矸石充填综采覆岩关键层变形特征研究_张吉雄
第35卷第3期煤 炭 学 报V o l .35 N o .3 2010年
3月
J O U R N A LO F C H I N AC O A LS O C I E T Y
M a r . 2010
文章编号:0253-9993(2010)03-0357-06
矸石充填综采覆岩关键层变形特征研究
张吉雄
1,2
,李 剑
1,2
,安泰龙3,黄艳利
1,2
(1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221116;2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州 221008;3.中国矿业大学理学院,
江苏徐州 221116)
摘 要:在分析传统综采与充填综采覆岩变形特征的基础上,建立充填综采覆岩关键层力学模型,
并运用弹性地基梁理论分析了关键层弯曲变形的特征,得到关键层最大挠度与强度、下部岩层弹性地基系数与岩性参数之间的关系。结合某矿的具体条件,计算得出充填综采工作面覆岩关键层的最大挠度,并通过改变充填材料的性质,研究了充填材料弹性模量与关键层挠度之间的变化关系,提出可通过提高充填材料弹性模量的方法减少关键层的弯曲变形量,证实了矸石充填具有限定关键层的变形、控制地表沉陷的作用。关键词:矸石;充填综采;关键层;变形;弹性地基中图分类号:T D 823.7 文献标志码:A
收稿日期:2009-12-14 责任编辑:常 琛 基金项目:国家自然科学基金重点项目(50834004);江苏省创新学者攀登项目(B K 2008007);中国矿业大学科技基金项目(2007B 003) 作者简介:张吉雄(1974—),男,宁夏中卫人,副教授,博士。E-m a i l :z j x i o n g @163.c o m
D e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c o f k e y s t r a t u m o v e r b u r d e n b y r a ww a s t e
b a
c k f i l l i n g w i t h f u l l y -m e c h a n i z e dc o a l m i n n i n g t e c h n o l o g y
Z H A N GJ i -x i o n g 1,2
,L I J i a n 1,2
,A NT a i -l o n g 3
,H U A N GY a n -l i
1,2
(1.S c h o o l o f M i n e s ,C h i n aU n i v e r s i t y o f M i n i n g ＆T e c h n o l o g y ,X u z h o u 221116,C h i n a ;2.S t a t e K e yL a b o r a t o r y o f C o a l R e s o u r c e s ＆M i n e S a f e t y ,X u z h o u
221008,C h i n a ;3.S c h o o l o f S c i e n c e s ,C h i n a U n i v e r s i t y o f M i n i n g ＆T e c h n o l o g y ,X u z h o u 221116,C h i n a )
A b s t r a c t :
B a s e d o n t h e a n a l y s i s o f t h e d e f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c o f o v e r l y i n g s t r a t u mi n f u l l y -m e c h a n i z e d c o a l m i n n i n g t e c h n o l o g y a n d b a c k f i l l i n g w i t h f u l l y -m e c h a n i z e d c o a l m i n n i n g t e c h n o l o g y ,t h e m e c h a n i c a l m o d e l o f k e y s t r a t u mi n t h e r a ww a s t e b a c k f i l l i n g w i t h f u l l y -m e c h a n i z e d c o a l m i n n i n g t e c h n o l o g y w a s f o u n d e d ,a n d t h e b e n d i n g d e f o r m a t i o n c h a r a c -t e r s o f t h e k e y s t r a t u mw a s a n a l y z e d b y t h e t h e o r y o f b e a mo n e l a s t i c f o u n d a t i o n .T h e m a x i m u md e f l e c t i o n a n d i n t e n s i t y o f t h e k e y s t r a t u m ,a n d t h e r e l a t i o n b e t w e e n l i t h o l o g i c a l p a r a m e t e r s a n d e l a s t i c f o u n d a t i o n f a c t o r s o f t h e s t r a t u mb e l o w t h e k e y s t r a t u mw a s p r e s e n t e d .A c c o r d i n g t o t h e f i e l d g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s o f a c e r t a i n c o a l m i n e ,t h e m a x i m u md e f l e c -t i o n o f t h e k e y s t r a t u mi n b a c k f i l l i n g w i t h f u l l y -m e c h a n i z e d c o a l m i n n i n g f a c e w a s c a l c u l a t e d ,a n d t h e r e l a t i o n b e t w e e n
t h e d e f l e c t i o n o f k e y s t r a t u ma n d t h e e l a s t i c m o d u l u s o f f i l l i n g s w a s r e s e a r c h e d t h r o u g h c h a n g i n g t h e c h a r a c t e r s o f t h e f i l l i n g s .T h e r e s e a r c h r e s u l t s p r o v i d e t h a t t h e b e n d i n g d e f o r m a t i o n o f t h e k e y s t r a t u mc a n b e r e d u c e d b y i n c r e a s i n g t h e e l a s t i c m o d u l u s o f f i l l i n g s ,a n d r a w w a s t e b a c k f i l l i n g c a n r e s t r i c t t h e d e f o r m a t i o n o f t h e k e y s t r a t u ma n d t h e s u b s i d e n c e o f s u r f a c e c a n b e c o n t r o l l e d b y r a ww a s t e b a c k f i l l i n g .K e y w o r d s :w a s t e ;b a c k f i l l i n g w i t h f u l l y -m e c h a n i z e d c o a l m i n n i n g t e c h n o l o g y ;k e y s t r a t u m ;d e f o r m a t i o n ;e l a s t i c f o u n d a -t i o n
矸石充填综采技术是针对我国煤矿开采存在的“三下”压煤问题、煤矸石排放问题和土地资源问题而开发出来的绿色采煤技术
[1-2]
之一,已在我国的新
汶、邢台矿区实施并取得成功。
目前,全国“三下”压煤达137亿t ,全国国有重点煤矿村下压煤52.2亿t ,采用条带开采的“三下”
DOI :10.13225/j .cn ki .jccs .2010.03.008
煤 炭 学 报2010年第35卷
