云冈石窟立柱岩体长期强度研究

 基于分级加载单轴抗压蠕变试验,研究世界文化遗产云冈石窟9,10,12窟窟前立柱岩体的长期强度,并对其长期承载力学性能进行评价。研究结果表明：(1) 云冈石窟9,10,12窟窟前立柱岩体的岩性主要为砂岩,岩性单一,结构面不发育,属整体块状岩体结构类型,工程地质条件良好。(2) 立柱岩体中粗粒砂岩的长期强度低于中粒、中细粒砂岩的长期强度。其根本原因在于,中粗粒砂岩的胶结物类型是泥质胶结;其中含有微量的蒙脱石,在长期的风化过程中,与水作用后,易发生淋滤作用和溶蚀作用,次生裂隙相对较发育。(3) 高含水量状态下,中粗粒砂岩的长期强度为20.22 MPa,比其在低含水量状态下的长期强度降低44.31%。按云冈石窟立柱应力最大值出现在10窟西柱的上部(1.31 MPa)计,中粗粒砂岩立柱岩体的安全系数为15.4。因此,9,10,12窟窟前立柱岩体的长期承载力学性能良好。建议尽快修复和搭建窟檐,避免雨水对石窟的冲刷,同时还能调节窟内温度与湿度,减轻风化剥蚀。计算9,10,12窟窟前立柱最大可以承载的窟檐质量,供有关建筑设计和文物保护部门参考。这些研究结果和建议对于云冈石窟的保护具有一定的指导意义。     

裂隙岩体稳定/非稳定渗流数值模拟

 发展裂隙岩体稳定/非稳定的渗流数值模型,一方面,依照裂隙面的密度、产状、位置、大小和开度的统计分布规律,使用蒙特卡罗模拟技术将完整岩石切割为三维不规则块体集合。根据相邻块体单元间产生的裂隙单元,构建三维裂隙网络系统,并附加各裂隙单元的水力特性;另一方面,对裂隙单元进行三角形单元的有限元网格划分,运用变分原理导出裂隙单元的渗流有限元求解方程。采用离散元方法中的动态松驰技术,在无须组装整体渗透矩阵的情况下求解裂隙网格各结点的水头值。最后,通过典型算例验证程序的可靠性及适用性。     

黏土中压密注浆及劈裂注浆室内模拟试验分析

开发了一种实验室模拟土体注浆的试验装置,能形成完整的试样。通过注浆模拟试验,实现了黏土注浆过程中压密浆泡及劈裂裂隙的自然产生与发展。试验结果表明:在黏土注浆中压滤效应贯穿于整个注浆过程,即在高压的作用下,浆液中自由水被强制滤过黏土,并从泻流口流出,使浆泡及浆脉中的浆液浓度提高。压滤效应随土体渗透性、浆液水灰比及注浆压力的增大而增强,因此在透水性较好的土层中注浆时,必须考虑压滤效应对浆液扩散的影响。浆液水灰比的增大将导致浆泡直径减小,浆脉数量及长度增加,浆脉宽度减小。在给定注浆压力下,随着浆液水灰比的增大,浆液的扩散方式逐渐由以压密为主向以劈裂为主过渡。黏土中劈裂注浆可分为三个阶段:鼓泡压密阶段、第一劈裂面阶段、后续劈裂面阶段,每个劈裂面都产生在阻力最小的面上。通过对原状萧山黏土、清水压密固结黏土及注浆后黏土进行电镜扫描观测分析得知:在压滤效应的作用下,水泥水化反应生成的Ca2+离子会随着滤出液扩散到土体中,导致黏土表面的双电层厚度变薄,使联结更为紧密,从而形成较坚固的团粒结构,使土体强度提高。试验结果对注浆理论研究与工程应用有一定的指导意义。     

单裂隙花岗岩在应力–渗流–化学耦合作用下的试验研究

 通过开展单裂隙花岗岩在恒定三轴应力及化学溶液渗透压作用下的试验,对单裂隙岩石在应力–渗流–化学耦合环境下的综合响应机制进行研究。结果表明,单裂隙花岗岩在同时承受三轴压缩荷载及渗透压作用时,其侧向蠕变变形一直以稳定速率增加,显示水对裂隙面的物理软化效果,不同于完整岩石的扩容机制;应力作用下渗流溶液与裂隙表面矿物发生明显的溶解反应,其中反映硅铝酸岩矿物溶解的Al3+及SiO2浓度随时间递增,硅铝摩尔浓度比下降。扫描电镜下观察到长石、石英表面溶蚀孔洞及云母溶解后的不完整解理;随着裂隙接触面上水岩相互作用,水力开度发生变化。酸性溶液渗流情况下的水力开度降低,直至稳定;而蒸馏水渗流情况下的水力开度先增加直至稳定。造成此种不同变化规律是水岩化学反应及水力通道贯通两种因素的相互竞争的结果。对裂隙表面三维激光扫描表明,反应后裂隙面的JRC明显降低,表面趋于平缓化,表明应力作用下的溶解反应优先发展于矿物颗粒接触面。     

