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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

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盾构隧道结构响应特征及接缝刚度分析

岩土力学 2024年第S1期45卷 485-495页

作者：王小刚杨建平陈卫忠李慧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中国科学院大学

掌握运营期水下盾构隧道的结构响应规律是研究隧道整体稳定性的重要组成部分。基于武汉长江隧道健康监测系统，获得了隧道结构一年（2022年4月-2023年4月）的应变和接缝监测数据，研究对比了江中断面和岸上断面的应变与接缝开度的响应... 详细信息

掌握运营期水下盾构隧道的结构响应规律是研究隧道整体稳定性的重要组成部分。基于武汉长江隧道健康监测系统，获得了隧道结构一年（2022年4月-2023年4月）的应变和接缝监测数据，研究对比了江中断面和岸上断面的应变与接缝开度的响应规律及其差异，提出了一种计算管片环缝法向刚度的方法。研究结果表明：（1）岸上断面的管片应变、接缝张开度的平均年度幅值均显著大于江中段断面；（2）温度对岸上断面管片的应变和接缝开度影响大于江中断面；（3）管片环缝应力-张开度曲线与岩石结构面压缩荷载-位移曲线类似，不同测点位置的应力-张开度曲线差异显著；多个测点的平均法向刚度在其张开阶段和闭合阶段比较近似，但是江中断面的环缝法向刚度明显大于岸上断面。

关键词：盾构隧道管片应变管片接缝接缝刚度

干湿环境下膨胀土裂隙演化规律及渠坡变形研究

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岩土力学 2024年第S1期45卷 433-442页

作者：郭建华王汉辉李世昌戴张俊长江设计集团有限公司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

研究干湿循环效应下膨胀土裂隙发育规律对揭示膨胀土渠道边坡失稳机制有重要意义。针对目前研究中存在的不足，开展了仅考虑干湿循环效应的膨胀土裂隙演化试验，系统测量了随时间变化的水分蒸发过程及裂隙动态发育特征。基于膨胀土裂隙... 详细信息

研究干湿循环效应下膨胀土裂隙发育规律对揭示膨胀土渠道边坡失稳机制有重要意义。针对目前研究中存在的不足，开展了仅考虑干湿循环效应的膨胀土裂隙演化试验，系统测量了随时间变化的水分蒸发过程及裂隙动态发育特征。基于膨胀土裂隙演化规律，通过编程将块体离散元方法应用至膨胀土渠坡变形分析中，并得到如下结论：（1）膨胀土水分蒸发过程可分为稳定蒸发阶段、减速率蒸发阶段和残余蒸发阶段；（2）随着干湿循环次数增加，膨胀土面积裂隙率逐渐增加后趋于稳定，裂隙总长度逐步增加，裂隙平均宽度不断减小并逐渐稳定，裂隙夹角由T型逐步过渡至Y型；（3）土体颗粒排布总是向稳定方向发育，颗粒间应力分布向着更优势的状态发展，胀缩裂隙分布逐步稳定；（4）将块体离散元应用至膨胀土边坡分析中，实现了考虑裂隙和吸湿膨胀的膨胀土边坡位移场-应力场耦合；（5）干湿循环效应促进了膨胀土裂隙发育，裂隙率增加导致渠坡变形增加和塑性区扩大，在膨胀土渠坡坡脚处变形显著。

关键词：膨胀土干湿循环胀缩裂隙渠坡变形

基于分子动力学方法的致密砂岩储层CO_(2)驱油研究进展

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天然气工业 2024年第4期44卷 146-159页

作者：余涛李琦谭永胜陈博文胡海翔岩土力学与工程国家重点实验室·中国科学院武汉岩土力学研究所中国科学院大学

随着致密砂岩储层CO_(2)-EOR项目的不断增加,亟需对CO_(2)与致密砂岩储层流体在孔隙介质中的相互作用机理进行研究,但室内实验难以观察到CO_(2)与流体在孔隙通道中的动态过程,而分子动力学模拟则可以弥补传统实验和数值方法的不足。为此... 详细信息

