富水破碎岩体注浆加固实验与机制研究

 采用模拟富水破碎岩体注浆的方法,开展普通硅酸水泥42.5#(PO.42.5)、硫铝酸盐水泥42.5#(SAC.42.5)和自主研发水泥基复合注浆材料(CGM)的注浆加固效果实验。通过对比破碎灰岩和破碎砂岩试样注浆后结石体的单轴压缩实验结果发现,岩体破碎程度越高,注浆后强度改善效果越明显,岩石孔隙率越大,注浆后韧性增强显著。CGM材料对应注浆加固结石体强度显著高于PO和SAC材料,对多孔隙砂岩的刚性改善效果最优,且结石体沿岩–浆界面产生滑移破坏的概率最小,SAC材料次之,PO材料最差。采用扫描电子显微镜测试手段,分析岩–浆界面过渡区域矿物种类及分布形态,揭示了不同水泥类材料注浆效果产生差异的原因,从微观角度确定了岩–浆界面的胶结类型主控因素为岩石的岩性,与水泥材料类型无关。对于致密度高的灰岩类岩石属于Ollivier-Grandet模型,对于多孔隙砂岩类岩石属于Zimbelinan模型。结合对岩–浆界面过渡区域X射线衍射分析和元素扫描分析结果,证明注浆不仅改善岩石的物理力学性能,还会引发岩石组分发生化学变化,在界面区域生成类岩石矿物,可提高岩–浆界面胶结强度。     

岩石峰后注浆加固前后力学特性单轴试验研究

在岩石试件单轴压缩破裂的基础上,进一步开展了峰后注浆加固试件的力学特性试验研究.分别采用水泥浆和玛丽散N加固破裂试件,试验发现分别采用玛丽散N、425#水泥进行破裂岩石注浆加固时,岩石强度比其残余强度都有显著提高,加固后岩石的变形趋于协调.同一浆液加固不同的岩石,被加固体本身的强度越高注浆加固体的强度提高越高;同样的岩石注入不同浆液,浆液的粘结强度越高注浆后的强度就越高.试验结果验证了岩石注浆加固是加固围岩非常有效的方法.     

基于单轴剪切破坏的岩石M–C准则参数反演分析

基于岩石单轴压缩试验中出现的不同剪切破坏形式,应用极限分析法推导出岩石单轴抗压强度与黏聚力及内摩擦角的关系式。结合矿区岩石单轴、三轴试验结果,验证以岩石M–C准则参数计算单轴抗压强度关系式的正确性,据此关系式获得的结果与试验结果差值在6%~10%之间。采用实例进行岩石黏聚力和内摩擦角的反演分析,以岩石实际单轴剪切破坏形式和试验结果为依据,两两结合联立计算得到岩石的黏聚力和内摩擦角。实例表明:基于单轴剪切破坏形式和单轴抗压强度值计算岩石黏聚力和内摩擦角的方法准确,具有实用价值,该关系式也揭示了岩石试样破坏类型与岩石力学参数间的内在关系。     

岩石结构面力学原型试验相似材料研究

基于岩体结构面抗剪强度机制及相似材料的选择原则和要求,研制以高强水泥、硅粉、高效减水剂、标准砂、水等原料混合而成的模拟材料,并利用其制得的试样及结构面模型进行大量物理力学试验的对比分析,研究结果表明:相似材料的抗压强度与原岩结构面相近,调整不同混合材料的配合比,相似材料可以覆盖中低强度的岩石类型;利用相似材料及多尺度试样模具可制作与原岩结构面表面形态及起伏度近似一致的模拟结构面;利用模拟结构面代替原岩结构面进行直剪试验,模拟结构面表面的磨损程度、粗糙度系数衰减规律及破坏形式均与原岩结构面相似,且模拟结构面抗剪强度直剪试验结果与理论计算值相差不大;模拟材料具有物理力学性能稳定、制作方便、成本低廉的优点,可代替原岩结构面进行不同尺寸、可重复性的破坏性试验。     