压煤,采出率仅为30%左右[3-6]。我国煤矿现有矸石山1600余座,堆积量约45亿t,占地约15000h m2。目前每年矸石产生量为1.5～2.0亿t,占地300～400h m2。
每年由于煤炭开采塌陷土地面积约4万h m2。目前,受煤炭开采下沉影响的土地面积达60万h m2左右,直接经济损失约20亿元。
地下煤炭开采必然引起覆岩移动与地表沉陷,地表下沉是覆岩移动由下向上逐步传递至地表的结果。长期以来,由于难以了解覆岩内部的移动规律,因此一直未能建立起地表沉陷与覆岩移动的内部联系,影响了覆岩运动与地表沉陷的预测与控制。钱鸣高、缪协兴等根据多年对顶板岩层控制的研究与实践,提出了岩层控制的关键层理论[7-9],为上述问题的解决提供了有力的理论依据。研究认为,由于成岩时间及矿物成分不同,形成了厚度不等、强度不同的多层采场上覆岩层,其中一层至数层厚度岩层在整个覆岩层的移动过程中起着控制作用。因此,将对岩体活动中全部或局部起决定作用的岩层称为关键层。
由于我国井工煤矿普遍采用长壁工作面垮落法开采,关键层理论主要是在针对长壁工作面全部垮落法采场覆岩层的活动规律研究的基础上建立起来的。矸石充填采煤是一种全新的采煤技术,研究其关键层的活动特征对该项技术的发展与完善具有重要的理论与现实意义。
1 充填综采覆岩关键层力学模型
1.1 传统综采与充填综采覆岩变形特征
传统综采中,随着工作面的推进,直接顶与基本顶相继垮落,覆岩关键层受到下部岩层的承载力降低,并产生较大的弯曲变形,当达到其强度极限时发生破断,如图1(a)所示。
充填综采中,随着工作面的推进,直接顶达到其垮落步距时发生垮落,由于矸石充填体与破碎直接顶的碎胀性,基本顶达到其垮落步距而发生垮落时与破碎的直接顶接触。基本顶承载的软弱层也发生下沉而与关键层发生离层,关键层在其上部覆岩的载荷作用下产生弯曲变形,但由于离层空间小,关键层及其承载体直接作用于其下的软弱层,随着变形量的增加,其下部软弱层给予的支撑作用加强,从而限制了关键层的弯曲变形量。
因此,充填综采与传统综采相比,基本顶的垮落步距增大,覆岩变形空间减小,关键层发生的变形量较小,一般情况下不会失稳破断,关键层依然可以作
为覆岩自重的承载主体,变形特征如图1(b)所示。
图1 采动过程中覆岩变形示意
F i g.1 F i g u r e s o f o v e r b u r d e nr o c k s'd e f o r m a t i o n s
i n i n d u c e d p r o c e s s
1.2 关键层力学模型
在充填综采中,关键层一般不发生破断,因此认为其下部软弱岩层已处于压实状态,并与关键层没有产生离层。结合图1(b)中的充填综采覆岩变形情况,取工作面采空区上部的关键层作为研究对象,建立平面梁模型,如图2所示。关键层上部受到的作用力为覆岩的自重应力,以均布载荷q0代替,即q0=γH,其中γ为覆岩的平均容重;H为关键层埋深;图2中,2l为关键层的长度;p(x)为关键层下部岩层对关键层的支承力。
图2 关键层力学模型
F i g.2 M e c h a n i c a l m o d e l o f k e ys t r a t u m
W i n k l e r弹性地基假设理论[10-12]认为,地基表面任意一点的沉降与该点单位面积上所受的压力成正比。在充填综采中,基本顶的断裂垮落导致直接顶碎块与采空区充填矸石紧密接触,充填矸石被上部岩块逐步压实。因此,可近似将工作面采空区充填矸石、直接顶碎块和基本顶断裂块视为弹性地基。
鉴于模型具有对称性,取关键层梁的一半进行分析。梁左端起点表示关键层对应于工作面煤壁的垂直位置,因此简化为固支约束;梁右端可简化为x方向的滚轴约束。梁长l表示充填带长度的一半。简化模型和受力分析如图3所示。
358
第3期张吉雄等:
矸石充填综采覆岩关键层变形特征研究
图3 关键层简化模型及其受力分析
F i g .3 S i m p l i f i e dm o d e l a n dm e c h a n i c a l a n a l y s i s o f k e y s t r a t u m
2 充填综采覆岩关键层弯曲变形
2.1 关键层弯曲变形分析
根据充填综采工作面覆岩关键层力学模型,运用W i n k l e r 弹性地基梁理论对关键层及其下部弹性地基岩层进行研究。图3为弹性地基上的关键层梁,在载
荷q 0的作用下,梁的位移为y (x ),梁与地基之间的压力为p (x ),弹性地基系数为k 。梁的挠度w (x )满足
d 4
w (x )d x 4
+4β4
w (x )=q 0E I (1)其中,E I 为关键层抗弯刚度;β为特征系数,β=
4
k 4E I
。求解方程式(1),得
w (x )=e βx
(A c o s βx +B s i n βx )+
e -βx
(C c o s βx +D s i n βx )+
q 0k 对图3(b )中的梁,通过初参数法[13-14]
进行求解,得挠度公式
w (x )=w 0 1+θ0
2β-M 0 3
E I β
2-Q 0 4E I β
3+q 0
1- 1
k (2)
其中,w 0、θ0、M 0、Q 0分别为有限长梁端点(x =0)的挠度、转角、弯矩和剪力。 1、 2、 3、 4为βx
的K i c h -h o f f 函数,其表示形式为 1(βx )=c h (βx )c o s (βx ) 2(
βx )=1
2
[c h (βx )s i n (βx )+s h (βx )c o s (βx )] 3(
βx )=12s h (βx
)s i n (βx )
4(
βx )=1
4
[c h (βx )s i n (βx )-s h (βx )c o s (βx )] 结合边界条件
w (x )x =0=0θ(x )x =0=
d w (x )d x x =0
=0
Q (x )x =l =0
θ(x )x =l =d w (x )
d x x =l
=0
(3)
将式(3)带入式(2),得
w 0=0θ0=0
M 0=
-2E I β2
q 0k s h (2l β)-s i n (2l β)
s h (2l β)+s i n (2l β)
Q 0=
4E I β3
q 0k c h (2l β)-c o s (2l β)
s h (2l β)+s i n (2l β)
(4)
将式(4)代入式(2),得到梁在均布载荷q 0作用
下的挠度和地基压力公式
w (x )=2q 0k s h (2l β)-s i n (2l β)s h (2l β)+s i n (2l β) 3-q 0k c h (2l β)-c o s (2l β)s h (2l β)+s i n (2l β) 4+q 0
1- 1k (5)
p (x )=q 02s h (2l β)-s i n (2l β)s h (2l β)+s i n (2l β) 3-c h (2l β)-c o s (2l β)s h (2l β)+s i n (2l β) 4
+(1- 1)2.2 弹性地基系数k 值的确定
根据弹性地基理论,关键层的受力和变形情况与
地基系数k 的变化有直接关系,地基系数k 对关键层的变形以及整个上覆岩层的移动规律有至关重要的影响。从图1(b )中可看到,弹性地基系数k 主要取决于煤层底板与关键层之间的各层岩体的综合变形特性,为了研究弹性地基系数k 的变化,假定S 1～S 4各岩层的变形是相互协调的。选取关键层与煤层底板之间的各层(S 1～S 4)
作为关键层的地基进行研究,其基本结构模型如图4所示。
图4 弹性地基结构模型F i g .4 E l a s t i c f o u n d a t i o n m o d e l
将各个岩层视为弹性体,对S i
岩层有359
煤 炭 学 报
2010年第35卷
σi =E i
Δh i h i ,Δh i =σi h i
E i
式中,σi 为S i 岩层的垂直应力;h i 为S i 岩层厚度;E i 为S i 岩层弹性模量;Δh i 为S i
岩层垂直变形量。根据W i n k l e r 假设,弹性地基的本构关系
σ=k y (6)
式中,σ为关键层所受垂直方向应力;y 为关键层的
垂直位移。
弹性地基垂直位移与应力之间的关系为y=∑4i =1y i =∑4
i =1σi h i
E i
(7)
其中,σ≈σi
。将式(7)代入式(6)中,可得σ=k ∑
4
i =1
σi h i E i =k σ∑4
i =1h i
E i
解得地基系数k 为
k=1
∑
4
i =1
h i
E i
(8)
3 工程应用
3.1 矿井地质采矿条件
矸石充填综采技术工业性试验地点为某矿7403工作面
[15]
,其布置如图5所示
。
图5 7403工作面布置F i g .5 L a y o u t o f 7403w o r k i n g -f a c e
7403充填综采工作面走向长802～875m ,倾斜长150m 。开采4号煤层,煤层倾角为11～14°,平均厚度2.0m ,工作面埋深在680.5～729.7m 。对应地
表为镇医院、学校、村庄等建(构)筑物。3.2 充填综采关键层弯曲变形特征
7403工作面的部分顶板岩性参数见表1。表1中,关键层的埋深H=693.47m ,覆岩的平
均容重γ=23k N /m 3
,因此,覆岩的等效载荷q 0=15.95M P a 。基本顶的初次垮落步距L 0=33m ,周期垮落步距L 1=L 0/2.
