冻融作用下裂隙岩体锚固效应研究

用相似材料制作含预制裂隙岩体无锚和加锚试样,以锚杆与裂隙呈45°、90°打入锚杆制作3组试样,进行60次冻融循环,对冻融过程中裂隙进行应变监测并对冻融循环60次后的试样进行单轴压缩试验,探讨冻融循环作用下不同角度的锚杆支护对裂隙岩体的裂隙扩展规律、锚固效应及破坏模式的影响。研究结果表明:裂隙岩体在经历30次冻融循环之前,两种支护方式对裂隙的控制效果相当,随着冻融循环的进行,锚杆支护角度会对作用于锚杆的摩阻力产生一定影响,锚杆与裂隙夹角越大,作用于裂隙的摩阻力越大;天然状况下一个冻融循环周期内裂隙的应变大致经历了冷缩→冻胀→冻胀稳定→融缩→回弹→稳定6个阶段,两种支护工况均未出现明显的融缩阶段和回弹阶段,且90°支护工况效果比45°支护工况效果更加明显;对裂隙岩体采用水泥浆进行压力灌浆,由于水泥浆的保护作用可以对整个锚固系统起到一定的修复作用;锚杆增强了裂隙岩体抵制裂隙扩展的能力,降低了裂隙岩体劈裂破坏的突然性,且破坏模式由张拉破坏转换为张剪复合破坏。     

赣南山区矿泉水出露模式探讨

赣南属于典型的山区,也是严重缺水区,一般在山区沟谷两侧有优质矿泉水涌出地表。宁都县位于赣南北部,具有赣南典型的地貌特征、构造特征。现以宁都县为例,探讨矿泉水的分布与出露模式。通过区域地质调查、水文地质条件分析及水质分析,发现:矿泉水类型主要为偏硅酸矿泉水,含量30.72~48.56 mg/L,水化学类型为HCO_3-CaNa型水,水温普遍低于25℃,溶解性总固体小于153.53 mg/L,属于低矿化冷矿泉;断裂构造为矿泉水形成提供水动力条件,也为矿泉水的运移、贮存提供良好空间;地形地貌以侵蚀构造山地丘陵为主,高差大、切割深的径流条件促进了地下水中偏硅酸的富集;花岗岩中的高含量SiO_2为矿泉水提供了物质基础,且风化程度高、裂隙发育,水岩作用进行充分。     

不同装置瞬变电磁含水异常特征分析

利用不同埋藏深度和倾向的板状体模拟含水裂隙和采空区,通过简单的理论计算,给出了瞬变电磁法的定源回线中心测量和重叠回线装置对该含水地质体的二次场响应特征。理论分析与实测数据表明,定源回线中心测量和重叠回线装置的含水地质体的视电阻率异常特征较大差异,对于含水采空区,前者表现为低视电阻率,后者则显示为高视电阻率;对于含水断层裂隙,二种装置的视电阻率拟断面图均表现为视电阻率等值线的近似直立。另外对于瞬变电磁二次场,定源回线中心测量装置会在含水地质体最浅部的地面投影点附近存在一个过零点,过零点两侧二次场的极值大小决定了含水地质体的赋存形态;重叠回线装置会在含水地质体最浅部的地面投影点附近存在一个极小值,极小值两侧二次场的极大值大小可确定含水断层裂隙的倾向。     

基于“双行裂隙”模型的两淮矿区高承压厚松散层突水机理

两淮矿区高承压厚松散含水层覆盖下煤炭储量巨大,在提高上限开采过程中常发生松散层突水事故,采用传统“上三带”理论难以合理解释此类事故发生的机理。本文在分析两淮矿区高承压松散层水文工程地质条件的基础上,建立近高承压松散层开采“双行裂隙”模型,采用室内实验、数值模拟、理论分析和工程应用检验等方法,研究“双行裂隙”发育规律,揭示两淮矿区高承压厚松散层突水致灾机理,结果显示:祁东煤矿松散层第四含水层（简称四含）水压与裂采比呈线性关系;在水压作用下,覆岩“上行裂隙”发育高度增大;利用裂隙受力分析推导的基岩风化带原生裂隙扩展渗透深度计算公式,表明高承压松散含水层对风化裂隙产生劈裂作用,是“下行裂隙”形成的主要因素。“双行裂隙”的综合作用使工作面更易发生松散层水突水事故,研究成果为近松散层煤层开采安全煤（岩）柱的合理留设提供科学依据。      

