中国科学院武汉岩土力学研究所喜迎建所50周年

金秋十月，丹桂馥郁。中国科学院武汉岩土力学研究所迎来建所50周年华诞，全国人大常委会副委员长、中科院院长路甬祥为建所50周年题辞：“创新岩土科学技术，服务国家建设工程”。

国际岩石力学学会教育委员会专家访问中国科学院武汉岩土所

应中国科学院武汉岩土力学研究所邀请，国际岩石力学学会教育委员会（ISRM Cominission on Education）专家组一行四人于近日访问中国科学院武汉岩土所并做学术报告。学术活动共历时2天。

中国科学院武汉岩土力学研究所冯夏庭研究员当选为国际岩石力学学会主席

国际岩石力学学会理事会于2009年5月18日14点～19点在香港大学召开。国际岩石力学学会各国家小组主席对下一届国际岩石力学学会主席进行了投票选举，中国科学院武汉岩土力学研究所冯夏庭研究员成功当选了下一届（2011年至2015年）国际岩石力学学会主席。

科教融合型工科研究生培养方式探索--以中国科学院宁波材料技术与工程研究所为例

中国科学院大学是一所以科教融合为办学特色的新型研究型大学,本文拟从知识生产、组织变革等理论视角考察中国科学院大学京外院所工科研究生科教融合培养的实践。研究以中国科学院宁波材料技术与工程研究所为案例,基于政策文本、内部会议、访谈等材料,考察科研院所的知识生产如何与制度逻辑互动,推动组织变革进而促进人才培养方式变革的具体举措。研究发现,组织理念变革是组织实现人才培养创新的切入点,制度逻辑调整是组织实现人才培养创新的突破口,知识生产模式转型是人才培养创新的核心内容。

中国大规模盐穴储氢需求与挑战

氢能是来源广泛且低碳清洁的能源,大力发展氢能产业是实现双碳目标和应对全球能源转型的重要举措。在氢能“制备―储存―运输―应用”全产业链中,储氢难问题长期制约着氢能产业高质量发展。盐穴储氢具有成本低、规模大、安全性高和储氢纯度高等突出优势,是未来氢能大规模储备的重要发展方向,也是我国能源低碳转型的重大战略需求。综合调研了我国制氢产业和氢能消费现状,分析了我国盐穴储氢的需求。调研了国外利用盐穴储存天然气和氢气的技术及工程现状,总结了我国盐穴储气库发展和建设历程。对比了利用盐穴储存天然气、氦气、压缩空气和氢气的异同点,提出我国盐穴储氢面临三大科技挑战:层状盐岩氢气渗透与生化反应、盐穴储氢库井筒完整性管控、储氢库群灾变孕育与防控。研究成果明确了我国氢气储备需求的快速增长趋势和大规模盐穴储氢的重点攻关方向。

深部软岩巷道围岩与锚喷U型钢支护结构相互作用研究

收敛-约束法(特性曲线法)是将理论解析、现场实测、工程经验相结合的一种地下工程结构设计方法,是目前分析围岩-支护相互作用关系及开展支护优化设计的常用方法。基于收敛-约束法的基本原理,总结给出了经典的支护特征与支护结构变形方程,理论计算获得了喷射混凝土、锚杆(索)、U型钢支架等支护结构的支护特征曲线,分析了支护结构的几何尺寸(直径、长度)、间排距、材料强度等参数对支护压力的影响特征;随着喷射混凝土厚度及强度等级的增加,喷射混凝土提供的支护刚度和支护压力逐渐增大;随着锚杆(索)直径、长度、杆体材料强度的增加及间排距的减小,锚杆的支护压力显著增加;U型钢支架的排距越小及材料强度越大,其提供的支护压力越大。采用FLAC^(3D)内嵌的莫尔库伦应变软化本构模型,建立了考虑岩石峰后应变软化与扩容特性的深部软岩巷道数值分析模型,计算获得了不同应力状态下巷道纵剖面变形曲线、围岩特征曲线,分析了锚喷、锚杆(索)喷、锚喷U型钢等3种联合支护技术对深部巷道围岩大变形控制的适用性,验证了锚喷U型钢联合支护技术应用于深部巷道支护工程的可行性。考虑岩石峰后应变软化与扩容特性的应变软化本构模型和经典的莫尔库伦本构模型的数值模拟结果相差较大,采用莫尔库伦本构模型的数值模拟结果保守,支护结构提供的支护压力无法满足深部巷道稳定性控制要求,支护后巷道围岩变形较大甚至会发生冒顶、片帮等安全事故。

