基于原子力显微镜的板岩杨氏模量宏微观跨尺度表征方法研究

岩石材料的微观非均匀结构和微观力学特性是制约其宏观变形与破坏力学行为的关键因素。针对川藏铁路隧道板岩,采用原子力显微镜测试技术,结合粉晶X射线衍射、扫描电子显微镜和能谱分析技术,获得了板岩纳米尺度下的矿物构像和微观结构,并揭示了微观尺度板岩矿物杨氏模量空间分布;进而采用混合高斯模型对160多万个试验数据进行反卷积分析,确定了高、中、低强度三相的平均杨氏模量和概率;最后基于Mori-Tanaka模型对板岩杨氏模量进行尺度升级,建立了板岩杨氏模量宏微观跨尺度表征方法。结果表明：（1）纳米尺度下板岩中嵌入的石英呈凸面多边形块体,伊利石薄片紧密、定向排列呈明显的层理性,而绿泥石作为基质松散地分布在孔隙中;（2）石英、伊利石、绿泥石和微观孔隙对原子力探针的黏附力依次递增,杨氏模量依次递减;（3）微观测试结果和图像分析表明,板岩孔隙度为16.61%、宏观杨氏模量为56.17 GPa。该方法适用于破碎、小尺度、任意形状岩石的力学参数精细测量分析,为通过饼化、破碎岩芯估算硬岩的宏观杨氏模量等力学参数提供了一种新的技术路线,具有较好的实用价值。     

基于微观岩石力学试验和NWA13618陨石的小行星岩石力学参数分析

未来人类的地外天体勘探、太空资源开发、地外基地建设等活动都离不开岩土工程技术的发展。目前,人类获得太空岩石样本仅有太空飞行器取样和收集陨石两种途径。由于陨石存量稀少、价格昂贵、尺寸小并且形状任意,因此难以加工成传统力学试验与模拟（mechanical testing&simulation,简称MTS）材料试验机等宏观岩石力学试验所需要的高质量标准岩样。基于微观岩石力学试验和统计分布模型,发展了适用于小尺寸陨石的力学参数测量新技术。首先,应用矿物自动定量分析系统（TESCAN integrated mineral analyzer,简称TIMA）获得NWA13618陨石成岩矿物组成、含量和分布。然后,利用网格纳米压痕技术进行大量压痕试验获得多点弹性模量;之后,利用高斯混合模型,统计求解NWA13618陨石中4种主要矿物的力学参数。橄榄石、辉石、铁镍金属、长石的弹性模量分别为116.73、101.77、87.24、70.74 GPa;最后,基于岩石力学试验结果,采用Mori-Tanaka均质化方法获得NWA13618陨石宏观cm尺度弹性模量为90.48 GPa。提出的微观岩石力学试...     

TBM护盾−围岩相互作用荷载识别方法

随着隧道掘进机（tunnel boring machine, TBM）开挖隧道埋深逐渐加大,穿越的地层结构更加复杂,如何降低卡机风险成为亟待解决的问题。提出了一种基于牛顿迭代和有限元理论的TBM护盾?围岩相互作用荷载反演方法。该反演方法以护盾内表面测点应变测量值与计算值的误差作为目标函数,并引入Moore-Penrose广义逆对反演方程进行求解。采用了护盾外表面有限分区的策略,定义各分区节点荷载值为反演参数,可以方便地控制反演参数的数量。各分区内部荷载通过节点值插值得到,实现了护盾表面任意分布荷载的离散拟合。算例结果表明：该反演方法计算效率高,对观测值误差具有很好的免疫效果;能够有效地获取护盾外表面的荷载分布规律和摩阻力的大小,在一定程度上能够为现场安全掘进、卡机预警以及事故处理提供指导。同时,该反演算法也可以扩展到低维情况,对其他结构受力或者物理参数的反演具有一定的借鉴意义。