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泥岩碎屑作为路基填料的吸湿膨胀变形特性研究

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长江科学院院报 2024年

作者：李涵曾亚武汤禧龙产泉泉程树范武汉大学土木建筑工程学院武汉大学岩土与结构工程安全湖北省重点实验室湖北省路桥集团有限公司

为贯彻落实绿色发展理念，促进红层渣土资源再利用，本文以甘肃天水地区的红层泥岩碎屑为研究对象，开展了压实泥岩碎屑试样的侧限膨胀试验，建立了改进的H-A膨胀模型，获取了试样最终含水率随轴向压力变化的函数，绘制了试样压缩模量... 详细信息

为贯彻落实绿色发展理念，促进红层渣土资源再利用，本文以甘肃天水地区的红层泥岩碎屑为研究对象，开展了压实泥岩碎屑试样的侧限膨胀试验，建立了改进的H-A膨胀模型，获取了试样最终含水率随轴向压力变化的函数，绘制了试样压缩模量随含水率增大而劣化的曲线，并基于湿度场理论提出了一种分层模拟路基吸湿膨胀变形的数值计算方法。研究结果表明：①压实红层泥岩碎屑遇水仍具有较强的膨胀性，最大膨胀应力为120.0kPa，侧限膨胀率为0.163；②外加轴向压力从最大膨胀应力值降为0时，压实泥岩碎屑试样的最终含水率从20.6%升至40.0%、压缩模量从3605.8kPa降至34.1kPa；③分层确定填筑路基的湿胀系数方法，与不分层法计算相比，路基吸湿膨胀变形更大，用于工程设计更加保守和安全；④泥岩碎屑遇水产生超过相关规范要求的膨胀变形是其不宜直接作为路基填料使用的根本原因，掺入2%的水泥改性可有效解决以上问题。

关键词：路基工程泥岩碎屑吸湿膨胀湿度场理论分层模拟

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甘肃红层泥岩耐崩解试验与矿物夹杂效应研究

岩土力学 2023年第S1期44卷 99-106页

作者：程树范曾亚武叶阳高睿武汉大学土木建筑工程学院湖北武汉430072 中国地质大学(武汉)工程学院湖北武汉430074 三明学院建筑工程学院福建三明365004

为探究干湿作用下甘肃红层质泥岩加速崩解机制,针对典型的石膏质泥岩,开展浸水及快速崩解试验,并通过与泥质砂岩、页岩和石膏岩的对比,分析了影响岩石耐久性的主要因素,对崩解过程中的矿物夹杂效应进行了讨论。研究结果表明:原状石膏质... 详细信息

为探究干湿作用下甘肃红层质泥岩加速崩解机制,针对典型的石膏质泥岩,开展浸水及快速崩解试验,并通过与泥质砂岩、页岩和石膏岩的对比,分析了影响岩石耐久性的主要因素,对崩解过程中的矿物夹杂效应进行了讨论。研究结果表明:原状石膏质泥岩浸水自然崩解速度较慢,3 h崩解量为0.11,但高温(>163℃)干燥后夹杂的石膏矿物将完全脱水硬化,体积收缩,再次遇水后岩块于2 h内完全崩解。石膏质泥岩的二次循环耐崩解指数Id2为0.80,属于高耐久性岩石,但在干湿过程中有加速崩解的趋势,第5次循环时的相对崩解指数I5达到了0.56。岩石的耐久性受矿物成分和胶结强度影响较大,矿物膨胀驱使岩块崩解的过程中,泥质岩块易发生均匀破碎而砂质岩块易出现非均匀破碎。石膏质泥岩中黏土矿物夹杂密实,干湿作用下易崩解,所夹杂的石膏矿物具有溶蚀性,且溶蚀后崩解液显弱酸性,石膏溶蚀产生的微裂隙和酸性环境下钙质结核的脱落是导致石膏质泥岩加速崩解的主要原因。

关键词：红层泥岩崩解石膏夹杂膨胀矿物溶蚀效应

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干湿作用下受荷石膏质泥岩的不可逆膨胀特征

岩土力学 2023年第S1期44卷 332-340页

作者：程树范曾亚武高睿李涵武汉大学土木建筑工程学院湖北武汉430072 三明学院建筑与土木工程学院福建三明365004

为研究干湿作用及应力状态对石膏质泥岩膨胀性的影响,采用自行设计的试验装置对采自平-绵高速公路天水2号隧道的原状岩样进行荷载耦合的干湿循环试验,就循环过程中及干湿循环后泥岩的宏观膨胀规律和细观膨胀机制进行分析。研究结果表明:... 详细信息

