南水北调西线TBM掘进下隧洞围岩损伤研究

为研究隧洞掘进机（tunnel boring machine,TBM）掘进下隧洞围岩的损伤特征,选取南水北调西线工程为背景工程,针对隧洞围岩TBM掘进后的损伤进行了系统的研究与分析。根据板岩在室内试验中表现出来的脆性和屈服后强度特性,提出了以黏聚力弱化-摩擦角强化（cohesion weakening and frictional strengthening,CWFS）脆性模型为基础考虑岩体屈服后损伤的本构模型,通过VC++编译dll动态链接库,并将其植入FLAC3D程序中。应用神经网络和遗传方法等优化算法对本构模型中的参数进行了反演分析,并以室内三轴压缩试验为依据,对该本构模型进行了验证。结果表明,提出的考虑损伤的CWFS模型可以较好地反映板岩的弹性特征、屈服后的强化特征、脆性破坏特征和破坏后残余强度特征。以该模型为基础,模拟了南水北调西线隧洞在TBM掘进条件下隧洞围岩的变形特性、应力发展规律及其损伤演化特征,并与基于Mohr-Coulomb本构关系的计算结果进行了对比分析。提出的考虑损伤的CWFS模型能更好地反映隧洞掘进后围岩损伤特征,即损伤沿着弱势区域发展的规律     

南水北调西线工程岩石中石英含量变化及其对TBM施工的影响

石英是各类岩石中广泛存在的一种矿物成分,石英颗粒的大小和含量不仅决定了岩石的强度、硬度和耐磨性,而且直接影响TBM施工的掘进效率。在南水北调西线工程区采集124块岩石样品进行了岩石薄片鉴定,在岩石碎屑粒度分析的基础上,得到了不同采样区域岩石中的石英含量分布特征。基于TBM施工特点,根据不同岩石中的石英含量统计结果,分析了石英含量分布规律对南水北调西线工程TBM施工围岩分类和掘进效率的影响。研究结果表明:(1)砂岩(含杂砂岩)、粉砂岩和板岩中的石英含量具有较明显的差异,砂岩(含杂砂岩)、粉砂岩的石英含量较高,其平均值分别为74.21%和80.41%; 板岩中的石英含量较低,平均值为9.36%。(2)砂岩(含杂砂岩)及粉砂岩中的石英含量一般大于60%,对TBM施工围岩分类的影响属于严重等级; 板岩中的石英含量一般小于30%,对TBM施工围岩分类的影响属于轻微-明显等级。(3)岩石中的石英含量越高,岩石硬度和耐磨性越高,刀具损耗越大,TBM施工掘进速度PR和施工速度AR越低。研究成果可为南水北调西线工程TBM优化选型、施工围岩分类以及施工进度预测提供参考依据。     

深埋隧道炭质板岩微观结构及单轴压缩试验研究

炭质板岩隧道施工过程中受高地应力、地下水冲刷和施工扰动等因素影响,从细观角度分析其微裂隙变化规律具有重要意义。在实际工程现场选取炭质板岩试样,采用扫描电子显微镜(SEM)进行背散射分析,确定其组成元素;进行X射线衍射仪分析,利用MDI Jade 6软件处理,得到矿物成分及其含量;通过不同含水条件下炭质板岩单轴压缩实验得到不同含水量下的应力应变曲线、各阶段的变形特征及破坏规律。结果表明:炭质板岩中主要有石英、白云母及钠长石,其组成物质完全解理易形成贯穿裂隙;炭质板岩达到最大峰值强度前近于弹性变形。随浸水时间增长,炭质板岩应力应变曲线四阶段逐渐明显,且峰值后应力跌落减缓。主要力学特性表现为:矿物间结构由于水的润滑作用,水楔作用及潜蚀作用遭到破坏。岩石弹性模量、单轴抗压强度显著降低,泊松比、峰值应变略有增大,宏观表现为裂隙角度变缓。     

