建立在寒区的岩土工程,其岩石的损伤劣化不仅受冻融风化作用,而且还受到开挖卸荷的影响。采用冻融循环试验和三轴卸荷试验相结合的方法,对砂岩同时受2种破坏作用的强度特性和损伤特性进行系统的分析。分析结果表明:随围压的增加,冻融循环下岩石的破坏特性由张拉破坏逐渐转变为剪切破坏特征,随着冻融次数的增加,岩样明显产生侧向膨胀,侧边中部明显向外凸出,并出现了不同级别的张裂纹、环向裂纹及许多岩粉和岩石碎块;对于三轴卸荷试验,岩样的峰值强度随着冻融次数的增加而降低;扩容应力随冻融次数增加呈指数下降关系;破坏围压与冻融次数呈二次函数关系;冻融损伤值随冻融次数增加呈线性增长,表明岩样的损伤受冻融的影响逐渐增大。研究成果可为寒区岩土工程设计和施工提供指导。

冻土区工程场地岩石节理作为力学薄弱面对工程的安全和耐久性有很大影响,因此研究冻结岩石的力学性质对冻土区工程建设有重大的意义。为了研究冻结岩石节理的剪切力学性质,试验选定青海省G214国道姜路岭路段4组不同粗糙度的凝灰岩天然耦合节理面,在设定温度下冻结后进行直剪试验。试验成果表明:冻结岩石节理面的峰值剪切强度与法向应力呈正比,与张开度和粗糙度呈反比。张开度大于节理面最大起伏差时,节理面以脱离破坏为主,其峰值剪切强度由冰与节理接触面的黏结力决定;当张开度小于节理面最大起伏差时,在较小法向应力下以冰层剪断破坏为主,在较大的法向应力下,冰层的剪断与节理面凸起的剪断同时存在,其峰值剪切强度由冰和节理面的剪切强度共同决定。研究推导出各破坏形式下的冻岩节理面峰值剪切强度准则,对分析岩石的边坡稳定性起着十分重要的作用。

对锦屏深部高地应力环境下的钻孔岩心饼化现象进行了调查统计分析,在总结已有的研究成果基础上,对岩饼端面宏观破坏特征、饼化数量、厚度及钻孔特征进行了描述,通过数值方法模拟开展了钻孔岩心应力特征及饼化机理研究,并总结钻孔岩心饼化的应力场条件。研究结果表明:①钻孔过程中,岩心径向所形成的拉应力贯通区是岩心饼裂的主导因素,岩饼形貌受岩心中拉应力影响;②足够的应力场是岩心饼化的首要条件,应力场越高,钻孔岩心中拉应力越大,岩心裂纹触发与扩展的应力条件更加充分,所形成的岩饼厚度越小;③钻孔径向应力场增长对钻孔岩心内部拉应力有促进作用,钻孔轴向应力场作用效果相反;④定义了岩心中最大拉应力贯通线均值,与岩石抗拉强度相比较作为岩心饼裂判据,推导了岩心饼裂地应力场关系式,并算得锦屏T_2b大理岩饼化的临界地应力场条件为钻孔径向应力场>34.44 MPa。研究成果对高应力条件下地应力场的预测、钻孔取心等工作具有一定的借鉴意义。

上下节理面的初始接触状态对节理后续的剪切和剪切渗流特性起到了重要作用。自行研制的TJXW-3D型便携式岩石节理表面形貌测量仪具有识别标志点的功能,利用该表面形貌测量仪首先对侧面贴有标志点的处于初始闭合状态的节理试样和上下节理面分别进行扫描,扫描结束后利用标志点将上下节理面分别对齐到其在初始接触状态下的坐标系中,最终获得节理初始空腔数据。初步分析了3种不同粗糙度的节理面在初始接触状态下节理隙宽的分布规律,与前人研究成果基本吻合。各节理隙宽分布符合高斯分布,平均隙宽为0.31~0.41 mm。为了展示节理空腔的应用,将计算得到的节理初始空腔数据应用到节理法向闭合Brown模型中,与法向压缩试验结果进行对比。Brown模型预测结果比试验结果相对较大,主要原因在于Brown模型无法考虑各突起之间的相互作用。研究成果可为节理剪切-渗流的研究,尤其是为节理剪切渗流的数值研究奠定了模型基础。

