软破岩隧道围岩峰后剪胀变形及支护设计

从软破围岩剪胀变形平衡理论出发,结合隧道工程实例,运用理论分析、数值模型和现场监测的手段,研究了软破围岩隧道在开挖过程中随着支护强度的不同,围岩峰后剪胀变形的力学特征和对围岩的控制作用。结果表明,软破围岩隧道峰后剪胀变形的时间和空间效应非常明显,易产生过大的位移和应力,并导致围岩或支护结构破坏。隧道浅部围岩剪胀剧烈,深部剪胀较弱,随着隧道围岩半径的增大,浅部围岩膨胀快速下降,深部下降较慢。随着支护强度的提高,围岩位移随开挖半径的增加由陡急逐渐变得平缓。采用软破岩峰后剪胀变形模型进行分析,弥补了弹塑性理论在计算软破围岩变形缺陷,更能反映隧道围岩变形与支护对软破围岩稳定性和变形控制的作用。     

片状岩石全应力应变压缩过程及力学机制试验研究

为了解片状岩石的全应力应变压缩过程及力学机制,利用RMT-150C岩石力学刚性伺服试验系统,对绿泥石片岩和云母石英片岩进行压缩力学试验.基于试验结果,得到岩石全应力应变压缩过程,提出峰前压密、线弹性、微裂隙稳态扩展和微裂隙不稳态扩展4个变形阶段以及峰后应变软化、残余应力稳定两个变形阶段,分析岩石在各阶段的强度变形特性以及体应变、横向应变和轴向应变之间的关系;详细探讨压缩条件下水对试样物理力学性质的影响规律,重点对比峰值强度、弹性(变形)模量等指标的敏感程度和围压效应;并揭示片状岩石在压缩状态下的破裂模式,将整个破坏过程分为单一剪切破裂、鼓状破裂、Y字形破裂及平行劈裂4种形式.     

考虑渗流、应变软化和扩容的巷道围岩弹塑性分析

考虑了渗流体积力、岩体应变软化、破裂膨胀性重要因素,应用弹塑性力学理论,推导了渗流场作用下巷道围岩的应力和位移分布规律,给出了巷道围岩不同分区范围与孔隙水压力、岩体应变软化程度、破裂膨胀性之间的关系;研究表明,孔隙水压力和岩体破裂膨胀特性对巷道围岩破裂区范围的影响程度比对塑性区范围的影响程度明显;考虑渗流场比不考虑渗流场的影响时,塑性区范围和破裂区范围都要大;岩体应变软化程度对巷道围岩塑性区和破裂区的范围影响同样显著;渗流、应变软化、破裂膨胀性对巷道围岩变形的影响都比较明显。研究成果为渗流场作用下的巷道支护工程有一定的参考价值。     

围压对锦屏深埋大理岩力学特性影响研究

岩石力学特性是正确评价工程岩体稳定性的基础.通过三轴压缩试验,研究了围压对锦屏深埋大理岩弹性模量、泊松比、临界破裂条件和剪胀角的影响规律,提出了弹塑脆性力学模型.结果表明:(1)大理岩弹性模量和泊松比均随围压呈指数增大规律,而剪胀角随围压增大呈指数减小规律;(2)岩石强度达到弹性极限后表现出近似理想塑性承载特性,当其塑性剪应变达到临界条件时产生脆性破坏,且临界塑性剪应变亦随围岩呈指数增大;(3)基于Mohr-Coulomb(M-C)强度准则的峰值强度和残余强度随围压增大而增大,当围压为73.95MPa时两者理论上相等,符合锦屏深埋大理岩脆-延转换特性.基于大理岩弹性和强度参数演变规律的全应力-应变曲线与三轴试验结果具有良好的一致性,可为类似工程岩体稳定性分析和支护结构优化设计提供依据.     

考虑孔隙比影响的堆石料湿化试验及湿化模型

对某堆石坝的坝壳料进行了不同密实状态下的单线法三轴湿化试验,分析了湿化变形随围压、应力水平以及初始孔隙比的变化规律。结果表明：在围压和应力水平相同条件下,随着初始孔隙比的减小,堆石料湿化轴向应变和体积应变均明显降低;初始孔隙比对湿化应力剪胀规律影响不大,采用对数形式的湿化剪胀方程可对不同初始孔隙比条件下的湿化应力剪胀关系进行统一描述。对指数形式的湿化轴向应变经验模型进行修正,构建了考虑初始孔隙比及应力状态影响的湿化轴向应变计算模型,并联立湿化剪胀方程推导了湿化体积应变的计算公式,通过对三轴湿化试验结果进行模拟验证了该公式的合理性。     

