地下水渗流对联络通道冻结帷幕影响研究

为探究流速对联络通道冻结温度场的影响,基于水热耦合理论构建地下水渗流条件下地铁联络通道冻结法施工数值计算模型,并采用现场实测数据对模型的合理性进行验证。运用该模型对南通市地铁2号线联络通道冻结帷幕的发展规律进行计算分析。结果表明,当地下水流速为3、6、9m/d时,冻结帷幕的交圈时间分别为20、28、34d。冻结帷幕交圈后,联络通道左墙(位于地下水上游)外侧与上、下墙外侧冻结帷幕厚度的增加速率均减小。在同一冻结时间下,随着流速增大,左墙内侧厚度增大,外侧厚度减小,右墙内侧厚度减小,外侧厚度增大,其中左墙内侧与右墙外侧增加的最为突出。在冻结稳定时期,冻结帷幕厚度的增加主要体现在内侧,外侧由于受地下水流速的影响,厚度增长率较低。由此可知,地下水流速是影响冻结帷幕发展情况的原因之一,流速越大冻结帷幕发展不均匀性越大,位于上游冻结壁发展速度越慢,下游冻结壁发展速度越快。该研究对探究不同流速下粉质粘土层联络通道冻结壁的发展状况具有参考价值。

地下水对人工地层冻结过程的影响机制研究进展及展望

目前关于地下水渗流作用对人工地层冻结过程的影响机理研究主要集中在模型试验、数值计算以及理论解析解3个方面。关于模型试验的研究成果已经基本实现了地下水对人工冻结温度场影响规律的定性分析,但对于地下水流速度对冻结温度场的量化影响规律尚未得出一致的研究结论;关于地下水渗流条件下人工冻结温度场的数值计算方法主要包括“表观热熔法”以及“焓-孔隙度法”,但这两种数值计算模型均对水热耦合过程进行了简化,无法全面深入地反映较大流速地下水与冻结温度场耦合作用的科学本质,因此流速计算范围受到一定的限制,计算准确度也有待提高;关于地下水作用下冻结温度场解析解的研究成果主要集中在稳态温度场方面,能够反映温度场随时间及流速变化规律的瞬态温度场理论解尚无相关成果。基于当前的研究现状,提出了该科学问题未来的研究方向。

白垩系弱胶结砂岩TBM掘进刃宽参数研究

TBM刀盘滚刀的机械参数是影响扰动围岩裂纹扩展的主要因素之一。为了揭露白垩系砂岩的内部结构,探明破岩机理,针对中国西部某隧道工程,开展白垩系砂岩微观结构XRD试验、SEM试验、偏光显微镜试验。选择不同刃宽滚刀,采用PFC2D数值模拟贯入试验,用Fish语言提取裂纹特征、贯入力幅值变化、裂纹数量及胶结破坏比能耗进行比较分析,探究裂纹形成机理与破岩效率。结果表明:弱胶结砂岩石英和长石矿物磨圆度低,分选性差,胶结物少,胶结物松散,微孔隙多,而这些特征所形成的岩石微结构恰好构成了裂纹扩展的通道;同等贯入度工况下,刃宽12 mm呈现出诸多优势,此时水平裂纹最接近自由面,使得破岩过程更加高效;大岩块最为突出,表明破岩效果显著,中间裂纹最少,减少了能量的不必要损耗,破岩能量利用最为有效;白垩系弱胶结砂岩掘进选择刃宽12 mm较为合理,这是由于刃宽超过12 mm后破岩机理发生改变,由拉剪破坏转向压剪破坏,破岩力大幅增加,比能耗上升,破岩效率下降。本研究结果符合相关理论模型,并在中国西部某隧道工程得以成功验证。

