最大有效力矩准则的理论拓展

在分析"导致变形带内先存面理或层理发生转动的最大有效力矩与先存面理或层理方向有关"的基础上, 对最大有效力矩准则(M_eff=0.5(σ₁-σ₃) Lsin2αsinα)进行理论上的拓展, 提出了可以判定任意方向先存面理最大有效力矩的准则——泛最大有效力矩准则(M_G-eff=0.5(σ₁-σ₃)Lsin2αsin(α-θ)), 其中当先存面理与最大主压应力(σ₁)平行时, 则成为最大有效力矩准则。该准则的理论分析表明:①当先存面理与σ₁平行时, 在σ₁左右两侧±54.7°方向出现2个有效力矩的最大值, 形成共轭的变形带, 钝角(109.4°)对着σ₁方向; ②当先存面理与σ₁斜交时, 在σ₁的另一侧出现1个有效力矩的最大值, 从而只出现一个方向的变形带, 并随着先存面理偏离σ₁方向, 变形带与σ₁的夹角逐渐减小(从θ=0°时的54.7°, 减小到θ=90°时的35.3°), 而与先存面理之间的夹角逐渐增大(从θ=0°时的54.7°, 增加到θ=90°时的125.3°); ③当先存面理与σ₁垂直时, 在σ₁左右两侧± 35.3°方向出现2个有效力矩的最大值, 也形成共轭的变形带, 但锐角(70.6°)对着σ₁方向。在主应变平面上变形带与先存面理方向及变形带剪切方向(左旋或右旋)已知的情况下, 可以确定最大主压应力方向。泛最大有效力矩准则克服了最大有效力矩准则与滑移线理论不相容的问题, 可以解释大多膝褶带非共轭发育等多种现象, 预期在韧性变形域中具有广阔的应用前景。      

生活垃圾焚烧炉渣在饱和状态下的强度特性

城市生活垃圾焚烧炉渣具有活性,饱和炉渣的剪切强度随时间增加而增加。本文采用常规三轴试验测试饱和炉渣的剪切强度,围压σ₃分别为50kPa、100kPa、200kPa和400kPa,试样的干密度ρ_d分别为1.4g·cm-3、1.5g·cm-3和1.6g·cm-3,龄期t分别为3d、7d、14d和28d。三轴试验结果表明:饱和炉渣的破坏模式受龄期和围压的影响明显。围压小于200kPa,龄期小于14d的试样表现为脆性破坏。在τ-σ坐标上,应力莫尔圆的包络线不是直线;炉渣在σ₁-σ₃坐标上表现为两段直线,分界点为σ₃=200kPa,由σ₁-σ₃相关关系确定炉渣的内摩擦角和黏聚力更合理可信。     

多轴压缩条件下层状硬质片岩的力学特性研究

在深部工程中经常会遇到层状岩体,由于高应力的影响,在工程活动中发生因层状结构面诱发的岩体灾害问题。这与深部工程中的真三向高应力环境及层状结构面产状密切相关。为此,基于一种取自某深部金属矿山的层状硬质片岩,开展了考虑片理方位的真三轴压缩试验研究,获取了该片岩在两种片理加载方位下,不同应力差条件时,试样的变形、强度及破裂数据。结果表明,该硬质片岩的力学特性受片理加载方位和应力条件影响较大。具体表现在,当中间主应力σ₂平行片理走向时,试样的脆性更强,且最小主应力σ₃ 越小脆性越强。当σ₂垂直片理走向时试样的强度更高,但强度随σ₃增加而增加的敏感性较弱。当σ₂平行片理走向时,试样的破坏均以沿片理的剪切为主;而当σ₂ 垂直片理走向时,试样在低σ₃ 时,主要发生穿片理的拉破坏,高σ₃ 时,则转变为沿片理的剪切破坏。试验结果对陡倾层状硬质岩体工程的稳定性评价有一定的启示意义,即当片理走向与洞轴线的夹角较小时,浅层围岩片理面的法向应力释放程度较高,易发生受片理结构控制的脆性破坏;反之,夹角较大时,岩体的稳定性较强。     

