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盐溶液饱和岩土的本构理论及在黏土中的应用

岩土工程学报 2024年第2期46卷 223-234页

作者：胡亚元袁书行浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心浙江杭州310058

盐溶液中离子的化学活性会改变饱和岩土的力学性质,诱发其工程性能出现劣化甚至失效等岩土工程问题。为了研究化学活性对饱和岩土水力与变形特性的影响,基于混合物理论与热力学溶液理论,建立了盐溶液饱和岩土材料的本构理论框架。与以... 详细信息

盐溶液中离子的化学活性会改变饱和岩土的力学性质,诱发其工程性能出现劣化甚至失效等岩土工程问题。为了研究化学活性对饱和岩土水力与变形特性的影响,基于混合物理论与热力学溶液理论,建立了盐溶液饱和岩土材料的本构理论框架。与以往研究不同,该理论将固相应变分解为孔隙率变化引起的骨架应变、固相材料变形引起的基质应变以及化学反应等物质交换引起的质量交换应变,用以凸显孔隙率在水-力-化学多场耦合机制中的关键作用;采用溶质的现时质量分数作为化学状态变量来反映化学活性的影响;利用自由能和耗散势分别建立弹性和塑性本构关系。根据该理论框架建立了NaCl溶液饱和黏土的固相、流相本构关系以及溶质的渗流-扩散方程,并得到了已有试验数据的验证,表明该框架可以指导盐溶液饱和岩土的本构建模工作。

关键词：混合物理论盐溶液饱和岩土材料化学活性本构理论等向压缩

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倾斜临空面下隧道掘进机滚刀贯入破岩研究

岩土力学 2024年第S1期45卷 705-714页

作者：周建尚肖楠刘福深沈君逸廖星川浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心浙江大学浙江省城市地下空间开发工程技术研究中心浙江大学岩土工程计算中心

在临空面辅助隧道掘进机（tunnel boring machine，简称TBM）滚刀破岩的过程中，当滚刀在垂直临空面附近完成破岩后，垂直临空面将变为倾斜临空面。为了研究倾斜临空面对滚刀贯入破岩的影响，利用近场动力学方法建立了三维模型，考虑了... 详细信息

在临空面辅助隧道掘进机（tunnel boring machine，简称TBM）滚刀破岩的过程中，当滚刀在垂直临空面附近完成破岩后，垂直临空面将变为倾斜临空面。为了研究倾斜临空面对滚刀贯入破岩的影响，利用近场动力学方法建立了三维模型，考虑了临空面倾斜程度以及滚刀临空距离的变化，开展了一系列数值研究。模拟结果表明，在倾斜临空面辅助TBM滚刀贯入破岩工况下，岩石存在两种破碎模式，一种为内部裂纹扩展模式，另一种为内部压碎区扩大模式。在滚刀临空距离固定为40 mm的情况下，随着临空面倾角θ余切值cotθ的增加，岩石破碎逐渐从内部裂纹扩展模式转变为内部压碎区扩大模式，滚刀的法向峰值力与破岩消耗能量也逐渐增大，而且内部压碎区扩大模式的破岩效率比内部裂纹扩展模式低。随着滚刀临空距离的增加，滚刀法向峰值力、破岩消耗能量与破岩体积逐渐增加，同时滚刀的破岩效率也得到了提升。

关键词：近场动力学三维TBM滚刀破岩临空面倾斜程度临空距离

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循环冲击下预加静载岩石损伤破坏机制

煤炭学报 2024年第4期49卷 1860-1872页

作者：王汉鹏王伟张冰邱廷麟侯夫斌山东大学齐鲁交通学院山东济南250061 山东大学岩土工程研究中心山东济南250061

为研究深部地下工程高地应力静载与采掘爆破施工等循环扰动耦合作用下岩石的损伤破坏机制,利用自主研发的多应变率动静叠加岩石力学试验系统,开展了不同预加静载(0.45σ_(c)、0.65σ_(c)、0.85σ_(c))叠加循环冲击荷载以及相同预加静载... 详细信息

