带压开采底板变形破坏规律的三维相似模拟研究

提出了围岩应力场及渗流场耦合作用的相似理论，研制了部分典型材料的固-流耦合相似配比，研制了三维固-流耦合相似模拟试验台，完善配套了加载系统、测试系统、开采系统和渗流场的模拟与测试系统。采用大型三维固-流祸合模拟试验台对太原市东山煤矿一采区带压开采进行了模拟，得出了一系列的规律及结论。重点讨论了煤层底板的应力、位移随工作面开采的变化规律；得出煤层底板的应力、位移一直处于动态变化过程，分析了其变化的频度与幅度及其原因，为带压开采突水防治提供理论依据。     

深部新型固流耦合相似材料的研制与应用

为了更好地分析深部开采承压水上底板隔水层的破裂规律,从固流耦合理论的角度出发,在充分调研相似材料和大量室内试验的基础上,选取以石蜡、凡士林为胶结剂,河砂、碳酸钙为骨料,液压油为调节剂的深部隔水层新型固流耦合相似材料。通过对固流耦合材料试件的指标测试,确定相似材料各组分的含量比例。相似材料遇水后具有较好的脆性和非亲水性,能够模拟具有不同渗透率的底板隔水层,达到了固流耦合材料的相似要求。采用自主研制的采动煤层底板突水相似材料模拟试验系统,分析深部开采底板隔水层的应力和位移变化特征,反演得到采动影响下隔水层裂隙的扩展演化规律。研究表明:(1)采动裂隙主要在开切眼、采空区中部和回采工作面3个部位的底板隔水层处产生;(2)采动裂隙类型以竖向张裂隙、剪切裂隙和层向裂隙为主;(3)开切眼两侧岩体的应力差越大,隔水层采动裂隙发育越充分,工作面前方与断层之间是底板突水发生的主要区域。试验说明制取的隔水层新型固流耦合相似材料能够应用于深部隔水层破裂规律的研究,实现了深部底板隔水层的相似模拟。     

新型固流耦合相似材料的研制及其应用

 在固体模型材料研究的基础上,应用固流耦合相似理论,通过大量的配比试验,研制出一种新型的固流耦合相似材料(PSTO),这种材料用砂和滑石粉作为骨料,石蜡作为胶结剂,并配以适量调节剂混合而成。通过大量的室内试验,系统研究不同相似材料配比和装模温度对试件性能的影响规律,得到影响相似材料性质的若干因素。该材料的力学特性与岩石性质相似,且在水的作用下不发生软化,非亲水性良好,可模拟不同渗透性的低强度和中等强度的岩体材料,是一种非常理想的固流耦合相似模拟材料。将该材料应用于隧道涌水模型试验,可有效地揭示了位移、应力、渗压等多场信息的变化规律。     

地下工程流–固耦合试验新技术及其在充填型岩溶管道突水模型试验中的应用

在地质力学模型试验技术的基础上,根据大型交通、水利水电及矿山工程的需要,开展大比尺流–固耦合模型试验技术研究,包括新型流–固耦合相似材料、三维可视化固液耦合试验系统以及多物理场信息监测分析技术。提出了流–固耦合相似材料的配制原则,选择了多种性能耦合较小的调节剂,实现了强度、渗透性、重度等指标的独立调节,大大提高了材料的相似度,保证材料能够在水长期作用下保持稳定的性质,很好地模拟中、低强度的岩体、破碎带及充填物。三维可视化固液耦合试验系统具备了自动化静力加载和数字化水压加载功能,实现了复杂地质条件下有压水体与相似材料的大面积直接作用,为流—固耦合条件下渗流和突涌水过程的模拟提供了可视化的试验场所。光纤技术、电阻元件柔性防水技术和自动化数据采集分析系统,实现了水环境下模型体内部渗压、应变和位移的精确采集和分析。最后,依托湖北省保康至宜昌高速公路尚家湾隧道,开展了充填型岩溶管道失稳突水的大比尺三维模型试验研究,真实再现了工程中的突涌水过程,揭示了充填型岩溶管道突水的灾变特征。流–固耦合试验新技术得到成功应用,为试验的顺利进行提供了技术保证。     

