冻融循环和干湿循环作用下砂岩断裂韧度及其与强度特征相关性的试验研究

以三峡库区岸边坡消落带的典型砂岩为研究对象,针对其实际的赋存环境设计了干湿循环和冻融循环2种试验方案,分别研究了2种试验方案过程中砂岩试样的力学特征,分析了浸泡在不同化学溶液中的砂岩试样经历不同循环次数后各力学参数的变化规律。试验结果表明：干湿循环和冻融循环作用下砂岩试样具有明显的“弱化”趋势,其断裂韧度、抗压强度和抗拉强度劣化趋势基本一致,但试样各力学参数劣化程度却存在差异。其中,断裂韧度KIC的劣化程度最大,抗拉强度次之,抗压强度最小。干湿循环和冻融循环作用过程中砂岩试样各力学参数的劣化程度均非常显著,该现象说明在模拟库岸边坡消落带岩体遭受化学溶液作用时,干湿循环和冻融循环作用均是不可能忽视的影响因素。但比较而言,在冻融循环作用下砂岩试样各力学参数劣化程度更加显著。不同的化学溶液对砂岩试样力学特征的损伤劣化程度的影响有所不同,酸性化学溶液加剧了砂岩的劣化程度,而SO42-离子对砂岩劣化的影响大于HCO3-离子的。     

用金属丝爆炸模拟地下爆炸空腔环境的初步研究

把金属丝和丝周围的砂岩压制样品置于密封的爆室内,利用Mv30-19型大储能电容器组(总储能达232千焦耳)在50千焦耳左右的储能下进行爆炸。实验结果表明,爆室中的金属丝爆炸可以产生足够的温度和压力,即可以产生类似于地下爆炸空腔形成早期的物理化学环境。而且,砂岩样品在爆炸中汽化、熔化至少形成了1克左右的早期玻璃体。 改进装置线路、降低线路电感、选择最佳金属丝参数使其匹配;改进爆炸室结构,并应用磁致收缩效应来提高爆炸丝产生的温度和压力,以产生更多的玻璃体是可能的。     

经历不同高温后砂岩的动态力学特性实验研究

运用RX3 -20 -12型箱式电阻炉将砂岩试样分别加热至100、200、400、600、800和1 000℃,然后自然冷却至常温,制成经历不同温度的砂岩试件。运用直径为100mm的分离式Hopkinson压杆装置,用薄圆形紫铜片作为波形整形器,以不同弹速轴向冲击砂岩试样,测试经历不同温度后砂岩试样在不同冲击荷载下的动态力学性能,得出了砂岩的应力-应变曲线及各自的破坏形态。结果表明:常温下砂岩的动态压缩破坏的应力-应变曲线具有明显的4阶段特征,但经历100~400℃作用的砂岩应力-应变曲线的平台段消失,温度继续升高时平台段又重新出现;砂岩的峰值应变随温度升高而升高,动态压缩强度也随温度升高而升高,但在800℃以后陡然下降;砂岩的动态压缩破坏形态受温度和冲击荷载的共同影响,冲击荷载越大破碎程度越大,而且破坏过程总是由外层向内芯发展。     

砂岩峰后卸除围压过程的渗透性试验研究

为了探讨煤层开采引起的围岩卸除围压过程中砂岩渗透性的变化规律,本文用数控瞬态渗透法在电液伺服岩石力学试验系统MTS815.02上进行了砂岩试样的渗透特性试验。得出了试样峰前渗透系数-应变与应力-应变的关系曲线,以及在峰后保持轴向应变一定卸除围压过程中试样的渗透系数-围压与主应力差-围压的关系曲线;对试验砂岩在变形破坏过程中渗透性变化规律进行了总结,重点分析了其峰后卸除围压过程中渗透性的变化规律;并对试验砂岩峰后渗透系数与有效围压关系进行了拟合,得出了拟合方程式,为煤层开采引起的围岩体应力场与渗流场耦合问题提供参考。     

城市地下工程中的环境岩土工程问题

近年来, 随着城市人口的急剧增长, 交通与住房拥挤状况日趋突出, 在我国一些大中城市中, 道路交通隧道、地铁工程、地下商城等地下工程建设项目在逐年增多。由于城市工程环境特殊性和地下工程的特点, 在其施工过程中经常出现基坑失稳 (明挖 )、地面沉降、岩溶塌陷、洞室失稳、巷道突水等多种环境岩土工程问题, 不仅严重影响地下工程建设和周围建筑物环境安全, 而且给国家造成重大经济损失。这一问题已引起岩土工程领域很许多专家的关注, 并成为该领域的研究热点。本文结合南京市区地下工程建设的实际情况, 探讨城市地下工程环境岩土工程问题的特点和形成机理, 并提出解决地下工程环境岩土工程问题的方法和建议。     

