类岩石试件三轴扰动破坏特性试验研究

为研究高应力围岩扰动破坏机制,开展了不同围压下类岩石试件的三轴常规压缩和三轴循环扰动试验,得到了试件的扰动应力–应变规律和变形破坏特征,并对试件开展了核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance)成像试验,从微观角度进一步阐明了试件扰动破坏机理。研究结果表明:(1)试件在不同围压下均存在一个阈值强度,轴向荷载超过阈值强度后,轴向变形对扰动变得敏感,再次施加扰动会引起试件显著变形,当轴向荷载低于阈值强度时,变形对扰动不敏感。阈值强度与极限强度的比值可以反映试件的抗扰动能力,随着围压增大,该比值呈现逐步递减的规律,说明高围压下试件抗扰动能力下降,对扰动作用更敏感。(2)扰动作用下类岩石试件存在弱化效应,如常规三轴10MPa围压下试件表现出腰鼓破坏,而受扰动作用后,试件呈现斜切脆性破坏,与常规三轴5MPa围压下破坏形态相近。(3)岩石试件在高应力作用下进入塑性流动状态,内部颗粒重新排列,内部小孔隙与大孔隙的占比减少,而中孔隙的占比显著增多,试件内部孔隙率整体降低。

不同控制方式和卸荷应力路径下类岩石节理剪切强度特征研究

为研究不同控制方式和卸荷应力路径下岩石节理失稳剪切强度特征,借助RDS-200型岩石节理剪切试验系统开展了2种控制方式和3种卸荷应力路径下的类岩石节理直剪试验。结果表明:(1)采用应力控制方式进行切向加卸载时,各剪切加卸载路径下,节理剪切应力-时间曲线多存在失稳跌落现象,剪切应力-位移曲线失稳后多表现为折线形式。(2)与采用应力控制方式进行切向加载的试样结果相比,采用位移控制方式进行切向加载、采用应力控制方式进行法向卸载并保持剪切应力恒定、采用应力控制方式进行法向卸载和切向加载、采用应力控制方式同时进行法向和切向卸载的试样失稳剪切强度均有所降低;节理黏聚力减小百分比平均值为36.07%,而内摩擦角变化范围仅在4.12%以内,所以黏聚力降低是节理失稳剪切强度降低的主要原因。(3)以采用应力控制方式进行切向加载试样的拟合摩尔-库仑公式为基准,位移控制方式或其他采用应力控制方式的加卸载应力路径下试样失稳剪切强度的相对误差平均值最大可达55.78%。经引入黏聚力修正系数k对摩尔-库仑准则进行修正后,相对误差平均值的最大值减小到5.23%,说明对经受位移控制方式或采用应力控制方式的其他加卸载应力路径的工程节理来说,进行黏聚力的折减修正是必要和可行的。研究结果对不同控制方式及卸荷应力路径下岩体节理剪切承载能力的准确估计具有一定参考价值。

双轴加载下成组裂隙参数对类岩石试件力学性质的影响规律

煤矿深部地层岩巷围岩裂隙分布复杂,裂隙参数对岩体力学性能影响较大。为研究深部地层裂隙岩体在掘进扰动条件下的破坏规律与力学性能,制备不同裂隙倾角和长度的成组裂隙类岩石试件,开展模拟煤矿深部巷道掘进扰动的双轴加载试验,研究类岩石试件力学特性及其影响因素。研究结果表明:成组裂隙试件强度受预制裂隙的倾角影响明显,当预制裂隙倾角为30°~45°时,试件的起裂应力和峰值应力为最小值,当裂隙倾角为90°时,试件的起裂应力和峰值应力最大。在双轴固定比例加载的条件下,裂隙倾角和长度均会对试件的强度产生影响,其中裂隙倾角对试件强度的影响最为明显,裂隙长度的影响较小。