隧道围岩-衬砌接触面剪切特性模拟研究

探究隧道围岩-衬砌接触面在不同法向应力及不同粗糙度条件下的剪切特性规律,对进一步研究隧道围岩与衬砌间的相互作用及岩体稳定性具有重要的理论和工程意义。为考虑粗糙度条件,利用分形理论,通过改变分形公式中的分形维数D及分形粗糙度G生成5种不同接触面,基于二维颗粒流程序(PFC^(2D)),建立接触面数值剪切模型,尺寸为150 mm×150 mm。开展同一接触面在不同法向应力下,数值模拟剪切试验及不同接触面在同一法向应力下的数值模拟试验;将数值剪切试验与室内剪切试验获得的剪切应力-剪切位移曲线进行对比,验证数值剪切模拟的可靠性。研究结果表明:(1)数值模型剪切破坏产生的裂隙主要集中于中间接触面处,破坏后的应力主要集中于接触面粗糙度最大处,破坏裂纹可分为剪切裂纹和张拉裂纹,其中张拉裂纹占主要优势;(2)剪切应力-剪切位移过程曲线存在爬坡、啃断、滑移三大阶段,具有明显的峰值强度和残余强度,法向位移随着剪切位移的增加而增大,产生剪胀效应;(3)随着法向应力增加,剪切和张拉裂纹数量增加,破坏现象越明显,峰值强度和残余强度增大,剪胀效应减小;(4)随着粗糙起伏度增大,即分形维数D的增大或者分形粗糙度G的减小,破坏裂纹数量增加,其中张拉裂纹增加较明显,峰值强度和残余强度增大,剪胀效应增大。

岩石类材料直接拉伸破坏的FDEM数值模拟

有限元-离散元耦合算法(FDEM)在岩石裂纹扩展模拟中广泛应用,尤其在直接拉伸模拟中用于参数校核。然而,模拟结果通常受到拉伸速率和网格尺寸的影响。本文首先阐述FDEM基本原理;然后,建立直接拉伸数值计算模型,探究拉伸速率、网格尺寸及高径比对破坏模式和力学参数的影响;最后,给出直接拉伸模拟中建议采用的拉伸速率和网格尺寸。研究结果表明:随着拉伸速率增加,试样抗拉强度、破坏程度和峰值应变率增加,而平均弹性模量减小;在较低拉伸速率下(v≤0.01 m/s),试样仅产生1条主拉伸裂缝;当拉伸速率较高时,有分支裂缝出现在主拉伸裂缝上侧。网格尺寸对抗拉强度、峰值应变率和平均弹性模量的影响较小,但对破坏模式和破坏程度的影响较显著。随着高径比增加,试样的抗拉强度、破坏程度和峰值应变率增大,但平均弹性模量呈相反趋势,并且高径比对破坏程度的影响较为显著。建议在直接拉伸模拟中使用0.01 m/s的拉伸速率,并将网格尺寸限制在1.5 mm以内。

列车荷载作用下压实花岗岩残积土累积变形特性试验研究

为研究列车荷载作用下应力及湿化条件对压实花岗岩残积土累积变形特性的影响,以围压、动应力幅值、含水率为变量,对压实花岗岩残积土进行循环空心扭剪和循环定向加载试验。结果表明:循环扭剪应力路径下主应力轴旋转效应增加了试样的累积变形量,甚至改变了累积变形的发展模式,该影响程度随试样含水率的增大而增大;试样的累积应变发展速率在加载初期(N<100)时完成大幅度衰减,围压增大可加快累积应变发展速率的衰减,动应力幅值的增加会延长累积应变发展速率的衰减时间,循环扭剪加载时试样的累积应变发展速率衰减程度小于循环定向加载试验,含水率越高该效应越显著。通过预测模型能够对两种动力加载应力路径下的稳定型和发展型累积应变发展曲线能够进行拟合,对压实花岗岩残积土的累积变形作出较好预测。

卸围压下弱胶结软岩分数阶蠕变损伤本构模型

为研究地下硐室开挖卸荷诱发的软岩蠕变损伤特征,以西部矿区弱胶结软岩为研究对象,利用GDS HPTAS开展了分级卸围压蠕变试验,研究了不同含水条件下弱胶结软岩卸围压下蠕变特征和蠕变速率特征。基于稳态蠕变速率倒数的方法,确定了弱胶结软岩长期强度和含水率的数学指数函数关系。基于蠕变速率曲线特征提出了一种确定衰减蠕变与等速蠕变分界点t_1和等速蠕变与加速蠕变分界点t_2的新方法。引入Riemann-Liouville分数阶积分算子和负时间指数损伤演化变量,定义了非线性损伤Abel黏壶,建立了一个包括弹性元件、黏弹性损伤元件、黏性元件和非线性黏塑性损伤元件的六元件分数阶蠕变损伤本构模型。基于试验结果,采用Trust-Region算法进行了模型参数识别和敏感性分析。结果表明,所建立的模型具有物理意义明确、与试验值吻合度较高等特点,可较为准确地反映开挖卸荷条件下弱胶结软岩蠕变损伤特性,对保障地下工程长期稳定性具有重要的意义。