黏土岩温度–渗流–应力耦合作用的长期力学特性研究若干进展

核废料地质处置库长期处于复杂的耦合环境之中,其安全、稳定、高效的建设与运营需要考虑温度场(T)、渗流场(H)、应力场(M)的长期耦合作用。围绕黏土岩多场耦合作用下的长期力学特性,首先总结了国内外在黏土岩温度–渗流–应力耦合条件下长期力学试验研究成果与不足,主要包括HM与THM耦合长期作用对黏土岩渗透特性的影响、黏土岩TM与THM耦合长期力学特性。其次从微观唯相的角度,论述了温度对黏土岩微观结构特征的影响机制。基于上述认识,提出黏土岩THM耦合蠕变力学模型及其适用性。同时,介绍了笔者团队围绕黏土岩THM耦合长期力学特性方面的相关研究成果,结果表明:BoomClay的长期力学特性与温度、孔压、应力和各向异性等因素相关。最后,提出黏土岩THM耦合研究未来应重点关注的方向。     

考虑法向应力与岩石强度的加锚节理岩体剪切力学模型研究

为分析法向应力和岩石强度对锚杆锚固效应的影响规律,选取红砂岩、石灰岩、玄武岩3种代表性岩石开展加锚节理岩体直接剪切试验,基于试验结果,根据静定梁理论和最小余能原理,建立考虑岩石结构效应和等效剪切面积的加锚节理岩体力学分析模型,并结合理论计算公式,分析不同锚固角下岩石强度对锚杆轴向力和剪切力的影响规律。研究表明：锚杆的锚固效应在宏观上表现为增加节理面的当量内摩擦角和黏聚力,且岩石强度越大,锚杆对节理面剪切强度的贡献值就越大。与试验数据和已有分析模型对比分析表明,理论模型的计算值与试验结果更为吻合。通过计算分析可知,随着锚固角的增加,锚杆轴向力对节理面剪切强度的贡献度逐渐减小,剪切力对节理面剪切强度的贡献度逐渐增加,并且锚杆最佳锚固角在50°～70°范围。     

红层软岩软化的微–细–宏观界面关联过程与跨尺度级联效应

红层软岩灾变与水–岩界面作用过程密切相关,研究微–细–宏观关联过程与级联效应对于揭示其灾变机制具有重要意义。目前对软岩软化的研究主要集中于细宏观水–岩界面的表观特征,微–细–宏观界面关联特性及其跨尺度级联效应仍需进一步研究。针对这一问题,通过对软岩软化界面反应过程的微观化学反应、细观物理特性与宏观力学作用进行分析,建立水–岩界面的关联过程。依据能量流理论与级联概念,对软岩破坏的跨尺度级联效应进行分析。结果表明,水溶液阳离子浓度、软岩颗粒骨架外孔隙的占有比例和软岩崩解物质量3个因素,可以很好地阐述水–岩界面的关联过程。软岩软化过程中微–细–宏观级联因子均呈现逐级递增的趋势。解决了红层软岩软化水–岩界面关联过程的不完善与级联效应的跨尺度问题,为揭示软岩软化的深层次机制提供参考。     

砂粒充填大理岩节理剪切强度试验研究

节理充填对节理力学性质具有重要影响,为研究砂粒充填对节理抗剪强度的影响,利用GCTS(RDS-200型)岩石剪切系统对4种粒径砂粒充填的粉晶大理岩节理进行了直剪试验。结果表明:未充填节理剪切应力-位移全程曲线可分为压缩阶段、弹性阶段、屈服阶段、软化阶段和残余阶段,而充填节理剪切应力-位移全程曲线则仅有压缩阶段和硬化阶段,表现出松砂剪切曲线特征;相同法向应力下,4种粒径砂粒充填节理峰值剪切应力明显降低。多层铺设3种较细粒径砂粒的充填对节理粘聚力和内摩擦角的影响基本相同,粘聚力和内摩擦角均降低,且粘聚力降低更为明显;单层铺设的最大粒径砂粒使节理的粘聚力降低,内摩擦角增加。研究结论对理解充填节理岩体稳定性具有一定帮助。     