随着致密砂岩储层CO_(2)-EOR项目的不断增加,亟需对CO_(2)与致密砂岩储层流体在孔隙介质中的相互作用机理进行研究,但室内实验难以观察到CO_(2)与流体在孔隙通道中的动态过程,而分子动力学模拟则可以弥补传统实验和数值方法的不足。为此,围绕该方法在CO_(2)-EOR研究中的2大重点——界面行为与受限空间运移行为,对包括萃取、溶胀、降黏、降低界面张力、最小混相压力、润湿性等6个方面界面行为的相关研究成果进行了系统梳理,结合前人对CO_(2)与致密砂岩储层流体在受限空间中运移行为的研究成果,提出了分子动力学在致密砂岩储层CO_(2)-EOR研究中的关键科学问题。研究结果表明:①分子动力学能够很好地将CO_(2)萃取原油中—轻烃组分的过程进行可视化,建议根据原油实际组分构成分析CO_(2)的萃取能力,从而弄清CO_(2)萃取原油中各组分的优先顺序及效率;②有关CO_(2)分子对原油溶胀降黏作用的研究,大多数成果中的原油组分体系较为单一,建议根据实际储层的原油组分,系统探讨高温高压条件下CO_(2)的溶胀降黏作用;③对于CO_(2)与油水两相之间界面张力的研究更多是在体相中进行展开,而在纳米受限空间界面行为的研究还有待完善;④有关地层水在孔隙壁面的润湿性研究,对不同因素之间的协同效应影响润湿性的机理尚不明确。结论认为,随着量子力学研究的不断深入以及计算性能的日益强大,该方法可以在更大尺度上进行复杂体系的计算,以其为基础的油藏、页岩油气藏CO_(2)-EOR机理等研究将会取得较大的突破。

关键词：分子动力学 CO_(2)驱油致密砂岩储层溶胀降黏界面张力最小混相压力界面行为受限空间流动

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自适应时间步长法在非饱和渗流中的应用研究

岩土力学 2024年第S1期45卷 685-693+704页

作者：韩枥兵李文涛韦昌富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中国科学院大学

Richards方程是非饱和渗流理论的基本方程，常用数值方法结合有效的迭代技术进行求解，时间步长调整方法常用来提高计算效率。为探究不同自适应时间步长法的数值表现，采用有限单元法结合自适应松弛Picard法和自适应时间步长法，开发了... 详细信息

Richards方程是非饱和渗流理论的基本方程，常用数值方法结合有效的迭代技术进行求解，时间步长调整方法常用来提高计算效率。为探究不同自适应时间步长法的数值表现，采用有限单元法结合自适应松弛Picard法和自适应时间步长法，开发了非饱和渗流有限元程序。通过模拟非饱和渗流算例，研究了不同自适应时间步长法对计算精度与效率的影响。结果表明，开发的程序是实用和可靠的，在时间步长发生较大变化时也能保证计算的稳定性。直接推断法虽然简单高效，但在求解迭代收敛难度较大的问题时，该方法难以保证良好的计算精度。截断误差法的数值表现受截断误差阈值影响，具有阈值越小，精度越高、效率越低；阈值越大，精度越低、效率越高的特点，通过调整阈值，该方法能更好地平衡计算精度和效率。研究成果对于高效非饱和渗流有限元程序的开发和应用具有一定的参考价值。

关键词：非饱和渗流有限元自适应时间步长法截断误差法直接推断法

不同饱和度下膨胀土原位孔内剪切试验及强度响应特征

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岩土力学 2024年第1期45卷 153-163页

作者：罗晓倩孔令伟鄢俊彪高志傲田升奎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 桂林理工大学广西岩土力学与工程重点实验室广西桂林541004

膨胀土强度随饱和度变化显著,非饱和膨胀土的抗剪强度一直是研究膨胀土工程问题的关键。选取南阳市某高速路沿线边坡膨胀土为研究对象,进行了天然条件下处于不同饱和度状态的膨胀土原位孔内剪切试验,获得了自然条件下膨胀土的抗剪强度... 详细信息

膨胀土强度随饱和度变化显著,非饱和膨胀土的抗剪强度一直是研究膨胀土工程问题的关键。选取南阳市某高速路沿线边坡膨胀土为研究对象,进行了天然条件下处于不同饱和度状态的膨胀土原位孔内剪切试验,获得了自然条件下膨胀土的抗剪强度随饱和度的变化特征。膨胀土的抗剪强度、黏聚力、内摩擦角随着膨胀土饱和度的增大而逐渐减小。结合现场试验数据和土-水特征曲线,提出了以法向应力、饱和度为变量和以法向应力、基质吸力为变量的两种非饱和膨胀土的抗剪强度计算模型,并结合试验数据对计算模型的适用性进行了验证。与之前常用的非饱和土抗剪强度计算模型相比较,提出的两种计算模型所需的拟合参数少,适用于更宽吸力范围、不同法向应力条件下非饱和膨胀土抗剪强度的计算,且结果更为准确。

