多孔微差爆破下岩石损伤演化规律研究

目前山岭隧道开挖中大多数采用钻爆法,但爆破施工时难免会出现超欠挖、围岩损伤破坏严重等现象,直接影响施工安全。通过建立本构模型和有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,对不同节理裂隙角度下的爆生裂纹规律以及逐孔起爆、间隔起爆两种起爆顺序和不同微差间隔时间下岩石损伤演化规律进行研究,得出当节理裂隙与炮孔中心连线成60°～90°夹角时岩体破碎效果较差,当节理裂隙与炮孔中心连线成45°时岩体破碎效果最好;间隔起爆下中间孔先起爆的爆生裂纹扩展长度分布较为均匀,可将其应用于辅助眼处,以便于岩石破碎以及减少大块率,为实际隧道工程提供了技术参考。     

不同节理倾角砂岩卸围压力学破坏特性试验研究

经历漫长地质构造后,岩体内存在大量的节理,而充分认识节理岩体卸荷力学行为对保障地下工程安全开挖具有重要的理论价值。因此,通过对预制节理砂岩试样开展卸围压试验,分析节理倾角对砂岩强度和变形破坏特性及声发射特征的影响规律。结果表明,卸围压对节理砂岩试样峰前应力-应变曲线特征影响较小,导致峰后的残余强度消失;节理砂岩试样卸围压峰值强度较常规三轴压缩低,且随节理倾角的变化规律相同;在倾角θ=40°时出现异常,主要是节理存在导致剪切裂纹向节理偏移。压密阶段声发射事件随节理倾角增大越来越不明显,而进入塑性段节理倾角对声发射特征影响较大。峰后声发射事件缓慢增加,主要是卸围压导致侧向做负功,一定程度上降低了弹性应变能释放的剧烈程度。     

岩体边坡锚注加固模拟试验研究

通过对层状岩石边坡锚注加固模拟剪切试验的研究,对比分析各种结构节理剪切力—剪切位移全程曲线的特点;阐述节理剪切破坏各个阶段的细观过程及不同节理的抗剪切强度和抗剪切刚度的特征。研究表明:锚注加固节理面抗剪切强度并不等于锚杆和胶结面抗剪切强度之和,其强度同步发挥的程度与锚杆钢筋的取材及钢筋配筋率有关;边坡锚注加固后,节理由原来的摩擦型节理和加锚柔性节理变为锚注刚性节理,由于节理的变形减小,可以有效地控制边坡的位移量;锚注节理的抗剪切强度随锚杆与节理面夹角的增大而减小,两者呈反比关系;当剪切力方向与锚杆倾向相同且在锚杆与锚注节理面夹角从90°到30°的变化过程中,锚注节理的抗剪切强度逐渐增大,表现为节理面的C值和φ值逐渐增大。     

贯通与半贯通红砂岩试样圆孔胀裂特征研究

胀裂破岩是常见的破碎岩石手段,为研究单孔岩样的胀裂效果,制作了4种不同边距的贯通、半贯通圆孔红砂岩试样。借助自制的胀裂装置,在刚性伺服机上进行单轴加载,分析不同加载速率、钻孔边距和钻孔深度下圆孔周边的裂纹扩展形式,研究不同边距下试样的破坏特征。研究发现：当边距为40 mm时,半贯通试样破坏所需的时间超过贯通试样。达到峰值荷载时,大部分半贯通试样的胀裂只在一侧产生裂纹,小部分出现2条不规则的裂纹,大部分裂纹只延伸一定长度而未贯穿至试样底部。随着边距增加,贯通试样在2种加载速率下破坏时间的差值逐步扩大,0.4 mm/min速率下试样的胀裂时长快速增加,破岩速率大幅降低,而0.8 mm/min速率下试样破坏时发生的位移更小。分析试样的局部应变发现,2种加载速率下试样的局部应变变化规律差异并不明显。研究结果表明：相比半贯通试样,贯通试样更容易发生变形,胀裂产生的裂纹水平对称;在边距和孔深一定的情况下,2种加载速率对试样的胀裂破坏差异较小。研究结果可为钻孔胀裂法破碎岩石提供参考。     

