泥岩碎屑作为路基填料的吸湿膨胀变形特性

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作者 李涵 曾亚武 +2 位作者 汤禧龙 产泉泉 程树范 《长江科学院院报》 北大核心 2025年第2期129-137,共9页

为贯彻落实绿色发展理念,促进红层渣土资源再利用,以甘肃天水地区的红层泥岩碎屑为研究对象,开展压实泥岩碎屑试样的侧限膨胀试验,建立改进的Huder-Amberg膨胀模型,获取试样最终含水率随轴向压力变化的函数,绘制试样压缩模量随含水率增... 为贯彻落实绿色发展理念,促进红层渣土资源再利用,以甘肃天水地区的红层泥岩碎屑为研究对象,开展压实泥岩碎屑试样的侧限膨胀试验,建立改进的Huder-Amberg膨胀模型,获取试样最终含水率随轴向压力变化的函数,绘制试样压缩模量随含水率增大而劣化的曲线,并基于湿度场理论提出一种分层模拟路基吸湿膨胀变形的数值计算方法。研究结果表明:①压实红层泥岩碎屑遇水仍具有较强的膨胀性,最大膨胀应力为120.0 kPa,侧限膨胀率为0.163;②外加轴向压力从最大膨胀应力值降为0时,压实泥岩碎屑试样的最终含水率从20.6%升至40.0%、压缩模量从3605.8 kPa降至34.1 kPa;③分层确定填筑路基的湿度线膨胀系数方法,与不分层法计算相比,路基吸湿膨胀变形更大,用于工程设计更加保守和安全;④泥岩碎屑遇水产生超过相关规范要求的膨胀变形是其不宜直接作为路基填料使用的根本原因,掺入2%的水泥改性可有效解决以上问题。 展开更多

关键词 路基工程 泥岩碎屑 吸湿膨胀 湿度场理论 分层模拟

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磷渣-水泥稳定碎石在县乡公路基层中的应用

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作者 曾卫新 杨春 +1 位作者 胡才渊 程树范 《交通节能与环保》 2025年第1期199-203,222,共6页

磷渣-水泥稳定碎石在路面基层中的应用有助于消纳磷化工企业副产的磷渣固体废弃物,是一项值得推广的绿色施工技术。本文以枝江市县乡道改造项目的磷石膏基层试验段为依托,对磷渣-水泥稳定碎石层的路用性能进行讨论,并根据基层强度和弯... 磷渣-水泥稳定碎石在路面基层中的应用有助于消纳磷化工企业副产的磷渣固体废弃物,是一项值得推广的绿色施工技术。本文以枝江市县乡道改造项目的磷石膏基层试验段为依托,对磷渣-水泥稳定碎石层的路用性能进行讨论,并根据基层强度和弯沉值对配合比方案进行了优化。研究结果表明:(1)无骨料的磷渣水泥复合胶凝材料强度和刚度较低;(2)碎石可为磷渣水泥复合胶凝材料提供骨架,提高基层的强度和刚度;(3)48%改性磷渣、45%碎石、7%硅酸盐水泥熟料的基层填料方案的路用性能满足规范要求,现场检测合格率100%,且成本较低,能有效消耗磷渣。 展开更多

关键词 道路工程 磷渣(磷石膏) 工程应用 路面基层填料 路用性能

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桩板式拼宽路基的路面沉降及连接处变形规律研究

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作者 董朝杰 焦长青 程树范 《路基工程》 2025年第3期19-24,共6页

以京港澳高速公路扩建项目为依托,通过数值计算的方法,对长期荷载和交通荷载作用下填筑式、支承型桩板式和搭接型桩板式拼宽路基的变形规律进行分析。结果表明:桩板式支撑的刚度大于填筑式支撑,长期荷载作用下搭接型拼宽路基非均匀沉降... 以京港澳高速公路扩建项目为依托,通过数值计算的方法,对长期荷载和交通荷载作用下填筑式、支承型桩板式和搭接型桩板式拼宽路基的变形规律进行分析。结果表明:桩板式支撑的刚度大于填筑式支撑,长期荷载作用下搭接型拼宽路基非均匀沉降较为明显;周期荷载作用下,支承型路基的动态响应明显,在连接处的最大非均匀变形达到了准静态荷载的5.9倍。拟扩宽段水系发育,近水条件下局部有软土与膨胀土,可考虑局部采用支承型拼宽方案,以更好地对路基非均匀变形进行控制。 展开更多

