挤压、剪切作用在增稠现象中的作用

一般认为浓厚颗粒悬浮液的稠化现象与颗粒间的剪切作用有关,然而有研究者发现,在冲击试验中,颗粒间的挤压作用可能是悬浮液的稠化主要原因。为了区分挤压和剪切行为在浓厚颗粒悬浮液稠化现象中的作用,设计了拖球、拖片的对比试验,并且考虑了围压及加载速率的影响。研究结果表明,在稠化过程中,颗粒间的挤压作用占据了主导地位,即颗粒间的挤压作用比剪切作用更容易造成浓厚悬浮液的增稠。围压的存在会影响挤压和剪切的作用力,围压的增大对增稠现象有明显的促进作用;相比于剪切作用,挤压作用对加载速率的促进作用更加敏感。     

基于离散元弹性边界模拟的砂土剪切行为分析

采用二维离散元方法开展数值双轴试验研究砂土剪切力学行为。将室内试验中橡皮膜对砂土试样的柔性包裹效应抽象为作用在试样边界颗粒上的指定法向压力,对传统离散元数值双轴试验进行了改进。改进后的离散元双轴试验能有效模拟室内试验中砂土试样剪切破坏后的侧向不均匀变形现象,并以此开展参数研究,探明了围压、颗粒摩擦因数等参数对砂土剪切行为的影响规律,最后从细观角度得到了剪切带形成过程与相关机理。研究结果表明:砂土应变软化与剪缩现象均随围压的增加而增强,剪胀效应则随围压增加而减弱;砂土变形模量随围压增大而增大,但增幅不明显;砂土残余强度基本不受围压影响,但峰值强度受围压影响明显,砂土峰值强度和对应的轴应变均随颗粒摩擦因数增大而增大,围压和颗粒摩擦因数对试样峰值强度的贡献是有限的;剪切带两侧的砂土颗粒均沿相反方向平移,接触力链主要沿加载方向分布,表现出卸载特性;剪切带内部的砂土颗粒出现相互错动,同时绕自身形心转动角位移较大,接触力链相应发生水平向偏转,出现明显的应变局部化现象,应变局部化首先发生在试样中心,此后迅速贯穿整个试样,同时砂土试样到达峰值强度。剪切带内部砂土颗粒结构疏松,颗粒间接触减弱,颗粒配位数减小,土体孔隙率增大。     

局部振动作用下地下软黏土流动特性试验

为研究引起隧道持续沉降的原因,通过拖球试验从流体力学角度研究地下软黏土在不同含水率、不同振动频率、不同围压条件下流动特性的变化情况。试验结果表明:软黏土的流动性随着含水率和振动频率的增加而增加,随着围压的增大而减小;增加含水率对软黏土流动性的促进作用,在较低含水率时较明显,随着土样含水率的逐渐升高而变得不再显著。围压和振动频率对软黏土的流动特性有交叉影响:在高振动频率下,围压的增加对软黏土的流动特性影响不大;在高围压下,只有当振动频率超过临界值时,振动频率的增加才会影响软黏土的流动特性。     

减阻型纳米二氧化硅流体的流变性分析

采用流变仪等方法测试了自主研发的减阻型纳米流体HNFⅢ的流变性,研究分析了纳米SiO_2颗粒浓度(质量分数0.002 5%~0.20%)、剪切速率和温度等参数对HNFⅢ流变性的影响规律,以及HNFⅢ的剪切增稠机理。结果表明:HNFⅢ的黏度随纳米SiO_2颗粒浓度的增加而升高;剪切速率低于临界剪切速率值γ0时,纳米流体的黏度几乎不变,而一旦超过γ0,黏度快速升高,具有明显的剪切增稠特性,并且低浓度的纳米流体黏度上升更快,导致了不同浓度的纳米流体黏度出现汇聚的特征;同时,临界剪切速率γ0随温度升高而减小,随浓度升高而增大。实验得到了纳米液HNFⅢ的本构方程,显示其属于膨胀性流体。重复测试和双向剪切测试表明,剪切增稠具有良好的可逆性,满足"粒子簇"理论。     