随机形貌岩石节理剪切破坏分析

基于三维高精度形貌扫描技术和节理剪切试验及数值模拟,研究随机形貌岩石节理剪切的节理表面破坏过程及机理。利用自定义参数(节理面破坏量Vd、破坏增量Vd-inc)定量分析节理面破坏过程,并基于节理表面破坏特征将随机形貌岩石节理剪切破坏过程细化为6个基本阶段。研究结果表明:节理表面破坏开始于破坏起始阶段,主要发生在整体破坏阶段,节理面整体破坏阶段的破坏量占整个剪切过程总破坏量的70%以上。节理表面破坏主要为剪胀伴随凸起体顶部剪断和沿凸起体根部剪断,前者比后者更迅速。节理面凸起体根部易产生拉伸裂纹,但整体破坏形式以剪切破坏为主。     

单向非贯通节理岩体滚刀破岩 特性离散元模拟

相较于贯通节理,岩桥的存在使非贯通节理岩体受力破坏过程更加复杂。为探明其对破岩影响,通过采 用 PFC2D建立单向非贯通节理岩体滚刀破岩离散元模型,研究岩桥长度和倾角对岩体破碎模式、法向力、裂纹数 量及比能耗等参数的影响,揭示非贯通节理岩体滚刀破岩特性。研究发现：岩体以张拉破坏为主,节理对裂 纹扩展的“导向作用”明显,裂纹扩展方向总是趋向于和其距离最近的节理;竖向应力水平随节理倾角增加呈现 先增大后减小的趋势,在 45°倾角下达到最大值,应力区形状受到节理位置影响,两者具有一致性;完整岩体法 向力均值和峰值均大于节理岩体,节理对于破岩过程具有明显的促进作用;0°、60°、90°节理倾角下的比能耗值 明显低于其他节理组合,60°倾角下呈减小趋势,在岩桥长度为 25 mm 时取得最小值;0°、90°倾角下呈先减小后 增大趋势,在岩桥长度为 15 mm 时取得最小值。     

高地温隧道注浆节理剪切损伤本构模型研究

高地温环境对水泥浆在硬化过程中造成的损伤，直接影响隧道围岩注浆节理的剪切性能和注浆加固的效果。主要考虑高温和法向应力2个影响因素，并采用能反映高地温隧道施工期间温度场真实变化过程的高温变温养护方法，进行浆-岩复合体试件的养护，并开展室内注浆节理直剪试验，由此获得不同初始养护温度和法向应力条件下的注浆节理剪切破坏特征、剪切应力位移曲线等；利用浆-岩界面扫描电镜（SEM）试验，分析高温变温养护对水泥浆微观结构的影响规律；在此基础上，引进统计损伤理论，建立考虑温度损伤的注浆节理剪切本构模型。结果表明：注浆节理剪切破坏模式在初始养护温度40℃时表现为胶结面破坏，60和80℃时表现为混合剪切破坏，且温度越高，水泥浆在破坏面中的占比越高；高温导致水泥浆微观上水化产物搭接不紧密，微孔隙、微裂缝发育，且温度越高，水泥浆微观损伤越严重；初始养护温度与注浆节理峰值剪切强度、剪切刚度呈负相关，与峰值剪切位移呈正相关，初始养护温度与法向应力的叠加效应对注浆节理剪切性能的影响较为明显；考虑温度损伤效应的注浆节理剪切本构模型，与试验结果有较好的吻合度，可为高地温隧道注浆节理剪切问题的相关研究和注浆加固设计提供借鉴...     

铁路标准断面隧道节理倾角效应研究

以郑万铁路黄家沟隧道标准断面为研究对象,对不同产状岩质隧道进行稳定性分析,研究围岩力学响应、变形特性以及锚杆力学特征,阐明不同于传统松散介质的层状岩质隧道失稳模式及锚杆支护要点。结果表明:节理面极大削弱了岩体稳定性,开挖会引起沿层理面滑动,导致明显地质偏压。隧道开挖使得层间节理首先被破坏,节理离层区不是发生在最大主应力方向上,而是发生在节理垂直方向。水平层状或倾角较小时,顶部和仰拱节理之间产生离层区,易引起岩层弯折破坏;随着倾角增大,顺弱势节理面滑动趋势增大,破坏主要取决于节理面强度和层状节理之间滑移;当倾角为75°～90°时,破坏主要为边墙岩块弯曲压溃;竖向节理时,中间垂直土体挟持作用减弱,易剪切破坏失稳引起冒顶坍方趋势。从群锚效应来看,锚杆与滑移面夹角大于23°时,锚杆支护效果发挥较为明显的效果。     

