Chemo‐mechanics of cemented granular solids subjected to precipitation and dissolution of mineral species

This paper studies the chemo‐mechanics of cemented granular solids in the context of continuum thermodynamics for fluid‐saturated porous media. For this purpose, an existing constitutive model formulated in the frame of the Breakage Mechanics theory is augmented to cope with reactive processes. Chemical state variables accounting for the reactions between the solid constituents and the solutes in the pore fluid are introduced to enrich the interactions among the microstructural units simulated by the model (i.e., grains and cement bonds). Two different reactive processes are studied (i.e., grain dissolution and cement precipitation), using the chemical variables to describe the progression of the reactions and track changes in the size of grains and bonds. Finally, a homogenization strategy is used to derive the energy potentials of the solid mixture, adopting probability density functions that depend on both mechanical and chemical indices. It is shown that the connection between the statistics of the micro‐scale attributes and the continuum properties of the solid enables the mathematical capture of numerous mechanical effects of lithification and chemical deterioration, such as changes in stiffness, expansion/contraction of the elastic domain, and development of inelastic strains during reaction. In particular, the model offers an interpretation of the plastic strains generated by aggressive environments, which are here interpreted as an outcome of chemically driven debonding and comminution. As a result, the model explains widely observed macroscopic signatures of geomaterial degradation by reconciling the energetics of the deformation/reaction processes with the evolving geometry of the microstructural attributes. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

Effective properties of a cemented or an injected granular material

In this paper the macroscopic elastic properties of injected or cemented sands are derived from the characteristics of the constituents and the analysis of the microstructure using a multi‐scale modelling approach. Particular interest is given to the choice of the representative elementary volume, by relying on existing microstructural data. The periodic homogenization is adopted and required numerical solutions are performed by the finite element method. An assessment of the validity of the multi‐scale approach is achieved through comparison with theoretical and experimental results on cemented and injected granular media reported in the literature. The capabilities of the model are also used to investigate the influence of geometrical and mechanical microscale parameters on the macroscopic behaviour of the treated materials. Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Ltd.     

煤巷弱胶结顶板稳定性分析与变形控制技术

煤层顶板为弱胶结岩体时稳定性差,常在煤炭回采过程中或巷道掘进时发生大变形或失稳等现象,维护难度较大。针对煤巷弱胶结粉砂岩顶板力学特征与变形控制等问题,以广西林场煤矿煤巷弱胶结粉砂岩顶板支护工程为工程背景,采用现场调研、实验室试验、理论分析等方法进行研究。通过现场调研,发现研究巷道有顶板岩层自承能力差、受水环境影响、支护结构失效率高、底板受水影响底鼓量大、受采动影响等特征;顶板岩石点荷载试验表明,其单轴抗压强度仅为1.9～ 2.3 MPa,采用电镜扫描发现,弱胶结粉砂岩以粗粒矿物为骨架;在普氏理论的基础上,推导了巷道顶板和两帮承压极限表达式,提出了提高巷道围岩整体强度和承载能力、确定合理的锚杆支护参数、顶板设计锚索加强支护等弱胶结巷道围岩控制要点。依据试验分析与理论研究成果,提出了以注浆加固为基础,锚杆和锚索联合支护的控制方案,并在林场煤矿进行了工业性试验。现场监测数据表明,设计的支护方案可以有效地控制煤巷弱胶结粉砂岩顶板变形。     

互层胶结土中正断层地震地表破裂位错特征研究

为了解决采用Trimble GX 3D地面激光三维扫描仪分析互层胶结土中正断层地震地表破裂位错特征时,未有效模拟地表垂直和水平位移的基本特征,获取的地表破裂位错特征结果不准确的问题。提出新的互层胶结土中正断层地震地表破裂位错特征研究方法,先构建地震地表弹性位错模型,分析互层胶结土正断层的地表三维断裂特征,得到地表在受到走滑、逆冲和张开错动导致的地表错位变化情况;再通过正断层地震地表破裂离心机试验,获得互层胶结土中正断层地震地表破裂位错特征。试验结果说明,所提方法可有效分析互层胶结土中正断层地震地表破裂位错特征,且破裂点在土体模型中部和中下部的裂缝深度分别为22.4 m和33.4 m,裂缝上的破裂点处于土体模型的中下部时,裂缝的深度越深。     

考虑分层特性的尾砂胶结充填体强度折减试验研究

充填体分层现象在分段或阶段嗣后填充采空区过程中较为常见。设置65%、70%、72%和75% 4个浓度,填充次数为1、2、3和4制作不同分层胶结充填体试件,进行单轴压缩试验探究其力学强度及其破坏模式。试验结果表明：（1）相同浓度条件下,随着填充次数增多,胶结充填体的单轴抗压强度弱化效应越明显,而当浓度在65%～75%之间变化时,对应强度折减系数介于0.592～0.967;（2）充填体单轴抗压强度与填充次数之间满足二次多项式函数关系,而与料浆浓度呈对数函数分布;（3）不同分层胶结充填体的破坏模式主要表现为共轭剪切破坏和贯穿分层面的张拉破坏。低强度夹层可能是导致分层胶结充填体强度降低的原因,能够为后期填充采空区的充填体强度设计提供可靠的理论依据。     

