延边地区公路沿线膨胀性软岩的发现与试验研究

延边地区公路沿线滑坡调查中,发现了一种工程性质不良、易于导致滑坡地质灾害的膨胀性软岩,通过对其物质组成、水理、力学和物化性质的一系列试验研究(包括蠕变、直剪、三轴压缩、膨胀、崩解、X光衍射和电镜扫描试验等),认为该软岩属强膨胀性软岩,粘粒矿物成分主要为蒙脱石和伊、蒙混层矿物。通过研究它们的成因、分布和成灾机理,提出了治理措施。     

分级加载条件下红层软岩蠕变特性试验研究

 岩石的蠕变特性是岩石类材料的重要力学性质之一,很大程度上控制着岩体工程的稳定性。本文采用CSS–44100型电子伺服万能试验机在分级加载条件下对甘肃引洮输水工程7#试验平硐红层软岩进行了一系列单轴压缩蠕变试验。通过对试验数据的整理与分析,发现红层软岩存在显著的蠕变特性,符合伯格斯模型(Burgers model),并求取了不同应力水平下的蠕变参数。通过测定试样含水率,研究含水率对红层软岩强度和蠕变特性的影响。发现含水率越高,抗压强度越低,蠕变量越大,蠕变率也越大,达到稳定的时间也越长。试验结果表明,红层软岩蠕变试验曲线与理论曲线基本吻合,伯格斯模型(Burgers model)能较好的描述红层软岩的蠕变特性。     

膨胀性软岩隧道结构受力计算研究

以北非典型的泥灰岩病害工程为依托,研究膨胀性软岩的工程表现,寻找获得可靠隧道衬砌设计的软岩条件。通过对工程地层参数选用、原设计力学模型计算、施工中遇到的问题、变更设计、病害处理等方面的研究,得出在常规的围岩压力理论下,应将膨胀性侧向压力、地下水的动态压力、塑性变形和残余应力考虑在设计应力折减之内,采用荷载—结构计算模型计算膨胀性软岩隧道结构受力。研究结论可供治理膨胀性软岩隧道病害及同类工程勘察设计和施工借鉴。       

软岩嵌岩桩的模型试验研究

主要介绍了一种在三轴仪上进行的软岩嵌岩桩模型试验。试验材料采用软岩、环氧砂浆及紫铜管等,通过应变测量可以再现嵌岩桩的受荷全过程。     

电化学作用对蒙脱石软岩颗粒物沉降与体积膨胀性影响的试验研究

 研制一种电化学作用改变蒙脱石软岩颗粒物膨胀性的试验装置,在该装置上对蒸馏水、NaCl溶液和NaCl电解液浓度及电位梯度等对蒙脱石软岩颗粒物在其中的沉降与沉降稳定后的体积膨胀性的影响进行试验研究。试验结果表明：直流电场的作用可以改变蒙脱石软岩颗粒物在蒸馏水电解液中的沉降速度,但不能改变其沉降稳定后的体积膨胀性。随NaCl溶液浓度的增大,软岩颗粒物在其中的沉降速度加快,并且沉降稳定后的岩样体积膨胀率随溶液浓度的增大呈负指数规律衰减。当岩样颗粒物在NaCl溶液中沉降稳定后,加电位梯度为0.5 V/cm的电场,会使稳定后的岩样体积再次减小。在电场的持续作用下再次稳定后的岩样体积膨胀率仍随电解液浓度的增大呈负指数规律减小。电位梯度为0.5 V/cm的电场能为加速黏土矿物颗粒物的沉降和抑制其沉降稳定后的体积膨胀性的电动现象提供足够的电势差。在电位梯度为0.5 V/cm的电场作用后,再提高电位梯度,对改变岩样沉降稳定后的体积膨胀性没有明显影响。随着电解液浓度的增大,作用于岩样的电流强度增强,试验系统的温度升高。随着作用时间的延长,电解液浓度降低,电流强度呈负指数规律衰减,温度也随之降低。在直流电场作用过程中,电化学系统发生了电极和电解反应,蒙脱石软岩颗粒物的酸碱度发生了变化,在阳极区域的pH值降低,呈酸性;在阴极区域的pH值升高,呈碱性。     

