温度循环荷载下花岗岩微裂隙演化试验

花岗岩力学性能随环境温度的变化是岩石力学领域的热点问题,其微细观结构随温度的演化规律尚不清晰。本研究基于现代化测试技术和实验设备设计了等幅值温度循环和峰值递增温度循环荷载,关注其作用下花岗岩微裂隙的衍生和扩展规律,并讨论了风化程度的影响。研究结果表明峰值温度比循环次数对裂隙网络发展的影响更大,峰值递增的温度循环可促进表面裂隙的衍生,而风化在一定程度上可减弱温度荷载的影响。本研究可促进对温度作用下岩石力学性能演化的认知。     

干湿循环下花岗岩残积土裂隙演化及边坡稳定性

为研究干湿循环作用下花岗岩残积土边坡的稳定性,开展两种干湿幅度5次循环次数的边坡模型试验.拍摄裂缝图像获得裂隙演化规律,得出裂隙面积与干湿循环次数近似成正比;结合坡内土体直剪试验结果,提出干湿循环下黏聚力和裂隙度的关系式,推导裂隙深度计算公式.以此数值建模分析裂隙影响下的残积土边坡稳定性,结果表明：随着干湿循环次数和幅度的增大,裂隙度增加,裂隙深度增大,渗透性增强,土体强度降低,导致坡体饱和区扩展;滑裂面上滑点位于张裂隙处;3次干湿循环后边坡安全系数降幅最大,之后趋于稳定.研究认为干湿循环作用下裂隙的扩展加快雨水浸润,缩短了边坡失稳时间,为残积土边坡的及时合理处治提供理论指导.     

高温冻土剪切力学特性试验研究

利用重塑土的直剪试验,探讨-2℃条件下青藏地区3种不同土性(粉质黏土、粉砂、细砂)冻土的直剪力学特性。结果表明:高温冻土剪切特性与土性、密度、含冰量密切相关;剪切位移-剪应力曲线在相对密实条件下呈应变软化型,而在相对松散状态下呈应变硬化型;不同密实条件下粉质黏土的内摩擦角随含冰量的增加表现为先降低后增加,而细砂的内摩擦角随含冰量的增加而增加;在相同含冰量条件下粉质黏土、细砂的内摩擦角随密度的增加而增加;粉砂在不同密实条件下内摩擦角随密度的变化规律与粉质黏土类似,但在相同含冰量条件下内摩擦角随密度的变化规律与粉质黏土、细砂相反;-2℃条件下不同土性高温冻土黏聚力随密度、含冰量变化的规律不明显。高温冻土地区的工程建设应根据土性、密度、含冰量情况合理选取抗剪强度指标。     

砾砂与混凝土管界面剪切力学特性试验

基于数字图像相关技术,通过自主研制的可视化直剪容器,对砾砂与混凝土管接触面在常法向应力作用下的剪切力学特性进行较系统的试验研究.试验结果表明:砾砂-混凝土管界面初始剪切模量随法向应力的增大而增大;D_r=0.8的砾砂土样与混凝土接触面的摩擦系数较D_r=0.4时增大约17.5%,相对密实度每增大0.2,摩擦角平均增大2°;砾砂-混凝土接触面的剪应力-剪切位移曲线软化程度随法向应力增大逐渐减小,硬化程度逐渐明显;土体剪切位移随着与接触面距离的增加而增大,剪切变形主要发生在剪切错动带内,剪切错动带厚度约为3D₅₀.     

散体在振动场作用下的剪切力学模型

本文在大量动态直剪试验的基础上,建立了散体在振动场作用下剪切试验的几个力学模型.所建立的模型考虑了散体的粘性、弹性和塑性的综合影响,能较好地分析振动场中剪力盒及试料的运动规律,为振动出矿基础理论的研究开辟了一条新途径.     

直剪条件下单裂隙岩体力学行为数值模拟试验

为探究单裂隙岩体剪切过程中的力学行为,利用颗粒流程序研究裂隙倾角和法向应力对单裂隙岩体力学行为的影响,分别从岩体力学性能、破坏模式及细观力学特征3方面对非贯通单裂隙岩体试样直剪试验中的力学行为进行数值模拟。研究结果表明:(1)法向应力越大,剪应力峰值及对应剪切位移越大,裂隙倾角为60°时,剪切应力峰值最低,与完整试样相比,裂隙试样黏聚力下降最为明显;(2)剪应力曲线由低法向应力(小于5 MPa)时的"光滑"状转变为高法向应力(大于15MPa)时的"台阶"状,主要是高法向应力时岩体内微裂纹产生的速度快慢相间,致使裂纹扩展具有明显的阶段性;(3)法向应力越大,试样内微裂纹数目越多,剪切裂纹数目逐步增加,但仍以张性裂纹为主,大部分微裂纹在剪应力峰后段形成,单裂隙岩体的破坏主要是由张性裂纹汇聚贯通而形成的宏观拉破坏;(4)单裂隙岩体的剪切破坏是颗粒间最大接触力位置的转移与微裂纹交汇贯通的结果,"压致拉"作用力在剪切过程中作用明显。     

