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。     

海底隧道流固耦合模型试验系统的研制及应用

 围岩与水体的流固耦合作用对海底隧道的稳定性具有重要影响,很有必要开展流固耦合模型试验研究。根据流固耦合模型试验的特点,研制可用于模拟准三维平面应力和平面应变的新型流固耦合模型试验系统。该系统的整体尺寸为3.4 m×3.0 m×0.8 m(宽×高×厚),由钢结构架、钢化玻璃试验箱和水压加载装置组成。其中钢结构架由6榀可独立操作的高强度合金铸钢构件通过高强螺栓连接组合而成;钢化玻璃试验箱结构,既能保证试验要求的密封性,又便于可视化观察施工过程中海底隧道围岩渗流、变形特征。同时,采用研制的新型流固耦合模型试验系统和独立研制的新型流固耦合相似材料依托青岛胶州湾海底隧道开展流固耦合模型试验研究,揭示海底隧道施工过程中洞壁压力和围岩位移场、渗流场等的变化规律。研究方法技术及结果对类似工程研究具有一定的指导和借鉴意义。     

深长隧道充填型岩溶管道渗透失稳突水机制三维流–固耦合模型试验研究

 为研究岩溶地区隧道开挖过程中充填型岩溶管道受施工扰动和地下水渗流作用发生失稳突水的机制,以湖北省保康至宜昌高速公路尚家湾隧道突涌水段为工程背景,通过大型三维可视化固液耦合试验平台、水压加载控制系统以及水压环境下有较好相似度的流-固耦合岩石和充填物相似材料的研制,开展深长隧道充填型岩溶管道渗透失稳突水的大比尺三维流-固耦合模型试验,真实再现隧道开挖和水压加载过程中,岩溶管道充填物中裂隙形成–扩展–导水通道贯通–突水的全过程,通过位移、应力和渗压变化规律的分析,揭示了充填物渗透失稳突水过程的灾变演化机制。试验结果表明：(1) 施工过程中充填型岩溶管道突水是开挖扰动和高地下水位高渗透力作用诱发充填物渗透失稳的结果;(2) 充填物受开挖扰动影响比围岩更明显,变形量比围岩大20%～25%,应力释放率比围岩高30%;水压加载阶段,水头高度升高到6.0 m时,充填物位移突增50%,渗压下降速率达0.6 kPa/min,达到失稳临界状态;(3) 岩溶管道突水受其发育形态影响比较明显,其弯曲角度较大的部位是阻碍上部水和充填物突出的主要屏障;(4) 充填型岩溶管道渗透失稳突水的灾变演化过程经历四个阶段：形成离散的微小裂隙、裂隙连通形成导水通道、在渗流作用下导水通道扩展延伸、导水通道贯通形成突水路径,其中前两个阶段主要受开挖扰动影响,后两个阶段与高水位高水压的渗流作用密切相关。试验成果对突涌水机制的研究和工程中突涌水灾害的防治具有一定的指导意义。     

新型地质力学模型试验相似材料的研制

正确选择相似材料是能否正确模拟工程原型的关键。在调研相似材料研究现状的基础上，分析相似材料选择与组合的原则。借鉴前人的经验，通过大量的配比试验，研制出一种新型的相似材料铁晶砂胶结料（IBSCM），这种材料用铁精粉、重晶石粉、石英砂作为骨料，松香、酒精溶液作为胶结剂，石膏作为调节剂混合而成。材料力学试验表明，新材料具有容重高、抗压强度与弹性模量低、性能稳定、易于购买，价格便宜、易干燥、易于加工堆砌以及可重复使用的特点，可模拟范围较广的岩体材料，是一种比较理想的地质力学模型相似材料。     

地下工程模型试验相似材料弹性模量测定方法

首先介绍了相似材料弹性常数的基本概念,然后介绍了不同材料弹性模量的物理本质,最后给出了相似材料弹性模量的测定方法及常用材料的弹性模量,供地下工程技术人员参考.     

千枚岩相似材料研制及模型试验初步应用

千枚岩是一种物理特性较差的软岩,对隧道工程影响较大,而目前关于千枚岩流-固耦合相似材料的研究较少.以砂、铁粉为骨料,水泥、石膏为胶结剂,橡胶粉为外加剂研制千枚岩流-固耦合相似材料,通过对相似材料的密度ρ、弹性模量E、粘聚力c、内摩擦角 ψ、渗透系数K、孔隙率ω和软化系数KP进行测定,分析各因素对材料参数的敏感度与显著度...     