胶结充填体三轴压缩变形破坏及能量耗散特征分析

充填体的变形破坏、能量耗散与围压的变化密切相关,通过开展不同灰砂配比、浓度的充填体单轴、三轴压缩试验,基于系列试验结果,研究了不同围压加载阶段充填体的变形特征、破坏模式及能量耗散与围压的内在关系。结果表明,随着围压的增加,充填体的峰值应变随之增大,且两者呈线性相关;低围压时充填体呈现脆性破坏,表现为应变软化特征,随着围压增大,充填体由脆性向应变硬化转化,灰砂比越大、浓度越高,充填体发生脆-延性的临界围压值越大。充填体的破坏裂纹发展形式各异,大致可分为单一、平行、交叉和复合4种类型;宏观破坏表现主要呈“X”状、“Y”状剪切模式,破坏面的类型主要分为：直线式光滑摩擦面、圆弧式破碎摩擦面、直线式破碎摩擦面以及台阶式破碎摩擦面。充填体的峰值强度与围压也呈正线性相关,内摩擦角对灰砂比的敏感性要高于浓度。围压的增大能够相当程度上提高充填体各阶段的应变能,峰前、峰后能耗量、单位体积变形能以及总能耗与围压皆呈正相关性。     

污水浸泡对水泥土强度和电阻率特性影响的试验研究

为了揭示污水对水泥土的影响规律,并尝试采用电阻率法作为描述强度和污染特征的手段,把粉质黏土和两种水泥（普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥）制作的水泥土试块分别浸泡在3种液体（自来水、生活污水、造纸厂污水）中模拟环境侵蚀。首先对比分析了污水对土体液塑限的影响,其次研究了龄期、水泥类型、污水类型等对水泥土抗压强度和电阻率的影响,考察了电阻率和抗压强度的关系。结果表明：污染后土样的液限、塑限均增大,塑性指数减小;水泥土抗压强度和电阻率均随龄期增加而增长;污水均降低了水泥土的抗压强度和电阻率,但是矿渣硅酸盐水泥土的抗压强度和电阻率均高于普通硅酸盐水泥土,说明在污水环境中,矿渣水泥对水泥土有一定的抗劣化能力;在不同的龄期、水泥类型、污水类型下,水泥土电阻率均与抗压强度呈现出一致的变化规律,二者线性相关。     

人工胶结砂物理力学特性试验研究

采用二次掺水法制备氧化钙胶结砂样,为加速碳酸化将试样放置在充满干冰的养护箱中养护,养护完成后对不同氧化钙掺入比的试样进行固结排水三轴试验和碳酸钙定量化学试验,分析了氧化钙掺入量对胶结砂物理力学特性的影响,定义了反映胶结物生成量的化学指标 ,利用 修正了摩尔-库仑强度理论。结果表明：二次掺水法可有效控制人工胶结砂的初始含水率,CaCO3胶结物的形成对试样物理力学特性有极大影响。在不同围压下,试样均表现出应力软化。随氧化钙掺入比的增加,试样应力软化现象逐渐增强,并且黏聚力及内摩擦角增量逐渐增大。胶结砂具有压硬性,围压、氧化钙的掺入比对试样剪胀有抑制作用。随着 的增加,试样黏聚力、摩擦角增量均有明显提高,通过试验数据得到了 与试样黏聚力、内摩擦角增量之间的函数关系,进而对摩尔-库仑强度理论进行了修正,修正后的公式能够反映胶结物的形成对胶结砂强度的影响。     

盾尾注浆硬性浆液固结变形数值计算模型构建

为了更为合理地评价盾构壁后注浆控制地层变形机制,采用自制的硬性浆液固结变形试验装置,对水泥胶结作用影响硬性浆液的固结过程进行了试验研究。在此基础上,分析并建立了能够反映水泥胶结作用的硬性浆液固结变形模型,编制了相应的数值计算程序,并通过试验验证了该模型的合理性。硬性浆液固结变形数值计算模型的构建对于提高盾构施工模拟精细度将起到一定的推动作用。     

胶结钙质土的室内试验研究进展

天然胶结钙质土是广泛分布于热带及亚热带海洋中由生物碎屑经碳酸钙胶结或固结而形成的碳酸盐岩类。其独特的工程性质常常给岩土工程设计与施工带来麻烦,也正因此引起了研究者的兴趣并对其开展了较为全面的试验研究工作。针对天然胶结钙质土、人工胶结钙质土的室内试验以及人工胶结钙质土试样的制备等3方面取得的研究进展进行总结回顾,汇总了胶结钙质土的基本应力-应变行为以及围压、初始密度及胶结度等主要参数的影响规律,指出了研究中尚存在的问题,并对胶结钙质土的进一步的研究工作进行了展望。该工作必将对此领域的研究具有借鉴和指导意义。