成分比例和温度调控对剪切增稠液流变性能的影响

以粒径为350 nm的二氧化硅和聚乙二醇200为原料,通过球磨的方式将不同比例的二氧化硅和聚乙二醇进行充分混合后得到剪切增稠液,并从剪切应力、剪切速率与黏度方面分析剪切增稠液的流变特性,研究二氧化硅质量分数和温度对黏度的影响.结果表明,在一定范围内,随着纳米二氧化硅含量增加和温度的降低,剪切增稠液的整体黏度逐渐增加,临界剪切速率逐渐减小,更易触发剪切增稠机制.     

三轴压缩荷载下高温处理后泡沫混凝土力学性能试验研究

为探究围压、高温处理以及加载速率3种因素对泡沫混凝土(FC)三轴压缩性能的影响,针对湿密度为500 kg/m³的FC(FC-500)开展高温后三轴压缩试验。研究结果表明：在低围压作用下,FC-500以剪切破坏为主;随着围压增加,FC-500出现局部压溃现象;在高围压作用下,FC-500主要以压溃破坏为主。FC-500三轴压缩应力-应变曲线在峰前表现为弹塑性特征,峰后表现为屈服平台特征;FC-500三轴压缩强度随着围压、加载速率的增加而增加,随处理温度的升高而减小;采用折减系数法可将FC-500的峰后应力-应变曲线简化为理想弹塑性模型。     

加载速率对实时高温花岗岩三轴力学特性影响的实验研究

以未风化花岗岩为实验对象,在高温高压三轴力学实验系统上开展三轴压缩实验,分析了三种加载速率下岩样温度、围压对峰值强度、弹性模量的影响,探讨了岩样热损伤演化规律的加载速率效应,建立了花岗岩冷损伤方程。结果显示:在100℃时,加载速率增大,低围压区岩石由延性转向脆性,渐进破坏向突发失稳转变;在500℃时,加载速率增大,低围压区弹性模量硬化明显,失稳模式为准突发失稳;随着加载速率的增大,在低温30～200℃时峰值强度的增加显著,在较高温度200～500℃时峰值强度的增加幅度降低,随着围压的升高,加载速率使峰值强度增强作用降低;各级岩石温度条件下,加载速率与弹性模量相关性不显著;低围压时弹性模量增幅较大,高围压时弹性模量增幅较小;随着加载速率的提高,弹性模量损伤与岩石温度的关系由线性转变为非线性的临界围压降低。     

PBT复合材料的剪切稠化现象

当PBT（聚对苯二甲酸丁二醇酯）中加入PTW（乙烯-丙烯酸丁酯甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物）和GF（玻璃纤维）后,在较低的剪切速率下都可以观察到剪切稠化现象。但两者产生稠化的机理不同：PBT／PTW体系中剪切稠化具有较好的可逆性;而PBT／GF体系中稠化只是初始的相形态引起的粘度变化,当玻璃纤维的取向调整到与流动方向一致时,不会有稠化产生。实验还发现：当PTW和GF同时加入PBT中,剪切稠化现象也会变弱。     

