低温冻结岩体单裂隙冻胀力与数值计算研究

寒区岩体工程中含水裂隙随温度降低会发生水冰相变产生冻胀力,内部冻胀力会驱动裂隙发生Ⅰ型扩展,从单裂隙入手,基于弹性力学、渗流力学和相变理论,建立了考虑水分迁移下的冻胀力求解模型,冻胀力不仅随着水分迁移通量的增加而迅速降低,还与岩石基质以及冰体的力学强度参数有关。采用等效热膨胀系数法对低温裂隙中水冰相变下热力耦合应力场进行了模拟分析,并与理论模型计算结果进行对比,结果表明冻胀力解析解与数值解吻合较好;结合断裂力学,利用应力外推法得出了裂隙尖端应力强度因子的数值解,与理论解析解及半解析解也具有较好的一致性,最后通过实例验证了等效热膨胀系数法的可靠性,可为研究低温裂隙岩体冻融损伤与裂隙扩展研究提供参考。     

岩石冻胀变形特征及寒区隧道冻胀变形模拟

运用应变片法测试低温环境下饱和及干燥岩样的低温应变特征,研究岩样冻胀融缩效应,给出严格的岩石冻胀变形规律。试验结果表明：一个冻融循环内,干燥岩样变形表现为线弹性特征,而饱水岩样的变形大致经历冷缩、冻胀、融缩、热胀等阶段,并产生残余应变。依据试验结论,运用理论分析方法研究岩石冻胀应变,并将其运用于工程实例,模拟寒区隧道冻胀变形特征,并得出一定冻结条件下围岩未冻区、正冻区和已冻区的分布状况。     

岩体冻融疲劳损伤模型与评价指标研究

 岩体冻融损伤模型与评价是研究岩体经历冻胀力萌生、发展与消散反复作用后物理力学性质劣化的主要内容,现有对岩体冻融循环后的损伤评价指标主要有孔隙率、纵波波速、静动弹性模量等物理参数。冻胀力对于岩体可等效为三轴拉伸应力,首先基于三向等效拉应力建立岩体冻融疲劳损伤模型,该冻融损伤演化方程与单轴循环拉应力下的疲劳损伤方程虽然具有同样的形式,但物理意义不同。基于动弹性模量的定义,以孔隙率和纵波波速为参变量推导出了统一的损伤变量表达形式,该损伤变量不仅考虑了双物理参数的影响,还能对不同冻融循环次数下岩石的单轴抗压强度进行较好预测,可作为岩体冻融损伤的评价指标。定义动弹性模量损失40%为岩石冻融破坏临界值,利用该临界值可避免通过试验确定最大冻融循环次数,进而结合统一损伤变量对冻融疲劳损伤演化方程进行求解,最后通过2个实例说明该冻融疲劳损伤模型与评价方法的正确性和实用性。     

考虑温度效应的花岗岩蠕变损伤本构关系研究

 为了解核废料处置库围岩在不同温度下的蠕变损伤特性,基于不同温度(20 ℃～300 ℃)下花岗岩单轴抗压蠕变的试验结果,分析温度对花岗岩整个蠕变损伤过程的影响特征,认为温度对花岗岩的瞬时弹性模量产生热损伤并加速花岗岩的后续蠕变损伤过程。基于西原模型,引入瞬时热损伤变量和考虑温度效应的蠕变损伤变量,建立温度作用下花岗岩的蠕变损伤本构模型。通过不同温度下花岗岩的蠕变试验数据对建立的蠕变损伤模型参数进行识别,得到不同温度下蠕变损伤模型的材料参数。通过比较蠕变损伤模型的理论结果和试验结果发现,该模型能够很好地反映花岗岩不同阶段的蠕变特性,表明该模型的合理性和正确性。分析模型参数随温度的变化规律,结果表明：随着温度的上升,花岗岩的蠕变损伤破坏时间迅速减小,并满足负指数衰减规律;随着温度的上升,花岗岩的蠕变阶段的破坏特征从脆性向延性转变,其破坏特征参数满足负指数增加规律;随着温度的上升,花岗岩的松弛时间迅速减小。     

