地质力学磁力模型试验技术应用于滑坡物理模型试验的可行性探讨

地质力学磁力模型试验技术是针对土工离心模型试验技术中获得的ng重力场存在不均匀的问题而提出的。该技术是一种利用磁力场与重力场的相似性,通过在岩土体中掺入粉体磁性材料使其在磁场中受到的磁力作用来模拟ng重力场,从而提高模型试验材料应力水平的模型试验。为了探讨地质力学磁力模型试验技术用于滑坡模型试验的可行性,设计掺入磁粉的土体滑块模型下滑试验,试验采用摄影测量方法获得该滑块在有无磁力作用两种条件下滑块的失稳临界坡角。试验结果表明：在有磁力工况下滑块下滑的临界坡角（39.44°）小于无磁力工况下临界坡角（40.54°）,掺磁粉的土体滑块在磁场作用下的应力水平较无磁场作用下的应力水平有所提高,这说明了地质力学磁力模型试验技术用于滑坡物理模型试验研究是可行的。     

磁性岩土相似材料物理力学性能试验研究

地质力学磁力模型试验能够模拟实际工程中的复杂情况,从而确定现场中难以确定的问题。而磁性岩土相似材料与原型材料的力学性能参数是否相似,是地质力学磁力模型试验是否可靠的重要因素,为了保证模型试验结果的可靠性,需要对磁性岩土相似材料进行试验研究。由于岩土中岩体与结构面力学性能相差很大,将岩土相似材料分为岩体相似材料与结构面相似材料分别研究,选取铁粉、石英砂、粘土为岩体磁性相似材料,选取铁粉、重晶石粉、石膏为结构面相似材料。测量相似材料的密度、抗压强度、弹性模量、粘聚力、内摩擦角、泊松比等力学性能参数,研究材料含量与物理力学性能变化之间的规律,为地质力学磁力模型试验提供指导。     

不同洞形与加载方式对深部岩体分区破裂影响的模型试验研究

 随着地下工程开挖深度的增加,深部洞室围岩将产生不同于浅部洞室的分区破裂现象。为研究分区破裂的破坏机制和形成机制,以淮南矿区丁集煤矿高地应力深部巷道为工程背景,采用模型相似材料和数控真三维加载模型试验系统,开展圆洞、城门洞和马蹄形洞在沿洞轴向和垂直洞轴向加载条件下的洞室开挖真三维地质力学模型试验。模型试验研究表明：(1) 初始最大主应力平行于洞轴方向且其量值超过1.5倍围岩单轴抗压强度是深部岩体产生分区破裂的重要条件;(2) 洞室分区破裂的范围与洞形和洞室尺寸有关,洞室尺寸越大,分区破裂范围越大。模型试验结果有效揭示分区破裂的形成条件和破坏规律,为深入研究高地应力深部岩体的非线性变形特征与破坏机制奠定了坚实的试验基础。     

地下工程流–固耦合模型试验新型相似材料的研制及应用

 依托青岛胶州湾海底隧道的现场勘探资料,应用地质力学模型试验的流–固耦合相似理论,通过大量的配比试验,研制出一种由砂、重晶石粉、滑石粉、水泥、凡士林、硅油和适量拌合水组成的新型流–固耦合相似材料(SCVO)。通过大量的室内试验,系统地研究不同配比对材料参数的影响规律,确定控制相似材料各性能的主要组分。试验表明,材料的强度和弹性模量主要由水泥和凡士林控制;黏聚力受凡士林影响明显;渗透系数可以通过凡士林和硅油的比例调节;硅油还可以起到保水、提高材料密实度的作用。材料的变形特性和水理特性由不同的成分控制,且相互间影响很小,实现材料性质的全面调控。该材料可以模拟不同渗透性的低强度和中等强度的岩体材料,是一种非常理想的流–固耦合相似模拟材料。并已成功应用于青岛胶州湾海底隧道的地质力学模型试验研究中,力学性能和水理特性均达到试验要求,为试验取得良好结果提供材料保证。     

