一种新型冻土可视化试验系统及其在冻融试验中的应用

为了提高冻土试验系统的控温精度、实现分凝冰发育过程的实时监测,基于固态制冷技术和线阵CCD(Charge Coupled Device)扫描成像技术,研发一种新型冻土可视化试验系统。该系统的核心部件包括固态控温模块和CCD可视化模块。在固态控温模块中,引入人工神经网络对控温算法的控制参数进行优化选取,使得试验系统对控温对象的温度状态具备自适应调节能力。而在CCD可视化模块中,使用CCD感光元件构建了操作简便、成像精度高的线阵扫描结构,其最高分辨率可达4 800 dpi×4 800 dpi。性能测试结果显示系统的恒温控制精度为±0.002℃。在变温幅度为0.05℃的控温过程中,其温度过冲只有0.009℃;当变温幅度增加至0.5℃时,其温度过冲仅为0.089℃。而在线性降温过程中(降温速率-1.2℃/h),其控温误差未超过±0.01℃。在此基础上,开展正弦温度波动下的应用试验。从试验结果上看,该系统运行稳定、控温精度高,可视化模块可观测到0.5mm宽度的分凝冰发育过程。并且所得数据表明土体过冷过程和冻融历史对温度场、分凝冰发育状态存在显著影响。因此,当前冻胀试验中为了消除过冷影响而采取的预...     

土体冻融特性试验研究现状与思考

冻融试验是获取冻土物理力学参数、评估冻土工程特性的重要手段。从冻土水热参数、力学参数、冻胀机制和融沉机制4个方面对土体冻融特性试验研究进行综述,对主要水热力参数的试验方法和试验设备进行汇总说明,对理论模型的发展过程及试验验证进行归纳整理。试验装置的变温控制性能是影响冻土试验数据质量的重要因素,但当前高精度冷却液循环控温设备的国产化程度较低,高性能冻融试验系统仍主要依赖进口。因此在开展冻土试验和理论研究的同时,对于试验设备的研发工作同样需引起重视。由神经网络–PID算法和热电制冷模块组成的固态控温系统可以解决试验装置的变温控制问题。固态控温系统的高变温控制性能具备模拟复杂冻结过程的能力。将其与新型传感技术结合,如光纤压力传感技术、线阵CCD扫描成像技术,可以为冻土研究提供新的试验方案,以此促进土体冻融机制研究,为我国寒区工程建设提供参考。     

可视化三轴压缩伺服控制试验系统的改进和应用EI北大核心CSCD

可视化三轴压缩伺服控制试验系统主要由轴压加载系统、围压加载系统、可视化三轴压力室、加载控制系统、数据采集系统、图像采集系统等组成,其最大轴向荷载500 kN、最大围压10 MPa、试件尺寸为ф25 mm×50 mm。经改造后该系统有以下特点:(1)能够实现较大范围内的荷载速率控制,用以研究围压条件下岩石的荷载速率依存性;(2)实现伺服液压控制加载功能,可进行多种加载路径下的岩石力学试验,且改进后的油源取消了冷却系统;(3)设有触发预警装置,提高试验的安全性;(4)设计有图像采集系统,通过数字图像处理,可以精确测量试样的变形,并消除端部效应的影响;(5)基于采集的图像资料,可对岩石在三维应力条件下的裂纹演化特点进行详细描述。     

土/岩体的冻融回滞及水分迁移综合机制研究EI北大核心CSCD

为阐明土/岩体在冻融过程中产生的冻融回滞与不均匀冻胀现象,对冻融回滞与冻融水分迁移机制开展研究。首先,根据广义Clapeyron方程和Gibbs-Thomson方程,给出任意弯曲界面液相水的冻结温度方程,构建毛细管的冻结与融化模型;据此,引入抗冻性较差的“主干–旁枝型”孔隙结构,构建毛细–薄膜水的冻融回滞三角形模型;最后,通过低场核磁共振试验,验证该模型的正确性。研究表明:(1)由于冻融边界曲率差异,致使毛细压力为界面压力2倍,造成融化温度仅为冻结温度的1/2;(2)界面压力仅与边界条件有关,与冻融过程无关;(3)界面压力与理论冰压、理论吸力、迁移驱动力和表面吸附力无关,但与理论液压与净吸力成反比;(4)在界面压力作用下,净吸力在冻融过程中始终保持:P_(Suhi,1)相似文献   

