深海多金属硫化物破碎能量分析及试验研究

以深海多金属硫化物破碎过程中的能量为研究内容,综合分析该矿物破碎过程中的能量分布情况,提出多金属硫化物破碎过程中能量的计算方法,在不同围压条件下对该矿物试件进行单/三轴破碎实验,得到其应力-应变曲线和单/三轴压缩条件下的总输入能、弹性能和耗散能与应变之间的关系曲线,并对曲线和破碎过程中的能量转化情况进行分析。研究结果表明:得到深海多金属硫化物破碎块的数目等与能量之间的关系;获得多金属硫化物破碎过程中弹性能、耗散能和总输入能的变化曲线以及峰值弹性能与围压之间的关系。     

含陡倾角软弱结构面的花岗岩力学特性及声发射特征

利用MTS 815.03岩石试验机对试件进行三轴压缩试验,采用DISP声发射测试系统进行声发射数据收集,并对含陡倾角软弱结构面的岩体试件和岩石试件进行试验对比.两种试件随围压的增加强度逐渐增加,破坏由脆性向延性转变;岩体试件总是沿结构面滑移破坏,岩石试件为剪切破坏.随着围压的增加,两种试件的弹性模量、变形模量、峰值应变和峰值强度增加;岩体试件弹性模量、变形模量值和峰值强度低于岩石试件,而峰值应变高于岩石试件.岩体试件内摩擦角小于岩石试件,而黏聚力大于岩石试件.随围压的增加,两种试件在峰值应力阶段声发射事件远高于其他阶段,而岩体试件声发射事件集聚量远远高于岩石试件.研究结果表明软弱结构面的存在降低了岩体的力学性质,因此在高放废物地质处置库选址时结构面发育特征是需要考虑的关键因素.     

三向应力下岩石的强度和变形特性研究

为探讨岩石在三向应力作用下的强度和变形破坏规律及影响因素,采用MTS815电液伺服岩石力学试验系统,分别对砂岩和灰岩进行了三轴压缩试验。基于岩石的应力应变曲线与莫尔-库伦准则,对其残余强度、抗剪强度参数和弹性模量等力学变形特性进行了研究,并分析了孔隙率对岩石各类参数的影响。结果表明:围压对岩石的破坏特征有显著影响,岩石由低围压控制下的脆性破坏逐渐转变为高围压控制下的塑性破坏;横向应变的变化规律与侧向压力作用关系不明显,岩石在峰值应力处的横向应变几乎为定值,应力刚降至残余强度时的横向应变也近似为定值;与砂岩相比,灰岩的孔隙率较低,因而内摩擦角较大,峰值强度也越高,峰值后的残余强度降低得越明显;围压对低孔隙率岩石的弹性模量影响较小,而高孔隙率岩石的弹性模量随围压增加而增大。     

板岩各向异性三轴蠕变特性的试验研究

为了研究板岩三轴蠕变特性,根据层理方向,对板岩进行0°和90°制备岩样,然后分别进行5 MPa、15 MPa和20 MPa围压的三轴蠕变试验。试验结果显示:围压和层理面是板岩蠕变的影响因素,围压越大,板岩的弹性模量和峰值强度越大。15 MPa围压下弹性模量和峰值强度各向异性度最大。同一围压下,平行层理面的峰值强度和弹性模量比垂直层理面的大。应力-应变曲线呈"厂"字形,板岩在低应力水平下蠕变很小,在临近破坏的高应力水平下有明显蠕变现象。围压越低,蠕变现象越明显,垂直层理面比平行层理面更易发生蠕变破坏。板岩每级加载都会出现瞬时应变且近似呈线性变化。板岩在最后一级加载下经历了初期蠕变、稳态蠕变和加速蠕变,在5 MPa和15 MPa围压下稳态蠕变期间有突变蠕变。板岩蠕变破裂形式主要沿层理面发生破坏,在低围压下附带张拉破坏,在高围压下附带剪切破坏。     

三轴压缩条件下单裂隙岩样裂隙扩展研究

为研究岩石中裂纹的起裂、扩展和破坏规律,采用PFC2D数值模拟软件结合室内试验对预制单裂隙岩样进行分析。结果表明：（1）当围压为7MPa时,以剪切-拉伸复合破坏模式为主;当围压为14MPa时,试样以“Y”型剪切破坏、单一斜剪破坏模式为主;当围压为21MPa时,试样以“X”型剪切破坏模式为主。（2）试样的破坏模式与围压的大小密切相关,当裂隙长度一定时,随着围压的增大,试样的破坏越明显;当围压一定时,随着裂隙长度的增加,裂纹扩展的规模越大。（3）随着裂隙长度的增加,岩样的峰值强度、弹性模量、起裂应力与损伤应力均呈下降趋势;随着围压的增大,各力学参数均增大,裂隙长度越大时更易诱发新生裂纹,试样强度特性降低。（4）剪切裂纹在整个模拟加载过程中占主导地位且数量始终占比较大;随着围压的增大,拉裂纹逐步占据主导地位,且当围压为21MPa,裂隙长度为39mm时,拉裂纹是剪裂纹的2.73倍;当围压一定时,随着裂隙长度的增加,拉裂纹占比也逐渐减少。     

