下期内容预告

正下期《岩石力学与工程学报》主要发表下列内容的文章:(1)地震荷载作用下顺层岩体边坡动力放大效应和破坏机制的振动台试验研究;(2)温度–应力–渗流耦合条件下红砂岩渗流特性试验研究;(3)基于CRITIC-XGB算法的岩爆倾向等级预测模型;(4)岩石有效热导率精准测量及表征模型研究进展;(5)加锚岩体侧向冲击载荷下动力响应规律研究;     

热学参数对裂隙岩体水流-传热温度影响的数值分析

针对裂隙岩体概念模型,采用3DEC离散元模拟计算不同热学参数下裂隙岩体的温度场和裂隙出水口水温变化。结果表明:1)岩石热传导与裂隙V_1水流约在热源放热2.5 d后开始耦合,裂隙V_2约在热源放热5 d后开始耦合。模型达到稳态时,由于裂隙V_1更加靠近热源,裂隙V_1比V_2水温高约10℃。2)由于裂隙水流动传热作用,使模型下端温度高于上端,岩体等温线形成从左向右的温度梯度。3)模型达到稳态时,岩石的比热增大200 J/(kg·℃)时,岩体温度降低约1℃;岩石的导热系数增大0.5 W/(m·℃)时,岩体温度升高约3℃;水的比热增大0.8 J/(kg·℃)时,岩体温度降低约2℃;水的导热系数增大0.05 W/(m·℃)时,岩体温度降低约0.001℃;岩石与水的对流换热系数增大5 W/(m~2·℃)时,岩体温度降低约1℃。模型达到稳态所需时间随各参数的增大而缩短。     

基于CT图像及孔隙网格的岩芯孔渗参数研究

岩石孔隙结构特征是影响储层流体(油、气、水)的储集能力和油气资源开采的主要因素。明确岩石的孔隙结构特征是充分发挥油气产能和提高油气采收率的关键。岩石微观孔隙结构模型重建基于真实岩石微观图像,可以有效再现天然岩石的复杂孔隙结构特征。基于岩芯三维CT图像与图像分割技术,采用Matlab编程求解了岩芯的孔隙度及孔径分布数据。通过编程构建了能够真实反映原始岩样孔隙形态的结构化网格模型,并基于该模型求解了岩样的渗透率数据。计算得到的孔隙度及渗透率数据均与实验结果较好吻合。     

寒区隧道岩体冻胀率的取值方法和冻胀敏感性分级

 通过分析岩石冻胀试验数据,修正岩石冻胀率的计算公式;分析裂隙冻结时可能出现的冻胀情况并给出相应的线冻胀率值;将岩体裂隙分布形态简化为“层状”,推导岩体冻胀率的计算公式。计算开放条件下不同岩性不同级别岩体的冻胀率范围。开放条件下,岩体冻胀率的特点有：非冻胀敏感性岩石构成的岩体的冻胀主要来自于孔隙、裂隙中的原位水冻胀,孔隙/裂隙率越大,冻胀率越大;冻胀敏感性岩石构成的岩体的冻胀主要受水热迁移作用的影响,水热迁移作用越强烈,冻胀率越大;随着围岩级别增大,裂隙发育,岩体的冻胀率随之增大,冻胀敏感性岩石构成的岩体的冻胀率增长幅度大于非冻胀敏感性岩石构成的岩体。考虑岩石及裂隙填充物的冻胀敏感性、围岩级别、岩石的孔隙率以及地下水补给条件的影响,对岩体冻胀性进行分级,并评估依托工程围岩的冻胀性,根据围岩的冻胀性选择合理的支护参数将节约工程成本。     

无填充裂隙岩体水流–传热模型实验研究

 裂隙岩体内的水流–传热特征是评价高放射核废物处置库安全运行的重要组成部分。选取中国高放射核废物地下处置库重点预选场区–甘肃北山地区的花岗岩,加工组合成尺寸为150.25 cm×90.4 cm×30 cm(高度×宽度×厚度)的规则裂隙岩体模型,进行室内实验,研究热源温度和裂隙水流速对多裂隙岩体内水流–传热过程的影响。模型由18块花岗岩组成,包含开度不同的2条水平和2条垂直裂隙,在模型一侧设置电热板并在裂隙以及岩石内部布置温度和压力传感器。实验结果表明：(1) 由于热源和垂直裂隙之间的距离,岩石热传导和裂隙水流动约在实验开始一小时后耦合;(2) 在水平裂隙与垂直裂隙的交汇处存在局部热对流,使垂直裂隙水的温度在该处明显升高;(3) 热源温度越高,裂隙水流速越低,系统温度场达到稳定的时间越长,热源的影响距离越远;(4) 邻近热源侧的垂直裂隙对整个温度场的分布起控制作用,水平裂隙会增加热源的影响距离;(5) 实验中裂隙水温度低于100 ℃,热源温度变化对裂隙水压力变化的影响很小。     

