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Failure mechanism and infrared radiation characteristic of hard siltstone induced by stratification effect

Journal of Mountain Science 2024年第3期21卷 1058-1074页

作者： CHENG Yun SONG Zhanping XU Zhiwei yang tengtian TIAN Xiaoxu School of Civil Engineering Yancheng Institute of TechnologyYancheng 224051China School of Civil Engineering Xi'an University of Architecture and TechnologyXi'an 710055China Shaanxi Key Laboratory of Geotechnical and Underground Space Engineering Xi'an 710055China China Railway Construction Bridge Engineering Bureau Group Co. Ltd.Tianjin 300300China

The deformation in sedimentary rock induced by train loads has potential threat to the safe operation of tunnels. This study investigated the influence of stratification structure on the infrared radiation and temporal damage mechanism of hard siltstone. The uniaxial compression tests, coupled with acoustic emission(AE) and infrared radiation temperature(IRT) were conducted on siltstones with different stratification effects. The results revealed that the stratigraphic structure significantly affects the stress-strain response and strength degradation characteristics. The mechanical parameters exhibit anisotropy characteristics, and the stratification effect exhibits a negative correlation with the cracking stress and peak stress. The failure modes caused by the stratification effect show remarkable anisotropic features, including splitting failure(Ⅰ: 0°-22.50°, Ⅱ: 90°), composite failure(45°), and shearing failure(67.50°). The AE temporal sequences demonstrate a stepwise response characteristic to the loading stress level. The AE intensity indicates that the stress sensitivity of shearing failure and composite failure is generally greater than that of splitting failure. The IRT field has spatiotemporal migration and progressive dissimilation with stress loading and its dissimilation degree increases under higher stress levels. The stronger the stratification effect, the greater the dissimilation degree of the IRT field. The abnormal characteristic points of average infrared radiation temperature(AIRT) variance at local stress drop and peak stress can be used as early and late precursors to identify fracture instability. Theoretical analysis shows that the competitive relationship between compaction strengthening and fracturing damage intensifies the dissimilation of the infrared thermal field for an increasing stress level. The present study provides a theoretical reference for disaster warnings in hard sedimentary rock mass.

关键词： Hard siltstone Failure mechanism Stratification effect Infrared radiation characteristic Temporal-damage mechanism Dissimilation

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运营期隧道衬砌非对称式破坏成因分析及数值模拟研究

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西安建筑科技大学学报（自然科学版） 2021年第4期53卷 525-533页

作者：杨腾添中国铁建大桥工程局集团有限公司天津300300 陕西省岩土与地下空间工程重点实验室陕西西安710055 西安建筑科技大学土木工程学院陕西西安710055

宜万铁路广成山隧道K180+261~K180+306段边墙衬砌处发生纵向开裂、剥离,翘壳等灾害,隧道衬砌形成了典型的非对称式破坏模式.基于现场系统性的衬砌厚度、衬砌强度及衬砌侵限检测,并结合理论及数值模型分析了衬砌破坏模式及其孕育机制.研... 详细信息

宜万铁路广成山隧道K180+261~K180+306段边墙衬砌处发生纵向开裂、剥离,翘壳等灾害,隧道衬砌形成了典型的非对称式破坏模式.基于现场系统性的衬砌厚度、衬砌强度及衬砌侵限检测,并结合理论及数值模型分析了衬砌破坏模式及其孕育机制.研究表明,隧道右边墙衬砌厚度不足、病害段衬砌强度偏低以及既有溶洞共同作用导致了病害的发生.临近既有溶洞侧与远离溶洞侧的围岩应力存在明显差异,靠近围岩溶洞侧出现明显的围岩应力集中现象,进而加剧了衬砌的变形破裂.相比二衬厚度不足,既有溶洞是影响隧道应力分布及衬砌剥落的主要因素.研究为类似隧道病害的整治提供理论依据.

关键词：运营隧道非对称破坏衬砌剥落溶洞数值模拟

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渗透压力作用下灰岩单轴压缩变形特性研究

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西安建筑科技大学学报（自然科学版） 2019年第5期51卷 649-653,703页

作者：宋战平肖珂辉杨腾添西安建筑科技大学土木工程学院陕西西安710055 陕西省岩土与地下空间工程重点实验室陕西西安710055

为探究渗透压力对灰岩单轴压缩变形特性的影响,本研究采用自主研发的注水压力系统对标准灰岩试件在不同渗透压力条件下注水72 h,然后利用600 kN型微机控制电液伺服岩石刚性试验机对注水后的试件进行单轴压缩试验,记录岩石的变形特性,并... 详细信息

为探究渗透压力对灰岩单轴压缩变形特性的影响,本研究采用自主研发的注水压力系统对标准灰岩试件在不同渗透压力条件下注水72 h,然后利用600 kN型微机控制电液伺服岩石刚性试验机对注水后的试件进行单轴压缩试验,记录岩石的变形特性,并利用声发射设备采集岩石加压过程中的AE特性.引入闭峰比和闭损比的概念以减小岩石初始裂缝对实验结果的影响,实验结果表明:在不同的渗透压力下,岩石的变形阶段明显不同;且随着渗透压力的增加,岩石的各项力学特性均有不同程度的下降.