基于图像处理技术和CT试验的裂纹量化描述

首先对CT试验和基于数学形态学的图像处理技术进行了简单介绍。在此基础上,定义了裂纹的提取方法和判定准则,并在此提取结果的基础上,建立了一套对图像进行信息提取、几何测量和空间描述的量化参数体系。以某砂岩CT试验为例,进行了岩土CT图像量化描述。该方法也探索了一种岩土力学CT试验数据分析的新途径。     

香港花岗岩风化分级化学指标体系与风化壳分带

火成岩的化学风化过程实质上就是碱、碱土金属组分水解淋失与脱硅富铁铝化的地球化学过程。不同风化程度的岩石处于整个化学风化过程的不同阶段,因而具有不同的化学成分和风化度指标。笔者在对香港九龙两个地方5个钻孔共计150件不同深度、不同风化程度的样品化学全分析结果与岩土风化程度宏观判别结果的相互对比、选择和确认的基础上,建立了香港地区花岗岩风化岩土风化程度工程分级的化学指标体系。这一研究成果的提出不仅有利于提高花岗岩风化岩土工程分类的科。学性、可靠性和实用性,而且可以为风化岩土工程特性与风化作用关系研究提供理论依据。     

世纪·国情·科技发展与工程地质学走向

通过对 2 1世纪初科技和经济、社会发展趋势的综合分析 ,基于中国现代化进程中基础设施建设的需求 ,工程建设的环境安全与经济效益统一的取向 ,以及学科的自然科学与人文科学的双重属性 ,作者认为工程地质学的研究与发展方向是 :以工程建设与地质环境互馈过程研究为核心 ,“地质工程”与“岩土工程”嵌套发展 ;加强工程地质学理论 -地质技术 -工程建设的紧密结合 ,进一步实现工程地质学为工程建设服务的价值。文章还论述了工程地质与环境领域服务于三个层次生产力布局、整体发展趋势、关键环节以及科学方法与技术的基本框架 ,并就当前工程建设中亟待解决的科学技术难题进行了初步分析。     

煤系地层岩石渗透特性试验研究

基于MTS815.02型岩石伺服渗透试验系统,应用两种实验方法测定了岩石的渗透特性,给出煤系地层中多种岩石全应力-应变过程中渗透率变化范围,对几种岩石的渗透特征进行了分析和讨论。研究表明:1)煤系地层岩石全应力-应变过程的渗透率通常在10-9到10-4Darcy量级之间;2)不同岩石在应力峰值前后其渗透性呈现不同的变化趋势;3)岩石渗透率的离散性很大,即使在相同的试验条件下,渗透率变异系数大多在0.65以上,其离散性按粗砂岩、泥岩、砂质页岩、中砂岩、细砂岩、砾岩、石灰岩顺序逐渐增大;4)在MTS815.02系统上,当所测岩样渗透率小于10-4Darcy量级时,应采用瞬态法,当渗透率量级大于10-4Darcy时,可改用稳态法测定。岩石变形过程中应力场和渗流场的耦合作用十分复杂,渗透率受孔隙压力、围压、试件尺寸、饱和程度等因素影响。     

表层嵌贴CFRP板条-混凝土界面粘结应力模型的试验与理论研究

为研究寒冷地区饱和砂岩的冻融损伤机理,采用DMA450伺服压机,在静载100N、动载80N、波动频率5～200Hz、温度-40～40℃的条件下,进行了饱和砂岩在不同频率正弦波单轴载荷作用下杨氏模量随温度变化的实验研究,获得滞(粘)弹性的弛豫衰减,以及有衰减引起的砂岩样品微结构变化情况。结果表明：饱和砂岩的杨氏模量和弹性波速度随温度升高而降低,随频率提高而增大; -40～20℃温度范围是冻融损伤最严重的区域。同时,在三种低频条件下(1.6Hz、2.8Hz和5.0Hz)用共振法在0℃获得相变衰减峰,反映了饱和砂岩的冻胀融缩效应,其产生的应力导致了饱和砂岩的损伤。从机理来看,前者是微观缺陷的演变,长期积累会导致破坏;后者是一种物理风化作用造成的宏观损伤。本文结果可为研究寒冷地区饱和岩石冻融损伤的机理及规律提供一定的参考。     

Mathematical modeling of methane flow in a borehole coal mining system

Safety in coal mining is greatly increased by the drainage of the methane content of coal seams through boreholes, simultaneously producing significant energy. The design of suitable drainage technology is based on the mathematical modeling of methane flow in coal seams. In the calculation of the methane pressure, the new mathematical model presented in this paper considers both the sorption phenomenon of methane depending upon the methane pressure and the fact that the variation in methane pressure can create a change in the stress condition of the rock and, as a consequence of this, a change in the permeability of the coal. The new mathematical model can be used for the numerical simulation of the flow processes in coal seams and methane drainage technology can be designed more accurately.     

