水-岩作用对砂岩卸荷力学特性及微观结构的影响

库岸坡岩体在工程建设中不可避免要遭遇开挖卸荷作用的影响,以三峡库区典型岸坡的层状砂岩为试验对象,设计开展了模拟库水位升降变化和浸泡-风干循环的水-岩作用试验,重点分析了水-岩作用对砂岩卸荷力学特性和微观结构的影响。研究表明：在10次水-岩作用过程中,砂岩的三轴卸荷强度、抗剪强度总体呈先陡后缓的劣化趋势,前4次水-岩作用的劣化速度较快,占总劣化度的70%左右,而后,劣化趋势逐渐趋缓;随着水-岩作用次数的增加,同一围压下岩样卸荷前的变形模量逐渐降低,围压卸载过程中变形模量的线性缓变阶段逐渐变短,非线性突变阶段逐渐变长、变缓,岩样的脆性特征逐渐减弱,塑性逐渐增强;水压力的反复升降变化和浸泡-风干循环作用对岩样造成了不可逆的渐进累积损伤,微观上岩样微裂纹、裂隙、孔隙逐步发育、汇集,宏观上就表现为孔隙率增加、三轴卸荷强度、抗剪强度的劣化。相关研究结论可为库岸边坡岩体开挖卸荷变形稳定分析提供参考。     

水-岩作用下单裂隙灰岩渗流特性演化规律研究

针对某水电站地下洞室裂隙灰岩的渗漏问题,现场采集岩样和库水,设计进行了两种方案的水-岩作用试验,历时360 d,其中,方案1在浸泡过程中定期更换浸泡溶液,模拟地下水的长期浸泡和流动更新现象,方案2主要模拟长期浸泡过程。综合水-岩作用下裂隙面微观形貌特征以及浸泡溶液中离子浓度变化,分析水-岩作用下裂隙灰岩的渗流特性变化特征及机制。研究结果表明：在浸泡过程中,单裂隙灰岩的渗透系数呈“先快后慢”的增大趋势,浸泡360 d后,2.5、3.0、3.5、4.0 MPa等4种侧向应力在两种方案下单裂隙灰岩的渗透系数分别增大了729.90%～384.17%、549.04%～297.45%,侧向应力越小,裂隙岩样的渗透系数增大趋势越明显,增长趋势分别在120 d和90 d后趋于稳定。比较而言,方案1裂隙灰岩的渗透系数增长速率和幅度明显较大,为方案2的1.34～2.07倍。方案1定期更换浸泡库水,保持了浸泡溶液的不平衡状态,使得岩样与浸泡溶液间形成了较大的浓度梯度,增加了反应化学势,加快了裂隙表面矿物溶解、溶蚀速率,而方案2中,长期浸泡使得溶液中离子浓度逐渐接近平衡状态,导致裂隙面矿物溶解、溶蚀速率明显低于方案1。长期水-岩作用使得裂隙面粗糙度和波动性明显减小,局部坡度和起伏度逐渐减小,整体溶蚀深度逐渐增加,据此,建立了水-岩作用下单裂隙灰岩渗流通道演化模型,在长期水-岩作用下裂隙岩样的渗流通道逐渐向吻合度低、开度大的方向演化,从而导致了裂隙岩样等效水力开度及渗透系数的大幅度增长。相关研究思路和成果为裂隙岩体的水-岩作用模拟提供了较好的参考。     

微生物灌浆加固裂隙岩体的渗流特性分析

裂隙岩体的防渗加固是影响工程稳定和安全的关键技术问题之一。在以往微生物加固砂土技术基础上,将微生物加固技术应用于裂隙岩体灌浆加固,研究结果表明,(1) 加固前围压对裂隙岩样的水力开度影响很大,加固后裂隙被碳酸钙沉积物充填,岩样的渗流由裂隙渗流转变为孔隙渗流,单位渗流量和渗透系数由围压和渗透水压共同控制;(2) 微生物灌浆加固后,不同围压和渗透水压力作用下裂隙岩样的单位时间渗流量减小了80.12%～90.04%,渗透系数可达到10–6 cm/s数量级;(3) 裂隙岩样灌浆加固过程中微生物诱导产生的CaCO3沉积物具有较好胶结作用,将劈裂岩样胶结为一个整体,达到了加固防渗效果。研究成果可为裂隙岩体的灌浆加固提供较好的参考。     

