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基于电阻的冻结砂砾土孔隙冰压融效应研究

岩土力学 2024年

作者：贾海梁王亚彪魏尧胡彬华金龙董元宏唐丽云西安科技大学建筑与土木工程学院中交第一公路勘察设计研究院有限公司极端环境绿色长寿道路工程全国重点实验室

为验证冻结砂砾土压缩过程中是否存在压融效应，对不同含水（冰）状态与不同冻结温度的砂砾土进行无侧限压缩试验和电阻测试，通过核磁共振测定饱和砂砾土的未冻水含量。结果表明：（1）砂砾土压缩过程电阻均先快速降低后趋缓，仅有干... 详细信息

为验证冻结砂砾土压缩过程中是否存在压融效应，对不同含水（冰）状态与不同冻结温度的砂砾土进行无侧限压缩试验和电阻测试，通过核磁共振测定饱和砂砾土的未冻水含量。结果表明：（1）砂砾土压缩过程电阻均先快速降低后趋缓，仅有干燥样品在应力峰值点后出现电阻增大的现象；（2）电阻快速降低阶段干燥样品的电阻降低率小于饱和冻结样品，-4 ℃饱和样品该值为26.8%，其值为同温度下干燥样品的4倍；（3）随温度降低，电阻快速降低阶段的降低率先增加后减小；（4）随温度降低，自由水与毛细水的相对含量快速减小，吸附水的相对含量先小幅增加后缓慢降低。分析认为：冻结砂砾土压缩过程中存在压融效应，这导致样品在受荷过程中高应力区未冻水含量增大，而融水会沿未冻水膜向低应力区的孔隙迁移、复冰进而改变孔隙结构；冻结温度在-2～-4 ℃区间附近，压融效应更容易发生。

关键词：冻结砂砾土压融效应无侧限压缩试验电阻导电路径

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寒区隧道围岩-喷层界面增黏与抗冻试验研究

岩石力学与工程学报 2024年第6期43卷 1383-1396页

作者：刘慧徐海南任建喜申艳军贾海梁奚家米唐丽云郁金捷魏尧西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054 长安大学地质工程与测绘学院陕西西安710054 长安大学黄土科学全国重点实验室陕西西安710054 中交第一公路勘察设计研究院有限公司高寒高海拔地区道路工程安全与健康国家重点实验室陕西西安710065

寒区隧道普遍受到冻融作用影响,易发生沿着混凝土衬砌结构与围岩界面损伤与脱黏现象,严重影响隧道工程施工质量与安全运营。为提升隧道围岩-喷层界面黏结强度与抗冻性能,将围岩-喷层界面简化为岩石-混凝土二元体,研制适用于提升围岩-喷... 详细信息

寒区隧道普遍受到冻融作用影响,易发生沿着混凝土衬砌结构与围岩界面损伤与脱黏现象,严重影响隧道工程施工质量与安全运营。为提升隧道围岩-喷层界面黏结强度与抗冻性能,将围岩-喷层界面简化为岩石-混凝土二元体,研制适用于提升围岩-喷层界面黏结性与抗冻性的水泥基界面剂,并开展水泥基界面剂喷涂前后的砂岩-混凝土界面黏结强度及抗冻性能对比试验。试验结果表明:(1)冻融作用产生的岩石-混凝土界面中与硅氧四面体平行的主链破裂,是导致岩石-混凝土界面黏结性能降低的核心原因;(2)通过试验适配研制,提出适用于提升寒区隧道喷层界面黏结性与抗冻性的水泥基界面剂最优配合比为∶水泥∶水∶硅微粉∶硅烷偶联剂∶高分子胶凝材料(水性丙烯酸酯腹膜胶+竹材液化酚醛树脂)=10∶4.4∶0.8∶0.2∶1∶0.5;(3)因水泥基界面剂的高分子水化作用,喷层界面产生的“树根桩”效应扩大了岩石与混凝土接触面的栓堵程度,同时,硅烷偶联剂的化学键合作用提升了界面间的机械咬合力,二者耦合增强作用提高岩石-混凝土界面的黏结剪切强度和劈裂强度。通过对比试验发现,在冻融30次后,采用水泥基界面剂处理后,岩石-混凝土界面剪切强度较未处理试样可提升109%,黏结劈裂强度则提升了78%;(4)水泥基界面剂中硅氧烷水解缩合作用产生的硅氧键吸附在岩石-混凝土界面形成的疏水层,抑制了界面富水区扩展;而联合反应生成的硅凝胶发生相变释放热量,减少了岩石-混凝土界面冻融损伤,可抑制岩石-混凝土界面裂纹萌生与扩展。(5)研制的水泥基界面剂本身具有良好的抗冻性,特别是在-10℃~10℃的冻融环境中可高效发挥提升围岩-喷层界面黏结性及抗冻性的功能。研究为寒区隧道围岩-喷层界面增黏与抗冻处理提供了一种新的解决方案。