核废料处置库近场岩石热应力半解析方法研究

针对地下核废物处置库近场环境为饱和裂隙岩体时的情况,提出了一种由分布热源、饱和稀疏裂隙和岩石构成的简化概念模型,根据Goodier提出的热弹性位移势,采用拉普拉斯变换、格林函数法和数值积分等方法,计算求解概念模型中处置库近场岩石的温变热应力。并以实际算例分析分布热源作用下稀疏裂隙岩体受三维水流-传热过程影响的热应力特征以及裂隙水流速和分布热源间距对裂隙岩体热应力分布的影响。结果表明,裂隙水的流动传热作用将处置库近场岩石的热量向下游传递,从而降低了近场岩石的温度,减小了近场岩石中的热应力,裂隙水流速越快,对近场岩石中热应力的影响越明显;热源间距越小时,处置库近场岩石的热应力越大;当热源间距小于一定值时,不同热源间传热作用的叠加将使处置库近场岩石的热应力峰值急剧增大。     

土体热导率的研究现状及展望

地下空间和地热能源的开发和利用已引起了国内外学者的广泛关注,与之有关的岩土体热性质起着至关重要的作用。土的热性质参数包括热导率、热扩散率和比热容。热导率作为热性质最重要的参数之一,它不仅决定着热量在土体中的传递,还影响着土体温度场和湿度场的分布。介绍了研究土体热导率的现实意义,阐述了热量在土中的传递方式,总结了影响土体热导率的主要因素,最后提出了土体热导率的研究方向和展望。     

核废料地质贮存介质黏土岩的三维各向异性热-水-力耦合数值模拟

为了解黏土岩在放射性废料长期贮存中的热-水-力耦合过程,结合MontTerri核废料贮存地下岩石试验工程中黏土岩各种物理量的各向异性特点,应用多孔介质力学耦合理论研究了该黏土岩在加热和冷却全过程中由于热荷载引起的耦合效应场。研究过程考虑温度升高引起的孔隙水黏滞性改变对渗透系数的影响。研究结果表明,岩体力学参数、水力学参数和热传导参数的各向异性特性是影响岩体的温度场、孔隙压力场和应力场分布的最主要因素。各向异性耦合模型与各向同性耦合模型的数值模拟对比研究结果表明：各向异性模型数值结果能更加客观地反映该地下岩石试验工程中黏土岩在受热状态下的热-水-力耦合效应;同时,也表明岩体在加热过程中一直处于受压状态,而在冷却过程中局部会出现拉应力,从而有可能导致拉裂缝的产生。     

岩石隧道掘进机的施工预测模型

分析了岩石隧道掘进机的破岩机理,介绍了自上世纪70年代以来发展的一系列施工预测模型,包括单因素预测模型、综合预测模型(CSM模型和NTNU模型)、岩体分类预测模型(QTBM模型)、概率模型、模糊神经网络模型。单因素预测模型中包括的主要岩石材料参数有岩石单轴抗压强度、抗拉强度及岩石的总硬度;CSM模型主要是基于线性切割试验机岩石试验数据,其初始预测模型中包括岩石单轴抗压强度及抗拉强度;NTNU模型是一套完整的预测模型,包括掘进速度、进度预测、刀具的磨损预测及经济分析,在它的施工进度预测模型中,考虑到了岩石的可钻性、孔隙度及岩体节理的密度及方向;QTBM模型源自于Q系统,加入了一些与隧道掘进机及与掘进速度相关的参数;概率模型是基于一个庞大数据库的类比模拟模型;模糊神经网络模型是一种黑箱模型,克服了输入与输出之间的不确定性关系。     

火灾下钢筋混凝土结构三维温度场的数值模拟

研究受火钢筋混凝土构件内部温度场随时间的变化对于分析高温下建筑结构强度、形变的变化规律以及建筑结构的抗火性能是至关重要的.基于三维非稳态导热微分方程,用控制容积法建立了火灾环境下钢筋混凝土三维非稳态温度场的离散格式.计算了火灾环境下一钢筋混凝土楼板的三维非稳态温度场,其结果与文献报道的试验数据基本一致.还计算了一个由楼板、梁、柱和砖墙构成的钢筋混凝土整体结构在火灾中5 h的温度场.计算表明,各受火面在三维方向上的温度分布不是均匀的,火灾下建筑整体结构的温度场计算是一个三维问题;受火表面温度受到内部钢筋的影响而呈现波浪形分布;楼板和柱子的钢筋耐火极限应该同时被考虑.     