45=13.5m 。取基本顶的初次垮表1 岩层特性参数T a b l e 1 L i t h o l o g i c p a r a m e t e r s
岩 层岩性深度/m 厚度/m 弹性模量E /G P a
抗压强度σt
/M P a 容重γ/(k N ·m -3)
关键层细沙岩706.5713.1355625软弱层S 1粉砂岩723.4716.9253421基本顶S 2细沙岩736.4713.0335423直接顶S 3粉砂岩738.972.52632
20
已采煤层S 4
充填矸石
740.97
2.0
0.15
落步距与两个周期垮落步距内长度范围进行研究,所要分析的关键层长度为60m ,即l =30m 。
将上述岩层特性参数带入式(8),计算得k =84.51N /m 3
,代入式(5)中,得到关键层挠度随长度的变化特征如图6所示,其中L 表示所分析关键层长度的一半,w (x )表示关键层最大挠度。
由图6可知,关键层挠度w (x )随着关键层长度L 的增大而增大,即随着工作面推进,采空区充填带加大,关键层产生的挠度w (x )越大,关键层挠度最大部位位于关键层中部:w (x )m a x =
62.13m m 。采用传统的地表沉陷预计方法,可分析得出充填采煤充分采动地表最大下沉值为55m m 。因此,充填采煤可通过限制关键层的弯曲变形量,从而控制地表
的变形在建(构)筑物允许的变形范围之内。
图6 关键层的变形特征
F i g .6 D e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c o f k e y s t r a t u m
目前,该采区已接近充分采动,实测到的地表最大下沉量为18m m 、最大水平变形为0.01m m /m ,地面变形等级仅为轻微I 级[16-17]
,无需对房屋实施加
固或维修。
360
第3期张吉雄等:矸石充填综采覆岩关键层变形特征研究
3.3 充填材料对关键层弯曲变形的影响
矸石充填综采所用充填材料为矸石,充填矸石的压实变形特性是影响充填效果的关键因素,而矸石的弹性模量决定了其压实变形特征。因此,研究充填矸
石的弹性模量的大小,对于选取合理级配的充填矸石,深入分析充填后覆岩层的变形特征具有重要意义。
根据关键层挠度计算公式(5)、(8),计算不同弹性模量条件下工作面关键层的最大挠度,从而得到关键层挠度随着充填矸石弹性模量的变化规律,如图7所示
。
图7 关键层挠度随充填矸石弹性模量的变化规律F i g .7 V a r i a t i o nl a wo f k e y s t r a t a 's d e f o r m a t i o n i n f l u e n c e d
b y e l a s t i
c m o
d
e l o
f b a c k f i l l i n
g m a t e r i a l
由图7可知,随着弹性模量的增大,关键层的最大挠度降低,说明选取较大弹性模量的充填材料对控制关键层变形的效果较好。通过最小二乘法的数值计算方法,对挠度与弹性模量之间的变形关系进行回归,得到关键层最大挠度与充填材料弹性模量的关系式
w (E )m a x =-0.69q 0(
l n E-10.36) 因此,在选取充填材料过程中,可通过调节弹性模量来控制充填过程中关键层的变形量。
一般情况,充填矸石弹性模量为30～200M P a ,矸石充填控制的关键层变形值为56～76m m 。在工程实践中,可以通过调节颗粒配比、添加胶结物等方法来提高充填矸石的弹性模量,从而减少关键层的变形量。
4 结 论
(1)采用W i n k l e r 弹性地基梁理论,建立了充填综采工作面覆岩关键层力学模型,分析了覆岩关键层的变形分布特征,推导得出关键层挠度计算的解析解。
(2)针对关键层下方垮落岩层与充填矸石之间的相互作用特征,建立了弹性地基的结构分析模型,得到了弹性地基系数k 的计算公式。(3)分析了不同性质充填材料对关键层变形的
影响,得出关键层最大挠度随充填材料弹性模量的变化规律,提出可通过提高充填材料弹性模量的方法减少关键层的弯曲变形量,以控制地表变形在建(构)筑物允许的变形范围之内。参考文献:
[1] 钱鸣高,缪协兴,许家林.资源与环境协调(绿色)开采[J ].煤炭
学报,2007,32(1):1-7.
Q i a nM i n g a o ,M i a oX i e x i n g ,X u J i a l i n .G r e e n m i n i n go f c o a lr e -s o u r c e s h a r m o n i z i n g w i t he n v i r o n m e n t [J ].J o u r n a l o f C h i n a C o a l S o -c i e t y ,2007,32(1):1-7.
[2] 钱鸣高,许家林,缪协兴.煤矿绿色开采技术[J ].中国矿业大学
学报,2003,32(4):343-348.
Q i a nM i n g g a o ,X uJ i a l i n ,M i a oX i e x i n g .T e c h n i q u eo f c l e a n i n g m i n -i n gi n c o a l m i n e [J ].J o u r n a l o f C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g ＆T e c h -n o l o g y ,2003,32(4):343-348.
[3] 张吉雄,缪协兴.煤矿矸石井下处理的研究[J ].中国矿业大学
学报,2006,35(2):197-200.
Z h a n g J i x i o n g ,M i a oX i e x i n g .U n d e r g r o u n dd i s p o s a l o f w a s t ei nc o a l m i n e [J ].J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo f M i n i n g ＆T e c h n o l o g y ,2006,35(2):197-200.
[4] Z h a n gJ i x i o n g ,Z h a n gD o n g s h e n g ,Z h a n gL e i .D r i v i n gp r e -d r i v e n
r o a d w a y f o r c o a l f a c e p a s s i n gr a p i d l y t h r o u g hf a u l t a n d d i s p o s i n g o f a s s o c i a t e d w a s t ei n u n d e r g r o u n g [A ].P r o c e e d i n g s o f t h e T h i r t e e n t h I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u m o nM i n eP l a n n i n ga n dE q u i p m e n t S e l e c -t i o n [C ].H a r d y g ór aM ,P a s z k o w s k aG ,S i k o r aM :A .A .B a l k e m a ,2004:341-345.
[5] 张文海,张吉雄,赵计生,等.矸石充填采煤工艺及配套设备研
究[J ].采矿与安全工程学报,2007,24(1):79-83.
Z h a n g We n h a i ,Z h a n gJ i x i o n g ,Z h a o J i s h e n g ,e t a l .R e s e a r c ho nt h e t e c h n o l o g yo f w a s t ef i l l i n ga n dm i n i n ga n dc o r r e l a t i v ee q u i p m e n t [J ].J o u r n a l o f M i n i n g ＆S a f e t y E n g i n e e r i n g ,2007,24(1):79-83.[6] 张吉雄,缪协兴,茅献彪,等.建筑物下条带开采煤柱矸石置换
开采的研究[J ].岩石力学与工程学报,2007,26(S 1):2687-2693.
Z h a n g J i x i o n g ,M i a o X i e x i n g ,M a o X i a n b i a o ,e t a l .R e s e a r c h o n w a s t e s u b s t i t u t i o n e x t r a c t i o no f s t r i pe x t r a c t i o n c o a l -p i l l a r m i n i n g [J ].C h i -n e s eJ o u r n a l o f R o c kM e c h a n i c s a n dE n g i n e e r i n g ,2007,26(S 1):2687-2693.
[7] 钱鸣高,缪协兴,许家林.岩层控制中的关键层理论研究[J ].煤
炭学报,1996,21(3):225-230.
Q i a nM i n g g a o ,M i a o X i e x i n g ,X u J i a l i n .T h e o r e t i c a l s t u d y o f k e y s t r a -t u m i n g r o u n dc o n t r o l [J ].J o u r n a l o f C h i n aC o a l S o c i e t y ,1996,21(3):225-230.
[8] 缪协兴,茅献彪,钱鸣高.采动覆岩中关键层的复合效应分析
[J ].矿山压力与顶板管理,1999(3):5-9.
M i a o X i e x i n g ,M a o X i a n b i a o ,Q i a n M i n g g a o .T h e a n a l y s i s o f c o m p l e x e f f e c t o f k e y s t r a t u mi n o v e r l y i n g s t r a t a w i t h i n m i n i n g i n f l u e n c e [J ].G r o u n dP r e s s u r ea n dS t r a t a C o n t r o l ,1999(3):5-9.
[9] 钱鸣高,茅献彪,缪协兴.采场覆岩中关键层上载荷的变化规律
[J ].煤炭学报,1998,23(2):135-139.
Q i a nM i n g g a o ,M a o X i a n b i a o ,M i a o X i e x i n g .V a r i a t i o n o f l o a d s o n t h e
361
煤 炭 学 报2010年第35卷
k e y l a y e r o f t h eo v e r l y i n gs t r a t aa b o v et h ew o r k i n g s[J].J o u r n a l o f
C h i n aC o a l S o c i e t y,1998,23(2):135-139.
[10] 杨学祥.均步载荷下一端固定的文克尔地基梁的基底压力特性
及其工程意义[J].工程力学,2006,23(11):76-79.
Y a n g X u e x i a n g.T h e f e a t u r e o f f o u n d a t i o np r e s s u r e o nw i n k l e r f o u n-
d a t i o n-b
e a mw i t h o n e
f i x e de n d a n d i t s a p p l i c a t i o n[J].E n
g i n e e r i n g
M e c h a n i c s,2006,23(11):76-79.
[11] 崔 弈,姜忻良,鲍 鹏.变基床系数弹性地基梁解法及其应用
[J].岩土力学,2003,24(4):565-578.
C u i Y i,J i a n gX i n l i a n g,B a oP e n g.C o m p u t i n gm e t h o do f e l a s t i c
f o u n d a t i o nb e a m w i t hv a r i a b l eb e d d i n gv a l u ea n di t sa p p l i c a t i o n
[J].R o c ka n dS o i l M e c h a n i c s,2003,24(4):565-578.
[12] 阎盛海.地下建筑结构中弹性地基直梁的初参数法[J].大连
大学学报,2001,12(2):9-18.
Y a nS h e n g h a i.I n i t i a l p a r a m e t e r m e t h o d i n b e a m s o ne l a s t i c f o u n d a-
t i o no f u n d e r-g r o u n d a r c h i t e c t u r a l s t r u c t u r e s[J].J o u r n a l o f D a l i a n
U n i v e r s i t y,2001,12(2):9-18.
[13] A·P·S塞尔瓦杜雷.土与基础相互作用的弹性分析[M].北
京:中国铁道出版社,1984.
