侧限条件下充填散体压缩承载和传力特性

充填散体的压缩承载和传力特性对防控充填开采矿山的地表变形具有重要意义。通过河卵石、碎石、尾矿、河砂、尾砂5种散体材料和7组不同粒径河卵石的侧限压缩试验,以及河卵石数值模拟压缩试验,分析了其压实过程和粒径对其变形、承载的影响,揭示了散体压缩过程中的传力特性。结果表明：散体压缩过程可分为空隙压密、颗粒破碎压密和压实固结3个阶段,且散体类型和粒径对其非线性压实过程基本没有影响,但对其内部结构重组过程有较大影响;压缩过程中,存在一个临界密实度使不同粒径河卵石的承载能力次序发生反转,且河卵石散体平均变形模量与颗粒特征因子呈负指数关系;基于河卵石数值模拟压缩试验得到的散体内部力链强度分布和“压力拱”,很好地证实了室内压缩试验中散体垂直应力沿加载方向呈递减的趋势,以及侧向应力在整个散体高度上先增后减这一试验结果。     

长期循环荷载下卸荷粉土动力特性的试验研究

通过杭州地铁5号线的卸荷状态饱和粉土的动三轴试验,研究了长期循环荷载作用下侧向卸荷状态饱和粉土的动力特性,总结了卸荷应力路径对该类土体的动力特性的影响。试验结果表明：饱和粉土在侧向卸荷时,存在临界动应力,并且土体在卸荷再加荷应力路径下的临界动应力最小;在动应力未达临界动应力时,土体累积动应变和累积动孔压发展表现为稳定型;而当动应力超过临界动应力时,土体累积动应变和动孔压表现为破坏型,但侧向卸荷应力路径下土样的累积动孔压发展曲线不会出现陡增阶段。研究结果显示,在侧向卸荷再加荷应力路径下的土体,因再加荷过程产生的超孔隙水压力的增加,会产生更大的动孔压和累积动变形,同时降低了该应力路径下土样的临界动应力,这也是引起地铁隧道周围土体的沉降和振陷的一个危险因素。     

不同渗透水压下完整泥页岩剪切−渗流特性研究

为了探索高压水力浸润带和消落带岩体在压剪荷载与流体入渗双因素耦合作用下剪切渗流特性的衍化规律,利用自主研发的一套新型岩石剪切−渗流耦合试验系统,对饱水泥页岩进行了常法向荷载条件下不同渗透水压的剪切−渗流耦合试验和剪切蠕变−渗流耦合试验。试验结果表明：（1）随着渗透水压力的增加,饱水泥页岩剪切强度峰值、法向变形峰值以及剪切蠕变破坏强度均有所下降,说明渗透水压力对岩样力学强度具有损伤效果。（2）在剪切−渗流耦合试验过程中,岩样剪应力与法向变形在线弹性变化的末期会出现明显的上下波动现象,并伴有水流流出,剪应力和法向变形的突变点在时间上具有一致性。（3）在剪切蠕变−渗流耦合试验过程中,水流渗出速率与渗透水压力大小呈正相关,随着剪切荷载施加等级的提高,岩样蠕变变形量增大,单位时间内累计渗出水量亦有所提升。     

3种生物聚合物改良粉土的持水特性研究

针对黄河流域水土流失防治,以往多采用水泥等灰色材料进行加固筑堤,但生态环境破坏严重。为响应黄河流域生态保护和高质量发展的国家战略,采用环境友好的生物聚合物对黄河流域典型粉土进行改良,通过WP4C仪测量生物聚合物改良粉土的持水特性,并从微观角度分析了生物聚合物改良粉土持水特性的机制。研究结果表明,与未改良土相比,生物聚合物改良粉土饱和含水率增大,孔隙比增大,持水能力显著提高。黄原胶、结冷胶、瓜尔胶改良粉土的持水能力均随着掺量的增加而增加,结冷胶改良的效果优于黄原胶、瓜尔胶。其机制为生物聚合物颗粒经过水合作用形成水凝胶,填充颗粒间孔隙,增加颗粒之间的黏结性。而且黄原胶、结冷胶改良粉土中形成类似蜂巢结构的孔隙空间,为其提供储水空间,进而提高改良土的持水特性。上述研究结果可为生物聚合物安全、科学地应用于黄河流域水土流失的防治提供科学依据。     