关键词：单轴压缩渗透压力变形特性强度

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软弱地层敞开式TBM超前注浆加固技术研究

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隧道建设（中英文） 2021年第5期41卷 858-864页

作者：杨腾添李恒周冠南郭稳中国铁建大桥工程局集团有限公司天津300300 陕西省岩土与地下空间工程重点实验室陕西西安710055

为实现敞开式TBM施工过程中隧道围岩的机械化超前加固,降低软弱破碎地层中的隧洞塌方和TBM卡机风险,在传统敞开式TBM的基础上,引入超前钻注一体化装备,并建立配套的TBM超前加固技术。同时,为明确敞开式TBM钻注一体机超前加固效果,以阿... 详细信息

为实现敞开式TBM施工过程中隧道围岩的机械化超前加固,降低软弱破碎地层中的隧洞塌方和TBM卡机风险,在传统敞开式TBM的基础上,引入超前钻注一体化装备,并建立配套的TBM超前加固技术。同时,为明确敞开式TBM钻注一体机超前加固效果,以阿勒泰某引水隧洞为背景,采用midas对加固前后敞开式TBM在2个特征循环段中的盾顶压应力及围岩变形情况进行分析,并结合实测数据对比研究超前加固技术的可靠性。结果表明:1)采用超前加固措施效果明显,同一位置处的盾顶压应力降幅达10%~90%;2)实测钢护盾顶部压应力同加固后的数值计算结果变化趋势基本一致,数值差异量控制在20%内,计算结果可靠性较高;3)采用钻注一体机进行超前注浆加固,能够满足岩体加固的要求,可提高施工效率。

关键词：引水隧洞软弱地层钻注一体机敞开式TBM 注浆加固

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应力卸载过程砂岩应力波传播及衰减特性试验研究

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振动与冲击 2020年第8期39卷 151-158页

作者：程昀宋战平金解放王军保杨腾添西安建筑科技大学土木工程学院西安710055 陕西省岩土与地下空间工程重点实验室西安710055 江西理工大学建筑与测绘工程学院江西赣州341000 中国铁建大桥工程局集团有限公司天津300300

由于岩体开挖卸载和原岩应力重新分布的复杂性,围岩体通常处于复杂的应力卸载环境中。为研究应力卸载过程砂岩应力波的传播及衰减特性,设计了长径比L/D≈65的条形试件,利用动静组合加载装置进行了不同轴向卸载应力下的小扰动撞击试验,... 详细信息

由于岩体开挖卸载和原岩应力重新分布的复杂性,围岩体通常处于复杂的应力卸载环境中。为研究应力卸载过程砂岩应力波的传播及衰减特性,设计了长径比L/D≈65的条形试件,利用动静组合加载装置进行了不同轴向卸载应力下的小扰动撞击试验,测得了不同测点处的砂岩应力波信号,研究了不同卸载应力对应力波波形、纵波波速值、波峰的时空衰减规律、波峰及波峰衰减速率等的影响,并建立了经验规律模型。研究表明:砂岩是否具有卸载应力对应力波波形具有显著影响;随应力卸载,纵波波速呈“近似线性+非线性”衰减,波峰及其衰减率均呈指数变化;随距离和时间增加,波峰均呈指数衰减,且不同应力卸载阶段波峰的时空衰减具有不同敏感性;研究结果对爆破开挖条件下深部工程岩体稳定性分析提供了重要的理论参考。

关键词：应力波波形纵波波速波峰衰减特性

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基于锁定工艺优化的TBM刀盘洞内固定技术研究

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地下空间与工程学报 2021年第S02期17卷 800-806页

作者：杨腾添郭稳周冠南李恒孙泽中国铁建大桥工程局集团有限公司天津300300 陕西省岩土与地下空间工程重点实验室西安710055

TBM施工过程中由于密封系统磨损、失效等原因,常需要将刀盘从主驱动上脱离,更换失效密封。为解决刀盘背后刮渣斗位置锚杆施工空间狭小的问题,提出了"四点锚杆锁定"、"四点支垫支撑"的刀盘固定模式,并运用于新疆某引水隧洞敞开式TBM施工... 详细信息

