水-应力作用下软岩细观结构摩擦接触分析

针对我国南方地区红层软岩变形破坏特点,在典型软岩细观结构显微观察试验基础上,概化出其细观结构模型,据此探讨软岩骨架颗粒摩擦接触关系,包括直接和间接摩擦接触两种关系:(1)直接摩擦接触分为静摩擦接触和动摩擦接触两个过程考虑,静摩擦接触中的最大静摩擦系数会随着实际接触面积、法向荷载、停留时间增大而增大;动摩擦接触中的动摩擦系数则随着速度突然增大而增大。(2)间接摩擦接触作用主要体现在黏土矿物的抗剪强度上,其主要由充填其间的黏土矿物颗粒间的摩擦系数和黏结强度决定。在此基础上,研究水对软岩骨架颗粒摩擦的弱化作用:水的弱化作用主要体现在对骨架颗粒接触应力的改变和黏土矿物本身的弱化效应,具体表现为水作用下骨架颗粒与黏土矿物间的接触应力降低、黏土矿物的黏聚力和内摩擦角减小。这一弱化效应将有效降低软岩骨架颗粒间的摩擦力,从而造成软岩结构强度降低,使得破坏过程更容易发生。以上分析可以在一定程度上反映软岩三轴压缩试验过程。     

三轴压缩下含夹层盐岩破坏机制

针对三轴压缩试验中含夹层盐岩特殊的破坏形式和机制开展研究。基于夹层单元的受力平衡和界面剪应力的传递机制,建立了夹层径向位移的微分方程,通过求解该微分方程得到了界面剪应力、夹层应力和应变的理论公式,并采用数值模拟验证了应力公式的准确性,进而结合多种破坏准则分析了含夹层盐岩的两种破坏形式及其机制。结果表明：界面剪应力和夹层应力分布不均匀,其最大值一般分别在边缘和中心位置出现;对于试样中夹层纵向劈裂,计算显示夹层存在横向的拉应力或拉应变;在一些试样界面边缘发现了环状白色裂纹,这是由于界面边缘剪应力最大,该处容易发生界面滑移破坏。夹层和界面的破坏会导致含夹层盐岩的密闭性降低,研究成果可在这一方面提供参考。     

不同应力路径下土体的变形特性与破坏特性

在固结不排水加荷与卸荷两种情况下,基于土体常规的三轴压缩试验结果和真三轴平面应变试验结果,指出不同的应力路径下土体具有不同的变形特性和破坏特性,并且这些特性差异的根本原因在于不同的应力路径,有着其球应力p和广义剪应力q与球应力p的比值q/p的不同变化趋势。最后,依据Matsuoka-Nakai破坏准则和其相应的转化型式,进一步探讨了其破坏参数k2值的确定方法。试验检测的结果表明,Matsuoka-Nakai破坏准则能给出土体较为准确的破坏强度预测结果。     

深井高应力软岩沿空留巷围岩破坏机制及控制

针对深井高应力软岩沿空留巷围岩大变形难题,通过现场调研、理论分析和相似模拟试验,分析了围岩特性、支护结构破坏形式及其破坏演化过程,并对围岩破坏机制和围岩控制技术进行了深入系统研究。结果表明:厚层泥岩低强度、软化吸水膨胀及其在强采动高应力状态下碎裂扩容、长期蠕变是围岩大变形的诱因;围岩变形破坏相对于巷道横截面铅垂和水平方向呈明显不对称状态;原有围岩支护系统没有形成一个完整承载结构,使支护体被各个击破,围岩破坏顺序:充填区域顶板破碎→充填体偏心受载压裂片落→巷内顶板急剧倾斜下沉→实体煤帮外鼓片帮,最终导致围岩失稳;提出顶板分区耦合支护和以充填区域顶板为关键纽带的"四位一体"围岩控制技术,该技术能够提高巷道整体稳定性,避免围岩局部破坏造成的支护结构失稳,保障巷道安全畅通。     

