地铁行车荷载下隧道周围加固软粘土孔压特性试验

由于上海轨道交通四号线海伦路站隧道周围软土在地铁行车荷载作用下产生变形,使隧道发生局部开裂、渗水而需要对地铁隧道进行加固处理.通过上海地铁4号线海伦路站附近隧道周围加固软粘土进行应力控制的循环三轴试验,研究了地铁行车荷载作用下加固软粘土的动孔压发展情况,充分考虑了土体围压、固结比、轴向循环荷载的大小及频率对动孔压的影响.研究结果认为,其他条件相同时,加固软粘土孔压随振动次数、循环荷载幅值的增大而增大,随围压和加载频率的增大而减小,可以用二次对数关系曲线对加固软粘土残余孔压变化进行预测.     

岩性特征对岩石力学性质的影响

岩石的力学特性是研究岩石工程问题的基础。由于物质组成的非均质性和结构的复杂性,岩石的力学特性也十分复杂,常受多种因素的影响。在实验研究的基础上,运用量纲理论、矩阵理论以及岩石力学知识等,对长山盐矿岩盐及基顶底板岩石的岩性特征指标进行了定量分析,并探讨了岩性特征指标对岩石力学性质的影响等问题。研究表明,在自然含水状态下,岩石的拉压比随岩石的硬石膏含量增多而增大,岩石的切线模量、泊松比、单轴抗压强度和内聚力均随岩石方解石含量和裂隙长率增而增大。     

含孔洞岩石在静应力下的循环冲击试验研究

为探究地下工程开挖过程中外部荷载对周边围岩多重扰动作用的影响,进一步开展岩石在动静组合作用下的循环冲击试验研究,通过改进式SHPB试验装置研究含横向贯通孔洞花岗岩(φ50 mm×50 mm)在循环冲击荷载下的动态力学特性,采用轴压水平分别为0MPa,0.3σ_f,0.4σ_f,0.5σ_f,0.6σ_f,0.7σ_f进行循环冲击试验(σ_f为单轴平均抗压强度,单位为MPa)。结果表明:在冲击荷载作用下,峰值应力随着冲击荷载作用次数的增加先增大后减小,并随着平均应变率的增大而增大;弹性模量随着冲击次数的增加先增大后降低,在不同轴压水平作用下试件冲击破坏形态均为轴向劈裂破坏模式;随着应变速率增大,破裂面逐渐增多,破碎程度加剧,碎块尺寸减小;应变率较小时,破碎效果不明显,应变率较大时,破碎效果显著。     

冲击荷载下岩石裂纹扩展研究进展

为了给深部资源开采和大型地下空间工程中围岩体的变形机理及稳定性控制提供理论基础,通过查阅大量关于表征岩石裂纹扩展的裂纹扩展模型、应力强度因子和断裂韧性的国内外文献,总结了前人的研究成果。依据现有研究,提出了动荷载作用下岩石裂纹扩展的几点建议：（1）综合考虑弹性力学、断裂力学和损伤力学建立岩石材料从微观断裂到宏观破坏这一演变过程的理论模型,使理论模型更加适应岩石材料的非线性特征;（2）采用分形、自组织和混沌等非线性理论表征动荷载作用下岩石内部以及表面裂纹的扩展演化特征;（3）采用颗粒离散元和有限差分模拟岩石材料裂纹扩展演化特征。     

18CrNiMo7-6合金钢表面变质层循环特性

 为了研究18CrNiMo7-6合金钢表面变质层在循环加载作用下的本构特性,对18CrNiMo7-6合金钢进行了渗碳热处理,通过化学腐蚀得到不同表面变质层厚度的圆棒试样,并分别进行单调拉伸试验和循环加载试验分析其力学性能、滞回性能、耗能能力及微观组织的区别。对不同表面变质层厚度18CrNiMo7-6合金钢在循环加载作用下的骨架曲线进行拟合,研究其与单调拉伸作用下的力学性能区别。基于Chaboche循环本构模型标定了不同表面变质层厚度试样在循环加载作用下的循环本构参数,并通过有限元软件ABAQUS进行了仿真验证。结果表明,在单调拉伸作用下,随着表面变质层厚度的增加,试样的硬度、屈服强度及抗拉强度也随之提高。在相同的应变幅值加载下,表面变质层越厚,其响应应力越大,能量耗散系数越低,材料的耗能能力越弱;Ramberg-Osgood方程能够较好地拟合不同表面变质层厚度的试样在循环加载作用下的骨架曲线;18CrNiMo7-6合金钢的主要组成成分为马氏体,随着表面变质层厚度的增加,位错密度增高;18CrNiMo7-6合金钢基体材料在循环加载作用下表现出循环硬化特征,而随着表面变质层厚度的增加,试样逐渐由没有循环软硬化现象到表现出循环软化特征;Chaboche循环本构模型对不同表面变质层厚度的18CrNiMo7-6合金钢均具有较好的适用性,能准确拟合其在循环加载作用下的力学响应。     

