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基于光纤光栅的深部硬岩隧洞三维扰动应力测试系统研制及工程应用

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岩石力学与工程学报 2024年第2期43卷 261-274页

作者：李邵军郑民总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

扰动应力及其演化是深埋隧洞围岩稳定性及灾变的最重要因素,目前对硬质围岩三维扰动应力的研究局限于解析解和数值模拟,缺乏可靠的原位测试技术与装备。考虑深部硬岩隧洞工程复杂地质环境,系统分析扰动应力的测试原理和理论基础,研发基... 详细信息

扰动应力及其演化是深埋隧洞围岩稳定性及灾变的最重要因素,目前对硬质围岩三维扰动应力的研究局限于解析解和数值模拟,缺乏可靠的原位测试技术与装备。考虑深部硬岩隧洞工程复杂地质环境,系统分析扰动应力的测试原理和理论基础,研发基于光纤光栅与空心包体的扰动应力综合传感技术,研制三维扰动应力单孔多点分布式原位测试系统;通过密封油压高精度标定设备,实现对空心包体单元光栅和传感器装置的整体精确标定,结合室内混凝土模型试验,验证了应力测试系统的准确性。以锦屏地下实验室二期隧洞工程为依托,开展扰动应力现场测试,首次原位测试获得深部硬岩隧洞开挖过程中不同深度的三维扰动应力变化,系统分析扰动应力大小、方向的演化特征、规律及其与施工活动的关系,并进一步验证光纤光栅空心包体应力测试系统的工程适用性和可靠性。研究成果为深部硬岩工程扰动应力测试和演化特性研究提供了科学方法和技术支撑。

关键词：地下工程深部硬岩隧洞三维扰动应力光纤光栅原位测试

金属矿山复杂采空区围岩破坏及岩层移动机制研究

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岩石力学与工程学报 2024年第3期43卷 670-682页

作者：孙朝燚陈从新夏开宗张伟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

以武钢资源集团金山店铁矿东区为依托工程,厘清矿区工程地质条件和矿体开采情况;通过地压显现调查和微震破裂监测开展复杂采空区围岩破坏空间特征分析;结合三维数值模拟、围岩破裂监测和巷道破坏调查结果阐明矿区上下盘围岩破坏机制,提... 详细信息

以武钢资源集团金山店铁矿东区为依托工程,厘清矿区工程地质条件和矿体开采情况;通过地压显现调查和微震破裂监测开展复杂采空区围岩破坏空间特征分析;结合三维数值模拟、围岩破裂监测和巷道破坏调查结果阐明矿区上下盘围岩破坏机制,提出基于岩体塑性破坏的围岩破坏角不连续变形分析指标,并与陷落角指标进行对比验证,揭示金属矿山复杂采空区引起的平面和剖面方向上岩层移动规律。研究结果表明:围岩破坏和巷道地压显现围绕采空区分布,在平面上半月形采空区凸出形状对两翼围岩破坏具有放大效应,在剖面上分段运输巷道破坏具有高程滞后发生的特点;采空区围岩破坏最初以顶部岩体垮塌冒落为主,随着采矿推进发展为断层滑移控制的筒状冒落破坏,最后扩展成为岩体结构控制的贯通滑移破坏,上盘围岩呈现倾倒-滑移破坏特征,下盘围岩呈现追踪断层和结构面的剪切-滑移破坏特征;不同勘探线剖面的上盘和下盘围岩破坏角和陷落角的数值及变化规律较为一致,均随采矿进程近似呈现先减小后趋于稳定的变化规律;上盘采空区(FeI)为条带状展布,趋于稳定的破坏角在不同勘探线位置近似一致,且主控优势结构面倾角越大,其稳定破坏角越小;下盘采空区(FeII)呈半月形平面形状展布,半月形中间凸出位置的稳定破坏角较大,两翼位置角度较小,且距离中间位置越远其角度越小。研究结果对指导矿山安全生产和保障周边居民正常生活具有重要意义。

关键词：采矿工程金属矿山地下开采复杂采空区围岩破坏岩层移动

基于像素空间信息的孔内低照度图像孔隙结构量化方法研究

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岩石力学与工程学报 2024年第S1期43卷 3175-3186页

作者：汪进超韩增强王益腾王超张国华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 中国地质大学(武汉)工程学院湖北武汉430074

