含软弱夹层盐岩型盐力学特性试验研究

 为研究不同夹层特征对含软弱夹层盐岩力学特性的影响规律,在现场取芯不易获得试样的情况下,采用压制型盐的办法制备出具有规则夹层特征的层状盐岩型盐,然后对其进行单轴及三轴压缩试验。试验结果表明,当夹层的厚度比和夹层的分布特征发生规则变化时,含软弱夹层盐岩型盐的强度、弹性模量、泊松比等力学参数及型盐体的变形和破损特征均发生一定规律性的变动。得到的结论如下：(1) 含软弱夹层盐岩型盐的单轴抗压强度和弹性模量均随着夹层厚度比的增加而呈现下降趋势。(2) 夹层厚度比一定时,3层夹层型盐的强度高于1和2层夹层型盐;而多夹层型盐随着夹层层间距的增加,其强度和弹性模量逐渐减小,但减小趋势变缓。(3) 强度低的夹层部分径向应变大于强度高的纯盐层,破坏面总是始于强度高的纯盐层。试验结果为在室内开展层状盐岩地下储库的稳定性分析提供一种新方法。     

含薄层硬岩的软弱夹层力学特性研究

针对句容抽水蓄能电站寒武系炮台山组岩层中含薄层硬岩的软弱夹层,采用颗粒流程序(PFC)建立含不同软岩倾角和厚度比的双轴压缩数值试验模型,分析倾角、厚度比及围压对试样强度和破坏规律的影响。结果表明试样的破坏主要发生在软岩部分,在围压保持不变时,随软弱夹层倾角增大,试样强度降低;软弱夹层倾角较小时,试样中软岩发生破碎,残余强度极低;软弱夹层倾角较大时,试样沿软岩中发生错动。随着软岩厚度增大,破坏面将软岩切割为多个块体;软岩厚度对试样强度有明显影响,软岩总厚度相同时,各试样强度相近;软岩总厚度增大,试样强度降低。研究结果对含薄层硬岩软弱夹层力学特性的认识、类似岩层强度参数取值等具有参考价值。     

岩石单轴压缩试验离散元模拟分析

采用二维离散元程序PFC2D,对岩石试样的单轴压缩试验进行了数值模拟。将数值模拟结果和室内试验实测结果进行了比较,发现颗粒流方法能够较好地模拟室内试验,其结果对研究岩石单轴作用下的破坏机理有一定的应用价值。     

软弱层对层状复合泥岩体力学特性影响研究

为研究软弱层对层状复合泥岩体力学性质的影响规律,有效提高层状复合泥岩体力学参数的可靠性,考虑到现场很难完整取得含软弱层的层状泥岩体试件,采取室内压制办法制作具有规则层状特征的泥岩试样,然后对其进行单轴和三轴压缩试验,对比分析各试样的强度、变形特性。试验结果表明:当软弱层厚度比变化时,层状复合泥岩体的强度、变形、弹性模量均随之发生规律性变化;上软下硬型层状泥岩与含软弱夹层层状泥岩试样的单轴抗压强度和弹性模量均随软弱层厚度的增加而非线性降低;轴向应力损失率分析表明,软弱层显著降低了硬层泥岩强度,降幅达70%以上;在三轴压缩试验条件下,层状泥岩的承载能力均有不同程度的提高。层状泥岩的粘聚力和内摩擦角随夹层厚度的增加而减小。试验结果对区域性软岩地基的设计和施工具有一定指导意义。     

淮安盐岩及含泥质夹层盐岩应变全过程试验研究

针对淮安盐矿深部层状盐岩的构造特征,对含泥岩夹层盐岩、纯泥岩和纯盐岩3种岩芯试样进行单轴压缩和不同围压下三轴压缩的全过程试验研究,对比分析3种岩样的应变和破坏特性。试验结果表明:(1)含夹层盐岩及纯盐岩在单轴及三轴条件下,表现出明显的塑性应变趋势,且其应力-应变全曲线表现出明显的应变硬化软化性质;(2)盐岩及含夹层盐岩表现出明显的塑性应变能力,采用多次加卸载循环后的弹性加载曲线来测定其弹性模量值较符合实际;(3)对于纯盐岩试件,随着加载的进行,黏聚力随着塑性应变的增加而越来越小,内摩擦角则先增大后减小;(4)泥质夹层的存在对盐岩试件的力学性质有很大的影响,主要表现为试件强度的提高,并且泥质夹层的情况决定含夹层盐岩试件的破坏形式。     