红层软岩压缩破坏的分形特征与级联失效过程

基于不同围压条件下的红砂岩三轴压缩试验结果,采用数字图像相关技术对岩样外表面破坏形态进行全程观测,获得不同阶段岩样外表面破坏图像,分别对岩样破坏后阶段的图像进行分析。通过分形盒维数表征岩样外表面裂纹的变化情况,发现岩样破坏越严重,裂纹分形维数越高,且在最后破坏阶段裂纹分形维数出现突变,揭示岩样的破坏特征。引入级联失效数学模型,结合红层软岩内部的矿物成分与细观结构分布特点,概化出其结构的随机连接模型与破坏方式,分析红层软岩加载作用下的内部节点颗粒“容量-荷载”重分配原则以及节点颗粒失效后其初始荷载传递路径。结果表明,红层软岩在受载时为一个级联失效的分阶段破坏过程,级联因子通过级联路径不断传播、增多,级联失效越发明显,同时结合岩石破坏的变形损伤过程与其轴向应力-应变曲线分段特征,揭示该类岩石破坏的级联失效分级标准,为拓展该领域的研究具备一定的参考价值。     

水岩作用下露天矿坑蚀变岩三轴压缩试验分析

本文研究水位升降对边坡稳定的影响。选取莱州仓上露天矿坑边坡蚀变岩样,对不同饱水-失水循环次数的蚀变岩进行了三轴压缩试验。对SγJH粘聚力与循环次数关系、内摩擦角与循环次数关系做了回归分析,考虑到粘聚力受水岩作用影响较大,构建粘聚力与应变软化参数联系方程,描述峰后粘聚力变化。进一步分析饱水-失水溶液成分,讨论饱水-失水循环对蚀变岩力学性质损伤机理。结果表明,随循环次数增加,SγJH内摩擦角呈指数形式减小,粘聚力呈二次多项式形式降低;峰后粘聚力随轴向应变变化规律可用双曲函数描述。关于蚀变岩受水岩作用影响机理,从水物理角度看,SγJH内部的微缺陷进一步发展,导致其力学性质的改变;从水化学角度,SγJH中由蚀变产生的黄铁矿及碳酸盐成分发生水解或离子交换,力学性质发生变化。水位升降时蚀变岩粘聚力变化明显,对边坡稳定性有较大影响。     

水-岩化学作用对岩体变形破坏力学效应研究进展

水—岩化学作用对岩体变形破坏力学效应的研究涉及力学和化学两方面,也即为地球化学与岩体力学两个研究领域的交叉。针对水化学作用对岩体力学性质的影响机理,较系统地总结了该研究领域中的现状和研究新进展,分析了其研究方法,指出了今后的研究方向和主要研究内容,并认为此方面的研究将在工程地质学中占重要地位。     

非饱和黏性土的应力-应变关系研究

为了绕过吸力这一复杂的变量建立尽量简便实用的非饱和土本构模型,在双曲线模型的基础上将含水率引入硬化参数中。提出在试验前让土样恢复到原始应力状态下的理论,并依据该理论对三轴试验方法进行改进。为了很好的研究各个含水率下原状土的应力-应变关系,利用重塑土实现原状土的模拟。试验结果表明：重塑非饱和黏性土的应力-应变关系基本符合Kondner提出的双曲线模型。在研究双曲线模型中的参数a和b的规律性的基础上,建立了100、150、200与250 kPa 4种围压状态下参数a和b与含水率的函数关系,并实现了对补做的一组含水率为24.52 %的应力-应变关系的预测。通过实测数据与预测结果对比,发现预测误差比较小,能达到较好的预测效果。     

水压力作用下三峡库区侏罗系软岩损伤演化特性研究

为研究不同库水深度处侏罗系软岩的损伤演化特性,对三峡库区侏罗系泥质粉砂岩进行了不同水压力状态下的MTS三轴压缩声发射试验,建立了基于声发射振铃计数考虑水致初始损伤的损伤演化方程,对水压力作用下侏罗系软岩的力学劣化特性、损伤演化阶段和损伤演化特征值进行了分析,结果表明:随着水压力增大(0 MPa到1 MPa),软岩的起裂...     