关键词 桩板式路基 交通荷载 蠕变变形 非均匀沉降 数值计算

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扰动冲击下弱胶结红砂岩的能量耗散与分形特征 被引量：17

4

作者 张慧梅 陈世官 +3 位作者 王磊 程树范 杨更社 申艳军 《岩土工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第4期622-631,I0004,I0005,共12页

为探索动态扰动后西部矿区软岩夹层的能量耗散规律和破坏模式,利用分离式霍普金森压杆装置对弱胶结红砂岩进行动态冲击破坏试验,分析该类红砂岩在受到不同加载速率、不同次数扰动冲击以及是否扰动的条件下,试样在相同加载速率破坏性冲... 为探索动态扰动后西部矿区软岩夹层的能量耗散规律和破坏模式,利用分离式霍普金森压杆装置对弱胶结红砂岩进行动态冲击破坏试验,分析该类红砂岩在受到不同加载速率、不同次数扰动冲击以及是否扰动的条件下,试样在相同加载速率破坏性冲击过程中的能量耗散与分形特征。试验结果表明:在不同速率扰动冲击作用下,随着扰动冲击次数的增加反射能递增而透射能和耗散能呈减小趋势,其中较高速率扰动冲击下试样的反射能高于低速率扰动冲击,耗散能则相反,且低速率扰动冲击下试样的耗散能、能量耗散率和能量耗散密度高于较高速率扰动冲击,表明低速率扰动冲击下试样的能量利用率更高;在破坏性冲击试验中,随着扰动冲击次数的增加,低速率扰动后试样的破碎程度相较于未扰动与高速率扰动更为严重,对应分形维数D_(b)低速率扰动>未扰动>高速率扰动,表明分形维数与扰动冲击次数呈正相关,与扰动冲击速率呈负相关;在相同扰动冲击次数下,低速率扰动试样的D_(b)所对应累积耗散能和耗散能密度高于较高速率扰动试样,而对应的累积反射能则相反。 展开更多

关键词 弱胶结砂岩 扰动冲击 SHPB 能量耗散 分形维数

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冲击作用下煤岩动态破坏机理的FDEM模拟研究 被引量：6

5

作者 程树范 高睿 +2 位作者 曾亚武 张嘉凡 陈世官 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2022年第19期136-143,共8页

为研究煤岩的动态破坏规律,利用Φ50 mm分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)装置,开展了煤岩冲击破坏试验。基于零厚度的内聚力单元建立了煤岩有限离散元方法(finite discrete element method,FDEM),标定了模型参数... 为研究煤岩的动态破坏规律,利用Φ50 mm分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)装置,开展了煤岩冲击破坏试验。基于零厚度的内聚力单元建立了煤岩有限离散元方法(finite discrete element method,FDEM),标定了模型参数;最后在LS-DYNA软件平台上模拟了SHPB冲击试验,讨论了FDEM模型在模拟动态破坏时的适用性,并对煤岩的破坏过程进行分析。研究表明:①煤岩动态抗压强度与应变率满足经验关系,当应变率为98.05 s^(-1)、119.22 s^(-1)和135.85 s^(-1)时其动态强度因子(dynamic strength factor,DIF)分别为1.92、2.08和2.23;②冲击作用下煤岩的弹性变形阶段较短,塑性变形能力较强,动态弹性模量的应变率相关性不显著;③FDEM模型通过零厚度内聚力单元的失效能够模拟岩石类材料的脆性破坏,当网格尺寸合理时,由于惯性效应的存在,通过准静态试验标定的模型参数,也适用于冲击破坏的模拟;(4)冲击作用下煤岩的破碎程度与冲击速度正相关,其破坏形式表现为压缩波引起的局部剪切破坏和泊松效应导致的整体张拉破坏。 展开更多

关键词 冲击破坏 应变率相关性 分离式霍普金森压杆(SHPB) 有限-离散元方法 内聚力模型

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富水卵石层重力式锚碇选型及稳定性分析

6

作者 张洪翠 殷源 +1 位作者 尚宏艳 程树范 《交通科技》 2024年第4期68-73,共6页

富水卵石地层中由高承压水头导致的悬索桥重力式锚碇稳定性不足问题突出。文中依托宜都长江大桥南岸锚碇工程,采用简化理论计算和三维数值模拟相结合的方法,重点研究承压水头变化对其稳定性和沉降变形的影响,并结合实际工况提出基础形... 富水卵石地层中由高承压水头导致的悬索桥重力式锚碇稳定性不足问题突出。文中依托宜都长江大桥南岸锚碇工程,采用简化理论计算和三维数值模拟相结合的方法,重点研究承压水头变化对其稳定性和沉降变形的影响,并结合实际工况提出基础形式优化方案。结果表明,枯水期浅埋扩大基础锚碇造价低,易于施工,具有可推广性。然而,扩大基础底面积大,承压水头增高时,基底压力减小、摩擦减弱会显著降低其抗滑安全系数。通过基底齿坎或阶梯构造夹持卵石的方法,可以有效增强锚碇的整体稳定性。针对文中案例,保持基底面积不变,增加10 m×10 m的齿坎后,高水头条件下其抗滑稳定性系数由1.99增大为2.21,安全性显著增加。 展开更多