在含单裂隙岩体的试验中,对裂纹类型和试样破坏模式的研究可以帮助预测裂纹的萌生、扩展等现象,然而在工程结构设计中,应该更加关注岩体的承载力,即破坏强度。为了研究裂隙与岩体强度的关系,采用FLAC^3D建立相应试样的数值计算模型,同时改变其中单裂隙的倾角、长度等参数,通过对多组试样的加载试验,研究了单裂隙的几何参数(裂隙倾角、长度和张开度)对岩样破坏强度的影响。结果表明:随着裂隙长度的增大,试样峰值应力不断降低;随着裂隙倾角的增大,试样峰值应力整体呈增大趋势,但是当倾角<60°时,增长较缓慢,当倾角>60°时,峰值应力迅速增大;在试验范围内,随着裂隙张开度的增大,试样峰值应力基本保持不变。研究成果可为预测含单裂隙岩体的裂纹扩展和强度提供参考依据。

点荷载强度指标间接确定岩石的单轴抗压强度,具有独特的优势,被认为是一种现场测定、估算单轴抗压强度的最佳方法。通过总结大量国内外相关文献发现,目前的研究成果受岩石材料各向异性、数据模糊对应、仪器笨重、缺乏试验验证4个方面的影响,仍存在局限性。利用自行研制的便携式点荷载仪,针对各向同性的类岩石材料进行不同强度、不同尺寸、一一对应的点荷载指标和单轴抗压强度对应关系试验研究。试验结果表明:试验数据均服从正态分布规律,集中趋势明显;不同尺寸的测试结果证实,类岩石材料的点荷载指标具有明显的尺寸效应;结合实测数据,通过绘制P-D²_e关系曲线的修正方法得到相关系数最高为0.97,说明不规则样品的点荷载指标能够很好地统一到标准等效尺寸。采用统计分析方法建立点荷载指标和单轴抗压强度的线性方程,对应关系的相关系数为0.994,说明修正后的点荷载指标能够更好地建立相关性、提高精确度。通过不规则试件的点荷载测试验证上述关系式误差在15%以内。

高放废物地质处置库围岩的热传导特性是影响处置库布局和处置单元间距优化的关键因素之一。以北山花岗岩为研究对象,开展岩石在不同温度(200～800 ℃)处理后的热传导试验,探讨热处理对岩石导热系数的影响规律,分析其与常规物理参量的内在联系,揭示热处理岩石导热特性的饱水效应。研究结果表明:①岩样导热系数随热处理温度的升高而降低,导热系数的衰减速率在550～650 ℃阶段达到峰值;②随热处理温度的升高,岩样质量、干密度和纵波波速总体呈下降趋势,而岩样体积和孔隙率则逐渐增大,根据导热系数与纵波波速、孔隙率及干密度的关系,建立了热处理岩样导热系数的预测模型;③热处理前,饱水岩样的导热系数比干燥岩样增加了9.7%～12.1%,且两者呈近似线性增加的趋势;④热处理后,饱水岩样的导热系数随热处理温度的升高呈轻微下降趋势,且导热系数的饱水效应随孔隙率的增加呈近似线性增大。研究结果可为高放废物处置工程的设计和优化提供理论基础。

岩溶塌陷研究成果主要集中于岩溶塌陷原因与影响因素等方面的定性研究,缺乏对岩溶塌陷机理的定量研究,导致目前对岩溶塌陷机理仍未形成统一的、系统的认识。因此,有必要利用物理模型试验,采用恒压取样与剖面压力监测技术,定量研究砂土覆盖岩溶口的岩溶塌陷全过程以验证“渗流液化论”塌陷机理,并研究黏土层对岩溶塌陷的阻隔作用。结果表明:①对粉砂-基岩结构地层,在岩溶管道水位持续下降过程中,发生了3次岩溶塌陷,其临界渗透破坏比降分别为0.525,2.500,3.400,单次岩溶塌陷最大塌陷速率逐渐降低,但其持续时间和塌陷程度增加,且初始岩溶塌陷过程明显比第2次和第3次岩溶塌陷过程复杂;②砂土覆盖岩溶管道的塌陷机理为“渗流液化论”;③地下水位波动加剧岩溶塌陷的形成;④黏土层的存在将岩溶塌陷的临界渗透比降由0.525增加至48.300,说明黏土层能显著提高岩溶覆盖层的安全性,可有效抑制岩溶塌陷发生。该研究成果弥补了目前在定量研究岩溶塌陷机理方面的不足,为岩溶塌陷防治提供理论支撑。