鉴于目前井下复杂环境状态下,低反射特性岩壁上孔隙结构原位探测过程中往往存在的图像清晰度不够以及定量表征不准确等技术难题,提出一种基于像素空间信息的孔内低照度图像孔隙结构量化方法,通过同步利用孔壁图像和点云数据,得到非标准... 详细信息

鉴于目前井下复杂环境状态下,低反射特性岩壁上孔隙结构原位探测过程中往往存在的图像清晰度不够以及定量表征不准确等技术难题,提出一种基于像素空间信息的孔内低照度图像孔隙结构量化方法,通过同步利用孔壁图像和点云数据,得到非标准圆柱钻孔形态的孔壁像素空间特征信息,实现复杂地质条件下低反射特性岩层的孔隙结构定量化过程。首先,基于实际钻孔环境及测试过程中容易形成的具有纹理明暗交替现象的低照度孔壁图像特征,构建符合实际测孔状态的孔壁偏心图像校正模型,形成能够有效削弱孔壁纹理明暗现象的余弦明暗纹理抑制函数;随后,提出一种基于细节特征加权融合的低照度孔壁图像增强算法,增强低照度孔壁图像的纹理信息;最后,融合像素空间单元格的划分和像素空间点水平与垂直尺度的计算,形成利用像素空间信息的孔隙结构量化方法。同时,结合实际案例分析,验证该方法的正确性与优越性。结果表明,该方法能够得到非标准圆柱钻孔形态的孔壁像素空间特征信息,可以为复杂地质条件下低反射特性岩层的孔隙结构原位探测提供一种新的技术方法与手段。

关键词：岩石力学孔隙结构图像处理定量表征像素空间低照度图像

考虑干湿循环影响的残积土μ–CT扫描与渗流模拟

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工程科学与技术 2024年第2期56卷 228-235页

作者：安然陈昶牛玉璋武汉科技大学城市建设学院湖北武汉430065 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

花岗岩残积土广泛分布于中国东南沿海地区,其孔隙结构常因炎热多雨环境引起的干湿循环而发生扩张,改变土体的渗透性能,诱发工程事故。为了揭示干湿循环作用下花岗岩残积土细微观结构与渗透特性的演变规律,对原状样进行0到8次的脱湿–吸... 详细信息

花岗岩残积土广泛分布于中国东南沿海地区,其孔隙结构常因炎热多雨环境引起的干湿循环而发生扩张,改变土体的渗透性能,诱发工程事故。为了揭示干湿循环作用下花岗岩残积土细微观结构与渗透特性的演变规律,对原状样进行0到8次的脱湿–吸湿处理,开展微米计算机层析(μ–CT)扫描试验以获取土体的3维数字化模型,并结合扫描结果与AVIZO软件进行多通道渗流模拟,最后根据试验结果分别从定性和定量角度探究了土体孔隙体积分布与渗透系数的演化规律。结果表明:根据μ–CT扫描的图像结果,花岗岩残积土内部结构被划分为赤铁矿、石英、黏土和孔隙;3维重构模型反映了孔隙结构的扩张与连通模式,孔隙数量和尺寸在干湿循环过程中明显提高,孔隙率和孔隙连通率均与循环次数呈正相关;根据孔隙体积分布曲线可将土中孔隙分为微孔、中孔、大孔和裂隙4种类别,小体积微孔在干湿循环过程中逐渐转化为大体积的连通裂隙;3维渗流模型中的流线数量和分布密度随干湿循环次数增加而明显提高,由渗流模拟计算得到的绝对渗透率和渗透系数也不断增大;渗透系数的计算值总体上与实测值的演化规律相符,说明基于μ–CT扫描结果的渗流模拟可作为评价土体渗透特性的一种辅助手段。研究结果为深入了解花岗岩残积土渗流特性的环境损伤效应提供了重要的参考价值。

关键词：花岗岩残积土干湿循环 μ-CT扫描 3维数字化模型渗流模拟

列车荷载作用下压实花岗岩残积土累积变形特性试验研究

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振动与冲击 2024年第4期43卷 87-95页

作者：尹松刘鹏飞孙玉周李新明闫盼王志留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武汉430071 中原工学院建筑工程学院郑州450007

为研究列车荷载作用下应力及湿化条件对压实花岗岩残积土累积变形特性的影响,以围压、动应力幅值、含水率为变量,对压实花岗岩残积土进行循环空心扭剪和循环定向加载试验。结果表明:循环扭剪应力路径下主应力轴旋转效应增加了试样的累... 详细信息