TBM施工过程中由于密封系统磨损、失效等原因,常需要将刀盘从主驱动上脱离,更换失效密封。为解决刀盘背后刮渣斗位置锚杆施工空间狭小的问题,提出了"四点锚杆锁定"、"四点支垫支撑"的刀盘固定模式,并运用于新疆某引水隧洞敞开式TBM施工项目,结合该隧道所处的黑云母石英片岩地层的围岩力学特性与岩石结构特点,对锚杆锁固方式进行了优化,利用接驳器将锁固锚杆改造成方便装配的分离式结构,避免了打设锚杆前需整体割除刀盘接渣斗的工作,提高了固定锚杆的施工质量,节省了TBM刀盘洞内固定施工工期,降低了施工难度,可为类似工程提供参考。

关键词：软弱地层 TBM施工刀盘洞内固定锚杆锁定工艺接驳器

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溶洞对隧道(洞)稳定性影响的数值试验及现场监测分析

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西安建筑科技大学学报（自然科学版） 2014年第4期46卷 484-491页

作者：宋战平杨腾添张丹锋李宁西安建筑科技大学土木工程学院陕西西安710055 中铁十三局集团有限公司天津300300 西安理工大学水电学院陕西西安710048

依托武都水库的导流隧洞工程建设,就既有岩溶溶洞对隧道(洞)稳定性的影响进行了跟踪现场施工的动态监测及数值模拟分析,就不同位置及尺寸的既有溶洞对隧道(洞)围岩受力、变形以及支护结构的受力特性的变化进行了深入研究.既有溶洞影响... 详细信息

依托武都水库的导流隧洞工程建设,就既有岩溶溶洞对隧道(洞)稳定性的影响进行了跟踪现场施工的动态监测及数值模拟分析,就不同位置及尺寸的既有溶洞对隧道(洞)围岩受力、变形以及支护结构的受力特性的变化进行了深入研究.既有溶洞影响的数值模拟和现场监测分析表明:受顶部既有岩溶溶洞的影响,隧道(洞)围岩的变形特性明显不同于无溶洞时的变形特性,其围岩超前掌子面的先期变形量增加,即围岩位移具有明显的超前释放性.就变形量而言,当既有溶洞的尺寸大于隧洞最大跨度时,既有顶部溶洞将引起隧道(洞)顶拱沉降位移的减小,而当既有溶洞尺寸大于隧道(洞)的最大尺寸时,隧道(洞)顶拱位移反而增加.同时,既有顶部溶洞将引起隧道(洞)水平收敛位移的增加,且位移的增加量随着既有溶洞尺寸的增加而随之增加.隧道(洞)边墙附近的既有侧边溶洞的出现将引起隧道(洞)水平收敛位移的增加,且位移的增加量随着既有溶洞尺寸的增加而增加.就支护结构受力特性而言,隧道(洞)边墙附近的既有溶洞的存在造成隧道(洞)近溶洞一侧喷层轴力的减小,而远离溶洞一侧喷层轴力的增加.

关键词：隧道工程溶洞稳定性现场测试数值分析

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考虑渗透压力作用的岩石单轴压缩损伤模型构建及试验验证

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煤田地质与勘探 2023年第5期51卷 78-87页

作者：宋战平王加辉潘红伟杨棚涛杨腾添田松西安建筑科技大学土木工程学院陕西西安710055 陕西省岩土与地下空间工程重点实验室陕西西安710055 中铁北京工程局集团第一工程有限公司陕西西安710100 中国铁建大桥工程局集团有限公司天津300300

在富水环境下隧道与地下工程建设中,因地下水渗透引起的围岩失稳导致施工安全事故频发的问题日益突出,建立考虑渗透水压力作用的岩石单轴压缩损伤本构模型对指导现场施工具有重要意义。为描述岩石在单轴压缩破坏过程中的应力−应变关系,... 详细信息

在富水环境下隧道与地下工程建设中,因地下水渗透引起的围岩失稳导致施工安全事故频发的问题日益突出,建立考虑渗透水压力作用的岩石单轴压缩损伤本构模型对指导现场施工具有重要意义。为描述岩石在单轴压缩破坏过程中的应力−应变关系,在原有的岩石本构模型基础上,引入孔隙岩石变形模型、孔隙纵横比、自洽模型等概念和水化学损伤、Weibull统计损伤等理论,同时考虑渗透压力对岩石弹性模量的影响,确定岩石不同阶段的损伤模型,阐述岩石闭合应力和损伤阈值的确定方法,进而建立适用于不同渗透压力作用下的岩石单轴压缩全过程的本构方程。最后,将构建的本构模型得出的理论曲线与灰岩单轴压缩试验所得实际曲线和文献获得的理论曲线进行对比,该模型很好地体现了岩石压缩全过程的应力−应变曲线,充分证明了此模型的合理性与适用性。

