深埋碳质千枚岩力学特性及其能量损伤演化机制

为揭示深埋碳质千枚岩的遇水软化损伤特性和微层理结构的各向异性,开展了不同层理角度和不同含水状态下的千枚岩力学试验。并基于能量损伤演化机制分析了层理角度和含水状态对千枚岩储能机制和释能机制的影响。研究结果表明：深埋碳质千枚岩的各向异性特性和遇水软化效应是千枚岩内部的沉积层理、层状薄片矿物和高黏土矿物成分导致的固有特性;其破坏机制及其强度各向异性主要受控于层理面间的弱胶结作用,这种弱面效应会随着围压的增大而降低;千枚岩遇水后其力学特性和脆性被弱化,宏观破坏角增大,表现出张拉破坏减弱,剪切破坏增强;基于弹性能和耗散能比例曲线的S型变化规律与能量演化规律,将岩石的渐进破裂演化过程划分为4个阶段,并采用能量损伤演化理论探讨了I型和II型两种典型岩石破坏方式的能量机制及其损伤演化机制;层理方向和含水状态对千枚岩的储能能力具有较大影响,其中层理方向对千枚岩的释能机制和损伤破裂演化机制影响不大,而千枚岩的储能与释能机制则对含水状态的变化更为敏感。     

深埋炭质板岩隧道的大变形分级研究

为合理实现炭质板岩隧道的大变形分级,以木寨岭隧道大变形段五个监测断面的监测成果为基础,利用极限位移准则实现其现状分级,利用递进优化思路构建隧道大变形预测模型,并根据外推预测结果的速率均值实现大变形发展趋势分级。结合隧道大变形的现状分级和发展趋势分级结果,开展隧道大变形发育程度的综合评价。实例分析表明：在大变形现状分级过程中,不同位置处的大变形等级存在一定差异,其中,以DK180+960 m断面的大变形程度相对最为严重,属Ⅴ级-极严重,其余四个断面的大变形等级为Ⅳ级-严重;通过发展趋势分级,得DK180+940 m断面和DK180+960 m断面的大变形发展趋势等级为2级,其余三个监测断面属1级,均具持续增加趋势,趋于不利方向发展。结合前述大变形现状分级和发展趋势分级结果,综合得出DK180+960 m断面的大变形最为不利,其次是DK180+940 m断面,其余三个断面的大变形程度相似。因此,可根据断面的大变形综合评价结论来制定具有针对性的防治措施,以达到优化现场防治措施的目的。     

西部某强风化炭质板岩隧道变形力学机制及大变形控制方法研究

为解决国家兰海高速(G75)定西段岷县隧道在建设过程中原支护设计方案出现的软岩大变形问题, 通过软岩类型分析、围岩变形力学机制分析, 提出针对不同力学机制的力学转化对策, 引入在矿山及边坡等岩石领域广泛应用的高预紧力恒阻大变形锚索, 提出了"超前支护+长短NPR锚索优化布置主动支护+钢拱架+混凝土喷浆永久支护"的高预应力主被动联合支护技术。通过数值模拟和现场监测效果对比研究, 结果表明, 现场试验段围岩最大变形量仅为73 mm, 恒阻大变形锚索的预紧力均在280~300 kN范围内, 可见优化后不同支护技术均对围岩变形起到了控制作用, 有效发挥了恒阻让压支护的作用, 控制效果明显。     

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...     

基于裂纹体应变的深埋大理岩加、卸荷破坏机制研究

为了弄清深埋硬岩的加、卸荷破坏机制,系统开展了深埋大理岩的常规三轴试验、保持 不变的卸围压试验和变 的卸围压试验等。以裂纹体应变为主要分析变量,结合体应变、等效塑性应变等参量深入分析上述不同应力路径下硬岩的破坏过程。运用裂纹体应变-轴向应变曲线、等效塑性应变-轴向应变曲线和轴向应力-应变曲线来解释岩石破坏过程所产生的现象与规律。结果表明：在裂纹闭合阶段岩样裂纹闭合的变化程度（裂纹体应变改变的大小）可以反映岩石的初始损伤程度;裂纹闭合阶段对岩石弹性模量的计算有重要的影响,需要根据合适的阶段划分,消除裂纹闭合阶段对弹性模量计算的影响,进而得到较为准确的弹性模量;在卸围压点处岩石的可闭合程度突然增加,裂纹体应变-轴向应变曲线发生突变;岩石卸荷破坏过程中裂纹扩展存在滞后性。研究成果有助于进一步理解深埋硬岩的加、卸荷破坏过程和机制,为深埋隧洞的灾害防治提供理论依据。     