剪切速率对黄土力学性质及邓肯 张参数的影响

为探究加载速率对原状黄土强度和变形特性及其邓肯-张模型参数的影响,采用SLB-1型三轴剪切渗透试验仪,开展原状黄土在不同围压和剪切速率下的不固结不排水三轴剪切试验,并通过微观试验验证其宏观力学性质。结果表明：在试验参数设定范围内,剪切速率对原状黄土的力学性能有显著影响,不同剪切速率下原状黄土的偏应力－应变关系基本符合双曲线关系;初始变形模量随围压的增大而增大,随剪切速率的增大呈现先增大后减小的规律,原状黄土的黏聚力c、无因次基数K、应力破坏比Rf和破坏强度与剪切速率之间存在明显的临界剪切速率转折点1.7 mm?min-1,此时各参数均达到最大值,无因次指数n无明显规律可循;当剪切速率小于此临界值时,黏聚力c、无因次基数K、应力破坏比Rf和破坏强度随着剪切速率的增大而增大,当超过剪切速率临界值时又有一定程度的降低,总体上呈现先增大后减小的规律,而内摩擦角随着剪切速率的增大而逐渐增大且增大幅度甚微;试样的偏应力－应变曲线无明显的峰值点,呈应变硬化型;通过拟合曲线,得到了原状黄土试样的抗剪强度指标和破坏强度与不同剪切速率之间的拟合公式,以期更好地研究剪切速率的变化对西宁原状黄土力学性能的影响。     

剪切速率对黄土力学性质及邓肯-张模型参数的影响

为探究加载速率对原状黄土强度和变形特性及其邓肯-张模型参数的影响,采用SLB-1型三轴剪切渗透试验仪,开展原状黄土在不同围压和剪切速率下的不固结不排水三轴剪切试验,并通过微观试验验证其宏观力学性质。结果表明:在试验参数设定范围内,剪切速率对原状黄土的力学性能有显著影响,不同剪切速率下原状黄土的偏应力-应变关系基本符合双曲线关系;初始变形模量随围压的增大而增大,随剪切速率的增大呈现先增大后减小的规律,原状黄土的黏聚力c、无因次基数K、应力破坏比R_f和破坏强度与剪切速率之间存在明显的临界剪切速率转折点1.7 mm/min,此时各参数均达到最大值,无因次指数n无明显规律可循;当剪切速率小于此临界值时,黏聚力c、无因次基数K、应力破坏比R_f和破坏强度随着剪切速率的增大而增大,当超过剪切速率临界值时又有一定程度的降低,总体上呈现先增大后减小的规律,而内摩擦角随着剪切速率的增大而逐渐增大且增大幅度甚微;试样的偏应力-应变曲线无明显的峰值点,呈应变硬化型;通过拟合曲线,得到了原状黄土试样的抗剪强度指标和破坏强度与不同剪切速率之间的拟合公式,以期更好地研究剪切速率的变化对西宁原状黄土力学性能的影响。     

基于多晶离散元法的砂岩三轴压缩损伤特性

利用开源软件Neper生成Voronoi晶粒镶嵌体导入3DEC,建立考虑砂岩矿物成分的三维Voronoi多晶离散元模型.基于砂岩的实验室常规三轴压缩试验结果,进行了砂岩细观模型参数标定,开展了三轴压缩条件下非均质砂岩的细观损伤演化过程模拟.研究结果表明,低围压下岩石中产生的微裂纹主要为拉裂纹,伴随少量剪裂纹,而高围压下剪裂纹的生成数量明显增多,甚至峰值强度前剪裂纹的数量大于拉裂纹.试样内微裂纹的演化反映了砂岩在围压作用下的脆延性转化特性;砂岩出现明显的扩容现象,围压越大,扩容滞后越明显,且相应的扩容点应力占强度百分比增大.     

苏州黏土的力学特性

为了研究结构性对土的力学特性的影响,对苏州黏土的原状样和人工制备样进行等向压缩试验、三轴固结排水剪切试验和不排水剪切试验.试验结果表明：在固结压力相同时,原状样比人工制备样具有更大的孔隙比、压缩指数C_c和膨胀指数C_s;剪切时的围压对人工制备样的应力比-应变曲线没有影响,而对原状样的应力-应变曲线有影响,即剪切围压小的试样得到的应力比较高;排水剪切围压相同时,人工制备样的强度高于原状样的强度,这是由于原状样的孔隙比大于人工制备样的孔隙比;孔隙比相同时,原状样的强度比人工制备样的要高.     