为研究列车荷载作用下应力及湿化条件对压实花岗岩残积土累积变形特性的影响,以围压、动应力幅值、含水率为变量,对压实花岗岩残积土进行循环空心扭剪和循环定向加载试验。结果表明:循环扭剪应力路径下主应力轴旋转效应增加了试样的累积变形量,甚至改变了累积变形的发展模式,该影响程度随试样含水率的增大而增大;试样的累积应变发展速率在加载初期(N<100)时完成大幅度衰减,围压增大可加快累积应变发展速率的衰减,动应力幅值的增加会延长累积应变发展速率的衰减时间,循环扭剪加载时试样的累积应变发展速率衰减程度小于循环定向加载试验,含水率越高该效应越显著。通过预测模型能够对两种动力加载应力路径下的稳定型和发展型累积应变发展曲线能够进行拟合,对压实花岗岩残积土的累积变形作出较好预测。

关键词：花岗岩残积土循环加载空心圆柱剪切仪应力路径主应力轴旋转累积变形预测

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叶绿泥石水化机理及膨胀特性的分子动力学

硅酸盐学报 2024年第7期52卷 2350-2363页

作者：张瑞余飞佟凯文黄康张伟戴张俊陈善雄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武汉430071 中国科学院大学北京100049

高铁路基膨胀灾害工程实例发现,部分膨胀是由叶绿泥石水化膨胀引起的,但目前国内外学者对叶绿泥石膨胀特性研究较少,相关机理尚未明确。采用多尺度表征的方法研究了宏观和纳观尺度下叶绿泥石的膨胀特性,运用分子动力学模拟方法研究了叶... 详细信息

高铁路基膨胀灾害工程实例发现,部分膨胀是由叶绿泥石水化膨胀引起的,但目前国内外学者对叶绿泥石膨胀特性研究较少,相关机理尚未明确。采用多尺度表征的方法研究了宏观和纳观尺度下叶绿泥石的膨胀特性,运用分子动力学模拟方法研究了叶绿泥石水化机理及动力学响应下的键能变化。结果表明:叶绿泥石具有一定的膨胀潜力。通过不同数量水分子的吸附试验,得到层间域极限数量为32个,吸附位置为硅氧骨干形成的六方空穴,且仅能形成1层饱和水分子层。随着水分子增多,膨胀加剧,直至达到极限,极限状态的晶格常数为a=21.52A,b=18.61A,c=14.54A。水化模型经室温恒压的动力学模拟,发现模拟过程中静电作用能贡献最多,van der Waals作用能次之,键伸缩能最少。随着水化的加剧,水分子之间的相互作用变弱,径向分布函数峰值右移,层间水分子扩散性增强,且表现出靠近滑石层的倾向,水氧与滑石层氢原子形成的氢键键长1.8A,层间水与黏土矿物的径向分布函数峰值右移,同时氢键中的氢原子与受体原子之间的距离增加,氢氧配位数增加,这导致氢键键长增加,键角减小,黏土层开始产生膨胀。

关键词：叶绿泥石水化膨胀分子模拟径向分布函数

不同注浆材料填充双裂隙类岩石试样力学特性研究

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岩石力学与工程学报 2024年第3期43卷 623-638页

作者：刘学伟王赛刘滨刘泉声姚文杰贾闯陈海啸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 中国地质大学(武汉)工程学院湖北武汉430074 武汉大学土木建筑工程学院湖北武汉430072

注浆是裂隙岩体稳定性控制的主要技术之一,不同注浆材料对裂隙岩体的注浆加固效果存在较大差异。选取硫铝酸盐水泥(SAC)、普通硅酸盐水泥(OPC)和环氧树脂(EPR)3种注浆材料,对预制平行双裂隙类岩石试样进行充填,开展单轴压缩试验、声发... 详细信息