为研究深部地下工程高地应力静载与采掘爆破施工等循环扰动耦合作用下岩石的损伤破坏机制,利用自主研发的多应变率动静叠加岩石力学试验系统,开展了不同预加静载(0.45σ_(c)、0.65σ_(c)、0.85σ_(c))叠加循环冲击荷载以及相同预加静载叠加不同频率(0.5、1.0、2.0 Hz)循环冲击荷载的砂岩动静叠加试验。试验结果表明:动静叠加试验中岩石峰值强度小于静载试验,最大变形量大于静载试验,表明动静叠加荷载对岩石损伤具有显著促进作用,且不同动静荷载叠加下岩石强度、变形、破坏等演化规律具有一致性,其中峰值强度、破碎持续时间与预加静载呈线性负相关,与循环冲击频率呈对数正相关;最大应变、裂隙分形维数、碎块分形维数与预加静载呈线性正相关,与循环冲击频率呈对数负相关;不同动静叠加下岩石表面裂隙与碎块粒径分形维数演化趋势基本一致,且前者略大于后者,表明岩石表面及内部裂隙发育的同步性,相比岩石内部三维应力状态,表面更利用裂隙萌生与扩展;不同动静叠加条件下岩样破坏模式发生转变,随着预加静载的增大或冲击频率的减小,破坏模式经历“斜面剪切破坏—竖向拉伸破坏—整体爆裂破坏”的转变,且爆裂破坏位置由底部向整体扩展。为定量表征循环冲击下预加静载岩石损伤机制,结合理论分析与试验数据,建立了综合考虑静载损伤与不同峰值、频率、次数循环冲击损伤以及应变率强化效应的动静叠加损伤因子,进而开展了4组不同参数下的动静叠加试验,理论计算与试验结果对照误差率分别为0.5%、1.8%、0.6%、1.7%,误差均较小;但基于动静叠加损伤因子的理论计算强度均小于试验强度,初步分析这是由于高频循环冲击下损伤发育存在细观滞后性,循环冲击实际产生的累积损伤小于单次冲击损伤的循环次数倍,后期可开展细观测试,探索循环冲击下岩石细观损伤演化规律,进一步完善理论模型。

关键词：岩石力学损伤机制破坏模式循环冲击预加静载

考虑土-膨润土化学相容性的阻隔墙长期服役性能研究

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岩土工程学报 2024年第2期46卷 282-290页

作者：黄博曹林峰李育超浙江大学岩土工程研究所浙江杭州310000 超重力研究中心浙江杭州310000

考虑到填埋场渗滤液中较高Na^(+)和Ca^(2+)浓度会让土-膨润土的渗透系数显著增大,从而加速高危害性污染物击穿土-膨润土阻隔墙,建立了Na^(+)和Ca^(2+)作用下土-膨润土阻隔墙-含水层系统中有机物污染物运移数值模型。该模型可以考虑渗透... 详细信息

考虑到填埋场渗滤液中较高Na^(+)和Ca^(2+)浓度会让土-膨润土的渗透系数显著增大,从而加速高危害性污染物击穿土-膨润土阻隔墙,建立了Na^(+)和Ca^(2+)作用下土-膨润土阻隔墙-含水层系统中有机物污染物运移数值模型。该模型可以考虑渗透系数和水动力弥散系数等参数随Na^(+)和Ca^(2+)浓度的变化。利用有限差分法,获得了该模型的数值解。通过将所建模型的计算结果分别与已有解析解计算结果和COMSOL软件计算结果进行对比分析,验证了模型的正确性。最后基于所建数值模型,以甲苯作为代表性有机污染物分析和讨论了考虑和未考虑土-膨润土化学相容性、水头差和膨润土掺量对阻隔墙长期服役性能的影响。结果表明:考虑土-膨润土化学相容性之后,阻隔墙从不会被击穿变成了服役75 a后被击穿,服役寿命大幅缩短;降低阻隔墙两侧水头差,能够有效延缓污染物的击穿时间;阻隔墙膨润土掺量的下限值应在原先防渗要求的基础上适当提高,以应对污染物作用下墙体防污阻隔性能的削弱。

关键词：化学相容性阻隔墙污染物运移数值模型长期服役性能

固体NaOH/Na_(2)SiO_(3)激发矿粉/粉煤灰-炉渣基注浆材料性能研究

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中南大学学报（自然科学版） 2024年第2期55卷 628-637页

作者：徐先杰朱志敬王孟白继文陈孟军刘人太山东大学岩土与结构工程研究中心山东济南250061

以矿粉和粉煤灰-炉渣作为前驱体,其中粉煤灰、炉渣以质量比4:1共同粉磨制备前驱体之一,以NaOH和Na_(2)SiO_(3)配制模数为1.2的固体激发剂,制备碱激发注浆材料。研究粉煤灰-炉渣的掺量、激发剂的掺量(以Na_(2)O计)对注浆材料工作性能和... 详细信息