侧限条件对岩石单轴压缩性能的影响分析

为研究侧限条件对岩石单轴压缩性能的影响规律,借助FLAC3D有限差分软件对位移控制和应力控制两种加载模式下的大理岩试样实施了数值模拟试验。试验实施过程中将侧限条件分为无侧限、单面侧限、邻面侧限、对面侧限、三面侧限和完全(四面)侧限六种工况,试验结果显示:位移控制模式和应力控制模式对岩石单轴压缩性能存在显著区别,两种加载控制模式下岩样的竖向位移均在竖向应力达到相同数值后出现增长速率分离,但前者使试样出现显著的蠕变现象;不同侧限工况下,临空面Y向离面位移的发展可划分为近似线性低速发展和非线性高速发展两个阶段,在位移控制模式下三面侧限条件对应的后期位移发展更为剧烈;最大剪切应变率计算云图显示部分侧限条件下远离侧限面的试样角点优先破坏,但最大剪切应变率数值与侧限数量并非呈线性关系。研究结论对更为精准的确定复杂应力条件下岩土体的强度和形变特征具有一定的参考意义。     

砂土单调剪切力学性状的颗粒流模拟

利用离散单元法中的二维颗粒流方法(PFC2D),采用了两种不同接触刚度模型对福建标准砂常规三轴试验结果进行了细观数值模拟,并探讨了不同围压水平下两种接触刚度模型的适用性.研究结果表明:对于Hertz-Mindlin接触模型,细观剪切模量影响数值试样的宏观变形模量,颗粒摩擦系数影响试样的峰值强度,细观泊松比变化对试样宏观响应影响不大.当考虑一个确定围压水平下的三轴试验模拟时,两种接触刚度模型均能得到较理想的结果;而当考虑不同围压条件时,由Hertz-Mindlin接触模型得到的结果要比线性接触模型更加符合实际砂土的性质.     

南京地区粉土的不排水三轴压缩试验

通过全自动三轴仪进行了南京地区粉土的三轴不排水的试验,研究了围压和干密度对应力-应变曲线、孔隙水压力曲线和有效主应力比曲线的影响.试验表明:高围压状态下粉土试样呈现出弱应变软化型,而低围压状态下呈现出应变稳定型;低围压下试样在加载初期产生正孔隙水压力,随后产生负孔隙水压力,其后基本保持稳定;干密度越大,主应力差峰值越大,表现出较大的剪胀性,孔隙水压力易出现负孔隙水压力;干密度值较高时,土样处于密实状态,表现出剪胀特性,有效主应力比-应变曲线近于应变软化型;围压较低、干密度较大时,试样易表现出软化特征,试样出现剪切带破坏,强度明显下降.     

Particle simulation of the failure process of brittle rock under triaxial compression

In order to investigate the failure process of brittle rock under triaxial compression through both experimental and numerical approaches, the particle simulation method was used in numerical simulations and the simulated results were compared with those of the experiment. The numerical simulation results, such as fracture propagation, microcrack distribution, stress-strain response, and damage patterns, were discussed in detail. The simulated results under various confining pressures (0–60 MPa) are in good agreement with the experimental results. The simulated results reveal that rock failure is caused by axial splitting under uniaxial compression. As the confining pressure increases, rock failure occurs in a few localized shear planes and the rock mechanical behavior is changed from brittle to ductile. Consequently, the peak failure strength, microcrack numbers, and the shear plane angle increase, but the ratio of tensile to shear microcracks decreases. The damage formation during the compression simulations indicates that the particle simulation method can produce similar behaviors as those observed through laboratory compression tests.     

