖破裂后的工程岩体在持续的高地应力作用下具有很强的时间效应,深入研究其峰后蠕变特性,具有重要的理论和实际应用价值。先采用RMT-150B型岩石力学试验系统对完整岩样进行单轴峰前屈服、峰后破裂卸载试验,制备出具有不同破裂损伤程度的峰前屈服、峰后破裂的损伤岩样;再采用RLW-2000型微机伺服岩石三轴流变仪对其进行单轴蠕变试验,研究其单轴蠕变力学特性。研究结果表明:损伤岩样波速与完整岩样相比,均出现了不同程度的降低;损伤岩样各级应力水平下,瞬时应变量均是随着应力水平的增加而逐步增加,且均符合线性函数关系;相同应力水平下,峰后破裂损伤岩样瞬时应变明显大于峰前屈服损伤岩样;各级应力水平下,总体上各蠕变量随着应力水平的增加而逐步提高,且均符合指数函数关系;相同应力水平下,峰后破裂损伤岩样蠕变量明显大于峰前屈服损伤岩样,且随着荷载水平的进一步提高,两者差异程度增加;损伤岩样各瞬时变形模量随着应力水平的增加均逐步提高,两者之间符合线性函数关系;各应力水平下对应的瞬时变形模量存在明显差异,岩样损伤程度越高,瞬时变形模量越低;各损伤岩样在各级应力水平下,改进的西原模型能够较好地模拟其单轴蠕变特征。

基于透明岩体的深部隧道围岩变形分析

鉴于当前实验条件,无法直接观测岩体内部的变形演变过程,难以满足对岩体内部全域的变形时间效应与空间特征分析的要求,以透明岩体实验新技术为出发点,对模型隧道周边围岩的内部变形过程进行全程二维数字照相量测,得到深部隧道围岩内部变形的时空演化规律。研究发现:隧道顶部、帮部及底部的岩体径向位移都大致与隧道埋深呈指数衰减关系;隧道拱顶、拱底、左腰和右腰处岩体的径向位移都与顶部荷载呈指数递增关系;随着顶部荷载的增加,隧道顶板岩体最终将沿着两侧拱腰斜方向一定范围内两条弧线而向隧道内发生整体性剪切滑动,导致隧道失稳破坏。研究结果揭示了深部隧道围岩变形破裂时空演化机理,为深部隧道事故防治提供了依据。

隧道工程物理模拟试验技术现状与趋势分析

为研究解决隧道工程中物理模拟试验系统应用及建设中的技术难题,通过归纳与分类,对当前隧道工程物理模拟试验系统中的关键技术进行对比分析,并系统阐述目前存在的问题及未来发展趋势。最后,提出以模型体积大小为依据的试验系统分类方法。通过分析总结得出:1)中小型试验系统由于研制费用较低、模型制作速度快、加载操控较精确、变形测量较精细以及利用率较高和经济效益突出,可作为隧道物理模拟试验系统建设的一个重要比选方案;2)结合数字照相量测与3D打印的透明岩土试验技术有望成为未来隧道物理模拟试验技术发展的一个新方向。

高压正融土与结构接触面剪切力学特性试验研究

为探究高压条件下正融土与结构接触面剪切力学特性,利用改进的DRS-1高压直剪试验系统开展了正融土-结构面直剪试验研究。结果表明,高压正融土-结构接触面剪切强度受法向压力和解冻程度等因素影响显著,接触面峰值剪切强度和残余剪切强度均随法向应力的增加而增大,其中峰值剪切强度变化速率与解冻温度相关性较小(介于0.36~0.46,平均值为0.43),而残余剪切强度变化速率随解冻温度升高增大明显(试验条件下解冻温度T_(thaw)=-10、-5℃,平均斜率为0.26;T_(thaw)=-2、+0~3℃,平均斜率为0.49)。高应力下接触面峰值剪切强度随法向应力的增大速率约为低应力水平下的2/5,高、低应力水平的分界应力范围为1~3 MPa。接触面剪切应力-位移关系曲线形态随解冻温度升高由具有明显剪切应力峰值点的应变软化特征转变过渡至应变硬化特征,且解冻温度较低时归一化接触面峰值剪切强度也逐渐降低,而随着解冻温度的进一步升高,归一化峰值剪切强度不同法向应力结果之间差异减小,有汇聚的现象。

火灾蔓延作用下混凝土连续板力学行为试验研究与模拟

为研究火灾蔓延作用对三跨混凝土连续板力学行为影响,对四块混凝土连续板进行仅边(中)跨和三跨依次受火试验,获得各跨温度、变形、裂缝、爆裂和破坏模式等变化规律。在此基础上,对一块混凝土试验板火灾行为进行数值分析,研究了几何(非)线性和混凝土热膨胀应变对火灾蔓延作用下连续板各跨弯矩分布和薄膜机理影响规律。结果表明:混凝土板裂缝和爆裂主要出现于受火跨,非受火跨裂缝较少;板底和板顶具有完全不同裂缝分布,即板底短裂缝多出现在板边区域,板顶多为平行短跨方向通长裂缝。同时,混凝土连续板各跨跨中变形趋势取决于自身位置和火灾蔓延方向,变形最大值取决于自身受火时长和炉温。此外,数值分析表明,火灾蔓延行为对连续板各跨最大弯矩分布和拉压薄膜效应发展有重要影响;相比Lie模型,EC2模型计算结果较为合理,且几何非线性影响不可忽略。

