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岩石力学与工程学报 2024年第S01期43卷 3477-3490页

作者：杨柳姜晓宇陶志刚王丰年刘朝阳中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室北京100083

为研究滇中引水工程玉溪施工段白云岩砂化对隧道注浆加固的影响,进而揭示浆液扩散规律,综合开展扫描电镜(SEM)试验、理论分析以及多物理场流固耦合数值模拟一系列深入研究。结果表明,白云岩在溶蚀作用下砂化且内部构造发育呈多尺度孔隙... 详细信息

为研究滇中引水工程玉溪施工段白云岩砂化对隧道注浆加固的影响,进而揭示浆液扩散规律,综合开展扫描电镜(SEM)试验、理论分析以及多物理场流固耦合数值模拟一系列深入研究。结果表明,白云岩在溶蚀作用下砂化且内部构造发育呈多尺度孔隙-裂隙网络体系分布特征,注浆时浆液扩散迁移的过程中存在前锋面并产生明显指进现象,发育构型不同的裂隙会导致水泥浆液扩散形态的不规则性和非稳定性。相比传统的恒压注浆,变压力梯度注浆更利于对砂化后地层复杂构造发育的多尺度裂隙进行均匀填充,浆液凝固后胶结破碎岩体减小围岩应力分布区域同时缓解拱顶、拱底的应力集中现象,对于提高围岩稳定性具有更加显著的效果。以上研究可为砂化白云岩地层隧道的实际注浆工程设计及施工提供理论参考。

关键词：岩石力学砂化白云岩滇中引水注浆扩散变压力梯度流固耦合

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考虑中间主应力效应的修正Hoek-Brown真三轴强度准则

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煤炭科学技术 2024年第6期52卷 81-89页

作者：李亚鹏吴晓锁张强蒋斌松中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116

为改善Hoek-Brown强度准则未考虑中间主应力对岩石强度的影响,通过岩石真三轴试验结果分析了岩石强度的演化规律,引入中间主应力系数,量化分析主应力系数对岩石真三轴强度的影响,考虑Hoek-Brown强度准则中的参数和岩石应力水平间的关联... 详细信息

为改善Hoek-Brown强度准则未考虑中间主应力对岩石强度的影响,通过岩石真三轴试验结果分析了岩石强度的演化规律,引入中间主应力系数,量化分析主应力系数对岩石真三轴强度的影响,考虑Hoek-Brown强度准则中的参数和岩石应力水平间的关联性,提出了基于拉格朗日插值方法的修正岩石真三轴Hoek-Brown强度准则,分析了其空间包络特征。最后,利用7种岩石的真三轴试验数据与其它3种真三轴强度准则进行最优拟合误差分析,探讨了修正强度准则的合理性。研究结果表明:岩石强度随着最小主应力的增加逐渐增大,随着中间主应力的增加则呈现先增大后减小的变化规律,表现出显著的区间效应;修正强度准则不仅能够继承Hoek-Brown强度准则在子午面上的非线性优点,且能够表征岩石强度在应力空间中的基本特性;线性和非线性插值形式的修正强度准则空间包络面分别为非等边的六棱锥面以及能够满足拉压子午面区间连续光滑要求的圆锥面;修正强度准则能够较好地预测岩石真三轴试验强度,较为合理地反映中间主应力对岩石强度的影响;相比于线性插值形式强度准则,二次插值形式强度准则能够提高岩石强度的预测精度1.2~2.0倍;相较于其他真三轴强度准则,修正强度准则对不同硬脆性岩石的真三轴试验结果均具有良好的强度预测精度,体现了修正强度准则的适用性和可靠性。

关键词：岩石 Hoek-Brown强度准则真三轴试验中间主应力拉格朗日插值

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化学腐蚀下节理花岗岩法向刚度演变规律试验研究

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岩土力学 2023年第9期44卷 2509-2524页

作者：刘尚刘日成李树忱蔚立元胡明慧中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116

通过开展侧限条件下完整试样及不吻合节理试样法向荷载压缩试验,研究了节理花岗岩法向应力及法向闭合的变化特征,揭示了不同化学溶液酸碱值pH(1、3、7、12)和不同腐蚀时间t(10、30、100 d)条件下含不同初始开度b的节理试样法向刚度演变... 详细信息