岩石深孔爆破对邻近煤层的动应力作用

为解决松软煤体爆破孔成形困难导致深孔预裂爆破技术无法应用的问题,选择在运输巷底板距煤 层较近的岩石中进行爆破,利用数值模拟方法进行了相关理论探讨。分析了煤岩介质和单煤体介质中布孔的 差异,建立了单煤体和煤岩体深孔预裂爆破的5个数值计算模型。研究了单煤体和煤岩介质爆破孔与抽放孔 连心线上有效应力随距离的变化,从岩孔爆破传播到煤层其应力衰减的程度较单煤层中大得多,但在靠近抽 放孔附近煤层,二者的差距变小。抽放孔轴线方向所受有效应力的大小是决定爆破效果的重要因素,煤岩介 质中爆破孔与抽放孔间距为2.0m 时,抽放孔轴线方向上的平均有效应力与单煤层中爆破孔与抽放孔间距 为3.0m 时的相当,可作为实现岩孔爆破效果的布孔参数。     

Comparison Between Equivalent Continuum and Discrete Crack Models of Transient Radon Transport at the Soil–Building Foundation Crack Interface Using TOUGH2/EOS7Rn

In the framework of radon risk management in France, it is necessary to enhance knowledge on radon transfer from its source to exposure areas (e.g., buildings) by developing simple, accurate, numerical models for transient radon transport in three-dimensional (3D) unsaturated porous materials. The equivalent continuum model (ECM) of flow and transport at the interface between the soil and cracks (fissures) in a building foundation (e.g., slab on grade, basement) is attractive, since equivalent (effective) continuum properties assigned to model cells can represent the combined effect of individual cracks and solid matrix of the cracked concrete of the foundation (slab and blocks walls). Although the ECM approach based on the volume averaging method has been used to model flow and transport through cracks at the soil–building interface, it has never been verified numerically. Thus, the goal of the present work is to develop an ECM using this averaging method and to quantify its uncertainties based on its comparison to an accurate numerical discrete crack model (DCM) for flow and transport in the crack. As a first step, the DCM implemented in the TOUGH2/EOS7Rn module has been verified numerically through a comparison to a reference 3D steady-state numerical solution for radon transport into a house with basement under constant negative pressure. Then, 3D results of the DCM and ECM approaches were compared, under time-dependent indoor–outdoor pressure differentials conditions, for two crack line configurations in the basement slab floor and two different soil configurations with different soil permeability and radium \(^{226}\)Ra mass content values. Results of this comparison show that, for a homogeneous soil configuration, discrepancies between ECM and DCM simulated indoor radon activity concentrations decrease with the increase in soil permeability, regardless crack line configuration in the slab floor and soil radium mass content. However, ECM uncertainties were not within the range of absolute errors on measured radon concentration for the higher soil permeability \((1\times 10^{-9}, 1\times 10 ^{-8} \hbox { m}^{2})\) and the higher \(^{226}\hbox {Ra}\) mass content values (4500 \(\hbox {Bq\;kg}^{-1})\), especially for high radon pics induced by sudden increase in indoor air pressure drop. Regardless soil \(^{226}\hbox {Ra}\) mass content and crack line configuration in the slab floor, the ECM showed to be conservative for the two-layered soil configuration with the presence of aggregates beneath the slab foundation, generally practiced in buildings constructions.     

西周岭隧道地应力测量及岩爆预测分析

为指导施工,提高施工的安全性和经济性,对西周岭隧道进行了钻孔水压致裂法地应力测量。测试结果表明:西周岭隧道深埋段地应力场以水平应力为主,在测试深度内最大水平主应力值为10.57~19.39MPa,具中等偏高应力水平; 最大水平主应力方向为近N33°W,与隧道走向的夹角较小,即地应力对隧道围岩稳定性较为有利。基于地应力实测结果,本文采用Hoek判据、Turchaninov判据、Russenes判据和工程岩体分级标准等4种判别方法进行岩爆预测,并分析了发生岩爆的临界深度,认为西周岭隧道深埋段有发生轻微-中等岩爆的可能,发生岩爆的临界埋深厚度约为397m。因此,在施工过程中应采取合理的开挖方式及防岩爆安全措施,防止岩爆灾害的发生。     