工程岩体突水相似模拟的试验方法研究

系统总结了国内外固流耦合相似模型试验的研究现状,提出了研制非亲水性耦合材料开展岩体突水前兆规律的三维相似模型试验研究方向,为今后开展实际工程中固流耦合模型试验研究提供模拟的理论依据和试验基础。     

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。     

地质材料中的流一固耦合研究

阐述地质材料中的流-固耦合问题中的几个重要方面,同时也一般地讨论了流-固耦合的基本方程和边界条件。     

流–固两相场隧道衬砌相似材料的研制与模型试验

为解决流–固两相场隧道衬砌设计中材料模拟及参数测定的难题,开展石英砂、钢纤维为骨料,工业石蜡为黏结剂的相似材料研制,进行优化材料配比、装模温度及荷载效应测定的正交模型试验。试验表明该相似材料制备的结构模型非亲水性好、快速成型、无需养护、廉价可循环利用、制备方便,污染小、性能稳定,是一种非常适合于流–固两相场隧道衬砌的模型相似材料。在1∶100相似比试验条件下,控制装模温度在62℃,按石蜡∶石英砂∶钢纤维=15∶90∶1的基准配比,可研制出满足流–固耦合两相场隧道围岩边界条件,且破坏模式相似的衬砌相似材料。将相似衬砌应用于模型试验,通过与实际工况对比,得到合理范围的内力变化及破坏规律,满足力学参数相似原则。该相似试验的参数测定方法可为工程设计的参数对比提供选择。     

油气流-固耦合渗流研究进展

介绍了多孔介质流-固耦合渗流研究的重要意义，对多孔介质流-固耦合渗流研究进展加以综述和讨论，提出了进一步深入研究的方向，并着重讨论了近十年来油气流-固耦合多相渗流及其应用研究和各种耦合方法，为其他渗流工作提供一定的参考。     

固-液耦合试验材料的研究

在固体模型材料研究的基础上，研制了“固-液”两相模型材料，从而解决了固体模型材料遇水崩解的问题，同时也解决了不同介质材料相似比的耦合以及水沙溃流的试验可视性问题。对富水风积沙层下采煤进行了模拟试验研究，证明所研制的相似材料是可行的。而且通过不同配合比和不同成型压力，可得到变化幅度较大的模型材料，此方法可用于更广泛地模拟不同的岩石基础。     

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。     

巷道位移影响度分析的正交试验法

用正交试验法研究了多个参数同时变化对围岩变形影响的程度,试验为7因素7水平。分析结果表明：在巷道位移影响度中,弹性模量、摩擦角、粘聚力为显著影响因子,洞室尺寸、侧压力系数、泊松比、地应力为次要影响因子。     

嘎隆拉隧道围岩力学参数对变形的敏感性分析

以嘎隆拉隧道为研究背景，根据现场地质状况建立可变参数的有限元模型，以现场监测变形数据为基础，对力学参数（弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角）和侧压力系数进行反分析，获取现场围岩参数的真实值。在此基础上，基于敏感性分析方法，研究围岩力学参数对变形的敏感性。研究结果表明：拱顶沉降对弹性模量比较敏感，对其它参数的敏感性相对较小；而周边收敛则相反，泊松比、内摩擦角、黏聚力要比弹性模量更为敏感。研究结果对嘎隆拉隧道的稳定性分析具有一定的参考价值。     

不同掺合料对透水混凝土性能的影响

利用正交试验方法研究了硅灰掺量(3％、5％、7％)、偏高岭土掺量(8％、10％、12％)与聚丙烯纤维体积掺量(1％、2％、3％)对透水混凝土力学性能、渗透性能和耐久性能的影响.正交试验结果表明:硅灰对透水混凝土力学性能的影响较为显著,纤维对透水混凝土连续孔隙率的影响较为显著;得出推荐掺量为:硅灰掺量为7％、偏高岭土掺量...     