关键词：隧道工程岩石-混凝土水泥基界面剂冻融循环黏结强度抗冻性

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煤炭开采地球关键带响应及减损开采技术体系

中国地质 2024年

作者：王双明孙强耿济世袁士豪贾海梁王生全张卫强胡建军李得路西安科技大学陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室西安科技大学地质与环境学院西安科技大学煤炭绿色开采地质研究院西安科技大学建筑与土木工程学院中国矿业大学资源与地球科学学院深圳大学深地科学与绿色能源研究院广东省深地科学与地热能开发利用重点实验室

【研究目的】破解能源安全兜底保障和生态环境保护的矛盾是当前生态脆弱区煤炭资源开发面临重大难题。煤炭资源大规模、高强度的开采在引起地质条件快速变化的同时，也影响着矿区地球关键带结构和功能。地球关键带是指从地下水底部或者... 详细信息

【研究目的】破解能源安全兜底保障和生态环境保护的矛盾是当前生态脆弱区煤炭资源开发面临重大难题。煤炭资源大规模、高强度的开采在引起地质条件快速变化的同时，也影响着矿区地球关键带结构和功能。地球关键带是指从地下水底部或者土壤—岩石交界面一直向上延伸至植被冠层顶部的连续体域。【研究方法】围绕如何理解地球关键带运行与煤炭开发地质条件演化的关系，基于煤炭采动地质条件解析与关键带响应阐明了煤炭开采影响区地球关键带的响应模式、监控技术、预测方法和保障策略及减损工程。立足“煤炭资源开采地质条件演化与地球关键带保护”，从关键带对煤炭开发响应的科学内涵、科学问题、研究思路和保障方案四个方面，系统剖析了煤炭开发地球关键带减损保障的理论与技术。【研究结果】关键带对煤炭开采响应研究思路主线是“煤炭采前地质条件和关键带结构及要素→地质条件变化和关键带响应模式及演化状态判识→全时空主被动多源信息响应及动态监控→关键带结构-功能动态演化模型及智能预测评价→关键带减损地质保障策略及修复-重构一体化技术方法”。研究内容包括：（1）查明煤炭赋存的地质结构、水文地质、岩层组合、地应力等开采地质条件因素综合特征，揭示地球关键带和下部煤层、岩层及地下水的空间关系特征，进行对关键带多要素、多模态、多场景的精细表征，形成包括环境承载力指标体系、评价模型和承载力分区在内的快速查询、智能分析数字化平台；（2）解析开采影响下岩（土）层裂隙场与关键带水文循环的连通关系，揭示地质条件和关键带的协同演化机制，提出地球关键带对煤炭开发响应模式的判识方法；（3）研究开采因素下岩层结构、裂隙网络、渗流通道、应力-能量集中特征、物质循环、能量交换与多源信息场的时空演化关系，构建煤炭开发全生命周期下的地球关键带全时空信息响应映射模型；（4）构建煤炭开采全生命周期条件下地球关键带空-天-地-钻（孔）-井（下）的全空间、多方位的多源信息量融合监测体系，形成煤炭开采影响下地球关键带界面结构和运行过程要素监控分析系统，预测分析煤炭开发区地球关键带的结构变化、响应模式、运行过程和生态环境效应；（5）提出煤及煤系资源协同开发、矿井水综合利用、煤炭开发地下空间规模化利用等技术，建立基于多源信息的地质条件和关键带结构监控技术，实现“地质结构条件透明化、损害关键要素数字化、演化过程监控信息化、模型预测智能化、关键带保障技术精准化”。【结论】地球关键带地质保障涵盖地质条件、开采模式、监控系统、预测方法和减损技术等方面，追求煤炭安全开采与地质环境保护协调发展，破解资源开发与地质环境制约之间矛盾，完善生态脆弱区煤及煤系资源综合开发和地球关键带功能减损保护及修复重构的理论与技术，为建设资源节约型和环境友好型社会提供地质、力学、物理基础的科学依据，推动煤炭工程实践与安全理论深入发展。