湿煤堆非稳态温度场计算

本文利用计算机编辑对湿煤堆非稳态自热过程的一维模型进行差分计算,求得不同煤层厚度湿煤堆内的非稳态温度场。结果表明,采用自热过程的非稳态数学模型计算,可以剖析影响湿煤堆自热的因素。     

多参数对T型焊接接头温度场的影响分析

准确计算瞬时焊接温度场是控制焊接残余应力和变形的前提条件。利用ANSYS软件的APDL语言编写程序,建立合理的三维有限元模型,通过表面高斯热源模型分析手工电弧焊T型接头焊接温度场动态变化过程,并利用单一变量法研究焊接电流、焊接速度、焊接电弧有效半径变化对焊接过程温度场的影响规律。结果表明:施焊需2.8s后才达到稳态温度场,但冷却0.6s后,熔池区温度就到达熔点以下,即熔池区消失;施焊高温区随热源同步移动;随焊接电流的增加,等温面会变宽变长,熔池区扩大;焊接速度的增加会使等温面长宽比增加,熔池区长度方向加长,宽度方向缩小,会造成不完全焊;随焊接电弧有效半径的增大,熔池区减小,但对熔点以下温度场影响很小。     

核废料地质贮存介质黏土岩的三维各向异性热–水–力耦合数值模拟

为了解黏土岩在放射性废料长期贮存中的热–水–力耦合过程，结合Mont Terri核废料贮存地下岩石试验工程中黏土岩各种物理量的各向异性特点，应用多孔介质力学耦合理论研究了该黏土岩在加热和冷却全过程中由于热荷载引起的耦合效应场。研究过程考虑温度升高引起的孔隙水黏滞性改变对渗透系数的影响。研究结果表明，岩体力学参数、水力学参数和热传导参数的各向异性特性是影响岩体的温度场、孔隙压力场和应力场分布的最主要因素。各向异性耦合模型与各向同性耦合模型的数值模拟对比研究结果表明：各向异性模型数值结果能更加客观地反映该地下岩石试验工程中黏土岩在受热状态下的热–水–力耦合效应；同时，也表明岩体在加热过程中一直处于受压状态，而在冷却过程中局部会出现拉应力，从而有可能导致拉裂缝的产生。     

裂隙岩体水–冰相变及低温温度场–渗流场–应力场耦合研究

 岩体冻融损伤涉及低温环境下温度场、渗流场和应力场的耦合问题。基于水–冰相变理论和能量守恒原理,得出冻结率表达式。运用双重孔隙介质模型理论,根据质量守恒定律、能量守恒定律及静力平衡原理,得出冻结条件下裂隙岩体的温度场–渗流场–应力场(THM)耦合控制方程。最后,通过1个含裂隙隧道低温THM耦合算例,将围岩当作岩块与裂隙介质组成的系统,采用等效热膨胀系数法对夹冰(含水)裂隙的冻胀效应进行模拟,并考虑冻结过程对岩体渗透系数的影响,研究低温THM耦合条件下的温度场、应力场及孔隙压力等的分布规律。     

裂隙岩体交叉水流-传热对温度影响的数值分析

裂隙岩体内水流-传热特征是评价高放废物处置库安全运行的重要组成部分。采用3DEC离散元软件建模,着重分析热源温度、裂隙水流速及裂隙开度对裂隙岩体温度的影响。在设定条件下,计算分析表明:(1)由于热传导与水流传热的不规则性,瞬态到稳态,上层岩石形成从下向上为主的传热路径,中、下层岩石形成从左向右为主的传热路径;岩石的温度梯度逐渐减小,裂隙两侧岩石等温线的不连续性逐渐增大;(2)斜裂隙水流与岩石热传导的耦合迟于竖裂隙水流与岩石热传导的耦合,岩石热传导与斜裂隙水流和邻近热源侧的竖裂隙水流对温度分布起控制作用;(3)热源温度越低,裂隙水流速越高,裂隙开度越大,岩石温度越低,系统达到稳态所需要的时间越短;(4)低流速裂隙水的热传导占主导作用,高流速裂隙水的对流传热占主导作用,裂隙交汇处存在局部热对流。     