不同加载速率下软硬互层类岩石力学及声发射特性

基于三峡库区砂泥岩互层岩体实测数据,制作软硬互层类岩石试样,在单轴压缩条件下,探究不同静态加载速率对不同厚度比、不同岩层组合方式岩样的力学及声发射特性的影响.研究结果表明:加载速率和硬软岩体积比是影响峰值强度的主要因素,而加载速率和硬软岩岩层厚度比是影响最终破坏特征的主要因素.一方面,随着加载速率的增大,软硬互层类岩石峰值强度先减小后增大;硬岩占比与岩样抗压强度呈正相关;另一方面,低加载速率下岩样最终破坏模式为材料充分破坏,较高加载速率下岩样最终形成1~2条贯穿软硬岩层的主破裂面;软岩体积占比越少,软岩受到的破坏程度越剧烈;此外,可以把AF值突增、b值骤降作为软硬互层岩体大面积破坏的预警信号.

冲击荷载作用下软硬互层类岩石力学特性

基于三峡库区砂泥岩互层岩体的实测数据,采用相似材料以分层浇筑的方法制作软硬互层类岩石试样,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,探究不同冲击速度下,不同厚度比和岩层组合方式岩样的应力波传播特性、力学性能、能量耗散特征及分形特征。研究结果表明:受波阻抗匹配效果影响,透射波率随着硬岩体积占比增大而增大;透射波率越大的岩样,其破碎时的耗散能密度越大;随着冲击速度增大,各岩样透射波率先增大后减小,动态抗压强度呈近线性增长的规律,其破坏程度逐渐加剧;在冲击荷载作用下,强度较大的类砂岩在层间面力作用下易产生沿加载方向的张拉破坏,而强度较小的类泥岩易产生与沿加载方向呈一定倾角的剪切破坏;互层岩石软岩体积占比越大,其碎块分形维数随耗散能密度增加而增加的趋势越缓。对于互层岩体的破岩施工,应选在软岩体积占比多、硬岩在外表层且交界面数量少的位置,并根据软硬岩占比情况,应该选择合适的炸药量或掘进速度,以达到更好的破岩效果。

不同边界条件下剪切速率对类岩石节理剪切力学特性的影响

为研究不同边界条件下剪切速率对岩石节理剪切力学特性的影响,采用RDS-200型岩石节理剪切试验系统对人工浇筑的具有相同节理形貌的不规则水泥节理试样进行了常法向应力和常法向刚度2种边界条件下5种剪切速率的直剪试验。结果表明:(1)常法向应力边界条件下,随剪切速率增大,相同法向应力下的类岩石节理峰前剪切刚度减速增大,峰值剪切强度和残余剪切强度呈对数降低;随剪切速率增大,类岩石节理黏聚力减速增大,内摩擦角呈对数降低。(2)常法向刚度边界条件下,随剪切速率增大,相同法向应力的类岩石节理峰前剪切刚度减速增大,峰值剪切强度呈对数降低,较高法向应力下的残余剪切强度先增大后减小;随剪切速率增大,类岩石节理黏聚力呈对数降低,内摩擦角减速增大。(3)与常法向应力边界条件相比,常法向刚度条件下,节理黏聚力平均增加了115.85%,内摩擦角平均降低了8.44%;相同初始法向应力和剪切速率下,峰前剪切刚度、峰值剪切强度和残余剪切强度分别平均增加了11.96%、19.47%和32.32%,峰值法向位移平均降低了40.12%。该研究结论可为不同剪切速率下地表和地下工程岩体节理的剪切失稳评价提供一定参考。

3D打印类岩石材料强度特性与动态损伤本构模型

为研究基于3D打印的层状类岩石材料动态损伤力学行为,对5组不同倾角的岩样,采用分离式霍普金森杆对其进行动态压缩试验。依据所得的应力-应变数据,以朱-王-唐本构模型为基础,建立一种线性弹簧体、Weibull分布损伤体和Maxwell体并联的黏弹性本构模型,并结合试样的残余强度特性引入损伤修正系数。最后,将其推广应用于黑色页岩的变形规律研究,以检验该本构模型的适用性。结果表明:动态冲击下岩样峰值应力随着倾角的增加呈现先减小后增大的“V”形变化趋势,与天然层状岩石的变化规律相符合;所构建的损伤本构模型,能准确地表征3D打印的层状类岩石材料的应力-应变曲线形状及其力学特征;考虑损伤修正后,其还可较好地反映试样峰后阶段应力应变变化特性与残余强度。研究结果对揭示层状岩石动载下变形规律具有一定参考价值。