通过开展侧限条件下完整试样及不吻合节理试样法向荷载压缩试验,研究了节理花岗岩法向应力及法向闭合的变化特征,揭示了不同化学溶液酸碱值pH(1、3、7、12)和不同腐蚀时间t(10、30、100 d)条件下含不同初始开度b的节理试样法向刚度演变规律。试验结果表明:不吻合节理试样的应力随应变变化特征不同于完整试样及吻合节理试样,由于节理表面微凸体的崩解,在应力-应变曲线整体增长过程中产生了局部应力降现象。不吻合节理法向闭合曲线呈现非线性的特点,法向位移增加速率随法向应力先增大后减小;相同法向应力下,试样法向位移及节理闭合速率随初始开度的增大而变大。通过引入经典节理闭合模型,分析得出节理试样法向刚度同时受初始开度、pH值及腐蚀天数的影响,其中受初始开度的大小影响最为明显。当pH=1、t=10 d时,法向位移从1~3 mm,b=1.65 mm的试样法向应力较b=3.4 mm的试样提高46.26%~149.46%;节理法向应力及刚度随着酸性溶液pH值的减小而减小;随腐蚀时间增加,不同化学溶液下的部分节理法向刚度先减小后增大。

关键词：岩石力学粗糙节理法向闭合化学腐蚀初始开度法向刚度

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结构体围岩变形破裂演化全过程力电磁声多源信息响应试验研究

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岩石力学与工程学报 2023年第7期42卷 1582-1598页

作者：靖洪文吴疆宇尹乾孟波邹凤祥中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116

为研究结构体围岩变形破裂演化全过程力电磁声多源信息响应,探索岩基块体和结构界面相互作用下围岩变形演化过程与围岩灾害的内在关联,以山东某煤矿一采区掘进煤巷为工程背景,依托自主研制的巷道围岩模型试验系统,结合内部应力、表面位... 详细信息

为研究结构体围岩变形破裂演化全过程力电磁声多源信息响应,探索岩基块体和结构界面相互作用下围岩变形演化过程与围岩灾害的内在关联,以山东某煤矿一采区掘进煤巷为工程背景,依托自主研制的巷道围岩模型试验系统,结合内部应力、表面位移、电磁辐射、电阻率、超声波、钻孔窥视内部裂隙、三维层析成像等多源信息监测,开展不同支护强度下结构体围岩承载全过程的大尺度物理模型试验研究。结果表明:无支护结构体围岩承载过程中表现出与结构面剪切滑移高度相关的脆性破坏特征。相比之下,锚杆索支护抑制结构面剪切滑移、结构体位错偏转大大强化了模型的峰值强度与峰值应变,数值相差近1倍,并有效弱化了模型峰前的应力跌落。无支护结构体围岩存在内部应力随加载时间直接衰减的情况,其位移场具有明显的块体结构变形特征,而支护结构体围岩表现出更明显的压力拱效应,且块体结构变形特征随着支护强度的提高逐渐弱化。与无支护相比,支护结构体围岩的电磁辐射强度数值更高、电磁辐射脉冲波动更显著,这是由于锚固作用导致无支护条件下岩基沿结构面剪切滑移向支护条件下锚固岩基块体碎胀变形转变,抑制了块体岩基沿结构面滑移诱导的结构大变形。采用视电阻率量化评估围岩的破坏程度,无支护结构体围岩的高阻区面积占模型的18.46%,而锚杆索支护结构体围岩的高阻区面积仅占模型的9.94%,与由超声波速反馈得到围岩松动圈基本一致。随着支护强度的增大,围岩内部裂隙发育与顶板离层量明显减小,其失稳破坏归结于浅部锚固结构失去护表作用、深部结构体出现错动滑移。