北疆侏罗系与白垩系泥质砂岩物理力学特性对比分析及其能量损伤演化机制研究

特殊的地理、气候条件及工程地质的复杂性决定了在北疆地区软岩地层中修建引水隧洞的设计施工难度较大。隧洞成拱效应与围岩自稳能力差,围岩渗透性强,遇水软化特性显著,极易产生软岩大变形甚至坍塌失稳灾害。为进一步研究北疆地区侏罗系与白垩系泥质砂岩的物理力学性质、遇水软化特性与能量损伤演化机制,开展了二者的单轴压缩、常规三轴与单轴蠕变试验。研究结果表明：两种岩石均富含黏土矿物,白垩系泥质砂岩的粒径分配更好,但其胶结程度较差,导致其强度稳定性与地层波速相对较低。低围压条件下,两者均以环向变形与体积扩容为主,但随着围压升高,其破坏模式由体积扩张过渡到体积压缩类型。高围压加载会造成岩石内部损伤,从而导致其抗压强度的降低。遇水后,两种岩石的延塑性与应变软化特性均明显增强,白垩系泥质砂岩的遇水软化特性更为显著。白垩系泥质砂岩的蠕变特性更为显著,两者的长期强度接近其单轴压缩损伤应力值。两种泥质砂岩的能量损伤演化过程均呈现S型变化规律,侏罗系泥质砂岩的能量硬化特性更为显著,白垩系泥质砂岩会更早地进入到能量硬化与能量软化阶段。     

低渗砂岩储层裂缝发育及演化特征

随着石油工业的发展,低渗透油气藏所占比例越来越大,低渗透砂岩储层中的裂缝能够起到很好的储集和导流作用,对裂缝的研究具有十分重要的意义。牛庄洼陷牛35断块沙三中发育低渗透砂岩,为主要含油层系,前人对研究区低渗砂岩储层中的裂缝研究较少。运用岩心观察、镜下薄片观测及CT扫描技术对牛35块沙三中低渗致密砂岩储层裂缝的发育及演化规律进行研究,得出牛35块宏观裂缝主要发育低、高角度斜交剪切缝,长度在2～20 cm之间,分布间距大,但整体裂缝密度仅为0.27条/m,裂缝很不发育,难以构成有效的裂缝系统;微观裂缝较发育,包括粒内缝和粒间缝,改善了储层的连通性,有助于油气的储集和运移;与牛104井、河125-1井相比,牛35井岩石矿物接触关系更加不稳定,胶结程度更低,更容易在荷载作用下产生裂缝,裂缝由上到下呈辫状发育,裂缝体积随着施加荷载的增大呈线性增加。     

沪昆客专姚家隧道板岩宏观崩解特性及微观机理研究

针对板岩遇水软化、崩解的特点,以沪昆客运专线长昆湖南段CKTJ-IX标段姚家隧道DK384+080附近的板岩岩样为研究对象,进行成分、微观结构测试和浸水崩解试验,分析板岩的宏观崩解特性和微观机理。试验结果表明:随着干湿循环次数的增加,粒径大于2 mm的崩解物颗粒逐步向小于2 mm粒径区间过渡;对于不同风化程度的板岩,粒径大于2 mm的崩解物向其它粒径区间过渡的程度不同;风化程度越高,板岩的耐崩解性指数越低,其抵挡软化、崩解的能力越差;板岩的矿物成分、结构构造和充填胶结特征等内部因素对其崩解性起着控制作用,地理气候条件等外部因素是引起板岩崩解的诱发条件,各因素的作用效力和作用时间的不同使板岩的崩解强弱程度不尽相同。     

