横向锚固大试块岩体单轴压缩力学特性数值试验研究

锚固技术是岩土工程中的一个主要支护手段之一,如何揭示锚索（杆）与岩石的复合作用机制锚固和失效形态,越来越成为关注的焦点。采用FLAC数值方法,对大试块横向含锚岩体的单轴压缩条件下力学性态进行了试验研究,结果表明：锚索（杆）与围岩的复合增强机制不仅与外载的大小有关,而且与锚固界面的力学性质有很大关系。随着锚固界面凝聚力的减小,锚固界面和锚索轴向的应力值都将减少,即锚索（杆）增强承载能力下降。当凝聚力减小到一定数值时,锚索（杆）将脱黏而产生滑动,导致锚固失效,因此,提高锚固界面的黏结力是保证锚固效果的关键之一。大试块锚固体的实验室岩石力学试验无论是试块加工还是试验过程,将十分困难和繁琐。采用数值模拟方法代替实验室试验,具有省时、经济、可视性强等优点,是今后研究锚固体力学性态的重要途径,具有推广应用价值。     

极弱胶结岩石物理力学特性及本构模型研究

极弱胶结岩石成岩时间晚,胶结差,强度低,易风化,遇水泥化崩解,特殊的成岩环境和沉积过程形成其独特的物理与力学性质。X射线衍射试验表明,极弱胶结岩石的黏土矿物成分以高岭石为主,其含量高达54%～69%。微观结构为蜂窝状、孔隙多且连通性好,整体结构性较差,遇水易发生水化反应,造成其孔隙率增加与强度降低,在自然条件下极易风化,短时间暴露即开裂。使用MTS 815岩石力学试验系统进行极弱胶结岩石的单轴与三轴压缩试验,获得极弱胶结岩石全应力-应变曲线,揭示了极弱胶结岩石峰后应变软化与扩容变形特性。试验结果表明,岩样破坏前后具有明显的体积膨胀特性,随着围压的提高,峰后体积膨胀特性逐渐减弱。基于裂纹体积应变模型,分析了极弱胶结岩石扩容大变形破坏机制,揭示了岩体强度与扩容参数随等效塑性应变的演化规律,建立了峰前损伤扩容与峰后破裂扩容屈服准则,构建了极弱胶结岩石扩容大变形本构模型。     

差异含水率下全风化混合花岗岩抗剪强度与微观结构试验研究

全风化混合花岗岩是一类成因极为特殊的岩石,当前对其力学性质和微观结构研究极少。为探究临沧全风化混合花岗岩宏观强度特性与微观结构间的联系,对不同含水率试样开展三轴试验和扫描电镜测试,提取计算表征颗粒和孔隙尺寸、形态与定向特征的微观结构参数,对比分析这些微观结构参数的变化规律,揭示了控制全风化混合花岗岩宏观强度特性的微观机制。研究结果表明：随着含水率升高,试样应力-应变曲线表现出差异化的硬化特征,抗剪强度显著劣化,内摩擦角呈线性趋势衰减,而黏聚力则上下波动;低含水率状态下,试样孔隙分布以微、小孔为主,颗粒形态多为角状和次角状的长条形且具有一定的定向性;随着含水率升高,孔隙含量呈上升趋势,形成了分布均匀的蜂窝状中、大孔且在轴向荷载作用下更容易被压缩,颗粒的形态向圆形发展,整体分布表现为混乱无序,定向性较差。全风化混合花岗岩的力学性质表现本质上是微观颗粒、孔隙结构相互作用的结果,含水率升高弱化了粗颗粒间的摩擦性,黏土颗粒遇水产生不均匀膨胀,在微观层面上直接导致孔隙的贯通、粗化以及充填结构的损伤、破坏,继而在宏观层面上表现出力学性能下降。研究成果为全风化混合花岗岩力学性质及微观结构损伤演化的认知...     