基于定向声波扫描的钻孔围岩隐伏溶洞表征与分析方法

复杂地质环境下采用简化的几何体代替真实形态的隐伏溶洞进行数值分析,往往难以反映真实的工程特性,自然形成的溶洞形态在几何方面无明显规律性,导致溶洞形态特征的定量化表征问题一直未被很好的解决,为此,针对复杂地质环境下钻孔围岩隐伏溶洞轮廓的几何形态特征定量化研究中缺少系统性研究问题,提出了基于定向声波扫描的钻孔围岩隐伏溶洞表征与分析方法。首先,在利用钻孔定向声波扫描技术获取基础数据的基础上,构建同一钻孔中不同隐伏溶洞的轮廓坐标化准则。随后,在钻孔围岩隐伏溶洞定量表征方面,分别提出了隐伏溶洞水平方向结构表征方法与垂直方向结构表征方法,实现了隐伏溶洞的全方位定量化表征;在钻孔围岩隐伏溶洞统计分析方面,提出了水平全方位占比指数、远离占比指数和深度占比指数,能够从钻孔角度来统计分析钻孔不同深度、周围不同位置的隐伏溶洞情况。最后,结合实际工程案例进行了综合分析,并与其他方法进行了对比验证,证明了提出的方法能够为岩溶地区地质工程中工程勘察和数值模拟提供更多的定量化数据,是溶洞地区的开发与资源利用技术中的一种全新定量化分析方法,具有广阔的应用前景。

复兴区块陆相页岩压裂成缝特征与增产改造策略分析

复兴区块侏罗系纵向发育东岳庙段、凉高山组等多套陆相页岩,页岩油资源量10.54×108 t,页岩气资源量1.51×1012 m3,具有良好的立体勘探开发前景。该陆相页岩具有黏土矿物含量高、夹层发育、油气同出等特点,面临复杂成缝难度大、穿层扩体难度高、有效支撑需求高等一系列难题。文中通过各层段岩石力学特性和多因素作用下破裂成缝影响机理研究,揭示了东岳庙段、凉高山组页岩压裂成缝规律的共性和差异,明确了垂向地应力差、夹层性质、注入排量、压裂液黏度是影响裂缝延伸扩展的关键因素,提出了以“持续提净压、转向促复杂”为核心的压裂改造策略,制定了多簇密布缝、循环变排量、不同粒径支撑剂循环充填、高频复合暂堵等工艺优化的具体措施。现场应用后取得了单井改造效果和测试产能双突破。

陡倾结构金属矿山岩移规律的模型试验研究

陡倾地质结构金属矿床大部分形成于构造断裂带,崩落法开采会产生显著的岩层移动现象。以湖北黄石的金山店铁矿典型地质剖面为基础,构建地质结构模型。通过缩尺物理模型试验,研究陡倾地质结构对崩落法采矿岩层移动的影响规律。研究结果表明,受陡倾地质结构的影响,采空区岩层移动可分为缓慢增长、快速增长与地表塌陷破坏3个阶段,其中上盘岩移范围远大于下盘,上盘以倾倒变形破坏为主,下盘以剪切滑移破坏为主;采空区顶板岩层一方面不断崩落填充采空区控制岩移,另一方面形成冒落拱,以拱脚抵制上下盘陡倾岩层朝向采空区移动;当顶板崩落至地表后冒落拱的支撑作用消失,近采空区的上盘岩层发生倾倒折断塌陷,下盘岩层发生剪切滑移塌陷。

浅埋无中导洞连拱隧道先行洞衬砌承担围岩荷载确定方法

不同于常规隧道衬砌结构,无中导洞连拱隧道先行洞衬砌施作稳定后还要受到邻近后行洞开挖的二次扰动,后行洞开挖对先行洞衬砌受力的影响不可忽视。依托杨家寨公路隧道工程,基于考虑了后行洞开挖影响的隧道围岩压力计算方法,结合现场监测位移数据采用荷载-结构法进行位移反分析,提出了一种确定浅埋无中导洞连拱隧道先行洞衬砌承担围岩荷载的方法,最后和衬砌背后围岩荷载现场监测值进行对比验证。研究结果表明:后行洞开挖对先行洞衬砌承担围岩荷载的影响较为显著,监测点增长幅度均值高达142%;先行洞衬砌受力呈现“拱腰较小,拱顶及拱肩较大”的分布规律,且靠近后行洞一侧拱肩位置受力最大;通过现场监测位移反分析得到的先行洞衬砌受力结果和现场监测结果较为一致,论证了该方法的合理性和实用性,研究成果可为无中导洞连拱隧道结构设计提供参考。