预制裂隙岩样宏细观力学行为颗粒流数值模拟

为了研究双轴压缩下预制裂隙岩样宏细观力学行为及裂纹扩展模式,采用颗粒流程序（PFC）先分析平行粘结模型细观参数对宏观参数的影响,接着结合完整花岗岩常规三轴压缩试验结果对其细观参数进行标定,最后借助该组参数模拟有围压下预制裂隙（上裂隙①和下裂隙②）岩样的力学特性。研究表明:基于PFC程序和标定的参数能较好地模拟完整岩样的破坏情况;随着围压增大,双裂隙岩样的峰值强度和弹性模量均增大,且裂隙②与水平向夹角α₂为90°时,两者均达到最大值;不同的α₂下,各岩样的裂纹演化均经过裂纹萌生、发展和稳定等3个阶段;随着围压的降低和轴向应力的增大,颗粒间的力链破坏情况愈严重。由于拉伸力链的集中和分布不同,水平裂隙长度方向上的裂纹沿着轴向扩展,且两裂隙的贯通呈现不同方式。     

岩体裂隙三维可视化新方法及其应用

快速准确地识别岩体裂隙的三维分布特征是西南山区铁路防灾减灾的关键.本研究提出了一套岩体裂隙可视化新方法,基于测窗调查的裂隙数据,依托球坐标及极射赤平投影进行数字化处理及降维,利用K-Means++聚类算法、Fisher分布模型和蒙特卡洛模拟,完成裂隙产状数据的自动分组和模拟,最后运用Python及圆盘模型实现岩体裂隙三维可视化.本研究采用坐标变换和三角网格曲面的方式,更有利于与其他三维建模软件嵌套分析.水电站工程的先行应用研究表明产状数据服从Fisher分布,本文的模型相对于传统玫瑰花图和施密特图有着一定的优势.因此,本文建立的岩体裂隙模型具有直观快速反映区域裂隙网络三维分布特征的优点,研究成果可以直接服务于西南山区铁路施工阶段隧道掌子面及洞壁的节理裂隙三维识别以及防灾减灾研究.      

共和盆地干热岩体人工裂隙带结构的控热机理与产能优化

人工压裂是获取干热岩型地热资源的关键环节,压裂后的人工裂隙带结构对开采条件下水热传递过程具有重要控制作用。结合我国共和盆地干热岩储层地质条件,采用数值模拟方法着重分析干热岩不同产状人工裂隙带的渗透率与宽度对热储中水热传递过程的影响机理,明确不同人工裂隙结构条件下水热产出能力,进而优化井间距。结果表明:当人工裂隙带渗透率较小时（小于5 D）,裂隙带规模越大,开采井温度越高;当渗透率较大时（大于10 D）,在水平裂隙带中,随着裂隙带规模的增加,由于注入冷水的快速扩散导致整体低温区域增加,开采井温度反而降低。在水平裂隙带中注入冷水主要为水平向流动,随着渗透率的增加,开采井温度更易受注入冷水的影响而降低;但在垂直裂隙带及倾斜裂隙带中,随着渗透率的增加,垂向自由对流增强,注入冷水更易于向储层底部高温区域流动,经加热后到达开采井,使得开采温度提升。综合比较,同一井间距条件下,低渗水平裂隙带以及高渗垂直裂隙带的产热能力较其他裂隙带更强。     