干湿循环作用下岸坡消落带土体抗剪强度劣化规律及其对岸坡稳定性影响研究

三峡水库蓄水运行之后,库水位每年都在145 m的防洪水位和175 m的蓄水发电水位之间或缓慢或快速地升降变化,岸坡消落带区域岩土体长期处于干湿循环状态,其力学参数的劣化规律将直接影响岸坡的变形稳定。基于此,设计并进行了典型岸坡消落带土体的干湿循环作用试验。结果表明:(1)在干湿循环作用过程中,土体抗剪强度参数劣化幅度非常明显,其中,前4次干湿循环作用导致的抗剪强度参数劣化幅度占总劣化度的75%左右,4次干湿循环作用之后,劣化趋势逐渐趋于平缓;(2)在干湿循环作用下,土样内部的微观裂纹、裂隙反复张开闭合,逐渐发育、汇集,土样由密实状态逐渐变为内部裂纹发育的松散状态,土样内部的损伤是导致其抗剪强度参数逐渐劣化的根本原因;(3)考虑干湿循环作用下消落带土体参数劣化时,岸坡消落带区域局部安全系数劣化趋势明显,总体趋势与消落带土体抗剪强度参数劣化规律一致,而且岸坡消落带区域附近的局部滑动迹象明显,这与现场踏勘所见到的该区域明显发育的裂缝、下挫现象是一致的。研究成果对库水作用下岸坡的长期变形稳定评价具有较大的参考意义,相关分析方法也可以为类似试验提供参考。     

地震作用下结构面劣化特征及高位危岩体动力失稳机制

地震是高位危岩体失稳崩塌主要诱因之一,而结构面强度与变形特性对高位危岩体稳定性起关键控制性作用.为研究地震作用下高位危岩体动力失稳机制,基于数值试验研究结构面震动劣化效应,并利用极限平衡法对高位危岩体动力稳定性进行研究.研究结果表明,结构面的峰值抗剪强度随着循环剪切次数的增加而减小,且减小幅度愈来愈小,最终趋于稳定值;随着起伏角度增大而增大,且增大幅度随着循环剪切次数的增加而减小;并在同一起伏角度下,随着循环剪切幅值的增大而减小.最后,基于回归分析法建立结构面震动劣化数学模型,并提出一种考虑结构面震动劣化的高位危岩体动力稳定性分析方法.其研究成果有助于丰富高位危岩体动力稳定性方面的基础理论研究,具有重要的理论意义和工程参考价值.      

炭质泥质灰岩饱水流变试验研究

采用岩石直剪流变仪对重庆武隆鸡尾山滑坡滑带(炭质泥质灰岩)进行了岩石饱水直接剪切流变试验.通过分析流变试验结果,从而得出滑带炭质泥质灰岩的剪应力-剪切位移曲线,进而得到软岩的长期强度.结果表明:炭质泥质灰岩饱水条件下与自然状况下流变强度和瞬时剪切强度参数相比,饱水状况下的长期强度有明显降低,饱水状况下炭质泥质灰岩摩擦系数比自然流变降低13.87%,比瞬时剪切的摩擦系数低40.91%; 饱水状况下炭质泥质灰岩黏聚力比自然流变降低13.81%,比瞬时剪切获取的黏聚力降低36.67%.因裂隙损伤扩展,饱水条件下长期抗剪强度比自然状况下长期抗剪强度有所降低,但是没有直剪流变试验长期抗剪强度与瞬时抗剪强度相比降低显著,为深入认识和分析鸡尾山滑坡滑带软岩的流变力学特性提供重要的试验和依据.     