软岩蠕变理论及其工程应用

地下工程的施工经常遇到软岩。这类岩体抗压强度较低,具有明显的流变特性,蠕变变形量较大,常造成支护的失稳和破坏。在分析地下工程的稳定性或对地下结构设计时,应充分考虑这一特性,按流变力学理论进行分析和设计。通过现场取样,采用自行研制的重力杠杆式岩石蠕变试验机,并配备三轴压力室,对泥岩进行了三轴蠕变试验。试验结果表明,泥岩的蠕变具有非线性。根据试验结果,建立了泥岩的非线性蠕变方程。根据上述非线性蠕变方程,分析了围岩的应力场和位移场,并对不同支护强度和应力状态下的蠕变变形进行了系统的分析。理论研究结果表明,控制围岩过量蠕变变形的根本途径是改善围岩应力状态,适当提高锚杆或锚索的初始预应力,从而为有效控制深部开采时围岩的有害变形提供了理论依据。     

红层软岩变形特性试验研究

 以沪蓉西高速公路工程中发生变形破坏较多的巴东组红层软岩为研究对象,通过室内三轴压缩试验、现场承压板压缩试验及流变试验对岩体的变形特性进行系统分析。室内三轴试验分别对自然和饱水状态下的岩体进行分析研究,建立考虑结构面闭合变形的红层软岩弹性本构模型,并分析水对岩体变形特征的影响;现场承压板试验分别对泥质含量不同的2处岩体进行压缩试验,分析其变形特性的异同,同时对其中一点在外荷载作用下内部岩体的应力分布以及位移影响范围和深度进行探讨,并对循环荷载作用下岩体的变形特性进行分析;流变试验在3级不同荷载下进行,通过试验结果建立考虑结构面闭合变形的流变本构模型。通过以上一系列分析研究,从整体上把握巴东组红层软岩的变形特性,为深入研究该岩体其他特性打下基础,同时对该类岩体组成边坡,尤其是对反倾边坡的设计具有重要的指导意义,也为预应力锚索在该类岩体边坡中的加固效果研究提供参考。     

软岩隧道稳定性的影响因素及判别方法

从隧道工程地质条件、结构条件、施工条件三方面出发,分析了影响软岩隧道稳定性的因素,介绍了常用的三种软岩隧道稳定性判别方法,并以某隧道为例论述了各判别方法的实用性,得出了最实用的判别方法。     

膨胀性软岩隧道支护结构受力特性及缓释方法

隧道工程中因软岩的膨胀性而诱发的隧道支护结构失稳现象十分普遍。以膨胀性软岩导致隧道围岩结构非均匀受力为出发点,研究膨胀性软岩隧道支护结构的受力特性,试图建立一种膨胀性软岩隧道支护结构受力缓释方法。在初期支护与二次衬砌之间植入团粒膨润土作为缓冲层,开展室内缩尺物理模型试验。通过MIDAS GTS NX软件建立三维数值模型,对比分析加入缓冲层前、后的膨胀性软岩隧道支护结构的受力特性。根据隧道力学理论推导构建膨胀性软岩隧道支护结构受力缓释模型,得到缓释系数表达式,据此验证膨胀性软岩隧道支护结构受力缓释方法的实用性。研究结果表明：加入缓冲层后,支护结构的变形及围岩膨胀力较加入前明显变小,变形均呈拱顶下沉、拱底向上隆起、拱腰向内收敛的特征;缓冲层通过对抗、弱化、传递以减小作用于支护结构上的围岩膨胀力,使单一的集中受力体系转变为均布荷载体系;通过缓释模型计算得出缓释系数为30%～50%,表明在初期支护与二次衬砌之间植入团粒膨润土作为缓冲层可以起到缓释膨胀力的作用,可为解决软岩隧道膨胀问题提供参考。     

软岩非线性蠕变模型研究

以工程实际中广泛应用的元件组合模型为基础,通过引入损伤变量和硬化变量,建立了一个软岩非线性蠕变模型.分析认为,Maxwell体等价于一个线性损伤的虎克弹性体,Kelvin体相当于一个线性硬化的牛顿黏性体,Burgers体则是一个能同时描述线性损伤、硬化的模型.软岩蠕变过程中,其微观结构会发生变化,并导致软岩形变行为产生相应的改变,引入非线性损伤、硬化变量代替Burgers模型中的线性损伤、硬化变量,可以反映这种改变对软岩蠕变的影响.所建立的非线性蠕变模型可以用一个统一的方程描述软岩蠕变过程三个阶段的变形特征.将该模型与试验曲线进行对比,两者吻合较好.     

