低温饱和岩石未冻水含量与冻胀变形模型研究

 寒区岩石在季节性温度变化下会经历冻胀融缩过程,研究低温岩石中未冻水含量以及冻胀变形规律是进行寒区工程数值仿真和稳定性分析的关键问题。岩石是不同于土体的脆性多孔介质材料,孔隙中的未冻水含量还无法通过实验直接测量;基于累计孔隙体积分布规律,考虑孔隙水的冻结点变化和未冻水膜的影响建立低温岩石未冻水含量理论表达式,实例证明该计算式具有较高的可靠度。假定岩石为弹性孔隙介质,基于孔隙冰与岩石孔隙间的膨胀耦合关系可计算冰压力;利用应变等价原理将孔隙中的冰压力等效为岩石表面的三向拉应力,从而根据弹性理论建立了有效冻胀力下低温饱和岩石冻胀变形模型。结果表明饱和岩石低温冻胀变形与岩石基质的力学参数、岩石孔隙率以及未冻水含量等因素有关。最后通过与2个已有的室内冻胀变形实验对比,说明本文冻胀变形模型的正确性以及实用性。     

寒区隧道岩体冻胀率的取值方法和冻胀敏感性分级

 通过分析岩石冻胀试验数据,修正岩石冻胀率的计算公式;分析裂隙冻结时可能出现的冻胀情况并给出相应的线冻胀率值;将岩体裂隙分布形态简化为“层状”,推导岩体冻胀率的计算公式。计算开放条件下不同岩性不同级别岩体的冻胀率范围。开放条件下,岩体冻胀率的特点有：非冻胀敏感性岩石构成的岩体的冻胀主要来自于孔隙、裂隙中的原位水冻胀,孔隙/裂隙率越大,冻胀率越大;冻胀敏感性岩石构成的岩体的冻胀主要受水热迁移作用的影响,水热迁移作用越强烈,冻胀率越大;随着围岩级别增大,裂隙发育,岩体的冻胀率随之增大,冻胀敏感性岩石构成的岩体的冻胀率增长幅度大于非冻胀敏感性岩石构成的岩体。考虑岩石及裂隙填充物的冻胀敏感性、围岩级别、岩石的孔隙率以及地下水补给条件的影响,对岩体冻胀性进行分级,并评估依托工程围岩的冻胀性,根据围岩的冻胀性选择合理的支护参数将节约工程成本。     

深基坑冻结止水帷幕冻胀变形模拟分析与试验测试

 通过对深基坑冻结止水帷幕工程冻胀特性的模拟分析,考虑初始应力场平衡及其与温度场、应变场等的耦合分析,结合试验与测试分析成果验证,系统研究冻结止水帷幕的冻胀变形特征、冻胀特性与冻土性质和约束条件的关系以及卸压槽的卸荷作用机制与变形控制效果等,为今后深基坑围护冻结止水技术的合理设计、安全施工和推广应用提供理论基础。     

某矿井筒检查孔人工冻土冻胀性能的试验研究

在矿井建设中,人工冻结法施工技术被广泛应用,但冻结施工中土体冻胀所带来的危害也不能忽视。本文通过对取自淮南某矿不同深度的细砂土和黏土试样进行人工冻结的冻胀性能试验,得出了这两种试样的冻胀特性以及冻胀力和冻胀率与时间的关系。     

某寒区铁路隧道衬砌冻胀力分析

对某寒区铁路隧道进行冻胀分析,得出围岩的冻胀对衬砌结构产生的力场结果,得到了不同的冻胀率条件隧道衬砌的最不利位置,并对比不同冻胀率条件下冻胀力对结构的影响,判断了隧道结构及运营行车的安全情况,为实际工程的加固与否提供依据。     