长期注水对致密砂岩油藏岩石力学性质影响机制研究

注水开发是致密砂岩油藏增产的重要手段,长时间注水会改变地层岩石物理力学性质,影响油井产量。为探究长时间注水对地层岩石物理力学性质影响的微观机制,选取同一储层已注水15a及尚未注水岩芯进行对比试验分析。通过试验得到了注水前后地层岩石在弹性力学参数、矿物成分、微观孔隙结构等方面的差异。长时间注水后,岩石矿物成分及内部结构发生变化,主要表现为黏土矿物及方解石含量降低,岩石颗粒间填充物及胶结物大量减少,中小孔隙发育为大孔隙,孔隙度增大,进而导致致密砂岩力学性质弱化,变形能力增大。     

巴东新城区紫红色泥岩工程地质性质研究

通过地质调查及大量岩土力学试验,对巴东新城区中三叠统巴东组二段T2b2紫红色泥岩工程地质性质进行了综合研究。测定了岩石的矿物成分及微观结构和岩石的物理及水理性质参数。由不同含水状态下的室内崩解试验发现,紫红色泥岩具有较强的崩解特性,且与岩石的物理状态密切相关,试验得到岩块的力学性质指标和变形特征。进行了点荷载试验,对不同风化程度和不同物理状态下的岩石的工程地质性质进行了分析,并指出其对工程的影响。     

矿物成分和细观结构与岩石材料力学性质的关系

岩石材料的宏观力学性质取决于其矿物成分和细观结构。使用材料试验机,测定了岩浆岩、化学沉积岩以及碎屑沉积岩9种岩样的力学性质参数。采用X射线衍射方法,测定了相应岩样的矿物成分。使用扫描电镜,观测了相应岩样的细观结构。分析了矿物成分和细观结构分别与力学性质参数的定性关系。对各组岩样的研究分析表明:存在于颗粒边界的裂隙会显著降低岩样的抗拉强度,长石矿物是岩样脆性的主要来源,颗粒大小和面理结构会对岩石的内摩擦角造成显著的影响,细晶花岗岩中较高的方解石含量使其抗压强度和弹性模量较小,细晶花岗岩中石英含量较高,其粘聚力较大;石盐晶体的细小与紧密堆积,造成了相应岩样的膨胀或蠕变特性,有机质的存在会对岩盐的力学性能产生显著的弱化;岩样中颗粒间的弱带,会弱化岩石材料的力学性能。深灰色泥岩中石英胶结物的次生加大现象,使得深灰色泥岩的力学性能得到提高。     

岩石锚杆锚固段荷载分布试验研究

岩石锚杆锚固段荷载分布规律是岩土锚固技术的关键问题之一。在拉拔试验锚杆杆体测点应变数值采集的基础上,利用复合幂函数和高斯函数对实测数据进行曲线拟合,获得了临界破坏状态下的锚固段轴力及剪应力分布情况。试验结果表明：岩石锚杆锚固段剪应力的分布集中在锚固段的前部;高斯函数可以较好地描述临界破坏状态下锚杆杆体的轴力分布;界面破坏出现在界面峰值抗剪强度远大于界面所能提供的黏结强度情况下。研究结果为锚杆的设计与计算提供了理论依据。     

砂浆受腐蚀锚固体的锚固特性试验研究

采用室内加速腐蚀试验方法,研究了砂浆受腐蚀后砂浆锚杆锚固体的锚固特性变化情况。通过对不同腐蚀阶段砂浆锚杆锚固体中锚杆-砂浆界面以及砂浆-基体界面的黏结强度及荷载-位移关系的测试及分析,得到了界面黏结特性随砂浆腐蚀时间的变化关系。结果表明：随着砂浆受腐蚀程度的增加,锚杆-砂浆-基体三者界面间的黏结强度均呈线性下降,锚杆-砂浆界面间剪切刚度随着腐蚀时间的增加而减小,而砂浆-基体界面间的剪切刚度受砂浆腐蚀程度的影响不大,但界面间的化学胶着力会随砂浆腐蚀程度的增加而降低。     

矿物成分和细观结构与岩石材料力学性质的关系

岩石材料的宏观力学性质取决于其矿物成分和细观结构。使用材料试验机,测定了岩浆岩、化学沉积岩以及碎屑沉积岩9种岩样的力学性质参数。采用X射线衍射方法,测定了相应岩样的矿物成分。使用扫描电镜,观测了相应岩样的细观结构。分析了矿物成分和细观结构分别与力学性质参数的定性关系。对各组岩样的研究分析表明:存在于颗粒边界的裂隙会显著降低岩样的抗拉强度,长石矿物是岩样脆性的主要来源,颗粒大小和面理结构会对岩石的内摩擦角造成显著的影响,细晶花岗岩中较高的方解石含量使其抗压强度和弹性模量较小,细晶花岗岩中石英含量较高,其粘聚力较大;石盐晶体的细小与紧密堆积,造成了相应岩样的膨胀或蠕变特性,有机质的存在会对岩盐的力学性能产生显著的弱化;岩样中颗粒间的弱带,会弱化岩石材料的力学性能。深灰色泥岩中石英胶结物的次生加大现象,使得深灰色泥岩的力学性能得到提高。      