关键词：非饱和膨胀土饱和度孔内剪切试验抗剪强度基质吸力计算模型

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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

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内撑式基坑围护结构水平变形的表征函数研究

岩土力学 2024年第S1期45卷 568-578页

作者：易顺陈健潘家军王艳丽徐晗刘春鹏长江水利委员会长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室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中国科学院大学

随着城市地下空间的开发与发展，基坑开挖引起的围护结构水平变形日益成为工程技术人员关注的焦点。针对现有围护结构水平变形规律及其表征方法研究的不足，提出了一套适用于内撑式基坑变形曲线的表征函数和指标体系。首先基于大量实测... 详细信息

随着城市地下空间的开发与发展，基坑开挖引起的围护结构水平变形日益成为工程技术人员关注的焦点。针对现有围护结构水平变形规律及其表征方法研究的不足，提出了一套适用于内撑式基坑变形曲线的表征函数和指标体系。首先基于大量实测数据，针对内支撑式基坑围护结构变形，进行模式分类，将其分为上凹型、下凹型、上凹下凹型和上下无凹型这4种类型；基于围护结构变形模式和上下分段特征，利用分段正态分布函数，建立了围护结构水平变形曲线的表征方法，并提出了以水平变形最大值、两个分段反弯点位置值和变形曲线包络面积为核心的围护结构变形曲线表征指标体系。最后利用最小二乘法开展回归分析，对分段正态分布函数表征方法进行验证，证实了该函数在围护结构水平变形表征中的适用性和有效性。提出的分段正态分布函数变形表征方法目前并未涉及到变形预测方面，但可以为后续开展围护结构水平变形预测研究提供一条新的思路。

关键词：内撑式基坑工程围护结构水平变形模式分类分段正态分布函数表征指标

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基于微震信息的岩爆体积分级与判别方法研究

岩石力学与工程学报 2024年第3期43卷 683-697页

作者：刘国锋李胜峰丰光亮陈炳瑞许江波杜程浩陈学琦长安大学公路学院陕西西安710064 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

深埋地下工程岩爆灾害的危害性与其爆坑规模直接相关,为进一步提高岩爆灾害的精细化表征及预测水平,开展基于微震信息的岩爆爆坑体积分级及判别方法研究。首先,通过对收集到的111个来源于锦屏二级水电站深埋隧洞群工程的岩爆案例进行统... 详细信息

深埋地下工程岩爆灾害的危害性与其爆坑规模直接相关,为进一步提高岩爆灾害的精细化表征及预测水平,开展基于微震信息的岩爆爆坑体积分级及判别方法研究。首先,通过对收集到的111个来源于锦屏二级水电站深埋隧洞群工程的岩爆案例进行统计分析可知,岩爆孕育过程中的累积微震事件数、累积微震释放能、累积微震视体积、微震事件率、微震能量释放率、微震视体积率这6个指标与岩爆爆坑体积之间具有较高相关性,即岩爆爆坑的体积分布与微震参数取值之间呈现出较为明显的从低到高的层次差异性。其次,利用层次聚类分析手段,从工程实用性与可预测性的角度构建一种岩爆体积分级划分方案,以锦屏隧洞工程为例,将岩爆体积等级划分为五级,并确定相应等级的体积阈值。最后,基于改进的分类回归树(classification and regression tree,简称为CART)算法,构建了用于确定不同岩爆体积等级下各微震参数判别阈值的决策树,形成岩爆体积等级的6个单微震参数判据;进一步,提出一种基于多微震参数的岩爆体积等级综合判别的蛛网图方法,并通过案例反分析确定相应的判别准则,利用该方法可快速实现洞室开挖过程中岩爆潜在规模等级的判别。对收集所得岩爆案例进行回溯验证,结果显示,岩爆回判准确率总体达到85.2%,表明该方法具有较高的准确率与适用性。该研究能够为类似深埋地下工程岩爆灾害精细化预测水平的提高提供一种新的有效途径。

关键词：岩石力学岩爆体积微震信息深埋隧洞聚类分析岩爆分级综合判别