S e l v a d u r a l APS.A n a l y s i s o f t h e a c t i o n s b e t w e e n e a r t h a n df o u n d a-
t i o n[M].B e i j i n g:C h i n a R a i l w a y s P r e s s,1984.
[14] 龙驭球.弹性地基梁的计算[M].北京:人民教育出版,1983.
L o n g Y u q i u.C a l c u l a t i o nf o r e l a s t i c f o u n d a t i o nb e a m[M].B e i j i n g:
P e o p l e's E d u c a t i o nP r e s s,1983.
[15] 张吉雄.矸石直接充填综采岩层移动控制及其应用研究[D].
徐州:中国矿业大学,2008.
Z h a n g J i x i o n g.S t u d yo ns t r a t am o v e m e n t c o n t r o l l i n gb yr a ww a s t e
b a
c k f i l l i n gw i t hf u l l y-m e c h a n i z e dc o a l w i n n i n gt e c h n o l o g ya n di t s
e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s[D].X u z h o u:C h i n aU n i v e r s i t yo
f M i n i n g
＆T e c h n o l o g y,2008.
[16] 缪协兴,张吉雄.矸石充填采煤中的矿压显现规律[J].采矿与
安全工程学报,2007,24(3):1-3.
M i a oX i e x i n g,Z h a n gJ i x i o n g.A n a l y s i so fs t r a t ab e h a v i o ri nt h e
p r o c e s s o f c o a l m i n i n g b y g a n g u e b a c k f i l l i n g[J].J o u r n a l o f M i n i n g
＆S a f e t y E n g i n e e r i n g,2007,24(3):1-3.
[17] 国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压
煤开采规程[M].北京:煤炭工业出版社,2000.
C h i n a C o a l I n d u s t r yB u r e a u.L e a v i n g o r m i n i n g r u l e s f o r c o a l p i l l a r
i nb u i l d i n g,w a t e r-b o d i e s,r a i l w a y s a n dp r i m a r y r o a d w a y[M].B e i-
j i n g:C h i n a C o a l I n d u s t r y P u b l i s h i n gH o u s e,2000.
2010年《煤炭学报》征订启事
《煤炭学报》是中国煤炭学会主办的、向国内外发行的煤炭科学技术方面的综合性学术刊物。主要刊载煤田地质与勘探、煤矿开采、矿山测量、矿井建设、煤矿安全、煤矿机械工程、煤矿电气工程、煤炭加工利用、煤矿环境保护等方面的科学研究成果论著和学术论文,以及煤矿生产建设、企业管理经验的理论总结,也刊载重要学术问题的讨论及国内外煤炭科学技术方面的学术活动简讯。
《煤炭学报》刊载的论文具有较高的学术价值和文献收藏价值,被E i、I E AC o a l A b s t r a c t C D-R O M、中国科学引文数据库、科学技术文摘速报(日本)、C o a l H i g h l i g h t s、中国学术期刊文摘等国内外20多种重要文摘检索系统所收录。1992年荣获首届全国优秀科技期刊评比二等奖,获中国科学技术协会优秀学术期刊二等奖,获北京市新闻出版局、北京市科学技术期刊编辑学会全优期刊奖。1996年荣获第二届全国优秀科技期刊评比一等奖,获中国科学技术协会优秀科技期刊一等奖。1999年荣获首届国家期刊奖。2004,2007年分别入选第三、第六届百种中国杰出学术期刊。2008年荣获“中国精品科技期刊”称号。2009年荣获“新中国60年有影响力的期刊”称号。
《煤炭学报》深受广大作者、读者的爱护和支持,也受到各级部门的重视,在学术水平上具有较高的地位,很多单位都将在《煤炭学报》发表的论文作为作者学术水平考核指标之一。
《煤炭学报》为月刊,每期176页,每册订价31元,全年共收费372元。欲订阅者可直接与本编辑部联系,编辑部随时办理订阅手续。
本刊地址:北京市和平里煤炭科学研究总院内《煤炭学报》编辑部 邮政编码:100013
联系电话:(010)84262930 联系人:毕永华
E-m a i l:m t x b b y h@126.c o m,m t x b@v i p.163.c o m
362
岩块的变形与强度性质
岩块的力学属性： 1．弹性（elasticity）：在一定的应力范围内，物体受外力产生的全部变形当去除外力后能够立即恢复其原有的形状和大小的性质。 2．塑性（plasticity）：物体受力后产生变形，在外力去除（卸荷）后不能完全恢复原状的性质。不能恢复的变形叫塑性变形或永久变形、残余变形。 3．粘性（viscosity）：物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质。应变速率随应力变化的变形叫流动变形。 4．脆性（brittle）：物质受力后，变形很小时就发生破裂的性质。 5．延性（ductile）：物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力的性质。 第一节岩块的变形性质 一、单轴压缩条件下的岩块变形性质 1．连续加载下的变形性质 （1）加载方式： 单调加载（等加载速率加载和等应变速率加载） 循环加载（逐级循环加载和反复循环加载） （2）四个阶段： ①Ⅰ：OA段，孔隙裂隙压密阶段； ②Ⅱ：AC段，弹性变形至微破裂稳定发展阶段（AB段和BC段） 弹性极限→屈服极限 ③Ⅲ：CD段，非稳定破裂发展阶段（累进破裂阶段）→“扩容”现象发生 “扩容”：在岩石的单轴压缩试验中，当压力达到一定程度以后，岩石中的破裂（裂纹）继续发生和扩展，岩石的体积应变增量由压缩转为膨胀的力学过程。 —峰值强度或单轴抗压强度 ④Ⅳ：D点以后阶段，破坏后阶段（残余强度） 以上说明： 岩块在外荷作用下变形→破坏的全过程，具有明显的阶段性，总体上可分为两个阶段： 1）峰值前阶段（前区） 2）峰值后阶段（后区） （3）峰值前岩块的变形特征（Miller，1965） ①应力—应变曲线类型 米勒（Miller，1965）6类（σ—εL曲线），如图4.3所示： Ⅰ：近似直线型（坚硬、极坚硬岩石）：如玄武岩、石英岩等； Ⅱ：下凹型（较坚硬、少裂隙岩石）：如石灰岩、砂砾岩； Ⅲ：上凹型（坚硬有裂隙发育）：如花岗岩、砂岩； Ⅳ：陡“S”型（坚硬变质岩）：如大理岩、片麻岩； Ⅴ：缓“S”型（压缩性较高的岩石）：如片岩； Ⅵ：下凹型（极软岩）。 法默（Farmer，1968），根据峰前σ—ε曲线把岩石划分三类，如图4.4所示： 准弹性岩石：细粒致密块状岩石，如无气孔构造的喷出岩、浅成岩浆岩和变质岩等。 具弹脆性性质。 半弹性岩石：空隙率低且具有较大内聚力的粗粒岩浆岩和细粒致密的沉积岩。 非弹性岩石：内聚力低，空隙率大的软弱岩石，如泥岩、页岩、千枚岩等。
湿化问题及其研究进展
湿化问题及其研究进展 一湿化变形及湿化机理 1.1 湿化变形 地基基础工程以及土石坝等重要的水工建筑物，不可避免地要与水发生直接的接触，水位的上升使建筑物局部开始浸水，浸水后的土体由非饱和状态变为饱和状态，这时土体的结构发生变化，其应力应变关系也随之改变，各项物理力学指标有所降低，这个过程称为湿化过程。土体受湿化过程的影响，一般都要发生土体体积的改变，这种在湿化过程中的体积变化称之为湿化变形。土体产生湿化变形的原因通常有如下几种：土石坝初次蓄水；由毛细现象等引起的水位上升；大气降雨等等。 一些学者对土体的湿化和湿化变形进行了研究，对堆石料、土坝坝料土和膨胀土等分别进行了湿化试验，建立了一些土体湿化的数学模型。 1.2 湿化机理及防治 土体产生湿化变形的大小与土的三相组成和构成土的固体颗粒的结构形式具有密切的联系。 土是由固体的土颗粒、水和气体等所组成的三相体系。固相土颗粒构成土体的骨架，是土体的主要部分，一般为粘土矿物颗粒或砂粒；土颗粒之间的孔隙充满了水和气体，饱和土体，为两相体系；孔隙中水、气并存，为三相体系。 (1) 固体土颗粒 土体中的固体土颗粒是决定土的物理性质和工程性质的主要因素。一般情况下，矿物颗粒之间的作用比较稳定，具有较强的联系，因而土体的强度也比较高。土体浸水湿化后受水分子的润滑作用，矿物颗粒间的联系发生改变，土颗粒之间的作用也被削弱，土体的强度也随之降低。 土颗粒之间的关系可以从土体的狭义结构即构成土的固体颗粒的结构形式得到，它取决于土体固体颗粒的大小、形状、表面特性、相对位置和相互之间的联结等等。 目前研究比较多的还是土体固体颗粒的狭义结构以及由此建立的结构类型。 固体土颗粒按基本结构要素分为简单颗粒、团聚体和半团
重塑黄土变形特性
重塑黄土变形特性 作者：程海涛， 刘保健， 谢永利， CHENG Hai-tao， LIU Bao-jian， XIE Yong-li 作者单位：长安大学,公路学院,陕西,西安,710064 刊名： 长安大学学报（自然科学版） 英文刊名：JOURNAL OF CHANG'AN UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION) 年，卷(期)：2008，28(5) 被引用次数：2次 参考文献(8条) 1.孙钧岩土材料流变及其工程应用 1999 2.李传勋压实黄土荷载、变形与时间关系及应用问题的研究[学位论文] 2003 3.陈晓平.白世伟软土蠕变-固结特性及计算模型研究[期刊论文]-岩石力学与工程学报 2003(05) 4.龚晓南高等土力学 1996 5.程海涛.刘保健.谢永利压实黄土应力-应变-时间特性[期刊论文]-长安大学学报(自然科学版) 2008(01) 6.刘保健.支喜兰.谢永利公路工程中黄土湿陷性问题分析[期刊论文]-中国公路学报 2005(04) 7.石刚.王晋国.支喜兰黄土地区公路工程地基承载力分区计算方法[期刊论文]-交通运输工程学报 2005(04) 8.张玉芬.张志权.赵桂娟二灰黄土力学性能试验[期刊论文]-长安大学学报(自然科学版) 2007(05) 引证文献(2条) 1.王松鹤.骆亚生.李焱黄土固结蠕变特性试验研究[期刊论文]-工程地质学报 2009(5) 2.李喜安.黄润秋.彭建兵黄土崩解性试验研究[期刊论文]-岩石力学与工程学报 2009(z1) 本文链接：https://www.wendangku.net/doc/bc2464940.html,/Periodical_xagljtdx200805008.aspx 授权使用：西安理工大学(xalgdx)，授权号：439dfc3b-d297-4a39-b336-9e400130f9ab 下载时间：2010年12月2日