压–剪耦合条件下黏土渗透特性的试验研究EI北大核心CSCD

利用一种新研制的土体扭转剪切渗透试验装置,研究黏土在压–剪耦合条件下渗透特性的变化规律。结果表明,当前固结压力与前期固结压力的相对大小决定着黏土剪切变形前后渗透系数和渗透稳定性的变化趋势。当固结压力大于试样的前期固结压力时,剪切面在剪切过程中发生压紧现象,没有产生明显的渗透弱面,试样总体渗透系数随着剪应变的发展略有减小。当固结压力小于试样的前期固结压力时,试样处于超固结状态,剪切面在剪切过程中逐渐发生剪胀破裂从而出现渗透弱面;在稳定渗流条件下渗透弱面具有自愈特性,但是自愈后的渗透系数显著增大。高固结压力下的正常固结试样剪切后的渗透稳定性没有显著变化。低固结压力下的超固结试样的渗透稳定性显著降低,其渗透破坏的形式为水头骤升条件下的水压楔劈效应将渗透弱面劈裂,进而产生裂缝冲刷破坏。     

几种数据整理方法在冻土直剪试验中的应用

通过图解法、斜率公式和斜截式公式法、最小二乘法的应用，对冻土直剪试验数据进行处理，分析了各种方法的优缺点，便于在今后工作中合理选择方法应用。     

变刚度加载试验系统的研制及其在煤岩破坏力学行为测试中的应用EI北大核心CSCD

矿山煤层与顶底板岩层具有不同的组合赋存形式,考虑围岩结构刚度差异性的煤岩力学行为试验研究可为揭示冲击地压机制提供一种新的探索方式。介绍了自主研发的一套变刚度加载岩石力学试验系统,该试验系统的主体试验机为内外框架组合式结构,利用加载刚度伺服调控系统控制内框架能量储存,实现加载刚度调控的目的。利用该试验系统进行了3种加载刚度下砂岩试件的力学行为测试,研究表明:加载刚度对砂岩试件单轴抗压强度和弹性模量基本无影响;随着加载刚度的减小,砂岩应力-应变峰后曲线由台阶状变为光滑斜线型,峰后应力降速度增大,且与加载刚度呈幂函数关系;试件破坏时试验机框架发生多次瞬时高速回弹行为,瞬时回弹速度极值及时长占比随加载刚度的减小而增大,回弹速度均值、总回弹量与加载刚度呈幂函数关系;加载刚度对试件峰后破裂耗散能影响较小,与试验机应变能释放量呈幂函数关系。所研发的变刚度加载试验系统为不同刚度组合下煤岩力学行为测试提供了新的试验装备。     

最大熵在岩体结构面间距分布估计中的应用研究EI北大核心CSCD

结构面间距是表征岩体完整性的重要参数。由于结构面分布的不均匀性和地质构造的复杂性,常用的概率分布不能精细描述结构面间距的分布特征。对于由测线法测得的结构面间距样本,根据岩体内部能量平衡,在结构面间距的统计矩的约束下,采用最大熵原理推导结构面间距的概率分布,最大熵原理估计得到的结构面间距的概率分布具有无偏性和一致性;给出结构面间距常用的分布函数的最大熵形式;采用Monte Carlo模拟方法进行结构面三维网络模拟,采用K-S检验验证最大熵估计结构面间距概率分布的适用性和准确性。对隧道采样区的结构面间距样本进行分布估计,得到的最大熵概率分布显著优于常用的负指数分布或对数正态分布,能够准确反映结构面间距的真实分布情况。     