滇东北地区的软岩流变与边坡变形破坏

软岩经常与强度较高的坚硬岩层呈互层状或作为坚硬岩层的夹层在自然界出现。自然斜坡和工程边坡中的软岩,在大于其软化临界荷载的应力作用下产生的流变作用会直接影响边坡斜坡的稳定性。滇东北地区的岩石类型主要为中生界白垩系和侏罗系的砂泥岩,以及古生界的含泥灰岩夹层的碳酸岩,岩层以水平或近水平的缓倾角产出,由于地壳的抬升,河流的切割(如金沙江河谷、关河河谷等),河谷地区容易形成高陡岩质边坡和大型岩块堆积边坡。边坡的变形破坏主要是由于软岩夹层在高应力作用下流变产生的变形破坏,边坡变形破坏遵循特定岩体结构的软岩流变破坏规律,形成由下往上和由外及里的变形破坏,从而形成大型岩块堆积。     

煤矿采空区水-岩作用模拟试验研究

采空区积水在我国煤矿中广泛存在。明确在采空区封闭-半封闭环境条件下的水-岩相互作用机理,对实现煤矿区水污染减量以及地下水资源保护具有重要意义。以内蒙古某煤矿采空区积水为研究对象,设计高度还原采空区环境的箱式模拟试验,采用X射线衍射仪(XRD)和X射线荧光光谱仪(XRF)对模拟采空区填充物(煤、垮落岩体)中矿物成分及元素组成进行分析,借助离子色谱仪(IC)和电感耦合等离子体发射光谱分析仪(ICP-OES)等对水中水化学特征进行表征,探究采空区积水水质形成的水-岩相互作用机制。结果表明:水-岩相互作用主要为煤及垮落岩体中的矿物溶解-沉淀作用、阳离子交换作用、煤中黄铁矿氧化作用以及混合作用。矿物溶解作用占主导地位,采空区积水中的Na⁺、K⁺主要来源是钠长石、钾长石等硅酸盐矿物的溶解,而Ca²⁺和Mg²⁺主要来自于钙长石、方解石、绿泥石等矿物溶解;离子交换作用主要发生在采空区水-岩作用的初期(0～20 d),而后逐渐减弱;采空区底部残煤中黄铁矿氧化作用是积水SO₄^2-     

变质软岩路堤填料湿化变形规律研究

采用双线法,对十堰-天水高速公路安康西段的变质软岩路堤填料,在两种密度条件下进行了大型三轴试验,同一竖向偏应力下饱和与风干状态填料应变的差值即为湿化引起的应变,对其变化规律进行分析,结果表明：填料的湿化变形发展呈两个阶段,临界湿化应变的大小与竖向偏应力和围压的比值密切相关,同一密度、不同围压条件下的各曲线变化点的湿化应变值较为一致;填料密度增大,则变化点的湿化应变值增加,说明密度和围压不仅影响湿化变形的大小,还影响其发展规律。根据3种围压条件下的试验结果,对两种密度的填料,分别建立了填料湿化变形发展规律的公式,并用新的第4种围压条件下的试验结果进行校核,吻合程度较好。该公式可用于分析高速公路施工中路堤湿化变形的大小及发展规律。     

基于全应力-应变曲线的软岩蠕变寿命估计

软岩的蠕变寿命是岩石流变学研究的重要内容之一,是影响岩土工程长期稳定的重要因素。根据Goodman原理,蠕变破坏点位于全应力-应变曲线的下降段（破坏段）上。当等时应力-应变曲线簇用分离变量函数表达时,证明了对于给定应变 处的等时应力-应变曲线的切线模量比和割线模量比随时间的变化规律相同。将破坏段曲线简化为直线,等时应力-应变曲线与破坏段的交点（蠕变破坏点）近似等于等时应力-应变曲线上某点 的切线与下降段直线的交点,进而推导出了该交点的蠕变寿命的表达式。 越接近峰值应变,误差越小。这样,可由短时蠕变曲线簇变换到等时应力-应变曲线簇,通过拟合方法求出给定应变 下模量比随时间变化的表达式;再由全应力-应变曲线求出峰值应力与应变、给定应变 下的应力与切线模量、下降段直线斜率等参数;即可得到软岩的蠕变寿命和长期强度。利用本文方法,对某泥岩的蠕变寿命进行了求解,得到了蠕变寿命随应力水平变化的表达式和长期强度值,理论结果与试验结果较吻合。     

最大往返剪切作用面上应变破坏标准的应力条件

通过一系列的动三轴试验，探讨以应变为破坏标准的最大往返剪切作用面上的破坏应力条件。试验结果表明：破坏应力条件仍符合张克绪提出的公式，参数k,c是破坏振次与破坏应变标准的二元线性函数。     

