基于超声波波速及 BP 神经网络的胶结充填体强度预测

尾砂胶结充填体作为一种水泥基多相复合材料,其单轴抗压强度与超声波波速受水泥含量、固体质量分数、试件形态等因素影响.通过制备三种形态(7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm立方体,φ5 cm×10 cm圆柱体和φ7 cm×14 cm圆柱体)的试件并进行单轴抗压强度试验和声波波速测试,对充填体强度和波速受水泥含量、固体质量分数和试件形态影响的规律进行了灰色-关联度分析.结果表明：水泥含量是影响强度的关键核心因素,关联度为0.837;固体质量分数是影响波速的关键核心因素,关联度为0.712.建立了充填体强度-波速指数函数预测模型和BP神经网络预测模型,通过对两种预测模型进行统计分析的F检验和t检验验证了两种方法在充填体强度预测的可行性,为胶结充填体的强度预测提供了新方法.     

类岩石材料力学特性参数多元线性回归模型

为探究多因素对类岩石材料力学特性的影响,采用正交设计方法,选取水泥含量、石膏含量、骨料粒径、冲击力、冲击次数作为影响因素,得到25组类岩石材料单轴压缩条件下抗压强度、弹性模量及容重的正交试验结果。应用方差分析获得各因素的敏感性,并运用SPSS(Statistical Package for the Social Science)对试验结果进行多元线性回归分析,研究显著因素对类岩石材料力学特性的影响规律。研究结果表明:类岩石材料抗压强度受水泥含量、石膏含量、骨料粒径、冲击力的影响显著,且随着水泥含量、石膏含量和冲击力的增加而增大,随粒径增大而减小;弹性模量受水泥含量、石膏含量、骨料粒径的影响显著,且与水泥含量、冲击力呈正线性关系,与粒径大小呈负线性关系;容重受冲击力的影响显著,并随之增加而增大。针对多因素不同水平的正交试验结果应用多元线性回归分析可以建立类岩石材料力学特性的回归方程模型,能够在一定范围内预测类岩石材料的抗压强度、弹性模量及容重,为进一步定量化开展物理模型试验奠定了基础。     

再生块体混凝土的单轴受压试验

首先,将抗压强度分别为26.7,45.0,87.6 MPa的3种旧混凝土块体与普通商品混凝土进行混合浇筑,制作18个再生块体混凝土立方体试件和18个棱柱体试件.然后,进行立方体试件和棱柱体试件的单轴受压试验,研究旧混凝土的取代率及新旧混凝土的抗压强度差对再生块体混凝土受压力学性能的影响.结果表明:在添加低抗压强度(26.7,45.0 MPa)旧混凝土的试件中,新旧混凝土结合良好,界面难以辨别;在添加较高抗压强度(87.6 MPa)旧混凝土的棱柱体试件中,新旧混凝土的结合界面出现分离现象;试件的破坏形态似2个对顶的角锥形状;在新旧混凝土抗压强度差不变的情况下,再生块体混凝土的抗压强度、弹性模量、峰值应变随旧混凝土取代率的增加而降低,取代率对抗压强度影响较大,但对弹性模量、峰值应变的影响较小;在新旧混凝土抗压强度差不同、取代率相同的情况下,随着旧混凝土块体抗压强度的增大,再生块体混凝土的抗压强度、弹性模量、峰值应变均呈一定的上升趋势;再生块体混凝土的泊松比变化不明显,平均值约为0.212.     