现场裂隙岩体水力耦合真三轴试验系统研制与应用EI北大核心CSCD

为突破能反映岩体特性、岩体结构、初始应力及应力路径等多因素交互影响的水岩作用机制试验研究瓶颈,研制HMTS–1200型裂隙岩体水力耦合真三轴试验系统。该试验系统由高水压密封试验舱系统、试验荷载加载与反力系统、耐高水压变形测量系统、高精度伺服控制系统等组成。该系统的先进性和创新性如下:(1)采用试样外封闭思想,构造直径为1.6m水压力密封试验舱,模拟裂隙岩体水压力环境,将岩体试样与力学试验装置整体置于试验舱内开展力学试验;(2)试样尺寸310 mm×310 mm×620 mm,试验轴向荷载12 000 kN,侧向荷载3 000kN;(3)实现高水压下岩体变形直接测量,变形传感器耐水压力3 MPa,测试分辨率0.001 mm,线性度小于0.05%。利用该系统开展玄武岩在不同荷载组合下的水力耦合试验。试验结果表明,水压力的力学效应与岩体试样的变形响应与岩体结构特征、初始应力状态和水力变化路径有关。水压力对试样的力学作用主要表现为两种形式的力学作用及其相互耦合,一种是作为附加面力施加于试样表面,压缩岩体;另一种是水渗入裂隙中产生渗透水压力,降低裂隙面的有效应力,引起裂隙剪切错动和岩样膨胀变形。该设备的成功研制可为高坝水库蓄水及运行引起的库岸岩体变形及诱发滑坡等复杂环境裂隙岩体水力耦合问题和工程应用研究提供新的试验手段。     

基于混合高阶非连续变形分析的刚性伺服数值试验方法EI北大核心CSCD

相对于传统的力学试验而言,数值试验具有成本低和灵活方便的优点,且不受试验机性能和岩石试样自身离散性等因素的影响;通过对岩石细观结构及其参数的敏感性分析可以方便地实现对其变形破坏细观机制的研究。作为宏观力学试验的有益补充,细观数值试验方法近年来逐渐发展成为研究岩石力学特性的重要手段。基于非连续变形分析方法,建立能够同时实现刚性试验机的理想刚性和电液伺服试验机的伺服控制机制的细观数值试验方法。在混合高阶非连续变形分析框架下,组成岩石试样部分的块体单元根据需要可采用常应变单元或高阶多项式位移模式,模拟加载框架部分的块体单元则采用刚体位移模式,从而实现加载系统的理想刚性。通过对加载速率及其量值的实时反馈控制实现了对电液伺服试验机闭路循环控制机制的数值模拟;"加载步回撤"和"二分法搜索"等计算策略的应用使得数值试验中的加载速率及其量值能够始终与岩石试样自身的承载能力相适应,从而能够得到更为接近真实的的峰后曲线。采用两块体简化模型对伺服数值模拟程序的有效性进行验证;之后,利用研发的程序开展了单轴压缩数值试验,获得应力–应变全过程曲线。基于混合高阶DDA的伺服数值试验方法为岩石基本力学特性的细观数值试验研究提供了全新的研究手段。     

基于核磁共振技术和压汞法的液氮冻融煤体孔隙结构损伤演化规律试验研究EI北大核心CSCD

为了研究液氮冻融循环作用下煤体的孔隙结构损伤演化规律,采用图像分析法、核磁共振和压汞法对液氮冻融作用下煤样的表面裂隙扩展、孔隙度、束缚水体积、自由水体积、孔容、比表面积和孔径分布的演化规律进行研究。研究结果表明:(1)随着液氮冻融循环次数的增加,煤样的原生裂隙逐渐扩展、连通并产生次生裂隙,冻融次数达到一定程度后,各孤立的裂隙相互连接形成具有主裂隙和次生裂隙的裂隙网络;(2)液氮冻融能够促进煤体孔隙发育,煤样的微孔和小孔逐渐扩展、发育连通从而形成中孔和大孔,造成煤样的孔隙连通性增强,束缚水体积比例减小,自由水体积比例增大,总孔隙度、残余孔隙度和有效孔隙度增大;(3)液氮冻融后煤样的孔隙数量增多,孔径增大,在部分区域形成孔隙密集区并连接形成微裂隙;(4)液氮冻融后煤样的总孔容和比表面积增加,孔容的变化主要集中在中孔和大孔,煤样的微小孔逐渐向中孔和大孔转化,导致煤样中孔和大孔的比例上升。     