关键词 锚碇基础 承压水头 深厚卵石地层 齿坎构造 稳定性计算

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基于损伤-虚拟张拉裂纹模型的地下爆炸围岩破坏规律研究 被引量：4

7

作者 程树范 叶阳 +1 位作者 曾亚武 高睿 《爆炸与冲击》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第5期170-182,共13页

地下硐室作为爆炸危险物的隐蔽贮藏空间,有潜在的内爆炸风险。为研究内爆炸作用下硐室围岩的动态响应机制,提出了一种基于岩石HJC(Holmquist-Johnson-Cook)模型和节理内聚力单元的损伤-虚拟裂纹模型。分析了模拟方法的可靠性,并在此基础... 地下硐室作为爆炸危险物的隐蔽贮藏空间,有潜在的内爆炸风险。为研究内爆炸作用下硐室围岩的动态响应机制,提出了一种基于岩石HJC(Holmquist-Johnson-Cook)模型和节理内聚力单元的损伤-虚拟裂纹模型。分析了模拟方法的可靠性,并在此基础上,通过多物质ALE算法对球形硐室内爆炸过程进行数值模拟,分析了围岩损伤范围和分区破坏规律。研究表明:插入内聚力单元弥补了HJC模型无法模拟低静水压力下张拉破坏的不足,且尺寸效应易于处理。模拟方法同时考虑了岩体内张拉裂纹的扩展和岩石材料的塑性损伤,能够真实地反映岩石破坏的全过程。以红砂岩为例,根据数值模拟结果,填实(耦合装药)爆炸时围岩分区破坏规律明显,破碎区比例半径为0.26 m/kg^(1/3)、裂隙区比例半径为0.47 m/kg^(1/3)。随着硐室尺寸的增大,空气的间隔作用可以减小爆炸荷载对围岩的损伤作用,比例半径达到0.52 m/kg^(1/3)时,可以实现爆炸荷载的完全解耦。 展开更多

关键词 抗爆硐室 节理单元 HJC模型 空腔解耦

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甘肃红层泥岩耐崩解试验与矿物夹杂效应研究 被引量：4

8

作者 程树范 曾亚武 +1 位作者 叶阳 高睿 《岩土力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第S01期99-106,共8页

为探究干湿作用下甘肃红层质泥岩加速崩解机制,针对典型的石膏质泥岩,开展浸水及快速崩解试验,并通过与泥质砂岩、页岩和石膏岩的对比,分析了影响岩石耐久性的主要因素,对崩解过程中的矿物夹杂效应进行了讨论。研究结果表明:原状石膏质... 为探究干湿作用下甘肃红层质泥岩加速崩解机制,针对典型的石膏质泥岩,开展浸水及快速崩解试验,并通过与泥质砂岩、页岩和石膏岩的对比,分析了影响岩石耐久性的主要因素,对崩解过程中的矿物夹杂效应进行了讨论。研究结果表明:原状石膏质泥岩浸水自然崩解速度较慢,3 h崩解量为0.11,但高温(>163℃)干燥后夹杂的石膏矿物将完全脱水硬化,体积收缩,再次遇水后岩块于2 h内完全崩解。石膏质泥岩的二次循环耐崩解指数Id2为0.80,属于高耐久性岩石,但在干湿过程中有加速崩解的趋势,第5次循环时的相对崩解指数I5达到了0.56。岩石的耐久性受矿物成分和胶结强度影响较大,矿物膨胀驱使岩块崩解的过程中,泥质岩块易发生均匀破碎而砂质岩块易出现非均匀破碎。石膏质泥岩中黏土矿物夹杂密实,干湿作用下易崩解,所夹杂的石膏矿物具有溶蚀性,且溶蚀后崩解液显弱酸性,石膏溶蚀产生的微裂隙和酸性环境下钙质结核的脱落是导致石膏质泥岩加速崩解的主要原因。 展开更多