两种纤维加筋模拟月壤地聚合物动态劈裂试验研究

为了解纤维加筋模拟月壤的动态劈裂力学特性,选用聚丙烯纤维和玄武岩纤维制备了纤维加筋模拟月壤地聚合物圆盘试件,利用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)装置开展了冲击劈裂试验,并使用扫描电子显微镜观察地聚合物断裂面处纤维的分布排列情况。试验结果表明:当聚丙烯纤维掺量为0.4%时试件的劈裂拉伸强度达到最大,较未掺时提高22.9%~27.3%;相同纤维掺量下,聚丙烯纤维对试件劈裂拉伸强度的增益效果要优于玄武岩纤维;纤维掺量一定时,试件动态劈裂拉伸强度与冲击气压呈正相关,纤维对劈裂拉伸强度的增益效果与冲击气压呈负相关;试件在冲击荷载作用下沿轴向劈裂为相对完整的两半,纤维的掺入减小了试件的破坏程度,改善了脆性破坏;试件的劈裂破碎块度平均粒径随纤维掺量的增加而增大。研究结果为未来月球基地建造材料的选择提供参考。

碱激发绿色超高性能混凝土早期力学性能研究

为研究通过碱激发方式制作的绿色超高性能混凝土(Green Ultra-high Performance Concrete,GUHPC)在7 d早期阶段的力学性能,设计了相关实验,分析了不同粉煤灰掺量、钢纤维掺量以及水胶比对GUHPC抗压强度和平台巴西圆盘劈裂抗拉强度的影响。通过观测反应物的微观形貌,对比分析不同粉煤灰掺量下生成物的变化情况,以验证结论的可靠性。结果表明,GUHPC的7 d抗压强度随粉煤灰掺量的减少、钢纤维掺量的增加以及水胶比的降低呈现线性增大的趋势。在无钢纤维掺量的情况下,抗压强度达到最低值89.4 MPa,而当钢纤维掺量增加至4%时,抗压强度显著提升至142 MPa,增幅近58.8%。GUHPC的7 d劈裂抗拉强度在钢纤维掺量为4%时达到最高值15.19 MPa。劈裂抗拉强度随粉煤灰掺量的增加和水胶比的增大呈现出先增大后减小的趋势,而随着钢纤维掺量的增加则持续增强。在无钢纤维掺量的情况下,劈裂抗拉强度最低为4.57 MPa;随着钢纤维掺量的增加,其强度提升近2.3倍。

透水混凝土的配合比设计及性能研究

通过L_(9)(3^(4))正交试验研究了骨料级配(m_(4.75~9.50 mm)∶m_(9.50~16.00 mm))=7∶3、6∶4、5∶5)、骨胶比(3.0、3.1、3.2)、粉煤灰掺量(10%、15%、20%)、增强剂掺量(4%、5%、6%)对透水混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、有效孔隙率和透水系数的影响。结果表明:对于抗压强度和劈裂抗拉强度,最佳的m_(4.75~9.50 mm)∶m_(9.50~16.00 mm)为6∶4、骨胶比为3.1、粉煤灰掺量为20%、增强剂掺量为4%;对于有效孔隙率和透水系数,最佳的m_(4.75~9.50 mm)∶m_(9.50~16.00 mm)为6∶4、骨胶比为3.2、粉煤灰掺量为15%、增强剂掺量为6%。

高温循环作用含孔砂岩动态力学特性试验研究

为研究高温循环作用含孔砂岩动态力学特性,利用SHPB试验装置对常温和经历200~800℃高温循环作用后含孔和完整砂岩试件开展冲击压缩试验。研究表明:随循环作用温度升高,砂岩试件由灰色逐渐变成褐色;质量损失率、体积膨胀率和密度降低率等物理参数均呈增大趋势,超过400℃时变化幅值显著增加;常温砂岩含有少量微孔隙,随循环作用温度升高试件表面微孔隙数量增多、宽度增大。高温循环作用后含孔试件动抗压强度呈二次函数关系减小趋势;动应变和动弹性模量则分别呈幂函数增大和线性函数关系减小趋势。随循环作用温度升高,试件破碎程度加剧,破碎块度减小,分形维数呈幂函数关系增大趋势;循环作用温度超过400℃时,试件动抗压强度、动应变、平均粒径和分形维数变化幅值均显著增大。研究成果对深部矿山资源开采和地热利用具有一定参考价值。