以矿粉和粉煤灰-炉渣作为前驱体,其中粉煤灰、炉渣以质量比4:1共同粉磨制备前驱体之一,以NaOH和Na_(2)SiO_(3)配制模数为1.2的固体激发剂,制备碱激发注浆材料。研究粉煤灰-炉渣的掺量、激发剂的掺量(以Na_(2)O计)对注浆材料工作性能和力学性能的影响,并通过扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)对水化产物进行物理化学表征,使用核磁共振分析注浆材料孔结构特征。研究结果表明:粉煤灰-炉渣掺量为50%的注浆材料的28 d最大抗压强度达31.25 MPa。水化产物主要为C-A-S-H凝胶,浆液结石体内部孔隙主要为胶凝孔(孔径<10 nm)和过渡孔(孔径为[10~100) nm),占比超过90%。

关键词：炉渣粉煤灰固体激发剂碱激发注浆材料力学性能微观结构

淤泥质钻渣土碳化造粒方法及强度增长机理试验

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中国公路学报 2024年第6期37卷 217-227页

作者：曹志刚申昆鹏毛天学肖力庄峻淇浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心浙江杭州310058 浙江交工集团股份有限公司浙江杭州310052

为实现淤泥质钻渣土低碳与多样化利用,自主研制了温湿控碳化反应釜,对淤泥质钻渣土造粒碳化方法及其强度增长机理开展了系统试验研究。首先使用熟石灰对桩基施工产生钻渣进行改性,并制成粒径12 mm的颗粒状坯料;在反应釜中充入CO_(2)气体... 详细信息

为实现淤泥质钻渣土低碳与多样化利用,自主研制了温湿控碳化反应釜,对淤泥质钻渣土造粒碳化方法及其强度增长机理开展了系统试验研究。首先使用熟石灰对桩基施工产生钻渣进行改性,并制成粒径12 mm的颗粒状坯料;在反应釜中充入CO_(2)气体,在恒温、恒湿(60℃,湿度80%)条件下对坯料碳化养护8 h,实现钻渣土高强度造粒。碳化结束后,对颗粒进行热重分析(TG)、X射线衍射(XRD)、颗粒强度试验,分析了7种不同熟石灰掺量下碳化颗粒强度增长机理。试验表明,碳化颗粒的碳化率能达到80%以上,主要生成物为方解石型碳酸钙晶体,且碳化颗粒强度随熟石灰掺量增加表现为“先缓增-后快增”的两阶段特点;当熟石灰掺量在12%以下时,碳化颗粒强度随熟石灰掺量缓慢增长,当掺量超过12%以后,碳化生成的大量方解石胶黏土颗粒并形成整体骨架,晶粒尺寸也随掺量逐渐减小并膨胀填充孔隙,颗粒强度进入快增阶段;最终颗粒碳化强度可达3.0 MPa以上。此外,水稳定性试验表明,熟石灰掺量达16%以上时,碳化颗粒具备A等水稳定性能。碳排放分析表明本方法制备的碳化颗粒CO_(2)排放相对陶粒减少了42.7%~52.6%,减碳效益显著。本研究为绿色处置钻渣土,实现其在路基层填料、路基台背填料等场景中利用提供了技术方案。

关键词：路基工程淤泥质钻渣土碳化造粒路基填料低碳减排

考虑刀土摩擦的砂土盾构隧道开挖面支护压力计算方法

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中南大学学报（自然科学版） 2024年第3期55卷 1082-1091页

作者：应宏伟吕忠泽河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室江苏南京210024 浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心浙江杭州310058

确定盾构隧道开挖面极限支护压力是隧道工程中的核心问题之一。现有研究一般忽略盾构刀盘与主动极限状态时开挖面前方失稳土体间的摩擦效应,导致计算结果偏保守。为了解决此问题,首先,基于梯形楔形体模型,考虑盾构开挖掌子面与前方被切... 详细信息

确定盾构隧道开挖面极限支护压力是隧道工程中的核心问题之一。现有研究一般忽略盾构刀盘与主动极限状态时开挖面前方失稳土体间的摩擦效应,导致计算结果偏保守。为了解决此问题,首先,基于梯形楔形体模型,考虑盾构开挖掌子面与前方被切削土体之间的竖向摩擦力、楔形体与上方土柱之间因相对错动引起的横向摩擦力以及隧道埋深对极限支护压力的影响,推导了砂土地层盾构开挖面的极限支护压力计算公式;其次,通过与其他理论方法及试验结果进行对比,验证了本文方法的合理性;最后,讨论了刀土摩擦力在不同工况下对盾构开挖面极限支护压力的影响规律。研究结果表明:在其他参数不变时,开挖面极限支护压力随着刀土外摩擦角增大而逐渐减小,与刀土外摩擦角近似呈线性关系;刀盘土体间摩擦力对维持盾构开挖面稳定具有有利影响,对开挖面极限支护压力的影响不可忽略;适当增大刀盘与前方土体间的外摩擦角可有效增加开挖面的极限稳定性;刀土摩擦力对浅埋情况的盾构隧道开挖面极限支护压力的影响要明显比深埋情况的影响大,在选择盾构掘进刀具时应重点考虑埋深的影响。

