地下工程围岩数字钻探测试系统研发与应用

岩体力学参数与结构特征是地下工程稳定性分析的基础,围岩参数的实时获取对支护设计至关重要。地下工程建设常面临高应力、极软岩等复杂地质条件,导致围岩松散破碎,锚注支护是破碎围岩控制的有效方法,注浆前后破碎围岩体的力学性能是锚注参数设计的基本依据。数字钻探测试技术为实现围岩参数实时获取与锚注效果定量评价提供了新的手段。在前期岩体力学随钻理论研究、多功能真三轴岩体钻探测试系统(室内TRD系统)自主研制与大量室内试验的基础上,研发了本安型地下工程围岩数字钻探测试系统(现场SDT系统),基于该系统开展了完整岩石层、破碎岩体层和注浆岩体层等不同组合条件下分层岩体的数字钻探试验,结果显示:(1)现场SDT系统控制和监测性能良好,与室内TRD系统匹配程度高;(2)随钻参数在岩层界面处响应明显,基于现场SDT系统测试的岩体等效单轴抗压强度、黏聚力和内摩擦角与室内岩石力学测试结果的平均差值率均小于15%;(3)基于现场SDT系统测试的注浆后破碎岩层等效单轴抗压强度为注浆前的3.5倍。现场SDT系统可有效实现岩层界面准确识别、岩体等效力学参数实时测试和破碎岩体注浆效果定量评价。     

固体围压介质三轴试验中试件受力状态的数值模拟

本文利用数值模拟方法研究了固体围压介质三轴试验中试件受力的非均匀特征及其影响因素,指出了试验装置的改进途径.利用试验结果反演了岩石试件的力学参数,为岩石力学参数的取得开辟了一个新途径。     

单调荷载下的砂土宏观和细观力学性状关联度试验研究

基于压缩试验的细观观测,研究了土体宏观力学性状和颗粒细观参数的定量关系。通过对单调压缩荷载下砂土颗粒的运动分析,研究了砂土颗粒的长轴L、短轴B、y轴投影长度、形心x坐标与形心y坐标5个细观力学指标与宏观力学性状孔隙比的关联,提出细观力学参数与孔隙比的量化计算式。依据中砂半模压缩试验结果修正了量化计算式,砂样顶面圆心处^#1观测点的计算孔隙比e小于砂样底面圆心处^#2观测点的e;砂样1/2高度水平面上,环刀与砂样中轴线间距离的中点^#3观测点的e小于环刀内侧壁处^#4观测点的e,根据计算结果绘出各观测点的e–p曲线。各观测点的计算孔隙比表明,观测点位置影响了颗粒运动及孔隙比变化。通过对砂土细观力学性状与孔隙比之间关联度的试验研究,从散体细观力学出发,提出了一种基于试验的土体宏、细观力学性状相关联的研究方法。     

富水板岩隧道围岩力学参数劣化时效性研究

针对板岩内部特殊的构造及其遇水软化的特点,以沪昆客运专线长昆湖南段CKTJ-IX标段姚家隧道DK384+080附近的板岩岩样为研究对象,进行吸水性和不同吸水率条件下的三轴压缩试验,研究水岩作用下板岩力学参数的劣化规律,构建板岩三轴压缩强度、弹性模量和泊松比与吸水率之间函数关系,考虑时效性,建立板岩力学参数和吸水时间的关系,并提出以劣化损伤速率来表征水岩作用的时间相依性的观点。结果表明:随着吸水率的增加,三轴压缩强度呈线性函数降低,弹性模量呈负对数降低,泊松比的规律性不明显,只能近似用三次函数关系式来模拟;板岩吸水率和力学参数与水岩作用时间之间具有高度相关性,吸水率和与水岩作用时间之间呈负指数函数关系,力学参数在水岩作用下表现出不同程度的劣化;对板岩力学参数随水岩作用时间变化的函数求导获取劣化损伤速率,以此说明相应时间区域板岩力学参数劣化的时间效应。     

超深层砂岩储层岩石力学特性实验研究

为研究超深层砂岩储层岩石力学特性及其与浅层砂岩的重要区别,通过开展砂岩在超深环境下的形变破坏实验,得到埋藏深度对其力学参数的影响规律.采用室内岩石力学实验方法,获取超深层砂岩单轴压缩、三轴压缩、巴西实验、抗剪实验、脆性指数等岩石力学参数,系统研究砂岩单轴抗压强度、三轴抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、内摩擦角、黏聚力、弹性...     

