岩石低温单轴压缩力学特性

以非线性热弹性理论为基础,建立了考虑岩石冰胀效应的变物性本构方程,给出了干燥低温和饱和冻结状态下单轴压缩强度和力学特性参数随温度的变化关系.借助花岗岩在两种状态下的压缩试验结果,探讨了低温花岗岩的单轴压缩力学特性.饱和冻结状态下的抗压强度大于干燥低温状态的抗压强度,其相差量随着温度降低有增加趋势;在同种状态下抗压强度随温度降低呈增长趋势,增长率逐渐减小.低温附加强度主要由岩石基质热力效应所贡献,而由岩石孔隙冰胀效应引起的附加强度相对较小.花岗岩在干燥低温和饱和冻结状态下,变形模量均随温度的降低呈增大趋势,而泊松比变化相对较小.     

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。     

人工冻结尾矿力学特性单轴压缩试验研究

尾矿的冻结会影响尾矿坝的稳定性.通过室内单轴压缩试验,研究了经人工冻结四类尾矿的力学特性及其4个影响因素.研究结果显示,冻结尾矿单轴压缩破坏形式有三种,即斜面剪切破坏、径向拉伸破坏和复合式破坏.冻结尾矿单轴压缩全应力-应变曲线可分4个阶段:初始应变软化阶段、线性应变硬化阶段、非线性应变硬化阶段和非线性应变软化阶段.在4个影响因素中,冻结尾矿的单轴抗压强度与平均粒径呈对数关系,与干密度呈指数关系,与含水率呈线性递增关系,与加载速率呈二次抛物线增长关系.而冻结尾矿的变形模量与平均粒径呈自然对数关系,与干密度亦呈指数函数关系,与含水率则呈二次抛物线关系,与加载速率呈指数函数增长关系.     

辉绿岩单轴及常规三轴压缩下力学特性试验研究

为了分析坚硬脆性岩石在单轴及常规三轴压缩条件下的强度和变形特性,通过在TAW-2000微机控制电液伺服试验机上对辉绿岩进行单轴及常规三轴压缩试验,主要分析辉绿岩在围压为1、3、5、10 MPa时基本物理力学参数的离散程度,其弹性模量的离散程度指标值较小,在0.27%～3.49%波动,能较好地表征辉绿岩的变形特性。试验结果表明:随着围压的增大,岩石峰值应变和残余应变均表现出显著的线性增长关系,可采用一次函数形式拟合,弹性模量、变形模量和泊松比均表现出较明显的非线性增长关系,可采用幂函数形式进行拟合,但并不会随着围压的增大而无限增大,而是趋于一个稳定值,这一规律为实际工程中不同地应力条件下准确选取弹性模量、泊松比等参数提供理论基础;随着围压的增大,岩石的峰值强度和残余强度均呈现出较显著的线性增长关系,可采用一次函数形式拟合,并计算出黏聚力和内摩擦角,为岩石工程设计时强度参数的选择提供参考依据。     

英安岩三轴压缩试验力学特征及声发射特征研究

为研究英安岩的岩石力学特性及破裂损伤全过程中的声发射特征,通过MTS815伺服试验与PAC型声发射系统结合,对英安岩进行单轴压缩和常规三轴压缩声发射试验。试验表明:(1)英安岩单轴压缩和低围压下稳定破裂发展阶段具有"折线型"特点,临近破坏前,荷载值稍有停顿,然后继续上升,随即迅速大幅度下降,应力-时间曲线此刻的折线点(主破裂)对应监测的声发射(acoustic emission,AE)事件突出;高围压下曲线光滑,AE事件在累进性破坏阶段监测较集中。(2)随围压增大,英安岩物理力学参数也增大,监测的声发射AE事件也相应滞后出现,由张性破坏(竖向破裂)转变为剪切破坏。(3)英安岩有残余强度的在峰值后声发射活动持续,AE事件变化幅度小。无残余强度的声发射活动主要在峰值强度前,峰后无或微弱。(4)AE事件-时间、AE累计事件-时间曲线,以及岩石的应力-时间曲线三者结合,更好地反映出英安岩破坏全过程特点。     