冲击荷载作用下层状充填体动力学特性及破坏模式

为研究冲击荷载作用下层状充填体的动力学特性,本文采用分离式霍普金森压杆(SHPB)系统及LSDYNA模拟软件,研究灰砂比、冲击速率和分层数对充填体动态弹性模量、静/动态峰值应力、动态强度增长因子及破坏模式的影响规律。研究结果表明：随分层数增加,充填体的动态弹性模量、静/动态峰值应力逐渐减小;随灰砂比增加,充填体的静/动态峰值应力逐渐增大;随冲击速率增大,充填体的动态弹性模量、动态峰值应力及动态强度增长因子逐渐增大;在冲击破碎过程中,完整充填体的破坏模式主要表现为剪切破坏,而层状充填体则于分层面处发生劈裂破坏;当冲击速率小于4 m/s时,未分层充填体沿试件表面发生轻微破碎,层状充填体则沿试件分层面处发生断裂;充填体内分层面的存在可降低充填体动态峰值应力。     

薄膜涂层材料的界面破坏准则

为了确定界面起裂位置及条件的评价方法,通过对引入假想界面裂纹的划痕实验的数值分析,讨论了界面的起裂位置.根据起裂位置的不同界面应力状态及相应的实验结果,提出了界面破坏的强度准则.实验和分析结果表明,在划痕实验中,起裂位置由最大界面剪应力决定,但起裂条件不仅与界面剪应力有关,而且与起裂位置处的界面压应力有关,界面压应力越大,导致界面起裂的界面剪应力也越大.该薄膜界面结合强度的评价准则,不受具体实验条件的影响,具有通用性.     

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。     

三轴压缩下不同岩性煤岩体的强度及变形特征

煤矿井下存在多种岩性的煤岩体,其力学强度和变形特征直接影响巷道支护效果。利用CRIMS-DDL600电子万能试验机,进行了不同围压下砂岩、矸石与煤样的三轴压缩试验,采用莫尔准则诠释了不同岩性的试样破坏角大小不等,通过图形对比和现象分析,得到了围压对3种不同岩性的试样应力、应变曲线及变性特征的影响。结果表明:3种性质的试样三轴压缩过程中都经历了初始压密阶段、弹性阶段、屈服阶段与破坏阶段,且围压越大,试样初始压密阶段越长;在试验加载的围压范围内,3种性质的试样破坏形式并不相同,且3种不同岩性的试样破坏角大小相差较大,砂岩破坏角最大,煤破坏角最小,3种性质的试样其峰值强度随着围压的增大而增长;3种性质的试样符合Coulomb强度准则,依据莫尔应力圆给出3种试样内聚力和内摩擦角的大小;随着围压的增大,3种性质的试样弹性模量呈增大趋势,且围压对试样弹性模量的影响因试样类型的不同而不同。     

干湿循环条件下水泥改良红砂岩土的力学特性试验研究

为研究水泥改良红砂岩土受到干湿循环作用各项力学性质的变化规律,将未改良与掺入不同水泥剂量的红砂岩土试件进行干湿循环,并开展室内三轴试验,研究干湿循环后土体应力-应变曲线、破坏面形式、峰值强度、弹性模量的变化规律。研究结果表明:水泥作为改良剂不改变红砂岩土的应力-应变曲线,但在曲线的各个阶段,水泥对红砂岩土的受力特征均有一定改善;水泥使红砂岩土的破坏形式由塑性破坏向脆性破坏转变;掺入不同剂量的水泥,红砂岩土的峰值强度和弹性模量均有明显提高。随着干湿循环次数的增加,经水泥改良的试件弹性模量和峰值强度呈先降低后提高的趋势;采用指数函数关系式对弹性模量和峰值强度进行多元非线性拟合,建立弹性模量和峰值强度关于干湿循环次数、围压与水泥剂量的关系式,拟合效果理想。     

钢纤维混凝土抗冲击试验研究

采用SHPB装置对不同钢纤维体积率(Vf)的钢纤维混凝土(SFRC)进行多应变率动态力学性能试验研究,测出其应变率敏感阀值,试验表明,当应变率在阀值内升高时,SFRC峰值应力增长缓慢,弹性模量基本不变,应变率超过阀值后升高时,材料动态强度和弹性模量均增长较快,而且,Vf越大,动态强度提高幅度越大.在冲击条件下,钢纤维对SFRC最显著的贡献是增韧,当应变率较高时,基体试件破碎成渣,而同应变率时的SFRC试件还能够基本上保存中间的主体,呈现出"微裂而不散,裂而不断"的破坏形态.     