软岩遇水软化膨胀特性及其对拱坝的影响

泥钙质胶结砾岩遇水后软化,力学性质会发生较大变化,其强度及刚度均大幅度降低;同时,软岩吸水后会膨胀。首先,通过试验研究泥钙质胶结砾岩在自由状态、受压状态下由于浸水而产生膨胀变形;然后,通过数值计算,分析几种拱坝运行期间可能出现的工况;最后,结合原型观测得出结论,在砾岩上修建结构物如拱坝时,除了要考虑岩体由于自重等因素产生的初始应力场外,还需根据实际情况,考虑浸水对砾岩力学性质的影响。     

BEHAVIOR OF SOAKING ROCK AND ITS EFFECTS ON DESIGN OF ARCH DAM

泥钙质胶结砾岩遇水后软化，力学性质会发生较大变化，其强度及刚度均大幅度降低；同时，软岩吸水后会膨胀。首先，通过试验研究泥钙质胶结砾岩在自由状态、受压状态下由于浸水而产生膨胀变形；然后，通过数值计算，分析几种拱坝运行期间可能出现的工况；最后，结合原型观测得出结论，在砾岩上修建结构物如拱坝时，除了要考虑岩体由于自重等因素产生的初始应力场外，还需根据实际情况，考虑浸水对砾岩力学性质的影响。     

沙吉海煤矿01工作面煤巷稳定性分析与支护对策

结合沙吉海煤矿01工作面煤巷工程实例,分析了巷道变形破坏原因及该部位的变形力学机制,确定了复合型变形力学机制转化为单一型的具体对策,提出了恒阻大变形锚杆+中空注浆锚索+底角注浆钢管耦合支护技术,并应用于工程实践,监测结果表明,支护效果良好,为类似条件下的巷道支护提供了借鉴。     

砂砾软岩的极限承载力分析

利用Hoek-Brown强度准则建立砂砾软岩极限承载力分析方法,提出岩基剪切破坏模型,推求潜在破坏面上正应力计算公式。结合某工程现场载荷试验探讨砂砾软岩的极限承载能力及自重应力对极限承载能力的影响。研究结果表明:极限承载力的计算结果大于预估设计荷载,砂砾软岩在强度方面尚有很大潜力可挖;同时,极限承载力的计算结果弥补了现场载荷试验中由于试验条件所限造成的荷载–变形曲线上峰值荷载不能给出的缺陷,为建立完整的变形曲线模型奠定了理论基础。研究成果为研究砂砾岩一类软岩的承载力提供了新的途径。     

红山窑膨胀岩的膨胀和软化特性及模型研究

以南京红山窑水利枢纽工程所提供的岩基红砂岩岩芯为例,采用MTS815．02型岩石刚性伺服试验系统和岩石膨胀测量仪,对风化红砂岩进行膨胀变形及力学特性试验研究。试验结果表明,红砂岩膨胀应变随吸水率增加而呈对数形增长。由于吸水率的变化,膨胀岩的弹性模量、泊松比和屈服极限等力学性能都将发生变化,即所谓软化现象,从而膨胀应力、塑性流动以及随湿度场而变化的屈服准则等都是相互耦合的。基于试验结果,提出考虑膨胀岩膨胀及软化特性的弹塑性本构模型。     

节理岩体力学参数的选取与应用

在岩块的变形和强度参数及岩体结构面的野外统计窗资料的基础上,利用损伤力学和Hook-Brown准则进行节理岩体力学参数的选取,从而为岩体工程数值模拟提供较可靠的参数。最后,给出了该方法应用于浙江三门核电厂人工边坡数值计算的实例。     

单参数的正则抛物线准则

 线性的Coulomb 准则并不能完全描述岩石强度特征,有多种改进形式。剪切破坏的Mohr准则表现为应力圆的包络线,其待定参数难以从常规三轴压缩试验结果直接确定而研究较少。主应力形式的强度准则可分为显式和隐式,后者常以最大剪应力和平均主应力构造,且具有较高的相关系数和较小的拟合偏差。实际上显式和隐式准则的力学背景相同,可通过坐标系旋转互换。砂岩、大理岩等强度源于颗粒间黏结和摩擦,单参数的正则抛物线准则拟合强度与围压关系的精度优于两参数的Coulomb准则,而与Hoek-Brown准则相当。以正则抛物线准则拟合高围压下强度能够得到完整岩石的理想单轴压缩强度,进而与实际数值对比可确定岩石的初始损伤。     