煤体单轴压缩过程电磁辐射时-频特征

为提高电磁辐射监测方法的准确性,采用单轴压缩实验方法,分析煤体受载破坏过程电磁辐射时域、频域及波形变化特征,并对其变化机理进行探究.研究结果表明:煤体单轴压缩过程中电磁辐射脉冲数、能量值、波形主频及幅值均与所受应力近似呈正相关关系,煤体受载破裂过程中,电磁辐射的主频与幅值不断增大,并在煤体失稳时达到最大,电磁辐射脉冲数、能量值、主频或幅值的急剧增加可以作为煤体失稳的前兆特征;煤体电磁辐射的频带为1 Hz~500 k Hz,煤体失稳破裂时主频达到最大值202 k Hz,随着加载的进行,频带内各频率幅值分布逐渐集中于主频附近;煤体破裂过程电磁辐射特征变化与外部载荷输入的机械能有关.     

基于MTS-AE单轴压缩下的煤岩损伤特征

基于MTS-AE单轴压缩条件下,对煤岩损伤、变形与破裂过程进行了测试;运用损伤变量理论,分析单轴压条件下煤样损伤破裂阶段的声发射能量-应力/应变参数与损伤变量之间的内在联系与特征规律。研究结果可对现场安全开采提供一定的理论指导。     

冻土单轴压缩损伤特征与细观损伤测试

基于冻土单轴压缩的CT动态测试，提出冻土单轴压缩下的损伤由完全不同的两个阶段组成：其一是塑性硬化下的塑性损伤，其二是由于新产生的裂隙造成的微裂纹损伤。对两种不同损伤阶段下冻土微结构变化特征进行了讨论，给出了各阶段损伤计量计算公式。采用该方法分别对饱水冻土试样和未饱水冻土试样的损伤量进行了计算，得到了塑性损伤和微裂纹损伤阶段的损伤量及总附加损伤量。得出饱水冻土的塑性损伤和微裂纹损伤产生的应变条件门槛值分别为0．75％和5．0％，未饱水冻土的分别为0．70％和4．5％。     

炭质板岩三轴压缩蠕变特性及其本构模型

采集兰渝铁路木寨岭隧道炭质板岩制备试样,开展了三轴蠕变试验,研究了不同层理面与轴向荷载夹角下的试样蠕变特性.根据试验结果提出了岩石横观各向同性蠕变本构模型,由于炭质板岩性质的方向性,其蠕变势函数与常规势函数相比需要更多的参数.此外,结合试验数据开展了蠕变参数反分析研究,可以减少蠕变试验数目,在工程应用中具有一定优势.研究结果为了解岩石横观各向同性和制定相关地层支护方案提供了科学依据.     

不同温度作用后煤体单轴压缩声发射特征

为研究温度对煤体力学特性的影响规律,采用MTS-880试验系统和声发射检测系统对经过不同温度处理的煤体进行单轴压缩全过程声发射测试。结果表明,随着应力的增加,经不同温度处理的各组煤体的累积声发射数量也随之增加,而经不同温度处理的各组煤体所积累声发射存在明显差异,这主要是由于温度使得煤体内部结构发生变化所致。通过区别各组煤体不同时段的声发射特征,不同温度条件对煤体的破坏存在明显差异,随着温度的升高煤体应力-应变全过程中压密过程延长,煤体弹性模量和抗压强度在温度作用下先增后减,140℃时为最大值;而随着温度升高,声发射频率表现愈发离散,声发射振铃数与能量在80℃时达到最大值。实验结果可为探究热效应对煤体作用机理提供一定的理论依据。     

板岩各向异性蠕变特性试验研究

利用RYL-600微机控制岩石剪切流变仪,对江西九江地区典型板岩进行单轴压缩蠕变试验,研究板岩内部固有各向异性对蠕变特性的影响。研究结果表明:板岩试样蠕变曲线均出现明显的瞬时弹性阶段、衰减蠕变阶段和稳态蠕变阶段,并未出现加速蠕变阶段,且试样在应力水平稳定的状态下突然发生破坏,表现出明显的脆性破坏特征;随着层理面倾角变化,蠕变破坏类型即剪切破坏和张拉破坏也发生变化;在初始应力水平下,层理面倾角为60°时的瞬时弹性应变最大,倾角为90°时的瞬时弹性应变最小,且随着应力水平大,瞬时弹性模量逐渐上升并趋于稳定,瞬时弹性应变则呈逐渐降低的趋势;蠕变速率随应力水平提高而逐渐增大,层理面倾角为60°的试样在高应力下出现最大蠕变速率。     