为研究干湿作用及应力状态对石膏质泥岩膨胀性的影响,采用自行设计的试验装置对采自平-绵高速公路天水2号隧道的原状岩样进行荷载耦合的干湿循环试验,就循环过程中及干湿循环后泥岩的宏观膨胀规律和细观膨胀机制进行分析。研究结果表明:(1)该试验装置可以实现干湿循环与特定应力状态(侧限压缩)的全过程耦合,且试样无自由表面,与地下岩体真实赋存状态较为接近;(2)当法向压力小于试样膨胀应力时,第1次吸水后试样有明显膨胀变形,在排水固结后可恢复的变形比例较小,而继续干湿循环,试样的胀缩变形将不再明显;(3)第1次干湿循环后,泥岩内矿物由颗粒胶结状态退化为絮状堆积状态,黏土化趋势明显,膨胀应力下降比例超过80%;(4)增加法向压力虽然可以减小甚至消除干湿循环过程中石膏质泥岩的膨胀变形,但无法抑制其细观结构的劣化;(5)通过有荷载的干湿循环,以一定的围岩变形为代价,可以减弱石膏质泥岩的膨胀性,但需要注意干湿循环也会降低石膏质泥岩的抗剪强度。上述结论对于石膏质泥岩地区隧道建设及地质灾害防治具有一定的指导作用。

关键词：耦合作用干湿循环试验细观结构石膏质泥岩膨胀岩

基于损伤-虚拟张拉裂纹模型的地下爆炸围岩破坏规律研究

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爆炸与冲击 2022年第5期42卷 170-182页

作者：程树范叶阳曾亚武高睿武汉大学土木建筑工程学院湖北武汉430072

地下硐室作为爆炸危险物的隐蔽贮藏空间,有潜在的内爆炸风险。为研究内爆炸作用下硐室围岩的动态响应机制,提出了一种基于岩石HJC(Holmquist-Johnson-Cook)模型和节理内聚力单元的损伤-虚拟裂纹模型。分析了模拟方法的可靠性,并在此基础... 详细信息

地下硐室作为爆炸危险物的隐蔽贮藏空间,有潜在的内爆炸风险。为研究内爆炸作用下硐室围岩的动态响应机制,提出了一种基于岩石HJC(Holmquist-Johnson-Cook)模型和节理内聚力单元的损伤-虚拟裂纹模型。分析了模拟方法的可靠性,并在此基础上,通过多物质ALE算法对球形硐室内爆炸过程进行数值模拟,分析了围岩损伤范围和分区破坏规律。研究表明:插入内聚力单元弥补了HJC模型无法模拟低静水压力下张拉破坏的不足,且尺寸效应易于处理。模拟方法同时考虑了岩体内张拉裂纹的扩展和岩石材料的塑性损伤,能够真实地反映岩石破坏的全过程。以红砂岩为例,根据数值模拟结果,填实(耦合装药)爆炸时围岩分区破坏规律明显,破碎区比例半径为0.26 m/kg^(1/3)、裂隙区比例半径为0.47 m/kg^(1/3)。随着硐室尺寸的增大,空气的间隔作用可以减小爆炸荷载对围岩的损伤作用,比例半径达到0.52 m/kg^(1/3)时,可以实现爆炸荷载的完全解耦。

关键词：抗爆硐室节理单元 HJC模型空腔解耦

基于相对湿度场和变模量本构的岩土膨胀分析模型

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工程科学与技术 2023年第5期55卷 99-108页

作者：程树范曾亚武叶阳高睿李涵武汉大学土木建筑工程学院湖北武汉430072 武汉大学岩土与结构工程安全湖北省重点试验室湖北武汉430072 中国地质大学(武汉)工程学院湖北武汉430074

随着含水率(湿度)的增加,红层黏土(岩)会表现出体积膨胀和吸水软化的双重特征,这是诱发红层滑坡和路基隆起等地质灾害的主要原因。为研究含水率对受荷岩土体变形的影响,本文在湿度应力理论的基础上,对含水率归一化处理,提出基于相对湿... 详细信息

随着含水率(湿度)的增加,红层黏土(岩)会表现出体积膨胀和吸水软化的双重特征,这是诱发红层滑坡和路基隆起等地质灾害的主要原因。为研究含水率对受荷岩土体变形的影响,本文在湿度应力理论的基础上,对含水率归一化处理,提出基于相对湿度的变模量本构,建立岩土膨胀分析模型;以固结黏土和红层黏土岩为研究对象,开展膨胀和吸水软化试验。结果表明:膨胀试验中,黏土岩和固结土的侧限膨胀率分别为0.345和0.205,膨胀应力分别为225.0和112.5 kPa,黏土岩具有更强的膨胀能力;固结土吸水效率更高,能够更快地达到膨胀平衡状态。软化试验中,干燥状态下黏土岩的压缩模量较大,但吸水过程中模量的衰减也较快,饱和状态下固结土与黏土岩的压缩模量基本相同。基于试验数据,对本文模型的稳态参数进行反演,并基于已标定的分析模型对侧限膨胀试验进行模拟,一方面,验证本文方法在稳态分析时的适用性;另一方面,给出了相对湿度场平均扩散率K的标定方法。以圆形洞室遇水问题为算例,进行了稳态理论计算和瞬态数值计算,以说明本文模型在应用于岩土膨胀大变形分析时的优越性。本文分析模型参数易获得,数值模拟结果准确性高,可为红层膨胀岩和膨胀土地区工程建设提供理论指导。