节理倾角及组数对铁路隧道围岩稳定性的影响

我国西南地区崇山峻岭、地质构造条件复杂多变,岩体内部节理、片理、层理发育。隧道穿越节理发育围岩时,极易引发围岩大变形、掌子面失稳坍塌、钢架变形扭曲、初支掉块和二次衬砌开裂等工程灾害。为了分析节理对隧道围岩稳定性的影响规律,依托玉磨铁路西双版纳隧道,利用ABAQUS建立计算分析模型,得到不同节理条件下围岩塑性破坏特征。(1)节理对称分布时,节理屈服、围岩塑性应变呈现出对称分布于拱部、两侧拱肩和仰拱两侧区域的特点。(2)节理倾角较陡时,岩体性质是影响主控因素;节理倾角较平缓时,围岩发生沿节理面的剪切滑移破坏,节理是围岩整体发生塑性破坏的主控因素;当节理倾角为60°或120°时,围岩的塑性应变最大,最大塑性应变为0.197。(3)当节理倾角为90°时,围岩及节理屈服区域主要沿着节理方向垂向分布,且影响范围深入地层中。(4)2组节理条件下造成围岩塑性破坏的主要原因是节理面的塑性屈服;当节理倾角组合为60°+90°时,围岩的塑性应变最大,最大塑性应变为0.521。     

不同掏槽孔角度下节理岩体隧道爆破效果研究

为探明节理岩体隧道中掏槽孔角度对掏槽爆破效果的影响,以节理裂隙发育严重的下寮隧道为工程依托,理论分析掏槽孔角度对掏槽爆破效果的影响,并列举选用掏槽孔角度常见的两种方法,最后结合数值模拟软件对掏槽孔角度分别为60°与70°的两种隧道模型进行数值仿真计算,量化分析两种模型的损伤面积与峰值有效应力,并基于结果选用合适的掏槽孔角度。结果表明：节理裂隙的存在会改变应力波的传播方向和能量分布,影响爆破效果;在Ⅴ级围岩中,70°的掏槽孔平均峰值有效应力是60°的1.36倍,爆破损伤范围比60°大且分布连续,选用70°的掏槽孔有利于提高隧道掘进效率。     

桥面沥青铺装层的车辙分析

车辙是混凝土桥面沥青铺装结构的主要破坏形式之一，层内过量的剪应力以及剪切流动是车辙发生的主要原因。此文采用三维有限元的方法，考虑3种荷载分布，分析层间接触条件不同、不同铺装层结构组合及不同的温度分布下，层内的剪应力响应。分析显示，非均布荷载和层间接触条件对铺装层结构的剪应力有很大影响，合理的材料设计和结构组合对沥青混凝土桥面铺装具有重要意义。     

基于声发射参数分析的红层泥岩高周循环加卸载损伤及变形特性

为研究不同应力上限及加载频率条件下软弱红层泥岩的损伤及变形特性,基于声发射损伤监测手段开展高周循环加卸载试验,系统分析应力上限与加载频率对红层泥岩损伤及裂纹扩展模式的影响。结果表明：当应力上限低于屈服临界动应力值时,泥岩经历先剪缩后缓慢剪胀的过程,岩样中微裂隙的发展与黏土矿物的膨胀逐渐占据主导地位;低频AE信号产生于静载阶段,而高频AE信号主要出现在循环加载阶段,且随加载频率的增大,超过300 kHz的超高频声AE信号占比逐渐增大;红层泥岩循环荷载下所产生的裂纹总体以张拉裂纹为主,但第I阶段剪切裂纹占比相对其他阶段较大,且随着动应力幅值减小或加载频率的增大,剪切裂纹所占比例减小;在裂隙自愈合效应下,泥岩中由动载引起的损伤裂隙会被逐渐修复,且随着放置时间的增加,声发射Kaiser效应逐渐减小甚至消失。     