d395橡胶压缩永久变形特性试验方法
Designation:D395–02 Standard Test Methods for Rubber Property—Compression Set1 This standard is issued under the?xed designation D395;the number immediately following the designation indicates the year of original adoption or,in the case of revision,the year of last revision.A number in parentheses indicates the year of last reapproval.A superscript epsilon(e)indicates an editorial change since the last revision or reapproval. This standard has been approved for use by agencies of the Department of Defense. 1.Scope 1.1These test methods cover the testing of rubber intended for use in applications in which the rubber will be subjected to compressive stresses in air or liquid media.They are applicable particularly to the rubber used in machinery mountings,vibra-tion dampers,and seals.Two test methods are covered as follows: Test Method Section A—Compression Set Under Constant Force in Air7–10 B—Compression Set Under Constant De?ection in Air11–14 1.2The choice of test method is optional,but consideration should be given to the nature of the service for which correlation of test results may be sought.Unless otherwise stated in a detailed speci?cation,Test Method B shall be used. 1.3Test Method B is not suitable for vulcanizates harder than90IRHD. 1.4The values stated in SI units are to be regarded as the standard. 1.5This standard does not purport to address all of the safety concerns,if any,associated with its use.It is the responsibility of the user of this standard to establish appro-priate safety and health practices and determine the applica-bility of regulatory limitations prior to use. 2.Referenced Documents 2.1ASTM Standards: D1349Practice for Rubber—Standard Temperatures for Testing2 D3182Practice for Rubber—Materials,Equipment,and Procedures for Mixing Standard Compounds and Prepar-ing Standard Vulcanized Sheets2 D3183Practice for Rubber—Preparation of Pieces for Test Purposes from Products2 D3767Practice for Rubber—Measurement of Dimensions2 D4483Practice for Determining Precision for Test Meth-ods Standards in the Rubber and Carbon Black Industries2 E145Speci?cation for Gravity-Convection and Forced-Ventilation Ovens3 3.Summary of Test Methods 3.1A test specimen is compressed to either a de?ection or by a speci?ed force and maintained under this condition for a speci?ed time and at a speci?ed temperature. 3.2The residual deformation of a test specimen is measured 30min after removal from a suitable compression device in which the specimen had been subjected for a de?nite time to compressive deformation under speci?ed conditions. 3.3After the measurement of the residual deformation,the compression set,as speci?ed in the appropriate test method,is calculated according to Eq1and Eq2. 4.Signi?cance and Use 4.1Compression set tests are intended to measure the ability of rubber compounds to retain elastic properties after pro-longed action of compressive stresses.The actual stressing service may involve the maintenance of a de?nite de?ection, the constant application of a known force,or the rapidly repeated deformation and recovery resulting from intermittent compressive forces.Though the latter dynamic stressing,like the others,produces compression set,its effects as a whole are simulated more closely by compression?exing or hysteresis tests.Therefore,compression set tests are considered to be mainly applicable to service conditions involving static stresses.Tests are frequently conducted at elevated tempera-tures. 5.Test Specimens 5.1Specimens from each sample may be tested in duplicate (Option1)or triplicate(Option2).The compression set of the sample in Option1shall be the average of the two specimens expressed as a percentage.The compression set of the sample in Option2shall be the median(middle most value)of the three specimens expressed as a percentage. 5.2The standard test specimen shall be a cylindrical disk cut from a laboratory prepared slab. 5.2.1The dimensions of the standard specimens shall be: 1These test methods are under the jurisdiction of ASTM Committee D11on Rubber and are the direct responsibility of Subcommittee D11.10on Physical Testing. Current edition approved Dec.10,2002.Published January2003.Originally approved https://www.wendangku.net/doc/bc2464940.html,st previous edition approved in2001as D395–01. 2Annual Book of ASTM Standards,V ol09.01.3Annual Book of ASTM Standards,V ol14.04. 1 Copyright?ASTM International,100Barr Harbor Drive,PO Box C700,West Conshohocken,PA19428-2959,United States.