多元地球物理综合探测模型试验相似材料的研制

研制地球物理模型相似材料是地球物理探测模型试验成功的关键问题。针对地震波场、电磁场与直流电场多场相似的难题,应用多元地球物理场相似性原理,通过正交配比试验,研发了一种多元地球物理场综合模型试验相似材料。该材料以粉质黏土、碎石为骨料,以水泥为胶结剂,材料波速为236~1 260 m/s,电阻率为27.2~342.8Ω·m。通过正交试验发现影响试件波速的各因素主次顺序为压实度>含水率>水泥/黏土>碎石/黏土,影响试件电阻率的各因素主次顺序为含水率>压实度>碎石/黏土>水泥/黏土,影响综合地球物理相似材料波速与电阻率显著的两个因素为压实度与含水率。最后,开展隧道施工综合地球物理超前探测模型试验,得到具体模型试验要求的相似材料配比。TRT偏移图像上的强反射界面,电阻率反演图像上的低电阻率异常区域,与工程现场探测实例具有类似的异常体响应特征,综合探测结果与实际模型异常体位置较为一致,表明研发的相似材料能满足模拟综合地球物理场探测的需要。     

松香基相似材料抗剪强度指标试验研究

采用松香作为胶结剂的相似材料是地质力学模型试验中常用的一种相似材料。为研究松香基相似材料骨料组成、松香用量、石蜡用量等影响因素对其抗剪强度指标的影响,设计了三因素四水平的正交试验。制作了16组不同配比的试样,通过直剪试验测得其黏聚力和内摩擦角,并对试验结果进行了极差分析。结果表明,松香基相似材料的黏聚力受松香用量的影响最大,随着松香用量的增加,黏聚力有大幅增长;内摩擦角受骨料组成影响最大,粗骨料比例越高,内摩擦角越大。通过调节配比,可使黏聚力在68 kPa~270 kPa之间波动,内摩擦角在29°~58°之间波动。该研究成果可为地质力学模型试验中相似材料的制备提供参考。     

具有流变特性的盐岩相似材料的研制及应用

为有效反映盐岩油气储库介质的蠕变变形特征与变化规律,以金坛盐岩储气库为背景工程,根据地质力学模型试验相似原理和原岩物理力学参数,通过大量的材料配比和相应材料试件的力学参数试验,研制出了基本满足相似条件且具有显著流变特性的盐岩相似材料。该相似材料采用精铁粉、石英砂和重晶石粉为骨料,以松香酒精溶液为胶结剂按照规定的配比拌合压实而成。材料力学试验表明：研制的盐岩相似材料具有明显的弹性变形、延塑性变形、应变硬化、应变软化和剪涨破坏特征。材料在低应力时以减速蠕变和等速蠕变为主,高应力时以减速蠕变、等速蠕变和加速蠕变为主,盐岩相似材料与盐岩原岩的蠕变特性基本一致。将该材料应用到金坛盐岩地下储气库注采气三维地质力学模型试验中,有效获得注采交变气压变化过程中洞周径向位移和径向应变的变化规律,较好反映了盐岩储库介质的流变力学特性。     

紫坪铺面板坝加速度地震反应振动台模型试验研究

混凝土面板堆石坝的加速度地震反应是其设计和运行中参考的主要依据之一。由于数值方法难以准确模拟土石填筑材料的复杂特性,振动台模型试验被应用于高面板坝坝体的加速度地震反应研究。本文通过对紫坪铺面板堆石坝的大型振动台三维模型试验,得到不同地震动工况下加速度在坝体中的分布以及加速度放大倍数沿坝高的分布。研究发现,在输入加速度幅值较低时坝体的加速度放大倍数最大值出现在0.8倍坝高左右,放大倍数随着输入地震动幅值的增大而减小,并且放大倍数极值出现位置逐渐上移到坝顶。相同高程测点的加速度反应,下游坡面最大,坝体内部加速度小于坝体表面加速度。     

十字岩柱法隧道开挖地质力学模型试验研究

 以重庆市轨道交通三号线为工程背景,开展十字岩柱暗挖法地质力学模型试验研究,优化大断面隧道开挖工序,进行围岩岩土相似材料配比试验、模拟洞室开挖过程中锚固注浆加固作用、洞室开挖过程的围岩位移变形监测分析。试验结果表明：研制的钢结构台架可成功模拟加围压条件下的洞室开挖,可直观地观察到模型开挖时围岩的渐进破坏过程。模型试验采用的监测系统能对开挖过程中洞室围岩的位移进行实时监测,实现了开挖支护与监测记录同步进行。根据相关参数建立数值分析模型,将数值计算结果与试验实测结果进行对比分析可知：二者结果基本一致,规律大致相同,且最终位移值满足试验要求,表明模型试验取得了较为理想的效果。研究工作对实际工程施工及今后类似模型试验研究的发展具有一定指导作用。     

