浆液对破碎岩体强度恢复影响试验研究

破碎泥质岩体注浆加固过程中,由于注浆水灰比的不同,使得不同浆液析水率对受注泥质岩体强度的恢复不同。为此,对完整岩体和破碎岩体注浆胶结岩体试件进行单轴抗压测试。结果表明,注水泥浆液胶结后的强度为胶结前破碎岩石强度的2~5倍,超细水泥浆液注浆后强度为破碎岩石强度的7~12倍,且破碎泥岩胶结试件的抗压强度随水灰比的增大而减小。     

裂隙岩体注浆后结构面粗糙度及刚度变化分析

节理面是控制岩体特性的一个重要因素,为改善岩体物理力学特性,工程中经常采用注浆加固的手段。研究了节理面JRC-JCS模型,并在此基础上对注浆前后的岩体节理面进行了相应的对比试验研究。研究表明：注浆后节理面JRC比自然节理面有较大的提高,同时增长趋势随法向应力的改变而改变,裂隙岩体注浆后裂隙面的刚度及抗剪强度参数得到相应的改善,其中刚度参数的改善更为明显。上述研究成果从试验及理论分析的角度进一步证明了裂隙岩体注浆加固后强度提高的机理。     

硫酸盐侵蚀和冻融循环作用对砂浆质量损伤的影响研究

通过冻融循环试验,比较不同水灰比、不同胶凝材料、不同浓度硫酸钠溶液对质量损失的影响。结果表明:相同条件下水泥砂浆试件在5%的硫酸钠溶液中进行冻融循环,其质量随冻融循环次数增加呈逐渐下降的趋势,且水灰比越大,质量损失率越大;随冻融循环次数增加,掺加粉煤灰的砂浆试件对冻融循环由抑制作用变为促进作用,而高抗硫酸盐水泥的抗冻性优于普通硅酸盐水泥;相同水灰比下普通硅酸盐砂浆试件在硫酸盐中的质量损失率比水中小,即硫酸盐中的抗冻性优于水中的抗冻性。     

压剪条件下岩体剪切力研究

通过ANSYS软件,建立包含节理厚度为0.05 m,起伏角为45°的规则节理岩体,并在ANSYS软件中划分网格.将所建模型导入FLAC3D数值模拟软件,对该节理岩体进行不同法向压力和不同剪切速率加载条件下的数值模拟实验.共得到了64组不同压剪条件下岩体的剪切应力,分析了相同法向应力情况下,剪切速率对剪切应力的影响,及相同剪切速率,不同法向应力对剪切应力的影响趋势.同时,对不同剪切速率情况下,岩体的法向应力和剪切应力之间的关系进行线性拟合,拟合结果表明:不同剪切速率情况下,岩体对应的库伦准则存在一定的差异性.     

纳米SiO2对水泥剪切强度及浆液流变性质 影响的试验研究

为了研究纳米SiO_2对水泥剪切强度及流变性质的影响,针对水灰比1.0和3 d养护时间下的不同水泥试样开展了一系列不同法向应力条件下的直剪试验,研究了纳米SiO_2颗粒对试样的剪切行为及剪切强度参数(剪切强度、黏聚力、内摩擦角)影响规律,以及减水剂对浆液流变性质的影响规律。结果表明:水泥结石体试样随着剪切位移的增大,剪切应力逐渐增大,直至达到峰值应力,之后表现为应变软化阶段;添加纳米SiO_2后,结石体试件的黏聚力和内摩擦角分别提高了8.2%和4.1%。添加纳米SiO_2的浆液黏度明显增加;通过添加1.5%含量的减水剂,可以显著提高含纳米SiO_2浆液的流动性,从而获得具有高流动性和渗透能力的浆液。     

纳米碳酸钙改性超细水泥注浆材料研究

研制了一种低粘度超细水泥复合浆液,以满足深井井筒微裂隙注浆堵水的要求。以超细水泥,纳米碳酸钙,减水剂和超细粉煤灰为试验材料,采取正交试验,研究了在不同水灰比,纳米碳酸钙掺量,减水剂和超细粉煤灰掺量的条件下,浆液的黏度、析水率、凝结时间和结石体抗压强度的变化规律。结果表明:随着水灰比增大、超细粉煤灰和减水剂掺量增加,黏度降低;随着纳米碳酸钙掺量增加,黏度先降低后小幅度升高;随着水灰比增大、超细粉煤灰和减水剂掺量增加,析水率有不同程度的增加;随着纳米碳酸钙掺量增加,析水率先增大后减小;随着纳米碳酸钙掺量增加,初凝和终凝时间都是先增大后减小,随着水灰比增大、超细粉煤灰和减水剂掺量增加,初凝和终凝时间都有不同程度的增大;水灰比增大,结石体28d抗压强度减小,随着纳米碳酸钙掺量增加,结石体28d抗压强度先增大后减小,超细粉煤灰掺量增加使28d抗压强度略有减小,减水剂对28d抗压强度影响很小,可忽略不计。     

