软岩饱水软化过程微观结构演化的临界判据

针对红层软岩遇水软化问题,在已开展的粉砂质泥岩饱水软化试验结果的基础上,从建立软岩微观结构模型出发,定量化研究软岩软化的力学机制。首先将描述粉砂质颗粒特性的结构元件引入到M. Tuller、D. Or提出的黏土矿物微结构模型中,提出了软岩微观结构组合元件;然后结合软岩饱水软化试验中微观结构测试结果,考虑天然状态软岩微观结构的基本类型特征,建立了描述粒状结构与致密条块状结构软岩的两类典型微观结构单元;在此基础上,采用重整化群方法,分别建立了两类软岩软化的重整化模型,并基于重整化原理,分析了软岩软化过程微观结构演化的临界判据,搭建了软岩微观结构与其力学特性之间的定量关系。通过对比软岩饱水软化过程力学性质试验结果,验证了所建立模型的合理性,为进一步开展软岩软化全过程定量化研究奠定基础。     

鄂西北页岩饱水软化微观机制与力学特性研究

针对鄂西北页岩隧道施工中存在的地下水加剧软岩隧道大变形问题,进行页岩饱水软化的微观机制与力学特性研究。通过开展X射线衍射、自然吸水试验和SEM电镜扫描,探索不同饱水时间条件下页岩吸水率和微观结构的变化;进而通过开展单轴压缩试验,分析页岩强度和变形参数随其饱水时间的演化规律。试验结果显示,页岩吸水率随着饱水时间的增加呈对数规律增长,页岩饱水后峰值抗压强度和弹性模量均随着饱水时间的增加呈负对数规律降低;页岩力学性质在饱水20 d内变化迅速,50 d后趋于稳定。同时,随着饱水时间的增加,页岩中绿泥石和白云母矿物遇水产生膨胀,使片层状结构分散剥离出细小矿物颗粒,并产生大量松散多孔的絮状物;由于水化作用的影响,页岩原有的致密层状结构变得松散破碎,矿物颗粒之间的胶结逐步破坏,孔隙、裂隙增多,宏观上表现为页岩强度降低,抵抗变形能力减弱,破裂面更为密集,且贯通性增强。     

荆门石膏矿岩遇水软化力学特性试验研究

针对荆门市荆花石膏矿中留作矿柱的新鲜石膏岩进行天然和饱水两种状态下的单轴和三轴压缩试验,结合微观扫描电镜试验,研究石膏岩的强度和变形软化特性及机制。结果表明:石膏岩遇水会发生显著的强度和变形软化。随溶液中SO_4~(2-)、Ca~(2+)浓度不同,强度软化系数在0.6~0.72之间,弹性模量软化系数在0.66~0.75之间,凝聚力c显著下降而内摩擦角φ基本保持不变。石膏岩具有良好的延性,天然状态下峰后应变软化转为理想塑性变形的临界围压在2.5~5.0 MPa之间,经饱水软化后临界转换围压低于2.5 MPa。石膏岩遇水软化机制与其主要矿物成分二水硫酸钙的微溶性质密切相关。在蒸馏水中,石膏岩主要因溶解造成矿物流失,弱化内部结构而软化;在硫酸钙饱和溶液中,石膏矿物溶解-重结晶的动态平衡改变了岩石内部结构,使其疏松化,造成其力学性质发生软化。试验结果加深了对石膏岩遇水软化力学特性的认识,对石膏矿采空区稳定性分析具有重要意义。     