加载速率对石灰岩力学效应的试验研究

采用RMT-150B岩石力学电液刚性伺服控制试验系统对石灰岩标准试件进行4级不同加载速率的单轴压缩变形室内试验,定量的分析了加载速率对石灰岩试件单轴抗压强度、峰值强度以及对应的应变、破坏后的性态、破裂形式及应力–应变关系等物理力学性态的影响。得出该石灰岩试件单轴压缩破坏的全过程曲线及一些重要特性和参数,为该矿山开采设计提供重要依据。     

GZZ岩体强度三维分析理论与深埋隧道应力控制设计分析方法

深部卸荷岩体表现出显著的三维非线性力学特征,浅埋隧道的设计方法和工程经验不适用于深埋隧道工程。传统计算模型未反映深部岩体力学特征,参数主要通过室内试验或位移反分析确定,缺乏实时、准确获取岩体参数并进行深埋隧道动态诊断的设计分析理论和方法。本文综述和研究了GZZ岩体强度三维连续分析的理论基础、参数原位取值方法及对深部岩体工程的适用性;考虑深部岩体三维强度和峰后剪胀效应的非关联塑性流动法则及弹塑性本构关系得到了岩石真三轴试验、模型试验、现场监测数据的验证;基于数字化原位测试获取岩体力学参数,可实现隧道工程三维正分析和动态设计,克服了传统位移反分析设计方法的局限;揭示了深埋隧道开挖面三维挤出变形规律和应力主轴旋转力学机制,阐明了中间主应力和三维应力状态对深埋隧道稳定的力学影响机制;探讨了“应力控制”设计分析方法和思路在隧道工程精确分析和精准控制中的作用,为深埋岩体隧道动态设计和智能建造提供理论依据与技术支撑。     

硬脆性岩石时效强度理论研究

随着大型水利水电项目相继竣工投入运行,岩体工程的时效安全性问题成为岩土工作者关心的热点问题。论文以大理岩为例,对硬脆性岩石进行系统的室内力学试验,建立可以描述硬脆性岩石强度时效性的时效强度理论模型。通过单轴、常规三轴压缩试验,研究大理岩的力学特性、破坏模式以及围压的影响,得到大理岩随围压增大出现的脆延转换特性;通过循环加卸载试验,建立大理岩力学参数随塑性内变量的函数表达式,并结合恒载试验得到的大理岩力学参数随时间的变化规律建立大理岩塑性内变量的时效表达式,和时效强度理论模型。结果表明,随时间增长,大理岩的力学参数呈现非线性劣化趋势,并在两周后逐渐趋于稳定,研究成果对岩体工程长期稳定性分析具有重要的理论价值和指导意义。     

上海结构性软黏土本构模型与试验验证

天然上海软黏土具有很强的结构性,传统的剑桥模型无法合理地对其进行描述,改进后的运动硬化结构模型不仅引入了描述土体结构性的状态变量,可以反映土体塑性应变发展过程中所产生的结构损伤对其力学行为的影响,还对原始运动硬化结构模型中的形状参数、塑性模量公式等进行了改进,能更好地描述上海软黏土的力学行为。基于改进之后的运动硬化结构模型,通过天然上海软黏土等压固结三轴不排水剪切试验对该模型进行参数标定,进而对偏压固结三轴不排水剪切试验与加-卸载等向压缩试验进行预测。结果表明:改进后的运动硬化结构模型可以更好地模拟上海软黏土在三轴试验中的结构损伤、应力路径以及应力应变关系,同时对加-卸载过程中土体的滞回特性也有较好的模拟效果。     