加轴压卸围压条件下岩石的力学特性与能量特征

利用MTS815型压力试验机进行加轴压卸围压路径下花岗岩常规三轴卸载试验,研究加轴压卸围压路径下岩石的应力-应变全过程曲线、力学性质及能量特征。采用剪胀角描述岩石的扩容特性。研究结果表明:在卸围压过程中,侧向应变与围压先呈线性关系后呈非线性关系,且其增长速率明显大于轴向应变增长速率,表现出明显的侧向扩容;变形模量随围压卸载而逐渐减小,且随着初始围压的增大而逐渐增大;泊松比随围压卸载而不断增大,同一时刻点的轴向应变增量变化量度略大于侧向应变增量变化量;剪胀角随着初始围压增大而减小;基于能量原理获得岩石应变能随着围压的卸载呈逐渐增大的规律。     

胶凝砂砾石料剪胀特性试验

为探究弹性和塑性对胶凝砂砾石料(CSG)应力应变特性的影响,建立了适用于CSG的剪胀方程,参考粗粒土或堆石料剪胀特性的研究方式开展了一系列不同掺量和围压下的三轴压缩试验、三轴等向加卸载试验和三轴轴向加卸载试验,对CSG的剪胀特性进行了系统研究。试验结果表明：CSG加载过程中弹性和塑性应变都不可忽略,CSG在低围压下具有剪胀性,随着围压的增大逐渐向剪缩性过渡;由试验数据得到CSG的弹性体积应变和弹性剪应变,对比分析了考虑和不考虑弹性应变的CSG剪胀特性曲线,发现弹性应变对CSG剪胀特性影响较大,仅在高掺量、高围压、大应力条件下可以忽略弹性应变的影响;二次函数可以很好地描述CSG的剪胀特性。     

水泥改良泥质板岩粗粒土的静力特性

针对泥质板岩粗粒土,通过大型静三轴压缩试验研究未改良土样和水泥改良土样的轴向应力-轴向应变关系、体积应变-轴向应变关系、抗压强度、内摩擦角、黏聚力和弹性模量等,根据试验结果对水泥改良土和未改良土的力学性质进行比较。研究结果表明:水泥改良土和未改良土均具有应变软化性和剪胀性,改良土的应变软化性和剪胀性均比未改良土的显著;水泥改良土的最大体积压缩应变、与最大体积压缩应变对应的轴向应变均比未改良土的小,而残余体积膨胀变形比未改良土的大;水泥改良土破坏时变形比未改良土的小;与未改良土相比,水泥改良土的抗压强度、黏聚力和弹性模量均显著提高,线弹性变形范围也显著扩大,但内摩擦角的变化不大;水泥改良效果良好,水泥改良提高了泥质板岩粗粒土的力学性能。     

考虑粗粒土应变软化特性和剪胀性的本构模型

在传统细粒土本构模型的基础上进行了改进,建立了一个能较好地描述粗粒土应变软化特性和剪胀性的弹塑性本构模型.该模型采用双屈服面形式,克服了单屈服面模型存在的一些不足,可同时反映剪切变形和压缩变形机理.模型在应变软化特性描述方面,提出了一个利用残余状态应力比和峰值应力比的应变软化公式,较为合理地反映了粗粒土的应变软化现象.在剪胀性描述方面,考虑了状态转换应力比与初始有效围压的相关性.数值模拟结果与试验结果较为接近,表明该模型描述粗粒土在低围压和相对中高围压下的应变软化特性和剪胀性方面具有一定的优越性.     

基于三轴压缩试验的红砂岩本构模型

利用RMT150B型岩石力学多功能试验机对红砂岩试样在不同围压条件下的三轴压缩应力应变全过程曲线进行了系统试验研究。研究表明：围压增大，岩石的峰值强度也随着增高；红砂岩的体积应变在峰值后区表现出很大的剪胀性。基于试验结果，分析了岩石屈服强度、峰值强度、残余强度与围压之间的关系，根据试验得到了典型三轴压缩应力应变全过程曲线，建立了一个由线弹性段Ⅰ、线弹性段Ⅱ、线性软化段、线性残余塑性流动段组成的线性本构模型，给出了红砂岩4个阶段的本构方程，并确定了相关参数。     