天然与饱水状态下石膏岩蠕变试验研究

石膏岩的饱水软化蠕变特性是影响石膏矿采空区安全评价的重要因素。以荆门石膏矿岩为研究对象,开展天然与饱水状态下的单试样逐级增量加载试验,分析了饱水软化作用下石膏岩的蠕变特性,选取西原模型描述石膏岩的本构关系。分析结果可得,饱水试样总蠕变量大于天然试样;饱水试样蠕变破坏强度(11 MPa)是天然试样蠕变破坏强度(21.5 MPa)的0.54倍,长期强度(10 MPa)是天然试样长期强度(19.5 MPa)的0.49倍。利用西原模型对蠕变曲线进行拟合并分析拟合参数可知,饱水试样参数E_1是天然试样的0.1~0.5倍,η_1是天然试样的0.2~0.7倍,E_2是天然试样的2~10倍。以上结论均表明饱水试样的蠕变特性更加明显。分析讨论饱水软化作用对石膏岩蠕变特性影响机制可知,荆门石膏岩软化作用主要由物理软化作用及化学软化作用耦合而成,物理软化作用主要为静水作用下的孔压效应,化学软化作用主要为石膏岩的重结晶作用。试验分析结果可为石膏矿采空区安全评价提供依据,具有重要的工程实际意义。     

软岩遇水软化的耗散结构形成机制

针对华南“红层”软岩遇水软化的复杂系统演化问题, 从其软化过程中是否形成耗散结构的思路出发, 研究了软岩系统非线性软化特征.结果表明: 软岩与水相互作用系统是一个开放的复杂系统, 在内部非线性作用下逐渐演化至非平衡状态, 其软化过程中可以形成有序的耗散结构.在此基础上, 采用耗散结构理论系统分析了软岩软化过程中耗散结构的形成机制: 软岩软化的过程经历了近平衡态、远离平衡自组织态与远离平衡临界态3个阶段, 并最终通过非平衡相变形成了具有一定稳定性的耗散结构.最后基于软岩软化过程中结构分维值演化规律, 初步建立了软岩耗散结构形成的分岔演化模型, 并将模型应用于软岩饱水软化试验的临界分岔现象分析中.分析表明软岩耗散结构是在系统经历多次倍周期分岔, 通过不断地从稳定到失稳再到稳定的过程后形成的.其中3个月与6个月这两个时间点具有显著的临界特征, 这是深入研究软岩软化耗散动力学过程的切入点.      

水岩耦合下的红层软岩微观结构特征与软化机制研究

水岩长期作用下红层软岩体现出成岩作用差、易风化、易软化崩解等特点,给软岩工程设计与施工带来挑战。以滇中红层软岩地区所取泥岩试样为研究对象,首先对自然和饱水状态下岩样进行单轴和三轴压缩试验,分析水岩作用下软岩的力学特性;然后采用X射线衍射技术对不同含水状态下软岩微观结构进行对比研究;最后基于试验结果对滇中地区红层软岩遇水软化机制进行了探讨。研究结果表明:水岩作用下软岩力学性质劣化明显,岩石峰值抗压强度显著降低,岩体破坏程度提高;软岩黏土矿物颗粒吸水膨胀,微观结构由致密的团粒状转变为疏松多孔的不规则片状和鳞片状结构;伊利石等黏土矿物与水反应,产生的不均匀应力和大量微孔隙导致软岩内部结构破坏;红层软岩的遇水软化机制包括软岩矿物的溶蚀和次生作用、黏土矿物的吸水膨胀与崩解、软岩与水作用导致颗粒间胶结连结破坏等。     

红层软岩软化的界面过程及其动力学模型

红层软岩灾变和界面上的水-岩相互作用密切相关,研究界面过程对于揭示其灾变机制具有重要的意义。目前针对红层软岩软化的研究主要是宏观唯象特征的研究,红层软岩软化界面过程的研究处于探索和起步阶段,仍需要进一步地完善。针对这一问题,通过分析红层软岩软化界面过程的特征,水-岩界面上的软岩颗粒不断溶解,水在软岩中扩散,形成新的水-岩界面,基于此建立软岩系统标准熵对软岩软化进行表征,发现软岩系统标准熵值随着时间的变化规律与软岩软化崩解具有一致性;同时,利用菲克扩散定律构建软岩软化界面过程的动力学模型,很好地描述水-岩界面的生成规律;最后在红层软岩的DEM-CFD（离散元-计算流体力学耦合）模型中,软岩软化过程颗粒连接断裂代表水-岩界面的生成,对比界面过程动力学模型,取得较好的拟合结果。该研究结果对软岩软化界面过程的探索具有一定的意义。     