基于FAST-1新型高强快速锚固剂的筋-浆-岩黏结性试验

为了研究FAST-1新型高强快速锚固剂的锚固性能及最佳锚固长度,通过连续荷载作用下的极限拉拔试验,从多个方面研究了基于FAST-1新型锚固剂的筋-浆-岩体系的黏结性能。研究发现：该新型锚固剂具有早期强度高的特点,24 h即可达到设计强度;其水料比在一定范围内（0.22~0.31）会影响拉拔过程中锚固结构的破坏模式,水料比越小,黏结强度越大,但流动性也越差;锚固剂对岩层的黏结性能大于锚索,增加锚索与浆液固结体的接触面积可有效提高锚固性能。笔者选用拟合效果较好的连续曲线模型求取相对滑移,有效反映不同界面的黏结性能;优选有效的筋-浆长度计算方法,得出锚固长度与锚体长度相关,建议锚固长度取值10.0d~15.0d（d为锚索直径）。     

地热系统作用下红层软岩力学性能试验研究

地热能源是目前绿色建筑的发展趋势,但红层软岩分布地区出现的系列建筑地基病害问题与地源热系统关系尚不清楚。依托成都某建筑群事故调查项目,研究了有无地热系统作用下泥岩、石膏岩的工程特性,并基于室内试验模拟,研究了不同加热方式、不同温度及不同浸水时间等因素下岩石宏观力学特性和微观结构特征。结果表明：（1）同一场地有无地热系统对岩石力学性质影响甚微,但有地热系统时岩体中裂隙发育数量明显增多,累积张开度明显增大;（2）随着浸泡时间增加,泥岩最大含水率可达30%以上,石膏岩含水率超不过15%,泥岩浸水软化效应较石膏岩显著,二者力学指标随含水率增加呈负指数型下降,石膏岩因晶粒大小不同,离散性大;（3）天然状态下石膏岩呈脆性破坏,泥岩呈延性破坏,石膏岩水岩界面溶蚀作用效应显著,随着石膏岩由表及里溶蚀加剧,温度变化效应对岩体内生裂隙萌发起一定促进作用;（4）在20～50 ℃温度变化范围内,石膏岩抗压强度随温度呈抛物线变化,而泥岩单调升高;（5）地热管与岩体间填筑不密实容易形成渗水通道,改变水动力条件,动水作用下使石膏岩裂隙及软弱夹层溶蚀加剧,形成更大空洞,从而诱发沉降。     

水岩循环对变质砂岩微观结构损伤与宏观力学劣化影响机理研究

为研究水岩循环过程中变质砂岩矿物成分及微观结构变化对宏观物理力学参数弱化的影响,通过水岩循环试验,对变质砂岩微观矿物成分、结构在水岩循环过程中的演化机制及其与宏观物理力学参数相互关系开展了研究。研究结果表明,岩石各项物理力学指标随着水岩循环次数的增加而不断衰减,其衰减速率随循环次数增加而减缓。水岩循环后岩石抗压强度试验表明,应力-应变曲线中初始裂隙压密阶段随着循环次数的增加而出现并且变得明显,岩石试样破坏特征有随着循环次数的增加由剪切破坏向拉张破坏转变的趋势。结合XRD和SEM试验手段对矿物成分及微观孔隙平面面积的变化进行了统计,分析认为绿泥石、云母、斜长石等矿物的水化溶蚀作用以及微观孔隙的水化扩展,是造成岩石损伤的主要原因。因此,提出利用矿物成分劣化度D_m和微观结构劣化度D_c的概念来表达岩石水岩循环微观损伤量化指标,并建立了水岩循环作用下受矿物成分及微观结构影响下的岩石物理力学参数弱化的回归模型。该模型的提出能够为水岩循环下相关物理力学参数的选取提供参考。     

