钻孔回填料与直埋式应变传感光缆耦合性研究

钻孔回填料与直埋式应变传感光缆之间的耦合性,是决定分布式光纤感测(DFOS)技术能否利用一个钻孔精细化监测钻孔地层剖面变形分布的关键。利用自主研制的可控围压光缆–土体相互作用特性试验装置,探究了0～1.6MPa围压下传感光缆与松填砂土以及击实砂–黏混合土之间的耦合性。试验与理论分析结果表明:在拉拔状态下,光缆–土体界面呈现渐进性破坏特征;在低围压下,光缆轴向应变随拉拔位移的增大而增大,且不断向光缆尾部传递;在高围压下,应变的扩展与传递被限制在很小的范围内;理想弹–塑性拉拔模型可较好地描述光缆–土体界面的渐进性破坏特性。提出采用光缆–土体耦合系数ζc–s定量描述光缆与土体之间的耦合性,将10000??下的ζc–s值作为评价长期监测条件下两者耦合性的指标,并根据0.5,0.75,0.9三个ζc–s值将两者的耦合性分为强、较强、较弱以及弱4类。一定围压下,光缆与土体具有强耦合性;对于松填砂土与击实砂–黏混合土,该临界围压值分别为0.55 MPa与0.17 MPa。以苏州盛泽地面沉降为例,分析了钻孔回填料与传感光缆之间的耦合性,结果表明:距地表约16 m深度以内两者具有较强耦合性;而约16m深度以下两者具有强耦合性,传感光缆的应变数据可准确反映地层的变形。这一研究成果为DFOS技术应用于钻孔剖面地面沉降监测提供了坚实的理论依据。     

地面沉降分布式光纤监测土–缆耦合性分析

地层、钻孔回填材料和传感光缆之间的耦合性是决定地面沉降钻孔全剖面分布式光纤监测精度的关键因素。提出了地层–钻孔回填材料–传感光缆耦合性的明确定义和地层变形光纤监测数据有效性的评价方法。地层、回填材料和传感光缆达到完全耦合应满足两个条件:地层–回填材料界面与回填材料–传感光缆界面剪应力均不能超过其抗剪强度;地层应变能有效地传递至纤芯。提出了回填材料与传感光缆处于黏结状态的临界围压与临界深度;传感光缆弹性模量、半径或最大应变梯度越小,则临界围压或深度也越小;当回填材料、传感光缆及其界面参数确定时,临界围压或深度仅与最大应变梯度有关。基于经典应变传递模型与Goodman假设建立了地层–钻孔回填材料–传感光缆应变传递模型,并研究了传感光缆、回填材料以及地层性质对应变传递特性的影响,结果表明:传感光缆半径和弹性模量、钻孔半径、地层剪切模量越小,或回填材料剪切模量、地层–回填材料界面黏结系数越大,则应变传递性能越好;围压对应变传递特性的影响则取决于回填材料与地层参数之间的相对关系。最后,采用苏州盛泽地面沉降光纤监测数据验证了该评价方法的有效性。研究结果为钻孔地层剖面的全剖面、精细化分布式光纤监测提供了理论依据。     

冻结砂土的应力–应变关系及非线性莫尔强度准则

对于－6 ℃的冻结砂土进行一系列的试验，结果表明，当围压小于3.0 MPa时，其应力–应变关系具有明显的应变软化现象；当围压大于3.0 MPa时，其应力–应变关系则具有明显的应变硬化现象。针对广义的双曲线模型并不能很好地描述－6 ℃冻结砂土在围压大于3.0 MPa时的应力–应变关系，邓肯–张模型也不能理想地反映围压小于3.0 MPa时－6 ℃冻结砂土的应变软化特性，提出既能描述应变软化现象又能描述应变硬化现象的改进的邓肯–张模型。研究表明，其结果和试验结果吻合良好。由于压融现象的存在，当围压大于一定值后，冻结砂土的剪切强度随围压的增大而减小。如果用莫尔–库仑准则来描述冻结砂土的剪切强度，会产生较大的误差。为解决这一问题，提出非线性莫尔强度准则。研究结果表明，其精度较高，比莫尔–库仑强度准则能更好地描述冻结砂土的剪切强度。     