高海水围压条件下多金属硫化物的破碎机理

为研究高海水围压条件下截齿在切削海底块状多金属硫化物(SMS)过程中的破碎机理,考虑海底块状硫化物高孔隙率、非线性的特点,选择Holmquist-Johnson-Cook(HJC)材料本构模型,基于Lagrangian有限单元法,利用LS-DYNA仿真软件建立截齿切削破碎海底块状多金属硫化物的仿真模型,模拟无海水围压下和高海水围压下海底块状多金属硫化物的切削破碎过程。研究结果表明:在高海水围压作用下,海底块状多金属硫化物的强度明显提高,断裂模式主要是脆性失效向塑性失效转变;海水黏着力和高围压作用使得切屑更难从矿体基岩剥离,截齿受到的阻力明显增大。     

三轴试样高径比对试验影响的颗粒流数值模拟

基于离散元软件PFC3D,通过编制可破碎的颗粒簇单元,模拟三轴试验中不同高径比试样应力应变特性的差异,通过比较强度和变形参数差异探讨适合粗粒土的高径比。研究结果表明:高径比越小,试验得到的内摩擦角越大,围压越大,由于颗粒破碎导致的内摩擦角越小;满足莫尔-库仑准则破坏面的最小高径比随着围压的增加而减小,但都大于现在室内试验常用的高径比;峰值强度随着高径比的增加而减小,随着围压的增大,不同高径比之间峰值强度相对误差减小;割线模量与高径比呈折线形关系;不同高径比之间割线模量的差异随高径比范围的不同而不同,且最小高径比的割线模量与现在室内试验常用高径比的割线模量在低围压下差异较大。依据模拟结果,认为粗粒土的三轴试样高径比应大于2.5。     

水压作用下岩体裂隙压剪起裂准则

为深入研究裂隙闭合与非闭合2种情况下裂隙水导致岩体压剪断裂机理,建立相应的压剪起裂准则。首先,研究初始地应力及裂隙水压作用下的非闭合裂隙尖端应力强度因子及起裂准则,并讨论压剪系数和水压对裂隙压剪起裂应力的影响;其次,研究闭合裂隙压剪破坏机理,并讨论裂隙尖端相对临界尺寸和裂隙面摩擦因数对临界水压(裂隙起裂时的水压)的影响;最后,采用室内试验及现场测试结果对上述两类准则的合理性进行验证。研究结果表明：非闭合裂隙尖端应力强度因子K_Ⅰ应为裂隙面上法向压应力引起的K₍Ⅰ(N))及平行于裂隙面的横向压应力引起的K₍Ⅰ(T))之和,且其起裂模式多为压剪起裂;基于周群力等提出的经验压剪断裂准则,提出相应的非闭合裂隙压剪起裂准则;随着压剪系数增加,起裂应力分别呈非线性增加;随着水压增加,起裂应力呈非线性减小。在水压作用下,闭合裂隙压剪起裂模式往往为拉伸起裂,且裂隙尖端的K_Ⅰ≡0,由此提出了考虑裂隙尖端T应力的修正最大周向应力准则;随着裂隙尖端相对临界尺寸增加,临界水压呈线性减小;随着裂隙面摩擦因数增加,临界水压呈非线...     

含预制裂隙花岗岩破坏的细观多相颗粒流模拟

基于断裂力学理论,分析了单轴压缩条件下,裂隙倾角对岩石裂纹起裂的影响.根据花岗岩矿物组分,建立了包含长石、石英和云母三相结构的细观颗粒流模型,模拟不同裂隙倾角下花岗岩的单轴压缩破坏过程,得到了花岗岩裂纹起裂、强度、应力应变、破坏形态等力学特征.研究结果表明:岩石试样优势起裂角为24°～30°,定向裂隙对裂纹起裂具有导向、促进作用;裂隙花岗岩的起裂应力和峰值强度随裂隙倾角的增大均表现为先减小后增大的变化趋势,当裂隙倾角为45°～60°时,岩石试件强度最低;裂隙花岗岩试样的压缩变形主要为裂隙面的变形,预制裂隙与新生裂隙的连接与贯通形成的宏观破裂面导致岩石破坏;花岗岩矿物组分比例对裂隙花岗岩强度有一定影响.     