Fracture energy release and size effect in borehole breakout

The paper presents a simple approximate analytical solution of the remote stresses that cause the collapse of a borehole or other circular cylindrical cavity in an infinite elastic space. Regions of parallel equidistant splitting cracks are assumed to form on the sides of the cavity. Their boundary is assumed to be an ellipse of a growing horizontal axis, the other axis remaining equal to the borehole diameter. The slabs of rock between the splitting cracks are assumed to buckle as slender columns, and their post-critical stress is considered as the residual stress in the cracked rock. The buckling of these slab columns is assumed to be resisted not only by their elastic bending stiffness but also shear stresses produced on rough crack faces by relative shear displacements. The energy release from the infinite medium caused by the growth of the elliptical cracking region is evaluated according to Eschelby's theorem. This release is set equal to the energy dissipated by the formation of all the splitting cracks, which is calculated under the assumption of constant fracture energy. This yields the collapse stress as a function of the elastic moduli, fracture energy, ratio of the remote principal stresses, crack shear resistance characteristic and borehole diameter. The collapse stress as a function of crack spacing is found to have a minimum, and the correct crack spacing is determined from this minimum. For small enough diameters, the crack spacing increases as the (4/5)-power of the borehole diameter, while for large enough diameters a constant spacing is approached. In contrast to plastic solutions, the breakout stress exhibits a size effect, such that for small enough diameters the breakout stress decreases as the (? 2/5)-power of the borehole diameter, while for large enough diameters a constant limiting value is approached. Finally, some numerical estimates are given and the validity of various simplifying assumptions made is discussed.     

软板岩膨胀特性试验及微观机制分析

针对软板岩内部特殊的构造及其遇水膨胀的特点,以湖南省怀化芷江地区的板岩为例,选取14组岩样分别进行矿物成分、微观结构测试和侧向约束膨胀试验,研究软质板岩的膨胀特性及其微观机制。结果表明:软质板岩侧向约束膨胀率与吸水时间之间呈指数函数关系,在试验早期,侧向约束膨胀率随吸水时间的延长而增大,且增长速率较快,侧向约束膨胀率-吸水时间关系曲线较陡;在试验后期,侧向约束膨胀率趋于稳定,侧向约束膨胀率-吸水时间关系曲线由陡变缓。侧向约束膨胀率随着吸水率的增长呈乘幂函数关系增长,在试验早期增长较快,而后增长速率变小,直至最后趋于稳定。轴向膨胀率随轴向荷载的增加呈负对数函数减小,初期减小幅度较大,后期逐渐变低。结构面方向和试样轴向的夹角α在区间[0°,90°]之间变化时,极限侧向约束膨胀率随着夹角α的增大而减小。     

板岩流动变形破坏的各向异性

大试伯单轴蠕变实验表明，板岩流动变形破坏受结构面控制。即使在同一方向应力作用下，也表现了平行走向、反倾向、顺倾向方向的差异。本这是板岩流为形破坏各向异性的另一种表现形式。     

钠基蒙脱土水合演化机制

为了查明钠基蒙脱土的水合演化过程,以天然钠基蒙脱土为研究对象,开展在相对湿度（ ）为0～0.98区间的水汽等温吸-脱附试验,通过吸附速率曲线、BET曲线界定钠基蒙脱土各水合阶段及相应的水合主控因素;通过测定晶层 值变化规律,从吸附水影响黏土矿物晶层厚度的角度探讨钠基蒙脱土的水合演化特征;基于傅里叶红外光谱,从水分子结构伸缩振动信息角度对钠基蒙脱土水合演化过程进行定性定量验证;通过热重/差热分析,以吸附水相变所需能量与吸附水重量变化的角度解释钠基蒙脱土的吸附水特征与其水合机制的关系。试验结果表明：在较低相对湿度下（0 0.15）,以钠基蒙脱土矿物外表面吸附为主,形成表面吸附水;0.15 0.40为钠基蒙脱土层间阳离子水合阶段;0.40 0.98,为晶层内外表面水合阶段,水分子逐步完整的包裹蒙脱土,形成多层吸附层。钠基蒙脱土的水合演化过程受控于层间钠离子与晶层基面,层间钠离子的水合能影响了钠基蒙脱土水合演化的起始顺序。     

板岩地基渗漏性及帷幕处理设计

板岩隔水是相对的。随着水库规模不同,其透水性亦不同。总结和掌握板岩水文地质特性,结合所建工程规模大小,作出技术可行、经济的防渗处理,对工程勘察设计和施工都有着重要意义。本文通过对板岩风化、渗漏规模进行总结、归纳和分析,提出了板岩区水土建筑物防渗处理设计的一般方法。     