冻结砂土的应力-应变关系及非线性莫尔强度准则

对于-6℃的冻结砂土进行一系列的试验,结果表明,当围压小于3.0MPa时,其应力–应变关系具有明显的应变软化现象;当围压大于3.0MPa时,其应力–应变关系则具有明显的应变硬化现象。针对广义的双曲线模型并不能很好地描述-6℃冻结砂土在围压大于3.0MPa时的应力–应变关系,邓肯–张模型也不能理想地反映围压小于3.0MPa时-6℃冻结砂土的应变软化特性,提出既能描述应变软化现象又能描述应变硬化现象的改进的邓肯–张模型。研究表明,其结果和试验结果吻合良好。由于压融现象的存在,当围压大于一定值后,冻结砂土的剪切强度随围压的增大而减小。如果用莫尔–库仑准则来描述冻结砂土的剪切强度,会产生较大的误差。为解决这一问题,提出非线性莫尔强度准则。研究结果表明,其精度较高,比莫尔–库仑强度准则能更好地描述冻结砂土的剪切强度。     

常压至高压下中砂剪切特性及应力–剪胀关系

为研究高围压范围内砂土相对密实度和围压对土体强度和变形特性的影响,对3种不同相对密实度砂土试样在常至高围压下进行常规三轴固结排水剪切试验,获得偏应力–轴向应变–体应变关系曲线,同时进行颗粒破碎分析。结果表明:在常至中压范围(0.8 MPa≤σ_3≤2 MPa),应力–应变曲线均表现出不同程度的应变软化,其剪胀性随相对密实度增加和围压的降低而增强;当进入高围压范围时(σ_32 MPa),应力–应变曲线逐渐向应变硬化型转变,试样体积逐渐趋于剪缩。颗粒破碎程度随着围压和密实度的增大而增大,在高围压时由于中密和密砂剪切后期出现了明显的颗粒破碎,导致剪切过程中出现了二次相变。不同密实度土体的破坏内摩擦角和对数围压表现良好的线性关系,拟合确定了破坏内摩擦角随对数围压增加的衰减率,同时基于Bolton应力–剪胀关系拟合确定了试验砂土的临界状态内摩擦角,建立了剪胀指标与初始相对密实度及平均有效应力的关系式,为高压情况下砂土地基稳定性分析等提供强度参数。     

岩层变形检测的植入式光纤Bragg光栅应变 传递分析与应用

 为研究深部岩层的变形及其发展过程,构建光栅–传感器结构–水泥砂浆–岩层的应变传递系统,根据光纤光栅传感器的应变传递理论,分析用于岩石检测的光纤、中间层和岩层力学参数对光栅应变传递率的影响,给出光纤光栅传感器及钻孔参数设计,为工程应用提供依据。研究表明,深孔岩层监测的钻孔直径宜选100 mm左右,光纤光栅传感器的临界长度为149.23 mm。将其应用于济三煤矿第四系松散地层沉降变形监测中,结果表明,光纤光栅传感器可对松散层的应变变化进行实时检测。     

GFRP抗浮锚杆界面黏结性能现场试验

基于光纤光栅传感测试技术,通过对GFRP筋和钢筋抗浮锚杆现场拉拔破坏性试验,分析GFRP抗浮锚杆锚筋–灌浆体界面、浆–岩界面黏结特性,揭示锚固长度、锚筋材质、锚筋直径等因素对2种材质抗浮锚杆锚筋–灌浆体界面、浆–岩界面黏结强度的影响规律。结果表明：(1) GFRP筋和钢筋抗浮锚杆的破坏形式主要为拔断破坏和剪切滑移破坏;锚固长度为4.5,6.5 m的GFRP抗浮锚杆破坏荷载分别是同规格钢筋抗浮锚杆的1.21和1.13倍;GFRP抗浮锚杆锚筋–灌浆体界面的平均黏结强度高于钢筋锚杆,在0.99～1.03MPa范围;锚固长度是影响抗浮锚杆锚筋–灌浆体界面黏结强度的最重要因素。(2) GFRP抗浮锚杆浆–岩界面轴向应力在孔口处最大,随深度增加而降低;浆–岩界面剪应力呈先增大后减小趋势,在锚固深度约0.5m处剪应力达到峰值;通过对比不同材质、不同型号的抗浮锚杆发现,钢筋抗浮锚杆浆–岩界面黏结性能略高于GFRP抗浮锚杆,且随锚筋直径增大而提高。(3) GFRP抗浮锚杆锚筋、灌浆体与岩土体三者之间协同作用效果高于钢筋抗浮锚杆。     

