考虑湿化效应的堆石料Gudehus-Bauer 亚塑性模型应用研究

在扼要分析堆石料主要力学特性的基础上,在亚塑性理论框架内,采用扩展的Gudehus-Bauer亚塑性模型对堆石料因含水率发生变化引起的湿化行为进行建模预测。扩展模型除能考虑含水率对颗粒硬度的影响外,还能反映土体密实度、应力状态和含水率等对堆石料非线性和非弹性变形的影响。将该模型应用于心墙坝初次蓄水时应力变形的亚塑性计算分析中。结果表明,扩展模型能较合理地反映心墙堆石坝的湿化变形规律。     

全风化花岗岩地层中高固相离析浆液灌浆机理研究

全风化花岗岩地层稳定性差、遇水易发生崩解,工程上使用常规材料防渗加固注浆时效果较差。针对这一情况,依托湖南省郴州市莽山水库防渗加固灌浆项目,通过自主设计的全风化花岗岩地层注浆室内模拟试验装置,进行模拟注浆试验,实现了浆液在整个注浆过程中的扩散情况模拟,对不同注浆压力、不同位置点所取试样开展单轴抗压、抗剪强度及渗透率测试试验,对不同注浆压力下完整结石体取样观察,研究以全风化花岗岩颗粒为配方主体材料的高固相离析浆液在全风化花岗岩地层的防渗加固效果及浆液扩散模式。结果表明:该浆液在全风化花岗岩地层扩散过程中经历了渗透扩散、挤密压缩、劈裂扩展三个阶段,是一种复合注浆形式;以全风化花岗岩颗粒为主体的高固相离析浆液在全风化花岗岩地层注浆中效果显著,随着注浆压力提升,单轴抗压强度显著提升为原土体的3.25～13.67倍,抗剪强度在不同法向压力情况下提升为原土体的1.63～2.69倍,渗透系数从10?4 cm/s下降至10?5 cm/s甚至10?6 cm/s。     

A constitutive model for bonded geomaterials subject to mechanical and/or chemical degradation

The mechanical behaviour of bonded geomaterials is described by means of an elastoplastic strain‐hardening model. The internal variables, taking into account the ‘history’ of the material, depend on the plastic strains experienced and on a conveniently defined scalar measure of damage induced by weathering and/or chemical degradation. For the sake of simplicity, it is assumed that only internal variables are affected by mechanical and chemical history of the material. Despite this simplifying assumption, it can be shown that many interesting phenomena exhibited by weathered bonded geomaterials can be successfully described. For instance, (i) the transition from brittle to ductile behaviour with increasing pressure of a calcarenite with collapsing internal structure, (ii) the complex behaviour of chalk and other calcareous materials in oedometric tests, (iii) the chemically induced variation of the stress and strain state of such kind of materials, are all phenomena that can be qualitatively reproduced. Several comparisons with experimental data show that the model can capture the observed behaviour also quantitatively. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

描述岩石粘弹性固体性质的开尔文模型

大多数固体材料都具有弹性,但真实的固体却极少严格遵从弹性的虎克定律。这些固体材料的变形往往有对时间的依赖性,这种性质是流变学研究的内容。岩石是自然界最普遍的固体,它的力学性质在通常条件下可用虎克定律作精确的描述,而在漫长的地质过程中,岩石的流变特征就逐渐显现出来。地质作用越缓慢,岩石对变形时间的依赖性越明显。为精确描述岩石在地质过程的力学性质,流变学方法被引入地质学。笔者已经介绍过描述"牛顿流体"的马克斯威尔流变模型,文中介绍描述粘弹性固体的开尔文流变模型。和马克斯威尔模型一样,开尔文模型也是流变学的基本模型,它是由一个弹性元件和一个阻尼元件并联而成。文中给出开尔文模型的本构关系和地质应用的简介。     