考虑岩体劣化的库岸典型危岩体破坏过程与长期稳定性分析

自三峡库区蓄水以来, 岸坡消落带岩体劣化趋势明显, 加速了岩质岸坡向欠稳定和不稳定发展, 潜在崩塌涌浪灾害威胁长江航道安全。以三峡库区板壁岩为例, 采用抗剪强度折减法分析在岩体劣化工况下危岩体的破坏过程与长期稳定性。结果表明: 在自然工况下, 板壁岩危岩体处于稳定状态; 在库水+岩体劣化工况下, 中部锁固段处拉应力集中, 拉张裂缝逐步向顶部主控裂缝及底部基破碎带延展并相互贯通, 可能发生滑移-剪切破坏; 在库水+岩体劣化+强降雨极端工况下, 约40个水文周期后, 岩体强度下降30%, 板壁岩危岩体的稳定性系数降至约1.14, 处于欠稳定状态, 建议进行工程防治, 提高危岩体稳定性, 以保障航道安全。研究结果可为三峡库区板壁岩及类似危岩体的防灾减灾工作提供科学合理的依据。      

干湿循环作用下云母石英片岩抗剪性能劣化规律及机理

在干湿循环作用下,片岩的抗剪性能劣化对片岩边坡长期稳定性具有重要影响.以鄂西北广泛分布的云母石英片岩为研究对象,通过开展一系列室内试验,揭示其抗剪性能劣化规律及机理.吸水性试验及直剪试验结果表明,云母石英片岩的吸水率随着干湿循环次数增加呈逐渐上升的趋势,抗剪强度及残余抗剪强度随干湿循环次数的增加呈逐渐下降的趋势,抗剪性能劣化效应明显.结合扫描电镜测试所得云母石英片岩微观结构变化规律,揭示其抗剪性能劣化机理：干湿循环作用下,云母石英片岩片理面逐渐扩展开裂,内部矿物颗粒强度软化,颗粒间胶结弱化,岩石骨架变得松散;粘聚力主要受矿物颗粒之间的胶结程度影响,劣化速率较快;内摩擦角主要受矿物颗粒嵌固程度和颗粒本身强度的影响,劣化速度相对较慢.     

基于3D打印的含复杂节理岩石直剪特性及破坏机制研究

岩体中节理的几何形态及力学特性是影响其剪切力学特性及破坏模式的重要因素之一。基于3D打印技术,建立了不同节理粗糙系数(JRC)的节理模型、几何形态节理模型和复杂裂隙网络物理模型,通过开展室内直接剪切试验分析了各组试件的剪切强度及破坏模式。结果表明节理模型的抗剪强度随JRC波动性较大,波动幅值越高,峰值剪切位移越低;平面形节理模型的峰值抗剪强度最低,矩形节理模型的峰值抗剪强度最高,正弦形和三角形节理试件的抗剪能力相近;离散裂隙网络模型和粗糙裂隙网络模型的峰值抗剪强度显著低于实心试件,考虑了节理粗糙性的裂隙网络模型抗剪强度高于直线型节理模型;实心试件破坏模式为典型脆性剪切破坏,裂隙网络模型的破坏模式相对复杂,沿着剪切方向主剪切裂面波动萌生,破断面由多个节理面的交叉点破坏与沿节理面的滑移构成。研究成果可以为3D打印技术的推广和复杂节理岩体剪切力学特性的室内试验研究提供参考。     