预压静载下平行双节理类岩石板动态响应试验及数值研究

在深部的岩体工程中,围岩常受到静态载荷和动态扰动的共同作用.此时,岩体中蕴含的成组结构面的破坏往往会影响岩体工程的稳定性.因此,有必要对多节理岩体在静-动态耦合荷载作用下的力学特性和破裂特征开展系统研究.以平行双节理类岩石材料板为研究对象,采用改进的分离式霍普金森压杆(SHPB)系统开展了4种轴压条件下的动态试验,验证了相应的离散元数值模型的适用性.在此基础上,建立了基于围压柔性加载的静水压的SHPB模型,分析了试样在不同预应力状态下的破裂特征.结果表明:处于一维静动荷载作用时,试样的动态强度及总强度都表现出显著的率相关性;相近加载率下,试样的动态强度随轴压增加逐渐减小,而总强度先增大后减小;在预轴压的作用下,随着加载率的增加,试样的破坏模式由拉剪破坏向剪切破坏转变;在静水压环境下,平行双节理试样的动态强度和总强度同样表现出显著的率效应,且明显高于同等轴压条件下的试样强度;在相近加载率下,试样的动态强度和总强度具有显著的围压增强效应.试样最终均呈“X”状剪切破坏模式,与加载率和静水压大小无明显关联,而且静水压的作用会明显抑制拉伸翼裂纹的产生.裂纹起裂时间受加载率、轴压及静水压的影响.

基于像素差分卷积神经网络的类岩石裂缝检测方法

针对现有裂缝检测算法提取的局部梯度信息不足而导致裂缝识别精度低的问题,提出了一种基于像素差分的编码器-解码器U型结构的裂缝检测方法。使用由像素差分卷积块和残差块组成的PDCBlock作为网络的编码器,将两种不同方向上的像素邻域的差分值计算融合到卷积网络运算中,以充分获取裂缝语义信息的同时更好地捕获局部梯度信息,使得在背景复杂的情景下裂缝边缘识别更准确。在混凝土类岩石裂缝数据集CRACK500上对比了同类方法,实验结果表明:该方法在上述数据集上的平均交并比和Dsc分别为0.436 3、0.580 4,裂缝分割精度、相似性上均优于对比方法。

含N型裂隙类岩石材料破坏特征研究

采用相似材料模拟岩体中含有N型裂隙时岩体力学特性损伤情况和裂纹扩展情况。以水泥和砂预制含N型裂隙类岩石试件,并对试件进行单轴压缩试验,研究含N型裂隙岩体在单轴压缩下的力学特性及裂纹扩展。研究表明:含N型裂隙试件强度远低于完整试件,并且破坏形式也不相同,完整试件破坏时是张拉破坏,含N型裂隙试件破坏时则是剪切破坏作用为主;裂隙长度不变时,裂隙角的增加对含N型裂隙试件强度的影响非常明显;含N型裂隙试件破坏时产生大量张拉裂纹和剪切裂纹,剪切裂纹降低了试件强度,降低幅度与剪切裂纹数量有关。

含裂隙类岩石力学特性研究现状与展望

针对裂隙对类岩石力学性质的影响,阐述了近年来关于含裂隙类岩石力学性质方面的研究进展,主要包括不同裂隙数目、裂隙倾角和裂隙形状下裂隙类岩石的力学特性。通过对预制裂隙类岩石试件的深入探究,系统分析了在单轴压缩试验、双轴压缩试验、三轴压缩试验以及数值模拟中含裂隙类岩石试件的力学特性。此外,介绍了含裂隙类岩石研究时所用试验设备,结合现有研究成果,提出了关于含裂隙类岩石力学试验研究的发展趋势。结果表明:裂隙的数目、倾角及形状均会对含裂隙类岩石试件的力学性质产生显著影响。