基于矿物晶体模型的非均质性岩石双裂纹扩展规律研究

为研究细观结构非均质性对裂隙岩石宏观力学及裂纹扩展规律的影响,基于花岗岩室内力学试验及矿物组成分析利用PFC离散元数值软件建立针对2种不同类型花岗岩的矿物晶体模型(grainbasedmodel,GBM),结合单裂纹岩石单轴压缩室内试验与数值模拟结果验证GBM的合理性与可靠性。对双裂隙岩石试样进行单轴和双轴压缩数值试验,分析研究应力–应变曲线、试样破坏模式及微裂纹的发展与演化规律。结果表明:岩石试样加载过程中的新生裂纹以晶内和晶间的拉伸裂纹为主,裂纹的发展可分为初始阶段、稳定发展阶段、快速发展阶段和峰后阶段;在10MPa条件下的双轴压缩中裂纹扩展的形态与单轴压缩相比具有中心对称和边缘延展2个明显的特性;峰值应力下各类型破坏裂纹数量随双轴试验围压增加呈现不同程度的增长趋势。从应变–裂纹数量角度分析,除晶间剪切裂纹外,围压对其他类型裂纹的前期发展存在不同程度的抑制作用;非均质性系数大的双裂隙岩石加载过程中更易出现应力集中且双轴压缩时破坏形式更易从拉伸破坏向剪切破坏转换。     

加载速率对石灰岩力学效应的试验研究

采用RMT-150B岩石力学电液刚性伺服控制试验系统对石灰岩标准试件进行4级不同加载速率的单轴压缩变形室内试验,定量的分析了加载速率对石灰岩试件单轴抗压强度、峰值强度以及对应的应变、破坏后的性态、破裂形式及应力–应变关系等物理力学性态的影响。得出该石灰岩试件单轴压缩破坏的全过程曲线及一些重要特性和参数,为该矿山开采设计提供重要依据。     

试样形状对含倾斜软弱夹层复合岩体力学性质的影响

为研究试样形状对含有倾斜软弱夹层的复合岩体力学性质与破坏模式的影响，对长方体、圆柱体两种复合岩体试样进行了单轴压缩试验。研究结果表明：试样形状引起了软弱夹层破坏形态的不一致，圆柱体试样中倾向于产生斜裂纹破坏并引起复合试样侧向滑移，长方体试样倾向于产生端部的剥落与颈缩破坏；软弱夹层不同的破坏形态也导致硬岩初始压缩状态下的受压面积均存在不同形式的折减，实际受力出现不同情况的应力集中，长方体试样总体产生垂直于软弱夹层面发育的裂纹，圆柱体试样总体产生垂直于实际受压面发育的裂纹。同时，长方体试样无论是软弱夹层的弹性模量与峰值强度还是硬岩的峰值强度都明显高于圆柱体试样，但是应力分布相较圆柱体试样也明显更不均匀。     

峰值后软化水泥土桩复合地基工作机制研究

基于收集到的三轴试验资料,建立了一个可考虑峰值后软化性能的水泥土力学模型。采用该模型对水泥土单桩复合地基体系进行了数值模拟分析,研究了水泥土复合地基的荷载-沉降曲线、水泥土桩的轴向力、侧摩阻力和桩土应力比,以及母土、水泥掺合比、桩径和桩长等因素的影响。基于模拟分析的结果,得到水泥土桩端破坏是水泥土桩复合地基承载力的控制条件。研究了水泥土桩端破坏时的桩端变形和桩身压缩。基于水泥土复合地基破坏机制,对确定水泥土桩复合地基承载力提出了建议。     

