基于时间效应的富水泥质板岩隧道围岩膨胀本构模型研究

针对原有三维膨胀本构模型的局限性,以富水泥质板岩隧道围岩的膨胀问题为出发点,采用侧向约束下的膨胀特性试验,修正了泥质板岩侧向约束下的轴向膨胀率与吸水时间的关系及膨胀过程中的一维本构关系;基于金尼克条件,考虑整个膨胀过程以及最大和最小膨胀应力对膨胀本构方程的贡献,以最大体积膨胀率对应的时间为临界时间,分段描述泥质板岩基于时间效应的三维膨胀本构模型。研究结果表明:泥质板岩在膨胀过程中轴向应力和膨胀率之间呈负对数函数关系;当吸水时间小于或等于临界时间时,侧向约束下的轴向膨胀率与吸水时间之间的关系式服从指数函数,体积膨胀率服从含时间效应的三维膨胀本构模型;当吸水时间大于临界时间时,侧向约束下的轴向膨胀率不再随时间变化,等于侧向约束下的最终轴向膨胀率,且体积膨胀率不再服从本构模型,等于定值(最大体积膨胀率)。研究成果可为解决富水软岩隧道围岩的膨胀问题提供理论参考。     

干湿循环条件下膨胀土膨胀特性试验研究

通过对北疆膨胀土开展干湿循环条件下无荷膨胀率、有荷膨胀率及微观扫描试验，探讨膨胀土吸水膨胀的特性及微观机理。试验结果表明：（1）在无荷膨胀率试验中，随着时间的增加，无荷膨胀率逐渐增加，在试验后期逐渐趋于稳定；随着干湿循环次数的增加，无荷膨胀率逐渐减小，第5次循环后趋于稳定值；（2）在有荷膨胀率试验中，随着时间的增加，有荷膨胀率逐渐增加且试验后期趋于稳定，上覆荷载越大，膨胀土试样有荷膨胀率越小；随着干湿循环次数的增加，有荷膨胀率逐渐减小，有荷膨胀率随循环次数及上覆荷载的增大而减小；（3）电镜扫描结果显示，无循环膨胀土试样结构较为牢固，经过干湿循环作用，膨胀土试样微观结构发生明显变化，土体微观结构逐渐破碎，颗粒面积减少，出现较多微小孔隙，导致膨胀率随循环次数的增加而逐渐减小。研究成果可为北疆膨胀土稳定性评价提供理论基础。     

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。     

基于电阻率法的膨胀土膨胀性评价研究

目前膨胀土的膨胀率一般只能通过室内试验获取,无法通过简单快速的测试得到。结合课题组前期的相关膨胀土电学特性试验研究发现,膨胀土吸水膨胀会改变土体内部结构,而土体内部结构的变化会引起电阻率的改变。通过对取自合肥的膨胀土进行电阻率、膨胀率等相关性能的试验,分析电阻率指标,并对膨胀土的吸水膨胀特性进行预测评价。研究发现,膨胀率随着初始电阻率的增大而增大,且随着上覆荷载的增大而减小;竖向电阻率与实时膨胀率基本呈直线增加关系,直至土体电阻率达到孔隙液电阻率为止。根据膨胀土基本电学试验和膨胀土吸水膨胀及相应横纵向电阻率实时测试试验研究发现,膨胀土的膨胀性能与电阻率结构参数吻合很好,因此,可以通过电阻率相关指标对膨胀土的膨胀特性进行预测。由于相应膨胀率为无量纲指标,故通过黏性土电阻率结构参数去除孔隙率影响,建立了无量纲综合电阻率指标Er与膨胀率之间的关系,以供后期膨胀土的膨胀率预测。     