巷道蝶形破坏强度准则低敏感性研究及工程应用

巷道围岩的塑性区形态对巷道的破坏形式及破坏程度有重要影响。为探究三向应力场下塑性区形态演化过程,基于弹性力学推导了轴向应力表达式,并依据蝶形塑性区边界方程求解思路,确定了三维强度准则下三向塑性区近似解的求解方法。通过等球应力p、等偏应力q以及不同Lode角θ_σ来确定围岩应力加载方案,对不同三维强度准则下的围岩塑性区形态演化规律进行深入研究,论证了蝶形破坏的准则低敏感性。基于蝶形破坏理论对羊场湾160206回风巷道的非对称变形破坏机制及控制技术进行深入分析。研究结果表明：(1)在相同p、q及不同θ_σ的应力加载条件下,5种强度准则下的塑性区形态均呈现圆形、类椭圆及蝶形的演化规律,且每种强度准则在相同θ_σ的情况下围岩的塑性区形态基本一致。(2)相同应力大小、不同应力方向的加载方案下,围岩的塑性区形态大不相同。圆巷围岩的塑性区形态很大程度上由水平侧压比决定,轴向侧压对围岩的塑性区尺寸影响较大,对塑性区形态影响较小。(3)羊场湾160206回风巷道在叠加采动影响下顶板呈现非对称大变形破坏,基于蝶形塑性区支护思路,应用非对称锚杆索+...     

土体强度参数变异水平及影响因素关联分析

利用大样本数据掌握土工参数的变异性特征,可为岩土工程可靠度分析中计算指标选取提供客观依据,提高分析结果准确性。收集了国内不同地域6条铁路勘察近千个试样的土工试验数据,经工程地质单元的聚类分析验证,建立了13组土样大样本,采用概率统计方法分析了土体强度参数c、φ的分布特征及变异系数变化规律,基于灰色理论讨论了强度参数变异水平受土体物理力学指标影响的关联性排序。研究表明:勘察工点地基土体强度参数变异系数δ_c、δ_φ均普遍处于大变异水平,且两者间呈现协同变化的正相关规律;反映土体状态特性的液性指数I_L、含水率w、压缩系数a_1-2以及天然孔隙比e与δ_c、δ_φ系数间的关联性强于体现土质自身性质的塑性指数I_P,其中,I_L是影响δ_c、δ_φ的首位因素,a_1-2和w分别为次位影响因素。得到的强度参数变异水平与影响因素关联特征,可为样本数量有限下土体强度参数的不确定性判断提供先验信息。     

重金属污染土壤修复的Pb2+钝化产物稳定性

自然状态下土壤中重金属元素是否稳定存在是重金属污染固化修复技术中的核心问题。本文以常见重金属离子Pb²⁺为例,分析土壤中重金属离子与常见离子基团结合的稳定性。将第一性原理应用于Pb的存在形态和稳定性的分析,计算了PbCO₃、PbSO₄、PbCl₂、Pb₃（PO₄）₂、PbAl₂O₄和Pb₃Fe₂（PO₄）₄的自由能、能带和态密度。首先推断Pb²⁺和CO₃^2-、SO₄^2-、Cl^-、PO₄^3-等土壤中常见阴离子的结合稳定性,再判断加入金属阳离子Al³⁺和Fe³⁺对体系稳定性的影响。结果表明：铅化合物自由能从高到低趋势为PbCl₂、PbAl₂O₄、PbCO₃、PbSO₄、Pb₃（PO₄）₂、Pb₃Fe₂（PO₄）₄,其相应的结构稳定性顺序从大到小为Pb₃Fe₂（PO₄）₄、Pb₃（PO₄）₂、PbSO₄、PbCO₃、PbAl₂O₄、PbCl₂。通过对能带和态密度的分析,首先确定了SO₄^2-和PO₄^3-的引入能够增强含Pb体系的稳定性,进一步加入金属阳离子Fe³⁺会使体系更稳定。推测SO₄^2-、PO₄^3-为治理Pb²⁺污染合适的官能团,应选择容易释放SO₄^2-、PO₄^3-的物质作为合适的钝化剂。在实际应用中可选择磷酸二氢钠、无水硫酸钠、脱硫石膏等作为钝化剂。     

酸碱环境对水泥土抗剪强度影响的试验研究

以水泥土处于复杂环境中的安全性和耐久性为研究背景,对酸碱环境下水泥土进行了固结不排水剪切试验,得到了水泥土应力偏差（σ₁-σ₃）与轴向应变（ε）关系曲线和抗剪强度指标,研究了酸碱度对水泥土抗剪强度的影响.试验结果表明,随着围压、水泥掺量、pH值的增加,水泥土的抗剪强度逐步增加;水泥土的黏聚力、内摩擦角随着水泥掺量及酸碱度pH值的增大而逐渐增加;得到了不同酸碱度环境下水泥土的抗剪强度方程.其研究结果对在水泥土工程中的安全性和耐久性设计具有一定的指导意义和参考价值.     