深埋隧硐模型试验相似材料配比的多元回归分析

为研究深埋岩体相似材料影响因素的显著性,以确定相似材料配比的多元回归方程,采取正交试验方法,选取传统相似材料配比方案中砂胶比(A)、胶结材料石灰含量(B)、胶结材料石膏含量(C)和云母含量(D)为试验因素,同时设置空列为误差列以考虑试验误差的影响,通过单轴抗压和直剪试验等物理试验得到试件的内摩擦角、抗压强度、抗拉强度和粘聚力等物理力学指标,通过极差法求出各因素各水平均值极差,通过分析得出影响规律,即随着试验因素胶结材料(B)的石灰含量增大,相似材料内摩擦角、粘聚力、抗拉强度和抗压强度显著增大,而随着因素砂胶比(A)的减少,相似材料密度与内摩擦角显著减小。通过方差法将各因素影响参数大小进行量化,获得了各因素影响参数贡献率,其中,试验因素胶结材料中的石灰含量(B)对试件内摩擦角、抗拉强度、抗压强度和粘聚力影响贡献率最大,依次为59.1%、53.7%、53.4%和48.3%,表明试验因素胶结材料中的石灰含量(B)对试件内摩擦角、抗拉强度、抗压强度和粘聚力起到主要控制作用,而试验因素砂胶比(A)对试件的密度和粘聚力影响贡献率最大,依次为77.4%和42.0%,表明试验因素砂胶比(A)对试件的密度和粘聚力起到显著控制作用。最后根据各因素对相似材料力学参数影响的贡献率,选取具有显著控制作用的影响因素进行多元回归分析,得到了可用于试验配比的多元回归方程。     

高应变率下灰砂比对全尾胶结充填体力学性能影响

为研究采矿扰动下灰砂比对全尾胶结充填体力学响应,预制了三组不同灰砂比的全尾砂胶结充填体试件,利用ф50 mm SHPB试验系统,对预制试件进行单轴冲击试验,试验结果证明:全尾砂胶结充填体对弹性波传播有较强的反射和阻尼作用;在较高应变率下,试件强度则表现出快速软化;软化试件在18μs左右即达到峰值应力;试件动态抗压强度等参数变比均随应变率的增加而增大.灰砂比越高,试件的极限动态抗压强度等参数越大;在相同应变率下,试件的动态抗压强度等参数的增加反而降低.试件的破坏形式为压碎破坏,在相同应变率作用下,水泥含量越少,试件的破坏程度越高.     

粒径对破碎岩石力学性质影响模型试验研究

地下开采诱发顶板冒落的破碎岩石力学性质直接影响上覆岩层的移动规律。针对破碎岩石力学性质的研究,往往采用理论分析结合室内试验的方法,而室内试验的结果往往与真实现象之间往往存在尺寸效应,并不能直接应用到生产指导中去。本文采用模型试验的方法,对冒落带破碎岩石进行缩尺,利用自主设计的破碎岩石压实仪进行破碎岩石力学特性试验,得到4种不同粒径下碎石压实试验的应力–应变关系,分析岩石块径、压实应力对碎石压实力学特性的影响。研究结果表明：极限轴向应变随粒径的增大而增大,并且增长速率逐渐减小;岩样粒径越大应变增长率越大,所有岩样变形初期的应变增长率大于后期应变增长率;初始切线/割线模量随粒径的增大而减小,降低速率也逐渐减小,随着轴向应力的增大,割线/切线模量受粒径变化影响越大;轴向加载应力相同时,粒径越大的岩样压实度变化越明显,随着应力的增大,压实度呈对数增长。     

一种利用岩石强度刻划试验确定岩石PDC钻头可钻性级值的方法

基于微钻岩石可钻性试验与岩石强度刻划试验破岩机制一致性,通过开展试验获得两种试验岩石破碎比功的转化关系,结合岩石PDC钻头可钻性级值求取方法,建立利用刻划岩石破碎比功求取岩石PDC钻头可钻性级值模型,形成一种通过刻划岩心表面得到岩石PDC钻头可钻性级值剖面的方法。结果表明,该方法不但与微钻可钻性试验结果具有很好的一致性,还充分表征了矿物组分、胶结强度、微观结构等复杂因素变化对岩石PDC钻头可钻性级值的影响,且不破坏岩心的整体结构,提高了岩心的利用率,推广应用价值高。     

岩石爆破的破碎块体大小控制

基于岩石组成的层次结构及其力学特性,分析爆炸载荷下岩石破坏的物理本质;探讨岩石爆破中的炸药爆速及装药量对岩石破碎块体尺寸及爆破引起围岩损伤区变化的影响;指出岩石爆破中正确选定炸药品种和确定单位体积炸药消耗量是控制岩石破碎块体大小的有效手段;同时也指出根据爆破目的合理控制岩石破碎块体大小有助于减少爆破引起的围岩损伤.对岩石爆破工程中正确进行装药设计具有重要意义.     