裂隙岩体水–冰相变及低温温度场–渗流场–应力场耦合研究

 岩体冻融损伤涉及低温环境下温度场、渗流场和应力场的耦合问题。基于水–冰相变理论和能量守恒原理,得出冻结率表达式。运用双重孔隙介质模型理论,根据质量守恒定律、能量守恒定律及静力平衡原理,得出冻结条件下裂隙岩体的温度场–渗流场–应力场(THM)耦合控制方程。最后,通过1个含裂隙隧道低温THM耦合算例,将围岩当作岩块与裂隙介质组成的系统,采用等效热膨胀系数法对夹冰(含水)裂隙的冻胀效应进行模拟,并考虑冻结过程对岩体渗透系数的影响,研究低温THM耦合条件下的温度场、应力场及孔隙压力等的分布规律。     

渗流–应力–化学耦合作用下岩石裂隙渗透特性试验研究

 为研究渗流–应力–化学耦合作用下岩石裂隙渗透特性变化规律,设计3组试验工况,在改变渗透压以及化学溶液的条件下,分别测定每种工况下的渗出水流量、渗出水离子浓度值以及渗出水pH值变化情况,进而得出裂隙渗透特性变化情况。通过处理试验数据,总结分析各因素对裂隙渗透特性的影响,并建立裂隙开度变化率与渗出水中钙离子浓度值之间的关系式。试验结果表明,渗出水流量、裂隙开度总体趋势是随着时间逐渐减小的,最终趋于稳定状态;增大渗透压,稳定状态会被打破,裂隙的流量和开度都会增大,但最终趋于另一个稳定状态;化学溶液对岩体裂隙的侵蚀性大,对岩体渗透性的影响更明显。通过分析和提炼渗出水流量、裂隙开度、渗出水的离子浓度值以及渗出水的pH值等随时间变化的数据,及它们之间的内部关系,在理论上描述岩体裂隙在渗流–应力–化学耦合作用下的渗透特性,进一步揭示渗流–应力–化学耦合作用机制。     

矿井断裂构造带滞后突水的流–固耦合模拟方法分析与滞后时间确定

 矿井断裂构造带滞后突水是威胁煤矿深部开采的主要水害类型。基于流–固耦合理论,提出弹塑性应变–渗流耦合、流变–渗流耦合及变参数流变–渗流耦合3种模拟评价模型。将断层破碎带物质等效为连续介质模型,材料本构模型分别采用弹塑性模型和流变模型,应用FLAC3D软件,对上述3种评价模型进行数值模拟,结果表明弹塑性应变–渗流耦合模拟结果在某些情况下可以适用;流变–渗流耦合模拟结果最接近实际;渗透性可变的条件下变参数流变–渗流耦合对渗流参数变化机制的解释最好。以流变–渗流耦合模拟结果为例,最危险滞后突水可能发生时间得以确定,在模拟开采的不同阶段,岩石巷道附近(即模型8#点处)分别产生3.26,3.63,3.77 MPa的最高水压,对应滞后时间分别为15,131,546 d。     

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。     

湿陷性黄土模型试验相似材料的研制

湿陷性黄土模型试验相似材料一直是地质力学模型试验相似材料研究的瓶颈,限制着湿陷性黄土地区模型试验的应用。采用空中自由下落法,通过大量配比试验,成功研制湿陷性黄土模型试验相似材料,该材料选用重晶石粉和砂作为无黏性材料,工业盐、石膏和膨润土作为黏结性材料,加水均匀拌合,润湿24 h后采用空中自由下落法制成试样,50℃恒温条件下烘干试样,模拟风成黄土的沉积方式和形成条件。通过湿陷试验,得到该相似材料具有和天然湿陷性黄土相似的湿陷特征,浸水产生强烈湿陷;通过直剪试验,得到该材料的强度参数也与天然黄土相似,而且可调节的容重范围广,是一种比较理想的湿陷性黄土模型试验相似材料。     

三维模型试验新技术及其在大型地下洞群研究中的应用

介绍了三维地质力学模型试验中的几项新技术，包括高容重模型材料NIOS的采用、三维复杂地应力场的生成和监控技术、洞室群施工过程模拟中的隐蔽开挖技术和内窥监测等等。根据国内外文献查对，这几项技术在岩石力学及地下工程试验研究中尚未见报道。目前，这些新技术已成功用于某超大型水电站地下厂房洞室群的施工仿真三维地质力学模型试验研究，取得了满意的成果，并对设计方案起到有力的支持和验证作用。本项试验的成功，开辟了地下洞室工程三维试验研究的一条新途径，其成果可以应用于我国其他超大型地下洞室群工程的布置、设计和研究。     