关键词：地球关键带开采地质条件响应模式多场信息综合开发利用

基于细观结构演化的冻结砂岩热融软化规律研究

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冰川冻土 2024年第2期46卷 578-591页

作者：贾海梁王振阳赵涛孙强唐丽云西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054 西安科技大学地质与环境学院陕西西安710054

冻结岩石热融过程中强度会出现软化,是最易发生破坏的阶段。研究冻结岩石的热融软化规律对冻结地层解冻过程中的稳定性和安全性评价至关重要。本文开展了不同融化温度下冻结岩石的单轴压缩试验,在还原岩石孔隙结构及对细观参数进行精确... 详细信息

冻结岩石热融过程中强度会出现软化,是最易发生破坏的阶段。研究冻结岩石的热融软化规律对冻结地层解冻过程中的稳定性和安全性评价至关重要。本文开展了不同融化温度下冻结岩石的单轴压缩试验,在还原岩石孔隙结构及对细观参数进行精确标定的基础上,利用颗粒流软件(PFC^(2D))模拟了冻结岩石的压缩破坏过程。基于微裂纹起裂规律和微裂纹扩展规律分析,探讨了孔隙冰对冻结砂岩热融软化规律的控制作用。研究结果表明:(1)冻结岩石的强度、弹性模量等参数均随着温度的升高呈两阶段变化趋势,在-4℃至-2℃之间存在某一温度,使得试样的强度及变形参数发生骤降。(2)当温度低于-15℃时,微裂纹的起裂扩展主要由矿物颗粒之间的接触强度控制;当温度在-2℃和-15℃之间时,主要由冰颗粒之间和冰-矿物之间的接触强度控制;而当温度大于-2℃时,则主要由冰颗粒之间的接触强度控制。(3)通过分析孔隙冰在冻结岩石受荷破坏过程中所起的“支撑作用”和“黏结作用”,发现在-6℃至-4℃之间,冰颗粒之间黏结强度和冰-矿物黏结强度均迅速衰减,导致冰的支撑和黏结作用弱化,是该温度区间力学性质快速弱化的本质原因。

关键词：冻结岩石热融软化细观结构微裂纹扩展 PFC2D

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静压桩残余应力对极限承载力影响

西安科技大学学报 2024年第3期44卷 553-562页

作者：高志刚黑榆浩贾海梁侯丕吉兰哲西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054

为研究静压桩回弹特性,明确静压桩残余应力性状,使静压桩承载力能够得到有效发挥,通过静压桩沉桩及静载荷试验,结合有限元模拟方法,对不同沉桩速率和卸荷速率作用下静压桩的回弹特性进行分析,总结桩端残余应力对静压桩极限承载力的影响... 详细信息

为研究静压桩回弹特性,明确静压桩残余应力性状,使静压桩承载力能够得到有效发挥,通过静压桩沉桩及静载荷试验,结合有限元模拟方法,对不同沉桩速率和卸荷速率作用下静压桩的回弹特性进行分析,总结桩端残余应力对静压桩极限承载力的影响规律。结果表明:卸荷过程中桩体回弹量占桩体总沉降量的80%,卸荷完成桩体回弹位移逐渐稳定;沉桩结束后,桩周土体应力最大达到被动土压力的4.5倍,卸荷后浅部土体桩周侧压应力消散程度大于深部土体;桩端土体应力消耗越多,桩端残余应力越小,卸荷后桩端土体回弹量越多;沉桩速率和卸荷速率增加都会导致桩端残余应力减小,从而桩端土体能够提供的承载力降低,致使桩体承载力降低。研究认为静压桩残余应力是影响承载力的主要因素,卸荷速率对静压桩残余应力的影响最为明显。