基于湿度应力场理论的硬石膏岩膨胀试验研究

传统的湿度应力场理论处理硬石膏围岩膨胀问题时,未反映膨胀特性与湿度状态之间的时变关系。以该理论为基础,设计硬石膏岩膨胀试验：不同初始湿度下的膨胀,不同浸水时间的膨胀,以及膨胀后的抗拉强度测试。试验发现：随初始湿度的增加,硬石膏岩膨胀持续的时间增长,最大膨胀应变和应力增大,终止时的吸水率和结晶水率增加,而自由水率近于0;相同初始湿度下,随浸水时间增加,其吸水率先快速后缓慢增加,结晶水率逐渐增大到接近于吸水率,自由水率逐渐减小到接近于0;随吸水率的增加,其最大轴向膨胀应变、最大侧向膨胀应力和抗拉强度都呈增大趋势。根据试验结果,建立了湿度状态时变系列方程以及含时间效应的膨胀本构模型。     

膨润土加砂混合物膨胀特性研究

通过有荷膨胀试验,对膨润土加砂混合物的膨胀特性进行了研究,分析了膨胀应变与轴向应力、膨胀应变与吸水量以及轴向应力与吸水量之间的关系,并建立了能综合反映轴向应力和吸水量对膨胀应变影响的混合物膨胀本构关系式。试验研究表明,膨胀应变随着轴向应力的增大而减小,两者之间的关系可以采用对数线性关系来表达;吸水量的变化对膨胀应变有明显的影响,膨胀应变随吸水量的增加而线性的增大;而吸水量受到轴向应力的影响,随着轴向应力的增大,吸水量减少,在轴向应力一定时,吸水量会达到一个最终的饱和值。由于考虑了膨胀变形过程中吸水量的变化,所建立的膨胀本构关系式能较好地反映膨润土加砂混合物的膨胀特性。     

卢氏膨胀岩湿胀软化特性研究

为研究卢氏膨胀岩湿胀软化特性,开展了膨胀性试验和常规三轴试验。并将泡水前后的膨胀岩进行扫描电子显微镜实验(SEM)和氮气吸附实验(NA)。为充分考虑膨胀岩内部的颗粒之间胶结作用和原始结构,试验样品采用原状膨胀岩。试验研究结果表明:膨胀岩吸水膨胀具有明显的各向异性,轴向膨胀率大于径向膨胀率且在1.5倍左右;随着相对含水率的增加峰值强度呈先快速降低再缓慢降低的变化趋势;弹性模量和粘聚力随着相对含水率的增加而减小;在围压保持不变的情况下随含水量的增加膨胀岩破坏形式由张拉破坏、张剪破坏向剪切破坏转变并且膨胀岩破坏时表面裂缝增多。微观试验结果显示泡水后膨胀岩微观结构裂隙比泡水前增多,孔隙发育明显,这是膨胀岩软化的根本原因。     

膨润土加砂混合物膨胀特征试验研究

运用自行研制的膨胀仪对膨润土加砂混合物进行了一系列膨胀力及膨胀应变等膨胀特性的试验研究,分析了膨胀力随时间的变化规律、两向膨胀力之间的关系和膨胀应变与时间及吸水量之间的关系。试验研究表明,膨润土加砂混合物的最大膨胀力以及最大膨胀应变主要取决于混合物的最初干密度和膨润土含量,并且随着二者的增大而增大;膨润土加砂混合物的水平膨胀力与竖向膨胀力之比随着混合物干密度的增大减小,并且与干密度近似成线性关系;不同膨润土含量的膨润土加砂混合物的膨胀应变与时间成双曲线关系,与吸水量近似呈S型曲线关系,并且其最大膨胀应变与膨润土含量存在指数关系。试验结果对高放废物深处置库中的缓冲回填材料设计具有一定的参考价值。     

卢氏膨胀岩湿胀软化特性研究

为研究卢氏膨胀岩湿胀软化特性,开展了膨胀性试验和常规三轴试验。并将泡水前后的膨胀岩进行扫描电子显微镜（SEM）试验和氮气吸附（NA）试验。为充分考虑膨胀岩内部颗粒之间的胶结作用和原始结构,试验样品采用原状膨胀岩。试验研究结果表明：膨胀岩吸水膨胀具有明显的各向异性,轴向膨胀率大于径向膨胀率且在1.5倍左右;随着相对含水率的增加,峰值强度呈先快速降低再缓慢降低的变化趋势,弹性模量和黏聚力呈增加趋势;在围压保持不变的情况下,随着含水率的增加,膨胀岩破坏形式由张拉破坏、张剪破坏向剪切破坏转变,并且膨胀岩破坏时表面裂缝增多。微观试验结果显示,泡水后膨胀岩微观结构裂隙比泡水前增多,孔隙发育明显,这是膨胀岩软化的根本原因。     