基于PFC^(3D)的砂岩扩容特性的三轴压缩试验研究

基于颗粒流数值软件PFC^(3D)对砂岩进行了三轴压缩试验模拟,并与室内试验数据进行了对比分析,讨论了围压对砂岩承载过程中扩容行为和细观结构演化的影响。研究表明:砂岩的强度参数(扩容起始应力和峰值强度)和变形参数(轴向应变和环向应变)以及与围压的关系均可以采用正线性关系来表征,且岩石经过扩容转折点后,模型微裂隙数量开始剧增。

ECC–XPS夹心复合墙板界面黏结性能试验

因建筑外围护结构面层开裂脱落导致保温隔热性能下降,从而引起建筑能耗大等问题已经受到了广泛关注,并且现存的外墙保温方法难以保证墙体具有与建筑同样的寿命。基于此,本文提出了一种以工程水泥基复合材料(ECC)作为饰面层和结构层、挤塑聚苯乙烯(XPS)保温板作为保温层的夹心复合墙板,并对其进行了双面剪切试验。在此基础上,分析各类试件的破坏模式,研究制作方式、保温层厚度、连接件及玄武岩纤维增强聚合物(BFRP)连接件角度对ECC–XPS夹心复合墙板界面黏结性能的影响。结果表明:预制试件的黏结性能最差,约为现浇试件的1/3;随着保温层厚度的增加,试件的抗剪承载力和延性降低,并且试件的厚度越大,其抗剪承载力和延性降低的幅度越大;连接件的存在能够有效提高试件的抗剪承载力和延性,还会改变试件的破坏模式;减小连接件的嵌入角度有助于增大试件的抗剪承载力,但会降低试件的延性,还会导致破坏模式发生改变。为了评估ECC–XPS夹心保温墙板达到峰值荷载后的耗能能力,对各类试件进行了韧性分析,发现在墙板中设置一定的连接件能够有效提高试件的耗能能力,并且设置90°连接件对耗能能力的提升最明显,同时预制试件的耗能能力最差。根据试验结果对抗剪承载力计算公式进行修正。研究为ECC–XPS夹心复合墙板在实际工程中的应用奠定了基础。

应变率对红砂岩渐进破坏过程和特征应力的影响

为了深入研究脆性岩石的渐进破坏过程,利用RMT-150C型岩石力学试验系统对产自鲁南地区的一种红砂岩进行了系统的力学性质试验研究,得出该类型砂岩试样在不同应变率条件下的力学表现。将试件的渐进破坏过程通过特征应力分为裂纹闭合阶段、线弹性变形阶段、裂纹起裂和稳定扩展阶段以及裂纹不稳定扩展阶段,通过对应力-应变曲线、轴向变形刚度、体积应变曲线和裂纹体积应变等数据的分析,以及采用动点回归技术确定了试样的起裂应力和致损应力,并进一步研究了该类红砂岩的渐进破坏过程及红砂岩峰值强度、起裂应力等参数和应变率之间的关系。试验结果表明,随着应变率的增加,红砂岩试样的峰值强度先降低后提高,起裂应力及致损应力与峰值强度的比值均有所降低。分析了红砂岩峰值强度变化的物理机制并给出了解释,研究了应变率对红砂岩渐进破坏过程的影响。

盾构地中对接冻结加固模型试验(Ⅱ)——冻结过程中地层的冻胀效应研究

盾构地中对接冻结加固过程中形成不规则形状的冻结体,产生的冻胀效应会引起上部地层产生不均匀冻胀变形。为了获得冻结过程中冻胀效应对上部地层变形的影响规律,以上海地区软土地层中盾构地中对接冻结工程为原型,按照相似理论,设计进行了盾构对接位置地层冻结加固的模型试验,获得了如下结论:冻结过程中,冻胀引起上部地层的变形量随着冻结壁厚度的增长而线性增大,当冻结壁发展超过测点位置后,相应位置的地层变形不再变化。冻结产生的冻胀力对上部地层有压缩作用,随着地层内测点埋深的增加,地层变形量和地层平均应变都逐渐增大。当冻胀力超过土层的黏聚力后,上部土层的滑动使地层平均应变不再增加,地层不再被压缩,下部地层的变形会直接传递到上部地层。研究结果表明,影响冻结加固体上部地层变形量的主要因素是冻结壁的厚度,次要因素是地层的埋深。