花岗岩全风化土湿化变形及强度的试验研究

基于某高速公路路基花岗岩全风化土浸水湿化的情况,采用GDS非饱和三轴仪进行了接近实际应力路径下三轴“单线法”湿化变形试验,研究了试样在不同围压、不同湿化应力水平下的湿化情况,得到了试样在湿化前后应力-应变曲线,轴变与体变间的变化规律,经成果分析表明,试样在湿化过程中均产生了轴变与体变,并且经湿化变形后产生了各向异性。当初始有效围压相同时,各湿化应力水平下的抗剪强度指标c、? 值近似相等,与干样相比,湿样的黏聚力c值减少明显,内摩擦角? 值变化不大。在初始有效围压较低情况下,试样约在轴向应变达10%左右时体积变形由剪缩变为剪胀,而在初始有效围压较高的情况下则没发生类似的现象。     

自膨胀锚杆锚固体膨胀剂极限掺量确定方法研究

首次提出了针对大掺量膨胀剂自膨胀锚杆的理论技术基本原理,并阐明其经济效益与极限抗拔力提升效果。但还存在过量膨胀剂会导致自膨胀锚固体撑裂围岩等问题,必须通过确定膨胀剂的极限掺量来解决。因此,提出了应用自膨胀锚杆的两个前提条件,明确了两个层次的试验目的并以此展开试验研究：（1）膨胀致裂法。先进行围岩胀裂破坏试验,获取界面正应力的变化规律和围岩破坏规律,阐释了自膨胀锚固体作用下中风化泥质粉砂岩的开裂破坏演化规律。建立不同位置径向自膨胀应力计算模型,基于接触面上的径向膨胀应力得到了锚固体的膨胀剂临界掺量预测模型,并预测中风化泥质粉砂岩的膨胀剂临界掺量为28.98%。（2）弹性解析法。基于无限大介质中圆孔均匀受压和圆孔的孔边应力集中问题建立了自膨胀锚固体作用下围岩的胀裂破坏模型,得到了一套围岩受自膨胀锚固体作用时的应力分布预测公式,进一步推导出了围岩受径向膨胀应力作用下的临界开裂方程。为降低现场测试的周期和费用,建立了基于声波?回弹值的中风化泥质粉砂岩抗拉强度预测公式。最终,完成了临界开裂方程在基于围岩不完整性和围岩浸水软化影响下的参数修正,并结合了临界掺量值引入了安全储备系数,建立了自膨胀锚固体的膨胀剂极限掺量设计公式,计算出针对中风化泥质粉砂岩的自膨胀锚杆锚固体膨胀剂极限掺量为26.5%。该研究能为自膨胀锚杆在岩土、矿山、水利等领域的推广运用提供技术支撑。     

陡坡寺中微风化料的大型三轴试验研究

随着西部山区的基础设施建设进入迅速发展的阶段,越来越多的高填方工程正在或将要兴建,而对填料力学性质的认识也就成为决定这些高填方工程安全性的重要因素。通过一系列大型三轴试验,对分布于云南等地的陡坡寺中微风化料的剪切力学特性进行了研究。结果表明,陡坡寺中微风化料与典型堆石料的力学特性有很大不同,其强度较低,并且应力-应变关系、强度和刚度等特征都比较接近于细粒土。另外,水对陡坡寺中微风化料的力学特性有着显著的影响,其遇水后强度大为降低,因此,在设计和施工中必须予以充分考虑。对试验数据的拟合表明,邓肯-张模型能较好地模拟陡坡寺中微风化料在不同围压下的应力-应变关系。     

强风化花岗岩动力学参数的试验研究

地震反应分析通常采用等效非线性模型,动剪切模量G和阻尼比λ是该模型的两个重要参数。为研究目前在大型工程建设中遇到越来越多的强风化花岗岩的动力特性,利用固定-自由型共振柱（GDS RCA）对强风化花岗岩的剪切模量和阻尼比进行试验研究。GDS RCA为一种国际上广泛应用的共振柱,具有良好的性能,利用其控制试样的固结围压和孔隙水压力,可以测得试样在不同有效应力状况下的动剪切模量和阻尼比。对比研究不同有效应力下共振频率、动剪切模量和阻尼比随剪应变的变化情况,给出其变化曲线。按照Hadin-Drnevich[1]所提出的双曲线模型,拟合动剪切模量比和阻尼比随剪应变的变化曲线。利用摩擦理论,对试样阻尼的产生机制进行探讨。试验结果表明,随着剪应变的增加,试样系统的共振频率随之减小,试样阻尼比随之增大;试样的动剪切模量和阻尼比皆与试样固结时的有效应力有关,而试样阻尼比也受孔隙水压力的影响。     