冻融循环作用下砂砾岩微观结构损伤机制研究

以砂砾岩为研究对象,进行开放条件下变温度区间冻融循环试验,利用统计学原理和avizo软件重建三维模型。研究结果表明：岩石冻融劣化的主要原因是未冻水迁移、积聚,水分结晶膨胀导致岩石孔隙扩展、联通;将冻胀均化应力与岩石屈服强度对比,可判断岩石是否发生不可逆变形,便于进行岩石冻融损伤评价;提出温度区间是影响冻融损伤的关键性因素,饱和度为重要影响因素,岩石结构特征为次要影响因素,研究结果可为寒区岩土工程以控制环境温度、湿度及监测岩体结构特征为手段进行建设维护提供理论依据。     

裂隙岩体水流-传热模型的理论计算和参数分析

在前期选用中国高放射核废物处置库重要预选场区——甘肃北山地区的花岗岩,设计制作裂隙岩体水流-传热试验装置,在进行模型试验的基础上,给出了试验模型的理论计算方法,对试验结果进行了验证,并分析了试验参数的敏感性。研究结果表明,理论计算得到的裂隙水温度时间变化规律和模型稳态温度分布与试验数据基本一致;垂直裂隙的出水温度对不同参数的敏感程度与具体的参数值有关,其中热源温度、岩石的热传导系数、水流速度、垂直裂隙的开度等均属于高敏感参数;邻近热源的垂直裂隙对模型温度分布起控制作用,明确其结构和水流特征对研究裂隙岩体内的热量运移和温度分布具有十分重要的意义。     

齐热哈塔尔水电站工程高地温洞室围岩热物理参数探讨

岩石的热物理参数主要包括岩石的导热系数、比热、导温系数、线膨胀系数和热交换系数等。尤其是岩石的导热系数、比热及线膨胀系数对岩体及地下工程中温度场的形成、特征、热流的传递、热应力的计算及热破坏等都是非常重要的。一般而言,岩石的热力学参数也不是恒定不变的,除和温度有关外,它还受岩石的结构、组成、形成过程等许多因素的影响。本文以齐热哈塔尔水电站工程为例,勘测和施工过程遇到的高地温洞段围岩-花岗岩为研究对象,对其导热系数和热对流交换系数进行参数反演分析,以期取得更为接近实际的参数,为进一步分析优化高地温洞段温度-应力场耦合模型奠定了基础。     

考虑时间和深度效应的岩体强度影响因素分析

基于岩石风化的深度效应和时间效应,根据岩体风化特点和考虑深度效应的岩体风化Boltzmann曲线模型的基础上,引入表层岩石风化的时间效应,提出考虑时间、深度效应的岩体风化模型,并对影响岩体强度分布的因素展开了分析,研究表明:最大影响深度h_m与形状函数系数b、表层岩体强度S_0和强度分布影响区域中心点对应的深度H_0成正比例关系,与岩石风化影响下限强度值S_H成反比例关系。最后统计分析了不同因素在不同位置对岩体强度参数的影响程度,确定了浅层岩石风化的时间效应为影响岩石强度分布的主要因素,进而说明以此引入时间因子是可行的,为进一步认识岩体强度在时间和空间上的分布情况提供了一定依据。     

传导加热下花岗岩中热冲击因子试验测定与演变规律分析

岩石热破坏过程中,传热、细观破裂、宏观力学3个因素密切相关,热冲击因子是能够定量表征热对岩石破坏强度的重要物理量,基于热冲击因子可计算获得岩石内某一时刻的动态热应力,进而确定热破坏的具体时刻和热破坏程度。为了研究获得热传递过程中热冲击因子的演变规律,对传导加热下花岗岩内温度场、温度梯度、热冲击因子进行试验测定,研究结果表明:(1)花岗岩在恒定热源传导加热下经历快速升温、缓慢升温、温度相对稳定3个阶段;(2)温度梯度在升温阶段变化较大,温度梯度与热源温度和时间密切相关,单位时间内温度梯度的变化率不同;(3)花岗岩体内热冲击因子具有分布非均质性和无规律性,对岩体结构变化的敏感性,以及传导加热过程中波峰动态移动性;(4)循环加热造成花岗岩体破坏的实质在于矿物颗粒在动态热应力的频繁作用下发生分离,裂隙逐渐萌生、扩展、延伸,形成裂缝贯通岩体,导致岩体热破坏。热冲击因子演变规律的试验测定与研究,以及基于热冲击因子的动态热应力计算和岩石热破坏判别准则,可促进岩石热破坏理论的进一步发展。