砂岩层理构造对力学特性影响分析

层理构造是影响岩石力学特性的重要因素,通过开展不同层理构造砂岩的三轴蠕变试验,分析层理构造对砂岩力学特性的影响。试验结果表明:砂岩具有蠕变特性,并且层理构造不同,蠕变特性具有明显的各向异性特性。分析表明,在三轴应力状态下砂岩表现出瞬时变形、衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变特征;在低应力水平条件下,砂岩变形以瞬时变形为主,随着应力水平增加,蠕变变形不断增大,最终导致试样破坏;随着层理角度增大,砂岩试件的长期强度、峰值强度、弹性模量先减小后增大,稳定蠕变速率呈"M"形变化;应力与层理夹角不同导致砂岩的破裂模式不同,层理角度30°时,主要发生沿着层理面的剪切破坏,其他层理角度时,主要发生斜交层理面的剪切破坏。     

基于蠕滑理论的钢轨临界平面疲劳参量仿真

为考虑轮轨蠕滑对钢轨疲劳裂纹萌生的影响,通过车辆-轨道多体动力学模型和钢轨有限元模型,分析不同线路条件下的轮轨接触压力和切向力对钢轨轨头(包括轨距角)的应力-应变响应,定量研究钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生疲劳参量FP中的正应力-应变部分与剪应力-应变部分对裂纹萌生的影响,并比较导向轮和非导向轮对FP的影响。仿真结果表明,考虑轮轨蠕滑的情况下,钢轨轨头绝大部分节点处于三向受压状态,疲劳参量FP主要是由剪应力-应变部分作用产生,对裂纹萌生预测应采用剪切型裂纹公式;FPmax所在的临界平面在钢轨横断面的投影线与横向水平轴呈105°~140°夹角,在水平面的投影线与纵向水平轴呈20°~50°夹角;导向轮作用下的FPmax要远远大于非导向轮作用下的FPmax。     

隧道型钢混凝土粘结滑移力学性能研究

隧道初期支护中型钢混凝土其粘结滑移性能对支护协同变形、整体承载能力具有重要影响。本文针对在型钢混凝土组合结构中是否添加钢纤维进行两组推出试验,分析试件破坏特征,并结合有限元软件进行数值模拟,得到粘结滑移曲线,分析试件的粘结滑移性能,并在此基础上分析钢纤维掺量对试件特征荷载的影响规律,通过计算得出特征粘结强度。结果表明：(1)试件破坏模式呈现纵向劈裂破坏;(2)试件混凝土裂缝形态主要有以45°方向向四角延伸和垂直于翼缘中部方向两种;(3)试件粘结滑移曲线大致可分为无滑移段、滑移段、下降段和残余段四个阶段;(4)钢纤维的掺入不能显著提高型钢混凝土推出结构极限荷载和极限强度值,但可以提高型钢混凝土推出结构的残余荷载和残余强度值;(5)数值模拟结果较为理想,误差较小。所得结论可对隧道初期支护结构破坏特征研究、隧道设计与施工工程措施制定提供参考依据。     

黄土隧道围岩压力拱效应分析

以兰渝铁路大断面黄土隧道工程为背景,采用数值计算和模型试验对黄土围岩压力拱效应进行分析,可得结论:(1)由于荷载传递路线发生偏转,拱部围岩切向应力因承担径向传来的荷载而增加,且离隧道边界越近应力增幅越大,压力拱边界向围岩深部扩展。(2)靠近隧道洞周,边墙处应力路径切向应力、径向应力低于原岩应力,切向应力表现出较强的应力集中,径向应力只有小幅增加。(3)相对于黏性土,黄土抗剪强度较小,需要更大范围的土体参与承受围岩压力,致使压力拱外边界远离隧道断面;黄土围岩压力拱边墙处最大,拱顶处次之,拱底处最小。(4)黄土围岩破坏过程表现为局部裂隙产生、局部裂隙扩展、裂隙急剧贯通、残余强度等4个阶段;拱顶松动塌落出现在边墙剪切滑移破坏基础上。(5)数值分析与模型试验所得黄土围岩压力拱的范围基本相符,验证了压力拱的客观存在;压力拱承担着自重与外部土体荷载,自洞周向围岩深部依次为松动区、压力拱、原岩应力区。     