节理岩体单轴压缩强度预测

岩体单轴压缩强度是岩体稳定性分析的重要指标,推导了节理岩体的单轴压缩强度的理论计算公式,公式分别考虑了岩体的不同破坏形式,即沿节理面的滑动破坏和沿岩石内部的剪切破坏,并分析了节理面倾角对压缩强度的影响,得到随着节理面与加载方向夹角的增大．节理岩体的单轴压缩强度逐渐增大,并最终趋于定值的规律。     

双裂隙复合岩层单轴压缩力学性质及损伤机理离散元模拟

针对存在内部裂隙的软硬互层复合岩层力学特性展开研究,采用PFC2D建立层状复合岩层离散元模型,通过对完整复合岩层试验细观参数进行校准并验证其宏观特性,研究分析平行双裂隙复合岩层的岩桥倾角与层理倾角对力学特性与破坏模式的影响,得出双裂隙复合岩层的5类最终破坏模式,揭示裂纹演化规律及位移场变化。研究结果表明：双裂隙复合岩层峰值强度随岩桥倾角增加呈现先减小后增加的趋势,而随层理倾角θ增大表现为“U”型变化规律;与完整试样相比,双裂隙复合岩层峰值强度降低4.4%～42.0%;双裂隙复合岩层破坏模式主要分为5种类型,分别为轴向张拉破坏(Ⅰ型)、穿层理剪切破坏(Ⅱ型)、穿层理拉伸破坏(Ⅲ型)、沿层理面滑移破坏(Ⅳ型)、沿岩层拉伸破坏(Ⅴ型);试样的破坏模式在θ=0°～45°时随岩桥倾角增加从Ⅰ型转变为Ⅱ型最后转变为Ⅲ型破坏模式,在θ=60°～75°和θ=90°时分别表现为Ⅳ型和Ⅴ型破坏模式;在θ=0°～45°时,翼裂纹垂直于主裂隙起裂,随岩桥倾角增大,翼裂纹沿岩桥倾角偏转并扩展成宏观破裂面,导致试样最终被破坏;在θ=60°～75°时,裂纹在层理面扩展形成宏观滑移面,导致试样破坏;在θ=90°时裂纹...     

断续三裂隙砂岩单轴压缩裂纹扩展特征颗粒流分析

节理裂隙对岩石的强度破坏及裂纹扩展特征具有显著影响.为了进一步认识预制裂隙对断续裂隙岩石力学行为的影响,本文在一组经过室内试验标定的细观参数的基础上,进行了断续三裂隙砂岩试样单轴压缩颗粒流模拟.基于模拟结果,分析了岩桥倾角对裂隙砂岩试样应力-应变曲线、强度变形参数以及裂纹扩展特征的影响.研究结果表明:(1)峰值强度、弹性模量、峰值应变、裂纹起裂应力和贯通应力均随着岩桥倾角的增大呈先减小后增大再减小变化趋势,而裂纹损伤阈值与岩桥倾角之间无明显相关性;(2)岩桥倾角主要影响中间裂隙2的起裂模式,当岩桥倾角较小时裂隙2尖端不易萌生裂纹;(3)裂纹贯通模式和程度均与岩桥倾角密切相关.当岩桥倾角为0°、30°和60°时只有2处贯通,岩桥倾角为90°和120°时发生4处贯通,而岩桥倾角为150°时有5处贯通.裂纹贯通形式主要分为7类,而且断续三裂隙砂岩贯通模式是其中一类或多类贯通形式的组合.最后,从细观应力场和位移场角度讨论了岩桥倾角较小时中间裂隙2尖端裂纹较难起裂的原因.     

淡水冰三轴压缩力学特性试验研究

为了能够充分认识三向受力状态下冰体的力学特性,采用TDW-200低温三轴试验机,并在4组温度、7组围压和5组应变速率条件下,对3种不同尺寸淡水柱状冰样进行单轴和常规三轴压缩强度试验,加载方向垂直于冰的晶轴方向.结果表明,在恒定应变速率和较低温度下,当围压在6MPa以内时,柱状冰试样以劈裂破坏为主,当围压大于6MPa时,试样由劈裂破坏向剪切破坏过渡;在试验温度范围内,围压对柱状冰试样强度的影响远高于温度的影响;柱状冰强度、弹模和泊松比均与应变速率呈良好的正线性相关,且应变速率增大使柱状冰由流塑破坏向脆性破坏迁移;柱状冰强度、变形和破坏模式受试样尺寸影响明显,当试样截面尺寸相同时,高径比越大残余强度和偏应力-应变曲线的曲率越小,对应强度、弹模却越大,当高径比相同时,残余强度、偏应力-应变曲线曲率、强度和弹模均随截面尺寸的减小而增大;提出一种新的改进Duncan-Chang模型,并利用实测柱状冰应力-应变曲线对新模型进行验证,取得良好效果.     