结构面的变形与强度性质
1、岩体稳定性分析和地下水渗流分析通常把岩体视为由岩块（结构体）与结构面组成的地质体。 2、岩体工程中的软弱夹层问题： 如黄河小浪底水库工程左坝肩的泥化夹层； 葛洲坝水利工程坝基的泥化夹层； 黑河水库左坝肩单薄山梁的断层引发的渗漏问题； 长江三峡自然坡中的软弱夹层等。 这些软弱结构面在不同程度上影响和控制着工程岩体的稳定性。因此，结构面变形与强度性质的研究，在工程实践中具十分重要的实际意义： 1）大量工程实践表明：在工程荷载（小于10Mpa）范围内，工程岩体的失稳破坏有相当一部分是沿软弱结构面破坏的。因此，结构面的强度性质的研究是评价岩体稳定性的关键。 2）在工程荷载作用，结构面及其充填物的变形是岩体变形的主要组成部分，控制着工程岩体的变形特性。3）结构面是岩体中渗透水流的主要通道。 4）工程荷载作用下，岩体中的应力分布受结构面及其力学性质的影响。 第一节结构面的变形性质（特性） 结构面的变形包括法向变形和剪切变形两个方面。 一、结构面的法向变形 1．法向变形特征（Normal deformation） 设不含结构面岩块的变形为ΔVr，含结构面岩块的变形为ΔVt，那么结构面的法向闭合变形 ΔVj为： ΔVj=ΔVt－ΔVr 由结构面法向应力σn与变形的关系曲线可得如下特征： 1）σn↑，ΔVj↑↑，曲线呈上凹型； σn→σ0，σn－ΔVt变陡，与σn－ΔVr大致变形； 2）初始压缩阶段，ΔVt主要由结构面闭合造成的； 3）试验研究表明，当开始，含结构面岩块的变形由以结构面的闭合→岩块的弹性变形； 4）σn－ΔVj曲线的渐近线大致为： ΔVj=Vm 5）结构面的最大闭合量小于结构面的张开度（e）。 含结构面的岩块和不含结构面的岩块在法向上加荷、卸荷后的应力—变形曲线，见教材P76-77（Bandis 等，1983）。 2．法向变形本构方程（法向应力与变形之间的关系） 这方面的研究目前仍处于探索阶段，已提出的本构方程都在试验的基础上总结出来的经验方程，如Goodman，Bandis及孙广忠等人。 1）古德曼（Goodman，1974）双曲线函数拟合结构面法向应力σn与闭合变形ΔVj（mm）间的本构关系： 或式中：σi为结构面所受的初始应力。 2）班迪斯等（Bandis等，1983） 当σn→∞时，ΔVj→ 由初始法向强度的定义得：
第三章 土的变形特性
第三章 土的变形特性 3.1 应力-应变试验与试验曲线 目前，为了测定土的变形和强度特性，在土工试验方面经常使用的土工仪器有固结仪、直剪仪和常规三轴仪。另外，还有真三轴仪、平面应变仪和扭剪仪等，但使用不很普遍。由于能施加复合应力的试验设备的设计、制造和使用都比较困难，因此目前通常采用的研究方法是通过少量简单的试验，求取在比较简单的应力状态下的应力应变关系试验曲线，然后利用一些理论，如增量弹塑性理论，把这些试验结果推广应用到复杂的应力状态上去，建立所需要的应力-应变模型。土的应力-应变模型建立后，再用应力路径不同的试验以及用复杂应力状态的试验来验证模型的正确性。必要时，可对建立的应力应变模型进行修正。 下面简要介绍各向等压力固结试验和三轴压缩试验的情况，以及相应的试验曲线的特性。 3.1.1 各向等压力固结试验和土的固结状态 各向等压力固结试验，即123σσσ==条件下的排水压缩试验，可用常规三轴仪进行。 试验得到的应力-应变关系曲线，通常称为压缩和回弹曲线，如图3-1 所示。一般情况下，土体压缩时，土体孔隙比e 与平均有效应力p '的关系在半对数坐标图上可简化为直线关系，压缩曲线的方程可表示为： 0ln e e p λ'=- （3.1.1） 式中0e ——p '等于单位应力时土体的孔隙比； λ——半自然对数坐标图上压缩曲线的斜率。 当卸荷及重复加荷时，土体孔隙比与平均有效应力的关系在半对数坐标上也可近似表示为直线关系，回弹曲线的方程可表示为： ln e e p κκ'=- （3.1.2） 式中e κ——回弹曲线上p ′等于单位压力时土体的孔隙比； κ——半自然对数坐标图上压缩曲线的斜率。
土石坝地震永久变形计算方法_李湛
土石坝地震永久变形计算方法 李 湛1,3,栾茂田2,3 (11中国建筑科学研究院,北京 100013; 21大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连 116024; 31大连理工大学土木水利学院岩土工程研究所,辽宁大连 116024) 摘 要:对于土石坝的地震永久变形,本文提出等效结点力-逐步软化有限元计算模型。首先根据坝体地震动力响应的 非线性有限元分析确定各时段坝体单元可能发生的残余应变、振动孔隙水压力增量及累积振动孔隙水压力,以此对静变 形模量和强度及静应力-应变关系进行修正,并应用于下一时段计算中;同时基于所确定的与上一时段地震作用所产生 的潜在残余应变增量和静应力-应变关系确定地震作用相应的等效结点力。在每一时段末根据上述所确定的等效结点 力和应力-应变关系,运用整体有限元分析确定坝休的残余变形增量,将各个时段计算所确定的残余位移累加得到地震 作用后坝体的残余变形量。这种方法能够同时考虑地震惯性力效应和土的软化效应对土石坝地震永久变形的影响。 关键词:水工结构;地震永久变形;等效结点力-逐步软化有限元模型;土石坝;抗震稳定性 中图分类号:TV312文献标识码:A 收稿日期:2008-03-03 基金项目:国家自然科学基金(50179006),教育部跨世纪优秀人才培养计划研究基金和中国科学院武汉岩土力学研究所前沿领域基础研究基金 (Q110305) 作者简介:李湛(1975)),男,博士.E -mail:lz -xj@https://www.wendangku.net/doc/bc2464940.html, Computation method for seismically -induced permanent deformation of earth -rock dams LI Zhan 1,3,LUAN Maotian 2,3 (1.China Academy o f Building Research ,Beijing 100013; 2.State Key Laboratory o f Coastal and O ffshore Engineering ,Dalian University o f Technology ,Dalian 116024; 3.Institute o f Geotechnical Engineering ,School o f Civil and Hydraulic Engineering , Dalian University o f Technology ,Dalian 116024) Abstract :This paper presents a finite element procedure for evaluating seismically -induced permanent deformation of earth -rock da ms.In the proposed procedure,both concepts of equivalent nodal forces and step -by -step gradually softening moduli are integrated together.The earthquake duration is divided into a certain number of time incre ments.And for each time increment the residual strain and dyna mic pore water pressure which is likely induced during previous time increments under undrained condition are estimated on the basis of the stress condition obtained by the dyna mic analysis and the empirical patterns of both residual strain and pore water pressure achieved e xperimentally.Then,the computed accumulative pore -water pressure at the end o f each time increment is used directly to modify the static hyperbolic relationship between stress and strain which is to be used for the next time period.And at the same time,the equivalent nodal forces equivalent to incremental residual strain potential are defined.B y using the modified stress -strain relationship,the incremental deformations are computed when the nodal forces equivalent to earthquake effect on the dam defined as above are imposed on the earth -rock dam.The computed incremental displacements of the earth -rock dam for each time incre ment are accumulated and the accumulative displacements can be regarded as approximation of the residual deformation which is to be initiated by earthquake shaking.In fact,the proposed numerical procedure has taken into c onsideration both the inertia effect 第28卷第4期 2009年8月水 力 发 电 学 报JOURNAL OF HYDROELEC TRIC ENGINEERING Vol.28 No.4Aug.,2009