南水北调西线工程及其主要工程地质问题

首先介绍了南水北调西线工程区及各河段枢纽的工程地质条件 ,工程区岩性以砂岩、板岩为主 ,地层褶皱强烈 ,活断裂发育 ,地表覆盖厚 ,地质条件相对复杂。讨论了西线工程可能遇到的主要工程地质问题 ,如地应力和岩爆、软岩蠕变、突水、碎屑流、活断层的突发性位错及高地温灾害等 ;一期工程的地质问题主要集中在深埋长隧洞和引水明渠方面 ,其中 ,输水明渠的工程地质问题主要为边坡稳定和水文地质条件评价     

水化学腐蚀对砂板岩力学性能影响的试验研究

考虑酸性化学溶液和浸泡时间的影响,对砂板岩进行了不同水化学溶液侵蚀作用下的单轴压缩试验。研究了不同水化学环境侵蚀作用对砂板岩试样的相对质量、变形和强度特性的影响规律。监测浸泡过程中溶液的pH值和Ca~(2+)、Mg~(2+)浓度变化。结合扫描电镜试验,探讨了水化学作用下砂板岩的腐蚀机制。结果表明:随着溶液酸性的增强,砂板岩受腐蚀程度逐渐增大;砂板岩的变形特性在水化学作用下表现为受腐蚀软化,并且随着溶液酸性的增强和浸泡时间的延长越发明显;砂板岩的峰值强度在水化学作用下降低,并且浸泡时间越长,强度下降越大;不同水化学环境中水-岩化学作用的类型和程度不同,从而导致岩石微细观结构变化也不相同,中性溶液以岩石内部胶结物质流失为主,酸性溶液中大粒径的矿物集合体也会发生大量溶蚀。     

不同含水条件下板岩力学实验研究与理论分析

以南水北调西线的板岩为研究对象,进行了不同泡水条件下的三轴压缩实验,通过引入相对吸水率的定义,分析了吸水率变化对岩石强度、弹性模量及泊松比等力学参数的影响,并从微观的角度分析了试样发生变化的机理,得出如下结论：(1)板岩在泡水后三轴抗压强度发生降低,最大降低辐度达46 %左右,抗压强度随相对吸水率的变化可以用函数式来有效的描述;(2)在泡水后,板岩的弹性模量与泊松比随着吸水率的增大而增大,但由于板岩自身各向异性明显,规律性不是特别明显,只能近似用关系式来模拟;(3)理论分析证实：实际泡水条件下的岩样,在受力挤压后,会经历排水与不排水两种过程,随着吸水率的提高,弹性模量与泊松比增大,验证了实验结果;(4)利用微观力学模型初步证实：泡水后板岩颗粒的吸水性与颗粒间毛细管力的减小是造成板岩泡水后发生软化的原因。     

水岩作用下泥质板岩软化非线性机制研究

水岩作用下泥质板岩表现出明显的软化特征。通过单轴压缩试验分析了泥质板岩软化过程中单轴压缩强度、弹性模量和泊松比与吸水时间之间的关系;借助核磁共振试验研究了水岩作用下泥质板岩软化过程中孔隙的产生、扩展和贯通规律,分析了泥质板岩软化过程中孔隙度与吸水时间之间的关系;采用电镜扫描试验分析了水岩作用下泥质板岩软化过程中微观结构的演变规律,基于分形理论研究了不同浸泡时间下泥质板岩分形维数的变化规律;运用非线性动力学理论,选取微观结构孔隙形状分维值、孔隙度、单轴抗压强度、弹性模量作为描述泥质板岩与水溶液相互作用系统的变量,建立了水岩作用下泥质板岩的软化模型,结合试验数据验证了模型的适用性。结果表明：泥质板岩单轴抗压强度、弹性模量随吸水时间增大而减小,呈负线性相关,而泊松比与吸水时间之间的关系不明显;在浸泡初期,水岩作用强烈,泥质板岩内部微孔隙会发生扩展贯通进而形成更大尺寸的孔隙,孔隙度在浸泡初期增长较快;随着浸泡时间的延长,水岩作用减弱,孔隙度增长速率趋缓;随着吸水时间的推移,泥质板岩内部孔隙相互连通,进而形成复杂网状结构的大孔,泥质板岩分形维数呈对数增长,最终趋于稳定;采用非线性模型计算的结果与试验数据较接近,说明泥质板岩的软化过程具有明显的非线性动力学特征,利用非线性动力学模型可以较好地表征水岩作用下泥质板岩的软化规律。研究成果可为软岩?水相互作用理论研究提供参考。     