基于COMSOL Multiphysics的非饱和裂隙土降雨入渗特性研究

基于COMSOL Multiphysics软件对非饱和裂隙土降雨入渗特性进行数值模拟研究。通过将裂隙和基质分别离散成有限单元,建立了能充分模拟土中裂隙流、基质流以及裂隙-基质流量交换的离散裂隙-孔隙介质模型。结合"空气单元"的概念,对裂隙土的上边界进行模拟。该方法不仅能描述降雨初期雨水沿裂隙优先入渗的现象,还能描述当降雨量大于裂隙土入渗量时雨水沿地表流走的现象。通过对地表以下2 m深度内低渗含裂隙土体进行模拟,分析了裂隙的几何特征、基质的水力特性、前期水分条件以及降雨强度对非饱和裂隙土降雨入渗过程的影响。结果表明,在非饱和裂隙土中,存在两个主要的渗流过程:一是水沿裂隙优先流动;二是水不断从裂隙吸入基质中,基质吸收水的作用抑制了裂隙中优势流的发展。与裂隙的几何特征相比,基质的水力特性对非饱和裂隙土渗流的影响较大。增大基质的饱和渗透系数可能使由裂隙流主导的渗流过程转变为由基质流主导的渗流过程,而基质的非饱和特性与裂隙土的初始含水率改变了土体的储水能力,从而加速或延缓了降雨入渗至某一深度的时间。降雨强度对土体入渗速率和入渗量均有影响,当超过裂隙土的入渗能力时,多余积水沿地表流走,断面入渗率随...     

考虑损伤的平行黏结接触模型开发及其参数影响分析

为研究颗粒细观接触之间的损伤、断裂过程,基于离散元颗粒流程序(PFC^3D),在平行黏结模型的基础之上,引入拉伸损伤变量和剪切损伤变量表征颗粒黏结键的变形、强度及能量演化特征,根据最大应力准则确定黏结键损伤起始判据,通过C++语言编程对该接触模型进行二次开发。对单一黏结键进行拉伸、剪切、弯曲及扭转测试,对比理论计算结果,验证了考虑损伤的平行黏结接触模型的计算精度;建立三维细观离散元模型,模拟砂岩单轴压缩试验和花岗岩三轴试验,表明了该模型的适用性和准确性。在此研究基础之上,对考虑损伤的平行黏结模型进行参数影响分析,结果表明：损伤演化系数对应力-应变全曲线的弹性段范围、峰值应力以及达到峰值应力后的软化速率有显著影响;对比研究了应力-应变曲线在不同阶段黏结键损伤、裂隙萌发、扩展及贯通的演化过程;进一步研究了弹性应变能和耗散能的演化规律,引入了耗散能释放率参数,阐释了损伤演化系数越大应力-应变曲线达到峰值应力后下降速率越快的原因。     

干湿循环条件下木质素改良膨胀土胀缩特性

实地调查发现河南省南阳市南阳盆地周边受持续降雨、干旱极端气候影响,出现了房屋破坏、边坡失稳等膨胀土灾害问题,危害人民财产生命安全。以南阳盆地弱膨胀土为研究对象,通过自由膨胀率试验,研究木质素磺酸钙改良弱膨胀土的最佳掺量问题,并在最佳掺量的基础上对试样进行无荷膨胀和收缩试验,进一步研究干湿循环条件下木质素磺酸钙对弱膨胀土胀缩特性的影响,结合试验过程中试样的裂隙发展规律,探究干湿循环条件木质素磺酸钙改良弱膨胀土胀缩特性的原因。试验结果表明对于弱膨胀土,木质素磺酸钙掺量在0.75%、养护天数14 d时改良效果最佳,此时改良土自由膨胀率最低。干湿循环条件下的无荷膨胀和收缩试验数据显示改良前后弱膨胀土绝对膨胀率最高由29%降至3%,绝对收缩率最高由17%降至2%,改良土相对膨胀率与相对收缩率基本不随干湿循环次数发生变化,说明木质素磺酸钙可以有效降低干湿循环过程中弱膨胀土的胀缩形变,保持干湿循环过程中弱膨胀土胀缩特性的稳定,且木质素磺酸钙的改良效果不受干湿循环次数的影响。对比未改良土与改良土裂隙发展规律,木质素磺酸钙在弱膨胀土中主要起到抑制裂隙发育,提高土体胶结能力的作用,使土体形成更致密的结构,...