炭质泥质灰岩饱水流变试验研究

采用岩石直剪流变仪对重庆武隆鸡尾山滑坡滑带(炭质泥质灰岩)进行了岩石饱水直接剪切流变试验.通过分析流变试验结果,从而得出滑带炭质泥质灰岩的剪应力-剪切位移曲线,进而得到软岩的长期强度.结果表明:炭质泥质灰岩饱水条件下与自然状况下流变强度和瞬时剪切强度参数相比,饱水状况下的长期强度有明显降低,饱水状况下炭质泥质灰岩摩擦系数比自然流变降低13.87%,比瞬时剪切的摩擦系数低40.91%; 饱水状况下炭质泥质灰岩黏聚力比自然流变降低13.81%,比瞬时剪切获取的黏聚力降低36.67%.因裂隙损伤扩展,饱水条件下长期抗剪强度比自然状况下长期抗剪强度有所降低,但是没有直剪流变试验长期抗剪强度与瞬时抗剪强度相比降低显著,为深入认识和分析鸡尾山滑坡滑带软岩的流变力学特性提供重要的试验和依据.     

考虑岩体扩容和塑性软化的软岩巷道变形解析

考虑岩体的扩容和塑性软化特性,引进扩容梯度和软化模量的概念,推导出均匀介质中软岩巷道应力和变形的理论解答。与其他理论模型进行比较,验证了理论模型的正确性。通过算例分析了岩体的扩容梯度和软化模量对围岩塑性区、破裂区半径以及围岩变形和压力的影响。分析结果表明,考虑岩体的扩容和塑性软化特性使得分析更加准确,研究成果对软岩巷道支护设计与施工具有一定指导意义。     

软岩流变过程与强度研究

文中通过分析软岩流变特征找出流变速度与作用载荷之间的关系。利用U-相关曲线确定能够反映流变过程的4个特征点(流变起始点、等速流变起始点、加速流变起始点、流变破坏点).根据4个特征点的变化规律确定临界等速流变应力的方法和流变强度取值原则。     

考虑循环软化特性的饱和软土弹塑性本构关系研究

将软化指数关系与非等向硬化模量场理论相结合,研究了可描述循环荷载作用下饱和软土软化特性的增量弹塑性模型。该模型借助硬化模量的插值和映射中心的移动,在偏应力空间中构造硬化模量的演化规则;通过在弹塑性模量插值函数中引入初始弹塑性模量软化系数,模拟循环荷载作用下软土的刚度软化特性;通过引入硬化模量调整系数,增强循环加载时应力-应变曲线的滞回特性;再通过引入反映应变累积速率和大小的模型参数,描述循环加载时软土的应变累积特性。利用Idriss提出的指数关系式近似拟合软化系数随应力循环次数的变化关系,并通过引入循环应力参数建立了循环软化系数与静应力水平和循环应力水平的关系。阐述了确定模型参数的方法,并利用模型预测了相关试验结果,通过预测结果与试验结果的对比,验证了该模型描述循环荷载作用下软土软化特性的可行性。     

饱和软土微结构分形特征的试验研究

分形几何学是研究具有自相似性的不规则曲线、具有自反演性的不规则图形、具有自平方性的分形变换以及具有自仿射的分形集等内容的一种理论,是岩土微观结构力学研究和应用的新的生长点。将分形几何学的理论运用于饱和软土微结构研究,关键是获得微结构的参数。利用液氮真空冷冻制样技术、扫描电子显微镜技术和计算机图像处理技术,对广东科学中心饱和软土颗粒分布分维值和孔隙分布分维值等微结构分形参数进行了提取,采用回归分析的方法,对颗粒分布分维值、孔隙分布分维值和孔隙度的关系进行了分析,明确了颗粒分布分维、孔隙分布分维等微结构参数的分形特征的宏观本质。     