基于核磁共振技术和压汞法的液氮冻融煤体孔隙结构损伤演化规律试验研究EI北大核心CSCD

为了研究液氮冻融循环作用下煤体的孔隙结构损伤演化规律,采用图像分析法、核磁共振和压汞法对液氮冻融作用下煤样的表面裂隙扩展、孔隙度、束缚水体积、自由水体积、孔容、比表面积和孔径分布的演化规律进行研究。研究结果表明:(1)随着液氮冻融循环次数的增加,煤样的原生裂隙逐渐扩展、连通并产生次生裂隙,冻融次数达到一定程度后,各孤立的裂隙相互连接形成具有主裂隙和次生裂隙的裂隙网络;(2)液氮冻融能够促进煤体孔隙发育,煤样的微孔和小孔逐渐扩展、发育连通从而形成中孔和大孔,造成煤样的孔隙连通性增强,束缚水体积比例减小,自由水体积比例增大,总孔隙度、残余孔隙度和有效孔隙度增大;(3)液氮冻融后煤样的孔隙数量增多,孔径增大,在部分区域形成孔隙密集区并连接形成微裂隙;(4)液氮冻融后煤样的总孔容和比表面积增加,孔容的变化主要集中在中孔和大孔,煤样的微小孔逐渐向中孔和大孔转化,导致煤样中孔和大孔的比例上升。     

基于核磁共振技术和压汞法的液氮冻融煤体孔隙结构损伤演化规律试验研究EI北大核心CSCD

为了研究液氮冻融循环作用下煤体的孔隙结构损伤演化规律,采用图像分析法、核磁共振和压汞法对液氮冻融作用下煤样的表面裂隙扩展、孔隙度、束缚水体积、自由水体积、孔容、比表面积和孔径分布的演化规律进行研究。研究结果表明:(1)随着液氮冻融循环次数的增加,煤样的原生裂隙逐渐扩展、连通并产生次生裂隙,冻融次数达到一定程度后,各孤立的裂隙相互连接形成具有主裂隙和次生裂隙的裂隙网络;(2)液氮冻融能够促进煤体孔隙发育,煤样的微孔和小孔逐渐扩展、发育连通从而形成中孔和大孔,造成煤样的孔隙连通性增强,束缚水体积比例减小,自由水体积比例增大,总孔隙度、残余孔隙度和有效孔隙度增大;(3)液氮冻融后煤样的孔隙数量增多,孔径增大,在部分区域形成孔隙密集区并连接形成微裂隙;(4)液氮冻融后煤样的总孔容和比表面积增加,孔容的变化主要集中在中孔和大孔,煤样的微小孔逐渐向中孔和大孔转化,导致煤样中孔和大孔的比例上升。     

基于核磁共振技术和压汞法的液氮冻融煤体孔隙结构损伤演化规律试验研究EI北大核心CSCD

为了研究液氮冻融循环作用下煤体的孔隙结构损伤演化规律,采用图像分析法、核磁共振和压汞法对液氮冻融作用下煤样的表面裂隙扩展、孔隙度、束缚水体积、自由水体积、孔容、比表面积和孔径分布的演化规律进行研究。研究结果表明:(1)随着液氮冻融循环次数的增加,煤样的原生裂隙逐渐扩展、连通并产生次生裂隙,冻融次数达到一定程度后,各孤立的裂隙相互连接形成具有主裂隙和次生裂隙的裂隙网络;(2)液氮冻融能够促进煤体孔隙发育,煤样的微孔和小孔逐渐扩展、发育连通从而形成中孔和大孔,造成煤样的孔隙连通性增强,束缚水体积比例减小,自由水体积比例增大,总孔隙度、残余孔隙度和有效孔隙度增大;(3)液氮冻融后煤样的孔隙数量增多,孔径增大,在部分区域形成孔隙密集区并连接形成微裂隙;(4)液氮冻融后煤样的总孔容和比表面积增加,孔容的变化主要集中在中孔和大孔,煤样的微小孔逐渐向中孔和大孔转化,导致煤样中孔和大孔的比例上升。     