预制裂隙几何参数对类岩材料破坏模式及强度的影响

采用岩石力学伺服试验机,对混凝土材料预制裂纹试件进行单轴压缩试验,根据试验结果分析裂隙参数(裂隙倾角和岩桥倾角)对试件破坏模式和试件单轴抗压强度的影响规律。研究结果表明,当以岩桥倾角分组时,60°岩桥倾角试件组单轴抗压强度最小;当以裂隙倾角分组时,75°裂隙倾角试件组单轴抗压强度最大。裂隙参数变化对于试件的破坏模式及其单轴抗压强度影响显著,并且不同破坏模式中起主要影响作用的参数不同。对于预制裂隙贯通破坏的试件,其微裂纹的搭接贯通模式及试件的单轴抗压强度主要受岩桥倾角影响;对于单裂隙微裂纹贯通破坏和无微裂纹发育的整体脆性破坏的试件,其破坏模式及单轴抗压强度则主要受到裂隙倾角的影响。     

静载历史下的损伤对混凝土动态抗压性能影响研究

为研究正在使用状态下且已存在初始损伤的混凝土构筑物受冲击动力荷载下的动态力学特性,本文以混凝土试件为试验对象,先通过YAD-2000试验压力机对多组混凝土试件进行预加载,使C30混凝土试件出现不同程度的损伤,然后利用SHPB试验设备对试件进行单次冲击压缩试验,研究静载下的损伤对混凝土应力–应变曲线特征、动态抗压强度、破坏模式等特性的影响.通过系列试验发现,经历初始静载的混凝土表现出较强的损伤效应和应变率效应.静载作用下混凝土的损伤对动态抗压强度降低影响关系中,存在一个分界点.大于分界值时,损伤程度变化对混凝土动态抗压强度影响显著.研究结果对于荷载历史混凝土的动态性能研究和应用具有理论意义和参考价值.     

含硫充填体膨胀裂隙发育特性与单轴抗压强度的关联分析

含硫胶结充填体随着养护龄期的延长会出现膨胀开裂现象,存在明显裂隙的充填体试件再进行单轴抗压强度测试其结果十分离散,已不能有效地获得充填体力学参数.在室内进行配比试验,采用数字图像处理技术对得到的充填体表面裂隙图像进行二值化、去噪等预处理,而后计算其分形维数并分析其演化规律,且将分形维数与单轴抗压强度关联分析.研究结果表明:充填体试件面表的裂隙存在自相似性,表面裂隙越发育,其分形维数越大;分形维数与单轴抗压强度存在负相关关系,分形维数越小,其单轴抗压强度越高;分形维数可判别含硫充填体试件的完整性,当充填体表面裂隙的分形维数小于某阈值时,强度试验的结果更为可靠.     

三种不同粒径砂岩的强度与破坏特征

为研究三种不同粒径砂岩在受载条件下的强度变化和破坏特征,选取同一地区的三种不同粒径的砂岩,分别进行了单轴压缩和巴西劈裂试验,借助基恩士超景深显微系统观察三种砂岩在受压、受拉破坏后裂隙周围岩石结构。试验结果表明：（1）砂岩随着粒径减小,颗粒比表面积增大,胶结及结构排列越密实,抗压（抗拉）强度越高,破坏形式由延展性逐渐转为脆性;（2）砂岩抗压强度随着粒径增大而降低,细砂岩较粉砂岩抗压强度降低了24.1%,粗砂岩较粉砂岩抗压强度降低了49.4%;（3）砂岩抗拉强度随着粒径增大而减小,细砂岩较粉砂岩抗拉强度降低了33.2%,粗砂岩较粉砂岩抗拉强度降低了52.3%;（4）砂岩抗压、抗拉强度随着粒径增加分别呈指数、幂函数减小的演化规律和变化特征。     