层间错动带水力耦合抗剪强度特性演化规律研究

层间错动带具有延伸规模大、物理力学性质较差等特点。水库蓄水后,水位抬升使层间错动带受到较大的水压力。在高水压力作用下,层间错动带的抗剪强度及其演化规律,尚待开展试验研究。采用新研发的HMSS-300型现场结构面水力耦合直剪试验系统,针对溪洛渡水电站的层间错动带进行了不同水压力-应力耦合作用下的直剪试验,探讨了层间错动带水力耦合作用下的抗剪强度特征及其变化规律。研究结果表明：水力耦合作用下,层间错动带抗剪断过程的剪应力-剪切位移曲线具有明显的峰值,法向位移随剪切位移的增加大多表现出先剪胀后剪缩的特征。层间错动带的有效内摩擦角随水压力的升高而降低,二者呈负指数关系;有效黏聚力也随水压力的升高而降低,二者同样呈负指数关系。在0～2.0MPa水压力条件下,层间错动带有效内摩擦角劣化程度为7%～22%,有效黏聚力的劣化程度为32%～93%,表明水压力的增加对层间错动带的有效黏聚力影响更加明显。在不同法向荷载-水压力耦合作用下层间错动带呈现出剪切滑移破坏模式与中、细角砾岩颗粒的剪断-滑移混合破坏模式。在水力耦合条件下,黏土矿物的软化、膨胀与水侵入层间错动的颗粒之间以及黏土矿物的结构单位层之间形成水...     

断裂岩石蠕剪中的细观接触损伤试验研究

为深刻理解构成断裂岩体长期抗剪强度的细观机制,对岩石断裂面的细观接触和损伤演化进行了试验研究。采用压剪方式和巴西劈裂方式制作出两类断裂岩石,在恒定法向力作用下对破坏岩石试件进行分级施加剪切力的蠕变试验。在加载前、中、后对断裂岩石分别进行CT和激光扫描,观察到不同蠕变阶段断裂岩石的细观接触和损伤状态,获得不同性质的断裂岩石抗剪强度特征。试验研究表明：构成断裂岩石长期抗剪强度的机制主要有两个：一是细观凹凸啮合体的抗剪断能力;二是表观凹凸接触体的抗摩擦能力。拉破裂岩石表面局部粗糙度相对较大,抗剪强度以第1种破坏机制为主,剪切破坏岩石表面宏观起伏度较大,抗剪强度是以第2种破坏机制为主。在蠕变剪切过程中,两种机制交织在一起,并随时间或剪位移的增加而相互转换。     

矿山垮落大体积松散体中水泥-水玻璃浆液可控灌注原理及其应用

松散体是采矿、隧道、地下空间等工程中一种常见的岩体结构,具有强度低、稳定性差等特点,注浆改造重构其完整性和强度是现场处理该类问题的重要技术手段之一。为满足河北杏山铁矿大垮塌主溜井满井状态下封堵工程的特殊需求,提出了大体积松散体中水泥-水玻璃浆液可控灌注的理念。通过大体积松散体中水泥-水玻璃浆液灌注试验研究,将灌注历程分为大空隙竖向优势渗流、大空隙周边渗流、上向渗流结石、第1层劈裂与渗流和第n层劈裂与渗流5个阶段。根据浆液扩散的时空演化,将可控灌注问题分解为浆液一维竖向优势渗流和单段灌注浆的周向时空扩散,并揭示了其发生机理,认为松散体中水泥-水玻璃浆液一维竖向优势渗流的扩散距离与时间呈以自然常数e为底的指数函数关系。以此为基础,将松散体中水泥-水玻璃浆液可控灌注应用于杏山铁矿大垮塌主溜井满井状态下的封堵工程中,取得了良好的工程效果。     

全风化花岗岩地层中高固相离析浆液灌浆机理研究

全风化花岗岩地层稳定性差、遇水易发生崩解,工程上使用常规材料防渗加固注浆时效果较差。针对这一情况,依托湖南省郴州市莽山水库防渗加固灌浆项目,通过自主设计的全风化花岗岩地层注浆室内模拟试验装置,进行模拟注浆试验,实现了浆液在整个注浆过程中的扩散情况模拟,对不同注浆压力、不同位置点所取试样开展单轴抗压、抗剪强度及渗透率测试试验,对不同注浆压力下完整结石体取样观察,研究以全风化花岗岩颗粒为配方主体材料的高固相离析浆液在全风化花岗岩地层的防渗加固效果及浆液扩散模式。结果表明:该浆液在全风化花岗岩地层扩散过程中经历了渗透扩散、挤密压缩、劈裂扩展三个阶段,是一种复合注浆形式;以全风化花岗岩颗粒为主体的高固相离析浆液在全风化花岗岩地层注浆中效果显著,随着注浆压力提升,单轴抗压强度显著提升为原土体的3.25～13.67倍,抗剪强度在不同法向压力情况下提升为原土体的1.63～2.69倍,渗透系数从10?4 cm/s下降至10?5 cm/s甚至10?6 cm/s。     