瞬时截面法因能快速地测定岩土材料的非饱和渗透系数,而在非饱和土的渗透特性研究中得到了广泛应用,该方法需要在渗流过程中及时测定非饱和土的含水率(吸力),但目前测量方法存在含水率(吸力)探头尺寸较大、探头与试样贴合不紧密以及测量时间较长等问题。针对上述问题,将核磁共振技术应用于非饱和土渗透特性的试验研究,对白色硅酸盐水泥试样实现快速、无损的探测,获得了试样不同截面处的含水率随时间的变化情况,并用瞬时截面法计算得到白色硅酸盐水泥的非饱和渗透系数。结果表明:白色硅酸盐水泥的非饱和渗透系数随吸力的变化很大,在4.61×10^-12～7.59×10^-8 m/s之间;当吸力>1 MPa时,渗透系数随吸力的降低而缓慢提升;而当吸力降至1 MPa以下时,渗透系数呈现明显的陡升,量值提高多个数量级。与传统的水分测试技术相比,核磁共振技术在非饱和土渗透试验应用中有更大的适应性。

为研究冲击地压机理,考虑冲击地压发生的“顶板-煤层”组合结构,进行了不同加载条件下的单轴组合样品试验,通过分析坚硬煤岩组合体在不同加载条件下的变形发展过程和破坏特征,初步得到组合体破坏的基本形式以及可能的突变条件。研究结果表明:试样的变形破坏呈现明显发展过程,随加载速率的变化表现为渐进破坏、劈裂破坏和整体破坏3种形式,伴随内部承载结构的削弱,最终发生整体突然失稳。结合煤岩相对滑动特性,通过分析典型冲击矿井的开采地质条件和采动效应,明确了坚硬煤岩组合条件下冲击地压的破坏模式,可为后续有针对性的灾害防治提供参考。

土工布被广泛应用于各种加筋土工程当中,然而由于土工布应变测量难度大、精度低,在工程中发挥了多大的作用,产生了多大的变形尚不明确。针对土工布这类低弹性模量的柔性材料,提出采用柔性胶粘贴电阻应变片,通过对粘合剂粘贴形状与厚度等的精细控制,使得应变片能够与土工布协同变形,实现了土工布应变的准确测量。同时研制了一套用于土工布应力应变标定的设备,可将应变片测值转换为被测土工布的实际受力大小,并将其应用于离心模型试验中。研究结果为下一步研究土工布的加筋机理及其对模袋砂围堰稳定性的影响提供了技术保障。

为全面了解软岩料的工程性质,以软岩筑坝堆石料为对象,针对其劣化前后的力学特性与设计参数开展了室内试验研究。基于不同围压与压实度条件下的试验研究,分析了堆石料强度与变形的劣化规律,建立了压实度与归一化强度、归一化变形模量的关系,提出了堆石料的压实度控制指标。进一步结合水下休止角试验,针对堆石料的非线性强度尤其是低应力强度特性进行了分析。结果表明:劣化作用引起体积应变减小,劣化作用对模量的影响远大于对强度的影响;96%的压实度对于软岩填料而言较为合理,既保证了归一化的强度>0.9,归一化的变形模量>0.8,也确保了压实机械的效率;可采用击实样水下休止角试验来获得低应力状态下软岩填料强度参数,用三轴试验来获得的中高应力状态下软岩填料的强度得到软岩填料的非线性强度。研究成果可为正确评价软岩堆石坝的应力、变形规律和指导工程实践提供依据。