雪峰山隧道砂板岩各向异性力学特性的试验研究

利用MTS815 Flex GT岩石力学试验系统,对雪峰山隧道围岩中的砂板岩开展单轴和三轴试验,研究这种砂板岩中的细微层理对岩石变形特性、强度特性及其参数的影响,结果表明：岩石力学特性的各向异性特征显著。层理面与轴向力夹角0°时应力-应变曲线呈不稳定破裂特征,破坏面沿层理面方向发育;夹角90°时曲线呈峰后迅速软化特征,破坏面为对角贯通性剪切破坏。单轴试验中夹角0°的抗压强度比夹角90°高出约20%,弹性模量和变形模量比夹角90°分别约大50%和80%。三轴试验中2种夹角情况破坏时主应力差 相近,夹角0°的弹性模量和变形模量分别比夹角90°时约大6%和20%,围压对砂板岩的各向异性特征有弱化效应。这些结论揭示了该砂板岩各向异性的力学特性,对解决工程实际问题有重要的参考价值     

结构性软土力学特性试验研究

选取广州南沙典型软土为研究对象,进行了剪切、无侧限抗压、固结等室内试验.从强度和变形两方面对试样的结构性进行了研究,分析了原状土和重塑土的变形特性、强度特性和固结特性,揭示了所研究的区域性软土的结构性特征以及这一特征对软土工程性质的影响.试验结果表明:结构性软士经扰动后强度明显降低,压缩性增加;原状土的同结特性与结构屈服压力有关,压缩曲线呈现3阶段特征.在同一级荷载下扰动后的土体变形规律较原状土有更明显的主次固结划分界限.结构屈服压力是变形规律的控制因素之一,可以通过压缩系数-固结压力曲线近似确定.试验结果还表明,当崮结压力较大时,原状土的结构被完伞破坏,此时结构性对土体力学特性的影响可被削弱,甚至消失.     

南水北调西线工程三维仿真系统取得重要进展

日前，黄河设计公司在郑州组织召开了南水北调西线工程三维仿真系统总体设计专家咨询会。该公司信息中心向与会专家详细汇报了仿真系统总体设计报告，并演示了初步完成的南水北调西线工程三维仿真系统原型，展示了南水北调西线工程三维仿真系统开发工作的最新进展。黄委会、南水北调中线干线工程建设管理局、河南省水利厅、河南省科学院、河海大学、华北水利水电学院等单位的有关专家和教授参加了咨询会。     

地下水作用下的炭质板岩隧道变形控制技术探讨

以在建成兰铁路松潘隧道为工程实例,探讨研究地下水和构造应力共同作用下炭质板岩隧道变形特征。通过变形原因分析,采取设置长锚杆、注浆加固松散围岩、加强钢拱架锁脚等措施,能够有效控制变形。将软岩变形控制措施纳入动态设计是一种较为经济合理的手段。通过工程试验,动态调整工程措施,优化变形控制方案,对成兰铁路隧道建设具有较好的指导意义和工程借鉴。     

南水北调西线工程地质灾害刍议

文中详细介绍了南水北调西线工程的意义、工程简况和规划阶段对调水区工程地质条件的了解.在此基础上对该区可能遇到的地质灾害作了预测和分析.如枢纽工程可能遇到的地质灾害有断裂活动与地震灾害、冻土与冻害、坝基坝肩岩体变形破坏、滑坡泥石流灾害.线路工程以深埋、特长隧洞为主,可能遇到的地质灾害有隧洞围岩变形、活断层与震害、地温热害、涌水突泥,以及高地应力和岩爆等.并认为只要加强勘察研究,这些灾害是可以克服的.     