基于风化红层泥岩蠕变特性的滑坡时效变形分析——以天水雒堡村滑坡为例

风化红层泥岩蠕变是我国黄土高原区边坡变形失稳的重要原因之一。选取天水市雒堡村巨型多级旋转滑坡,利用KTL全自动三轴仪和基于连续介质力学的离散单元方法（CDEM）数值模拟手段,开展了风化红层泥岩蠕变本构模型和滑坡时效变形研究。通过0.1～0.7 MPa不同围压下的分级加载蠕变试验,揭示了风化红层泥岩试样瞬时弹性变形、衰减蠕变和稳态蠕变三阶段的蠕变行为;同一围压下,轴向变形量随应力水平的增大而增大,且增长速率也逐渐增大;同一应力水平下,轴向变形量随围压的增大而增大,且增长速率也缓慢增大。拟合建立了试样Burgers蠕变本构模型方程。在此基础上,通过数值模拟揭示了自重应力下1 a尺度的滑体时效变形特征：约98.6%的变形发生在60 d内,随后进入稳态蠕变阶段;滑体水平位移量由浅及深逐渐减小,变形主要集中在后缘Ⅰ级滑体,最大位移约54.1 cm,滑坡变形模式表现为推移式;剪应变主要位于每一级滑体后缘滑带陡-缓转折处,最大剪应变约0.23%,但未整体贯通,总体处于较稳定状态。     

强震区侵蚀-溃决型泥石流的动力特性定量分析

强震作用导致流域内松散物源、微地貌及水文环境发生剧烈变化,致使强震区泥石流的形成机制和活动规律区别于普通泥石流。从启动判别、沟床侵蚀和溃决放大效应等3个方面入手,利用物理模型和数值模拟,定量分析了强震区泥石流启动-流通-堆积全过程的动力特性。结合案例验证了强震侵蚀-溃决型泥石流的力学机制。分析表明,泥石流沟床侵蚀是外部应力增加、内部强度衰减和松散物质基础3种机制的综合结果,沟道堰塞体溃决导致泥石流流量被瞬间放大,进而反馈到侵蚀机制中,导致泥石流规模剧增。红椿沟8·14泥石流案例验算显示,H02、H03堰塞体溃决导致泥石流流量放大至800.80m3·s-1,沟床侵蚀物质总量达34.72×104m3,约占总规模的50%。     

红砂岩风化土湿化特性的三轴试验研究

针对红砂岩风化土遇水易湿化、崩解,从而影响路基填筑体稳定性的问题,选取某高速公路红砂岩风化料,采用单线法,在两种密度条件下进行了三轴湿化变形试验,分析了密度、围压和应力水平对湿化轴向应变的影响规律,并对湿化后试样的后续剪切强度进行了研究。试验结果表明:随着围压的增大和应力水平的提高,红砂岩风化料的湿化轴向变形有明显提高;而随着密实度的增加,湿化轴向变形有所减小。同一围压下,湿化轴向应变随着应力水平的增长而增大,两者近似呈线性关系。湿化后试样的峰值强度随应力水平的增加略有降低,而且普遍低于饱和状态试样的峰值强度。     