膨胀土缩胀过程中体变特征的试验研究
ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＶｏｌ畅４５，Ｎｏ畅９，２０１５ 工业建筑 ２０１５年第４５卷第９期 膨胀土缩胀过程中体变特征的试验研究 倡 李 芃 谭晓慧 王 雪 辛志宇 汪贤恩 （合肥工业大学资源与环境工程学院，合肥 ２３０００９） 摘 要：膨胀土的胀缩变形会对其上的建筑产生危害，研究膨胀土的胀缩变形特征具有重要意义。通过一系列干燥收缩－加湿膨胀试验，研究膨胀土在收缩－膨胀循环过程中孔隙比－含水率的关系及初始干密度对其的影响，结果表明：采用照相法测量土样面积是一种较为理想的非接触测量方法；不同初始干密度下的收缩曲线及膨胀曲线分别相互平行，且随着初始干密度的增加，孔隙比－含水率曲线往下移动；当初始干密度小于临界干密度时，土样的收缩曲线与膨胀曲线相交；随着初始干密度的增加，土样的收缩曲线与膨胀曲线逐渐由交叉状态变为分离状态；在一次干缩－湿胀过程中，随着初始干密度的增大，土样的体积收缩率逐渐减小，体积膨胀率变化不大，即经过一次收缩后，初始干密度对土样膨胀性的影响减弱。 关键词：膨胀土；胀缩变形；体变特征；干密度；照相法 ＤＯＩ：１０畅１３２０４／ｊ．ｇｙｊｚ２０１５０９０２０ ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＡＬＳＴＵＤＹＯＦＶＯＬＵＭＥＤＥＦＯＲＭＡＴＩＯＮＣＨＡＲＡＣＴＥＲＩＳＴＩＣＳ ＯＦＥＸＰＡＮＳＩＶＥＳＯＩＬＳＤＵＲＩＮＧＳＨＲＩＮＫＡＧＥＡＮＤＳＷＥＬＬＩＮＧＰＲＯＣＥＳＳ ＬｉＰｅｎｇ ＴａｎＸｉａｏｈｕｉ ＷａｎｇＸｕｅ ＸｉｎＺｈｉｙｕ ＷａｎｇＸｉａｎｅｎ （ＳｃｈｏｏｌｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｆｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ２３０００９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｓｗｅｌｌｉｎｇａｎｄｓｈｒｉｎｋａｇｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｅｘｐａｎｓｉｖｅｓｏｉｌｈａｓａｖｅｒｙｂａｄｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｂｕｉｌｄｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ｉｔ ｉｓｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｏｒｅｓｅａｒｃｈｔｈｅｓｗｅｌｌｉｎｇａｎｄｓｈｒｉｎｋａｇｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ａｓｅｒｉｅｓｏｆｉｎｄｏｏｒｔｅｓｔｓｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｉｎｃｌｕｄｉｎｇｓｈｒｉｎｋａｇｅｔｅｓｔａｎｄｈｕｍｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｔｅｓｔ，ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｓｅａｒｃｈｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｖｏｉｄｒａｔｉｏａｎｄｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｓｈｒｉｎｋａｇｅａｎｄｗｅｔｔｉｎｇ，ａｎｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｉｎｉｔｉａｌｄｒｙｄｅｎｓｉｔｙｏｎｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎ．Ｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｉｃｍｅｔｈｏｄｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｓｕｒｆａｃｅａｒｅａｏｆｓｏｉｌｓａｍｐｌｅｓｗａｓａｎｉｄｅａｌｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｓｈｒｉｎｋａｇｅａｎｄｓｗｅｌｌｃｕｒｖｅｓｗｅｒｅｐａｒａｌｌｅｌｔｏｅａｃｈｏｔｈｅｒｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｉｔｉａｌｄｒｙｄｅｎｓｉｔｉｅｓ，ａｎｄｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔ－ｖｏｉｄｒａｔｉｏｃｕｒｖｅｓｍｏｖｅｄｄｏｗｎｗａｒｄｗｉｔｈａｎｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｉｎｉｔｉａｌｄｒｙｄｅｎｓｉｔｙ，ａｓｗｅｌｌａｓｈｕｍｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｓ．Ｗｈｅｎｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｄｒｙｄｅｎｓｉｔｙｗａｓｌｅｓｓｔｈａｎｔｈｅｃｒｉｔｉｃａｌｄｒｙｄｅｎｓｉｔｙ，ｔｈｅｓｈｒｉｎｋａｇｅｃｕｒｖｅａｎｄｓｗｅｌｌｃｕｒｖｅｉｎｔｅｒｓｅｃｔｅｄ，ｔｈｅｃｒｏｓｓ－ｓｔａｔｅｉｎｓｈｒｉｎｋａｇｅ－ｓｗｅｌｌｃｕｒｖｅｔｕｒｎｅｄｉｎｔｏｔｈｅｓｅｐａｒａｔｅ－ｓｔａｔｅｗｈｅｎｄｒｙｄｅｎｓｉｔｙｉｎｃｒｅａｓｅｄ．Ｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆａｓｈｒｉｎｋａｇｅ－ｗｅｔｔｉｎｇ，ｔｈｅｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃｓｈｒｉｎｋａｇｅｄｅｃｒｅａｓｅｄｇｒａｄｕａｌｌｙａｎｄｔｈｅｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃｓｗｅｌｌｉｎｇｗａｓｒｏｕｇｈｌｙｔｈｅｓａｍｅｗｉｔｈａｎｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｉｎｉｔｉａｌｄｒｙｄｅｎｓｉｔｙ，ｉｎｏｔｈｅｒｗｏｒｄｓ，ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｄｒｙｄｅｎｓｉｔｙｏｎｓｏｉｌｓｗｅｌｌｗａｓｗｅａｋｅｎｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｘｐａｎｓｉｖｅｓｏｉｌ；ｓｗｅｌｌｉｎｇ－ｓｈｒｉｎｋｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｖｏｌｕｍｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ；ｄｒｙｄｅｎｓｉｔｙ；ｐｈｏｔｏ－ ｇｒａｐｈｉｃｍｅｔｈｏｄ 倡国家自然科学基金项目（４０９７２１９４；４１１７２２７３；４１３７２２８１）。第一作者：李芃，女，１９９２年出生，硕士研究生。通信作者：谭晓慧，ｔａｎｔａｎ９６６６＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ。收稿日期：２０１５－０１－２０ 膨胀土是一种在我国分布范围极广的具有破坏性的黏性土，它具有强亲水性和胀缩性等特点。膨胀土的胀缩性一直是国内外研究的热点，许多学者都围绕该课题开展了大量的试验及理论研究。李志清等用ＤｏｅｓＲｅｓｐｏｎｓｅ模型定量模拟了膨胀土胀缩时程规律 ［１］ ；唐朝生等研究了土体干燥过程中的体 积收缩变形特征，提出了压实土样收缩应变与初始 干密度及含水率之间的函数关系式［２］ 。膨胀土经历多次干湿循环后胀缩变形会随着循环次数的增加逐渐趋于稳定，表现出可逆的性质，即达到平衡状态［３－６］。达到平衡状态后，土的孔隙比及含水率不 受初始干密度的影响，但是在达到平衡之前，初始干 密度会对膨胀土的胀缩性产生影响［６］ 。一般情况下，初始干密度越大，膨胀土的膨胀率越大，而收缩 率越小［７］ 。 通常以含水率－吸力的关系曲线（土水特征曲线）或含水率－孔隙比关系曲线描述膨胀土的脱湿 和吸湿路径［５－６］ ，含水率－吸力－孔隙比的土水特
膨胀土的浸水变形特性