岩石膨胀性试验注意事项探讨

从室内试验的角度来探讨几类工程勘察中岩石常用膨胀性试验(自由膨胀率、膨胀力、侧向约束膨胀率、耐崩解)的注意事项,从野外取样、标准样品制取、试验操作、方法选择等方面进行了论述,力求减小试验误差,提高膨胀岩的试验水平,保证试验结果的准确性,并使膨胀岩膨胀性指标的测定方法更臻完善。     

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     

砌块干密度对回填施工接缝砌块体系的膨胀特性影响研究

通过室内模拟试验,采用膨润土粉末对压实膨润土砌块之间的接缝区进行二次填充,利用自主设计的刚性壁膨胀仪,以砌块干密度为基本变量,对恒体积条件下不同干密度砌块接缝以及砌块顶部的膨胀应力进行监测,分析接缝密封后砌块体系的膨胀特性。试验表明:经二次填充后的含接缝砌块体系,其膨胀应力优先向接缝区域发展,径向膨胀应力发展快于轴向,有利于砌块接缝区域的封闭。在相同接缝充填的条件下,随着砌块初始干密度的增大,砌块体系接缝区域的最终膨胀应力增大,到达最大膨胀应力时间缩短,接缝区域愈合速度加快。由于接缝的存在,砌块区膨润土吸水膨胀后首先对接缝内孔隙进行充填,轴向应力降低,产生“应力补偿”现象。砌块干密度越低,应力补偿现象越明显。根据砌块的轴向应力曲线将砌块轴向应力发展过程分为3个阶段:快速增长阶段、稳步发展阶段和应力调整阶段。其中快速发展阶段主要受砌块初始干密度的控制,而稳步增长阶段则受到水分迁移、侧壁摩擦力以及接缝愈合速率的影响更多。相较于完整样,含充填接缝的砌块体系膨胀应力分布状态趋向于等向应力分布,提高了整个屏障体系的均质化程度。     

膨胀土膨胀模型及边坡工程应用研究

膨胀土吸湿膨胀往往会导致工程安全问题。以南阳中膨胀土为研究对象,通过改良试样进水控制系统、测量外体变等措施,实现三轴应力状态膨胀试验,研究充分吸湿引起的体积膨胀率、终了含水率与初始含水率、平均主应力之间的规律关系。试验发现：三轴应力状态下的体积膨胀率与终了含水率均随平均主应力的增大而减小,且在半对数坐标中均呈较好的线性关系,据此建立了三轴应力状态的膨胀模型。将该膨胀模型应用到数值计算中,分析了考虑膨胀变形对膨胀土边坡应力场分布的影响规律,比较了充分吸湿条件下不同膨胀等级的膨胀土边坡的塑性区发展特征,并针对不同厚度换填处理措施进行了效果验证。研究表明：该膨胀模型表达式简洁,参数求取简单,用于数值计算成果合理可靠,具有较强的实用性。     

Study on the Fractal Model of Erosion of Soft Rock by Water Immersed: Case Study Erosion of Metamorphic Slate

One of the characteristics of soft rock that contains clay and engineering geology is water swelling and.disintegration. The fractal model of slate disintegration is established by Gate Gaudin Sehuhmann distribution function, representative slate samples are chosen to perform laboratory tests of slaking, and the fractal dimension value of slate disintegration change law with time is obtained. The results show that absorbing water and disintegrating progress of slate is also a progress that fractal dimension of slate scrap change successively, when disintegrating of slate arrived to some extent, grade of scrap of slate disintegrated is no more change, fractal dimension of scrap of slate disintegrated incline to a critical value. The disintegration of slate has lag phenomenon in time. The initial disintegration time and the maximum disintegration fractal dimension of rocks are different because of the different microstructure and material composition.