桥梁模态频率与运营环境作用的相关性

桥梁模态频率随运营环境作用的变化规律是结构健康监测的研究主题之一.根据东海大桥6 a监测数据的周期变化特性,识别了运营条件下主梁竖弯、侧弯、扭转基频变化的影响因素,采用偏相关系数和周期平均法对比了各因素的影响程度.研究发现,东海大桥的模态频率存在1 a、1周、1 d、12.42 h等变化周期,与结构温度、交通荷载、风荷载、海面高度等的变化周期相吻合;结构温度和交通荷载是引起该桥频率变化的最主要因素,它们在各周期上的相对影响大小不同;周期平均法可有效分离监测数据中的年、周、天周期成分,揭示不同运营环境作用与频率变化的相关性.研究结果有助于加深对桥梁运营期频率变化的理解,从而更准确地评估结构性能.      

不同应力水平下砂岩蠕变声发射频率特征研究

蠕变是岩石重要的力学性质之一,声发射可有效反映岩石变形破坏过程内部状态变化,然而关于岩石蠕变声发射的研究鲜见。通过分级循环加卸载砂岩蠕变声发射试验,采用快速傅里叶变换的方法,进行了不同应力水平岩石蠕变声发射的频率特征研究,得到了各分级蠕变声发射主频变化,结果表明各循环均出现次主频现象,频带随应力水平提高而变宽。     

干湿循环作用下云母石英片岩强度劣化度研究

云母石英片岩的片理间粘结力弱,在工程开挖中受降雨—蒸发型干湿交替影响易发生泥化、软化,导致岩体强度降低,形成不稳定岩质边坡。针对云母石英片岩在干湿循环作用下的劣化问题,以湖北省十堰北站附近元古宙武当山群云母石英片岩为研究对象,结合室内针贯入试验,研究云母石英片岩在干湿循环作用下的强度变化规律,进而分析其强度劣化度。结果表明:针贯入试验在研究干湿循环作用下垂直于强风化云母石英片岩层理面的力学特性变化规律上有较好的适用性,具有一定的推广应用价值。云母石英片岩的力学特性会随着干湿循环次数的增加呈现下降趋势,岩石产生不可逆的渐进式损伤,当干湿循环次数达到一定数量时,云母石英片岩的强度将趋于一个定值,不会无限制下降,岩石强度随循环次数的增加呈现幂函数变化规律。     

非均质土中海上风电单桩基础动力响应特性

采用有限元分析软件ABAQUS建立了非均质土中海上风电单桩基础数值计算模型,将桩基础受到的波浪、洋流及风荷载等效成双向对称循环荷载,对水平循环荷载作用下桩身水平位移、桩身剪力、桩身弯矩和桩侧土抗力进行了研究,并对不同循环次数下桩身水平位移进行了对比分析。研究表明,桩身水平位移随时间变化逐渐累积,随着循环次数的增加,泥面处桩身最大位移发生的时间点滞后;桩身剪力出现负值;桩身弯矩最大值发生在浅层土体;桩身外壁土抗力曲线随时间的变化在埋深约2/3处出现分界点,分界点上下范围内土抗力变化规律正好相反,在淤泥土和粉砂土分界面处增加显著;不同时间点桩身内壁沿埋深承担的荷载基本不变。      

胶结充填法采场围岩与充填体相互作用研究

本文从胶结充填材料及碎裂岩体的力学特性出发,分析、研究了胶结充填法采场围岩与充填体相互间的力学作用,建立了其力学模型,并求得了解析解答。这些解析结果可应用于采矿设计及指导生产实践。     

热损伤岩石物理力学特性演化机制研究进展

为深入了解温度作用下岩石热损伤演化机制,对超深钻探、深地实验室、核废料处置库、地热资源开发等地下岩体工程的安全性和稳定性做出合理性评价,本文通过分析整理国内外文献,系统综述了温度作用下岩体变形破坏方面的研究进展与成果。简述了高温作用下岩石的物理力学特性,侧重总结了岩石物理力学参量随温度变化的演化规律。重点分析了深部岩石材料在高温条件下岩体结构及相关物理场探测技术的最新研究成果,梳理了声发射(AE)、超声波(UT)、X射线分析（XRD）、偏光显微镜(PM)、扫描电子显微镜(SEM)、核成像技术（NMR）以及CT扫描技术等先进的辅助试验设备在热破裂分析中的应用。归纳总结了国内外学者采用的热力耦合模型和数值分析方法及适用条件,简略阐述了温度作用下岩石力学参量变异性特征。最后,指出了当前岩石热损伤研究中存在的一些局限性,并从深部地下工程建设方面展望了未来的发展方向,即多尺度、多场?相探究岩石热损伤机理,宏?细?微观角度系统分析岩石热损伤演化规律。      