富铜斑岩岩浆形成机制与演化过程

斑岩铜矿在现代经济和科学中扮演了重要的角色,已成为一种最重要的铜矿床类型。自Schwartz(1947)首次使用"斑岩铜矿(porphyry copper deposit)"术语以来,地质学家对其开展了系统研究,取得一系列重要进展。本文对斑岩铜矿成矿岩浆形成机制及演化过程的研究进展进行了总结与回顾。结果显示,富铜斑岩岩浆的形成经历了在洋壳俯冲或大陆岩石圈地壳拆沉机制下形成含矿岩浆,中间岩浆房岩浆的结晶分异与成矿流体、成矿物质的富集,以及富成矿流体与成矿物质的岩浆(富矿斑岩岩浆)上侵至地壳浅部结晶固化并与围岩、地下水相互作用等过程,斑岩铜矿是该"生产线"的"终端产品"。最后,本文对斑岩铜矿形成机制待进一步研究的一些问题进行了思考与概括。     

深埋顶管顶力理论计算与实测分析

针对管幕预筑法中深埋顶管顶力进行理论和实测分析。顶管顶力与垂直土压力密切相关。参照隧道开挖中垂直土压力的计算方法,常用的垂直土压力计算理论有：普氏理论和太沙基理论。在详细分析了这两种垂直土压力计算理论的适用性和缺陷之后,结合普氏理论和太沙基理论,提出了改进的垂直土压力计算理论公式,并编写MATLAB程序计算改进理论公式的数值解。改进理论既考虑了土拱效应,又考虑了拱下土体的挟持力,更符合实际土体变形情况。将普氏理论、太沙基理论和改进的理论应用于沈阳地铁新乐遗址站管幕预筑法顶管工程中,计算不同深度的两根大埋深管道顶力,并把计算与实测结果进行比较,发现普氏理论和太沙基理论计算结果都远大于实测值,改进理论计算结果稍大于实测值,更适合于深埋顶管顶力估算。     

温度冲击下煤的微观结构变化与断裂机制

为研究温度冲击下煤的微观结构变化及其损伤断裂机制,以干燥颗粒煤为研究对象,分别开展了煤样的冷冲击和热冷冲击试验。利用扫描电镜（SEM）观测图像结果,分析对比了两种温度冲击前后煤样微观形貌、裂缝分布、开裂和延伸情况,结合断裂力学理论分析了煤样内部微裂缝的开裂机制和扩展方向,并通过ANSYS有限元软件模拟了微裂缝扩展时的应力场和位移场的分布情况,揭示了煤样的断裂机制。研究结果表明,两种温度冲击对煤的结构均造成了不同程度的破坏,温度冲击所形成的热应力最终导致了原始裂纹和新生裂纹的扩展和延伸;温度冲击下所产生的裂纹形式主要有沿晶裂纹、穿晶裂纹、翼型裂纹、交叉裂纹、枝须状裂纹和网状裂纹;分析结果表明,温差愈大,所产生的温度热应力愈大,热冷冲击所产生的裂缝的数量更多、扩展更充分,对煤样的破坏更严重,因此,热冷冲击的破煤效果更好。     

水泥基速凝浆液裂隙扩散机制与压力特性试验研究

水泥基速凝浆液广泛应用于富水裂隙围岩注浆工程。为研究水泥基速凝浆液在裂隙注浆中的扩散机制与压力特性,选取水泥-水玻璃浆液及高聚物改性水泥浆液,采用不同水灰比及混合体积,开展了静水条件下单一平板裂隙的注浆扩散模型试验,通过监测浆液的注浆扩散形态和注浆过程中不同测点的压力变化,研究了水泥基速凝浆液的静水扩散规律和注浆扩散压力分布规律。试验结果表明,水泥-水玻璃浆液和高聚物改性水泥浆液具有相似的扩散形态和压力分布变化,两者的显著差别在于高聚物改性水泥浆液扩散所需的注浆压力明显小于水泥-水玻璃浆液,且凝结固化时间相对较长,有利于延长注浆扩散距离。研究结果应用于张马屯铁矿注浆堵水工程,解决了裂隙岩体渗漏水问题,实现了围岩稳定性控制。研究成果具有一定的理论和实践意义,对类似工程具有参考价值。