裂隙充填对岩体单轴压缩力学性能及锚固效应的影响

用相似材料试件研究了裂隙不同充填物对节理岩体单轴压缩力学性能及锚固效应的影响。对裂隙含不同充填物节理岩体相似材料无锚及有锚试件进行了单轴压缩试验及数值研究,分析了不同充填物对节理岩体单轴压缩力学性能及锚固效应的影响。研究得到：充填物弹性模量在一定范围内,含充填节理岩体抗压强度峰值随着充填物弹性模量的提高而提高;充填物与基体材料弹性模量越接近,无锚含充填节理岩体试件的峰后塑性越好,但充填物对加锚试件的峰后塑性影响很小;充填物与基体材料弹性模量差值越大,试件峰后应力-应变曲线应力下降速率越快;当裂隙充填物弹性模量低于基体材料时,试件内沿受力方向出现拉应力,拉应力的峰值及分布区域随充填物弹性模量的降低而增大。     

非贯通节理类岩石试件单轴压缩特性初探

针对嵌入式非贯通节理对岩体力学特性的影响规律,采用数字建模和3D打印技术建立了正弦型节理实体模型,制备了完整类岩石试件、含单节理类岩石试件及含双节理类岩石试件,单节理角度分别为30°、45°、60°,双节理角度分别为30°、45°,30°、60°,45°、60°。对各类试件进行了单轴压缩试验,结果表明：含节理类岩石试件的单轴抗压强度低于完整类岩石试件,且随着试件内部节理数量的增加,试件单轴抗压强度的降低幅度增大;单节理类岩石试件的破坏形式均为沿节理所在平面发生剪切破坏,试件的单轴抗压强度随节理角度的增大而增大,这主要是节理面切割度和节理面法向应力共同作用的结果;双节理类岩石试件破坏时内部裂隙发育、贯通程度较高,破坏后的试件非常破碎,基本不具残余强度。     

粉煤灰水泥注浆材料特性试验研究

在室内进行粉煤灰水泥注浆材料正交配比试验,分析结果表明,结石体的杨氏模量和抗压强度随粉煤灰的掺量和水灰比增加而降低.浆液初凝结和终凝时间随粉煤灰掺量和水灰比的增加而延长,两者大致成线性关系.浆液的结石率随粉煤灰掺量的增加而增大,随水灰比的增大而减小.     

添加矿粉对灌浆材料流动性影响

流动性是灌浆材料的主要指标之一,其影响因素除减水剂的用量和水灰比外,添加矿粉也会起很大的作用。本研究在确定了水灰比和聚羧酸高效减水剂掺量的情况下,研究石灰石、硅灰和粉煤灰等等量取代水泥时,其对灌浆材料流动性影响,发现石灰石随掺量的增大和粒度的减小,能大幅度提高灌浆材料的流动性;硅灰和粉煤灰在一定掺量范围内对灌浆材料的流动性的提高也有一定的作用。本研究并对各种矿粉改善浆体流动性的机理进行了分析。     

剪切荷载条件下岩石细观破坏及声发射特性研究

采用煤岩细观剪切实验装置及PCI-2型声发射系统,开展了砂岩在不同剪切速率条件下的细观破坏与声发射特性试验,探讨岩石在剪切破坏过程中的破坏形式与声发射之间的关系。试验结果表明:在剪切荷载作用下,砂岩试件在不同加载速率条件下破坏过程中剪应力随时间变化趋势一致,随着加载速率增大,砂岩的剪切变形减小,抗剪强度降低;声发射活动伴随着整个剪切过程,剪应力峰值前声发射信号很少,剪应力峰值后声发射信号剧增,砂岩表面与内部裂纹萌生扩展几乎同步发生;加载速率为0.002 mm/min的砂岩试件累计Hit数最高,砂岩内累计损伤最多;砂岩试件在发生断裂破坏的短时间内经过内裂纹贯通形成主裂面、微凸体摩擦断裂形成最终破坏面两个过程,其中微凸体摩擦断裂所需剪应力低于使试件形成贯通主裂面所需剪应力。     