关键词：静压桩残余应力回弹变形极限承载力有限元模拟

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单轴压缩过程中冻结砂岩的损伤局部化规律研究

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冰川冻土 2024年第2期46卷 565-577页

作者：张慧梅高培雄贾海梁王婷唐丽云西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054 西安科技大学理学院陕西西安710054 陕西理工大学土木工程与建筑学院陕西汉中723001

损伤局部化是岩石受荷破坏过程中的必经阶段和破坏前兆特征。本文研究冻结岩石受荷破坏过程中的损伤局部化规律,并探讨初始饱和度的影响。在-20℃下对具有不同初始饱和度的冻结砂岩试样进行单轴压缩试验,并采用数字图像相关(DIC)和声发... 详细信息

损伤局部化是岩石受荷破坏过程中的必经阶段和破坏前兆特征。本文研究冻结岩石受荷破坏过程中的损伤局部化规律,并探讨初始饱和度的影响。在-20℃下对具有不同初始饱和度的冻结砂岩试样进行单轴压缩试验,并采用数字图像相关(DIC)和声发射(AE)系统采集试验过程中的表面变形和声发射信号,分析了试样表面应变局部化模式与内部微裂纹扩展类型。结果表明:(1)初始饱和度令试样的单轴抗压强度产生阶段性变化,并改变了试样各加载阶段占比和破裂过程中的声发射振铃计数分布特征;(2)以40%初始饱和度为转折点,试样的表面应变局部化模式由拉应变为主变为剪应变为主,初始饱和度超过90%时出现了拉、剪应变同时发展的混合模式,并能与试样的最终破坏形态对应;(3)损伤局部化过程中,试样内部的微裂纹扩展类型与表面应变局部化模式基本吻合。最后,结合不同初始饱和度下冻结岩石孔隙中的相组成分变化,分析了其对冻结岩石损伤局部化模式的影响。本研究有助于加深研究人员对冻结岩石力学性质的认识,为寒区岩石工程破坏与失稳预测提供重要参考。

关键词：冻结砂岩初始饱和度损伤局部化单轴压缩应变局部化微裂纹扩展

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砂-重晶石粉填料导热性能与传热机制研究

煤田地质与勘探 2022年第11期50卷 162-173页

作者：贾海梁朱子贤周阳孙强西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054 陕西省地质调查院陕西西安710054 西安科技大学地质与环境学院陕西西安710054

地埋管地源热泵是浅层地热能利用的一种主要形式,回填材料的热物性尤其导热系数是影响热泵系统换热效率的关键。以砂和重晶石粉作为研究对象,探究不同重晶石粉掺比(体积分数)以及不同饱和度样品导热系数的变化规律;并基于体视镜、核磁... 详细信息

地埋管地源热泵是浅层地热能利用的一种主要形式,回填材料的热物性尤其导热系数是影响热泵系统换热效率的关键。以砂和重晶石粉作为研究对象,探究不同重晶石粉掺比(体积分数)以及不同饱和度样品导热系数的变化规律;并基于体视镜、核磁共振分析等宏细观实验,揭示重晶石粉对回填材料导热系数提高的机制;最后,通过数值模拟手段研究该回填材料导热性能对换热效率的影响。研究表明:重晶石粉对回填材料导热系数的影响显著,掺比20%重晶石粉对回填材料导热系数提高的效果最好,最高可使导热系数提高52.09%;水的含量对导热系数影响也很显著,样品饱水后导热系数明显增加,相比干燥样品提高了4~5倍;重晶石粉对回填材料导热系数的提高主要由包裹效应和填隙效应引起,包裹效应为重晶石粉将砂颗粒表面包裹,而填隙效应则是重晶石粉将砂颗粒之间的孔隙填充;数值模拟结果证明重晶石粉提高回填材料导热系数进而提高地源热泵换热效率的可行性。研究成果为地源热泵回填材料的选择提供了参考。

关键词：导热性能换热效率回填材料重晶石粉地源热泵宏细观实验数值模拟

含水裂隙冻融过程中冻胀力演化及影响因素研究

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岩石力学与工程学报 2022年第9期41卷 1832-1845页