基于应变空间硅藻质软岩的软化本构模型

三轴试验结果表明,软岩具有显著的应变软化特征。正常固结软岩表现为峰值后较缓的软化特征,而超固结软岩峰值强度后的应力-应变曲线呈陡降软化特征。应变空间表述的弹塑性理论在解决大应变和软化问题时比应力空间表述的弹塑性理论更具有优越性。基于应变空间的基本的弹塑性本构方程式,采用Mises剪切屈服准则及相关联流动法则,导出固结不排水三轴条件下的应力-应变本构关系式,并采用不同的硬化函数表达式对软岩在不同围压下的应力-应变曲线进行数值模拟。结果表明,应变空间的弹塑性理论能较好地模拟软岩应变软化特征,其中硬化函数的确定是关键问题之一。通过研究,提出了用于固结不排水状态下正常固结软岩的硬化函数形式。     

富水软岩隧道突泥塌方及地层沉降的模型试验

在富水软岩地层中修建隧道容易出现突泥塌方,对施工及周边环境产生严重影响。北岗隧道围岩强度低且地下水丰富,在施工中多次遇到突泥涌水现象,出现了围岩大面积坍塌、地表开裂、地下水位下降等严重灾害问题。以北岗隧道为原型,开展了室内模型试验,再现了该隧道的破坏现象,研究了隧道突泥塌方的影响因素、破坏规律及影响范围。结果表明:（1）地表未出现裂缝时,隧道开挖导致的地表和地层内部变形可以采用Peck的正态分布曲线描述;（2）涌水是造成隧道围岩发生严重坍塌的根本原因;（3）隧道破坏从拱顶开始,呈拱形破坏型式;（4）地表的两条主裂缝在隧道塌方初期形成,塌方对地表沉降和裂缝的主要影响区域位于两条主裂缝之间。     

K0固结软黏土的临界不排水强度研究

临界状态土力学中孔隙比-平均有效压力 坐标下 压缩线和临界状态线可以简化为平行的直线,倾斜的椭圆屈服面是能够考虑土体各向异性的数学表达最简单的屈服面形式。结合临界状态土力学理论和倾斜的椭圆屈服面方程,给出了轴对称和平面应变情况下 固结软黏土的临界不排水强度比的解析式,通过一些试验数据对这些解析式进行了验证,最后给出了便于工程应用的临界不排水强度比关于有效内摩擦角的简易表达式。     

风化泥质软岩变形特性及邓肯模型参数的试验研究

选取广东塘厦风化泥质软岩为研究对象,在一系列三轴试验的基础上,分析探讨该类软岩的变形特性及邓肯模型参数变化规律,并提供工程数值分析和计算所需模型参数。     

高地应力破碎软岩巷道底臌特性及综合控制对策研究

高地应力破碎软岩巷道底臌问题,由于其地质条件的复杂性,是煤矿开采的技术难题之一。通过总结分析高地应力破碎软岩巷道底臌的变形破坏特性,研究了底臌治理对策。研究结果表明,底板围岩呈现出挤压剪切流变特性,在支护对策上应将支护体系视为完整体系,在加强修复固结、应力转移和扩大承载圈的同时强调调动帮、顶部的间接控制作用。提出了以底板超挖、高强度预应力锚索、深孔注浆、底脚、拱角锚杆和回填为技术支撑的综合治理对策,通过FLAC3D建立的三维数值分析模型,分析了在综合治理对策下围岩位移场及塑性区的变化,验证了该方法的有效性。将综合治理对策应用到淮南潘二煤矿东二采区主要大巷,取得了良好的支护效果。