龙陵县勐糯铅锌矿深部巷道稳定性数值模拟研究

根据勐糯铅锌矿巷道工程条件,采用phase2有限元软件构建巷道数值计算模型,对比分析200m中段结晶灰岩、千枚岩巷道无支护情况下应力场、位移场、塑性变形区等情况,为巷道支护方法优化提供参考。计算结果表明,该矿山沿脉巷道走向普遍为南北方向,与原岩应力场中最大主应力σ₁为近似垂直关系,对巷道稳定性较为不利。巷道开挖后,应力重新分布,硐壁围岩应力降低,应力向围岩深部转移,出现巷道围岩深处局部区域应力集中。200m中段结晶灰岩围岩巷道无支护时不会发生大面积垮塌或严重的巷道变形,围岩为千枚岩时,将发生大面积垮塌和较严重的巷道收敛变形,若及时采取支护措施可在一定程度上暂时控制巷道变形,但后期要多次对断面进行修整并重新支护来减少围岩变形的影响。     

超固结粉质黏土水平应力释放特征与静止侧压力系数计算方法

如何合理地描述超固结地层静止侧压力系数K₀分布规律对岩土工程有重要的理论意义和应用价值。通过超固结地层形成过程的应力发展分析,开展了侧应力松弛试验,研究了超固结粉质黏土水平应力释放规律,建立了残余超固结水平应力σ’_hef与超固结比OCR的联系,提出了基于水平应力释放的超固结土K₀计算方法,并用原位土体水平应力KSB试验和室内试验进行了验证。提出的超固结土K₀计算方法物理意义清晰,并在中高OCR条件下实现了与前人归纳经验公式的统一。结果表明:超固结水平应力σ’_hef经历回弹与松弛2个释放阶段后稳定于残余值σ’_hef,粉质黏土σ’_he释放主要发生在回弹阶段;超固结水平应力残余值与初始值之比σ’_hef/σ’_he0随OCR增大而增大,但在OCR达到一定值OCR_r后趋于稳定。研究成果可供超固结地层中的挡土结构物土压力计算和数值分析提供参考和借鉴。     

氧分压对橄榄石单晶体高温蠕变影响的实验研究

在氧分压10^-4-10^-10atm,温度1250-1500℃和应力21.5-150MPa条件下,对橄榄石单晶高温蠕变速率与氧分压之间关系进行了系统实验研究。实验结果表明,氧分压大小直接控制了橄榄石高温蠕变速率的变化;橄榄石位错攀移是通过氧空位点缺陷扩散作用而完成的;橄榄石[110]₆₉,[101]₆和[011]₆不同结晶学方向具有不同流变强度和氧分压指数。     

干湿循环作用下污泥固化土三维力学特性研究

采用自主研发的新型固化剂对天津城市污泥进行固化处理,通过GCTS真三轴仪对污泥固化土进行不固结不排水试验,探讨其在干湿循环作用下的应力-应变特征和强度指标变化规律。试验结果表明:污泥固化土应力-应变曲线在初始阶段近似表现为线性关系,同等条件下,破坏应力随中主应力比b的增大而增大;相同b值下,破坏应力随干湿循环次数的增大而逐渐减小。经过干湿循环1,3,5,7,10次之后,不同围压下污泥固化土的破坏应力值均呈现下降趋势。当循环次数超过5次后,其降低幅度趋于平缓。在b值较小、循环次数小于3时,应力-应变曲线产生应变软化现象,随着围压和b值的增大表现为硬化型。污泥固化土c、φ值随干湿循环次数的增大呈现出降低趋势,并最终趋于稳定。在此基础上,对不同中主应力比条件下的c、φ值变化规律进行分析,分别建立其与干湿循环次数和中主应力比之间的关系式,并构建出能够考虑不同围压及中主应力比影响的初始弹性模量E_i和主应力差渐近值（σ₁?σ₃）_ulti预测公式。     

锦屏一级水电站左岸浅表大理岩的卸荷微裂隙特征

在高山峡谷区,浅层岩体的表生改造相当发育。在锦屏一级水电站坝区陡峭的岸坡浅表大理岩岩体中采集定向标本,制作定向薄片,利用偏光显微镜统计和分析了微破碎带及带中微裂隙的方向分布情况。结果表明,（1）垂直于最小主应力σ₃的薄片中微破碎带在整体上未见明显定向性,垂直于最大主应力σ₁或中间主应力σ₂的薄片中微破碎带在整体上存在明显定向性,基本与岸坡平行;（2）微裂隙往往沿低指数晶面（包括解理面）发生,故晶内裂隙表现出直线式或台阶状样式,这符合最小能量原理;（3）卸荷应力场诱导控制微观卸荷裂隙的方向并使之具有强定向性。     