化学腐蚀下红层软岩单轴压缩及声发射特征试验研究

为研究酸性水化学溶液浸蚀作用下红层软岩的细观损伤演化特征,利用声发射技术分析红层软岩在受不同p H化学溶液浸蚀作用后的单轴压缩损伤破坏过程。试验结果显示:酸性溶液对红层软岩主要表现为溶蚀作用;受腐蚀后红层软岩试样破坏失稳过程中的声发射特征与试样中的裂纹萌生、扩展和贯通的演化特征密切相关;试样在破坏过程的声发射能量呈现"上升—峰值—下降—平缓"的演化规律,峰值前有声发射平静期;红层软岩在不同p H酸性溶液浸蚀95 d后单轴抗压强度均有所降低;随着浸泡溶液p H减小,化学腐蚀程度增大,溶蚀孔隙分布越多,试件在单轴荷载下压密阶段声发射特征越明显。试验结果可为受腐蚀区域红层软岩的长期稳定性的评价提供参考。     

裂隙岩体结构面直剪特性与参数反演试验

为准确获取裂隙岩体工程中结构面的力学参数,以细观岩石力学理论和岩石结构面的数字精细化测量为基础,运用PFC~(2D)颗粒流软件,建立铜坑矿锌铜矿体裂隙结构面的精细数值仿真模型,开展节理岩石直剪数值模拟试验。实现岩体结构面的剪切力学参数的反演与预测,获得铜坑矿裂隙节理结构面的抗剪力学参数。研究结果表明:由于结构面平滑,在裂隙结构面的直剪数值模拟试验过程中,主要形成剪切滑移破坏;铜坑矿裂隙结构面的黏聚力为0.45 MPa,内摩擦角为35.8°,其反演的数值计算结果与本地区高峰矿的无厚度节理面试验数据相似度高,试验结果可为岩体结构面参数的工程应用提供基础参数。     

混凝土结构的裂缝成因及整冶对策

1　混凝土结构产生裂缝的原因混凝土是由细骨料和粗骨料组合而成的材料 ,而细骨料中的水泥在硬化过程中 ,存在气穴、微孔和微裂缝。由于混凝土组成材料和微观构造及硬化过程所受影响不同 ,产生裂缝的原因较多。1.1　基础不均匀沉陷引起的裂缝当地基承载力不均匀 ,出现不均匀沉陷 ,建筑物受力强迫变形使建筑物开裂 ,随沉陷的发展而发展 ,裂缝逐渐扩大。1.2　荷载作用引起的裂缝建筑物在均匀荷载或集中荷载的作用下产生弯矩 ,拉应力超过混凝土抗拉强度时即出现垂直于构件纵轴的裂缝。当产生较大剪应力时 ,在纵轴成4 5°夹角处 ,易产生斜向裂纹…     

锚固结构荷载传递机理离散元模拟研究

研究目的:岩土锚固技术是岩土工程领域的重要分支,被广泛应用于土木、矿山、水电等工程领域,但关于锚固结构荷载传递机理的细观力学研究相对较少。本文依据现场试验,通过建立锚杆拉拔试验颗粒流数值模型,探讨不同荷载作用下轴力、锚固界面剪应力分布特征以及周边岩土体的细观力学特性。研究结论:(1)建立了锚杆张拉试验颗粒流数值模型,通过将计算结果与试验数据进行对比,验证了模型的合理性与有效性;(2)分析了锚固结构的荷载传递机理,其界面剪应力沿锚杆方向的分布是不均匀的:在弹黏性阶段,锚固界面剪应力以及轴力分布均为单调递减曲线;在弹塑性阶段,界面剪应力峰值点大致位于弹塑性变形区和弹黏性变形区的分界位置,并且随着张拉荷载的逐渐增大,界面剪应力峰值不断增大,峰值点不断向远端推移;(3)无论是在重力作用下还是受到拉拔荷载时,锚孔周边岩土体的强力接触力和弱力接触力基本垂直,在受到拉拔荷载时,周边岩土体的颗粒会发生重排列,导致强力接触力与弱力接触力方向产生强烈偏转;(4)本文研究方法与结论可为类似锚固结构的设计与力学分析提供理论借鉴。