关键词：岩石力学结构体围岩锚杆索支护变形破坏多源信息承载能力

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循环动载边界下三维粗糙节理面剪切力学响应研究

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岩石力学与工程学报 2024年第5期43卷 1176-1189页

作者：尹乾何满潮靖洪文王琦祁生文吴疆宇孟波张强朱淳吴赛赛中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室北京100083 中国科学院地质与地球物理研究所北京100029

开展正弦波式循环法向动载–循环剪切位移叠加作用下三维粗糙节理面剪切试验,探讨初始法向静载(Fs)、法向动载振幅(Fa)、法向动载频率(fv)及循环剪切次数(N)对节理面剪切特性的影响。随着Fs与Fa的增加,节理面法向荷载变化范围逐渐增大,... 详细信息

开展正弦波式循环法向动载–循环剪切位移叠加作用下三维粗糙节理面剪切试验,探讨初始法向静载(Fs)、法向动载振幅(Fa)、法向动载频率(fv)及循环剪切次数(N)对节理面剪切特性的影响。随着Fs与Fa的增加,节理面法向荷载变化范围逐渐增大,一个剪切位移周期内剪切荷载呈现波动增加→波动减小→波动增加趋势;稳定状态下峰值剪切荷载随着Fs与Fa的增加分别增大4.90倍与65.12%,节理面抗剪能力逐渐增强,而随着fv的增加,节理表面损伤渐进累积导致峰值剪切荷载逐渐减小,且出现的时刻逐渐前移,稳定状态峰值剪切荷载减小17.49%。一个剪切位移周期内节理面法向位移呈现波动增加→波动减小→二次增加→二次减小的趋势,当节理面远离初始位置剪切时,凸起体持续“爬坡效应”导致法向位移逐渐增大;节理面法向位移–法向荷载呈现明显负相关,且最大法向位移滞后于最大剪切位移1/4法向荷载周期;随着N的增加,节理面持续磨损劣化导致最大法向位移呈指数函数减小趋势;最大法向位移随着Fs,Fa及fv的增加分别呈现逐渐减小、逐渐增加及先增后减的特征。剪切后节理表面粗糙度系数随着Fs,Fa与fv的增加,呈现的变化规律分别为减小了57.79%,43.26%以及以1 Hz为拐点先增加后减小的趋势。

关键词：岩石力学粗糙节理面循环剪切法向动载法向位移表面磨损

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卸载速率对卸载诱发页岩滑移行为影响的试验研究

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岩石力学与工程学报 2023年第8期42卷 1959-1972页

作者：季浩奇刘日成蔚立元李树忱王晓琳中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116

为研究卸载速率对卸载诱发页岩滑移行为的影响,利用MTS815岩石力学试验系统对接近临界应力状态下的含节理页岩进行恒轴压分级卸围压的诱发滑移试验,卸载速率分别为0.01,0.1,1和10 MPa/min。试验结果表明:(1)锯切节理面在滑移试验后表面... 详细信息

为研究卸载速率对卸载诱发页岩滑移行为的影响,利用MTS815岩石力学试验系统对接近临界应力状态下的含节理页岩进行恒轴压分级卸围压的诱发滑移试验,卸载速率分别为0.01,0.1,1和10 MPa/min。试验结果表明:(1)锯切节理面在滑移试验后表面的微凸体平均高度出现降低且粗糙度变大。随着卸载速率的增加,试样的表面粗糙度系数(JRC)分别上升了22.68%,44.82%,38.49%和49.89%。(2)试样滑移速度随着围压卸载速率的增加而增加,且在相同卸载速率下试样的准静态滑移平均速度比蠕变滑移平均速度大2个数量级。蠕变滑移平均速度分别为4.87×10^(-6),2.52×10^(-5),3.99×10^(-4)和3.29×10^(-3)mm/s,相应的准静态滑移平均速度分别为7.39×10-4,5.98×10^(-3),2.8×10^(-2)和1.2×10^(-1)mm/s。(3)试样在0.1 MPa/min卸载速率下发生滑移时的围压卸载量最小且摩擦强化效果最弱。在0.01 MPa/min卸载速率下试样的摩擦强度在长期的蠕变滑移中得到强化,在动态滑移中表现出摩擦弱化特征。试样在1和10 MPa/min的卸载速率下在较短时间内发生滑移,且试样在动态滑移中表现出摩擦强化特征。(4)根据试验结果分析卸载速率在0.1~1 MPa/min之间存在临界值,当试样在临界卸载速率下发生滑移时,围压卸载量最小,使得节理面上积聚的应变能较小,能量在滑移释放时主要作用于微凸体以突破互锁效应,因此滑移释放的能量最小且产生最小的剪切位移,这对岩体工程的安全保障具有重要意义。