裂隙岩体水–冰相变及低温温度场–渗流场–应力场耦合研究

 岩体冻融损伤涉及低温环境下温度场、渗流场和应力场的耦合问题。基于水–冰相变理论和能量守恒原理,得出冻结率表达式。运用双重孔隙介质模型理论,根据质量守恒定律、能量守恒定律及静力平衡原理,得出冻结条件下裂隙岩体的温度场–渗流场–应力场(THM)耦合控制方程。最后,通过1个含裂隙隧道低温THM耦合算例,将围岩当作岩块与裂隙介质组成的系统,采用等效热膨胀系数法对夹冰(含水)裂隙的冻胀效应进行模拟,并考虑冻结过程对岩体渗透系数的影响,研究低温THM耦合条件下的温度场、应力场及孔隙压力等的分布规律。     

岩体裂隙网络注浆模拟试验系统研制及应用

为研究浆液在岩体裂隙网络内的扩散迁移规律,研制了可视化裂隙恒压注浆试验系统。该系统由供压设备、恒压出浆设备、裂隙模拟设备以及监测设备组成,可根据试验要求设计特定岩体裂隙网络,模拟不同注浆压力、浆液黏度、裂隙开度等多种参数影响下的浆液流动过程,并可研究裂隙岩体中浆液-水/气驱替作用机制。通过单一裂隙注浆理论与试验结果的对比,验证本试验系统的可靠性。基于此,进一步研究随机裂隙网络注浆扩散机制,结果表明:(1)裂隙内同一点压力随注浆压力的增大而增大,随裂隙开度的增大而减小,不随浆液黏度的变化而变化;(2)浆液在裂隙网络内由总流分散为支流后,压力显著下降,流速放缓,且各支流压力与流量分配系数受交叉(分叉)裂隙夹角影响较大。试验系统的研制及研究成果对岩体工程注浆具有一定指导价值。     

基于数值模拟的小煤柱沿空巷道变形控制技术

淮南矿区深部煤炭开采过程中,沿空巷道收敛变形问题已成为制约采煤工作面快速推进的一大难题。以淮南矿业集团张集煤矿西二A组煤沿空巷道为研究对象,采用数值模拟方法,分析研究了不同煤柱留设宽度、不同帮顶支护形式和煤柱注浆加固对控制沿空巷道变形的作用。结果表明:最佳沿空小煤柱的留设宽度为5 m;帮部布置底角锚索和煤柱注浆加固对于控制沿空巷道的帮部位移和底鼓具有明显作用。研究成果可为类似条件沿空巷道支护设计提供参考。     

裂隙岩体冻融损伤研究进展与思考

 裂隙岩体具有不同于土体的结构和强度特征,现有冻土理论不能解决低温岩体裂隙冻胀开裂、扩展演化问题,冻融过程中水分迁移机制、冻胀力的量值与萌生消散机制以及裂隙冻融扩展演化机制等是研究裂隙岩体冻融损伤的关键问题。对裂隙岩体中的水分迁移机制研究应立足于微观尺度,从分凝冰理论入手,关注于未冻水膜的迁移机制。低温裂隙岩体冻融损伤程度受到裂隙中冻胀力大小控制,而冻胀力大小和裂隙冻融扩展机制与裂隙的空间位置形态、未冻水含量、冻结温度以及岩石的物理力学性质等因素有关。几十年来,对岩体冻融裂隙扩展的研究主要集中在理论模型探究、室内裂隙岩体冻融试验和现场监测分析3个方面,取得了丰硕的成果,但目前关于冻岩的研究还远未成熟,要深入揭示裂隙岩体冻融损伤演化机制,还应借助于室内试验从裂隙岩体冻融水分迁移机制入手,以探究冻胀力量值的求解方法为初步目标,进而结合岩体裂隙扩展准则研究冻胀力对岩体裂隙网络发展的影响。     

冻结岩体单裂隙应力场分析及热–力耦合模拟

 我国寒区分布面积广泛,岩体冻融损伤问题涉及低温环境下温度场、渗流场和应力场的耦合,严重威胁着寒区岩体工程的安全稳定。在考虑水分迁移的条件下,以水冰相变为切入点,结合断裂力学、弹塑性力学理论,分析冻胀荷载作用下饱和岩体裂隙应力场分布规律与尖端应力强度因子。考虑温度对冻结率的影响,采用等效热膨胀系数法模拟冻胀荷载,运用FLAC3D软件建立单裂隙冻胀热–力耦合模型,编制FISH程序进行计算,得出冻胀作用下裂隙附近应力场分布,并与理论值进行对比分析。