饱和冻土水热力耦合模型解析及验证

在饱和冻土多孔多相介质理论构架的基础上,通过引入Clapeyron方程描述温度梯度对冻结区水分迁移影响,并结合寒区工程的实际特点,对数学耦合模型中的应力平衡方程、连续性方程、能量方程进行了适当的简化,从而建立了实用化的饱和冻土温度场、水分场、变形场耦合分析的数值模型。据此开发了能够反应各种外因（外载、温度）作用下土体多场耦合机制的有限元分析程序,利用研发的程序对经典试验进行了分析,初步验证了模型及分析程序的可行性与合理性,为模型的工程应用奠定了基础。     

一种洞室围岩强度参数的反演方法及其验证

 详细分析反演强度参数的惟一性,提出其存在3个层面的多值性问题：(1) 实测位移同时与弹性参数及强度参数有关;(2) 塑性软化时的应力–应变关系存在多值性;(3) 强度参数c,j的不同组合会使围岩某单元发生相同的塑性变形。针对这3个问题,通过假定围岩是理想弹塑性介质,利用现场实测手段将围岩位移进行弹、塑性分离,并在优化方法中考虑强度参数的内在作用机制,而且提出“塑性变形非协调性”的概念;从而探索解决强度参数反演惟一性的新途径,并利用“理想量测位移”检验新方法的可行性。最后采用数值试验方法开展强度参数反演可靠性研究,结果表明所提反演分析方法的精度与稳定性均较好,且不存在初值敏感性问题。     

软岩的旋转触探参数与力学参数的内在关系研究

 为实现软岩原位旋转触探,以达到连续、快速、准确地确定软岩力学参数的目的,必须清楚软岩的力学参数与触探时荷载参数的内在关系。以砌块、特级石膏A、特级石膏B和模具石膏试样来模拟单轴抗压强度不超过15 MPa的软岩,采用成孔直径相同的角片式探头及锥柄式标准麻花探头,在相同运行参数下,对这几种类型试样进行旋转触探及单轴抗压和抗剪试验,获得探头上的轴向压力和扭矩及试样的抗压强度、弹性模量和抗剪强度值。并根据探头上切刀对试样加载方式与试样的单轴抗压和抗剪试验中的加压板加载方式的相似性,从理论上建立触探时轴向压力、扭矩与试样的抗压强度、弹性模量、黏聚力及内摩擦角的数学模型,即2套参数间的内在理论关系：触探时试样局部处于体积破坏阶段时,轴向压力、扭矩和试样的抗压强度、黏聚力及内摩擦角有关,但与弹性模量无关,且轴向压力、扭矩随着抗压强度、黏聚力的增加而呈线性增加;而处于研磨阶段时,轴向压力、扭矩和试样弹性模量、黏聚力及内摩擦角有关,与抗压强度无关。     

碎石泥土混合体介电常数研究及隧洞软弱带FDTD正演

 基于地质雷达(GPR)方法对深长引水隧洞施工过程中出现的软弱带进行地质超前预报。以软弱带碎石泥土的混合介电常数为研究对象,研究碎石泥土混合体的相对介电常数值及变化趋势,推导含水率与混合介电常数经验公式及关系曲线;通过对2种软弱带的空间分布情形进行FDTD(Finite Difference Time Domain)正演,分析其典型成像规律及特征,从而达到以实测数据推算软弱带的空间位置的目的。分析结果如下：碎石及泥土混合体的各成分体积比对其混合介电常数影响较大,混合体的水体对电磁波的反射特征明显并更容易形成多次波;通过建立FDTD模型正演对比隧洞内实测数据排除多次波干扰,修正地层含水率取值并建立地层三维切片图,可直观体现地层含水分布位置。从而对类似地质预报工作提供方法和指导作用。     

冻融环境中饱和岩石的热量传递与温度平衡规律

 冻融环境中温度是岩石性态变化的关键影响指标之一,而冻融试验中岩石的热量传递和温度变化规律国内和国际都未形成统一认识。为探究岩石在冻融环境中的热量传递和温度变化规律,利用室内试验和数值计算方法分别研究冻结和融化过程中试样温度平衡的过程和时程规律。利用3种岩石进行饱和态的冻融循环试验,试样中心温度监测表明,冻结和融化过程的试样温度均存在显著的3段式变化特征,其中相变过程是一个较为特殊和重要的阶段,相变温度均在0 ℃～－1 ℃范围。随着试验温度区间增大,冻结和融化各阶段时长显现出不同规律,冻结过程总时间逐渐降低,而融化过程总时间先降低后升高。基于第3类热传导边界条件,利用Comsol Multiphysics有限元数值计算平台,分析考虑相变阶段的冻结和融化过程,数值计算结果与试验结果吻合较好。数值计算结果显示,试样不同位置的冻结与融化特征主要体现在相变阶段差异,而试样孔隙率对该阶段的影响最大,剩余温度势造成对称温度区间和非对称温度区间的冻结、融化特征的显著差异。     