作者：贾海梁赵思琪丁顺王婷董元宏谭贤君西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054 大连理工大学土木工程学院辽宁大连116024 西安科技大学地质与环境学院陕西西安710054 西京学院土木工程学院陕西西安710199 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071

岩体冻融损伤的本质是水-冰相变过程中冻胀力驱动的既有裂隙的扩展,因而,研究裂隙中冻胀力的产生和演化过程是岩体冻融损伤研究中的核心问题,也是揭示岩体冻融损伤机制的基本前提。以含单裂隙灰岩为研究对象,监测冻融过程中裂隙内部温... 详细信息

岩体冻融损伤的本质是水-冰相变过程中冻胀力驱动的既有裂隙的扩展,因而,研究裂隙中冻胀力的产生和演化过程是岩体冻融损伤研究中的核心问题,也是揭示岩体冻融损伤机制的基本前提。以含单裂隙灰岩为研究对象,监测冻融过程中裂隙内部温度变化、裂隙冰的形成过程以及裂隙内部冻胀力演化和裂隙端部冻胀变形,并分析不同变量(冻结速率、裂隙含水量(水占裂隙体积的比例)、裂隙深度)对裂隙冻胀特性的影响。试验结果表明:(1)冻融过程中裂隙内部温度变化可分6个阶段,在快速冻结阶段有明显的过冷和热弛豫现象,裂隙水由外向内冻结,形成冰壳将未冻水束缚在内;(2)裂隙内部冻胀力和冻胀变形的演化过程可分为5个阶段,阶段2为冻胀力和冻胀变形的产生与演化阶段,在此阶段冻胀力快速增长升至峰值后又迅速下降,冻胀变形演化则可分2种模式:快速增大后迅速降低和快速增大后缓慢增大;(3)不同变量条件下对裂隙水冻结过程中过冷度、热弛豫持续时间、最大冻胀力值影响最为显著,当裂隙深度较大时裂隙端部将会出现开裂现象。根据上述实验结果分析认为:冻融过程中冻胀力的产生和演化受裂隙中未冻水密封条件控制;密封条件的形成伴随着“未冻水冻结→冰壳断裂→未冻水挤出→冰壳闭合”过程的反复进行;密封条件形成后裂隙是否出现冻胀扩展取决于冻结速率、初始含水量及裂隙深度。

关键词：岩石力学裂隙岩体冰楔作用冻胀力冻胀扩展密封条件

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黄土-三趾马红土界面直剪破坏特性研究

工程地质学报 2023年

作者：辛远孙强包含南静静贾海梁李鹏飞西京学院西安科技大学长安大学

我国西北地区滑坡灾害频发，滑坡破坏面横穿第四系黄土，直达下覆第三纪上新世红黏土。为了更好的分析黄土-三趾马红土复合型滑坡的致灾机理，评估水盐及季节性冻融对于滑坡的影响，本文借助声发射仪记录了直剪过程中黄土-三趾马红土界... 详细信息

我国西北地区滑坡灾害频发，滑坡破坏面横穿第四系黄土，直达下覆第三纪上新世红黏土。为了更好的分析黄土-三趾马红土复合型滑坡的致灾机理，评估水盐及季节性冻融对于滑坡的影响，本文借助声发射仪记录了直剪过程中黄土-三趾马红土界面剪切破坏的能量信号，分析了冻融过程中不同含水率(8%、11%、14%、17%、20%)、含盐量(0、0.5%、1%、2%)下纵波波速和低场核磁共振(NMR)的变化规律。结果表明：（1）含水率、硫酸钠浓度对黄土-红黏土纵波波速有显著影响，含水率小于17%时，随含水率增加，土样波速先减小后增加，含水率大于17%时，土样冻融温度与波速增量呈负相关；硫酸钠浓度小于1%时，随硫酸钠浓度增加，土样波速先增加后减小，硫酸钠浓度大于1%时，冻融温度与波速增量呈正相关。（2）多次冰冻后，随含水率的增加，黄土-红黏土样中小孔的孔隙占比先减小后增加，中孔的孔隙占比先增加后减小，大孔占比基本保持不变。（3）根据直剪试验结果发现，直剪-滑坡模型可以归纳为三类：界面滑移型、黏附滑移型、阻滞型。

关键词：黄土红黏土界面效应直剪声发射破坏模式