粉砂质板岩力学特性及各向异性特性

为研究鄂西北地区板岩的力学特性及各向异性特征,开展了志留系粉砂质板岩的单轴压缩和巴西劈裂试验,分析了试样的力学特性和各向异性特征以及在不同荷载作用下的变形破坏模式,揭示了不同破坏模式的力学机制,并通过数值分析研究了不同板理面角度板岩边坡破坏模式及力学机制。研究结果表明,粉砂质板岩中的板理面是影响岩体力学行为的弱面,使得粉砂质板岩表现出明显的各向异性的特征。在单轴压缩条件下,粉砂质板岩在垂直板理面方向比平行板理面方向更易变形,变形量更大;平行板理面方向加载时试样破坏类型为竖向劈裂型张拉破坏,其实质是压杆失稳;垂直板理面加载时试样的破坏类型为穿切板理面的劈裂型剪切破坏;所测得的力学参数各向异性也较明显。在劈裂荷载作用下,粉砂质板岩的破坏模式主要有张拉劈裂破坏和沿板理面剪切破坏两种,所得抗拉强度在平行板理面方向上最大,在垂直板理面方向上最小,两个方向上的抗拉强度均小于抗压强度。由于板理面间的抗拉强度极低,在受到与板理面呈小角度相交的劈裂荷载作用时,容易产生沿板理面的张拉劈裂或拉剪破坏,在实际工程中应尽量避免板理面间的受拉破坏和沿板理面的拉剪破坏。在边坡工程中,板理面倾向、倾角对边坡破坏模式及力学机制有较大影响,边坡防护治理需充分考虑这一影响。上述研究为粉砂质板岩区岩质边坡防护治理以及其他岩石工程设计与施工提供理论依据与技术基础。     

南水北调西线工程现场剪切试验及成果分析

南水北调西线工程将从长江上游每年引水200亿m3注入黄河,以缓解中国西北部和北部干旱缺水的问题。工程地质勘查结果表明,沿线的地质条件较复杂,诸如复杂的岩性、褶皱构造异常发育、地层褶皱强烈、区内北西向断裂构造较为发育、部分为活动断裂,这些均将对高坝体的边坡稳定和洞穴的开挖及地震效应等产生不利影响。为了查明岩石的力学特性,选取几个典型地段进行了波速测试和现场大型直剪试验,阐述了现场直剪试验的方法和过程,并对剪应力与位移和正应力与剪应力间的关系曲线进行了分析和总结,提出了反映岩石不同状况下的抗剪断强度和抗剪强度,并以此参数和室内试验参数分别对边坡稳定性进行分析对比,表明现场大型直剪试验获得的强度参数不仅真实可靠,而且对工程的边坡稳定性分析和优化设计也是至关重要的。     

不同应力路径下钙质砂的力学及变形特性试验研究

钙质砂是海洋钙质生物死亡后形成的一种具有丰富内部孔隙、低强度、不规则形状和易破碎的岩土材料。通过对钙质砂分别开展的等向压缩、常规三轴压缩、平均主应力为常数的三轴压缩、减压的三轴压缩和等应力比加载5种试验,探讨了不同应力路径下钙质砂的力学及变形特性。试验结果表明应力路径对钙质砂的抗剪强度和变形特征具有重要影响。钙质砂在等向压缩条件下具有明显的各向异性特征;常规三轴压缩试验条件下,密实钙质砂呈现低压剪胀、高压剪缩的变形特征,且峰值强度与初始固结压力之间呈幂函数关系;平均主应力为常数的三轴压缩试验中,增加偏应力会引起试样的体变;与常规三轴压缩试验不同,在减压的三轴压缩试验中,应力-应变关系曲线均表现为应变软化;而等应力比加载试验中,试样基本处于弹性状态下,且轴向应力与轴向应变之间呈幂函数关系。试验结果还发现钙质砂的切线泊松比不仅要考虑钙质砂的变形和应力状态等的影响,还要考虑应力路径的影响。不同应力路径试验条件下峰值应力比大小顺序与最大体变大小顺序不受初始固结压力的影响。钙质砂的峰值内摩擦角均随着初始固结压力的增大而减小,大致与初始固结压力的对数呈线性函数关系。     