软弱夹层引起围岩系统强度变化的试验研究

堡镇隧道地质条件复杂,埋深大且地应力高,地下水丰富,岩体软弱破碎,隧道自稳能力差,存在顺层偏压。围岩变形具有"变形速度快、变形量大且破坏严重、持续时间长"的基本特征,同时又表现出时间上和空间上不均匀、不对称等诸多特性。通过对隧道左线出口段围岩变形量测资料和掌子面地质素描的比较分析后发现,掌子面有软弱夹层沿洞室径向分布时,其变形破坏程度较相邻段同类围岩严重得多,不同夹层厚度对围岩变形的影响程度也不同。因此,依据堡镇隧道开挖以来变形破坏程度最严重的高地应力炭质页岩段软弱夹层和围岩的典型组合结构,设计了不同厚度软弱夹层的三轴试验方案,进行了含软弱夹层围岩的室内三轴试验研究和三轴力学性质测试,描述了软弱夹层厚度为2.5 cm和围压为4 MPa时的全应力–应变曲线特征,探讨了系统强度变化规律,分析了围压和夹层厚度对系统强度变化的作用机理及特点。     

冻土蠕变变形特征的细观分析

通过观测分析冻土单轴及三轴蠕变过程中细观结构的变化情况，发现蠕变过程中结构缺陷的增生与扩展制约着土结构的强化与弱化作用，控制着蠕变变形形态特征。易破坏区首先发生在样品的低密薄弱层面的薄弱区，对于单轴蠕变，在薄弱层面形成一环状低密带，然后向外扩展，最终导致整体结构的破坏；而对于三轴蠕变，在样品薄弱段的表面形成拉伸裂缝，然后向内扩展，最终导致整体结构的破坏。在单轴蠕变过程中冻土的体积随时间的发展而持续增加；三轴蠕变过程中冻土的体积随时间的发展而持续减小，仅当进入第三蠕变阶段后其体积有相对增大的趋势，但仍小于起始值。     

损伤岩样强度衰减规律及其尺寸效应研究

 损伤岩样的强度衰减规律是岩石力学领域的重要课题。采用一种新的方法预制损伤岩样,对其分别进行单轴和三轴压缩试验,并将结果与近似均质的完整岩样试验结果对比。结果表明,单轴压缩下,损伤岩样除劈裂破坏外还伴随有斜向断裂破坏;随围压的增大,损伤岩样容易在胶结面处出现一种新的近水平破坏。损伤岩样较完整岩样的强度衰减值,随围压的增大而增大,但增长幅度逐渐减小。根据室内试验的结果,借助于PFC数值软件,对损伤岩样单轴强度衰减的尺寸效应进行探究。研究发现,随岩样高径比的增大,单轴强度的衰减值不断减小,但减小的趋势逐渐平缓。提出单轴强度衰减的理论模型 (其中, 为任意损伤岩样的单轴强度衰减值, 为标准损伤岩样的单轴强度衰减值, 为圆柱体岩样的高径比,a和b均为材料参数),所得的理论曲线与试验值吻合得很好。计算得出损伤岩样尺寸为无穷大时,单轴强度衰减的无限趋近值 。     

冻结饱和标准砂压缩性试验研究

在寒区进行高速公路和高速铁路等对变形要求严格的工程时,必须考虑冻土的压缩性。以冻结饱和标准砂为研究对象,利用自主研发的冻土侧限压缩仪开展不同温度下的分级加载试验。试验采用-0.5,-1.0,-2.0,-3.0和-5.0℃五级温度,压力分为1,2,3,5和10 MPa五级。根据试验结果得到e–σ_z和e–lgσ_z曲线,求得压缩系数和压缩指数,比较分析室温下的融土试样与不同温度下冻土试样的压缩系数和压缩指数随温度的变化,得到从正温到负温完整温度序列的试验规律。根据前人的模量公式得出相关参数,从而建立公式中参数与温度之间的关系。试验表明:饱和冻结标准砂压缩曲线与常温土相似;在高温条件下冻土的压缩性比较可观;冻土的压缩性受温度的影响十分显著,即压缩系数随温度的升高而增大,呈现指数函数的形式;模量公式中的参数与温度之间可建立一定的定量关系。     