水力耦合作用下三维中空裂隙扩展模式与材料破坏强度的试验研究

采用透明树脂类岩石材料制作含三维中空单裂隙试件,开展水力耦合破裂试验,研究三维裂隙起裂扩展模式,分析裂隙倾角和水压对裂隙起裂应力及试件破坏强度的影响规律。研究结果表明:三维中空裂隙的起裂和扩展模式与闭合裂隙相比差异显著,水力耦合下三维裂隙起裂扩展模式呈现低水压与高水压2种类型,水压升高对裂隙起裂、扩展具有显著的促进作用,并改变试件的破坏模式;随裂隙倾角增大,翼裂纹临界扩展长度逐渐减小,鱼鳍状裂纹的萌生时间呈后延趋势;水压对裂隙起裂应力和试件破坏强度的影响分别存在阈值,在达到阈值前,水压升高使起裂应力小幅度增大,而破坏强度逐渐降低;当水压超过阈值后,起裂应力与破坏强度均迅速降低;裂隙起裂应力和试件破坏强度均随裂隙倾角增大而呈先降低后升高的趋势,但起裂应力的变化幅度比破坏强度的变化幅度更大。     

真三向应力作用下深部砂岩力学特性

基于真三轴试验机对取自某储气库、埋深3 600 m的试样开展了一系列砂岩真三轴压缩试验.研究了真三向应力作用下深部砂岩的强度、变形特征，并将深部砂岩与浅部砂岩的弹性模量、黏聚力、摩擦角和峰值破坏强度进行了对比.结果表明：在一定范围内随着中间主应力的增加，深部砂岩的峰值强度也会增加，深部砂岩的起裂应力和损伤应力也随之增加，峰值处的中间主应变呈现减小的趋势.随着砂岩深度的增加，砂岩的弹性模量、黏聚力和摩擦角均呈现增大的趋势.浅部砂岩峰值破坏强度的八面体剪应力与有效平均正应力表现为非线性关系，而深部砂岩峰值破坏强度的八面体剪应力与有效平均正应力表现为线性关系，且Mogi-Coulomb准则更适用于表述深部砂岩破坏时的强度特征.     

温度对全再生混凝土三轴受压性能及破坏准则影响

为研究温度对全再生混凝土三轴受压力学性能及破坏准则的影响,设计制作了30个经不同温度后的全再生混凝土试件进行了三轴受压试验.研究表明:单轴应力条件下,随着温度上升,试件裂缝破碎带变宽;三轴应力条件下,随着温度上升,试件破坏形态由斜面剪切破坏向层状劈裂破坏转变.其次,随着温度上升,抗压强度、弹性模量均呈逐渐下降趋势,但峰值应变则呈逐渐上升的变化趋势;相对于单轴受压状态,温度影响明显减小.最后,根据过镇海模型和M-C理论,分别给出了峰值应力、峰值应变及弹性模量与温度之间的相互关系式,以及M-C理论包络曲线方程.     

单裂隙类岩石强度特性及蠕变模型的实验研究

采用相似材料制作出单裂隙类岩石试件,对单裂隙类岩石试件进行单轴、三轴实验研究。结果表明:(1)单裂隙类岩石试件在单轴压缩下,峰值强度随角度的增加而显著增强;(2)单裂隙类岩石试件在三轴作用下,由于围压作用,试件的峰值强度与单轴压缩的峰值强度呈现不同趋势。当在低围压状态下,峰值强度趋势和单轴压缩下相同;而在高围压状态下,45°裂隙试件的峰值强度最低。通过对比高低围压的应力应变曲线发现围压对45°裂隙的影响最大;(3)通过单裂隙试件的单轴、三轴和围压卸载实验,发现稳态蠕变率都具有相同的趋势:稳态蠕变率随角度的增加先增加后减小,完整试件的稳态蠕变率最低;(4)采用实验法对单裂隙试件的蠕变曲线进行拟合,提出一种适合单裂隙类岩石材料蠕变特性蠕变方程。     

一种新的胶凝砂砾石坝坝料应变预测模型

为了研究胶凝砂砾石料的变形特性,对胶凝掺量60kg/m~3的胶凝砂砾石料在围压为300,600,900和1 200k Pa条件下进行三轴剪切试验,在此基础上,分别采用摩尔库仑准则、改进双曲线及抛物线描述胶凝砂砾石料的强度特性、应力-应变及体积应变-轴向应变关系,形成胶凝砂砾石料的应变预测模型。研究结果表明:高围压时峰值强度之前的应力应变曲线斜率比低围压时的斜率大,但软化不明显;与高围压相比,低围压下的试件会较早出现剪胀现象;轴向应变相同时,围压越高的试件主应力差与体积应变越大。模型计算结果与三轴剪切排水试验数据较为吻合,表明该模型能较准确地反映胶凝砂砾石料应力应变关系。