关键词：岩石力学卸载诱发滑移卸载速率节理粗糙度摩擦因数

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无煤柱自成巷开采理论与110工法

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采矿与安全工程学报 2023年第5期40卷 869-881页

作者：何满潮中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室北京100083

我国能源资源禀赋的特点决定了煤炭在今后相当长一段时间内仍将是我国的战略支柱能源,在能源强国建设方面具有重要的地位和作用。目前,我国井工煤矿普遍采用长壁留煤柱开采方式,存在资源浪费、巷道掘进量大、灾害频发及环境破坏等问题... 详细信息

我国能源资源禀赋的特点决定了煤炭在今后相当长一段时间内仍将是我国的战略支柱能源,在能源强国建设方面具有重要的地位和作用。目前,我国井工煤矿普遍采用长壁留煤柱开采方式,存在资源浪费、巷道掘进量大、灾害频发及环境破坏等问题。在系统总结我国煤炭地下开采发展历程的基础上,基于钱鸣高院士的“砌体梁”理论和宋振骐院士的“传递岩梁”理论,笔者提出了切顶短臂梁力学模型及平衡开采理论,明确了切顶碎胀充填卸压的力学机理,构建了无煤柱自成巷110工法配套工艺及关键技术。在此基础上,系统总结了110工法现场推广应用的效果,探讨了在综采放顶煤、高瓦斯煤层、冲击地压等复杂开采条件下,采用无煤柱自成巷110工法实现灾害源头治理的有效性。

关键词：无煤柱自成巷切顶卸压碎胀充填平衡开采灾害防控

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高温作用后砂岩-混凝土黏结界面拉伸力学特性研究

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土木工程学报 2023年第7期56卷 157-167页

作者：苏海健聂银江蔚立元封雨捷刘嘉伟中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116

热灾害频发对地下工程的安全性提出了挑战,尤其围岩-衬砌黏结界面作为地应力传递的“纽带”,对支护结构的稳定至关重要。文章对不同界面粗糙度的砂岩-混凝土组合圆盘开展25~800℃高温处理后的劈裂试验,结合单一材料性能、界面黏结机理... 详细信息

热灾害频发对地下工程的安全性提出了挑战,尤其围岩-衬砌黏结界面作为地应力传递的“纽带”,对支护结构的稳定至关重要。文章对不同界面粗糙度的砂岩-混凝土组合圆盘开展25~800℃高温处理后的劈裂试验,结合单一材料性能、界面黏结机理和组合圆盘的破裂演化过程,分析了粗糙程度、温度效应对界面拉伸强度和劈裂模式的影响。结果表明:组成围岩-衬砌结构的混凝土和砂岩的物理力学性能均随温度的升高出现一定程度的劣化,且前者受热损伤程度远大于后者。高温作用下,热裂隙并不局限于界面过渡区,而是主要汇集在砂岩和混凝土结构内部;同时,组合体的拉伸强度基本介于两种材料强度之间,说明岩-混凝土黏结界面未必是组合结构的薄弱面。存在以JRC=5.86的阈值粗糙度,砂岩-混凝土组合试样的拉伸强度以此为界先降低而后增强,这种强度变化趋势在25~400℃温度范围内相当显著(降幅介于49.11%~59.31%,增幅达56.13%~69.79%),而600℃和800℃加热后强度变化基本趋于平缓(降低24.09%~28.85%,无明显回升)。破裂演化过程表明,随着加热温度的提高,组合试样的劈裂模式由端部压剪破坏向中部拉伸破坏过渡;增大界面粗糙度使得界面从端部单点起裂向多点复合断裂转变。