尺寸效应对生土立方体试件抗压强度的影响

试件的抗压强度是生土基建筑材料的重要力学指标.本次研究以生土材料立方体试件尺寸效应为研究目的,探寻不同尺寸试件对材料抗压强度的影响.对采用同样制样方法、养护方式和加载方法的三种尺寸立方体生土试件进行抗压强度试验,研究试件的破坏形态、抗压强度以及试件的不同尺寸对强度的影响规律与作用机理,并采用统计筛选法推算三种尺寸试件的强度关系系数.结果表明,小尺寸试件破坏过程显著.材料抗压强度随试件尺寸的增大而减少,呈现出线性关系.100 mm试件与150 mm试件的强度换算系数为0.67,100 mm试件与200 mm试件的强度换算系数为0.42.生土基材料试件抗压强度受尺寸效应影响显著.     

动静载作用下砂浆-岩石试件断裂特性试验研究

岩石和砂浆间的界面过渡区易出现裂隙区，而岩体结构又极易承受动态荷载的作用，因此研究岩石砂浆这个界面过渡区性能和破碎特征就具有十分重要的意义。研究砂浆-岩石双材料巴西圆盘模型，通过对两种界面粗糙度以及三种砂子粒径(细、中、粗)的砂浆-岩石组合试件进行静态和动态加载，研究其力学性能和破坏特征。结果表明，粗糙面试件的抗拉强度要大于光滑面的试件，光滑面花岗岩-砂浆试件与粗糙面花岗岩-砂浆试件静态抗拉强度之比为67.3%,光滑面石灰岩岩-砂浆试件与粗糙面石灰岩-砂浆试件静态抗拉强度比为56.8%,岩石本身强度对双材料试件的抗拉强度有一定的影响。在同等粗糙度情况下，中砂试件的抗拉强度是最大的。在应变中，粒径级配和粗糙度对试件的影响较大，岩石种类对试件的影响较小，且同等条件下粗砂试件应变大于细砂和中砂试件。     

南宁盆地软硬水平互层泥岩强度特性分析

为研究软硬水平互层泥岩的基本物理力学性质、强度特性,选取南宁盆地某典型泥岩层,通过建立水平互层泥岩模型,进行了物理力学试验、单轴抗压强度试验、三轴剪切试验、天然状态下岩石抗剪断强度试验以及现场标准贯入试验研究,着重考察了互层泥岩强度变化规律与物理力学特性的影响因素,结果表明:①互层泥岩强度低,强度变异大,天然状态下的单轴抗压强度为1.0～7.0 MPa,饱和单轴抗压强度为0.4～1.3 MPa。岩石在长期浸泡下,强度将折减约75%。②岩相变化大,裂隙发育,具有吸水膨胀失水收缩,并极易软化,水稳定性极差。③抗扰动性能差,无法准确划分风化带,具有较高的超固结特性。     

新型岩石相似材料物理力学参数影响因素的试验研究

运用岩石力学、单因素分析法等理论与方法,通过制作以砂子、石蜡、油等原料的相似材料试件,开展了不同冲击次数、骨料粒径、油含量试件力学性质测试试验。试验结果表明:在石蜡砂子质量之比、油含量等因素一定时,冲击次数为7次、5次、3次,其峰值分别为0.180,0.142,0.123 MPa,冲击次数多的试件抗压强度高于冲击次数少的。骨料粒径为:0.2~0.3,0.3~0.45,0.45~0.9 mm,其峰值分别为0.079,0.114,0.145 MPa,骨料粒径大的试件的抗压强度总是高于骨料粒径小的。油含量为0,10,20 m L,其峰值分别为0.197,0.124,0.108 MPa,油含量大的试件抗压强度低于油含量少的。试件的抗压强度随着冲击次数的不断增大,均随之增大;随着骨料粒径不断增大,均随之增大;随着油含量的不断增加,均随之减小。这些研究成果对相似材料模拟试验具有一定意义。     