武汉长江隧道管片衬砌结构受幅宽影响的力学分布特征研究

 以武汉长江盾构隧道为工程背景,通过引入管片接头的弯矩–轴力–转角非线性曲线参数的三维壳–非线性弹簧计算模型对幅宽为1～10 m的管片衬砌结构的三维力学分布特征进行系统研究,并与传统梁–非线性弹簧模型的内力结果进行比较,得出管片衬砌结构受管片幅宽影响的内力分布规律。最后通过大比尺相似结构模型试验对计算成果进行验证。研究结果表明：三维管片衬砌结构的最大正、负弯矩一般发生于幅宽边缘部位;就幅宽边缘的最大弯矩而言,在偏安全地假定环间剪切刚度无穷大的情况下,梁–弹簧模型的最大值和三维结构最大值基本相等,表明采用梁–弹簧模型的计算结果用于结构分析是可以确保安全的;就幅宽中央的最大弯矩而言,梁–弹簧模型的最大值比三维结构相应结果明显偏大,说明采用梁–弹簧模型计算结果进行管片配筋会使幅宽中部区域结构配筋率偏大,造成不必要浪费;大幅宽管片的环间接头径向剪力值比梁–弹簧模型的计算结果小,并且幅宽越大两者差值越大。该研究成果对于类似大型越江和海底盾构隧道优化管片结构配筋和分析管片结构安全具有重要的参考价值。     

组合式地质力学模型试验系统及其在分岔隧道工程中的应用

地质力学模型试验是根据一定的相似原理对特定工程地质问题进行缩尺研究的一种方法。地质模型是客观物理实体的再现,在满足相似原理的条件下,能够真实反映岩土介质的基本力学变形特性。要进行模型试验,就必须有相应的模型试验装置。根据地质力学模型试验的特点,本文研制出一种能实施同步非均匀加载的组合式地质力学模型试验系统。该系统主要由盒式台架装置、变荷加载板和液压加载控制试验台组成,其具有尺寸可调、加载规模大、持荷稳定的显著优点。应用该系统对一大型分岔隧道工程进行了三维地质力学模型试验研究,有效揭示了分岔隧道围岩位移场、应力场的变化规律和岩锚支护效应。     

Experimental study on the effect of magnetic field on the heat conductivity and viscosity of ammonia-water

External magnetic field may enhance the ammonia absorption in ammonia-water absorption refrigeration system. In this paper, the variations of viscosity and heat conductivity of magnetized ammonia-water are studied experimentally. The measured ammonia-water is magnetized by an electromagnet with magnetizing intensity from 132.64 to 261.35 mT. Different magnetization times including 10, 20 and 30 min are adopted. Engler viscosity measurement and transient double hot-wires measurement are used in the measurement of viscosity and heat conductivity respectively. The results show that the viscosity of ammonia-water solution decreases after magnetization, the decrease in viscosity is greater when the magnetic field is stronger and the magnetization time is longer. The heat conductivity of ammonia-water solution after magnetization increases with the prolonging of magnetization time and the increase of magnetizing intensity. It is not helpful to increase the heat conductivity of ammonia-water by increasing the magnetizing intensity and magnetization time unlimitedly. In the present experimental conditions, when the magnetization current is 8 A and the magnetization time is 30 min, the increase of the heat conductivity reaches the maximum. The variations of the viscosity and heat conductivity of magnetized ammonia-water may be attributable to Lorentz force and hydrogen bond breaking in microstructure.     