关键词：盾构隧道砂土地层支护压力楔形体模型土拱效应

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考虑截面规则性的柱状节理岩体变形及强度特性研究

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岩土力学 2024年第1期45卷 213-225页

作者：朱姝阙相成朱珍德朱其志河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室江苏南京210098 河海大学江苏省岩土工程技术工程研究中心江苏南京210098

柱状节理岩体的复杂结构使其现场力学参数的确定存在困难,可靠地估计柱状节理岩体强度及变形特性对工程安全至关重要。结合Voronoi图形及3D打印技术制作不规则柱状节理岩体光敏树脂模具,并制备了具有不同倾角的规则及不规则柱状节理岩... 详细信息

柱状节理岩体的复杂结构使其现场力学参数的确定存在困难,可靠地估计柱状节理岩体强度及变形特性对工程安全至关重要。结合Voronoi图形及3D打印技术制作不规则柱状节理岩体光敏树脂模具,并制备了具有不同倾角的规则及不规则柱状节理岩体试样。基于开展的单轴压缩试验结果,分析不同截面柱状节理岩体的变形及强度特性差异。根据试样最终破坏形态,揭示柱状节理岩体破坏模式及机制。结合已有研究结果,描述节理面材料对柱状节理岩体破坏形态及强度的影响。基于传统节理系数方法,提出了更能反映柱状节理岩体柱体结构特征的修正节理系数方法。采用修正节理系数法建立规则及不规则柱状节理岩体试验结果与现场变形及强度参数间的经验关系,将所提出计算公式应用于白鹤滩水电站工程,预测结果与现场实测值及RMR法(RMR为岩石质量评分指标)、Q法(Q为岩体质量指标)的预测值进行比较。结果表明,对于现场变形和强度参数,所提出的修正节理系数法的预测结果与现场实测结果较为吻合。

关键词：截面规则性柱状节理岩体变形及强度特性物理模型试验经验关系

基于相场法的预制双裂隙岩体水力压裂扩展数值模拟研究

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岩土力学 2024年第6期45卷 1850-1862页

作者：吕茂淋朱珍德周露明葛鑫梁河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室江苏南京210098 河海大学江苏省岩土工程技术工程研究中心江苏南京210098

水力压裂裂隙扩展形态对于深部岩体油气开采和地热能开采具有重要意义。针对深部地层岩体水力压裂裂隙扩展问题,基于相场法理论、Biot多孔弹性介质力学理论和渗流力学理论建立了相场法应力−渗流耦合模型。该模型采用有限元方法对方程组... 详细信息

水力压裂裂隙扩展形态对于深部岩体油气开采和地热能开采具有重要意义。针对深部地层岩体水力压裂裂隙扩展问题,基于相场法理论、Biot多孔弹性介质力学理论和渗流力学理论建立了相场法应力−渗流耦合模型。该模型采用有限元方法对方程组进行离散化处理,运用牛顿迭代法(Newton-Raphson method,简称NR法)和分离式耦合方法求解方程组以提高计算精度。对比了该模型数值解与室内试验模拟结果和基于数值流形法(numerical manifold method,简称NMM)的数值解,并将数值解与理论解析解进行比较,验证了模型的可靠性。基于该模型,研究了地应力差、裂隙间距和注入流量等因素对垂直于最大主应力方向的双裂隙水力压裂裂隙扩展的影响规律。研究结果表明:随着地应力差的增大,裂隙扩展路径的偏转角度增大,扩展分支路径相应增多;较小的裂隙间距使裂隙更易贯通,且裂隙扩展的偏转程度和扩展长度均随着裂隙间距的增大而逐渐增大;较大的注入流量更有利于裂隙扩展长度和扩展速度的增加。通过探讨不同因素对裂隙扩展的影响,为深部岩体水力压裂优化复杂裂隙网络提供了理论依据。

关键词：相场法水力压裂多孔介质裂隙扩展数值模拟