红层软岩遇水崩解特性试验及其界面模型

红层软岩遇水崩解是引发工程灾害的重要原因。红层软岩遇水崩解缘于水作用下软岩细观成分组构的变化,但目前软岩崩解特性定量表征研究多根据宏观现象,所得到的崩解模型难以对软岩崩解的细观过程进行研究。根据室内软岩静态崩解和软岩碎片浸水试验以及不同浸泡阶段的软岩的成分组构扫描电镜观察试验,揭示了水-软岩界面的细观演化规律:红层软岩的崩解机制缘于软岩碎片间泥质填充区中水-岩界面上的黏土颗粒在水作用下发生水化、扩散和流失致使泥质胶结带缩减,从而引起碎片间凝聚力下降;静水作用下软岩碎片间的凝聚力随时间呈幂函数衰减。在此基础上,利用界面与胶体化学、断裂力学理论,定量表征了软岩中水化黏土颗粒的流失以及软岩碎片间的模式Ⅱ型开裂,建立了软岩遇水崩解的界面模型,进而定量表征了软岩遇水崩解过程。通过对比计算,利用上述所建模型计算的软岩碎片剥落时间和试验观察的软岩碎片剥落时间相近,从而验证了模型的合理性。     

开挖与支护应力路径下硬岩破坏过程的真三轴与声发射试验研究

针对硬岩的脆性破坏问题,利用真三轴和声发射（AE）试验系统研究了灰岩试样在不同应力路径和应力水平下的力学特征与变形破坏机理、AE活动特征及能量释放规律。试验研究表明：（1）开挖卸荷应力路径下,试样强度受卸荷作用影响较大,且随中间主应力呈区间性变化,试样以脆性劈裂破坏为主;（2）开挖卸荷+支护的应力路径下,支护力显著改善了岩石的力学性质,破坏形式以张剪性破坏为主;（3）试样AE活动过程可以分为三个活跃期（裂隙压密阶段、卸荷阶段和失稳-破坏阶段）和两个相对平静期（弹性变形阶段和微破裂稳定发展阶段）,AE信号表征参数“absolute energy”作为能量度量指标能够较好地定量描述和研究硬岩的脆性破坏过程。试验结果和许多工程开挖和支护过程中岩体的力学行为和支护作用类似,可为工程现场开挖支护设计提供试验依据和有益指导。     

矿区深部含水层水-岩作用的同位素与水化学示踪分析

为了有效揭示华北隐伏型煤矿区煤炭开采进程中深部含水层水-岩作用机制,本文以淮北煤田宿县-临涣矿区为研究示范,收集与采集1985～2011年期间矿区松散层第四含水层、煤系砂岩裂隙含水层、石炭系太原组岩溶含水层与奥陶系岩溶含水层深部地下水样166个,分析与测试87Sr/86Sr、34S、13C同位素以及Na++K+、Ca2+、Mg2+、HCO-3、Cl-、SO2-4、CO2-3等常规组分,并开展基于同位素与水化学的水-岩作用示踪与分析。研究成果表明:在矿区主要充水含水层中,煤系砂岩裂隙含水层脱硫酸与阳离子交替吸附作用最为显著,而松散层第四含水层、石炭系太原组岩溶含水层与奥陶系岩溶含水层黄铁矿氧化或地下水硬化最为显著;受煤炭开采影响,煤系砂岩裂隙含水层、奥陶系岩溶含水层主要水-岩作用逐渐减弱,松散层第四含水层、石炭系太原组岩溶含水层主要水-岩作用或增强、或减弱,增强或减弱的程度取决于井田基岩面标高、主要断层的展布形态与隔水性能以及煤层开采扰动范围等。     

软岩边坡变形破坏规律及其 对城市设施的影响

以抚顺西露天矿大规模倾倒滑移变形体变形规律研究为例,探讨受软弱夹层控制的软岩边坡变形破坏规律及其变形破坏对城市工业设施的影响。     

软岩边坡变形破坏规律及其对城市设施的影响

以抚顺西露天矿大规模倾倒滑移变形体变形规律研究为例,受软弱夹层控制的软岩边坡变形破坏规律及其变形破坏对城市工业设施的影响。