横观各向同性岩石弹塑性本构模型与参数求解方法研究

地层中普遍存在层理状岩石,这些岩石细观结构具有显著的方向性,从而引起了其变形与强度具有横观各向同性。采用弹性力学与广义塑性力学基本理论,建立了岩石横观各向同性弹塑性本构模型:弹性部分采用广义胡克定律描述,塑性部分采用基于广义八面体剪应力的屈服准则和势函数、非关联流动法则和应变硬化准则描述。该模型屈服面为外凸的非等截距椭圆截面角锥体,在各向同性条件下可退化为米塞斯屈服准则。提出了模型参数求解方法:弹性参数采用三轴压缩和扭转试验联合求解;塑性参数采用不同层理方向试样的三轴压缩试验求解。以炭质板岩为例,验证了所提出的横观各向同性弹塑性模型和参数求解方法,验证结果表明所提模型较好地反映了岩石的横观各向同性,参数求解方法简单有效。此外,还根据试验数据分析了炭质板岩塑性势方向性和弹塑性参数耦合特征。研究成果将为丰富岩石力学基本理论和解决相关工程问题提供理论基础。     

利用强震记录分析汶川地震诱发滑坡

 根据Newmark方法提出一种在已知强震记录和滑坡数据的情况下,推导斜坡临界加速度的方法。采用这种方法,利用汶川地震中理县的3组强震记录数据和地震滑坡数据,得到沙坝台,桃坪台,木卡台附近区域的临界加速度估计值分别为40,50和70 gal。计算结果与灾区实际比较脆弱的地质情况一致。斜坡临界加速度可以作为利用地震动参数判定斜坡在地震作用下是否破坏变形的定量依据,为地震滑坡的定量研究提供一种思路。利用所提出的方法和汶川地震得到的大量强震记录,对龙门山地区的临界加速度进行评估,为震后恢复重建中的工程应用和地震滑坡灾害预测、区划工作提供定量参考信息。研究方法和结果有助于推动我国地震滑坡的定量化研究。     

Cyclic responses of thin-walled structural steel members subjected to three-dimensional loading

This paper presents an experimental investigation of the cyclic responses of thin-walled structural steel members under an earthquake-induced, coupled three-dimensional load. Nine thin-walled structural steel members were tested under various load combinations to investigate the correlation among bending, axial load and torsion. Bending capacities of tested members were compared to distinguish the effects of torsion, axial load and their combination in affecting a member's bending performance. Test results show that members' bending strength is reduced when axial load is applied. Further reduction in member performance is exhibited when coupled torsion and axial load are both present; this reduction demonstrates the necessity for including torsion in calculating a member's bending strength when buildings are designed to be earthquake-resistant.     

微动探测在钱家店凹陷的试验研究

微动探测是一种将场地背景噪声当作信号源的天然源面波勘探方法,具有成本低、效率高等优势,近年来在探测地层速度结构、地热勘探中得到了广泛应用。本文通过在松辽盆地南部钱家店凹陷选择了不同的参数进行试验,通过分析对比不同参数的频散曲线,筛选出了在研究区中试验效果较好的参数,参数选择为最大半径160 m采集时长60 min的三重圆排列。通过对数据进行地球物理反演,并与钻孔资料进行对比,发现微动探测方法所划分的地层与钻孔结果相比较为吻合,为今后微动探测这一地球物理勘探方法在钱家店凹陷开展矿产资源勘查等工作提供了依据。     

基于改进Harris分布的岩石损伤统计本构模型研究

结合连续损伤理论和统计损伤理论,从岩石内部缺陷分布的随机性出发,提出了一种新的岩石微元强度概率密度分布函数—改进的Harris函数,建立了基于改进Harris分布的岩石损伤统计本构模型,并分别用曲线拟合法和多元函数求极值法确定了模型参数,最后用试验数据对模型进行了验证。结果表明:该模型理论曲线与试验曲线吻合良好,能够较好的反映岩石在三维应力状态下的应力—应变关系和破坏全过程,特别是岩石的应变软化特性和峰值强度随围压增加而增大的特性,从而说明了模型的合理性和可行性。     