基于平行黏结模型的水-岩作用下砂岩蠕变模拟及损伤机制研究

为探明库水位周期性升降作用下消落带岩体蠕变损伤机制,基于PFC中的平行黏结模型(parallel bond model, PBM),考虑水-岩作用对黏结的弱化和材料特性随时间的变化,提出水-岩作用下砂岩蠕变的离散元模拟方法,并在室内试验基础上开展水-岩作用下砂岩蠕变模拟。研究结果表明：在破坏应力水平下,试样微裂纹扩展与蠕变应变规律相似,可分为衰减扩展阶段、稳定扩展阶段、加速扩展阶段,且随水-岩作用周期增加,加速扩展阶段的耗时占总耗时的比例增大;试样蠕变破坏时,随水-岩作用周期增加,剪切裂纹占比逐渐增加,微裂纹倾角分布逐渐分散,倾角分布在65°和115°附近的微裂纹逐渐增加,试样的张性破坏减弱,剪性破坏增强;水-岩作用下,试样能储存的最大胶结能不断降低,且储存相同胶结能时对应的应变不断增大,与实际岸坡在水-岩作用下岩体整体承载能力降低、变形增大的规律一致。提出的水-岩作用下砂岩蠕变模拟方法具有较好的可行性,为库岸边坡岩石在库水位升降影响下的模型研究提供理论基础。     

The Analysis of Compression–Shear Infiltration Characteristics of Joint Rock Under Different Load Conditions

To obtain the compression–shear infiltration characteristics of joint rock, the coupled compression–shear infiltration tests of samples were carried out under different loading and boundary conditions. The shear dilatation, permeability and the change laws of hydraulic opening of jointed rockmass were obtained under different normal stiffness and loading conditions. It is shown that the contact area gradually becomes smaller and smaller with the relative sliding of two jointed surfaces. And the contact ratio is down to a minimum value when the main processes of the jointed surface reach the peak shear strength. The remaining main processes is gradually destroyed, the contact ratio of joint surface becomes larger after the main processes reaches the peak strength. The contact ratio tends to be stable until all processes were all destroyed. Due to the influence of the joint surface protrusion, the normal displacement is smaller and then increases with the increase of shear displacement. The less the stiffness of jointed rock mass is, the greater the over water area of the joint surface is, the greater the permeability is, the greater the final stability value of the hydraulic opening degree is. The theoretical basis is provided for the fractured rock mass formed of permeable channels, initiation and outbreak of permeability disaster evolution process.     

空隙特征对砂岩水致劣化规律的影响

针对南京秦淮东河开挖后的稳定性问题,选取黄马青组（T2h）砂岩为研究对象,对砂岩在吸水-干燥循环条件下的单轴抗压、抗拉特性进行试验研究。考虑到未来边坡运营过程中水的影响,试验时分别考虑自然吸水和饱和吸水两种情况。根据试验结果对所研究砂岩的空隙特征、水致劣化特征和劣化机制进行了详细分析。随着吸水-干燥循环次数增加,岩石的抗压、抗拉强度和凝聚力均呈劣化趋势,说明循环次数的增加对岩石的损伤有累积作用。岩石自然吸水条件下（小开空隙未进水时）强度和弹性模量下降速度较慢,而饱和吸水条件下（开空隙被水充满时）强度和弹性模量下降速度较快,表明岩石中小开空隙对岩石的劣化效果显著。微观结构分析结果表明,随着吸水-干燥循环次数增加,岩石中空隙率增大。结合抗剪强度特征分析认为,干-湿循环导致岩石的黏结强度不断下降,而摩擦强度变化较小,表明黏结强度劣化是岩石水致劣化的主要原因,干-湿循环导致水-岩反应,岩石颗粒胶结物发生松散,边缘发生开裂,宏观上表现为岩石劣化。该研究成果对于新开挖河道边坡稳定性分析具有较大的参考价值,为河岸边坡的长期稳定性分析提供了依据。     