顶管泥浆套与混凝土界面剪切力学特性试验研究

为研究顶管注浆后浆土混合体与管道两者之间的相互作用机制,本文共设计了6种不同的浆土配比,利用改进的直剪容器和大型加载剪切仪,对浆土混合体和混凝土接触面在单调荷载作用下的剪切力学特性进行了较系统的试验研究.研究结果表明：浆土混合体-混凝土界面的抗剪强度与试样中触变泥浆的含量呈指数变化形式;随着界面法向应力的增大,界面剪应力-剪切位移曲线由应变软化特性向应变硬化特性转变;触变泥浆在试样剪切过程中对接触界面的剪胀效应起到弱化作用;接触界面的黏聚力和摩擦角随试样中泥浆含量的增多分别呈线性减少和指数减小的变化趋势,得到了考虑泥浆含量的泥浆套-混凝土界面抗剪强度计算公式.     

水岩作用下岩石亚临界裂纹的扩展规律

采用双扭试件,利用常位移松弛法,分别进行自然状态以及水岩作用下大理岩和混合岩的亚临界裂纹扩展实验,获得2种环境下岩石裂纹扩展速率v与应力强度因子KI的关系,并计算得到亚临界裂纹扩展参数A和n。通过对比,研究水对岩石亚临界裂纹扩展规律的影响。研究结果表明:对于大理岩,其A为自然状态下的8.07×1016倍,n由自然状态下的48.33下降到8.28;对于混合岩,其A为自然状态下的5.45×109倍,n则由自然状态下的60.20下降到21.86,说明对应于同一应力强度因子水平,水作用下的岩石亚临界裂纹扩展速度要快;水的存在使得岩石的断裂韧度KIC明显降低,对于大理岩,自然状态下的KIC为3.0316MN/m3/2,水岩作用后KIC为2.2070MN/m3/2,下降27.19%;对于混合岩,2种状态下的KIC分别为2.0877和1.9398MN/m3/2,下降7.08%。该实验结果可为复杂矿岩的稳定性分析提供可靠依据。     

构造煤组合体单轴加载下裂隙演化及分形规律

为研究不同占比的构造煤-原生质煤组合体压裂后的裂隙演化规律及分形特征,运用单轴加载试验手段,得到了5种不同占比构造煤组合体的裂隙长度、角度及分形维数演化规律。结果表明,随构造煤占比的增大,组合体抗压强度、弹性模量均呈减小的趋势,而峰值应力应变呈增大的趋势,组合体整体特性向构造煤的脆性特性靠近,破坏形式从剪切破坏逐渐过渡到拉伸破坏。随构造煤占比的增大,主裂隙扩展时间占比由14%增大至59%,主裂隙平均扩展速率由0.76 mm/s增长至2.34 mm/s,主裂隙角度平均变化速率由3.07°/s减小至0.70°/s,煤体交界处的主裂隙角度和主裂隙角度平均变化速率均逐渐减小。随着不断的加载,组合体分形维数逐渐增大,各峰值应力处分形维数普遍分布在0.99～1.31。随着主裂隙角度的变化,全原生质煤试件主裂隙不同角度的分形维数逐渐减小,全构造煤试件主裂隙不同角度的分形维数逐渐增大,其他占比的构造煤组合体不同角度的主裂隙分形维数均先增加后减少,且其变化均发生在各自的煤体交界处。揭示了不同占比的构造煤组合体在加载过程中的裂隙扩展与角度的有关变化规律,为煤矿安全开采提供理论依据。     

三溪村红层水岩作用的时效性试验研究与应用

为进一步深入了解和掌握三溪村滑坡滑带泥岩饱水软化的特质,研究其随饱水时间的弱化规律以及将其恰当地应用于工程实践指导该区工程稳定性的防治与评价。将取自都江堰青城山后山的泥岩试样进行了不同饱水时间下的直剪试验以及将天然和饱和状态下的试样进行了应变式常规三轴压缩试验,并将实验结果进行了归纳用于后续的公式推导。结果表明:剪切面无论是人为选定还是自然选择,其结果都证实了水岩效应在红层泥岩饱水后对其强度起到了很强的负面作用;初期饱水时,水分较难渗入到岩体内部,多滞留在体表,随着饱水时间增长将会使泥岩失去部分岩石特性进而向土体属性过渡转化,表现在初期强度衰减较小,随后出现急剧下降。将两种试验的结果进行有效结合可以提高研究成果的工程实用性,方便实际工程中快速评价泥岩饱水后强度的衰减情况。     