地下空间工程服役安全的认识与思考

中国的地下空间工程规模越来越大。如何使地下空间工程在开挖、建造和服役期间最大限度的保持安全和稳定,是目前乃至将来必须重视的重要课题。在分析地下空间工程面临的主要问题的基础上,提出了地下空间工程服役安全的3个关键科学问题:多场耦合作用下结构体材料损伤劣化规律;循环动载作用下结构体的动态疲劳损伤特性;支护与围岩的相互作用。总结和评述了在此方面的相关研究工作和最新进展。最后从宏观上指出了地下空间工程未来的发展趋势和需要重点关注和加强的基础性研究工作。      

极限平衡理论下寒区危岩稳定性及关键参数研究现状

危岩失稳破坏是我国寒区主要的地质灾害之一,基于极限平衡分析理论,采用力学计算结果可定量分析危岩稳定性,因此,对极限平衡理论下寒区危岩稳定性计算参数研究一直是寒区边坡工程的重点。在收集国内外相关资料的基础上,从多方面总结了关键参数的研究进展,指出了当前危岩稳定性及关键参数研究存在的问题:①自然环境中危岩体结构面冻胀理论的选取;②适用于土体（连续介质）冻结深度计算的经验公式是否适用于岩体（多孔介质）;③如何界定主控面上岩体物理力学性能劣化规律。同时,对未来寒区危岩稳定性研究及发展予以分析,未来研究方向包括危岩结构面冻结深度研究的完善、多场多相耦合对危岩的劣化作用、断裂力学和损伤力学等理论与极限平衡理论相结合等方面。      

循环扰动荷载作用下花岗岩中裂隙萌生扩展过程的颗粒流模拟

从细观角度、采用颗粒离散元法开展了预制裂隙花岗岩循环加卸载的数值模拟试验。首先,使用图像处理技术识别花岗岩中的不同细观组分、结合室内单轴压缩试验结果对细观力学参数进行了标定。然后,通过编制颗粒流代码追踪裂隙的类型和扩展过程,分析岩石破坏过程中裂隙发展的阶段性特征。结果表明:不同倾角裂隙岩石的新生裂隙走向与预制裂隙贯通方向基本一致;根据新生裂隙的优势倾向分组得到裂隙起裂角与预制裂隙倾角的关系:倾角β≤45°时剪切和张拉裂隙的起裂角单调递减,倾角β≥60°时剪切和张拉裂隙的起裂角单调递增;循环扰动荷载增加了裂隙岩体的轴向变形,轴向累积残余应变曲线呈反S形、提高扰动荷载应力上限促使曲线进入加速阶段;试件峰值强度随裂隙倾角增大表现出先减小后增大的趋势,峰值强度为实验室完整岩石单轴抗压强度的63% ~ 89%,反映了较为明显的劣化现象;在循环荷载作用下,剪切裂隙和张拉裂隙增长曲线表现出明显的变化特点,在裂隙不稳定扩展阶段中张拉裂隙数目增长速率显著大于剪切裂隙,对分析岩石变形破坏过程具有一定的参考意义。      

预制裂隙花岗岩的强度特征与破坏模式试验

为了探究单轴压缩条件下裂隙岩石的强度特性、裂纹起裂规律及破坏模式, 采用水刀切割技术预制裂隙花岗岩试件, 利用GAW2000刚性试验机对单裂隙花岗岩试样进行单轴压缩试验.试验结果表明: 与完整试样相比, 裂隙岩石试样单轴抗压强度明显降低, 降低幅度与预制裂隙和外荷载方向的夹角β密切相关, β=75°时, 强度最低, 降幅达到84.5%, 基于最大畸变能准则计算了裂隙花岗岩的峰值抗压强度与裂隙倾角的关系, 试验结果与数值解吻合; 裂隙的存在改变了岩石的破坏模式, 裂纹起裂角随裂隙倾角的增加而单调增大, 岩石试样的破坏模式由剪切破坏为主转变为张拉破坏占主导.真实裂隙岩石试样的力学性质及裂纹起裂特征更准确地揭示了单裂隙花岗岩的强度变化规律和破坏模式, 为岩土工程设计和巷道裂隙围岩体的支护提供科学依据.      

