软岩水-力耦合的流变损伤多尺度力学试验系统的研制

水-力耦合流变损伤试验是揭示软岩灾变机制的重要途径,其瓶颈在于缺乏能模拟工程实际环境条件的大型室内试验设备及其对全过程精确跟踪的多尺度量测技术。为此,根据力学控制与智能优化原理,设计了基于高强透明材料的压力室,结合伺服控制、非接触三维量测与协同集成技术等,研制了软岩水-力耦合的流变损伤多尺度力学试验系统,重点包括全通透高压动静水压力室、多元同步三轴加载系统、高围压光纤传感实时量测系统、内外流变损伤多尺度三维成像系统、多元异构量测数据同步快速处置系统等。通过软硬件集成,研制成功了样机。该系统可模拟重现高压动/静水及其他工作液体环境条件下软岩水-应力耦合软化破坏全过程,可开展同一时段内多种不同溶液、不同压力、不同流变阶段的软岩流变损伤试验,实现高精度无损量测与多尺度观测。通过应用,获得了软岩应力-应变曲线、内部损伤演化、表面各点应变变化及表面损伤演化等数据,并重构了内外损伤演化过程,将重构图像与实际岩样变化对比,验证了本试验系统的可靠性,为捕捉软岩灾变全过程与深入研究提供了试验技术支持。     

考虑邻近土洞影响的盾构掘进速度控制

盾构机穿越邻近土洞区域是在岩溶区修建的地铁隧道常常遇到的问题,为降低盾构掘进对土洞的扰动,以防止盾构突陷、偏离轴线或发生地面塌陷,需对穿越时盾构的掘进参数进行优化控制。针对当前主要根据经验选取掘进参数的不足,根据弹性力学Mindlin解建立了盾构穿越邻近土洞的力学模型,在此基础上,以掘进速度为控制变量,以掘进引起土洞顶部能量密度变化为指标函数,提出了穿越时的掘进速度最优控制问题,并利用梯度法进行了数值求解,最后将该方法运用于广州地铁九号线花-马区间盾构穿越邻近土洞问题的分析中。结果表明:该模型能有效反映盾构掘进时正面推力对土洞顶部的扰动;在该模型上建立的掘进速度最优控制问题,能对掘进速度的控制策略进行优化,优化结果与工程经验相符,具有一定工程应用价值。     

红层软岩软化的界面过程及其动力学模型

红层软岩灾变和界面上的水-岩相互作用密切相关,研究界面过程对于揭示其灾变机制具有重要的意义。目前针对红层软岩软化的研究主要是宏观唯象特征的研究,红层软岩软化界面过程的研究处于探索和起步阶段,仍需要进一步地完善。针对这一问题,通过分析红层软岩软化界面过程的特征,水-岩界面上的软岩颗粒不断溶解,水在软岩中扩散,形成新的水-岩界面,基于此建立软岩系统标准熵对软岩软化进行表征,发现软岩系统标准熵值随着时间的变化规律与软岩软化崩解具有一致性;同时,利用菲克扩散定律构建软岩软化界面过程的动力学模型,很好地描述水-岩界面的生成规律;最后在红层软岩的DEM-CFD（离散元-计算流体力学耦合）模型中,软岩软化过程颗粒连接断裂代表水-岩界面的生成,对比界面过程动力学模型,取得较好的拟合结果。该研究结果对软岩软化界面过程的探索具有一定的意义。     

岩石高压三轴试验机的液压加载系统关键技术研究

为模拟岩体地应力与环境水等赋存条件,需开发一套能模拟多种溶液环境的岩石高压三轴试验机。设计了一套同时驱动四压力室的高压液压系统,并对该试验系统的增压方法、连接结构密封、溶液隔离等关键技术进行研究。设计了一级增压结构,为系统提供超高围压;提出T型-斜面密封圈结构设计,增强结构连接处静态密封性能;并设计安装管道隔离膜,将压力室赋存溶液与增压缸相隔离。最后提出采用同等控制结构增强系统同步性能以及使用自适应Fuzzy-PID控制算法增强系统稳定性,并通过MATLAB/Sim-Hydraulic液压仿真模块对所设计的液压加载系统进行仿真模拟,分别分析了自适应Fuzzy-PID算法下同等控制与主从控制液压缸的响应速度,并对比了PID控制和自适应Fuzzy-PID控制下系统的抗干扰性能。研究为类似岩石高压三轴试验机液压加载系统设计提供了参考。