岩盐三轴压缩试验方法及数据处理方式的对比研究

在能源地下储存及废弃物地下处置库的设计、施工、运行中,岩盐的强度和变形特征是极为重要的参数。正确地获得岩盐的强度参数对地下储存库的设计和安全运行具有重要意义。分别选定江苏金坛和湖北江汉岩样作为试验样本,通过三轴压缩试验获得岩盐短期强度和变形的力学参数,比较并总结了以德国为代表的欧美国家与国内试验方法及数据处理方式的异同。同时介绍了德国短期强度试验确定岩盐损伤起始点的方法及其不足,提出了更为精确地确定方法并确定了金坛岩盐损伤起始点。分析发现:对于大变形岩盐,国内测量的强度数据普遍偏高,应采用横截面积修正以及科学应变代替工程应变的度量方式。     

降雨入渗对板岩边坡稳定的影响及加固措施研究

板岩边坡在国内边坡工程中较为常见,常伴有倾倒变形,在其特有的结构性质影响下边坡失稳频发。通过对苗尾水电站右坝基板岩边坡失稳现象分析,研究了板岩边坡在降入入渗情况下的变形特征,在该基础之上运用稳定理论探讨降雨入渗影响边坡失稳机制,结合实例分析提出了板岩边坡失稳加固关键措施,并通过现场实际检验效果。研究结果表明,板岩边坡的节理特性、开挖坡比、降雨入渗是造成板岩边坡失稳的关键因素,进行加固必须从防雨下渗和束腰加固着手。苗尾水电站右坝基板岩边坡加固后经受住了汛期和炮震的影响,说明边坡失稳认识及加固措施较为准确,对于类似工程具有一定的参考价值。     

南水北调西线引水区资源与环境质量评价研究工作简介

建国以来,我国有关部门曾多次研究了从长江调水解决西北华北水资源不足的方案。其中最主要的有三条:即从长江下游调水的东线方案(长江—大运河—黄河—海河);从长江中游调水的中线方案(汉江、丹江—黄河—卫河一海河);从长江上游调水的西线方案(长江—黄河)。几年来,南水北调西线引水工程的前期工作取得了进展,经向有关领导部门汇报,一致认为:西线调水意义重大,效益显著,这一末来的大规模利用和均衡水资源工程,涉及我国国民经济发展战略,是开拓西北振兴北方经济的重要措施,势在必行。因此,建议西线南水北调列入国家“八五”重大科研项目。现仅就南水北调西线引水区资源与环境质量评价研究工作作一简单介绍。     

岩石相似材料变形与强度特性及数值模拟研究

在岩石相似材料单轴压缩试验中,不同的材料配比和加载速率将直接影响到相似材料的变形与强度特性.在进行不同配比岩石相似材料模拟试验的基础上,详细分析了不同相似材料的配比与其变形和强度参数之间的相互关系,力图找到变形和强度均较适合滑坡模拟的相似材料;讨论了不同加载速率对相似材料变形与强度的影响,并利用FLAC3D软件应变硬化-软化模型进行了岩石相似材料试样剪切软化的对比模拟研究.研究结果表明,加载速率在某一合理范围内变形模量和单轴抗压强度的试验结果是合理的,一旦加载速率过大就会导致试验结果产生较大的偏差;利用FLAC3D应变硬化-软化模型可以较好地进行单轴压缩试验模拟,剪切破裂特征的模拟结果与实际情况十分吻合.     

玄武岩力学参数的随机性统计与概率分布估计

充分认识岩石力学参数的随机性和合理评估其概率分布特征是客观评价岩石工程稳定性的基础。以白鹤滩大型水电站的斜斑玄武岩和杏仁玄武岩为研究对象,对各约50个试样进行单轴压缩试验获得大量全应力-应变曲线。采用统计分析和假设检验的方法,研究了两种玄武岩的特征强度、变形参数、特征应变和破裂面角度的随机分布特征和最优的概率密度函数形式。分析结果揭示:离散性是玄武岩的固有属性,只有一定数量的多次重复试验才能可靠地评估其基本力学特性;两种玄武岩的特征强度、变形参数、特征应变和破裂面角度的最优概率分布形式并不一致,分别为正态分布、对数正态分布、Weibull分布和Weibull分布。该试验的统计分析结果可为深入认识火成岩的变形破坏规律和工程安全可靠度或失效概率研究提供试验数据支撑。