长时浸泡红砂岩加/卸荷条件下的剪切特性及细观损伤机理

三峡库区防洪限制水位(145m)以下岸坡岩体在库水升降过程中经历了长期浸泡作用,并且水位变化导致岩体受到切向加载剪切和法向卸荷剪切2种工况作用,而岩石剪切特性的差异直接影响岸坡在不同水库运营阶段的稳定性。文章以典型长石石英砂岩为研究对象,开展了不同浸泡天数下砂岩试样的切向加载、法向卸载剪切试验,得到了2种受力条件下砂岩剪切特性的变化规律,并结合溶液测试、SEM测试、核磁共振试验揭示了不同工况下岩石剪切特性产生差异的细观机理。研究结果表明:(1)与初始试样相比,经过80d的浸泡后,该类试样的黏聚力损失要大于内摩擦角的损失,切向加载剪切所得黏聚力降低了40.5%,内摩擦角最终仅降低了2%,而法向卸荷剪切所得黏聚力降低了31%,内摩擦角最终降低了8%;(2)试样经历长期浸泡导致胶结物矿物被溶解、溶蚀,次生孔隙逐步发育并贯通,孔隙度增大,经过60d浸泡后,试样的含水率、孔隙度、孔隙结构基本达到稳定状态,克服剪切作用的颗粒骨架几乎不再受浸泡水的影响,这是长期饱水试样剪切性质逐渐弱化并趋于平稳的原因;(3)法向卸荷剪切条件下,剪切主裂纹面与理论剪切面之间偏差增大,破裂面更倾向于形成“S型”和“M型”,实际剪切面的增大变相提高了岩石的抗剪强度,而对岩石抗剪强度贡献最大的是骨架颗粒,故岩石内摩擦角更大,而提供黏聚力的充填胶结物质在张剪破坏中的贡献小,所以法向卸荷中岩石的黏聚力更低。研究成果可为库区涉水边坡在水位升降中的稳定性评价以及考虑实际工况进行参数取值的试验方法选择提供参考。

干湿循环作用下片岩片理面抗剪性能劣化实验设计

为揭示片岩片理面在干湿循环作用下抗剪性能劣化规律,选取云母石英片岩设计相应的直剪实验方案进行研究,并将该方案应用于实验教学。实验结果表明:干湿循环作用下,片理面抗剪性能劣化明显,干湿循环20次后,粘聚力和内摩擦角分别下降49.05%、15.34%,粘聚力下降幅度约为内摩擦角的3.2倍;片理面不断渗出黄褐色物质浸染岩样,使片理面逐渐显化,且逐渐沿片理面产生裂隙并不断向岩石内部扩展发育;片理面是水进出片岩内部的良好通道,水可将片理面间的泥质胶结物和可溶性矿物溶解并带出,使得片理面间胶结物及胶结面积逐渐减少,抗剪性能逐渐劣化。该实验教学对培养学生科研创新思维及理论联系实际能力具有重要意义。

合肥红砂岩点荷载强度及其与抗压和抗拉强度的关系

点荷载试验是获取岩石强度的快捷方法之一。为了分析合肥地区典型红砂岩点荷载强度与抗压和抗拉强度的关系,对合肥地区的红砂岩,分别开展了干燥和饱水的状态下的点荷载、单轴抗压及巴西劈裂试验。探讨砂岩点荷载计算方法中贯入深度及修正指数m对点荷载强度值的影响,获得了点荷载强度与抗压、抗拉强度的换算关系。试验结果表明:考虑贯入深度与不考虑贯入深度两种计算模式变异系数皆小于0.3,不考虑贯入深度的计算模式数据指标更稳定;修正指数的取值对修正后的点荷载强度值I′s(50)C、I s(50)C影响很小,实际应用中可采用0.45作为修正指数;点荷载两种计算模式的软化系数相近,考虑贯入深度影响的软化系数比不考虑贯入深度的软化系数小;相同岩石的点荷载强度、抗压及抗拉强度软化系数差别不大,有良好的相关性;获得了砂岩点荷载强度与其拉压、抗拉强度转换系数范围,可为合肥地区工程应用提供参考。

支点摩擦对SCB试样Ⅰ-Ⅱ复合型应力场的影响研究

研究固定支座条件下,支点摩擦对半圆弯曲(SCB)试样I-II复合型断裂行为的影响。考虑裂缝倾角、裂缝长度、支点跨距和支点摩擦系数等因素,采用ABAQUS数值分析软件建立了200个SCB试样的数值模型,对SCB试样的Ⅰ型、Ⅱ型无量纲应力强度因子Y_(Ⅰ)、Y_(Ⅱ)以及无量纲T应力、T^(*)进行了标定。数值结果表明:考虑支点摩擦后Y_(Ⅰ)、Y_(Ⅱ)、T^(*)数值发生了不同程度的减小。支点摩擦系数可以显著改变裂缝尖端的加载模式,会导致加载模式达到纯Ⅱ型的角度β_(Ⅱ)减小。