     

渠道刚性衬砌层(板)冻胀受力试验与防冻胀破坏研究

对渠道受冻胀时其刚性衬砌层(板)受冻胀力的情况进行了室内模型测试试验, 结果表明: 其边坡衬砌层(板)所受的冻胀力是平行于该衬砌层(板)的切向冻胀力, 该力大小及正负与渠床土含水量沿渠道横断面高度的分布直接相关. 另外, 渠道边坡衬砌层(板)和其下冻土层之间冻结约束的存在与否是边坡衬砌层(板)会不会受冻胀力的必要条件, 若此约束存在, 则可能受冻胀力, 若此约束不存在(被解除), 则其不可能受冻胀力. 从对试验结果的分析中, 还找到了造成渠道刚性衬砌层(板)冻胀破坏的最终原因, 并据此提出了一些针对性很强的防治渠道冻胀破坏的方法.     

万福煤矿不同含水率砂岩蠕变力学特性试验研究

为研究深部巷道围岩在地下水作用下的长期蠕变力学特性,采用自主研制的深部软岩五联流变试验系统,开展不同含水率(0%、0.8%、1.6%、2.4%、3.3%)下砂岩吸水软化单轴压缩试验及单轴蠕变试验。通过试验结果研究表明：砂岩的单轴抗压强度、弹性模量和蠕变破坏应力与含水率呈指数下降关系,蠕变破坏应力与单轴抗压强度的比值在0.76～0.84之间;砂岩衰减蠕变阶段时间随着含水率的增加而减少,随应力水平的增加而增加。径向应变比轴向应变先进入稳态蠕变阶段,破坏应力下径向应变的加速蠕变阶段开始时间要先于轴向应变;基于稳态蠕变速率曲线确定了砂岩的长期强度,径向稳态蠕变速率确定的值略小于轴向,长期强度与含水率之间满足负指数关系;将蠕变试验中径向应变与轴向应变之比定义为μ_c,提出了基于μ_c值的岩石长期强度确定方法且μ_c值与含水率无关,对于本次砂岩样品可以认为μ_c值大于0.3时样品会在一定时间内发生加速蠕变破坏;随着含水率的增加,样品破坏形态由单斜面剪切破坏逐渐演变至X状共轭斜面剪切破坏。研究结果为地下水作用下巷道长期稳...     

膏溶角砾岩侧限膨胀特性试验研究

研究了膏溶角砾岩的侧限膨胀特性及其影响因素。这种岩石受到扰动后可吸水发生膨胀变形使其结构发生变形甚至破坏。通过GDG高压固结仪采用平衡加压法和充分膨胀法研究了侧限情况下岩石的膨胀力指标, 解释了充分膨胀法膨胀力指标大于平衡加压法膨胀力指标的原因。通过试验研究了供水充足条件下膏溶角砾岩侧限自由膨胀变形演化规律, 阐述了膏溶角砾岩侧限膨胀变形的影响因素。岩石试样采自山西石太客运专线太行山隧道, 试验结果表明, 膏溶角砾岩的膨胀特性不同于常规的膨胀岩, 其轴向膨胀变形随含水率增加而增加, 随密度增大而减小。     

压力水作用下硬石膏岩膨胀性研究

针对隧道工程中硬石膏围岩在压力水作用下的膨胀现象,设计加工了多功能膨胀仪。使用该仪器及MTS815岩石力学测试系统,对不同水压条件下硬石膏岩的轴向膨胀应变及侧向膨胀应力进行了测试,对压力水作用后硬石膏岩的含水状态及力学特性进行了测试。结果表明：水压越大,硬石膏岩的最大轴向膨胀应变及最大侧向膨胀应力越大,膨胀起始时间越短;随水压的增大,硬石膏岩的吸水率增大,结晶水率逐渐增大并趋于吸水率,而自由水率逐渐减小并趋于0;硬石膏岩的弹性模量和峰值强度随水压的增大而增大。这些说明水压能影响其含水状态,增强硬石膏岩的膨胀性,促进其膨胀的激活,提高其力学性能。基于试验结果,建立了压力水作用下的硬石膏岩吸水状态方程,并改进了湿度场理论体系中的膨胀本构模型。