低掺量水泥土物理力学特性试验研究

通过界限含水量试验研究了不同掺量水泥对水泥土液、塑限的影响,利用无侧限抗压强度实验研究了水泥土在饱水养生条件下的强度特性,并得出了一些对工程有益的结论。     

基于SEM图像的灰土力学模型研究

灰土是古建筑常用的材料,因文物保护的要求,灰土取样受一定的限制,因此建立合适的力学分析方法对研究灰土及古建筑本体的力学性能具有重要意义。依据土的三相介质组成和微观尺度构成,将灰土分为颗粒、胶结物和孔隙三部分; 基于300倍SEM微观结构和图像处理技术构建了灰土力学模型,根据粒径组成和试验测试数据分析了胶结物的受力特性,得到了胶结物的塑性损伤模型,并进行了灰土模型的单轴力学性能仿真; 基于室内胶结试验结果建立了胶结物与含水率的应力-应变关系式。研究结果表明:灰土土样单轴压缩试验结果与基于微观尺度灰土分析模型的模拟结果相对吻合,验证了基于SEM分析模型进行灰土力学分析的可行性; 在一定含水率范围内,0.075 mm和0.1 mm粒径胶结物应力-应变变化规律基本保持一致; 在单轴压缩荷载作用下,试件颗粒与胶结物界面处及孔隙周围首先出现损伤破坏并产生裂缝,其主要原因是该区域存在应力集中现象,随着荷载继续增大,损伤区域向外扩展延伸,形成斜向连贯的断裂带,最终导致试件破坏。     

拱北隧道“钢管-冻土”复合结构承载力试验研究

管幕冻结法作为一种新型的隧道预支护工法,目前已被应用于港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道施工中。管幕冻结法是利用顶管技术在隧道四周顶入大直径顶管,并利用冻结法将顶管之间的土体冻结起来,形成水密性的预支护结构。为了研究钢管-冻土复合结构在确保封水时的极限承载力和变形能力,以探求合理冻土温度,采用冻土单轴压缩试验机,对4种不同冻土温度进行钢管-冻土复合结构模型试验,并提出了封水条件下的极限状态判据,通过分析荷载-位移曲线,得到复合结构在封水条件下的极限承载力和变形能力。试验结果表明:温度较高时,冻土协调变形能力较好,但由于冻土本身强度较低,复合结构在封水条件下的极限承载力和变形能力较差;类似地,冻土温度较低时,强度较大,但由于冻土跟随钢管协调变形能力较差,在封水条件下的极限承载力和变形能力也较差;当温度适中时,冻土跟随钢管协调变形能力和冻土本身强度均处于相对理想状态,此时复合结构在封水条件下的极限承载力和变形能力相对较强,即在确保封水性能时所能承受变形的能力和极限荷载均较大。试验研究确定了该理想温度约为-10℃,该温度在拱北隧道管幕冻结实际施工中被采用,对类似工程施工具有一定的参考价值。     

深埋大理岩脆性破裂细观特征分析

脆性材料的破裂过程与裂纹的扩展密切相关,其细观结构特征直接决定宏观力学行为表现,但目前受限于试验仪器,还无法完全把握脆性破裂的细观机制,必须将试验方法和数值方法有机结合。首先利用MTS完成大理岩的单轴和三轴压缩试验,并在试验过程中对声发射信号进行全程监测,利用获得的试验数据详细分析深埋大理岩破裂特征,明确内部裂纹的发展演化规律以及对大理岩宏观力学特性的影响。通过引入颗粒流程序(PFC),借助于已经完成的单轴和三轴试验成果获得PFC计算中的颗粒参数和颗粒胶结面参数,利用BPM模型模拟脆性岩石的破坏。结果表明,PFC能够从细观尺度准确地再现深埋大理岩试验过程中的裂纹扩展和破裂特征,并且能够展现在实际试验过程中无法监测和获得的有价值的细观破坏特征,为描述脆性岩石的破裂特征和复杂力学行为提供可以依赖的描述方法。     

Experimental evaluation of the performance of a geotextile for a pressure-grouted soil nail

A new idea that adopts a geotextile instead of a latex membrane to improve the performance of a pressure-grouted soil nail, was proposed. First, based on the self-developed device, a series of cement slurry filtration tests were carried out to study the influence of the water-cement ratio, slurry volume, and grouting pressure on the geotextile's filtration performance. The variations in filtration time and water-cement ratio, derived from the changes in the aforementioned influencing factors, during pressure grouting were obtained. Second, corresponding penetration tests for the surrounding sands after filtration tests were conducted, and the strength improvement due to infiltration of cohesive substances was subsequently evaluated. Third, uniaxial compression tests were carried out for cement blocks before and after the filtration tests. The grout bulb strength (cement block) was largely increased because the water-cement ratio in the grout bulb was significantly reduced during filtration of the geotextile. This study can help optimize the design of pressure-grouted soil nails using geotextiles.