关键词：损伤阈值岩石本构模型渗透压力弹性模量

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孔隙水压对分级循环加载灰岩声发射Felicity效应的影响

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应用基础与工程科学学报 2022年第2期30卷 361-373页

作者：程昀宋战平杨腾添霍润科王军保李曙光西安建筑科技大学土木工程学院陕西西安710055 陕西省岩土与地下空间工程重点实验室陕西西安710055 中国铁建大桥工程局集团有限公司天津300300 中铁十二局集团博士后科研工作站陕西西安710055

利用渗透-应力耦合试验装置不同孔隙水压下的灰岩试样进行了单轴压缩和分级循环加载试验,探讨了孔隙水压对分级循环加载的灰岩强度特征和Felicity效应的影响,并基于Felicity比变化路径分析了灰岩变形特征.结果表明,孔隙水压对应力-应变... 详细信息

利用渗透-应力耦合试验装置不同孔隙水压下的灰岩试样进行了单轴压缩和分级循环加载试验,探讨了孔隙水压对分级循环加载的灰岩强度特征和Felicity效应的影响,并基于Felicity比变化路径分析了灰岩变形特征.结果表明,孔隙水压对应力-应变曲线有显著影响,软化作用导致压密阶段延长而弹性阶段相对缩短,其峰值应力呈指数衰减.随孔隙水压增加,平均循环峰值应力和循环寿命均为指数衰减,疲劳破坏“门槛值”为峰值应力的67.50%~78.75%,疲劳曲线近似线性减小.每级循环加载声发射的“活跃-平静”期的阶段分界点为上限应力.随孔隙水压增大,Felicity比的变化路径明显缩短且随循环次数近似线性减小,其变化系数与孔隙水压为二次函数关系.Felicity比的稳定阶段预示着发生疲劳破坏,最小Felicity比随孔隙水压呈线性减小.

关键词：灰岩分级循环加载试验孔隙水压声发射特性疲劳曲线 Felicity效应损伤

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循环荷载下硬质层理砂岩疲劳损伤机制试验研究

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岩土工程学报 2024年第3期46卷 490-499页

作者：宋战平程昀杨腾添杨鹏涛潘红伟西安建筑科技大学土木工程学院陕西西安710055 盐城工学院土木工程学院江苏盐城224051 陕西省岩土与地下空间工程重点实验室陕西西安710055 中国铁建大桥工程局集团有限公司天津300300 中铁北京工程局集团有限公司北京102308

列车动载扰动作用下隧道基底围岩的变形开裂蕴含着复杂的力学损伤问题。为探究循环荷载下硬质层理砂岩的疲劳损伤演化机制,对层理砂岩进行了疲劳力学试验及电镜扫描试验。结果表明:层理砂岩的宏观裂隙与动态应力-应变曲线存在时效对应关... 详细信息

列车动载扰动作用下隧道基底围岩的变形开裂蕴含着复杂的力学损伤问题。为探究循环荷载下硬质层理砂岩的疲劳损伤演化机制,对层理砂岩进行了疲劳力学试验及电镜扫描试验。结果表明:层理砂岩的宏观裂隙与动态应力-应变曲线存在时效对应关系,层理效应越明显,滞回环跃迁越显著。层理砂岩力学参数具有明显的层理劣化效应。随层理倾角增大,峰值强度呈缓慢衰减—快速降低—急剧增大的趋势,疲劳寿命与峰值强度呈正相关。弹性模量呈急剧增大—缓慢增大—趋于平缓或降低的趋势,周期比分界点为28.57%和81.81%。砂岩破裂模式与层理效应密切相关,包括张拉破裂(Ⅰ型和Ⅱ型)、斜剪破裂及复合破裂;张拉破裂Ⅱ型具有压杆效应,破裂面粗糙度略小;斜剪破裂面粗糙度显著降低,压—剪作用导致复合破裂断面出现破碎带和光滑断口。循环加卸载效应导致层理砂岩的临界损伤呈非线性快速增大—近似线性增长—非线性急剧增大演变,Logistic反函数损伤模型可很好描述临界损伤规律,疲劳敏感性顺序依次为斜剪破裂型>复合破裂型>张拉破裂型。

关键词：岩石力学循环荷载层理砂岩疲劳损伤破裂机制

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