２００５年１１月水利学报 ＳＨＵＩＵＸＵＥＢＡＯ第３６卷第１１期 文章编号：０５５９．９３５０（２００５）１１．１３８５—０７ 膨胀土的浸水变形特性 李振１，邢义川２，张爱军１ （１西北农林科技大学水利与建筑工程学院。陕西杨陡７１２ｌ呻；２中国水利水电科学研究院综合事业部。北京１００蝉４） 摘要：使用压缩仪，对不同起始密度及不同起始含水率的膨胀土进行了分级浸水和一次性浸水膨胀变形试验，同时测试了试样在最水前后不同压力下膨胀变形量的变化过程。试验结果表明，不同浸水路径在浸水的初期阶段对膨胀土的膨胀变形速率有一定的影响，但膨胀率最终值基本一致；浸水膨胀再压缩试验中压缩稳定后的膨胀率比先压缩再｛曼水膨胀试验膨胀稳定后的膨胀率要小，但变化较快，并随着压力的增大，加压后膨胀率逐渐减小，最终两种试验的膨胀率趋于一致；压力对不同初始含水率试样膨胀率的影响较小，对不同初始干密度试样的影响较大；在浸水单向膨胀试验过程中试样的干密度与膨胀率呈双曲线变化规律。 关键词：膨胀土；浸水；压缩；变形；膨胀率 中圈分类号：ＴＵ４儿．２文献标识码：Ａ １研究背景 在膨胀土地区的工程建设中，常用膨胀土作为建筑物的地基，由于膨胀土含有强亲水性黏土矿物成分如蒙脱石和伊利石，使得膨胀土吸水膨胀，失水收缩，从而引起建筑物的开裂、倾斜破坏，或使开挖体的边坡产生滑移失稳等现象，对工程建筑产生极大的危害。据统计，全世界每年由于膨胀土造成的损失可达近百亿元“］。加强对膨胀土工程特性的研究，总结探讨其内在的变形规律性，对工程建设具有十分重要的经济意义和工程实践价值。研究表明，影响膨胀土变形的因素较多，膨胀土的变形不仅与应力路径有关，而且与起始含水率和干密度有关”ｏ。许多学者对膨胀土的结构特性、遇水作用后产生膨胀变形的机理、膨胀土的本构关系及在不同初始状态下的膨胀变形进行了深入的研究”“，从中得到了许多能很好解释膨胀土工程特性的结论，但对于在不同浸水路径下膨胀土遇水增湿而产生膨胀变形的研究却不多。针对这一点，本文在不同的浸水路径和加荷方式下，采用压缩仪对膨胀土浸水变形特性进行试验探讨。 ２试验材料与方法 ２．１试验试样试验土样取白安康工业开发区某工程地基膨胀土，其物理性质试验结果见表ｌ。 表１膨胀土的物理性质试验结果 ２．２试验方法“１按试验方案所需的含水率配制土料，制备试样时采用千斤顶一次压实至控制高度收稿日期：２００５＿０１－２７ 基金项目：水利部“舛８”计划技术创新与转化项目（ｃ渊８） 作者简介：李振（１９６９一），男，陕西华县人，工程师，主要从事岩土工程试验研究。Ｅ．ｍｄ：Ｉｉｄｍｎ８９８＠１２６．一 １３８５
浅谈土的变形特性
2010年 第4期(总第194期) 黑龙江交通科技 HEIL ONGJI A NG JI A OTONG KEJI No .4,2010(Sum No .194) 浅谈土的变形特性 李连志1,王 佳2 (1 黑龙江工程学院土木与建筑工程学院;2 黑龙江省公路局) 摘 要:土的力学性质研究是建立在三大力学基础之上,但又因为土的多相性、散体性和自然变异性,使其与 金属材料有着本质的区别。在土的非线性、剪胀性、硬化与软化、应力路径和应力历史等方面分析了土有别于金属材料的变形特性。 关键词:土体;变形特性;本构关系 中图分类号:U 416 1 文献标识码:C 文章编号:1008-3383(2010)04-0004-01 收稿日期:2010-02-08 0 概 述 土是一种具有多相性、散体性和自然变异性的材料,与材料力学中的金属有着本质的区别。为了研究土的变形往往应用压缩固结仪、三轴压缩仪、平面应变仪、真三轴仪等进行试验,得出土的应力 应变关系。这种关系反映了土体变形的特性。但试验有一定的局限性,试验总是在某种简化条件下进行的,即使真三轴仪能考虑三维受力状态,试验也只能按某种应力状态,某种加荷方式进行。为了更好的了解土的变形特性,仅就土区别于金属材料的变形特性阐述。1 非线性和非弹性 大部分坚硬材料,如金属和混凝土,在受轴向拉压时,应力 应交关系如图1(a)所示,初始阶段为直线,材料处于弹性变形状态。当应力达到某一临界值时,应力 应交关系明显地转为曲线,材料同时存在弹性变形和塑性变形。土体也有类似的特性,图1(b)为土的三轴试验得出的轴向应力 1- 3与轴向应变 之间的关系曲线。与金属等材料不同的是,初始的直线阶段很短,对于松砂和正常固结黏土,几乎没有直线阶段,加荷一开始就呈非线性。土体的非线性变形特性比其他材料明显得多。 这种非线性变化的产生,就是因为除弹性变形以外还出现了不可恢复的塑性变形。土体是松散介质,受力后颗粒之间的位置调整在荷载卸除后,不能恢复,形成较大的塑性变形。如果加荷到某一应力后再卸荷,曲线将如图1(b)虚线所示。oa 为加荷段,ab 为卸荷段。卸荷后能恢复的应变 e 即弹性应变。不可恢复的那部分应变 p 为塑性应变。经过一个加荷退荷循环后,再加荷,将如图1(b)中的bc 段所示,它并不与ab 线重合,而存在一个环,叫回滞环。回滞环的存在表示卸荷再加荷过程中能量消耗了,要给以能量的补充。再加荷还会产生新的不可恢复的变形,不过同一荷载多次重复后塑性变形逐渐减小。 土体在各种应力状态下都有塑性变形,甚至在加荷初始应力 应变关系接近直线的阶段,变形仍然包含弹性和塑性两部分。卸荷后不能恢复到原点。非线性和非弹性是土体变形的突出特点。 2 塑性体积应变和剪胀性 土体受力后会有明显的塑性体积变形。由土样在三轴仪中逐步施加各向相等的压力P 后,再卸除,所得到的P 与体积应变 v 之间的关系曲线,可见存在不可恢复的塑性体积应变,而且它往往比弹性体积应变更大。这一点与金属不同,金属被认为是没有塑性体积变形的。塑性变形是由于晶格之间的错动滑移而造成的,它只体现形状改变,不产生体积变化。土体的塑性变形也与颗粒的错位滑移有关。在各向相等的压力作用下,从宏观上来说,是不受剪切的,但在微 观上,颗粒间是有错动的。压缩前,颗粒架空,存在较大孔隙,压缩后,有些颗粒挤入原来的孔隙中,颗粒错动,相对位置调整,颗粒之间发生着剪切位移。当荷载卸除后,不能再使它们架空,无法恢复到原来的体积,就形成较大的塑性体 积变形。 (a)金属;(b)土体 图1 材料的应用 应变关系 不仅压力会引起塑性体积变形,而且剪切也会引起塑性体积变形。剪切引起的体积收缩叫剪缩。软土和松砂常表现为剪缩。若剪切引起体积膨胀,则称之为剪胀。紧密砂土,超固结黏土,常表现为剪胀。文献中常把剪切引起的体积变化,不管剪缩还是剪胀,统称为剪胀性,剪缩是负的剪胀。剪胀性是散粒体材料的一个非常重要的特性。3 硬化和软化 三轴试验测得的轴向应力 1- 3与轴向应变 a 的关系曲线有两种形态。图2(a)所示曲线有一直上升的趋势直至破坏,这种形状的应力应变关系称为硬化型。软土和松砂表现为这种形态,图2(b)所示曲线前面部分是上升的,应力达到某一峰值后转为下降曲线,即应力在降低,而应变却在增加,这种形态称之为软化型。紧密砂和超压密黏土表现为这种形态。 密砂受剪时,由于顺位排列紧密,一部分颗粒要滚过另一部分颗粒而产生相对错动,须克服较大的 咬合 作用力,故表现为较高的抗剪强度。而一旦一部分颗粒绕过了另一部分颗粒,结构便变松,抗剪能力减小了,因而表现为软化。超固结黏土剪切破坏后结构黏聚力丧失,也降低强度,表现为软化。对于松砂和软土,剪切过程中结构变得紧密,一般表现为剪缩,因而强度也在提高,呈现硬化特性。硬化和软化与剪缩和剪胀,常有一定联系,但也不是必然联系,软化类型的土往往是剪胀的,剪胀土未必都是软化的。 (下转第7页) 4
砼结构胀缩变形引起结构裂缝
砼结构胀缩变形引起结构裂缝 结构裂缝在建筑上是个严肃的话题，建筑者不希望发生结构裂缝。 结构裂缝对建筑物造成的影响是很严重的，轻的影响使用，减低建筑物使用寿命，重的危及建筑物的安全，同时给使用者造成心理上负担。从而必须找出其造成裂缝原因加于防治。在建筑物施工前对这些引起裂缝的各种因素要有正确理解，要心中有数，对易出裂缝构件要作控制，针对性采取一些对策，减少一些不利因素，降低其危害程度。我们质监人员也要理解明白产生结构裂缝种种因素，从而在质监过程中对施工现场进行指导，提出问题让设计、施工、监理、业主互相配合，从设计开始到施工结束，在构造上、施工方法上、人员素质、材料选用、施工时间要求均要有一个科学的态度，有一个实事求是的精神，使工程取得一个最好的效果。 所谓结构裂缝，我们经常碰到的。例如：楼板开裂、端跨墙身45度斜裂缝、中间部位墙身垂直裂缝、窗洞口上天盘窗角开裂、下窗台窗角开裂、楼层纵向大梁断裂等。这些裂缝发生在结构上，我们称之谓结构裂缝。 结构构件用于承受荷载的，然而在未受到荷载下也出现了裂缝，显然不是由于承受荷重而出现裂缝，而是与荷载无关的因素。这种裂缝是由于结构的变形引起的。引起结构变形例如：温度变化、砼收缩、不均匀沉降等变形。不均匀沉降造成的房屋结构的开裂容易理解，这
里不再叙述。现就砼膨胀和收缩变形引起裂缝作一简单的讨论：砼的收缩和膨胀的变形所引起的裂缝随着结构的不同、所处部位的不同，构件所处季节不同而不同，这种裂缝是多姿多态，无统一的模式，从而人们往往不能一下子就熟悉它、了解它。从而判断带有主观性、随意性，随人的体验不同而不同，难于统一、正确。现把其中几种典型结构裂缝提出来进行讨论。 砼从浇筑到硬化，到使用，它一直在收缩。造成收缩的原因：砼中含有大量的空隙、粗孔及毛细孔。这些孔隙中存在水分，水分的流动影响到砼一系列的性质。当砼在干燥条件下，首先是大空隙及粗毛细孔中的自由水分蒸发。然后细孔及细微孔中水产生毛细压，砼中的水泥石受到这种压力产生变形收缩，即“毛细收缩”。待毛细水蒸发以后，进一步蒸发其分子之间的化学结合的吸附水，首先蒸发晶格间水分；其次蒸发分子层中的吸附水，这些水分蒸发引起砼中水泥石显著压缩，产生“吸附收缩”。水泥浆在水化过程中早期硬化过程也产生收缩，叫做“硬化收缩”，这种收缩亦称自生收缩。砼在空气中与气作用而产生碳化，由此引起的“碳化收缩”。这些收缩随砼中水泥活性提高，水泥量越多，其收缩变形越大。砼水灰比不同，砼孔隙率也不同，则在相同条件，水灰比越大，收缩变形也越大。 砼的收缩值是很大的。从图1中可以看到，在空气中养护，半年多一点时间， （相对收缩率）达3×10-4，一年可达4×10-4。即一年10m长的构件将要收缩4mm。随着时间推移，收缩一直在进行着，需要很长的时间才趋于稳定。见图1。