水岩作用下砂岩断裂韧度及抗拉强度的试验研究

为了解在考虑时间效应的水岩作用下砂岩Ⅰ型断裂韧度、抗拉强度的变化规律及其相关性,选取三峡库区库水变幅带砂岩为研究对象,设计紧凑的实验方案,对周期性饱水-风干循环状态和长期饱水状态下的砂岩试样开展了三点弯曲断裂韧度试验和劈裂抗拉强度试验.试验结果表明:在水岩作用下,砂岩的断裂韧度和抗拉强度软化效应明显,且随着浸泡时间的增加,软化效应呈先增大后稳定的趋势.同时,在同一周期内砂岩试样的断裂韧度和抗拉强度有相近的软化系数,契合岩石的抗拉强度和断裂韧度存在较好的相关性.最后通过数据拟合得到了砂岩断裂韧度与抗拉强度的相关关系,拟合相关性较高,并通过与试验数据的比较,验证了公式的可行性.研究成果对水岩作用下砂岩断裂韧度与抗拉强度的相关性有一定的参考价值,为通过砂岩抗拉强度预测估算断裂韧度提供了便利,同时也可为其他类型岩石的相关研究提供参考.     

室温下水-花岗岩作用时液相组分的演化

使用批反应器实验研究21℃时花岗岩与蒸馏水的作用来探讨水-岩作用以及液相随作用时间的地球化学演化。粒度为1～2mm，O．5～1mm和0．2～0．5mm的花岗岩样品各150g和750ml纯水加入用聚丙烯做成的3个批反应器中进行反应试验。试验过程中用电动马达连续转动反应器。试验时间为60d。结果表明，液相主要是Ca-(K)-HCO3型水或K-(Ca)-HCO3型水。K^ 主要来自钾长石的溶解，Ca^2 主要与斜长石中钙长石组分的溶解有关。K^ 很容易从含K^ 的原生矿物中被释放出来，同时K^ 也容易从水中析出形成次生矿物。水中“Ca过剩”可以很好地用斜长石的不一致性溶解反应来解释，钙长石和钠长石悬殊的溶解度差异也是水中“Ca过剩”可能的原因之一。实验结果与用表面反应控制速率模式的解释及Na^ 和H^ 的表面竞争交换相一致。     

EGS载热流体水岩作用对人工地热储层裂隙物性特征的影响

 增强型地热系统（EGS）是一种从低渗透率低孔隙度岩层中提取热量的工程。载热流体注入深部地热储层后在储层裂隙发生水岩作用,引起地热储层矿物的溶解和沉淀,改变储层裂隙通道的物性特征,对EGS 的长期运行产生重要影响。以苏尔茨地区的一种典型花岗岩为人工地热储层,建立了一维多重相互作用连续统一体地质模型,将相同温度的CO₂和水以相同压力注入人工地热储层裂隙通道中,探讨两种载热流体的水岩作用对储层裂隙物性特征的影响。结果表明,在同样的储层状态、相同的运行模式下,CO₂-EGS 水岩作用对裂隙通道物性特征的影响明显小于H₂O-EGS。     

单轴加载下裂隙试件主控裂纹演化规律及 锚固止裂机理

为研究裂隙岩体锚固作用机理,采用水泥砂浆预制不同倾角的裂隙试件,在裂隙上下两端一定距离预埋GFRP(玻璃纤维塑料筋材)锚杆制作加锚裂隙试件进行单轴压缩试验.结果表明:主控裂纹的形成与贯通是导致试件最终破坏的直接原因.无锚裂隙试件,主控裂纹贯通路径单一、贯通速度快,且受预制裂隙影响明显,裂隙倾角越大,主控裂纹扩展方向与裂隙轴线夹角越小.裂隙试件加锚后,主控裂纹贯通路径增多,裂隙倾角对主控裂纹的引导作用减弱.锚杆对裂隙试件峰前平均强度和峰值强度作用不大,但能够有效延长试件峰后强度的持续时间.无锚试件加载过程中能量释放具有"突变性",释放的总能量较少,加锚试件能量释放具有"渐变性",释放的总能量较多.裂隙扩展过程中能量的快速释放是主控裂纹形成和扩展的标志,主控裂纹数量越多、路径越长释放的能量就越大.锚杆的主要作用在于限制主控裂纹的快速形成和扩展,在相同的外力功作用下产生更多、更大范围的损伤和微裂纹,从而改变主控裂纹扩展路径,延长主控裂纹的贯通长度,通过遏制主控裂纹快速贯通来增加裂隙岩体的峰后强度和抗变形能力.     