单轴压缩下含层理加锚岩石力学特性研究

为分析锚固方式和层理对加锚岩石力学特性影响规律,采用相似材料预制含层理岩石,室内钻取0°和90°层理标准试件,以45号钢加工而成的螺杆模拟锚杆,分别对试件进行端部锚固和全长锚固,从而得到不加锚杆、端部锚固、全长锚固3种试件,而后在MTS815岩石力学试验系统上对试件进行单轴压缩试验分析其变形、强度特征。结果表明:锚杆可提高岩石的强度,且层理方向和锚固方式影响其对强度的提高幅度。层理相同的加锚试件,全长锚固下岩石的抗压强度提高幅度大于端部锚固岩石;同一锚固方式下,90°层理加锚试件的单轴抗压强度提高幅度大于0°层理加锚试件。锚固方式不同,加锚试件的破坏形式亦有所差别。根据锚固方式不同,可将破坏形式分为剪切拉伸和剪切错断2种。锚固方式对加锚试件锚杆失效模式无影响,二者均表现为岩体与灌浆界面滑脱,但全长锚固与端部锚固所不同的是,全长锚固锚杆与岩石粘结长度更大,粘结强度更高,失效时可带出更多、更厚的岩石碎屑。     

单轴压缩下含层理加锚岩石力学特性研究EI北大核心CSCD

为分析锚固方式和层理对加锚岩石力学特性影响规律,采用相似材料预制含层理岩石,室内钻取0°和90°层理标准试件,以45号钢加工而成的螺杆模拟锚杆,分别对试件进行端部锚固和全长锚固,从而得到不加锚杆、端部锚固、全长锚固3种试件,而后在MTS815岩石力学试验系统上对试件进行单轴压缩试验分析其变形、强度特征。结果表明:锚杆可提高岩石的强度,且层理方向和锚固方式影响其对强度的提高幅度。层理相同的加锚试件,全长锚固下岩石的抗压强度提高幅度大于端部锚固岩石;同一锚固方式下,90°层理加锚试件的单轴抗压强度提高幅度大于0°层理加锚试件。锚固方式不同,加锚试件的破坏形式亦有所差别。根据锚固方式不同,可将破坏形式分为剪切拉伸和剪切错断2种。锚固方式对加锚试件锚杆失效模式无影响,二者均表现为岩体与灌浆界面滑脱,但全长锚固与端部锚固所不同的是,全长锚固锚杆与岩石粘结长度更大,粘结强度更高,失效时可带出更多、更厚的岩石碎屑。     

石鼓煤矿泥岩的物理化学力学特性研究

本文对石鼓煤矿具有代表性的三种泥岩的矿物组成、物理力学性质、物理化学因素、胶结物质和微观结构的测试和分析进行了介绍,并从物理化学力学观点出发研究了水质变化、风干失水、结构破坏等因素对泥岩膨胀性的影响。研究结果表明:泥岩的粘士矿物以高岭石和伊利石为主;其膨胀力为2～5公斤/平方厘米;粘土矿物含量高,结晶不良,胶结物质少,结构紧密是它产生膨胀且易受物理化学力学因素变化的影响的主要原因。     

不同胶结宽度粒间胶结特性试验研究

胶结砂土中水泥含量、能源土中水合物的含量会导致其宏观力学特性的差异,从微观层面可以解释为颗粒之间胶结物含量的不同所导致的粒间力学性质的差异所致。为研究不同胶结物含量的胶结颗粒的力学特性,进行了不同胶结宽度的粒间胶结试验,试验结果表明：（1）峰值压缩荷载随胶结宽度的减小呈非线性变化,宽高比对峰值荷载有明显影响;（2）峰值拉伸荷载随胶结宽度减小而线性减小,宽高比对其影响不大;（3）峰值剪切荷载和峰值扭矩由两部分组成,即胶结部分和摩擦部分。且其变化趋势相似,随着法向荷载的增大,峰值荷载先随之增大,在达到临界应力比后,峰值荷载开始减小,当应力比达到1,即胶结破坏时,胶结部分不再发挥作用,此时粒间荷载由摩擦部分提供;（4）在压-剪-扭试验中,不同初始偏心距情况下得到的峰值荷载在剪力-扭矩平面内呈椭圆状。     