升温速率对高温作用后砂岩的宏细观性质影响

砂岩受到高温影响后,宏细观性质会发生不同程度的变化,400 ℃ 和1 000 ℃ 是砂岩宏细观性质变化的两个重要节点。为进一步研究升温速率对高温砂岩物理性质、力学特性以及内部微观破裂的影响,以350 ℃和 950 ℃为目标温度,开展了不同升温速率下砂岩的单轴压缩试验,单轴压缩全程采用声发射监测,采用扫描电镜分析了砂岩破坏后的细观形貌。研究结果表明：经不同升温速率处理后,350 ℃砂岩的质量、体积、密度以及纵波波速变化较小;950 ℃砂岩的质量、密度及纵波波速显著降低,体积明显增大,且升温速率越高变化率越小。350 ℃砂岩的应力−应变曲线、应力−体积应变曲线、抗压强度及弹性模量受升温速率的影响较小;950 ℃ 下砂岩试样应力−应变曲线随升温速率的增加向上偏移,抗压强度和弹性模量则先增加后达到恒定。350 ℃ 及 950 ℃砂岩的声发射振铃累计数都有随升温速率增大而减小的趋势,950 ℃ 下升温速率为1 ℃/min 时砂岩的振铃累计数最大,突发性声发射活动区域最多。对不同升温速率砂岩进行扫描电镜分析发现,升温速率对350 ℃ 砂岩的微观形貌影响较小,950 ℃ 砂岩试件则会随着升温速率的下降出现微裂纹和微孔隙数量增多、体积扩大的情况。     

基于物化特性的煤层注水难易程度模型

增强煤层注水能力是目前需要亟待解决的问题,而煤层注水难易程度缺乏准确的判别标准。通过考虑煤体孔裂隙渗流分形结构特征和毛细作用下化学润湿特性,建立了煤层注水渗流量模型;基于概率论与数理统计方法基础,构建了集对联系度区间评价体系,划分了煤层注水的难易程度。结果显示：（1）注水效果受孔隙率、孔隙半径、接触角、液体的密度、表面张力、黏滞性系数、重力加速度等渗流结构参数和化学润湿特性等最简参数的影响,体系模型表征了煤体渗流结构和化学润湿特性与渗流量的关系。（2）在组合赋权下,孔隙率权重为0.32,对注水效果贡献较大,最大孔喉半径和接触角的贡献度次之;最小孔喉半径权重为0.17,对注水效果影响最小。（3）煤样X1、X2、X5评价指标值介于（0,0.25）,属于难注水煤层;煤样X3、X4评价指标值介于（0.25,0.50）,属于较难注水煤层。     

煤岩组合体峰前能量分布公式推导及试验

冲击地压一定是在能量驱使下发生的,为探索引发冲击地压的能量在煤岩系统中的积聚层位,构建了煤岩组合体力学模型,推导了煤岩组合体峰前能量分布公式,对细砂岩−煤（fine sandstone-coal,简称FC）、粗砂岩−煤（gritstone-coal,简称GC）、细砂岩−煤−粗砂岩（fine sandstone-coal-gritstone,简称FCG）3种组合体开展5种加载速率下的能量积聚规律试验,分析了组合体破坏特征、力学特性及能量积聚规律。试验表明：（1）在0.001 mm/s加载速率下,组合体峰前能量主要以原生裂纹的扩展、贯通的形式缓慢耗散,属于塑性完全破坏;在0.1 mm/s加载速率下,组合体峰前能量主要以局部弹射破坏的形式快速释放,属于脆性不完全破坏。（2）组合体的抗压强度、弹性模量、峰前能量、冲击能量指数与加载速率呈对数关系。随着加载速率增大,组合体抗压强度、弹性模量、冲击能量指数增幅逐渐减小,峰前能量增长率呈现低－高－低的趋势。（3）随着加载速率增加,煤组分储能增多,能量占比增大。在0.001～0.010 mm/s加载速率下,煤组分积聚能量增加较快;在0.010～0.100 mm/s加载速率下,煤组分积聚能量增加较慢。（4）相同加载速率下,煤组分能量占比顺序：FC组合体＞FCG组合体＞GC组合体。（5）组合体中煤组分能量占比均大于50%,煤组分是能量积聚的主要载体。相同应力条件下,软弱岩层能量积聚能力强于坚硬岩层,更易积聚能量。研究结果可为确定冲击地压能量积聚层位和释能减冲工作提供参考。     