C60流态混凝土的工作性及强度影响因素试验研究

采用单因素法研究了粒径为5~10 mm和10~20 mm粗骨料级配(比例5∶5、6∶4、7∶3、8∶2)、减水剂掺量(1.3%、1.5%、1.7%、1.9%、2.1%)、骨胶比(2.6、2.9、3.2、3.5、3.8)对C60流态混凝土工作性和抗压强度的影响。结果表明:随着5~10 mm石子比例的增加,混凝土的坍落扩展度、J环扩展度和抗压强度均呈先增加后降低的趋势,T500则先降低后增加;随着减水剂掺量的增加,混凝土的坍落扩展度和J环扩展度逐渐增加,T500逐渐降低,抗压强度呈先增加后降低的趋势;随着骨胶比的增加,混凝土的坍落扩展度、J环扩展度和抗压强度先增加后降低,T500先降低后增加;当粒径为5~10 mm和10~20 mm粗骨料级配比例为7∶3、减水剂掺量为1.7%、骨胶比为2.9时,混凝土的综合性能最佳。

基于PSO-BP算法的弹性力学课程教学质量评估模型研究

国家人才培养的战略核心是提高教育教学质量,构建切实可行的教学质量评价体系,优选合理的质量评估方法十分必要。本文以本科弹性力学课程的教学质量评价为研究对象,建立包括教师个人素质及教学内容、方法、效果的4个一级指标及19个二级指标的教学效果评价体系,并对1082名本科生进行数据调研,通过对调研数据的信度及效度分析,证明了评价系统因素选择合理有效;建立基于粒子群算法优化的神经网络分析方法(PSO-BP组合算法),利用调研数据进行训练分析,得出组合算法平均评价精度高于BP神经网络算法,可以更准确有效地进行弹性力学课程教育质量的评估,以期为本科课程教学质量的考核评价提供新思路。

负温饱水弱胶结砂岩动态力学特性研究

西部矿井建设受制于其独特地质环境,而冻结爆破竖井掘进有效克服深部富水环境,因此研究西部饱水弱胶结砂岩在负温环境动态力学特性对实际工程具有参考意义。以此开展SHPB动态压缩试验研究饱水白砂岩动态力学特性,得出:(1)饱水白砂岩动态应力应变曲线可分为线弹性阶段、应力屈服阶段和卸载阶段。(2)饱水白砂岩峰值应力随应变率增大而增大。饱水白砂岩峰值应力随温度降低表现出明显增强效应。(3)结合饱水白砂岩能量耗散与破坏形态分析可得,随应变率破坏整体变化规律为破碎程度逐渐加剧,对应能耗密度随应变率增大而增加。饱水白砂岩随温度破坏规律为破坏程度逐渐减小,对应能耗密度随温度降低而增加。

富水砂层斜井明挖段三维冻结温度场时空演化规律研究

为解决冻结斜井明挖段施工过程中,斜井冻结温度场难以准确预测导致开挖时间及速度无法确定的工程难题,以升富煤矿冻结斜井明挖段为研究对象,基于实测地层特性及冻结孔布置参数,采用COMSOL Multiphysics有限元软件,构建三维冻结温度场数值计算模型,对冻结斜井明挖段施工期间温度场的时空演化规律进行数值计算预测分析。计算结果表明:在相同冻结时间条件下,细砂层冻结壁平均温度比中砂层低0.28~2.39℃,细砂层冻结壁有效厚度比中砂层厚0.36~0.59 m。在持续冻结88 d后,明挖段冻结壁平均温度低于-12℃,且不同层位的侧帮冻结壁厚度均能达到4 m以上,底板处的冻结壁厚度均达到5 m以上,满足设计开挖需求。在开挖期间,井帮位置暴露的土体存在“热流侵蚀”现象,但在快速开挖施工的条件下,冻结壁的有效厚度并未减小且冻结壁平均温度仍处于-10℃以下,因此开挖过程中不会发生大范围的冻结壁“软化”现象。基于预测结果,制定了现场开挖方案,由现场实测数据可知,在开挖过程中测点及井帮温度出现轻微波动,但整体温度发展趋势较为稳定,表明施工期间冻结壁是安全稳定的。研究成果可为斜井冻结法凿井的安全施工及优化设计提供参考。