节理面对千枚岩物理力学性状的影响

节理面对岩体物理力学性状具有显著影响。以千枚岩为例,开展常规三轴压缩试验,讨论节理面与最大主应力夹角、围压对岩石破坏模式的影响。结果表明:1)节理面与最大主应力夹角在5°~45°,破坏模式有张拉-剪切复合型破坏、横交节理面剪切与沿节理面滑动的复合型破坏以及沿节理面间的剪切滑动破坏三种;2)随节理面与最大主应力夹角增大,峰值强度逐渐降低,破坏模式发生由复合型向单一型的转变;3)千枚岩变形、强度参数具有明显"夹角效应",节理面与最大主应力夹角对弹性模量和黏聚力影响较为显著;4)围压增大会降低岩石节理面的力学效应。     

微膨胀高强灌注料减脆增韧试验研究

采用水性环氧树脂、丁苯橡胶、橡胶粉3种增韧材料对微膨胀高强灌注料进行减脆增韧研究,对抗压、抗折强度和荷载-变形进行测试,通过对压折比、弹性模量、折弹比等分析表明,所用增韧材料使其脆性降低、韧性提高。分析了不同掺料下的减脆增韧机理,并对微膨胀高强灌注料在路面补强、路面薄层罩面以及防水堵漏、植筋等工程中的应用进行了展望。     

橡胶粉改性再生骨料混凝土抗冻性研究

以相对动弹性模量和质量变化率作为评价指标,研究了水灰比为0.45的基准混凝土及再生骨料掺量（质量分数）为25%、50%和75%的混凝土在水中和3.5%氯化钠溶液中的抗冻性,并掺入细骨料体积5%和10%的橡胶粉对其改性。结果表明：混凝土的抗冻性随再生骨料掺量的增加而下降;再生骨料掺量为25%和50%时,其对抗冻性的影响较小,掺加橡胶粉可有效改善混凝土的抗冻性;再生骨料掺量为75%时,其对抗冻性影响显著,掺加橡胶粉具有一定的改善作用,但与基准组混凝土相比,最大冻融循环次数仍下降30%以上;水冻的破坏特征为相对动弹性模量下降过大,掺入5%橡胶粉的抗冻性能最好;盐冻的主要破坏特征为质量变化率超过规定要求,掺入10%橡胶粉的抗冻性能最佳;橡胶粉对抗盐冻性能的改善明显优于抗水冻性能。     

岩体力学参数的敏感性综合评价分析方法研究

 针对岩体力学参数敏感性分析单指标方法的局限性,提出基于敏感度熵权的属性识别综合评价模型,这种评价分析方法可以充分考虑各种评价指标,对模型参数的敏感性进行整体性分析,避免单指标方法评价结果的片面性,同时该方法也为模型参数敏感性分析提供一种新思路。在此基础上,结合硬脆性岩体介质的黏聚力弱化–摩擦强化模型,将上述的评价方法应用于锦屏二级水电站引水隧洞辅助洞围岩模型参数的敏感性分析中,分析认为,影响围岩变形和塑性区大小的主要因素为最终内摩擦角、起始黏聚力和弹性模量,其次为残余黏聚力、内摩擦角临界塑性应变、起始内摩擦角、黏聚力临界塑性应变;再者为泊松比、抗拉强度。应用研究结果表明,这一分析方法将会对硬脆性岩体力学参数的分析和反演提供重要的参考价值。     

橡胶集料混凝土力学性能试验研究

工业化的发展带来了巨大的经济效益,同时也产生了很多工业垃圾,废旧橡胶就是其中重要的一种,如何回收利用废旧橡胶成为了迫切需要关注的话题。以混凝土为基材,掺入一定量的橡胶粉制成混凝土复合材料,具有低弹性模量、变形性能好和抗裂性、抗冻性好的优点,成为了我国混凝土材料发展的焦点。深入研究了橡胶粉对混凝土的力学性能和抗冻性能的影响,为混凝土耐久性能的研究奠定基础。