等效岩体技术在岩体工程中的应用

 以某露天矿边坡为工程背景,结合岩石力学参数室内和现场原位试验,基于颗粒流理论和PFC3D程序,运用等效岩体技术,建立充分反映节理分布特征并考虑细观破裂效应的等效岩体模型,采用Fish语言编制加卸载命令流,研究岩体的强度和力学效应。研究结果表明：(1) 等效岩体在单轴压缩时,轴向应力–应变曲线分为弹性变形阶段、非稳定破裂塑性阶段和破裂后阶段,抗压强度和弹性模量与标准岩块试样相比,有较大幅度降低;(2) 随围压增大,等效岩体抗压强度和残余强度明显提高,延性特征增强,逐渐向理想塑性过渡;(3) 等效岩体技术能有效地描述岩体受节理分布影响而表现的各向异性特征;(4) 等效岩体内部微裂纹主要沿节理走向分布并扩展,破坏形式受主导节理面产状及性质控制。     

石英二长岩全风化物作为高铁填料的试验研究

通过对镇江一带分布的石英二长岩全风化物物理改良前后的室内物理、力学试验及现场填筑试验,对其作为填料的工程性质进行了系统的研究,结果表明,石英二长岩全风化物具有良好的可压实性,但力学性质受浸水的影响明显,在掺入一定粗粒料进行物理改良后,力学性质有明显改善,可用作高速铁路路堤基床底层填料。     

常幅循环荷载作用下岩石的滞后及阻尼效应研究

通过花岗岩常幅循环加载试验,分析岩石的非线弹性滞后特性。卸载阶段,应变相位滞后于应力相位,加载阶段,应变相位可能滞后、相等或超前于应力相位。研究结果表明,加卸载中阻尼效应的差异引起变形曲线的畸形,变形-时间曲线变成一条上宽下窄的非正弦曲线,而塑性变形的累积使平均应变水平线逐渐上移,因此出现应变相位超前于应力相位的现象。基于应变相位与应力相位的关系,探讨滞回圈可能存在的形态,若应变相位始终滞后于应力相位,滞回圈呈椭圆形;若加载段中应变相位超前于应力相位,则呈新月形;若既有滞后又有相等和超前的情形,则呈长茄形。将岩石视为黏弹塑性材料,讨论动弹性模量和阻尼比的计算方法,给出两者的修正计算式。利用试验数据分析动弹性模量和阻尼比的演化规律,结果表明,动弹性模量的演化与应力水平密切相关,成线性或倒S型发展规律;而阻尼比则取决于动弹性模量以及滞回圈面积的大小,演化曲线呈U形或L形。     

土-石混合体随机细观结构生成系统的研发及其细观结构力学数值试验研究

土-石混合体的细观结构特征在很大程度上影响了其在外力作用下的细观损伤演变机制及所表现的宏观力学行为.从土-石混合体的细观结构特征出发,开展一系列相关细观力学特征研究工作,将对于深化土-石混合体力学理论研究体系具有重要的意义.运用统计学、几何学、随机模拟等多学科交叉技术,开发基于任意凸多边形及椭圆形块石的土-石混合体细观结构随机生成系统--R-SRM2D.基于R-SRM2D,从土-石混合体的含石量、粒度组成、块体空间分布及土-石界面类型等特征的差异性出发,运用数值试验的方法研究土-石混合体细观结构的差异与其细观损伤机制及宏观力学行为的关系.在理论上取得一些有意义的研究成果:随着含石量的增加,土-石混合体弹性模量及单轴抗压强度呈上升趋势;在含石量一定的条件下,试样的宏观强度随着块石粒度维数的增加而略有降低;当块石长轴与主压力轴近于正交或平行时,其抗压强度最大;当块石长轴与主压力轴成(45°-(s/2)时,其抗压强度最小;土-石界面的胶结使得土-石混合体的宏观强度发生明显的改善,其单轴抗压强度增加约1倍.     

岩体载荷蠕变试验方法研究

 由于试件尺寸效应以及试验边界条件与工程岩体工作状态的差异,室内流变试验结果难以准确反映工程岩体流变性质,一些重大水电工程实施了现场岩体蠕变试验,其中现场载荷蠕变试验采用较多,但该试验方法存在一些不完善之处,建议采用五参量广义Kelvin模型描述岩体蠕变特征,并采用一级加载方式进行试验,且荷载水平应与工程荷载相一致。推导岩体载荷蠕变试验五参量广义Kelvin蠕变公式,并验证恒载时间t = 0,t→∞时,蠕变公式与弹性变形公式的统一性。最后,给出工程试验实例,采用非线性最小二乘曲线拟合法反演蠕变模型及其参数。反演结果表明,五参量广义Kelvin模型蠕变公式与试验曲线的相关性较好,明显优于三参量广义Kelvin模型。     

三向受力条件下冻结岩石力学特性试验研究

 随着寒区或特殊施工环境条件下基础设施建设的需要,越来越有必要对冻结岩石力学问题进行深入的研究。以陕西彬长矿区胡家河煤矿冻结立井为背景,从现场采集的煤岩和砂岩为代表,进行常温(+20 ℃)和不同冻结温度(－5 ℃,－10 ℃,－20 ℃)条件下的岩石在不同围压下的三轴压缩试验。分别探讨了围压对于冻结岩石三轴强度特性的影响和冻结温度对于冻结岩石三轴强度特性的影响规律,分析煤岩及砂岩在相同围压不同温度条件下及相同温度不同围压条件下的强度特性,并对2种岩样冻结温度的同一性和差异性进行比较研究。煤岩和砂岩在冻结的效应方面有着明显的差异性,主要原因是其岩石内部结构性的差异。富水砂岩冻结后对温度的敏感程度要高于煤岩。强度随温度降低而增大的主要原因是温度降低时,岩石冻结时的矿物收缩和冰本身的强度及冻胀力使得富水冻结岩石的峰值强度得到提高。为低温条件下岩石力学特性和煤矿冻结立井设计施工提供参考。