岩石结构面的浸水剪切蠕变特性及本构模型研究

针对浸水与自然状态下砂岩硬性结构面开展了分级加载剪切蠕变试验,试验通过单轴压缩形式实现结构面法向应力与切向应力的等比例加载。试验结果表明:在岩石结构面发生加速蠕变之前,分级加载的瞬时变形存在着随加载应力逐渐减小的趋势。基于 Norton-Bailey 模型与 Kachanov 损伤模型提出了一个新的考虑结构面粗糙度、浸水条件、剪应力与压应力之比等因素的改进 Norton-Bailey 蠕变剪切模型。 根据砂岩结构面剪切蠕变试验数据,分别拟合了浸水与自然状态下砂岩结构面蠕变剪切模型的参数。分析结果表明:所建立的改进 Norton-Bailey 蠕变剪切模型对于结构面的剪切蠕变结果具有较好的拟合效果,并可以反映结构面浸水弱化作用的影响。     

断续双裂隙砂岩三轴卸荷蠕变特性试验及损伤蠕变模型

为研究卸荷条件下裂隙岩体的蠕变特性,以通过对砂岩切割并充填水泥砂浆制备的裂隙试样为对象,开展了恒轴压分级卸围压三轴卸荷蠕变试验。试验结果表明:试件在破坏时对应应力差最小的是缓缓和陡缓裂隙组合岩体,其次为陡陡裂隙组合岩体和完整试样;从变形特点来看,相同应力状态下,瞬时应变与蠕应变从大到小的顺序依次均为缓缓、陡缓、陡陡裂隙组合岩体和完整岩石。采用元件模型对各试件不含加速蠕变阶段的变形进行的拟合显示,可采用同一形式的本构模型对裂隙岩体和完整试样进行描述。根据这一结论提出了基于Lemaitre应变等效原理和Sidoroff能量等价原理的裂隙岩体损伤蠕变模型,并与室内试验结果进行了对比与分析。该模型可通过完整岩石蠕变模型参数推导裂隙岩体蠕变模型参数,从而建立了完整岩石与裂隙岩体间的关系。     

含水率对红砂岩瞬时和蠕变力学性质影响的试验研究

水是影响岩体工程稳定性的重要因素。为了全面分析水对岩石瞬时及蠕变力学特性的影响,设计了两类试验：单轴压缩强度试验和蠕变试验。通过吸水试验分析红砂岩的吸水特征,并以此为依据制备不同含水率的标准试件。首先对9组不同含水率的试件进行单轴压缩强度试验。利用体积应变法和LSR法(Lateral Strain Response)确定红砂岩在单轴压缩条件下的4个特征应力：闭合应力、启裂应力、损伤应力和破坏应力, 从而得到了含水率与红砂岩力学参数的定量关系。结果表明,应力应变曲线上各阶段特征应力随含水率增大而服从负指数规律衰减,并且当试件达到饱和后,各特征应力趋于稳定。由于高孔隙率的特性,导致红砂岩的特征应力在短时间内显著降低。启裂应力σi与闭合应力σc之差随着含水率的增加而减小。这说明水的增加导致红砂岩非线性特征增强。强度和弹性模量损失系数随含水率呈指数函数增长的趋势,饱和红砂岩的强度和弹模总损失系数分别是0.484和0.334。此外,将5组不同初始含水率的试件持续浸在充满水的环境试验箱中,开展荷载与水共同作用下的蠕变试验,从而得到长期水环境对红砂岩蠕变力学特征的影响。结果表明,试件的瞬时应变和稳态应变率随含水率增加呈指数形式增大,蠕变应变和破坏时间随含水率增加而减小。当含水率趋于稳定时,红砂岩的蠕变特性仍然有显著的变化,其原因在于环境中的水沿蠕变新生成的裂缝进一步运移到裂缝尖端,初始裂纹进一步扩展。实验结果不仅强调了短时间内水对高孔隙率岩石瞬时力学性质的急剧弱化作用,而且强调了环境中的水对饱和岩石蠕变力学性质的持续影响作用。此外,实验数据和拟合方程将为岩体工程长期稳定性的评估提供一定的参考价值。     