辉绿岩单轴压缩过程变形场的DIC监测与模拟

作为贮备丰富和应用广泛的辉绿岩,其内在的力学特性及破坏模式影响着辉绿岩矿的开采和使用安全.以辉绿岩标准试样为研究对象,利用万能试验机和三维全场应变测量系统获取其单轴压缩过程的力学参数,通过数字图像相关技术(Digital Image Correlation,DIC)获取试样测试过程的位移和应变,利用颗粒流分析软件(Particle Flow Code,PFC)建立基于试验参数的二维模型,给出应变场获取方法并实施单轴压缩模拟试验.结果表明:DIC技术能反映出试样表面压缩断裂过程的位移场及应变场,但试样表面颗粒跌落后存在无法监测的缺陷;PFC可以模拟全过程的应变场,且试样起裂位置及裂纹扩展路径与DIC监测结果匹配,但应变场测量精度受到测量圆、布局方式等参数设置的影响.DIC监测技术和数值分析技术的有效结合能更好揭示试样破坏过程的应变演化规律,研究成果可为岩石试样破坏的应变演化提供参考.

饱水软岩力学性质软化的试验研究与应用

软岩遇水后力学性质软化规律的研究,是水–岩相互作用研究的重要课题之一,在重大工程的设计与实践中具有重要意义。通过对华南地区广为分布的红色砂岩、泥岩及黑色炭质泥岩等几种不同类型的典型软岩在不同饱水状态的试验设计和力学性质测试,重点探讨了软岩软化的力学规律性。试验按照天然状态、饱水1,3,6和12个月等饱水时间点进行采样分析,测定其不同饱水时间点的单轴抗压强度、劈裂抗拉强度、抗剪强度及其随饱水时间的变化规律。结果表明:软岩与水相互作用后,其抗压强度、抗拉强度及抗剪强度变化的定量表征关系一般服从指数变化规律,各力学强度指标将随着饱水时间的延长而不断降低,最终将趋向稳定;6个月的饱水时间点为软岩力学强度趋于稳定的临界点。以此研究获得的软岩参数为基础,采用非线性有限元强度折减法对广东省东深供水改造工程中BIII2边坡稳定性进行了分析计算,结果表明:在塑性应变区贯通前,该边坡主断面的稳定性系数为0.83,说明BIII2边坡处于不稳定状态。这与实际边坡所处的状态非常一致。表明该试验研究结果用于工程计算中具有较好的意义,亦可为华南地区类似工程的设计、施工和长期稳定性分析等提供具有重要价值的参考。

绿片岩三轴流变力学特性的研究(II):模型分析

首先,基于在岩石全自动流变伺服仪上得到的绿片岩三轴流变试验曲线,采用五元件线性粘弹性模型对表现为粘弹性流变特性的曲线进行了辨识,获得了绿片岩的粘弹性流变参数;然后,提出了一个新的非线性粘性元件,并将其与塑性体并联起来,得到一个新的非线性粘塑性体(NVPB),该体能充分反映岩石的加速流变特性:同时,将NVPB模型与五元件粘弹性模型串联起来,建立了一个新的岩石七元件非线性粘弹塑性流变模型。采用绿片岩加速流变全过程曲线,对提出的岩石七元件非线性粘弹塑性流变模型进行了辨识,得到了岩石七元件非线性粘弹塑性流变模型的材料参数。流变模型与试验结果的比较,显示了所建模型的正确性与合理性。

含预制裂纹大理岩的压剪试验分析

采用含预制裂纹大理岩块试件对单轴压缩荷载作用下的裂纹扩展及裂纹搭接进行试验研究。试验表明含预制裂纹试件的临界失稳荷载、破坏时的应变及弹性模量都明显降低,原生裂纹的方位对产生何种裂隙有显著的影响,岩桥区尺寸对翼裂的萌生和扩展有显著的影响,使试件表现出完全不同的破坏方式。试验中观察到预制裂纹尖端萌生的裂纹有张拉型的翼形裂纹、压剪型的二次裂纹和翼裂反向裂纹等多种形态。试验观测还表明大理岩翼形裂纹的起裂角为52°～68°之间,而模型材料试验的结果为77°左右,这表明模型材料并不能完全模拟真实岩体的特性。