采场覆岩变形与破坏的分布式光纤监测与分析

提出了采用BOTDR分布式光纤传感技术,对煤层采动过程中覆岩变形与破坏的发育规律进行了监测和分析。以淮南矿区某工作面为例,介绍了监测孔的布置方式和传感光缆的安装方法,提出了采用钻孔安装技术将传感光缆植入到煤层顶板覆岩中,根据工作面回采进度,定期采集传感光缆的应变分布,分析了光缆的应变分布特征及其变化规律,得到了应变分布与地层的对应关系,发现应变分布是不均匀的,传感光缆的应变变化与覆岩模量呈反比,揭示了覆岩变形与破坏的发育规律。根据光缆的应变分布特征、传感光缆光损耗较大的点或者断点所处的层位,结合13-1煤覆岩的岩性组合,得到了垮落带和导水裂缝带的发育高度分别为12.5 m和40.0 m。     

格栅–砂土界面宏细观关联性与加筋性能评价方法研究

土工格栅与填料间作用特性对加筋土结构设计至关重要。为研究界面宏–细观力学响应关联及填料粒径对加筋效果的影响,采用三维离散元方法对三向土工格栅拉拔过程进行仿真模拟,系统分析拉拔作用下筋材及颗粒的力学响应,揭示拉拔力发展与细观组构指标演化规律,建立基于拉拔试验结果的格栅加筋性能评价方法。研究结果表明,界面颗粒速度场可即时反映筋土相互作用;选取组构演化系数描述宏观强度的发展是合适的;在一定粒径范围内,格栅加筋性能主要受控于颗粒体系比表面积,加筋土临塑荷载随填料粒径的增大而降低。     

界面特性及填料粒径影响格栅加筋性能的离散元研究

为研究筋土界面细观结构演化及填料粒径对加筋效果的影响,采用“clump”方法开发了可模拟砂土性状的椭球形颗粒,建立三维离散元模型并结合室内试验结果验证了模型的正确性,系统分析了拉拔阻力、格栅应变、局部孔隙率等力学响应并揭示了其发展规律。拉拔试验结果显示大粒径填料置换后表观黏聚力提高显著而摩擦角变化不大,进行宏细观分析后发现,置换体系颗粒发生了更大程度的位置重排,拉拔力增量主要来源于摩擦阻力。研究成果可为从细观角度探究筋土界面机理提供新的认识。     

砂土与混凝土接触面力学特性大型单剪试验研究

利用研制的大型单剪仪,进行砂土与混凝土接触面单剪试验研究,研究单一粒径的砂土对混凝土接触面物理力学性质的影响。从试验结果分析得到,不同单一粒径砂土的接触面厚度和试样破坏时的剪切位移。试验表明:抗剪强度与法向应力呈较好的线性关系;在接触面法向应力压力较低时,剪切应力-位移关系曲线呈应变软化型;随着接触面法向应力的增高,剪切应力-位移关系曲线呈应变硬化型的趋势越明显,此时,不同单一粒径的砂土与混凝土界面剪应力-位移曲线可看成由一条曲线与一条平直线组成。接触面法向应力越低剪胀越明显;随着接触面法向应力的增大,剪胀性减弱,试样发生剪胀时的剪应力也逐渐增大。     

饱和砂土动力特性的动三轴试验研究

利用GDS 10 Hz/20 kN双向振动三轴系统,进行了一系列饱和砂土不排水动三轴试验,研究了不同固结围压对饱和砂土动力特性的影响。试验结果表明:动弹性模量随动弹性应变幅的增大而减小,随围压的增大而增大;阻尼比随动弹性应变幅的增大而增大,围压对阻尼比的影响不显著,动弹性应变比较低的情况下,阻尼比有随围压增大而减小的趋势;不同围压下砂土的动强度曲线可近似地归一,其振动孔压发展模式与Seed提出的砂土的振动孔压发展模式相同,可以用反正弦三角函数拟合。     