真三轴应力条件下加卸荷速率对砂岩力学特性与能量特征的影响

为了更准确地认识真三轴应力条件下加卸荷速率对岩石力学特性与能量特征的影响规律,利用自主研发的“多功能真三轴流固耦合试验系统”开展了砂岩真三轴加卸荷力学特性试验,实现了最小主应力方向上的单面卸荷,模拟实际围岩应力演化过程。试验结果表明：随着卸荷速率的增大,砂岩破坏时的最大主应力、最大主应变、最小主应变和体积应变均减小、中间主应变增大,扩容起始点提前,岩样破坏模式逐渐由剪切破坏转为张拉破裂,且张性裂纹多集中于卸荷面附近。加载速率的增大,砂岩破坏时的最大主应力、最大主应变、最小主应变和体积应变增大,扩容起始点滞后,岩样破坏模式逐渐由张剪破坏转向剪切破坏,产生非贯通性裂纹。引入应变偏应力柔量分析不同加卸荷速率下砂岩变形规律,最小主应变和体积应变的偏应力敏感性与卸荷速率呈正相关,最大主应变的偏应力敏感性与加载速率呈正相关。此外,岩石在峰值应力前能量演化有明显的阶段性,峰前吸收的能量大多以可释放弹性应变能的形式存储,耗散能在峰后超过弹性应变能。耗散能比例Ud/U随着最大主应变的增加呈现出先增后降再增的趋势,峰值应力时Ud/U随着卸荷速率的增大而减小,随着加载速率的增大而增大。达到峰值应力时,岩石吸收的总能量U、弹性应变能Ue、耗散能Ud和相应的应变能增量与时间间隔的比值u均随着卸荷速率的增大而减小,随着加荷速率的增大而增大。     

单轴压缩过程砂岩破坏特性研究

岩体灾害孕育过程中引起的岩体变形、破坏,会改变岩体的声学特征,在工程中可通过观测声波在岩石内部传播变化判别岩石的稳定性和承载状况.为了确定砂岩裂纹扩展不同阶段声波传播规律与破坏模式,通过声波监测装置及岩石破裂全过程分析系统RFPA2D研究单轴压缩下砂岩在不同应力水平下波速变化及破坏模式.结果表明:砂岩在进入弹性加载阶段...     

全长注浆岩石锚杆与围岩体相互作用下的锚固机理研究

首先根据锚固体与围岩体界面遵循莫尔-库仑屈服准则建立了注浆岩石锚杆的剪应力的分布函数。在此基础上,根据围岩体与注浆岩石锚杆相互作用机理,建立了围岩体中注浆岩石锚杆的实际受力下的剪应力的分布函数和轴向载荷的分布函数。同时,根据中性点的概念,建立了中性点的计算公式。最后,详细分析了影响锚杆实际受力的各种因素对其受力的影响,为分析其锚固机理提供了一定的理论基础。     

节理剪胀耦合的岩体渗透特性数值研究与经验公式

利用UDEC软件,建立岩石节理剪胀导致岩体渗透特性改变的离散元数值模型,探讨节理剪胀效应对岩体等效渗透系数的影响。数值研究表明,在节理法向闭合和节理剪胀两种机制的共同作用下,随偏应力系数的增加,岩体等效渗透系数遵循先减小后增加的变化规律。当偏应力系数较小时,节理法向闭合机制占主导因素,导致等效渗透系数随偏应力系数的增大而减小;当偏应力系数较大时,节理剪胀机制占主导因素,导致等效渗透系数呈数量级增加。在岩体等效渗透系数的流固耦合方程中必须体现节理剪胀因素。提出的裂隙岩体等效渗透系数经验公式考虑了节理法向闭合和节理剪胀对等效渗透系数的贡献,且物理意义明确;最后参考J.ZHANG的实验研究成果验证了经验公式的合理性。     

含两组交叉节理砂岩强度及破坏特征离散元分析

为研究含两组交叉节理岩体强度及破坏特征,采用一组经室内试验标定的砂岩细观参数,建立含两组交叉节理岩体颗粒流模型,进行单轴压缩和三轴压缩模拟。基于模拟结果,分析了节理数量、节理倾角和围压对含两组交叉节理岩体强度及破坏特征的影响。结果表明：① 与完整岩石相比,节理岩体强度明显降低。峰值强度随着节理数量的增加近似线性减小,随着节理倾角的增大呈先减小后增大非线性变化趋势,而随着围压的增大而提高;② 节理岩体表现为张性破坏、沿节理滑移破坏、穿节理剪切破坏、张性滑移破坏及剪切滑移破坏等5种破裂模式;③ 节理数量增加会加剧试样破坏程度,但不改变其破裂模式。单轴压缩下,当节理倾角较小时主要发生张性破坏,随着倾角的增大,表现为张性剪切或沿节理面滑移破坏。在围压作用下,试样表现为剪切破坏或剪切滑移破坏。最后从细观层面探讨了节理岩体宏观裂纹的细观位移场分布特征。