不同应变率下煤岩破坏特征及其本构模型

利用直径50 mm的分离式霍普金森压杆,对煤岩展开20～100 s?1动态应变率下的单轴冲击压缩试验,结合高速摄影分析其变形破坏特征,并建立基于Weibull统计分布和Drucker-Prager破坏准则的煤岩动态强度型统计损伤本构模型。试验结果表明:（1）煤岩动态应力-应变曲线存在明显的非线性特征,随应变率升高,动态抗压强度与弹性模量均呈线性增长且增幅显著,破坏形态由低应变率下的轴向劈裂破坏向高应变率下的压碎破坏过渡;（2）在动态应变率20～100 s?1下,煤岩破坏后碎块具有明显的分形特性,破碎块度分维值为1.9～2.2,且随着应变率的升高,煤岩破碎程度增大,碎块块度减小;（3）基于Weibull分布参数F₀、m和应变率的关系,修正煤岩的本构模型,并与试验结果进行对比,验证该模型的合理性。     

突出煤层深孔控制爆破时控制孔的作用

为进行煤层深孔爆破应力传播和有关控制孔作用的研究,以松藻煤电公司实际采用的爆破、炸药和煤层参数为基础,利用三维数值模拟方法,建立煤层长柱状药包爆破数值计算模型。分析了松软煤介质深孔爆破在有控制孔时应力波传播的特点和因爆破作用的抽放影响区域。研究表明:在距爆破孔10 m范围内,有控制孔的孔壁平均有效应力较没有控制孔相同条件下高48%~66%.并随着与爆破孔距离的增加,尽管煤体所受有效应力衰减,但有控制孔的平均有效应力值较无控制孔的比率增大。上述研究结果与现场爆破前后实际取得的瓦斯抽放数据相比基本吻合,证明了爆破前预先设置控制孔的必要性。     

某公路隧道不同纤维混凝土支护结构性能比较

软弱、破碎围岩的公路隧道支护一直是困扰公路隧道施工的技术难题。结合三里冲软弱围岩公路隧道工程地质条件和隧道开挖设计参数,采用FLAC软件对钢纤维混凝土锚喷和聚丙烯纤维混凝土锚喷2种初期支护结构进行数值模拟研究。从应力、位移和塑性区3个方面分析隧道围岩的稳定性。计算结果表明,聚丙烯纤维混凝土锚喷支护结构能充分发挥围岩自承载能力,提高隧道的稳定性,能有效减少二次衬砌混凝土的厚度。     

卸压开采损伤煤岩气体渗透率试验研究

我国煤系地层的煤岩体渗透率普遍较低,直接影响煤矿瓦斯抽采效果。卸压开采使采场围岩受采动应力作用具备了峰后力学行为,其渗透率也大幅度增加,有助于瓦斯的高效抽采。本文基于MTS815.02型电液伺服岩石渗透试验系统,对卸压开采后损伤煤岩的气体渗透率进行了测试。研究表明:(1)卸压损伤煤岩石的渗透率在10-5～10-4 m2之间,较受采动影响前要大107～108倍;(2)卸压过程中,煤样的气体渗透率与围压近似呈线性关系,与岩样呈双曲线关系;(3)卸压损伤煤岩逐渐加围压,气体渗透率近似为线性下降,卸压阶段,其渗透率增加;(4)加卸围压对煤岩的气体渗透率有很大影响。研究结果可为卸压瓦斯高效抽采提供理论依据。     

循环冲击层理煤岩动力学行为及破坏规律研究

为研究复杂地况下含特征层理煤岩的动态力学行为，采用■50 mm分离式霍普金森压杆实验系统，对含层理(0°、30°、45°、60°、90°)煤岩进行动态三轴循环冲击实验研究，并结合3D轮廓扫描仪量化其断裂界面，分析层理效应和围压效应对煤岩动态力学特性及其损伤破坏规律的影响。研究表明：围压的施加使煤岩应力-应变曲线出现弹性后效现象；较无围压状态，抗压强度提高3.9～4.2倍，失效应变增大2.59～3.05倍。随着层理角度的增大，煤岩的动态抗压强度、弹性模量和能量透射率均呈现先降低后升高的U形分布，在层理角为45°时均达到最小值；能量吸收率和断面粗糙度呈现先增大后减小的∩形分布，损伤变量呈现N形分布，在层理角为45°时达到最大值。煤岩的损伤破坏特征随层理角度的变化可概括为张拉破坏（0°）-剪切破坏（30°、45°和60°）-劈裂破坏（90°）的演变过程，所得特征规律可为实际复杂环境下煤层气资源安全高效开采提供理论支持。     

岩溶围岩分级初步探讨

岩溶隧道施工中多处遇各种形态岩溶,通常应根据开挖情况对原设计围岩级别作调整,从而提出岩溶围岩级别划分问题。对岩溶围岩级别的几个基本概念进行解释,提出以“岩溶发育程度修正系数”为核心的岩溶围岩分级模型和建议标准,以武隆隧道横洞段为例进行应用探讨。实践证明,本方法分级结果与隧道施工实际基本相符。本方法因考虑了岩溶发育的可能性及岩溶形态等综合因素,是原分级方法基础上针对岩溶围岩的修正,其分级结果比较接近施工实际,但尚需大量工程实践验证。