被动围压条件下岩石材料冲击压缩试验研究

为研究煤矿岩石材料被动围压条件下动态力学性能和变形破坏规律，利用50mm变截面分离式Hopkin-son压杆（SHPB）试验装置，对45＃钢质套筒环向约束状态下煤矿岩石试件进行了不同加载速率冲击压缩试验。试验结果表明：被动围压条件下SHPB试验中，岩石试件的材料延性和抗破坏能力均得到增强，试件轴向应力是采用同种加载条件无围压SHPB试验时的1．2倍，破坏应变比无围压SHPB试验提高2～3倍，且径向应力随轴向应变增大总体呈上升趋势，试件破坏为压剪破坏模式，与无围压SHPB试验有所不同。

隧洞开挖围岩动态卸载响应特征模拟研究

考虑隧洞瞬态开挖卸载并分析围岩的动态响应对研究其变形破坏机制非常重要。在静水压力圆形隧洞动态卸荷模型理论分析的基础上,采用FLAC3D的Fish语言开发了隧洞开挖动态卸载围岩响应模拟计算程序。验证算例模拟结果与理论结果对比,证明了程序的正确性,围岩的应力变化和体积应变增量均呈现由表及里的波浪型变化,能较好地模拟围岩的动态卸荷响应。根据Griffith强度准则计算得到的不同时刻围岩的损伤范围表明,考虑动态卸载时围岩的损伤区比采用静态分析要大。采用该程序分别模拟了不同卸载时间、卸载路径、隧洞形状、隧洞直径、地应力等条件下,隧洞动态卸载围岩的动态响应。结果表明,在卸载时间变短、先慢后快卸载路径、洞形为方形、洞径变大和地应力差值增大的条件下,隧道围岩内最大、最小主应力应力差也增大。深部隧洞采用瞬态卸载分析对于深入研究围岩变形破坏机制具有重要意义。

干湿循环条件下煤矿砂岩分离式霍普金森压杆试验研究

由于降雨、季节引起地下水位升降等原因,地壳中岩体常处于干湿循环状态。为研究干湿循环对岩石动态力学性能的影响,以安徽恒源煤矿北风井-259 m处砂岩为研究对象,采用50 mm变截面分离式霍普金森压杆试验装置,对长径比为0.5的煤矿砂岩试件经干湿循环作用后实施单轴冲击压缩试验,获得了砂岩动态单轴压缩应力-应变曲线。研究发现,由于自由水的Stefan效应,干湿循环1次对砂岩具有增强作用,单轴动态抗压强度最高;其后,随着干湿循环次数的增加,砂岩受水侵蚀物理弱化作用,砂岩动态单轴抗压强度呈乘幂关系降低,砂岩试件的冲击破碎块度逐渐变小。试验结果表明,干湿循环12次时砂岩动态抗压强度比干湿循环1次降低约24%,表现出较强的劣化效应。

煤矿深部岩石力学性能试验分析与硬岩巷道快速掘进方法研究

在RMT-150B岩石力学试验机上进行深部巷道砂岩单轴压缩和不同围压下三轴压缩试验,测得砂岩的力学性质参数。根据岩石应力-应变曲线分析深部岩石的强度和变形特性,岩石抗压强度随围压的增加而提高,围压从10MPa增加到15MPa时,抗压强度增幅达到40.3%。深部高应力下,砂岩承载后产生的变形及破坏形态与围压大小密切相关,其主应力差-应变曲线斜率随着围压的增加而明显变陡,破坏荷载增高。依据岩石力学特性,采用分类布孔,掏槽眼宜用直径φ42mm的钻头钻眼,其余的炮眼用直径φ32mm的钻头钻眼,缩短钻眼时间。掏槽眼采用中深孔不同阶微差斜眼掏槽方法,炮眼深度宜采用2.2～2.5m,有利于巷道的进尺;周边眼采用小直径药卷光面爆破技术,有利于巷道成形。

不同中主应力系数和负温条件下冻结砂土真三轴试验研究

为研究冻土在复杂应力路径下的力学性质,利用自主研发的冻土真三轴仪,研究了温度和中主应力系数b_(f)对冻结砂土强度和变形特性的影响。试验结果表明:不同试验条件下的偏应力-大主应变曲线均表现出应变硬化的特性。当0≤b_(f)≤0.5时,破坏强度随b_(f)的增加而增加,当b从0.5增长到1时,破坏强度表现出降低的趋势,且b_(f)>0时的强度均大于bf;0的强度。强度随着温度降低呈现出线性增长规律。随着b_(f)的增加,中主应力方向上的变形由膨胀向收缩转变;小主应力方向始终产生膨胀变形,且变形速率加快;体应变均表现出先剪缩后剪胀的特性。应力水平在30%~95%区间内的试验点适用于计算Duncan-Chang模型参数。