关键词：红层黏土岩湿度应力场膨胀本构模型遇水软化数值模拟相对湿度扩散率

基于剪切和张拉试验的水泥砂浆–黏土岩二元体界面影响区模型

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岩石力学与工程学报 2023年第4期42卷 964-975页

作者：程树范曾亚武高睿张慧梅陈世官武汉大学土木建筑工程学院湖北武汉430072 西安科技大学力学系陕西西安710054 西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054

黏土岩隧道常采用喷射水泥砂浆的方法进行初次支护,若支护与岩体黏结强度不足将产生巨大的安全隐患。以水泥砂浆–黏土岩二元体为研究对象,开展界面的剪切和张拉试验,首先分析黏土岩初始含水率对二元体黏结强度的影响,然后根据二元体的... 详细信息

黏土岩隧道常采用喷射水泥砂浆的方法进行初次支护,若支护与岩体黏结强度不足将产生巨大的安全隐患。以水泥砂浆–黏土岩二元体为研究对象,开展界面的剪切和张拉试验,首先分析黏土岩初始含水率对二元体黏结强度的影响,然后根据二元体的宏观破坏模式和细观的孔隙特征,提出一种确定界面影响区厚度的方法,最后建立界面影响区模型,进行偏压状态下界面脱黏的数值模拟。研究表明:(1)张拉和剪切破坏时,砂浆–黏土岩二元体的破坏面均位于浇注界面附近的黏土岩中,该区域的力学性能较差,为二元体的界面影响区。(2)二元体界面抗剪刚度Ks和残余摩擦因数k与法向应力无关,随含水率增加而减低。(3)二元体浇注过程中浆液向黏土岩渗入和水泥凝结过程中水分向砂浆侧的迁移会引起黏土矿物的胀缩,在影响区内产生大量的初始微裂隙,根据这一特殊的孔隙特征,基于计算机层析扫描(CT)和数字图像处理技术,可以对影响区厚度进行无损伤识别。(4)本文提出的界面黏结模型,考虑了界面在法向和切向的黏结效应及切向的摩擦效应,可以准确地模拟二元体张拉及剪切破坏时的应力–位移关系。(5)当界面处于偏压状态时,砂浆–黏土岩界面的脱黏荷载随荷载与界面法线夹角的增大而较小,因此偏压隧道的支护结构更易脱黏,施工时宜采取加强措施。

关键词：岩石力学砂浆–黏土岩二元体界面影响区计算机层析扫描黏结模型含水率

冲击作用下煤岩动态破坏机理的FDEM模拟研究

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振动与冲击 2022年第19期41卷 136-143页

作者：程树范高睿曾亚武张嘉凡陈世官武汉大学土木建筑工程学院武汉430072 西安科技大学理学院西安710054 西安科技大学建筑与土木工程学院西安710054

为研究煤岩的动态破坏规律,利用Φ50 mm分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)装置,开展了煤岩冲击破坏试验。基于零厚度的内聚力单元建立了煤岩有限离散元方法(finite discrete element method,FDEM),标定了模型参数... 详细信息

为研究煤岩的动态破坏规律,利用Φ50 mm分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)装置,开展了煤岩冲击破坏试验。基于零厚度的内聚力单元建立了煤岩有限离散元方法(finite discrete element method,FDEM),标定了模型参数;最后在LS-DYNA软件平台上模拟了SHPB冲击试验,讨论了FDEM模型在模拟动态破坏时的适用性,并对煤岩的破坏过程进行分析。研究表明:①煤岩动态抗压强度与应变率满足经验关系,当应变率为98.05 s^(-1)、119.22 s^(-1)和135.85 s^(-1)时其动态强度因子(dynamic strength factor,DIF)分别为1.92、2.08和2.23;②冲击作用下煤岩的弹性变形阶段较短,塑性变形能力较强,动态弹性模量的应变率相关性不显著;③FDEM模型通过零厚度内聚力单元的失效能够模拟岩石类材料的脆性破坏,当网格尺寸合理时,由于惯性效应的存在,通过准静态试验标定的模型参数,也适用于冲击破坏的模拟;(4)冲击作用下煤岩的破碎程度与冲击速度正相关,其破坏形式表现为压缩波引起的局部剪切破坏和泊松效应导致的整体张拉破坏。