复杂应力路径下的花岗岩洞室开挖损伤区研究

在储库的建设与运行过程中,复杂的应力路径是控制围岩损伤的主要因素。然而在围岩的损伤区研究中,应力路径仍未得到充分考虑,特别是忽略了主应力轴旋转在围岩损伤中的作用。基于岩石扭剪仪开展岩石主应力轴旋转试验,利用断裂力学理论对裂隙的尖端应力场进行了分析。结果表明,应力旋转会提高裂隙尖端的拉应力以促进裂隙的进一步发育,从而导致岩体强度的降低,且降低幅度与旋转角度呈明显的正相关关系。基于上述结果提出了一种考虑应力旋转的损伤演化表征法,在岩体最大偏应力超过第一次起裂应力后,对主应力轴任意方向的旋转角度进行累加,得到累计有效旋转角度。利用其随深度变化规律实现开挖损伤区(excavation damage zones,简称EDZS)的圈定,同时利用损伤区的最大深度和超过第2次起裂应力的偏应力范围划定剥落区。该方法综合考虑了应力路径中主应力的幅值与旋转角度的变化,更加全面地反映了围岩损伤演化机制,并通过Mine-by隧道数值模型与现场监测数据的对比进行了有效性验证。本研究可以为理解围岩损伤机制和预测围岩损伤范围提供新思路。

粉煤灰-煤矸石充填技术的科学知识图谱分析

基于相关论文和专利,分析了该领域的研发态势和主要国家、研究机构及其研发重点的分布特征,并在此基础上开展主题分析,梳理了研究方向、主题和发展趋势。结果表明,目前该领域的研究论文产出呈现波动增长趋势,相关专利数量则呈现上涨趋势,我国是目前开展相关技术研发最多的国家,主要涉及流变学、抗压强度、机械性能以及充填工艺等方面。提出了粉煤灰-煤矸石充填技术研发的前沿动态、技术路线、研企合作、政策标准等建议,以期为相关领域决策和研究提供科学依据。

爆破开挖下隧洞围岩损伤范围数值模拟研究

爆破作用对地下洞室围岩造成的损伤不可忽略,研究围岩爆破损伤效应对地下工程的施工安全有重要意义。合理的破坏准则对准确计算围岩损伤范围极其重要。为研究不同破坏准则下的围岩爆破损伤效应,结合2个地下隧洞工程案例,采用FLAC3D数值模拟方法研究了摩尔库仑破坏准则、应变能破坏准则以及格里菲斯破坏准则应用下的围岩损伤范围。结果表明,3种破坏准则得出的损伤范围相差不大,工程案例1中,采用格里菲斯破坏准则计算的围岩损伤深度更接近实测值;工程案例2中,采用应变能破坏准则计算的围岩损伤深度更接近实测值。在此基础上,依托工程案例1,研究了地应力水平对爆破损伤范围的影响,并通过相关文献进行验证。结果表明,摩尔库仑破坏准则和格里菲斯破坏准则模拟结果较为一致,且能更好反映应力水平对隧洞围岩损伤范围的影响规律。

深空探测任务中岩土力学若干问题及研究进展

随着地球资源能源枯竭与深空探测技术的进步,世界各国纷纷规划了针对月球、火星、小行星等地外天体的诸多深空探测任务。抢占深空探测相关科技制高点至关重要,而保障深空探测任务圆满完成更是重中之重。梳理了世界各国近期深空探测任务的时间节点、任务目标和涉及的相关岩土力学与工程问题。地外天体岩土材料赋存于特殊重力、温度、辐射和大气环境,同时受流星体撞击等扰动的影响,与地球岩土材料相比有其特殊性。在文献调研的基础上,探讨了“四特一扰动”的赋存环境与特殊形成过程导致的地外天体岩土力学特性转变。基于当前深空探测任务规划,总结了任务中不同特定需求面临的若干岩土力学难题及研究进展,包括无人勘探与原位力学测试、极端环境试验平台搭建、极端环境岩土材料力学特性、工程机具与岩土相互作用、地外岩土原位资源利用,以期助力我国深空探测任务顺利开展和推动岩土力学向地外天体岩土力学方向拓展。

岩土工程表面变形监测应用技术现状分析与发展思考

本文从表面变形监测技术现状出发,阐述其技术发展历程,针对建(构)筑物、边(滑)坡、地基基础、地下工程等不同工程类型的特点,结合国家现行技术标准要求,分析当前表面变形监测方法的适用性、存在问题及可能的解决办法。分析认为:自动化监测代表当前表面变形监测发展的主流;面监测为下一阶段表面变形监测发展的重要方向;基于近景摄影测量的表面变形监测技术具有较好的发展前景。