饱水红砂岩裂隙冻胀力与变形试验研究

高寒高海拔地区常年受冻融循环作用影响,裂隙岩体冻胀现象普遍存在。为探究冻胀力在裂隙冻胀变形中的演化规律,揭示裂隙岩石的冻胀损伤机制,利用分布式压力薄膜传感器、温度传感器和应变仪组成的测试系统,对不同裂隙宽度的饱和裂隙红砂岩试样的冻融过程进行实时全面监测,获得裂隙冻胀力、温度和裂隙应变随时间变化的曲线。试验结果表明：在冻融过程中,饱水裂隙红砂岩裂隙内20 mm处出现恒温平台,标志着裂隙水发生冻结,且裂隙宽度越大,恒温平台出现时刻越早;岩石表面应变与温度变化拐点同步,裂隙应变拐点滞后于温度拐点,但裂隙应变与最大冻胀力的变化同步;在恒温平台出现时,岩石表面应变快速上升,主要是岩石骨架收缩和岩石孔隙水冻胀共同作用引起的;岩石表面温度变化比裂隙内温度变化更快,导致裂隙水的冻胀有所滞后;在融化过程,冻胀力和应变均再次爬升,并出现次高点;对于宽度在2～4 mm范围内的裂隙,最大冻胀力峰值随着裂隙宽度增大而增加;在整个冻融过程中,冻胀力的分布是不规则的、冻胀力由四周向内部递增,四周的冻胀力大小基本保持不变;冻融机制分析表明：岩块周边首先形成冻结层,然后裂隙水发生冻结逐渐形成冰塞,当冰塞不再滑移、达到完...     

基于冻土正交各向异性冻胀变形的隧道冻结期地层位移数值分析

 针对隧道水平冻结法施工的特点,综合考虑地层温度、地表对流等各类初始和边界条件及土体的相变潜热过程,建立隧道水平冻结温度场的数学模型。定义土体的冻胀率为瞬时体应变,考虑冻土的正交各向异性冻胀变形特征,即冻胀变形主要发生在沿热流方向(温度梯度方向),引入变形特征系数的概念,从而导出土体温度降至冻结温度后而产生的瞬时热应变分量(冻胀应变分量),并建立地层冻胀的弹塑性热力耦合数学模型。基于ABAQUS有限元软件的二次开发技术,编制冻土正交各向异性冻胀变形的用户子程序,从而提出隧道水平冻结期地层位移的热力耦合数值分析方法。将该方法应用于某浅埋大断面地铁隧道水平冻结工程中,获得地层冻结温度场和冻胀位移场的分布规律,并与现场实测结果相比较,验证数值分析方法的可靠性,同时表明地层位移分析中考虑冻土正交各向异性冻胀变形特征的必要性。     

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。     

变形与渗流相互影响的岩石力学问题

在煤炭开采过程中,有不少岩石变形与岩石内渗流流动相互影响、相互作用的岩石力学问题。如矿井中瓦斯突出和底鼓突水,就是在开采过程中煤(岩)变形引起煤(岩)渗透性能的改变,使煤(岩)体内流体在连通的空隙(包括孔隙、裂隙和孔洞等)中流     

季节性冻土切向冻胀力与冻胀性关系

通过冻胀率与切向冻胀力的测定 ,建立了季节性冻土切向冻胀力与土的冻胀性关系最佳曲线模型 ,并依据该模型推荐了不同冻胀土类的胀切向冻胀力值 ,为防治公路桥涵冻害设计提供了科学依据     

富水软岩隧洞变形特征及变形机制分析

 基于库尉引水隧洞现场监测资料,对富水软岩隧道的变形特性及变形机制进行分析。研究表明：侧墙收敛变形是拱顶沉降变形的2～3倍,且前者稳定时间长。土质软岩隧道的变形受时空效应综合作用的影响,即使在开挖面影响范围之内,时间效应也能产生很大比例的变形。侧墙变形受空间效应影响范围为4D～5D,与拱部变形相比,其时间效应更为显著。围岩–支护结构的变形在不同部位的特性主要是由各部位的围岩变形方式和应力释放规律所决定的,侧墙处围岩应力释放时间效应明显,塑性区不断增长发展,形变压力也随时间增长难于稳定。拱顶处存在一定深度范围内的围岩整体下沉现象,围岩压力稳定时间短。该研究对软岩隧道施工、监测具有一定指导意义和参考价值。     