不同高温作用后石灰岩物理与动力特性试验研究

为研究石灰岩物理和动力学性质受高温作用影响的规律,对常温和经历100~800℃高温作用后石灰岩试件进行物理参数测试,利用SHPB试验装置开展相同加载条件冲击压缩试验。研究结果表明:石灰岩主要矿物成分为方解石和白云石,常温石灰岩结构致密,随作用温度升高,白云石逐渐分解形成微米级颗粒,试件颜色由灰白色逐渐变浅至白色,体积增大,质量、密度和纵波波速减小,且变化速率与作用温度密切相关。不同高温作用后动压缩应力–应变曲线变化规律基本一致;动抗压强度和动弹性模量随作用温度升高表现为先小幅增加后大幅降低,与作用温度呈负相关二次函数关系,200℃时最大;动应变和应变率与作用温度呈正相关二次函数关系;破坏形态表现为由脆性向延脆性破坏转化,200℃时破坏程度最小,随作用温度升高破坏程度加剧、碎块粒径逐渐变小,800℃时碎块基本呈现为粉末状。

煤矿岩巷毫秒延期爆破振动测试与控制技术研究

为了提高煤矿硬岩巷道掘进爆破效果、降低爆破振动效应,对毫秒延期爆破参数进行优化及实施,实测爆破振动速度。分析了爆破参数与爆破振动信号特征之间的关联性,针对电雷管存在延期误差,应用小波变换时-能密度法识别确定毫秒爆破中实际延期时间,提出了降低爆破振动效应的技术措施。研究表明:采用合理的毫秒延期爆破参数方案,可以取得良好的爆破效果;垂直方向爆破质点峰值振速可以作为煤矿岩巷的安全判据;时-能密度法能够有效地识别出各段雷管的起爆时刻,确定实际延期时间。

高温条件下砂岩动态力学特性试验研究

为研究实时高温作用对岩石动态力学性能的影响,利用50 mm变截面分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置及高温环境箱,对砂岩试件进行了常温个温度等级的冲击压缩试验,得到了不同温度砂岩试件的动态应力、应变、弹性模量和应变率等(25℃)、100℃、200℃、400℃、600℃、800℃和1 000℃7,分析了温度变化对砂岩动态力学性能和破坏形态的影响规律。试验结果表明:高温条件下砂岩试件的动态力学性能比其常温状态下发生了显著变化。随着作用温度的升高,砂岩试件的动态抗压强度表现为先增大后减小,峰值应变呈线性增加,弹性模量整体呈二次抛物线下降,平均应变率呈二次抛物线增加;试件受冲击破碎程度随作用温度的升高表现为先减少再逐渐增大的趋势,其动态破坏特征也反映了砂岩试件的强度特征。

冻融和热冲击循环作用后红砂岩SHPB试验和本构模型研究

为研究冻融(freeze-thaw,F-T)循环和热冲击(thermal-shock,T-S)循环对红砂岩动态力学性能的影响。利用直径50 mm的分离式Hopkinson压杆试验装置,对长径比为0.5的红砂岩试件开展F-T循环和T-S循环后的冲击压缩试验,对比分析了F-T循环和T-S循环次数对红砂岩动态力学参数和微观结构的影响。试验结果表明:红砂岩的动态应力-应变曲线可分为弹性、塑性和破坏阶段;其纵波波速、干密度、动态峰值应力、弹性模量、平均破碎块度均随循环次数的增加逐渐下降,而孔隙率、峰值应变、吸收能、比能量吸收值、质量分形维数则逐渐增大;通过对比岩石微观形貌特征发现,相同循环次数条件下,T-S循环对红砂岩内部的损伤程度较F-T循环更加明显;基于黏弹性朱-王-唐模型,建立了能够考虑F-T/T-S循环损伤的红砂岩动态本构模型;通过对比模型和试验得到的动态应力-应变曲线,验证了模型的准确性和适用性,该模型能够较好地反映冲击荷载作用下F-T/T-S循环后红砂岩的动态强度和变形特性。