地下工程三维地质力学模型制作逆向控制技术研究与应用

 地质力学模型试验是研究岩体工程和地下工程的一种重要手段,而模型的制作方法很大程度上决定试验的可行性和结果的可靠性。以2个地下工程三维模型试验为背景,对模型制作中压实密度控制问题进行研究。根据在已建实际模型不同深度取得的实测数据,对采用等容控制夯筑法制作模型时产生的同一种材料密度不能保持恒定,而是随深度的增加产生变化的现象进行分析;提出基于击实功复合作用系数、密度随填筑深度非线性逆向控制的模型制作方法,并应用于一个实际三维模型试验模型制作中。原位取样测试结果表明,按照这种方法设计制作的模型,最终能达到模型中同一类型材料所要求的密度整体相对一致的效果,从而提高了物理模型中材料力学性质的稳定性。     

A comprehensive testing method for global stability analysis of high arch dams

Hydropower projects are rapidly developing in China at present,and a number of high dams and large reservoirs are currently under construction or will soon be built.These large projects are mainly located on the great rivers in West China with complicated topographical and geological conditions.Evaluation of stability and safety of these high dam projects is an important topic.Geomechanical model test is one of the main methods to study the global stability of high dam and foundation.In this paper,a comprehensive testing method that combines overloading and strength reduction in a model is proposed.In this method,both the influence of excessive flooding and the effects of strength reduction of rock masses and weak structural planes on dam stability are considered.Thus,the comprehensive testing method can accurately incorporate multiple factors that affect the global stability of high dam and its foundation.Based on the failure testing principle and model similarity theory,a similarity relation formula for safety evaluation through comprehensive test is established.A new model material,temperature-dependent analogous material,is also developed.By rising the temperature and reducing the strength of the model material,the mechanical behaviors resulting from gradual strength reduction can be simulated.Thus,the comprehensive testing method is realized in a single model.For case studies,the comprehensive geomechanical model test is conducted for Jinping I and Xiaowan high arch dam projects.     

混凝土重力坝稳定渗流场数值模拟研究

利用热传导与水渗流的相似性,运用大型通用软件ANSYS的热分析模块对混凝土重力坝稳定渗流场进行模拟计算。以青海省某混凝土重力坝非溢流坝坝段为算例,在ANSYS计算过程中,采用死活单元技术,并对过渡区的单元进行传导矩阵修正,运用自由面适应网格方法,得到渗流场分布。为验证计算结果的准确性,将ANSYS结果与传统渗流分析软件Seep／W结果进行比较,结果表明ANSYS热分析模块对混凝土重力坝稳定渗流场进行数值模拟计算的可用性。     

刚性挡土墙地震失效模式的数值研究

采用离散元方法建立了某刚性重力式挡土墙的数值模型,并根据室内材料试验结果标定了数值模型的微观参数,使数值模拟结果建立在可靠的参数选择基础上。利用颗粒流软件的微观实时测量优势研究了地震荷载作用下挡土墙的失效模式。研究结果表明:加载初期,挡土墙在墙后动土压力、自身地震惯性力和基础摩擦力的作用下保持稳定;随着加速度峰值的增大,动土压力的波动偏离静土压力并逐渐增大,挡土墙发生水平滑移和旋转,当基础破坏后挡土墙还将发生竖向位移。     

基于拉丁方理论的地质力学模型试验设计

拉丁方(Latin Square)设计是一种优良的科学研究方法,可以由较少的试验数据获得较多的科学信息。以拉丁方试验设计理论为基础,对地质力学模型试验进行研究。介绍了拉丁方阵在地质力学模型试验中的应用,并引入一种编制试验计划的方法,同时提供了使用此类方法设计试验时,处理与检验试验结果的依据。最后,用一个算例详述了使用拉丁方阵法设计试验的具体操作步骤,检验了该方法的准确性。拉丁方阵在试验设计中具有简便、实用的优点,对地质力学模型试验具有一定应用价值。     

滑坡物理模型试验畸变修正及应用研究

 地质力学模型试验是研究滑坡形成机制的重要手段之一。分析滑坡模型试验中的相似现象与相似方法基础上,以三峡水库滑坡物理模型试验为研究背景,采用自主研制的考虑雨水作用的大型滑坡物理模型试验平台,推导滑坡模型试验的相似判据。针对传统相似理论在滑坡地质力学模型试验应用中的畸变问题,提出滑坡物理模型试验畸变修正方法。利用该方法建立滑坡物理模型试验新的相似条件和相似环境,以三峡库区千将坪滑坡模型试验研究为例,揭示该滑坡为牵引与推移式并存的二段式启动机制。采用模型畸变修正方法,对滑坡各剖面的极限位移进行预测,进一步完善滑坡物理模型的试验理论与方法。