基于三维激光扫描的隧洞开挖衬砌质量检测技术及其工程应用EI北大核心CSCD

采用三维激光扫描技术对长河坝2~#泄洪洞开挖围岩和衬砌过流表面进行扫描测量,通过改进的ICP法对三维点云进行配准,并针对开挖围岩及衬砌过流表面体型的特点分别利用三角网格法及NURBS算法进行隧洞三维表面模型的构建。通过对开挖围岩的扫描三维表面模型与设计三维表面模型的布尔逻辑运算,精确测量洞室开挖围岩的超欠挖量,其与传统测量结果比较接近,同时测量结果还表明隧洞超欠挖量受地质条件与岩体质量影响较大。通过4个衬砌洞段扫描三维模型的切割断面与设计过流断面的比对分析发现,洞室衬砌体型偏差不仅与浇筑质量控制有关,还与前期围岩开挖质量有关,同时衬砌混凝土的变形也是一个重要影响因素,但最大体型偏差均控制在10 mm以内,基本满足设计要求。     

基于循环加卸载的次加载面模型在岩石中的初步应用EI北大核心CSCD

为模拟岩体工程在循环荷载作用下的变形特性及相应的稳定性,简要地介绍了次加载面的基本思想。为考虑岩石在三轴压缩状态下和在三轴拉伸状态下不同的强度特性,即应力角效应,在传统的Drucker-Prager屈服准则中引入一种角隅模型,从而形成了修正的Drucker-Prager屈服准则,基于该屈服准则,结合次加载面,提出适用于岩石循环加卸载的次加载面模型。通过参数敏感性分析,发现模型中参数u,C和χ的取值对反映岩石曼辛效应、棘轮效应的影响很大;为验证该模型的适用性和正确性,通过自编程序的数值模拟与岩石模型材料和玄武岩的循环荷载试验结果进行对比,结果表明该模型可以很好地描述岩石的动力变形特性,说明基于循环加卸载的次加载面模型可以运用到岩石中。     

Hoek-Brown准则的改进及在大光包滑坡滑带碎裂岩体力学强度评价中的应用EI北大核心CSCD

针对目前大光包滑坡滑带碎裂岩体力学强度参数缺乏研究这一问题,提出基于改进后的Hoek-Brown准则获取岩体力学强度参数的新方法。该方法首先通过岩体基本质量指标BQ、岩体结构等级SR、结构面表面等级SCR与结构面条件因子J_c分别对地质强度指标GSI进行量化取值;在此基础上,建立由岩体基本质量指标BQ估算扰动参数D的计算公式;并以现场调查和室内岩石力学试验为基础,将改进后的方法代入Hoek-Brown准则中,对大光包滑坡滑带碎裂岩体的力学强度参数进行评价。与E.Hoek建议法相比,改进后的方法获取的岩体力学参数偏小,更为接近前人研究中的建议值,证明该方法具有一定的合理性。     

一种新型的仿花岗岩涂料及其在工程中的应用

分析了仿花岗岩涂料的产品特点,相比同类产品的优势,介绍了产品组成、制备过程、施工工艺及在北京的首次应用。     

一种新型非饱和土温控三轴试验系统的研制与初步应用

为研究温度对非饱和土水力、力学和声学性质的影响,自主研发一套带有弯曲元和精密体变量测的温控式三轴仪。本设备通过在GDS应力路径非饱和土三轴试验系统中增设温控内压力室的方式,实现了对温度变化的精确控制及量测;通过将压差传感器与温控内压力室相结合,实现了温度变化情况下试样体变的精确量测;同时增设了一套弯曲元测试系统,增加了仪器的功能,实现了温度变化情况下对试样实时波速的测试。通过对杭州湾粉细砂土开展4个温度水平的三轴剪切试验以及同一温度水平下的波速测试,结果表明:新仪器能够稳定的控制温度变化条件、精确测量温度变化条件下试样的体变以及测量温度变化条件下试样的实时波速,初步检验了仪器性能的可靠性。该设备整体结构简单,拆装方便,可实现常规非饱和(饱和)土试验与温控非饱和(饱和)土试验之间自由切换,互不干扰。设备研制的成功,将为非饱和(饱和)土的热-水-力-声耦合特性的研究提供方便有效的测试装置。     

一种新型的基面-铺钉系统在彩色沥青瓦坡屋面中的应用研究

介绍了一种新型的沥青瓦坡屋面用基面一铺钉系统及其特点，并说明了施工要点和应用前景。