低温/饱水耦合作用下红砂岩静动态Ⅱ型断裂特性试验研究

利用伺服压力机、分离式霍普金森压杆对干燥室温、饱水室温、-40℃干燥冻结和-40℃饱水冻结四种工况下的红砂岩试件分别进行了静、动态短芯压剪试验;通过分析对比静、动态以及动态范围内不同加载率下的断裂韧度、断裂能等参数变化规律,研究了低温和水饱和效应对红砂岩的Ⅱ型断裂力学特性的影响并探讨了二者的作用机制。结果表明:(1)水对砂岩Ⅱ型断裂韧度与断裂能产生弱化效应,水饱和红砂岩静态Ⅱ型断裂韧度为干燥下的77%;(2)冻结作用使红砂岩静、动态断裂韧度分别提升36%和18%以上,静态荷载下干燥冻结砂岩Ⅱ型断裂韧度最高,动态荷载下饱水冻结砂岩具有最大的Ⅱ型断裂韧度;(3)冻结与干燥室温红砂岩断裂韧度率敏感性近似相同,而饱水室温红砂岩具有最高的Ⅱ型断裂韧度率敏感性和动态增强因子。

弹塑性力学中加载路径效应的类比教学设计

弹塑性力学是工程类研究生必选的核心课程,具有高度的抽象性和复杂性。基于经典薄壁圆管拉扭问题,对三种典型应力/应变路径进行深入分析,秉承“多走一步,深入三分”的教学理念,在教材中“不一样”结论的基础上,探讨了加载路径效应中“不一样”的规律性、统一性和普适性,并将发现的规律性与社会心理学中的经典理论进行了类比,提出了塑性强化材料应力路径的“首因效应”和应变路径的“近因效应”。塑性力学理论与社会心理学理论之间的强烈反差对比与完美的和谐统一,成功地激起了学生学习的热情,同时帮助学生建立了有效的知识框架,取得了很好的教学效果。

基于高速3D-DIC技术的砂岩动力特性粒径效应研究

利用分离式霍普金森压杆(SHPB),对粗砂岩、中等粒径砂岩和细砂岩进行了应变率为69~83 s–1的动态单轴抗压实验,研究了粒径尺寸效应对砂岩动力特性的影响。通过三维数字图像相关(3D-DIC)技术分析高速摄像图像,获得了砂岩的实时应变场,据此分析了动态荷载下3种粒径砂岩的动力变形特性和裂纹开展行为。结果表明,砂岩弹性应变储能可逆释放的临界应变率随着粒径的减小而升高,动态压缩强度随着粒径减小而增大,动态强度应变率敏感度则与强度规律相反。相较于静态条件下,中等粒径砂岩和细砂岩的动态弹性模量增长了2~3倍,粗砂岩的动态弹性模量增长达5倍以上。细砂岩的动态泊松比相较于静态提高了约25%,中等粒径砂岩的动态泊松比约为静态时的70%。动态裂纹首先出现于试件内部,然后传播至表面,呈现出应变局部化,动态荷载下岩石裂纹的孕育和扩展相比静态条件下均有所提前,其中细砂岩在动态荷载条件下的归一化裂纹起裂阈值仅为峰值强度的10%。微观分析表明,矿物粒径大小和黏土矿物含量分别在砂岩的动力力学性质和裂纹开展行为方面发挥主要作用。

锦屏大理岩相似材料制备及其力学性能分析

基于深埋隧洞围岩岩爆模拟实验的需要,以锦屏大理岩为工程背景,采用石英砂、重晶石砂、重晶石粉、松香和酒精研制了一种新型的以松香作为胶结剂的岩石相似材料。通过多次试配总结了相似材料的制备方法,以粗细骨料质量比例和松香用量2个参数为主要变量,制作了16组不同配比的试样,开展了单轴压缩实验,并测算了试样的重度。实验结果表明,相似材料的抗压强度和弹性模量受松香用量的影响较大,拟合得到了抗压强度-松香掺量关系式,并计算得到了模拟锦屏大理岩的材料配比。为提高相似材料的适用性,对材料比重和弹性模量的调整方法进行讨论得出,可以将重晶石砂替换为石英砂以调节材料重度,在材料中掺入少量的硅油或橡胶粉,可以调节其弹性模量。

深长隧道突水突泥模型试验相似材料的研制

为了研究岩溶隧道突水突泥发生机理,根据模型试验相似理论,以宜万铁路野三关隧道为原型,借鉴前人研究成果,研制出一种新型相似材料。运用正交试验设计原理共设计了16组相似材料配比试验,并对制作的试件进行了单轴抗压强度、弹性模量、单轴抗拉强度、容重、内摩擦角及黏聚力等物理力学指标测试。采用极差分析法进行各因素对各指标的敏感性分析,作出了各因素与各物理力学指标的直观关系图,并找出它们之间的影响规律,再结合水对试样的影响,根据实际情况调整相似材料配比,以满足突水突泥模型试验的要求。

模型试验中材料变形破坏的时间相似问题

模型试验是岩石力学与工程的主要研究方法之一。随着地下工程埋深的逐步增大,岩石在变形破坏过程中表现出了显著的时间效应。如何模拟随时间发展的岩石变形破坏过程是一个关键但未得到充分研究的科学问题。将模型试验中的时间相似问题根据复杂程度和过程特点分为几组,基于相似理论,分别推导运动学/动力学问题、波传播问题、蠕变问题(基于不同模型)、与时间相关的破坏问题中的时间相似关系,给出不同时效变形破坏过程的相似关系表达式。理论分析发现,目前地质力学模型试验中普遍采用的时间相似关系仅适用于弹塑性的运动学或动力学问题,在研究其他时间相关的变形破坏问题时,应根据时间在物理过程中所起的作用和采用的分析模型选择适用的时间相似系数。讨论深部岩体初始应变状态的模拟问题及岩体的时效破坏问题。所推导的不同物理过程中的时间相似系数可为深部岩体相关地质力学模型试验提供理论参考。