基于界面滑移脱黏的锚杆合理锚固长度研究

为确定煤巷不同围岩条件下锚杆的合理锚固长度,基于锚固剂-围岩界面滑移脱黏失效模式,推导出弹性阶段锚杆极限承载力、界面剪应力分布计算公式。在分析锚固剂-围岩界面发生滑移脱黏发生条件基础上,提出既安全经济,又能充分发挥围岩可锚性和锚杆材质性能的锚杆合理锚固长度确定原则,分析了合理锚固长度的影响因素和设计流程。研究表明,锚杆弹性极限承载力主要受锚固剂-围岩界面抗剪强度[τ]影响,界面剪切刚度K_1是临界锚固长度的关键控制因素。短锚拉拔试验测取的不同围岩条件下界面参数[τ]、K_1,可为锚杆设计载荷、合理锚固长度设计提供指导。算例分析结果表明,基于锚固剂-围岩界面滑移脱黏设计的锚杆锚固长度与目前煤巷锚杆采用的锚固长度基本一致,验证了锚杆合理锚固长度计算方法与设计流程的可行性。     

动力扰动下全长黏结锚杆的力学响应特性

深部岩体工程中,锚杆在围岩变形后处于高承载应力状态,受到爆破振动、矿震等动载荷作用后极易失效,因此,亟待研究动力扰动下锚杆的力学响应机制。基于SHPB试验平台,自行研发了一套研究锚杆动力响应的试验装置,开展动力扰动下全长黏结锚杆的力学响应特性研究。结果表明：初始动载荷作用下锚杆滑移量随着入射能的增加而增加,锚杆中应力波的波峰值随着传播距离的增加而逐渐减小,当应力波传播至锚杆最里端时,应力波峰值衰减较大;第2次动载荷后锚杆SG1处与SG2处应力波峰值差明显比第1次减小,表明动载荷下锚固界面从锚杆外端开始损伤;锚杆失效与锚固界面损伤有关,锚杆承载后初次受到动载荷的影响导致锚固界面产生损伤,损伤锚固段又受到外部载荷（如二次冲击、岩体挤压）作用时会进一步劣化,其不能抵抗围岩的变形而失效。研究结果为揭示锚杆支护失效行为,采取合理的设计与施工提供新的思路。     

礁灰岩-混凝土界面剪切特性试验研究

为探究礁灰岩地层中钻孔灌注嵌岩桩的桩-岩界面剪切作用规律,试验选取南海某岛礁的块状结构、砾块结构、砾屑结构及砂屑结构礁灰岩岩芯,开展室内物理力学性质试验及常法向应力条件下的礁灰岩-混凝土界面剪切强度试验研究,探究桩-岩界面剪应力-剪切位移关系曲线的变化规律。开展红砂岩-混凝土界面剪切对比试验,揭示两种不同沉积作用类型的岩石与混凝土黏结面产生剪切强度差异的根本原因。试验结果表明：礁灰岩-混凝土界面的剪切强度受礁灰岩的结构类型、桩-岩强度比等因素影响;由于水泥浆在礁灰岩中的扩散填充作用,礁灰岩-混凝土界面的黏结力和内摩擦角均高于砂岩-混凝土界面;桩-岩强度比产生的界面剪切强度响应受礁灰岩结构类型的影响,低桩-岩强度比时,块状结构、砾块结构礁灰岩-混凝土界面的黏结力均高于高强度比条件;桩-岩强度比增大,块状结构礁灰岩-混凝土界面的内摩擦角增加,而砾块结构礁灰岩-混凝土界面的内摩擦角变化不大。     

基于毫米压痕测试获取致密砂岩弹性模量的研究

深部岩石工程安全高效开发的前提是精确获取深部的岩石力学参数。针对钻井取芯困难、成本高,室内力学试验数据少,离散性大的问题,提出了一种基于毫米压痕测试精确获取致密砂岩弹性模量的方法。采用5种常用的硬度计压头,控制最大载荷和加/卸载速率作为试验变量,对塔里木油田致密砂岩进行了大量毫米压痕测试。结果表明,采用布氏球形压头,基于Oliver-Pharr理论可以精确获取致密砂岩的弹性模量。进而,分析了布氏球形压头直径、加/卸载速率和最大载荷等试验条件对测试结果的影响规律,明确了最优试验条件;并通过有限元计算分析了受力区域应力分布规律,讨论了不同试验条件下代表性体积单元与Oliver-Pharr理论的适用性。与传统的微/纳米压痕测试相比,该方法具有测试速度快、制样方便和成本低等优点,可应用于钻井现场返排的岩屑以及难以制作标准试样的岩芯样品,为深部资源的高效开发和深部岩石工程的安全建设提供有力支撑。