三向应力下岩石的强度和变形特性研究

为探讨岩石在三向应力作用下的强度和变形破坏规律及影响因素,采用MTS815电液伺服岩石力学试验系统,分别对砂岩和灰岩进行了三轴压缩试验。基于岩石的应力应变曲线与莫尔-库伦准则,对其残余强度、抗剪强度参数和弹性模量等力学变形特性进行了研究,并分析了孔隙率对岩石各类参数的影响。结果表明:围压对岩石的破坏特征有显著影响,岩石由低围压控制下的脆性破坏逐渐转变为高围压控制下的塑性破坏;横向应变的变化规律与侧向压力作用关系不明显,岩石在峰值应力处的横向应变几乎为定值,应力刚降至残余强度时的横向应变也近似为定值;与砂岩相比,灰岩的孔隙率较低,因而内摩擦角较大,峰值强度也越高,峰值后的残余强度降低得越明显;围压对低孔隙率岩石的弹性模量影响较小,而高孔隙率岩石的弹性模量随围压增加而增大。     

巷道围岩控制的波动性平衡理论

运用岩石力学的基本理论分析了巷道围岩的变形、强度特性以及支护力作用下围岩各变形区的应力分布特征,首次提出了涵盖巷道围岩-支护相互作用全过程的波动性平衡理论,为巷道围岩尤其是具有较大松动变形区的巷道围岩控制提供了理论依据。     

改良粗粒土填料大型三轴试验

为了解路基填料级配改良后的物理力学特性,向素土中掺加3种粒径范围内不同质量比的碎石,制成4种具有不同颗粒级配的改良填料,采用大型三轴剪切仪对素土和复合砾进行三轴剪切试验。在试验基础上提出轴向应变与侧向应变的二次函数关系,建立体积应变与轴向应变的函数方程,并对试样三轴试验的体积应变和切线泊松比进行预测。研究结果表明:粗颗粒质量分数较高的试料在低围压下出现剪胀现象,在高围压下出现剪缩现象;在低围压下,随着粗颗粒质量分数升高,试样体变由剪缩趋势逐渐转为剪胀趋势;应用邓肯-张模型并求得其参数,得出试样的黏聚力c、内摩擦角φ及切线弹性模量Et随粗颗粒质量分数的增加而增大;邓肯-张模型不能很好地反映粗粒土填料的变形特性;预测结果表明改进模型能较合理地描述粗颗粒土填料的体积应变特性。     

不同卸荷速率下变质石英砂岩力学性质试验分析

为研究不同卸荷速率下岩石力学特性,以锦屏一级大奔流沟料场特高边坡变质石英细砂岩为例,开展不同卸荷速率和不同围压下的卸荷试验,得到了应力-应变曲线,重点分析了卸荷速率对应力-应变关系、破坏特征、破坏应力差、强度参数的影响规律.结果表明:卸荷作用对岩石脆性破坏特征明显;常规加载试验为压剪破坏,卸荷试验为张剪破坏;随着围压的降低,弹性模量不断降低,卸荷速率越快,非线性关系越明显;卸荷速率越快,泊松比增加越慢;卸荷条件下岩石的黏聚力减小,内摩擦角增大.     

土石混合填料大型三轴剪切试验研究

为研究土石混合填料在不同土石混合比情况下的力学响应,以国道316旬阳至安康二级公路改建工程中的填石高路堤工程为依托,利用大型三轴剪切试验仪,在4种不同围压条件下,分别对土石混合质量比为3∶7和3∶2的试样进行固结不排水剪切试验。发现当土石混合比为3∶7时,在低围压(200 kPa)条件下,试样应力-应变曲线为应变硬化型,在高围压(400,600和800kPa)条件下,试样应力-应变曲线在达到峰值应力后有所下降,表现为弱应变软化。在4种围压条件下,试样体应变均表现为随轴向应变先增大后减小,即试样先剪缩后剪胀,且表现为随着围压的增大,剪缩量不断增大,然后达到峰值,随后体应变减小,表现出剪胀趋势,且随着围压的增大,剪胀趋势减弱。当土石混合比为3∶2时,在4种围压条件下,试样应力-应变曲线均表现为应变硬化,无明显的峰值强度。试样体应变均随轴向应变增大而增大,即试样一直表现为剪缩,且围压越大,剪缩趋势越明显,剪缩量越大。体变速率(dεv/dε1)能较好地反映试样变形特性和应力-应变特性。结果表明:土石混合比的变化对土石混合料剪胀性影响很大,对应力-应变特性的影响主要体现在加载后期。     