深部开采承压突水机制相似物理模型试验系统研制及应用

 研制的深部开采承压突水机制相似物理模型试验系统主要包括模型箱、水平侧压力加载装置、竖向压力加载装置、测量装置及数据自动记录设备。模型试件尺寸为1 600 mm×800 mm×200 mm(长×高×宽)。试验系统中,水平侧压力和竖向压力通过闭路伺服加载装置实现。最大水平侧压力设计为300 kN,最大水平位移为100 mm。不考虑流–固耦合效应时,试验系统最大竖向压力为300 kN;考虑流–固耦合效应时,最大水压力为1.0 MPa。测量装置包括用于观测裂缝发生、发展和破坏的体式显微镜,以及基于数字图像分析位移的先进测量设备。在模型箱中根据工程需要按照一定的相似比构建试验模型。该系统可实现深部采矿时复杂应力、水压力及采动影响等联合作用下岩体的受力、变形和破坏过程,以及水的渗流、突变等宏细观运移规律的模拟和测试,进而从理论上分析不同应力场、水压力以及采矿活动本身对采场安全的影响。显然,该装置为深部开采中的岩石力学问题以及矿山突水机制与防治的试验研究与测试工作提供了新的、具有重要作用的平台。     

岩石结构面力学原型试验相似材料研究

基于岩体结构面抗剪强度机制及相似材料的选择原则和要求,研制以高强水泥、硅粉、高效减水剂、标准砂、水等原料混合而成的模拟材料,并利用其制得的试样及结构面模型进行大量物理力学试验的对比分析,研究结果表明:相似材料的抗压强度与原岩结构面相近,调整不同混合材料的配合比,相似材料可以覆盖中低强度的岩石类型;利用相似材料及多尺度试样模具可制作与原岩结构面表面形态及起伏度近似一致的模拟结构面;利用模拟结构面代替原岩结构面进行直剪试验,模拟结构面表面的磨损程度、粗糙度系数衰减规律及破坏形式均与原岩结构面相似,且模拟结构面抗剪强度直剪试验结果与理论计算值相差不大;模拟材料具有物理力学性能稳定、制作方便、成本低廉的优点,可代替原岩结构面进行不同尺寸、可重复性的破坏性试验。     

基于离散介质流固耦合理论的地下石油洞库水封性和稳定性评价

 以我国首个大型地下水封石油洞库工程为背景,基于离散介质流固耦合理论,开展地下石油洞库水封性和稳定性评价。通过室内岩石三轴试验和结构面剪切–渗流耦合试验,获得岩石的弹性模量、泊松比和结构面的剪切模量、水力开度等参数。根据施工巷道开挖过程中围岩变形和水位变化情况,对围岩参数进行反分析,获得较为可靠的洞库围岩参数。综合上述成果,分析地下石油洞库的水封性和稳定性特征。研究发现,在水幕压力为50 kPa条件下,该地下水封石油洞库稳定水位位于主洞室上方约60 m,且大于洞内储存介质的压力,满足洞库水封条件;洞库各主洞室位移为9～30 mm,达到洞室稳定相关控制标准;分析8#和9#主洞室边墙附近的水平应力、竖向应力、法向应力和切向应力的变化,并将其划分为3个区域,即松动区、扰动区和未扰动区,其中洞室松动区范围约为6 m。研究为大型地下石油洞库水封性和稳定性评价提供理论依据。     

饱和多孔介质流-固耦合的数值模型及工程应用

基于计算流体力学和岩土力学,考虑渗流场和应力场的相互作用,推导介质的平衡方程和饱和孔隙流体的连续性方程,建立流-固耦合模型。结合Galerkin法,对平衡方程进行有限元离散,同时,采用向后差分格式和二阶精度Warming-Beam差分格式,对连续性方程进行有限差分离散,从而对模型进行数值求解。最后,以一富水双向隧道为例,进行施工数值仿真,得到不同施工阶段隧道围岩的孔隙水压力、位移场、应力场的分布及其支护锚杆的受力特性,并将计算结果与相关现场监测得到的一般性规律进行对比,为类似隧道工程的设计和施工提供参考。     

地下水封裸洞储存LPG耦合问题的变分原理及应用

基于地下水封裸洞储存石油液化气的原理，给出了相应于水封裸洞气机理的应力场、渗流场以及储气场耦合系统的变分原理，并建立了以结点位移和孔隙水压力为未知量的有限元列式。通过编程并应用于工程，证明了其合理性。