管幕冻结隧道“顶管?冻土”复合结构力学特性试验研究

拱北隧道暗挖段作为港珠澳大桥珠海连接线的重点工程,首次运用管幕冻结法进行施工。该法综合管幕法和人工地层冻结法的优势,可在隧道断面形成“顶管?冻土帷幕”复合支护体系,有效实现“承载”与“顶管间止水”的双重目标,确保隧道开挖时的稳定与安全。为获得“顶管?冻土”复合结构的温度、变形与力学特性,基于相似理论自主研发构建一套相似模型试验系统并开展试验研究,同时利用有限元软件COMSOL Multiphysics建立数值计算模型进行模拟验证。结果表明:复合结构的冻结温度场因空、实顶管及其内部冻结器的布置形式呈现不均匀分布特征,冻土形成速率在冻结后期明显变缓;土体竖向冻胀变形在60~160 min内急剧增大,且冻胀量随深度增加而增大,整体规律与温度场分布密切相关;土体冻结产生的冻胀力对顶管水平受力影响较大,空顶管相对刚度较小而产生较大水平变形;在加载阶段,顶管受力与变形均以竖向为主。因空、实顶管刚度差异和冻土厚度不均匀的共同影响,空顶管竖向变形包含了“弯曲”与“压扁”并具有非线性特征,其跨中截面底部竖向位移峰值约为实顶管的1.6倍;加载至0.28 MPa时,管间冻土首先发生破坏,进而导致顶管间封水功能失效,实际施工中应重点监测空顶管的变形规律、管间冻土帷幕的温度变化及其完整性。研究成果可为管幕冻结法的施工与监测提供参考,也可为热力耦合数值计算模型提供验证依据。      

水泥基注浆材料析水时变特性量化试验研究

水泥基胶结性材料是注浆工程中最常见的注浆材料,这类材料存在明显的析水效应,获得析水厚度的量化公式有助于提高浆液扩散半径的计算精度。通过试验观察叶腊石粉掺量(0%~35%)、聚乙烯醇掺量(0%~8%)与粉煤灰掺量(0%~90%)3种掺合料在水泥基浆液中的析水过程,获得三者的析水率、结石率、最终析水时间与析水厚度变化情况,认定浆液的析水厚度变化存在一定规律的析水时变特性,并引入皮尔生长曲线模型与幂函数模型,对其进行量化。结果表明:3种掺合料都可以降低析水率,其中,叶腊石粉对水泥基注浆材料析水率的影响程度最大,其次为粉煤灰,最后为聚乙烯醇;3种掺合料都可以增加结石率;叶腊石粉可以有效缩短浆液的最终析水时间,聚乙烯醇在1.5%~8.0%掺量内可以缩短浆液的最终析水时间,粉煤灰在10%~60%掺量内可以缩短浆液的最终析水时间;3种掺合料掺量的变化曲线都呈现半“C”形;采用数学模型对析水厚度数据进行拟合分析,由拟合优度R2评判可知,幂函数模型优于皮尔生长曲线模型,析水厚度变化规律比较符合幂函数模型。研究成果可为改良注浆材料和完善非稳定浆液运移扩散理论提供重要的基础数据。      

石灰改良粉土的冻胀特性试验研究北大核心CSCD

粉土因毛细水发育表现出较强冻胀特性,在冻土区建设中需关注其冻害问题。土中掺入石灰是一种常见的化学土质改良方法,但石灰对粉土的冻胀特性影响尚不清晰。为研究石灰改良粉土的冻胀特性和效果,进行了开敞系统下的一维冻胀试验,分析不同掺灰量下的温度场、变形场和水分场变化规律和机理。研究发现:土样随掺灰量增大,其冻结深度先增大后减小,冻胀量和补水量持续减小,而冻胀率先减小后增大,各指标呈不同变化规律,冻胀特性复杂;一定条件下提高掺灰量可减小冻结深度和冻胀量直至低于素土,土样抗冻性提高;而随着掺灰量变化,石灰改良粉土的冻胀率始终高于素土,土样抗冻性改良不显著。因此,在实际工程中,不能仅通过单一指标评价石灰改良粉土的效果,需结合冻结深度、冻胀量和冻胀率三个指标,综合评价石灰对粉土抗冻性的改良效果。