关键词：黏结界面粗糙度高温效应拉伸强度破坏模式

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复杂地质条件下隧道围岩大变形负泊松比锚索主动支护方法及控制效果研究

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岩石力学与工程学报 2024年第2期43卷 275-286页

作者：陶志刚谢迪隋麒儒孙吉浩何满潮中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室北京100083 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083

隧道工程在建设过程中面临复杂地质条件时发生围岩大变形灾害造成大量经济损失与人员安全威胁。为解决复杂地质条件下隧道围岩大变形灾害难控制的工程问题,首先以开挖补偿法为基础,利用岩石力学方法,说明高支护力主动支护方法是控制围... 详细信息

隧道工程在建设过程中面临复杂地质条件时发生围岩大变形灾害造成大量经济损失与人员安全威胁。为解决复杂地质条件下隧道围岩大变形灾害难控制的工程问题,首先以开挖补偿法为基础,利用岩石力学方法,说明高支护力主动支护方法是控制围岩大变形的有效手段。然后,针对高支护力主动支护方法对于高性能新材料的需求,介绍团队研发的具有高恒阻力、大变形特性的多世代NPR(negative Poisson’s ratio)新材料。最后,介绍以NPR新材料为核心的主动支护方法在工程应用中对于不同复杂地质条件下的隧道围岩大变形灾害的控制。结果表明:(1)隧道围岩大变形主要由于隧道开挖造成围岩应力重分布导致围岩大变形破坏,而通过主动支护提供支护力可恢复或接近初始应力状态;(2)团队研发的NPR新材料较传统材料不同,可为深部围岩提供足够的支护力以恢复原岩应力状态;(3)根据工程案例分析,NPR主动支护技术在软岩隧道、断层破碎带隧道以及岩爆隧道中均表现出良好的大变形控制效果,为未来复杂地质条件下围岩大变形提供参考依据和实践基础。

关键词：隧道工程复杂地质大变形 NPR材料工程应用

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穿断层隧道NPR锚索支护体系抗震特性振动台试验研究

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岩土力学 2024年第4期45卷 939-949页

作者：陶志刚丰于翔赵易张晓宇何满潮雷啸天中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室北京100083 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083

为研究具有负泊松比效应(negative Poisson’s ratio,NPR)的恒阻大变形锚索在地震作用下的吸能特性与动力响应规律,利用振动台开展含断层隧道使用普通锚索支护以及使用NPR锚索支护的振动台物理模型试验,对比分析地震作用下处于不同围岩... 详细信息

为研究具有负泊松比效应(negative Poisson’s ratio,NPR)的恒阻大变形锚索在地震作用下的吸能特性与动力响应规律,利用振动台开展含断层隧道使用普通锚索支护以及使用NPR锚索支护的振动台物理模型试验,对比分析地震作用下处于不同围岩条件中以及使用不同锚索进行支护时隧道结构的动力响应规律。研究结果表明:在同一地震波作用下,使用NPR锚索进行支护的隧道结构破坏程度与使用普通锚索进行支护的隧道结构相比有明显的改善,表明NPR锚索在地震作用下具有良好的吸能特性,能够为隧道结构提供有效支护;通过对比分析普通锚索与NPR锚索的锚索轴力时程曲线可知,在地震波作用下,普通锚索会发生破断现象,轴力突降至零,而NPR锚索的高恒阻力能够持续提供有效支护;分析隧道结构各测点的加速度、应变、土压力等动力响应可知,隧道断层区域在地震作用下的动力响应更为明显,隧道结构在地震作用下呈现出拱肩→拱腰→拱顶的破坏规律,这一研究成果为类似隧道工程的支护对策提供了理论参考。

关键词：振动台试验隧道支护 NPR锚索地震响应

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