地下水渗流与地电场参数响应的定量研究

开展均匀介质稳态渗流模拟试验、非均匀介质稳态渗流模拟试验和采动应力影响下的非均匀介质渗流模拟试验,运用回归分析方法讨论室内试验中一次场电流(激励电流)I与试验模型进水量Qi之间的相关关系;深入矿井开展为期一个多月的地下水渗流地电场动态监测试验,在试验期间发生了矿井突水事故,及时进行了突水水量Qo的测试工作,并讨论一次场电流I与突水水量Qo之间的相关关系。均匀介质稳态渗流模拟试验和非均匀介质稳态渗流模拟试验都表明,固水二相介质中,水未达饱和时,一次场电流I与模型进水量Qi呈线性相关关系。非均匀介质采动条件下的渗流模拟试验表明,在水文条件稳定(水源充足、流速稳定)的情况下,一次场电流I仍然呈现稳态渗流特征,即I与Qi呈线性相关关系,由此认为,在该种条件下,一次场电流主要响应于渗流场的演变和渗流过程的发展,而对岩体的破断与裂隙发育过程响应相对不明显。结合室内试验结论,运用相关分析方法分析井下探测数据,发现在矿井突水过程中,一次场电流I与探测区域出水量Qo呈正相关关系,基于相关分析方法,可以利用电流I的变化趋势实现对探测区域出水量Qo的变化趋势的预测。同时一次场电流与出水量相关度较高的电极,对渗流通道的位置具有指示作用,有助于视电阻率探测成果的分析与解释。

地下水封石油洞库施工期监控量测与稳定性分析

现场监控量测是确保大型地下工程建造和运营安全的重要手段。地下水封石油洞库在中国刚刚起步,不但缺少监测方案设计原则、实施方法等方面的规范标准,还缺少对相关监测数据分析方面的研究。以国内首个正在实施的大型地下水封石油洞库建设项目为依托,首先介绍了适用于大型地下水封石油洞库的监测原则与实施方法,该原则和方法充分考虑工程特征、地质情况和经济适用性;其次介绍了洞库监测结果：洞室大部分监测断面的洞周围岩收敛变形、拱顶沉降、内部位移和围岩松动圈分别处于4~8 mm、3~6 mm、4~8 mm和0.9~1.8 m区间范围内,锚杆应力和接触应力值大部分控制在50 MPa和0.5 MPa以内;而后分析了监测数据：1黄岛地下水封石油洞库围岩变形和支护受力较小、岩体稳定性良好、设计支护方案合理;2综合全面的监控量测结果可准确地反映地下水封石油洞库稳定性特征;3监测数据显示地下水封石油洞库稳定性表现出显著的时空演化特征。该研究可为中国地下水封石油洞库监测技术和稳定性评价研究提供重要依据。

三轴低频循环荷载下盐岩体积应变特性研究

地下储气库围岩长期处于复杂疲劳应力状态下,盐岩三轴循环荷载下的变形规律对储气库稳定性分析有参考价值。对8个盐岩试块进行了不同围压、不同应力水平和不同频率条件下的循环荷载试验。对每一试块施加恒定围压和轴向低频循环荷载。对试验参数进行了无量纲处理,分析了应力比强度(广义剪应力强度与球应力的比值)、应力比振幅、上限应力水平、荷载频率、循环次数(N)等对体积应变(?v)的影响。利用函数?v=?lg N+?v0,对每一试块的体积应变–循环次数曲线进行了拟合分析,获得了参数?和?v0随应力比振幅、上限应力水平和频率变化的数学表达式。标准化回归系数分析表明,上限应力水平是影响盐岩体积变形的主要因素,其次是应力比振幅。在高上限应力水平三轴状态下,盐岩主要表现出体积扩大现象。

不同跨依次受火混凝土连续板试验研究及理论分析

为研究不同跨依次受火工况下混凝土连续板力学行为,对三块混凝土连续板进行火灾试验,分析不同跨受火顺序、受火时间间隔、配筋率和配筋方式等对试验板各跨温度、变形、板角约束力和破坏模式等影响规律;在此基础上,采用6种混凝土板极限承载力理论,对连续板各跨承载力进行计算分析。试验表明,每跨炉温及板截面温度分布主要取决于自身跨受火情况;不同跨受火工况和边界条件对连续板各跨跨中变形趋势、裂缝分布和破坏机理有重要影响,进而两边跨和中跨具有完全相反的跨中变形趋势,且中跨裂缝较多,易出现完整性破坏。此外,理论表明相比边界作用和受拉薄膜影响,不同跨受火工况及其配筋率对连续板各跨极限承载力变化趋势和数值有决定性影响。总之,对于任一火灾蔓延工况,提高配筋率和采用连续配筋方式有助于提高混凝土连续板各跨抗火性能。

单向面内约束混凝土双向板抗火性能试验研究及数值分析

为了分析简支板受到单向面内约束作用下的火灾行为,对两块足尺混凝土双向板进行了面内荷载和竖向荷载共同作用下的火灾试验。研究了双向板在受火过程中沿板厚混凝土温度场分布规律、钢筋温度、板平面内外变形以及板角平面外约束力变化规律,并与相关试验进行对比。在此基础上,基于EC2和ASCE本构模型,编程对试验板温度场、变形行为和力学机理进行了数值分析。结果表明:当板受到单向面内约束作用时,其裂缝模式及变形规律与四边简支板明显不同,且易出现完整性破坏;板角裂缝分布情况对板角约束力有重要影响;本构模型对火灾下约束板的力学机理影响较大。