考虑深部岩体各向异性强度的井壁稳定分析

目前在工程设计中,仍粗略地将节理岩体近似为各向同性体,在考虑节理对岩体强度的弱化作用时,均根据节理连通率对完整岩石的抗剪强度参数进行折减,因而未能反映岩体的各向异性特性。这对于浅部岩体工程来讲,也许是可以接受的,但随着建井深度的增加,进入深部状态的岩体表现出更强的各向异性特征,岩体的各向异性将不能忽略。将节理各向异性几何分布特征对岩体力学性能的影响通过微面的节理连通率来反映,从莫尔–库仑抗剪条件出发,采用方向分布函数分析方法,曾提出了一个基于二阶连通率组构张量的节理岩体各向异性强度准则。简要论述该各向异性强度准则,根据该准则研究了井筒的弹性稳定问题。研究表明:考虑岩体的各向异性强度对井筒进行钻井灌浆分析时,在给定的泥浆压力下,沿最大地应力方向钻井的安全系数并不一定比沿其他方向钻井的安全系数高。     

基于二阶损伤张量的节理岩体各向异性屈服准则

 为了在节理岩体的本构关系中反映岩体几何特征的影响,采用一个二阶损伤张量,将岩体各方向截面的连通率表示为其截面法向的连续函数。根据连通率将完整岩体与完全裂隙的内摩擦系数与粘聚力加权平均得到节理岩体的各向异性抗剪材料参数,从岩体的面抗剪强度准则(莫尔–库仑条件)出发,建立了各向异性节理岩体的抗剪屈服准则隐式表达式。在主应力轴空间内,将损伤张量分解为各向同性部分和偏量部分,以损伤张量为各向同性时的临界屈服面单位法向量和显式屈服准则的解为基础,导出了一般情况下具有一阶精度的临界屈服面单位法向量的解,相应的显式各向异性屈服准则表达式为主应力的二次式,其系数是损伤张量的函数。研究了二阶损伤张量的6个独立参量：3个主值及其主轴与主应力轴的Euler角对岩体屈服各向异性的影响。针对6个参量取值的几种代表性情况,分别采用隐式屈服准则和具有一阶精度的显式屈服准则计算出屈服应力,绘出了偏平面和子午面内岩体屈服曲线的形状。研究表明,提出的节理岩体各向异性显式屈服准则具有很高的精度。     

盐岩屈服–破坏特征的试验及理论研究

围岩塑性区及破坏区的范围是盐岩地下储气库群腔体间距设计的重要因素,盐岩屈服及破坏特性的精确描述对于减少腔体间距,以及在有限的盐岩建库区建设更多的储气库具有重要的意义。基于盐岩的单轴、三轴应力–应变试验曲线,分析盐岩的屈服–破坏特征,将腔体围岩分为弹性区、塑性区及破坏区。试验结果表明：盐岩的屈服表现出强烈的线性特征,能够用Tresca屈服准则来描述盐岩的屈服特性,以塑性应变第二不变量为硬化参数研究盐岩的硬化特征,发现盐岩为等向硬化材料。在屈服方面,盐岩表现出金属材料的特征;在破坏方面,盐岩表现出岩土材料的特性。试验观察到剪切破坏以及轴向劈裂破坏,并基于厚壁圆筒理论解释单、三轴压缩试验中出现的轴向劈裂破坏现象。同时发现盐岩的破坏特征具有强烈的围压相关性,当围压≥5 MPa时,盐岩即使达到很大的变形(20%)依然能够承载而不发生破坏。基于莫尔–库仑准则,引入一条与围压相关的坏准则,最终建立包括拉破坏、剪破坏以及不破坏的盐岩破坏准则,基于破坏准则将应力空间划分为3个区：拉破坏区、剪破坏区以及不破坏区。在FLAC中修改本构以及自定义状态参量,通过简单模型得到围岩的弹性区、塑性区以及破坏区,验证屈服准则、破坏准则以及围岩分区的正确性。