堆石料颗粒破碎特性及Wan-Guo硬化法则的修正

高应力下超高堆石坝坝料的颗粒破碎特性是当前研究的热点问题。取已建成的世界最高面板堆石坝——水布垭坝的筑坝堆石料为试验料,进行了轴向应变达25%的三轴固结排水试验,得到了31组试验的高质量试验数据。在此基础上,统计分析得出临界状态剪应力q与平均主应力p呈幂函数关系、颗粒破碎率B_r与围压σ_3呈幂函数关系、临界状态应力比M_f与围压σ_3呈对数函数关系。试验揭示了在高–超高围压下堆石料发生了较显著颗粒破碎,堆石料粒径变小、颗粒级配改变导致其剪应力–轴向应变试验曲线下弯。因此高围压下堆石料的临界状态判断标准应为"体应变不变",而不再是"剪应力不变"。最后引入破碎因子项,修正了Rowe剪胀方程的Wan-Guo硬化法则。     

松散层沉降光纤光栅监测的应变传递及其工程应用

 为了研究深部厚松散层失水沉降变形特征,建立光纤光栅–胶结层–封装材料及传感器封装材料–钻孔封孔材料–松散层的应变传递计算模型。通过对光纤光栅应变与松散层应变的传递分析,指出前人应变传递理论中所推导的公式不适用于松散层监测的应变计算,由此给出钻孔植入光纤光栅传感器的松散层应变传递计算模型,并分析影响松散层应变传递的因素,指出封孔材料弹性模量在8～15 GPa范围内时可以得到较高应变传递率。针对某矿松散层12个层位安装的24个光纤光栅传感器,采用该模型得出92.40～148.69 m范围内松散层变形沉降的应变监测结果。工程实践表明,该煤矿松散层埋深97.56～104.33,141.94～144.88 m处为最易出现压应力集中的区域,这与煤矿的实际情况、采用相关方法监测的结果基本一致。光纤光栅应变传递理论研究对推动光纤传感技术发展及其工程应用具有重要实践意义。     

宽级配不连续土的力学性质初探

通过三轴固结不排水试验,研究宽级配不连续土的力学性质。本文主要对粒径小于0.1mm的土(干质量占比20%)分别和粒径为0.5～2.5、2.5～5、5～10mm的土混合后的三组试样分别在50、100、200 kP a的围压下进行三轴固结不排水试验。得出以下结论:三组试样均表现为体胀,偏差应力-应变曲线为软化型。围压越大,偏差应力峰值越大;相同的围压下,粒径越大,偏差应力峰值越大。不同的围压下,2.5～5 mm组的残余强度均略低于0.5～2.5 mm组,孔压略高于0.5～2.5 mm组。     

饱和淤泥质砂土动力变形及动强度特性试验研究

为研究淤泥质砂土的动力特性,利用动三轴仪对现场饱和淤泥质砂土进行不同固结应力状态下(固结围压σ3c=100,200,300,400 kPa,固结应力比Kc=1.0,1.5,2.0)的动力变形特性及动强度特性试验研究。分析动应力–动应变关系,阻尼比、动强度等一系列变化规律,并对淤泥与砂含量比例对淤泥质砂土动力特性的影响进行初步探索。研究结果表明:固结应力状态对饱和淤泥质砂土动应力–动应变关系影响很大;阻尼比随动应变的增大而增大,相同固结围压下,阻尼比随固结应力比的增大而增大;不同固结应力状态下,动应力随破坏振次的增大而降低,相同固结应力比,不同固结围压下σd/(2σ3c)与fN关系可以近似归一;不同的淤泥含量对饱和淤泥质砂土的动力特性影响显著,在相同的动应变条件下,动应力随着淤泥含量的增大而减小;在相同的固结围压下,阻尼比随着淤泥含量的增大而增大;强度并不是随着淤泥含量的增加而单调增加,在淤泥含量为20%时强度最低。     