水岩相互作用对砂岩单轴强度的影响研究

针对重庆地区的微风化砂岩,完成了1、3、6、10、15次的干湿循环,对循环后的试件(饱水状态)进行了单轴抗压和劈裂试验。试验结果表明,干湿循环对砂岩造成了不可逆的渐进性损伤,在15次循环后,单轴抗压强度损失达20.73%,抗拉强度达51.96%,弹性模量达33.79%,三者与循环次数之间有良好的对数关系。在干湿循环过程中,砂岩的强度损伤会出现拐点,这取决于水对砂岩的侵蚀程度。

高围压高水压条件下大理岩断口微观机理分析与试验研究

为了探讨高围压高水压对大理岩变形、强度、脆–塑转化特性及破坏断裂损伤劣化的影响,取锦屏二级水电站引水隧洞大理岩分别进行高水压、高围压、低围压作用下全应力–应变过程三轴压缩对比试验,然后,对大理岩破坏断裂断口进行微观电镜扫描试验,分析不同工况条件下大理岩断口微观形貌特征。试验结果表明,在低围压作用下莫尔强度包络线近似为线性的,在高围压作用下莫尔强度包络线是非线性的。高水压力的存在抑制岩石脆性向塑性的发展,降低岩石的强度,同时对软化区裂纹的扩展、贯通起到加剧作用。通过微观数字图像试验分析发现,高围压条件下大理岩断口裂纹长度小、密度大、分布相对均匀,给出高水压高围压作用下岩石破裂产生的微观损伤力学机理,为进一步分析高围压高内外水压条件下非圆形洞室围岩失稳破坏机理提供了可靠的试验依据。

岩土工程多功能模拟试验装置的研制及应用

岩土工程多功能模拟试验装置由主机与配套装置组成,具有一机多用的特点。利用它可对洞室、洞群、边坡和基坑进行平面地质力学模型试验;对预应力锚索加固的岩体模拟试件进行抗剪强度试验;对混凝土或钢筋混凝土梁进行抗弯强度试验。它具有双向旋转功能,可使模型平面旋转360°,立面旋转35°。由于采用了首次研制成功的活塞式均布压力加载器加载,可在模型块体内产生大范围的均匀应变场,可对模型边界施加均布荷载和阶梯形荷载,并能满足不同侧压系数的要求。在剪切试验中可给出t-u全过程曲线等。6次工程试验结果表明,该装置具有良好的力学性能,可满足大型岩土工程试验研究的需要。

岩石的统计损伤本构模型及临界损伤度研究

岩土工程中的岩体常处于空间应力状态,因此,研究空间应力状态下岩石的损伤破坏机理有着重要的实际工程意义。基于岩石内部缺陷分布的随机性,建立了围压和轴压共同作用下岩石的统计损伤本构模型。并通过砂岩的三轴压缩试验确定了模型里的参数,定性分析了围压对损伤度的影响。研究结果表明:1)模型能反映围压效应,即可以体现岩石强度随围压变化的规律;并且模型参数确定方法揭示了模型参数的物理意义;2)通过岩石的应力-应变全曲线特征及峰值应力与应变确定模型参数,不同的围压对应着不同的参数;3)临界损伤度与岩石所处的应力状态有关,同一种岩石在不同围压下临界损伤度是变化的;4)由分布参数m的物理含义可知,m可以做为表征砂岩脆性的参数;1/m可以做为表征砂岩延性的参数。

不同高径比时软岩强度与变形尺寸效应试验研究

对2组直径约为50mm、高径比为1～2、岩性分别为贫矿和白云石大理岩的岩石样本,通过单轴压缩试验,对其尺寸效应进行研究对比。结果表明:岩石应力-应变关系曲线的曲率随高径比的增大而增大;岩石的变形模量和弹性模量随高径比的增大而呈现非线性增大;在小高径比时岩石的破裂形式较复杂,在大高径比时,呈劈裂破坏和剪切破坏;岩石的抗压强度随高径比的增大呈增大趋势。

砂岩高温前后超声特性的试验研究

对焦作砂岩经历不同温度(100℃～1 200℃)前后超声纵、横波波速和几何尺寸进行了量测,进行了单轴抗压强度试验,计算了超声波纵波经过岩样的衰减系数,应用波速与弹性模量的关系计算了岩样的裂隙密度。比较了经历不同温度前后的岩样体积、超声波速、衰减系数的变化。结果表明,岩样在经历高温后内部微裂隙发展,使结构致密性下降,超声波速降低;对经历不同温度后的岩样波速改变与强度变化规律有明显差异,但超声衰减系数与强度变化规律相似,可以为强度评价提供一定参考。