结构面力学性质的定量鉴定

变形带力学性质的鉴定是地质力学研究中的先行基础步骤.近来出现一些新的概念和方法,可用以定量表征变形带的力学性质.天然变形带通常是一般剪切作用的产物,是纯剪切(共轴缩短或伸展)和简单剪切的组合.为了定量说明两者间的相对贡献,提出了运动学涡度(W_k)这一物理量,并简单地定义为cos υ.υ是主变形面内两特征方向间的夹角.纯剪切的υ=90°,W_k=0;简单剪切的υ=0°,W_k=1.一般剪切的υ介于0°和90°之间,W_k为0到1.运动学涡度符号的正负分别代表变形带的减薄和增厚.υ可通过极摩尔圆法求出.主压应力(σ₁)方向与W_k的关系为W_k=sin2ξ.ξ是σ₁与变形带法线间的夹角.因此,可用以确定变形带的W_k和力学性质.根据最大有效力矩准则,韧性变形带与主压应力(σ₁)方向间的夹角为55°,可用以确定古应力轴的方向,并可能确定变形时差应力的大小.      

基于功效系数法和地应力场反演的深埋长大隧道岩爆预测研究

岩爆是深埋长大隧道面临的主要地质灾害之一,其“孕育-发生-发展”全过程异常复杂,使其成为地下工程中的世界性难题。准确反映地应力变化规律以及区域内地质构造影响,结合实测资料进行岩爆分级预测,对保障隧道前期勘察设计及后期安全施工具有重要意义。根据隧道工程地质资料,通过COMSOL Multiphysics和Rhino建立三维数值计算模型,反演分析得到整个区域的初始地应力场。在综合分析影响岩爆关键因素的基础上,从“储能性-倾向性-突发性”研究角度,选取岩石单轴抗压强度与围岩洞壁最大主应力比(σ_c/σ_max)、围岩洞壁最大切向应力与岩石单轴抗压强度比(σ_θ/σ_c)、岩石强度脆性系数(σ_c/σ_t)及岩石弹性能指数(W_et)作为评价指标。采用熵权法确定指标权重,运用功效系数法加权计算总功效系数值,构建了一种基于功效系数法和地应力场反演的深埋长大隧道岩爆预测模型,并将其应用于川藏铁路桑珠岭隧道。研究结果表明,该模型具有较高的准确性和可靠性,为类似深埋长大隧道岩爆预测提供了一种新的参考。     

地铁深基坑开挖效应土体小应变参数敏感性分析——以厦门地区为例

小应变硬化模型（HSS）可以同时考虑土体剪切硬化和压缩硬化,以及土体剪切模量在微小应变范围内随应变衰减的行为,因此在深基坑开挖数值分析中具有很好的适用性。为研究厦门地区土层HSS模型刚度参数E₅₀ref,G₀ref和γ_0.7对深基坑数值分析结果的敏感性,基于敏感性分析和正交试验原理,选择厦门地区典型土层残积砂质黏性土、粉质黏土和淤泥质土,以坑外地表沉降值及围护墙的最大弯矩值作为控制指标,分别进行了单一控制土层的参数敏感性研究。结果表明:要在深基坑数值分析中精确计算地表沉降和围护墙弯矩,最重要是控制好土层G₀ref的取值,其次是E₅₀ref,而γ_0.7的影响相对小一些;随开挖深度加深,G₀ref对地表沉降的影响逐渐降低,E₅₀ref和γ_0.7的影响有所提高;E₅₀ref对围护墙弯矩的影响随开挖进行有所降低,G₀ref和γ_0.7的影响则有增大趋势,其中G₀ref相对较明显。土体小应变行为对于基坑施工效应有重要影响,在相关设计和施工中应予以重视。分析结果可为深基坑有限元分析中获得更合理的地层变形和结构内力响应提供有益参考。     

软土修正剑桥模型参数反演及其应用研究

土体本构参数的合理取值是数值模拟的重要前提。为准确获取湖州软土修正剑桥模型参数,针对该地区两种典型软土,提出了基于室内试验-神经网络的软土修正剑桥模型参数反演方法。首先,开展了室内三轴固结不排水试验及标准固结-回弹试验,基于室内试验结果确定了湖州地区典型软土修正剑桥模型参数反演区间;其次,基于正交试验设计原理,对基坑开挖过程中不同参数水平下维护结构侧移进行数值计算,根据数值计算结果构造出64组PSO-BP神经网络训练样本;最后,利用构造的训练集对湖州地区软土修正剑桥模型参数进行反演。研究结果表明：反演得到的两种典型软土修正剑桥模型参数临界状态有效应力比M₁、M₂,压缩参数λ₁、λ₂,回弹参数κ₁、κ₂及孔隙比e₁、e₂分别为M₁=1.076、λ₁=0.050、κ₁=0.021、e₁=1.712,M₂=1....     