煤矿深部岩石力学性能试验分析与硬岩巷道快速掘进方法研究

 在RMT–150B岩石力学试验机上进行深部巷道砂岩单轴压缩和不同围压下三轴压缩试验,测得砂岩的力学性质参数。根据岩石应力–应变曲线分析深部岩石的强度和变形特性,岩石抗压强度随围压的增加而提高,围压从10 MPa增加到15 MPa时,抗压强度增幅达到40.3%。深部高应力下,砂岩承载后产生的变形及破坏形态与围压大小密切相关,其主应力差–应变曲线斜率随着围压的增加而明显变陡,破坏荷载增高。依据岩石力学特性,采用分类布孔,掏槽眼宜用直径f42 mm的钻头钻眼,其余的炮眼用直径f32 mm的钻头钻眼,缩短钻眼时间。掏槽眼采用中深孔不同阶微差斜眼掏槽方法,炮眼深度宜采用2.2～2.5 m,有利于巷道的进尺;周边眼采用小直径药卷光面爆破技术,有利于巷道成形。     

冻结砂土三轴试验中颗粒破碎研究

压力作用下颗粒发生破碎是引起砂土力学特性变化的重要因素之一,冻结砂土也是如此。对冻结砂土进行了不同温度和围压下的三轴剪切试验,并筛分得到三轴试验前后的颗粒大小分布曲线。通过引入Hardin定义的颗粒破碎率Br,分析了围压与颗粒破碎的关系及颗粒破碎对冻土抗剪强度的影响。结果表明:在温度为-0.5℃,-1℃,-2℃,-5℃和围压为0.5,2,5,10 MPa的条件下,三轴剪切过程中会产生较为可观的颗粒破碎;颗粒破碎率Br随围压增大,到达一定围压后Br不再随着围压的增大发生明显变化,即存在一个颗粒不再发生明显破碎的临界围压σr。结合前人研究发现,-5℃下一般工程关心的围压范围内压融对冻土力学特性没有显著影响,而颗粒破碎起控制性作用。分析表明:-5℃条件下在不同的围压范围颗粒破碎对抗剪强度具有不同的影响。试验所采用的围压范围内,随着围压的增大,颗粒破碎率增大使得冻土的抗剪强度降低;破碎率达到极限以后,由于破碎的颗粒重排列又导致抗剪强度有所提高。     

中高应变率下花岗岩动力特性三轴试验研究

利用改进的霍普金森压杆对不同围压、不同应变率下的岩样进行了试验研究,分析了其在中高应变率下的冲击响应特征与破坏模式。基于试验结果发现在围压一定情况下,岩石的动态抗压强度和峰值应变随应变率的增大而增大,其中抗压强度随应变率呈对数增长;弹性模量对围压和应变率不敏感,且应变率越大岩石破碎现象越严重。其次,在应变率相近情况下,花岗岩的动态抗压强度随围压呈增大趋势,其破坏模式由低围压下的轴向劈裂转向高围压下的压剪破坏;高围压下花岗岩应力–应变曲线出现屈服平台,具有明显的脆—延性转化特征。最后,检验了莫尔–库仑准则和霍克–布朗准则的适用性,指出此花岗岩更符合莫尔–库仑准则,其动态强度增大主要由黏聚力的应变率效应引起。     

风化岩地基GFRP抗浮锚杆力学与变形特性现场试验

利用光纤光栅传感技术,对10根GFRP抗浮锚杆进行现场拉拔破坏性试验,研究了风化岩地基中GFRP抗浮锚杆的承载性能与变形特性。试验结果表明:发生滑移破坏的锚杆杆体、锚固体荷载-位移差曲线高于同型号发生断裂破坏的锚杆;锚固长度接近临界锚固长度的试验锚杆荷载-位移差曲线上升较平稳;增加杆体直径有助于提高锚杆承载能力、限制杆体位移并且降低杆体、锚固体的位移差。此外,杆体横截面轴应力沿锚固深度呈"反S型"分布,由孔口沿锚固深度方向递减;锚杆轴向界面剪应力沿锚固深度呈先增大后减小的趋势,且剪应力在锚固体内按斜向上方向由第一界面传递至第二界面。最后,利用剪应力分布简化模型求得杆体、锚固体位移差与发生滑移破坏的锚杆试验结果较为一致,可为GFRP锚杆的推广应用提供理论基础。