大跨径钢桁架梁整体顶推施工仿真计算分析及与平面分析对比

对其施工过程进行有限元仿真分析,可以对整个施工过程以及施工过程中关键结构的力学反应形成直观的把握,为顶推力、导梁长度等施工参数确定以及施工工艺和工序的制定提供依据,从而在施工中能够做到有的放矢,实现简化施工、加快施工速度的目的。以青尼罗河大桥钢桁架梁顶推施工为背景,采用三维和平面有限元方法分别进行计算,对两种计算进行了对比。结果表明,顶推施工仿真计算中,最大轴力出现的地方均处在桥墩附近。在没有偏载情况下,空间模型与平面模型相比较,最大拉压轴力分布完全相同,两者的轴力值也相差不大。     

基于波速特征的路堑边坡岩体强度参数研究

岩体强度是岩体工程设计中一项重要参数.传统现场原位测试方法不但耗时长、代价高,且代表性较差,公路、铁路系统不可能大量开展,目前,基于反映岩体质量的波速特征指标间接获取岩体强度参数是一个重要途径.在阐述影响岩体强度参数的基本因素之后,分析了岩体波速特征指标（纵波波速、完整性系数）与岩体质量分级的关系,最后基于大量硬质岩类的实测数据建立起岩体完整性系数与岩体强度参数间的经验定量关系,并最终得到实例检验.     

方钢管混凝土轴心受压稳定承载力的研究

考虑构件具有千分之一杆长的初挠度，采用对偏压构件承载力的计算方法分析方钢管混凝土轴心受压构件的稳定承载力，理论分析结果和试验结果吻合良好。     

火灾高温后混凝土剩余强度及本构方程研究

为了深入研究工程建设中几种C25～C40强度等级混凝土经历火灾高温后的力学性能变化规律,提出了相对精确的剩余强度计算方法和受压本构方程,以经历温度、混凝土强度等级、恒温时间为变化参数,设计并完成了120个棱柱体试件的轴压试验,分析了各变化参数对其峰值应力、轴压刚度及耗能能力的影响规律,并给出了相应的剩余强度计算公式和轴...     

基于冲量定理的滚石对构筑物冲击力计算方法

 滚石灾害在工程施工过程中对施工人员、设备和构筑物具有较大的威胁,因此研究滚石的运动特性及其冲击力显得非常重要。基于刚体运动学原理建立滚石运动特性的计算方法,通过与数值仿真结果对比来验证其合理性,同时滚石的运动参数作为计算其对构筑物冲击力的基础参数。在考虑滚石自转的基础上,基于冲量定理提出滚石冲击力的计算方法,并结合弹性力学理论解决计算中的撞击时间难以确定的问题。利用提出的方法对长河坝环境边坡的滚石运动特性及冲击力进行分析,计算结果表明：滚石运动过程最大弹跳高度可达25 m、最大平动速度和转动速度分别可达到57 m/s及350 rad/s,滚石运动受地形影响较大。结合运动参数分析结果和冲击力计算模型确定滚石对不同部位构筑物的冲击力数值,冲击力计算结果为构筑物位置的选择及灾害防治提供了一定的参考。     

Damage mechanics and its application for the design of an underground theater

This paper presents a damage mechanics method for the evaluation of the elastic damage of jointed rock mass and its application in predicting damage distribution in the jointed rock mass in the excavation for an underground structure in the framework of continuum damage mechanics. The damage variable is a second-order damage tensor which is assumed to describe the damage effect of jointed rock mass. The elasticity tensor defined in the model is verified by employing laboratory cement mortar specimens with various cases of joint distribution. The same specimen is analyzed using the developed damage mechanics method as well as the normal FE method, which employs joint elements to simulate jointed cracks. In order to apply the developed damage elasticity theory to three-dimensional damage analysis in underground structure excavation, a three-dimensional grouted rockbolt element is introduced, which considers the resistance of the grout to the relative shear displacement between the bolt and the rock mass around it in the axial direction. Plastic behaviors of the steel bar and the grout of the grouted bolt are considered in the model by using various constitutive laws. Finally, an engineering example for damage analysis is presented, namely an underground theater assumed to be excavated in a geological environment of jointed rock.