涌水隧道支护对围岩力学性质的影响

以宜万铁路堡镇隧道为工程背景,首先对高地应力大变形段中所揭示的软弱围岩不同饱水状态下的单轴试验方案进行设计,进行单向应力状态下岩石力学性质测试,探讨饱水状态对软岩强度和峰后体积应变的影响规律;然后,根据试验结果和现场监测数据,对饱水时间1月的岩石试件进行了低围压(0.2,0.4,0.6,0.8和1.0MPa)条件下的三轴压缩试验,研究围压对软岩强度和体积应变的影响规律;最后,提出隧道二次衬砌的作用时机。研究结果表明:当堡镇隧道大变形段围岩变形量达到总变形量的70%时,适宜施作二衬。     

圆形洞室模型在双轴加载下的力学特征分析

为探究圆形洞室围岩在不同围压下加载过程中的力学特征变化,对制作的含圆形洞室的类岩石材料进行双轴加压试验,运用数字图像技术记录全场应变演化过程,并根据室内试验建立颗粒流模型,探究了围压对洞室围岩的抗压强度以及裂纹的发育的影响。结果表明：尺寸效应对模型的力学特征影响较大,圆形洞室模型峰值抗压强度随着洞室尺寸的增加而减小;当围压增大时,压剪作用增强,洞室模型的破坏模式由以张拉应变为主向拉剪复合破坏为主转变;圆形洞室应变集中区域会随着围压的增大由洞口上下侧向两帮转移;当围压逐渐增大,张拉作用被抑制,洞口两侧破坏程度逐渐增加,收缩变形程度逐渐增大;最后通过数值模拟验证了圆形洞室围岩在不同围压下加载过程中的力学变化特征。     

一种新的胶凝砂砾石坝坝料应变预测模型

为了研究胶凝砂砾石料的变形特性,对胶凝掺量60kg/m~3的胶凝砂砾石料在围压为300,600,900和1 200k Pa条件下进行三轴剪切试验,在此基础上,分别采用摩尔库仑准则、改进双曲线及抛物线描述胶凝砂砾石料的强度特性、应力-应变及体积应变-轴向应变关系,形成胶凝砂砾石料的应变预测模型。研究结果表明:高围压时峰值强度之前的应力应变曲线斜率比低围压时的斜率大,但软化不明显;与高围压相比,低围压下的试件会较早出现剪胀现象;轴向应变相同时,围压越高的试件主应力差与体积应变越大。模型计算结果与三轴剪切排水试验数据较为吻合,表明该模型能较准确地反映胶凝砂砾石料应力应变关系。     

粗粒土路堤填料力学特性及其细观模拟研究

为了研究粗粒土填料在荷载及降雨入渗作用下的力学特性变化规律,采用Autotriax全自动三轴试验系统对粗粒土填料进行静三轴试验。基于试验所得力学参数,结合颗粒流软件PFC3D对试验进行细观模拟研究,通过自编程序引入接触黏结模型,对比分析粗粒土在不同围压、含水率和压实度下的力学特性及变形规律。研究结果表明:运用PFC3D软件进行静三轴试验模拟,通过数值分析得到的应力-应变曲线变化趋势与室内试验结果变化趋势较一致;试件的体应变在高围压时表现为整体剪缩,低围压时表现为先剪缩后剪胀;随着应变增加,黏结断裂点快速发展,试件由单一的中间部位挤压呈现出多个潜在的剪切面,且颗粒间的黏结破坏具有滞后性,试件内部演变规律与应力-应变曲线变化规律相一致。     

质量密度及围压影响的堆积碎石土变形特性分析

考虑质量密度(不同含石量、含水率)及围压对碎石土变形特征的影响规律,对具有级配代表性的湖南昭山区某斜坡堆积碎石土进行试验研究。研究结果表明:质量密度和围压有着联合影响,堆积碎石土在不同质量密度下应力-应变曲线表现为台阶状,即应变先硬化再软化,对于7%含水率的则只出现应变软化;随着围压的增大,初始切线模量和剪切峰值都增大,但不随质量密度的变化而线性增长,屈服轨迹成平行线;在低围压下发生剪缩,高围压发生剪胀;堆积碎石土压硬性对含石量更敏感,剪胀性对含水率更敏感,存在一个最佳含水率和最佳含石量;剪胀率及有效应力比可以成为剪胀性的判断依据。同时发现不同质量密度及围压下的体应变主要集中在2条曲线之间,可以作为连续强降雨雨后滑坡失稳临界状态的一个判断依据。