基于数值试验的混凝土单轴压缩裂纹分布多重分形特征

基于ABAQUS软件,利用多重分形理论对混凝土单轴压缩数值试验表面裂纹分布多重分形谱进行了定量计算.探讨了粗骨料粒径、数值试样尺寸对混凝土表面裂纹分布多重分形谱的影响.建立了基于混凝土数值试样表面裂纹分布多重分形谱峰值的混凝土弹性分形损伤本构方程.结果表明,混凝土在单轴压缩数值试验条件下表面裂纹分布具有多重分形特征,满足自相似性;混凝土数值试样表面裂纹分布多重分形谱峰值介于1.9～2.0,随粗骨料粒径、模型尺寸的增加呈降低的趋势;基于混凝土数值试样表面裂纹分布多重分形谱峰值的混凝土弹性分形损伤本构方程拟合曲线与数值试验应力-应变试验曲线吻合良好.     

层状砂岩力学行为各向异性与破裂特征

为揭示倾角对层状砂岩力学特性与破裂特征的影响,进行0°,30°,45°,60°和90°等5种倾角的单轴压缩试验,分析倾角对试样物理力学特性和破裂模式的影响,并结合声发射监测,分析微裂纹时空演化规律。研究结果表明:1)不同层理角度试样应力-应变曲线均经历压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和峰后破坏阶段,各阶段区分明显。弹性模量与纵波波速均随层理角度增大而增大,而单轴抗压强度先变小然后增大,曲线整体呈现出"U"形,在层理倾角60°时为最低值;2)倾角从0°增大到90°时,破坏模式由"穿切层理面的劈裂型剪切破坏"转变"复合张剪破坏"再到"剪切滑移破坏",最后转变为"劈裂张拉破坏";3)试样压密段几乎没有声发射事件,在弹性段声发射事件数逐步增加,当加载到峰值强度时,事件数剧烈增加,峰后破坏阶段事件进一步累积,声发射事件阶段变化与应力-应变曲线描述的变形破坏阶段吻合,且声发射事件空间分布与宏观破裂形态基本一致;4)矩张量反演的震源类型T-k值点分布在不同阶段的变化规律反映了剪切、张拉、混合破裂比例变化。试验用层状砂岩横观各向同性性质明显,力学性质随着层理倾角变化而变化,层理倾角变化对试样破坏模式影响明显。     

岩石与类岩石单轴压缩过程中力学及声发射特性对比研究

为探究类岩石材料与天然岩石在荷载过程中力学特性与破裂演化的异同之处,利用岩石压力试验机与全波形声发射监测系统,研究了石灰岩、砂岩与类岩石在单轴压缩条件下的力学特征及声发射特性。研究结果表明：石灰岩、砂岩在达到峰值应力后瞬间破坏,为脆性破坏;而类岩石在峰值应力后依然有残余强度,为塑性破坏;前者在临近破坏前会出现标志破坏前兆的声发射低事件率缺失现象,后者不明显。岩石声发射事件率呈现前低后高特征,类岩石则为“高-低-高”,相应的声发射能率表现出高度的一致性;不同变形阶段两者的声发射频带分布不同,反映出两者内部破裂演化的差异性。该研究成果为岩石工程中区分岩石与类岩石材料破坏特征提供一定理论依据。     

岩石单轴压缩Kaiser效应的试验研究

岩石材料在压缩过程中能量释放将产生大量的声发射现象。本文基于Kaiser效应理论及Kaiser点的确定方法,运用单轴压缩试验研究分析了岩石试件的Kaiser效应,结果表明：当岩石压应力达到或超过先期加载应力水平时,将首次出现大量的声发射事件,此处应力水平点即为Kaiser点,采用声发射确定的Kaiser效应点应力值比真实值大8%-8.7%。这表明,Kaiser效应法是一种简单、直观、经济的地应力测定方法。