露天煤矿冻岩边坡饱和砂岩冻融损伤试验与劣化模型研究

 高海拔多年冻土区露天煤矿岩质边坡常年处于冻融交替环境中,边坡浅部病害显著。为了分析边坡上岩石在冻融环境中的劣化规律,利用采集于木里地区露天矿边坡钻孔中的砂岩试样进行了室内饱和冻融循环试验,并建立了饱和岩石冻融劣化的理论模型。岩样冻融循环试验结果显示随着冻融循环次数的增大,饱和砂岩的微裂隙率逐渐增大,单轴和三轴抗压强度以及表示岩石质量的常见物理参数逐渐降低。基于岩石在冻融循环过程中的微裂隙变化,提出并推导了微裂隙扩展因子,理论建立了岩石强度随冻融循环变化的劣化模型和本构关系,利用劣化理论模型所计算的岩石强度与试验结果吻合较好。分析岩石微裂隙的变化规律,可以获得饱和砂岩在冻融循环环境中的劣化是由于岩石内部的微裂隙在水成冰相变过程中产生的巨大复合应力超过了岩石微裂隙开裂强度,而导致微裂隙逐渐失稳扩展,岩石整体性被削弱等结论。     

散体–柔性桩组合和散体–刚性桩组合复合地基的固结解

 在考虑散体桩涂抹作用非散体桩对下卧层排水通道的减弱作用的基础上,依据应力条件下的平衡方程和连续条件下的固结方程,由假定的无穷级数解,推导出特征方程,进而得到散体桩–柔性桩组合和散体桩–刚性桩组合时的多元复合地基固结解析解,经与实例数值计算结果进行对比表明,该解析解基本与数值解吻合。解析解计算结果表明,土层的固结快慢与各自的渗透系数和压缩模量有关。土层渗透系数越大,刚度越大,则孔压越小,固结越快;桩径比越小,桩体刚度越大,则固结越快。说明该分析方法是可行的,且具有一定的工程应用参考价值。     

类岩石材料CT动载试验装置的关键技术研究

 基于现有的医用X射线CT机器,成功研制与其配套的专用动态加载设备,形成类岩材料CT试验系统。归纳类岩材料CT研究的几个关键问题。介绍类岩材料CT试验过程,重点分析加载设备使用过程存在的问题,特别是试件的黏结、试样对中、装样等问题。以混凝土为例,给出动压CT试验的初步成果,并且进行混凝土裂纹流变CT试验。结果表明该加载设备达到设计要求,可以实现混凝土动态加载过程中裂纹演化过程的准实时观测,并且裂纹流变的影响在大多数情况下可以忽略,为探索类岩材料在动载作用下的损伤演化规律提供新的研究途径。     

传统改性土工程性能试验研究及在城墙修复中的应用

以某明城墙后期修复段的坍塌事故为背景,分析了该城墙坍塌的原因。基于室内试验和城墙缩尺模型试验,研究了传统改性土及素土的非饱和特性、强度软化特性及不同土类夯筑城墙的抗渗性、抗剥蚀性、抗裂性等工程性能; 采用非饱和渗流原理和边坡稳定性分析方法探索了不同改性土夯筑城墙的降雨入渗规律及整体稳定性,最终针对6类传统改性土在城墙修复中的适宜性进行了对比分析。结果表明:相对于素土,三七灰土和糯米灰膏改性土具有较良好的抗渗、抗剥蚀和抗裂等综合工程性能; 不同降雨工况下,素土夯筑城墙的入渗深度及增湿影响程度最大,入渗最深达2.9 m,三七灰土整体的入渗深度最小,约为1.0 m,其次为三合土,采用三七灰土或糯米灰膏改性土修复后城墙的整体稳定性相对较高; 降雨积水入渗是导致修复段城墙坍塌失稳的外因,新修筑夯土的用料不当及排水系统失效是导致墙体失稳的内因; 适当采用改性夯土进行古城墙修复并避免墙体顶部出现积水,将有利于提高修复后城墙的整体稳定性。     

锦屏一级水电站f5断层置换硐及其交叉硐段稳定性及支护结构设计研究

f5断层为锦屏一级水电站坝区内规模最大的一条断层,为提高坝肩岩体质量,设置f5–1,f5–2平硐及4条斜井对其进行置换。综合诸多研究成果,对设置置换网格的必要性进行论述。采用三维有限元方法模拟天然地形与地质条件,仿真跟踪置换硐群开挖步序,从应力、变形等多角度评价置换硐整体稳定性,并与监测成果进行对比,分析表明：f5–1和f5–2平硐整体上满足施工期稳定性要求,局部硐段受断层影响支护力不足。对f5–2平硐采取预应力锚杆、钢拱架支护及加厚喷层和提前施作二次衬砌2种补强措施进行数值模拟分析,2种补强措施均能使平硐满足稳定要求,在考虑支护效果、施工等因素下,认为提前施作二次衬砌更为合理;对于平硐与斜井交叉部位,建议在平硐施做完成后对交叉部位前后10 m进行衬砌支护,再对斜井进行开挖,此时衬砌最大压应力不超过6.5 MPa,最大拉应力不超过1.7 MPa;f5–1平硐与5#传力硐交叉部位,建议先对5#传力硐施作衬砌支护,再对部分较薄岩柱固结灌浆,然后再进行平硐施工。数值分析成果为置换硐支护措施的设计提供科学依据,对其他类似工程具有较强的借鉴意义。