关键词 红层泥岩 崩解 石膏夹杂 膨胀矿物 溶蚀效应

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基于相对湿度场和变模量本构的岩土膨胀分析模型 被引量：2

9

作者 程树范 曾亚武 +2 位作者 叶阳 高睿 李涵 《工程科学与技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第5期99-108,共10页

随着含水率(湿度)的增加,红层黏土(岩)会表现出体积膨胀和吸水软化的双重特征,这是诱发红层滑坡和路基隆起等地质灾害的主要原因。为研究含水率对受荷岩土体变形的影响,本文在湿度应力理论的基础上,对含水率归一化处理,提出基于相对湿... 随着含水率(湿度)的增加,红层黏土(岩)会表现出体积膨胀和吸水软化的双重特征,这是诱发红层滑坡和路基隆起等地质灾害的主要原因。为研究含水率对受荷岩土体变形的影响,本文在湿度应力理论的基础上,对含水率归一化处理,提出基于相对湿度的变模量本构,建立岩土膨胀分析模型;以固结黏土和红层黏土岩为研究对象,开展膨胀和吸水软化试验。结果表明:膨胀试验中,黏土岩和固结土的侧限膨胀率分别为0.345和0.205,膨胀应力分别为225.0和112.5 kPa,黏土岩具有更强的膨胀能力;固结土吸水效率更高,能够更快地达到膨胀平衡状态。软化试验中,干燥状态下黏土岩的压缩模量较大,但吸水过程中模量的衰减也较快,饱和状态下固结土与黏土岩的压缩模量基本相同。基于试验数据,对本文模型的稳态参数进行反演,并基于已标定的分析模型对侧限膨胀试验进行模拟,一方面,验证本文方法在稳态分析时的适用性;另一方面,给出了相对湿度场平均扩散率K的标定方法。以圆形洞室遇水问题为算例,进行了稳态理论计算和瞬态数值计算,以说明本文模型在应用于岩土膨胀大变形分析时的优越性。本文分析模型参数易获得,数值模拟结果准确性高,可为红层膨胀岩和膨胀土地区工程建设提供理论指导。 展开更多

关键词 红层黏土岩 湿度应力场 膨胀本构模型 遇水软化 数值模拟 相对湿度扩散率

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黏土岩中水泥锚固体滑脱的有限-离散元模型初探 被引量：1

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作者 程树范 曾亚武 +2 位作者 高睿 张嘉凡 覃祥瑞 《岩土工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第12期2594-2603,共10页

锚固体与围岩有效黏结是保证锚杆(索)系统正常工作的重要前提,为研究黏土岩内水泥锚固体在拉拔荷载作用下的滑移脱黏机理,开展黏土岩三轴试验、黏土岩-水泥砂浆界面直剪试验和水泥锚固体拉拔的物理模型试验,基于有限-离散元方法(FDEM),... 锚固体与围岩有效黏结是保证锚杆(索)系统正常工作的重要前提,为研究黏土岩内水泥锚固体在拉拔荷载作用下的滑移脱黏机理,开展黏土岩三轴试验、黏土岩-水泥砂浆界面直剪试验和水泥锚固体拉拔的物理模型试验,基于有限-离散元方法(FDEM),建立黏土岩-水泥砂浆的二元体模型,对水泥锚固体拉拔过程进行模拟。研究表明:黏土岩黏聚力小于黏土岩-水泥砂浆界面的切向黏结强度,低法向压力时二元体的剪切破坏多为黏土岩的剪切破坏,但黏土岩内摩擦角较大,高法向压力下界面抗剪强度低于黏土岩,二元体剪切破坏逐渐转变为界面脱黏;考虑剪切失效的双线性黏聚力模型在模拟软岩破坏时是适用的,而二元体黏结界面更适合通过黏结-摩擦模型模拟;水泥锚固体拉拔失效过程可分为黏结变形阶段,界面脱黏阶段,剪胀咬合阶段和滑移阶段4个阶段,界面脱黏后,锚固体附近黏土岩的剪切破坏也是导致锚固失效的重要因素,剪胀咬合阶段的咬合力决定了锚固体的峰值抗拔能力。研究结果对于软岩地区锚固结构设计有一定的指导作用。 展开更多