制样误差对结构面直剪试验结果影响定量研究

在结构面直剪试验制样过程中,所产生的误差会对试验结果带来很大的影响。研究结构面制样误差对试验结果的影响具有十分重大的意义。推导结构面倾斜时的正、剪应力的修正公式,并研究控制结构面倾斜的2个参数爬坡角α、偏角β对试验结果的影响。定量分析结果表明:试验结果误差对控制结构面倾斜的因子爬坡角α敏感,而偏角β对试验结果影响较小,可忽略;最后提出了2种试验结果误差修正方法,并给出一修正实例。     

岩石直剪峰后曲线与抗剪强度参数关系探讨

对多组泥岩、白云岩和灰岩试样进行直剪试验,利用不同法向应力下峰值剪切强度求得其抗剪强度参数(内摩擦角和黏聚力c)。通过对剪应力–剪切位移曲线的进一步分析,发现峰后曲线和抗剪强度参数有以下关系:(1)峰值剪应力与残余剪应力之间的剪应力跌落值近似等于黏聚力c;(2)残余剪应力和法向应力关系可近似用内摩擦角来描述。将2种方法求得的抗剪强度参数进行对比,结果表明:在法向应力满足一定条件时,利用峰后曲线求得的抗剪强度参数可作为岩石的抗剪强度参数的近似值。基于对以上现象的理论分析,提出一种利用峰后曲线计算岩石的抗剪强度参数的近似方法,并给出该近似计算方法的具体计算过程。该方法较直观地解释了岩石直接剪切试验峰后曲线的物理意义。     

岩石–混凝土结构面的广义Patton剪切模型

为合理预测工程中常法向刚度（CNS）条件下岩石–混凝土结构面的剪切强度,在经典Patton模型（理想化为规则三角形粗糙体）的基础上进行改进,将规则三角形粗糙体推广到相似三角形粗糙体节理模型,并给出了相应的岩石–混凝土结构面粗糙度量化方法。与规则三角形粗糙体相比,相似三角形粗糙体由于波长各异而导致各个粗糙体所受的局部应力各不相同,进而引起粗糙体异步破坏的现象。其中,各粗糙体的极限破坏荷载和临界剪切位移根据下限理论求解。在此基础上,建立了相似三角形粗糙体结构面上各粗糙体剪切状态演化方程,并推广了经典Patton模型。该广义Patton模型可同时预测规则和相似三角形结构面剪切强度,并在一定条件下可退化为经典Patton模型。最后,通过12组不同工况下的CNS直剪试验验证了本文模型的合理性。

     

岩体结构面HM耦合分析的界面层模型

结构面对岩体力学性质、渗透特性及水力(HM)耦合过程起控制作用,其变形、渗流及HM耦合机制是岩体多场耦合研究的关键科学问题.从岩体HM耦合分析的角度,将结构面概化为界面层,采用张开度、刚度或Lame常数等参数表征界面层的几何特征及物理力学特性,研究界面层在法向应力作用下的闭合变形特性、压剪作用下的剪胀与剪缩演化规律以及变形与渗流耦合特性,建立考虑弹性、弹塑性及峰后力学特性的界面层变形模型,推导能考虑HM耦合效应的渗流广义立方定理及非饱和渗流模型.研究表明,基于界面层的结构面变形、渗流及HM耦合模型可以得到试验验证,模型参数可以通过简单的试验获得.采用界面层模型进行HM耦合研究使得变形与渗流分析建立在相同的物理模型基础上,有利于更好地揭示岩体HM耦合机制,提高多场耦合分析的可靠性.界面层模型不仅可应用于不连续介质的HM耦合分析,也可用于等效连续介质的HM耦合分析.