南京秦淮东河黄马青组(T2h)砂岩水致劣化特征分析

南京秦淮东河新开河道在铜家山地段穿越黄马青组（T₂h）砂岩,形成高度最大达70 m的高边坡。根据现场调查和钻探结果,在近地表处,岩石中裂隙发育,岩体完整性差,而在深部,根据钻孔取芯结果,岩体中结构面胶结强度高,岩体完整性好。钻孔取岩芯样进行干湿循环试验发现,样品在干燥-饱和循环条件下,一般循环5次以上就易发生崩解,而在自然吸水-干燥循环条件下,循环20次以上仍可以保持完整。分析认为,岩石中小开裂隙发育。根据扫描电镜（SEM）对微观结构分析结果发现,饱和条件下,岩石中小开裂隙进水后导致结构面胶结物软化,并可能造成岩石开裂、吸水膨胀,即水对岩石的劣化作用是物质软化和岩石结构破坏的双重机制;而在自然吸水条件下,小开裂隙中未进水,水对结构面的软化作用较小。矿物分析结果表明,岩石中含有较多的黏土矿物,是导致岩石浸水软化的重要原因。经过干湿循环后,岩石波速下降、致密程度降低,塑性特性增强。多次循环后岩石的单轴抗压强度和弹性模量均呈明显下降趋势,岩石破坏时的变形量随循环次数增大而下降,岩石的孔隙压密和弹性变形过程逐渐消失,加载后迅速进入塑性变形阶段,且破坏速度加快。     

地面注浆加固技术在深部巷道厚层破碎围岩中的应用

淮南某矿井胶带机巷离地表深度约730m,在掘进中遇到岩体破碎带。由于破碎带厚度大,且富含水,造成了巷道变形严重,无法贯通。在分析矿区地质条件的基础上,实施了地面预注浆技术来加固破碎岩体：采用定向分支孔钻进技术以减小钻场征地面积和节约钻进工程量;运用飞管技术加固造斜段钻孔孔壁;根据窜浆钻孔的孔间距及井下漏浆点位置,确定浆液扩散半径;根据漏浆量及巷道变形观测结果确定注浆对巷道影响区的范围,并依此调整注浆参数和注浆结束标准。最后提出了地面注浆期间须加强井下巷道监测的建议。     

水−岩作用下砂岩力学特性及微细观结构损伤演化

在库水位反复升降作用下,库岸边坡消落带部分岩体处于浸泡―风干循环状态,其力学特性的劣化将直接影响库岸边坡的变形稳定。以三峡库区库岸边坡消落带砂岩为研究对象,设计并进行了考虑浸泡―风干循环和水压力升降变化的水?岩作用试验。结合SEM电镜扫描,分析了水?岩作用对砂岩微细观结构的影响,采用PFC2D离散元软件对水?岩作用下砂岩的劣化过程进行了模拟分析。研究结果发现：（1）水?岩作用下砂岩的力学性能劣化效应明显,弹性模量和单轴抗压强度总体呈现先陡后缓的劣化趋势,其中前6次的浸泡―风干循环作用导致的劣化效应尤为明显。（2）水?岩作用下砂岩的微细观结构变化特征明显,由较致密的孔隙式胶结结构逐渐向不规则的蜂窝状结构发展,宏观上就导致了砂岩变形和强度特性的劣化。（3）由PFC2D离散元模拟分析发现：水?岩作用导致岩石内部颗粒强度和颗粒间黏结强度逐渐劣化,非均匀性增强,荷载作用下的应变局部化特征逐渐明显,整体承载能力逐渐降低,破坏模式由典型的张拉破坏逐渐转变为剪切破坏。