注浆是裂隙岩体稳定性控制的主要技术之一,不同注浆材料对裂隙岩体的注浆加固效果存在较大差异。选取硫铝酸盐水泥(SAC)、普通硅酸盐水泥(OPC)和环氧树脂(EPR)3种注浆材料,对预制平行双裂隙类岩石试样进行充填,开展单轴压缩试验、声发射以及扫描电镜试验。结果表明:EPR填充对裂隙试样强度最大,OPC水泥次之,SAC水泥最小。试样破坏模式则受填充材料影响突出,EPR填充试样不受预制裂纹控制,而SAC和OPC填充试样则主要由于裂隙扩展贯通发生的拉剪混合破坏。扫描电镜结果表明上述差异主要受控于不同浆液类型的浆-岩胶结特征,SAC和OPC填充浆-岩界面为覆盖型,而EPR填充则为融合型。在上述试验结果基础上,采用颗粒流程序(PFC)建立表征不同胶结模式的数值模型,分析不同注浆填充材料加固机制。数值模拟结果表明,试样加载过程中拉剪微裂纹比例、微裂纹倾角分布以及颗粒位移方向均受填充材料影响。因此,对于不同注浆材料,其自身强度和胶结性能改变了浆-岩胶结模式,影响了裂隙充填试样的受力状态,进而造成加载过程中浆液和周围岩体颗粒运动和微破裂的差异,最终影响了宏观强度特性和破坏模式。

关键词：岩石力学注浆材料浆岩胶结强度特征数值模拟破坏特征

考虑温度变化下三层复合衬垫中重金属污染物一维运移理论模型

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岩土力学 2024年第2期45卷 417-432页

作者：江文豪冯晨李江山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 中国科学院大学北京100049 中国科学院武汉岩土力学研究所污染泥土科学与工程湖北省重点实验室湖北武汉430071

针对考虑温度变化下由土工膜(geomembrane,简称GM)+土工复合膨润土衬垫(geosynthetic clay liner,简称GCL)+压实黏土衬垫(compacted clay liner,简称CCL)组成的3层复合衬垫中重金属污染物一维运移问题,基于相关假定发展得到了热传导与... 详细信息

针对考虑温度变化下由土工膜(geomembrane,简称GM)+土工复合膨润土衬垫(geosynthetic clay liner,简称GCL)+压实黏土衬垫(compacted clay liner,简称CCL)组成的3层复合衬垫中重金属污染物一维运移问题,基于相关假定发展得到了热传导与重金属污染物运移的控制方程,并建立了相应理论模型。通过有限差分,对所建理论模型进行了数值求解。随后,开展了与试验结果、解析解计算结果以及其他数值解计算结果的对比分析,验证了该模型的合理性。最后,以Cd^(2+)为例,分析和讨论了不同因素对运移规律的影响。结果表明,上部温度升高会使复合衬垫中Cd^(2+)的运移通量和底部浓度增大,但会使其上部浓度降低。热扩散效应对运移行为的影响会随Soret系数ST的增大而变显著,当ST为0.001、0.005、0.01、0.05、0.1 K^(-1)时,所定义的击穿时间tb依次为37.9、37.2、36.4、31.2、26.5 a。GCL和CCL最大吸附量的增大均会使t_(b)近似线性增加,且在一定渗沥液水头h_(b)下,t_(b)随GCL和CCL厚度的增大呈线性增大趋势。此外,当h_(b)从0.5m增大到1.0m时,t_(b)平均降低了8.33 a。在工程实践中,可结合GCL和CCL的吸附性能和厚度来设计复合衬垫,同时应考虑温度变化对阻隔效果的影响。

关键词：温度变化热传导重金属污染物运移 3层复合衬垫理论模型击穿时间

开封地区砂岩孔隙热储回灌化学堵塞数值模拟研究

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太阳能学报 2024年第2期45卷 225-235页

作者：黄艳艳那金雷宏武长江大学资源与环境学院武汉430100 岩土力学和工程国家重点实验室中国科学院武汉岩土力学研究所武汉430071

以开封圳宇花园的地热开发过程为研究对象,利用TOUGHREACT程序构建三维砂岩孔隙热储层的温度场-化学场-渗流场多场耦合模型,并对主要影响因素进行敏感性分析,探究地热回灌过程对热储层化学堵塞过程的影响。热储层中方解石、石英、伊利... 详细信息

以开封圳宇花园的地热开发过程为研究对象,利用TOUGHREACT程序构建三维砂岩孔隙热储层的温度场-化学场-渗流场多场耦合模型,并对主要影响因素进行敏感性分析,探究地热回灌过程对热储层化学堵塞过程的影响。热储层中方解石、石英、伊利石、钙-蒙脱石、二氧化硅矿物沉淀,钾长石、钠长石和白云石矿物溶解,其中方解石矿物为主要沉淀矿物,堵塞回灌井热储层,导致孔隙度降低约10%。回灌过程中回灌水注入流速、温度、井间距的改变影响地热水回灌过程中方解石沉淀,从而导致热储层孔隙度变化。

关键词：地热井方解石孔隙度化学堵塞 THC耦合 TOUGHREACT程序

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