基于力能分析的平煤五矿己四采区煤与瓦斯突出危险性预测

根据实测平煤五矿己₁₅煤层瓦斯含量和压力结果,从力能角度分析了地应力、瓦斯和煤强度对煤与瓦斯突出的影响,发现己四采区己₁₅煤层受地应力作用,煤体弹性潜能远大于瓦斯膨胀能,即以构造应力为主的地应力为其突出最主要的影响因素;结合己四采区地质因素和己₁₅煤层瓦斯可解吸量,确定该采区煤与瓦斯突出危险区的下限指标为原煤瓦斯含量达到5.4 m3/t,绝对瓦斯压力为0.79 MPa,该下限指标对应的煤层底板标高为–600 m。因此预测–600 m标高以浅为无突出危险区,–600 m以深为突出危险区。      

小江-则木河断裂带大地震序列的静应力触发作用

通过计算和研究1733-1850年期间发生在小江-则木河断裂带上的、由4次M≥7地震组成的大地震序列引起的库仑应力变化图像, 分析先发大地震破裂对后发大地震破裂的静态应力触发作用.结果表明, 在该序列中, 后发大地震破裂均发生在先发大地震破裂引起的库仑应力显著增加区内.其中, 1733年小江断裂带北段的73/₄级大地震破裂和1833年中段的8级大地震破裂均引起则木河断裂带较显著的库仑应力正值变化, 亦即1850年则木河断裂带发生的71/₂级大地震与前2次大地震破裂引起的应力触发作用有关; 1733年小江断裂带北段和中-南段的73/₄级和1789年2次7级大地震均对该断裂带中段产生了十分显著的库仑应力触发作用, 与此相关的是1833年8级大地震的发生.因此, 认为小江断裂带各段之间以及该断裂带与则木河断裂带之间存在显著的力学上的相互作用.      

平顶山市中深层地下水开发利用及保护规划研究

平顶山市中深层地下水系指平原区埋藏于上部浅层地下水含水层之下,具有一定承压性的地下水,是平顶山市重要的饮用水水源。通过对平顶山中深层地下水资源及其开发利用情况进行评价,进行中深层地下水开发利用与地下水资源保护分区,提出中深层地下水调节控制方案及保护建议。结果认为：(1)研究区按富水性划分为Ⅰ区(含Ⅰ₁～Ⅰ₅等5个评价单元)和Ⅱ区(含Ⅱ₁～Ⅱ₁₁等11个评价单元)2个大区、16个评价单元,中深层地下水可开采资源量为4 833.58×10⁴ m³/a。(2)在多年平均条件下,全区中深层地下水开采系数为0.80,处于采补基本平衡状态。有开采潜力区主要分布在Ⅰ₅、Ⅱ₂、Ⅱ₃、Ⅱ₆、Ⅱ₇、Ⅱ₈、Ⅱ₉、Ⅱ₁₀区,该区域远离城区,人口密度较小,用水需求相对较小,可采资源量较大,开采潜力较大;采补基...     

类砂质泥岩常规三轴浆压致裂起裂压力试验研究

为深入探究两淮矿区典型砂质泥岩劈裂注浆起裂机制,研制了常规三轴劈裂注浆试验装置,开展了类砂质泥岩浆压致裂起裂压力模型试验,基于试验结果分析了岩石强度与应力状态对注浆起裂压力、裂缝扩展形态影响规律,揭示了砂质泥岩劈裂注浆起裂机制。研究表明：起裂压力与岩石抗压强度呈正相关,且岩石抗压强度越高,劈裂路径越复杂;起裂压力对围压的敏感程度远高于轴压,且应力差 Δσ =σ_V −σ_H越大,裂缝形态越规整;孔压三轴条件下,封闭裸孔段浆压致裂法确定的岩石抗拉强度值约为单轴抗拉强度的 2.5倍。该研究结果可为今后类似岩层劈裂注浆参数设计与施工提供参考。