关键词：冲击破坏应变率相关性分离式霍普金森压杆(SHPB) 有限-离散元方法内聚力模型

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干缩、湿胀作用下黏土岩崩解的FDEM模拟

岩石力学与工程学报 2023年第8期42卷 2068-2080页

作者：程树范叶阳曾亚武高睿彭志雄武汉大学土木建筑工程学院湖北武汉430072 中国地质大学(武汉)工程学院湖北武汉430074 武汉大学岩土与结构工程安全湖北省重点实验室湖北武汉430072

黏土岩是常见的工程岩体之一,其遇水后的软化和胀缩变形是诱发滑坡、崩岸等地质灾害的重要内因。为深入理解干缩、湿胀过程中黏土岩力学参数的劣化规律和胀缩裂纹的扩展模式。首先,在湿度应力场理论的基础上,推导基于水头的湿度应力瞬... 详细信息

黏土岩是常见的工程岩体之一,其遇水后的软化和胀缩变形是诱发滑坡、崩岸等地质灾害的重要内因。为深入理解干缩、湿胀过程中黏土岩力学参数的劣化规律和胀缩裂纹的扩展模式。首先,在湿度应力场理论的基础上,推导基于水头的湿度应力瞬态分析方法,其次,开发一种湿度相关的黏聚力单元(可进行湿度扩散计算,且黏聚力单元参数与湿度相关),并通过实验数据对其主要参数进行标定,最后,基于有限离散元方法(FDEM)对黏土岩受荷膨胀和干湿崩解进行模拟,通过与试验对比,验证本文模拟方法的可靠性。研究表明:(1)黏土岩吸水膨胀过程中,也表现出吸水软化的特点,饱和黏土岩单轴抗压强度和弹性模量仅为干燥试样的22%和25%,在进行岩土膨胀分析时不能忽略力学参数受含水率(湿度)的影响;(2)黏土岩吸水膨胀在时效上滞后于吸水软化,在较大荷载(大于膨胀应力)作用下,侧限状态的黏土岩会出现压缩恢复的现象;(3)干湿过程中胀缩裂纹是诱发黏土岩崩解的主要因素,外侧裂纹易贯通形成碎块,内部裂纹则导致试样出现不可逆损伤。本文提出一种新的岩土体胀缩模拟方法,对于膨胀岩地区的边坡、隧道和库岸的工程计算有一定的指导作用。

关键词：土力学湿度应力场基质吸力有限–离散元黏聚力单元干湿循环膨胀岩

黏土岩中水泥锚固体滑脱的有限-离散元模型初探

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岩土工程学报 2023年第12期45卷 2594-2603页

作者：程树范曾亚武高睿张嘉凡覃祥瑞武汉大学土木建筑工程学院湖北武汉430072 三明学院建筑工程学院福建三明3650043 西安科技大学力学系陕西西安710054 西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054

锚固体与围岩有效黏结是保证锚杆(索)系统正常工作的重要前提,为研究黏土岩内水泥锚固体在拉拔荷载作用下的滑移脱黏机理,开展黏土岩三轴试验、黏土岩-水泥砂浆界面直剪试验和水泥锚固体拉拔的物理模型试验,基于有限-离散元方法(FDEM),... 详细信息

锚固体与围岩有效黏结是保证锚杆(索)系统正常工作的重要前提,为研究黏土岩内水泥锚固体在拉拔荷载作用下的滑移脱黏机理,开展黏土岩三轴试验、黏土岩-水泥砂浆界面直剪试验和水泥锚固体拉拔的物理模型试验,基于有限-离散元方法(FDEM),建立黏土岩-水泥砂浆的二元体模型,对水泥锚固体拉拔过程进行模拟。研究表明:黏土岩黏聚力小于黏土岩-水泥砂浆界面的切向黏结强度,低法向压力时二元体的剪切破坏多为黏土岩的剪切破坏,但黏土岩内摩擦角较大,高法向压力下界面抗剪强度低于黏土岩,二元体剪切破坏逐渐转变为界面脱黏;考虑剪切失效的双线性黏聚力模型在模拟软岩破坏时是适用的,而二元体黏结界面更适合通过黏结-摩擦模型模拟;水泥锚固体拉拔失效过程可分为黏结变形阶段,界面脱黏阶段,剪胀咬合阶段和滑移阶段4个阶段,界面脱黏后,锚固体附近黏土岩的剪切破坏也是导致锚固失效的重要因素,剪胀咬合阶段的咬合力决定了锚固体的峰值抗拔能力。研究结果对于软岩地区锚固结构设计有一定的指导作用。

关键词：二元体界面黏聚力单元剪胀作用锚杆(索)锚固体有限-离散元方法