关键词 二元体界面 黏聚力单元 剪胀作用 锚杆(索)锚固体 有限-离散元方法

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煤岩液态二氧化碳爆破开采实践与模拟 被引量：4

11

作者 张嘉凡 程树范 +4 位作者 高壮 樊浩 张婵 周飞文 周洪文 《煤炭科学技术》 CAS CSCD 北大核心 2020年第S01期24-27,共4页

为准确把握煤岩液态CO2爆破开采的技术特点,通过动、静力学特性试验测定了煤岩力学参数,采用有限元数值模拟与工程实践相结合的手段,研究了原煤液态CO2爆破开采的效果及特点。结果表明:受到致裂装置释放器的约束,相较于常规爆破手段,液... 为准确把握煤岩液态CO2爆破开采的技术特点,通过动、静力学特性试验测定了煤岩力学参数,采用有限元数值模拟与工程实践相结合的手段,研究了原煤液态CO2爆破开采的效果及特点。结果表明:受到致裂装置释放器的约束,相较于常规爆破手段,液态CO2爆破过程中能量释放较为平缓,应力波峰值水平较低,实际爆破有效范围较小,以57型致裂装置为例,其爆破效果仅为换算当量的28.6%。但液态CO2爆破具备传统爆破技术所不具备的安全性,同时实践也表明了液态CO2爆破能有效提高块煤率,实际产煤质量高。就安全环保与清洁高效的发展理念而言,液态CO2爆破技术的使用前景优于传统炸药爆破。 展开更多

关键词 液态CO2爆破 当量换算 力学特性 煤岩力学参数

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干湿作用下受荷石膏质泥岩的不可逆膨胀特征 被引量：1

12

作者 程树范 曾亚武 +1 位作者 高睿 李涵 《岩土力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第S01期332-340,共9页

为研究干湿作用及应力状态对石膏质泥岩膨胀性的影响,采用自行设计的试验装置对采自平-绵高速公路天水2号隧道的原状岩样进行荷载耦合的干湿循环试验,就循环过程中及干湿循环后泥岩的宏观膨胀规律和细观膨胀机制进行分析。研究结果表明:... 为研究干湿作用及应力状态对石膏质泥岩膨胀性的影响,采用自行设计的试验装置对采自平-绵高速公路天水2号隧道的原状岩样进行荷载耦合的干湿循环试验,就循环过程中及干湿循环后泥岩的宏观膨胀规律和细观膨胀机制进行分析。研究结果表明:(1)该试验装置可以实现干湿循环与特定应力状态(侧限压缩)的全过程耦合,且试样无自由表面,与地下岩体真实赋存状态较为接近;(2)当法向压力小于试样膨胀应力时,第1次吸水后试样有明显膨胀变形,在排水固结后可恢复的变形比例较小,而继续干湿循环,试样的胀缩变形将不再明显;(3)第1次干湿循环后,泥岩内矿物由颗粒胶结状态退化为絮状堆积状态,黏土化趋势明显,膨胀应力下降比例超过80%;(4)增加法向压力虽然可以减小甚至消除干湿循环过程中石膏质泥岩的膨胀变形,但无法抑制其细观结构的劣化;(5)通过有荷载的干湿循环,以一定的围岩变形为代价,可以减弱石膏质泥岩的膨胀性,但需要注意干湿循环也会降低石膏质泥岩的抗剪强度。上述结论对于石膏质泥岩地区隧道建设及地质灾害防治具有一定的指导作用。 展开更多

关键词 耦合作用 干湿循环试验 细观结构 石膏质泥岩 膨胀岩

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水环境中高压水射流成孔的数值模拟 被引量：3

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作者 程树范 《煤矿爆破》 2019年第1期16-19,共4页

为研究水环境中射流速度对成孔深度、成孔直径及射流周边岩体的影响,基于岩石Holmquist-Johnson-Cook(HJC)模型,采用有限元显式动力分析软件LS-DYNA建立了水域中高压水射流成孔的数值模型,模拟了射流成孔过程。结果显示:随着射流速度的... 为研究水环境中射流速度对成孔深度、成孔直径及射流周边岩体的影响,基于岩石Holmquist-Johnson-Cook(HJC)模型,采用有限元显式动力分析软件LS-DYNA建立了水域中高压水射流成孔的数值模型,模拟了射流成孔过程。结果显示:随着射流速度的增加,成孔深度从最开始的显著增加,转变为缓慢增加,最后稳定;成孔直径与射流直径之比受射流速度影响不大,始终保持在1.5～1.8;水环境中应力波衰减速度快,射流过程对其周边岩体影响较小。研究结果对于高压水射流技术的水下应用有指导作用。 展开更多

关键词 高压水射流 岩石动力学 HJC模型 数值模拟

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