不同冷却方式对微波照射后花岗岩强度影响的试验研究

微波辅助破岩对破岩难度较大的硬岩具有良好的应用前景,其中冷却方式对破岩效果有显著影响。为了分析不同冷却方式对微波照射后花岗岩损伤的影响程度,对微波照射后的花岗岩分别经分自然冷却、洒水冷却和水流冲击冷却三种方式冷却。结合热成像试验和单轴抗压试验,对其温度场变化及强度性能进行研究。结果表明:第一,微波照射后的试件均可产生可见裂纹,扩展范围基本分布在试件中部和顶部;第二,同一微波照射参数下,不同冷却方式对花岗岩强度弱化程度不同,采用水流冲击法冷却时,岩石表面温度降低最快,岩样裂纹扩展最为显著,抗压强度降低程度最大,这些成果对试验研究和工程中微波破岩运用提供参考。     

微波照射下花岗岩强度损伤规律研究

为了探究微波照射下花岗岩强度损伤规律,降低地下工程掘进的开挖难度,选取河北省平山县花岗岩试件,分别开展了微波照射后的单轴抗压强度试验和超声波纵波波速试验。分析了各个试验条件下的应力-应变曲线、峰值应力-峰值应变曲线和超声波纵波波速特征。对比研究了不同照射参数下花岗岩纵波波速规律、峰值应力强度损伤规律和弹性模量强度损伤规律。研究结果表明:当微波照射功率大于3.3 kW时,随着照射功率的增大,试件的延性变化并不明显,表现为峰后花岗岩应力迅速减小,而应变变化却很小。不同照射时间下,微波照射功率对花岗岩试件弹性模量影响显著且成反比。在相同照射条件下,基于弹性模量的损伤变量能较好地反映岩石强度损伤程度,而基于纵波波速的损伤变量在一定程度上用来反映岩石强度损伤程度,则会产生较大的误差。     

混凝土斜方体抗压有限元分析及试验研究

随着水泥混凝土的外加剂和掺合料不断发展,仅把传统的立方体抗压强度作为最重要的性能指标显得越来越不完整.本文引入一种斜方体试件作为混凝土强度试验的试件,提出＂斜方体抗压强度＂的概念,该强度考虑了压、拉弯、剪共同作用的复杂受力状态对混凝土强度的影响.有限元分析及试验结果均表明,混凝土斜方体试件受压后沿试件钝角对角线产生主要裂缝并破坏,其破坏机理与立方体试件不同.混凝土斜方体抗压强度反映了混凝土在复杂受力状态下的材料性能,可以作为评定混凝土性能的又一指标.     

基于应变软化的岩石三轴抗压强度数值试验研究

利用FLAC3D数值模拟软件,构建了岩石三轴抗压强度试验数值模型。基于应变软化模型,分析研究了矿物弹性模量E、泊松比ν、粘聚力c、摩擦角φ、剪胀角ψ以及加载速率V等对于岩石峰值抗压强度的影响规律。结果表明:(1)初始加压阶段,岩石试件基本无声发射现象的产生;达到峰值强度前,迅速出现声发射现象,声发射次数突然增加,并逐渐至最高值;峰值强度后,基本无声发射产生;(2)三轴压缩试验试件破坏模式主要有单一贯穿性剪切破坏面、四周崩坍性张拉破坏面、X型剪切破坏面。对于不同围压情况,破坏面形态略有变化,但破坏以上述三种为主;(3)随着矿物颗粒弹性模量、加载速率的增加,峰值抗压强度逐渐增加,之间表现出较为明显的多项式函数关系;同时,峰值抗压强度随矿物粘聚力、摩擦角、剪胀角、侧限围压量值的升高而升高,各自之间成较为明显的线性函数关系;(4)岩石矿物泊松比大小变化与试件峰值强度间无较为明显的线性或非线性关系,即泊松比变化对于岩石峰值强度的影响较为复杂。