单轴压缩下岩石声发射定位实验的影响因素分析

应用声发射及其定位技术,在单轴压缩载荷作用下,采用实验方法观察重庆细砂岩试样破裂失稳过程中其内部微裂纹孕育、发展的三维空间演化模式,研究岩石声发射定位实验的影响因素。实验结果表明:(1)端部摩擦对岩石破裂过程中的声发射特征影响显著,采用1∶1(质量比)硬脂酸和凡士林的混合物作为减摩剂进行AE定位实验,在试样初始压密阶段基本没有AE事件,取得较好的效果。(2)重庆细砂岩的AE定位事件主要分布在中部,呈散漫分布,两端没有明显的条带丛集现象,中部没有得到声发射定位事件的"空白区",通过与相关成果的对比,说明岩石的种类、构造和均匀程度是AE定位实验的主要影响因素之一。(3)加载方式和加载的控制方式会直接影响岩石试样破坏的进程和程度,从而影响AE事件。(4)通过重庆细砂岩试样疲劳荷载AE定位实验说明加载历史对AE时间序列及AE事件均有影响。以上实验和分析结果可以为岩石声发射定位实验的方案设计提供参考。

高温后花岗岩力学性能的试验研究

对经历不同高温后花岗岩的力学性能进行了试验研究,分析了花岗岩应力-应变曲线、峰值应力、峰值应变、弹性模量和泊松比等的变化情况。研究结果表明,经历400℃以内的高温后,温度对花岗岩的力学性能的影响不明显。但经历的温度超过400℃后,随受热温度升高花岗岩力学性能迅速劣化,花岗岩峰值应力(或强度)和弹性模量急剧降低,而峰值应变迅速增长。高温后花岗岩泊松比随经历高温的增加而呈减少趋势。

岩石结构面注浆加固抗剪特性试验研究

为了研究破裂岩体结构面的注浆加固效果,并揭示其加固实质和作用机制,对单轴压缩试验形成的破裂岩样结构面粗糙度进行了测量与研究;通过破裂岩样结构面注浆加固的剪切试验,分析了注浆对结构面强度和刚度等力学特性参数的影响;通过锯齿形模型化结构面注浆前后剪切试验,分析了锯齿形结构面的力学特性及注浆加固对模型化结构面的影响。研究结果表明,同种岩样压裂后结构面粗糙度系数JRC相近,其数值约为8～10,具有可复制性;注浆后结构面残余强度、剪切峰值强度及上升段斜率均有明显提高;注浆后岩体中结构面的刚度也得到了明显改善;通过理论分析,给出了结构面刚度的理论拟合公式;结构面的剪切峰值强度及残余强度随着锯齿形齿数的增多明显提高,注浆加固后,结构面剪切峰值强度、黏聚力都有不同程度的增大,而内摩擦角变化不大。

岩石变形过程中红外辐射的实验研究

对岩石变形过程中产生的红外辐射进行了实验研究。实验表明：试件加载过程中，微破裂伴随产生红外辐射，微破裂愈强，所产生的红外辐射就愈强，在红外热像仪中显示图像就愈明显。这一现象的发现将对红外遥感技术用于岩石力学和岩土工程有重要意义。

灰岩强度特性的三轴压缩试验分析

对灰岩进行三轴压缩试验 ,分析与比较了其应力、应变关系曲线 ,并进行了曲线拟合 .结果表明 ,岩石的变形可以分为 5个不同的阶段 ,围压对岩石的应力、应变关系有一定影响 ,用多项式函数拟合应力、应变关系曲线是比较理想的 .而依据岩石的应力、应变关系可以在一定的强度理论下得到强度参数c ,φ值 ,能为有关工程提供参考与借鉴 .

岩石低周疲劳损伤模型与损伤变量表达方法

在岩石(体)工程领域,周期荷载作用下岩石的疲劳破坏特性与岩体的长期稳定性密切相关。针对目前对混凝土疲劳损伤研究较多,但对岩石疲劳损伤研究相对较少这一现状,运用损伤力学方法对以累积塑性应变表达的损伤变量进行了分析,指出了目前常用的以累积塑性应变表达的损伤变量表达式存在的理论上的缺点,建立了一种新的岩石疲劳损伤变量表达方法。为研究岩石在疲劳荷载作用下力学性能不断劣化的过程,从连续介质损伤力学的基本理论出发,分析岩石在疲劳荷载下的损伤发展和变形规律,并考虑岩石材料的硬化特性,推导了低周疲劳损伤演化方程,经低周疲劳试验数据分析,所建模型可以较好地反映岩石的疲劳损伤演化规律,可用于岩石在低周疲劳荷载作用下的有限元分析。