岭澳核电三期强风化角岩边坡岩体直剪试验研究

采用堆载法进行天然状态与饱和状态下强风化角岩边坡岩体的现场直接剪切试验,获得不同正应力水平下剪切应力-剪切变形关系曲线和剪切强度参数,对其剪切应力-剪切变形关系曲线特征和不同正应力作用下剪应力随正应力的变化规律以及水-力耦合作用对剪切强度与变形特性影响进行了分析。试验结果表明：岩体峰值剪切强度和屈服剪切强度均随正应力的增大而增大;天然状态和饱水状态下剪应力随不同正应力的变化趋势基本相同;岩体剪切强度随含水率的增大而减小,在低法向应力下尤其敏感;水对岩体强度参数中黏聚力c的弱化作用更加明显,同时加大了岩体变形量,延长了岩体变形过程;通过现场直剪试验测得的法向变形可以估算岩体的压缩模量,为边坡稳定性分析提供参数。     

风化岩体中压力型锚索锚固段的剪应力分析

岩体在风化过程中,其物理力学性质会随着风化程度的不同有所差异。结合均质岩体中压力型锚索受力特点,以及内部对称荷载作用下横观各向同性弹性体内的剪应力分布特点,推导出了压力型锚索在横观各向同性弹性岩体内的剪应力分布方程。假定风化岩体为横观各向同性弹性体,其弹性模量及剪切模量均按指数函数变化,分析结果表明：①由于风化岩体的弹性模量随着深度的变化,锚索锚固段的剪应力也随着岩体的弹性模量的增加（减小）而增加（减小）;②在承压板附近,锚索锚固段的剪应力随锚索孔半径的增加而减小,由于风化岩体剪切模量的变化,因而导致剪应力的变化量很大;③在承压板附近,锚索锚固段接触面上的剪应力随着垂直于岩体横向等向面的剪切模量的改变而相应的改变。研究成果可为实际工程中压力型锚索设计提供参考。     

Anisotropic bounding-surface plasticity model for the cyclic shakedown and degradation of saturated clay

The cyclic behaviours of embedded offshore structures under different cyclic loading levels are related to the cyclic shakedown and degradation of the surrounding soils. In the present study, a damage-dependent bounding-surface model based on a newly proposed hardening rule was developed to predict the cyclic shakedown and degradation of saturated clay and the effect of the initial anisotropic stress state. By extending the Masing’s rule to the bounding-surface plasticity theory, the stress reversal point is taken as the generalised homological centre of the bounding surface. With movement of the generalised homological centre, at lower stress amplitudes, the cyclic process ends at a steady state, and cyclic shakedown is reached. At higher stress amplitudes, a damage parameter related to the accumulated deviatoric plastic strain is incorporated into the form of the bounding surface, which is hence able to contract to model degradations in stiffness and strength. To take into account the effects of initial anisotropic conditions on the cyclic behaviour of soils, an initial anisotropic tensor is introduced in the bounding surface. The developed model is validated through undrained isotropic and anisotropic cyclic triaxial tests in normally consolidated and overconsolidated saturated clay under both one-way and two-way loadings. Both cyclic shakedown and degradation are well reproduced by the model, as is the anisotropy effect induced by the initial anisotropic consolidation process.     

考虑降解效应的城市固体废弃物非线性本构模型

基于城市固体废弃物(MSW)的降解及土力学特征,在应力降解模型、等向压缩特性和邓肯-张模型的理论基础上,建立了一个能够描述MSW应力和降解耦合作用的全量非线性本构模型。给出了不同应力状态下单元体体积和轴向变形随时间变化的数学表达,同时给出了所有参数的确定方法。采用该模型对不同龄期和不同围压条件下填埋场现场试样的三轴CD应力-应变曲线以及室内长期一维降解压缩试验进行了模拟。结果表明,模型概念合理、参数明确,能够较全面地描述不同降解龄期垃圾的本构关系,可用于分析填埋场的长期变形。     

强风化岩石长期稳定性试验研究

江苏某抽水蓄能电站,上库主坝为混凝土面板堆石坝,由于上库防渗面板基础开挖量大,开挖料大多数为强风化粉砂质泥岩和强风化泥质粉砂岩,拟利用部分强风化中下部开挖料作为主坝填筑料,对于达到挖填平衡、保护环境、减少弃料及提高经济效益具有重要意义。为此对强风化岩石进行了岩石物理性质、抗压强度、压缩变形、矿物成份分析、化学分析等试验研究,同时进行了岩石干湿、变温多次循环疲劳物理力学特性试验,揭示了强风化岩石在干湿、变温循环条件下的变化规律,对于强风化岩石的可利用性及预测其长期稳定性提供了科学依据。     