双轴加载下大尺寸岩石裂隙演化规律试验

为准确掌握深部岩体的破裂过程中失稳机制,对大尺寸试样进行了不同加载速率下的双轴加载试验,分析了试件破裂过程中裂隙演化规律和声发射行为特征.在大量试验的基础上,选取了由425硅酸盐水泥、砂子(粒径≤2 mm)、石膏、高效减水剂和水组成的砂浆材料,确定了各组分的最优配比.借助岩石应力-渗流耦合真三轴试验系统和PCI-2声发射监测系统,分析了不同加载速率对大尺寸试样裂隙演化的影响规律和破裂的声发射行为特征.结果表明:加载速率越大,大尺寸试样越容易产生反翼裂隙,发生突变性剪切破坏,而不同加载速率下试样破裂的声发射行为特征基本相似,当加载到90%σc时,声发射事件累计数瞬时增多,表现为裂隙的瞬时扩展贯通,导致试样最终破裂.     

单轴压缩下交叉裂隙花岗岩变形与能量演化分析

为了更好地了解交叉裂隙对岩体力学性质和变形特征的影响,对不同主次裂隙夹角的花岗岩试件进行了单轴压缩试验.根据试验结果,对交叉裂隙试件的应力-应变曲线规律、变形与强度特性以及能量演化过程进行了分析.研究结果表明:交叉裂隙试件的力学性质和变形特征与主、次裂隙的夹角密切相关,裂隙试件的应力-应变曲线比完整试件更早进入裂纹萌生和扩展阶段,峰值应力前应力-应变曲线会出现一定的应力波动现象;裂隙试件的峰值强度和弹性模量明显降低,弹性模量随交叉裂隙夹角的增大先减小后增大,但峰值强度受夹角的影响不大;裂隙试件在单轴压缩过程中的总能量、弹性应变能和耗散能相较于完整试件显著降低.     

基质吸力作用下非饱和粉土强度特性研究

为研究豫东高速公路路基填筑粉土的非饱和力学特性,采用四联非饱和土直剪仪进行控制吸力条件下的强度特性试验,着重分析吸力对非饱和粉土强度的贡献,并对其干密度效应进行了探讨.结果表明,豫东黄河冲积粉土颗粒级配较为集中在0.005~0.075 mm的粉粒组.击实曲线出现了不对称的"双驼峰"现象,但两个干密度峰值相差较大,工程应用中需注意最大干密度的准确获得.非饱和粉土的抗剪强度与固结应力呈线性相关关系.干密度和吸力对粉土的黏聚力c均有影响,但影响规律不同.黏聚力c随吸力的减小呈抛物线变化,在最佳含水率附近黏聚力达到峰值.粉土干密度越大,其黏聚力越大.粉土内摩擦角随吸力增加呈增大趋势,吸力大于100 k Pa后基本趋于稳定,影响幅度在5°以内.基质吸力对抗剪强度的影响呈非线性关系.粉土的内摩擦角φ'与吸力相关,φ~b则受吸力与固结应力共同影响,φ'与φ~b均非常数,在τ_f—(u_a-u_w)—(σ_n-u_a)空间中,摩尔库伦破坏面呈双向弯曲形态.     

混合花岗岩加载细观力学特性及破裂演化规律

根据室内试验获得的岩石宏观物理力学参数及岩样切片扫描图,基于颗粒流理论和PFC程序建立混合花岗岩颗粒细观几何模型,标定模型材料细观力学参数,采用Fish语言编制加载命令流并调整相应函数,对岩石单轴和三轴压缩试验进行模拟.通过对试验与模拟应力-应变曲线、AE声发射与PFC程序中“Crack”裂纹监测成果等的综合比较研究,获得荷载作用下杏山铁矿-45 m水平混合花岗岩细观力学特性、微破裂行为以及岩石微裂隙发展与宏观破裂演化规律.通过对混合花岗岩单轴和不同围压下三轴压缩PFC模拟曲线与室内试验结果的比较可知,PFC模拟能准确地表征荷载下岩石颗粒的细观力学特性和运动学行为.