Impact-activated solidification of dense suspensions via dynamic jamming fronts

Although liquids typically flow around intruding objects, a counterintuitive phenomenon occurs in dense suspensions of micrometre-sized particles: they become liquid-like when perturbed lightly, but harden when driven strongly. Rheological experiments have investigated how such thickening arises under shear, and linked it to hydrodynamic interactions or granular dilation. However, neither of these mechanisms alone can explain the ability of suspensions to generate very large, positive normal stresses under impact. To illustrate the phenomenon, such stresses can be large enough to allow a person to run across a suspension without sinking, and far exceed the upper limit observed under shear or extension. Here we show that these stresses originate from an impact-generated solidification front that transforms an initially compressible particle matrix into a rapidly growing jammed region, ultimately leading to extraordinary amounts of momentum absorption. Using high-speed videography, embedded force sensing and X-ray imaging, we capture the detailed dynamics of this process as it decelerates a metal rod hitting a suspension of cornflour (cornstarch) in water. We develop a model for the dynamic solidification and its effect on the surrounding suspension that reproduces the observed behaviour quantitatively. Our findings suggest that prior interpretations of the impact resistance as dominated by shear thickening need to be revisited.     

砂岩蠕变特性试验及三维非线性力学模型研究

为了描述岩石的蠕变力学行为,开展不同围压条件下的砂岩三轴压缩蠕变试验。研究表明：岩石稳定蠕变阶段是岩石微裂纹不断发育和扩展的过程,稳态蠕变速率与围压呈幂函数增长关系;砂岩在围压5 MPa、10 MPa和15 MPa下的长期强度分别为19.8 MPa、22.3 MPa和24.7 MPa,长期强度随围压的增强而递增。基于岩石蠕变的非线性特征,定义了一个与围压相关的黏弹性模量E（p）,经过推导变换得到了可反映岩石蠕变受时间和围压影响的E（p,t）,应用于改进后的Burgers模型,从而得到新的一维蠕变本构模型。将其拓展到三维应力状态,得到新的三维非线性力学模型,识别蠕变试验数据,对比分析预测效果,证明所建模型的可行性和合理性。研究成果为岩石三维应力状态下蠕变行为模拟提供一定参考。     

金属矿尾砂浆压缩与剪切屈服应力的关系

膏体流变学的研究是矿业浆体流变学的热点和难点。膏体技术包括脱水、搅拌、输送、堆存(充填)4个阶段,均涉及到非牛顿流体流变特性。在脱水阶段,全尾砂的压缩屈服应力影响了尾砂浆的脱水浓度,浓度是剪切屈服应力的宏观表现,继而影响了混合搅拌和管道输送过程中浆体的剪切屈服应力。所以,压缩屈服应力和剪切屈服应力之间的关系成为了膏体充填技术领域中的关键问题。在压滤理论指导下,开展相关实验,提出了全浓度范围内床层脱水阻力和浆体输送性能表征方法,以表征全尾砂浆的可浓密性能。对全尾砂高压力作用下的可浓密性能进行测试,得到高压力下全尾砂浆体的压缩屈服应力;使用控制剪切速率法(CSR)操作桨式流变仪检测剪切屈服应力;继而得到两者之间的关系为：浆体屈服应力为剪切应力,压缩屈服应力为压缩应力;浆体的压缩屈服应力、剪切屈服应力与浓度指数均呈指数关系。并且压缩屈服应力远大于剪切屈服应力,因此剪切作用更易破坏絮团,是脱水的主要外部动力,从而解释了搅拌脱水的力学机理。     

不同卸荷速率下变质石英砂岩力学性质试验分析

为研究不同卸荷速率下岩石力学特性,以锦屏一级大奔流沟料场特高边坡变质石英细砂岩为例,开展不同卸荷速率和不同围压下的卸荷试验,得到了应力-应变曲线,重点分析了卸荷速率对应力-应变关系、破坏特征、破坏应力差、强度参数的影响规律.结果表明:卸荷作用对岩石脆性破坏特征明显;常规加载试验为压剪破坏,卸荷试验为张剪破坏;随着围压的降低,弹性模量不断降低,卸荷速率越快,非线性关系越明显;卸荷速率越快,泊松比增加越慢;卸荷条件下岩石的黏聚力减小,内摩擦角增大.