堆石料湿化变形特性试验研究

湿化变形是土石坝的主要后期变形之一,对坝体的应力变形性状具有显著影响。采用糯扎渡高心墙堆石坝的弱风化花岗岩堆石料进行了常规三轴试验、不同围压和应力水平条件下的流变-湿化组合试验和快速湿化三轴试验等,分析了流变-湿化组合试验各阶段的变形特征,重点研究了堆石料湿化变形的过程、特性及发生机制。结果表明,可将堆石料湿化变形划分为湿化瞬时变形和湿态流变变形两个部分。其中,湿化瞬时变形是堆石料随浸水饱和过程发生的变形,其应变增量的方向平行于相应应力状态下应力加载应变增量的方向,且具有非硬化特性;湿态流变变形是堆石料试样在饱和浸水完成后发生的随时间的变形,和一般堆石料的流变变形具有相类似的特性。湿化变形是堆石料浸水后所导致的物态弱化变形。可将堆石料湿化看作一种广义的荷载。     

苏州马环连接线强风化安山玢岩地质勘察钻探技术

强风化岩体裂隙节理发育,风化程度不均,岩石强度软弱不均,为提高钻进效率,改常规的复合片钻头为孕镶金刚石钻头,使钻进时以研磨岩石方式改为切削岩石方式;为提高岩心采取率,保护取心钻具内强风化岩心及防止钻具内岩心段间相互研磨,改单管钻具为单动双管钻具,采用相对优质泥浆进行护壁,预防钻进及提下钻时的卡钻。     

岩石材料裂纹扩展的改进近场动力学方法模拟

在传统键基近场动力学模型的基础上,提出可以反映岩石类材料应力-应变变化特点的改进型模型,弥补了传统近场动力学模型在模拟岩石类材料时无法反映岩石内应力随应变先增加再减小最后破坏这一特性的不足。运用改进型模型,对含有单裂纹试件在不同预制裂纹角度及拉伸荷载条件下的裂纹扩展过程进行了数值模拟,分析了开裂角度在不同预制裂纹角度及拉伸荷载条件下的变化。结果表明：预制角度及拉伸荷载对开裂角度都有影响,在试件周围拉荷载接近的情况下会获得较小的开裂角,并且在拉荷载一定的条件下开裂角会有先增加后减少的规律。同时模拟了含裂纹岩石在单轴压缩条件下的裂纹扩展情况,将数值模拟的结果与室内试验的结果对比,验证了所提出新模型的有效性。所提出的新模型可以较好地模拟岩石类材料在拉荷载条件下的力学特性,在岩石数值模拟方面有着较为广泛的应用前景。     

An improved permeability model of coal for coalbed methane recovery and CO2 geosequestration

An alternative approach is proposed to develop an improved permeability model for coalbed methane (CBM) and CO₂-enhanced CBM (ECBM) recovery, and CO₂ geosequestration in coal. This approach integrates the textural and mechanical properties to describe the anisotropy of gas permeability in coal reservoirs. The model accounts for the stress dependent deformation using a stress–strain correlation, which allows determination of directional permeability for coals. The stress–strain correlation was developed by combining mechanical strain with sorption-induced strain for any given direction. The mechanical strain of coal is described by the general thermo-poro-elastic constitutive equations for solid materials under isothermal conditions and the sorption-induced strain is approximated by treating the swelling/shrinkage of coal matrix equivalent to the thermal contraction/expansion of materials. With directional strains, the permeability of coal in any given direction can be modeled based on the theory of rock hydraulics. In this study, the proposed model was tested with both literature data and experiments. The experiments were carried out using a specially designed true tri-axial stress coal permeameter (TTSCP). The results show that the proposed model provides better predictions for the literature data compared with other conventional coal permeability models. The model also gives reasonable agreement between the predicted and measured stress–strains and directional permeabilities under laboratory conditions.