劈裂荷载下的岩石声发射及微观破裂特性

通过开展花岗岩和大理岩巴西圆盘声发射试验，结合扫描电镜进行破裂面微观形貌分析，探讨了劈裂荷载下岩石声发射特性与微观破裂机制的关系。结果表明:基于RA（上升时间与幅值的比值）和AF（平均频率）的变化趋势，不同裂纹模式（拉伸裂纹、剪切裂纹以及复合裂纹）的分布和破坏强度受岩石结构影响，但岩石裂纹演化过程不受其影响。相应地，两种岩样破裂信号均以400～499 kHz为主，100～199 kHz的信号次之，但不同破裂阶段的峰值频率变化趋势显著不同。在微观形貌上，花岗岩劈裂面的微观形貌以层叠状、台阶状及平坦状为主；而大理岩以光滑多面体状为主。此外，结合频率?尺度缩放关系可推测，400～499 kHz的信号应主要来自钾长石、大理岩矿物颗粒内部的破裂；100～199 kHz的信号应主要来自石英矿物颗粒内部不连续分离以及压密阶段矿物颗粒之间的滑移。      

非均质岩石破裂及声发射演化数值模拟

在应变软化本构模型的基础上,考虑岩石材料非均质性和损伤过程中力学性质的弱化特性,建立了非均质岩石损伤软化本构模型,推导了损伤软化本构模型的差分格式,在VC++环境下实现了损伤软化本构模型在FLAC3D中的二次开发。研究了不同均质度对岩石变形强度等力学特性的影响,以及岩石破坏过程中的声发射演化特性。研究表明：随着岩石均质度的增高,岩石的破坏过程由延性向脆性转化,岩石峰值强度和峰值应变不断增大,而残余强度降低;当岩石均质度较低时,岩石破坏剪切带的形成会发生滞后,随着均质度的增加,单轴加载条件下岩石声发射体现出由强度低、频率高向强度高、频率低转化的特性,并表现出群震型、前震—主震—余震型和主震型3种典型模式。     

THMC多场耦合作用下岩石力学实验与数值模拟研究进展

岩石多场耦合作用的研究是当前研究的热点难点问题,为了更好的分析岩石在多场耦合作用条件下的作用机理,主要通过实验和数值模拟两方面进行研究。在总结国内外多场耦合微观–细观–宏观多尺度力学试验设备的改进和研发、数值模拟软件及耦合计算程序的开发等方面的研究现状的基础上,展望多场多相耦合作用下岩石力学实验设备和数值分析的研究方向。为了研究岩石多场耦合作用下的力学性能,通过改进和研发设计了不同物理场多场耦合试验系统,在开发试验设备的基础上引起和发展现代无损探测手段,比如实时CT（Computed tomography）扫描技术,电镜扫描技术（SEM）、核磁共振技术（NMRI）、X射线立体成像法、超声波技术等,既能无损检测到岩石的内部孔隙微细观结构及演化过程,也能得出岩石在温度?水流?应力?化学（THMC）多场耦合作用中各物理场的宏观关系,进一步从微细观和宏观相结合的角度得出岩石在多场耦合作用下的性能。随着计算机技术的进步,岩石多场耦合作用下的数值模拟软件及耦合计算程序的开发有了一定的发展,特别是TOUGHREACT与FLAC3D相结合的THMC四场耦合作用的数值模拟软件和数值仿真软件Comsol与Matlab对接的多场耦合计算程序的开发,为岩石多场耦合模拟的开展提供了技术支持。      

高应变率下红砂岩"冻伤效应"

对低温冻结红砂岩进行动态冲击实验,研究高应变率下红砂岩动态力学特性的温度效应,运用损伤理论和能量理论,分析不同负温对红砂岩强度、损伤变量及能量耗散的影响,结合断口形貌分析,探究红砂岩在较低负温下动态力学强度出现劣化的原因.研究表明:较低的负温(-30℃后)会使红砂岩出现"冻伤",导致高应变率下岩石动态力学强度的急剧降低,宏观上则容易出现动力扰动下的瞬时工程灾变.根据断口形貌分析,较低的负温会导致红砂岩内部组成物质间界面处生成大量裂纹,这些裂纹尖端塑性变形能力差,在高应变率加载下极易失稳扩展发生低应力脆性破坏,而胶结物由于组成矿物成分复杂更易受负温影响,因此在动荷载和负温双重作用下往往是胶结物处先产生破坏,进而引起红砂岩整体的破裂.