岩溶隧道施工围岩变形动态监测与仿真分析

 岩溶区隧道因受岩溶发育程度、岩溶位置等影响,其围岩位移特征与一般隧道存在较大区别。以达成高速铁路宝石岩隧道为工程背景,对侧部含有溶洞的隧道围岩变形进行现场监测研究,并运用有限差分软件FLAC3D进行仿真分析,现场监测和仿真分析所得围岩变形规律基本一致。结果表明：隧道开挖后,围岩分别向溶洞和隧道内变形,溶洞与隧道之间的围岩向两个相反的方向变形,是较危险区域;靠近溶洞的隧道左侧特征位置的位移值要比远离溶洞的隧道右侧相应部位的位移值大,其中,左边墙的水平位移是右边墙的2倍左右。随着开挖断面处溶洞尺寸的逐渐增大,拱顶下沉位移增量最大,边墙水平位移增量次之,腰拱水平位移增量最小。溶洞顶部下沉位移和靠近隧道的溶洞右侧部水平位移较大,溶洞其他部位的位移值较小。侧部含有溶洞的隧道,其围岩变形的非对称性容易使隧道受“偏压”。所得结论可为同类隧道的设计、施工和研究提供有益的借鉴和参考。     

地铁隧道水平冻结施工地表变形特性的模拟研究

冻结施工是软弱含水土层中施工的辅助方法之一，北京地铁大北窑车站区间隧道水平冻结施工工程是我国首例隧道水平冻结施工。以该工程为原型工程，建立了一套以相似理论为基础的物理模型试验系统，开展了冻结及冻融现象的试验研究，对冻结与冻融过程中地表变形进行了分析研究，得出其变化规律和经验公式，可为以后的水平冻结施工技术的扩大应用提供部分理论依据和参考。     

几种典型土料冻胀敏感性试验研究

对三种典型土料进行不同含水量、饱和度和干密度条件下的一系列闭式冻胀模拟试验。研究了土的η-ω、η-γd关系,并对其进行线性分析,得出试验土料的冻胀规律。根据所得η-ω关系式,得出各种土料相应于各冻胀性分级的界限含水量值。进而分析各种土料的冻胀敏感性,并与有关文献进行了对比分析。     

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。     

岩石剪切裂隙渗流特性试验与理论研究

 通过在三轴应力条件下对丹江口库区辉绿岩进行剪切破坏得到剪切裂隙,然后对剪切裂隙进行不同围压和裂隙水压力(渗透压差)作用下渗透性能的试验研究。研究结果表明：绝大部分岩样在剪切破坏后会形成单条贯穿剪切裂隙,这种剪切裂隙的渗透系数与净围压的关系符合指数函数特征,且受环向应变影响很大,但受轴向应变影响较小;裂隙水压力对裂隙渗透系数影响明显,在相同净围压下,裂隙水压力越大,渗透系数越大,其主要原因是较大的裂隙水压力使裂隙两侧基岩产生附加变形,导致隙宽增加。基于试验数据和理论分析,根据三维应力下的裂隙–岩块位移模型推导考虑裂隙水压力的渗透系数计算公式,该公式可以较好地描述不同围压和裂隙水压力下实测渗透系数的变化趋势,并且公式中的参数均可根据简单的三轴压缩试验得到,计算结果与实测数据符合较好。     

大断面黄土隧道围岩弹性抗力系数、变形模量与压缩模量试验研究

 对于高速铁路大断面黄土隧道严格的设计计算而言,黄土隧道围岩的弹性抗力系数、变形模量和压缩模量十分重要。以郑西客运专线大断面黄土隧道工程为依托,利用现场平板载荷试验研究大断面黄土隧道围岩水平方向和拱底竖直方向的弹性抗力系数、变形和压缩模量,并提出与隧道埋深有关的弹性抗力系数、变形和压缩模量的参考计算公式。     

寒区隧道衬砌冻胀力室内模型试验研究

 为了得到寒区巴郎山隧道衬砌安全性评价时所需的冻胀力荷载,进行了室内模型试验。将隧道板岩岩体视为裂隙介质,主要研究由水分在裂隙中迁移产生的冻胀。模型中铺设透水布模拟裂隙,采取隧道洞腔内降温的方式模拟隧道受到的低温条件。运用热电阻元件和应变片测试试验中衬砌的温度和应变变化。试验结果表明：衬砌的冻胀应变在仰拱和仰拱脚处较小,在拱顶、拱脚和边墙处较大,最大处发生在边墙。采用数值模拟方法,分析岩石圈整体冻胀模型和含水风化层冻胀模型在衬砌上的应力分布模式,与室内模型试验结果相比较,确定选择含水风化层冻胀模型为巴朗山隧道冻胀荷载计算方法,即冻胀荷载可为衬砌边墙上的水平侧向荷载,冻胀力的大小可以按照洞口0.9 MPa,洞身0.6 MPa取值。     

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。