类岩石材料裂纹单轴压缩扩展行为研究

构建可靠的裂隙网络模型是岩质边坡、隧道和地下矿山巷道等各类岩体工程稳定性研究的基础。开展室内试验,研究含不同尺寸、不同倾角裂纹岩样在单轴压缩下的力学行为。结果表明:类岩石试样的峰值强度随裂纹倾角的增大而减小,且随裂纹倾角的增大,峰值应力对应的应变减小、幅度较大,类岩石试样在峰值强度后,表现出准脆性破坏特点;裂纹尺寸对试样的峰值应力和对应的峰值应变有较大影响,随裂纹尺寸增大,试样的峰值应变增大,但裂纹的形状(圆形和矩形)对峰值应力、应变的影响较小;验证了最大周向应力理论得到的在不同裂纹倾角下的开裂角,与单轴压缩下到不同裂纹倾角进行比较,发现在裂纹倾角较小时裂纹的开裂角与试验得到的相差不大,约7.39%~11.82%;而裂纹倾角增大时,相差较大,约33.15%。

单轴压缩下预制正交裂隙类岩石材料试验

为探究正交裂隙对岩石力学特性及裂纹扩展的影响规律,利用类岩石材料制成不同裂隙倾角的预制正交裂隙试件进行单轴压缩试验,同时借助应变仪对裂隙端部局部应变进行监测.研究结果表明:裂隙倾角是影响试件峰值强度的主要因素;峰值强度随着裂隙倾角的增大呈先减小后增大的变化规律,当裂隙倾角α=45°时,试件的力学指标达到最小值;正交裂隙试件的主裂隙或次裂隙端部更容易发生起裂,起裂顺序及裂纹发展方式与裂隙倾角有关,主要呈翼型发展.

单轴压缩和巴西劈裂试验条件下Ⅰ类和Ⅱ类岩石的荷载速率依存性指标研究

掌握岩石的时间依存性,对于估算地下结构的长期变形和稳定性是必不可少的。本文采用恒定加载速率(CLR)和交替加载速率(ALR)方法,对Ⅰ类和Ⅱ类岩石在单轴压缩(UC)和巴西劈裂(BT)条件下的全应力-应变曲线、峰值强度、加载速率效应和杨氏模量进行了比较分析,探寻了两种条件下岩石的相似性和差异性,同时,对荷载速率依存性进行了量化分析和深入研究。结果表明,两种加载条件下的全应力-应变曲线具有相似的规律;不同类型岩石的单轴压缩强度与劈裂强度的相关系数k在0.0424~0.1394的范围内,两者可以相互转化;劈裂模量与弹性模量之间存在线性关系,两个模量具有明显的时间依存性,且可相互转换;把常数n作为岩石荷载速率依存性指标,其值与加载条件、试验环境等因素相关,地下岩体的速率依存性指标值n可定量评价和预测地下结构的长期稳定性。建立了基于n值的可变模量本构方程,模拟了两种试验条件下的实验数据,计算结果的一致性较好。

不同石英砂含量对类岩石力学特性及破裂模式的影响

为研究不同石英砂含量的类岩石材料在单轴压缩下的力学特性与破裂模式,对3组石英砂含量不同(25%,35%和45%)的类岩石材料进行单轴压缩声发射试验.研究表明:在力学特性上,随着石英砂在所研究范围内增加,类岩石材料的强度与弹性模量均呈现先增大后减小的趋势.声发射特性上,随着石英砂含量增加,声发射事件率会存在一个声发射“事件率饱和点”,声发射事件率呈现先增大后减小的趋势.破裂模式上,当γ值大于μ值时则出现剪切裂纹,当μ值大于γ值时则出现拉伸裂纹.结果表明,随着石英砂含量的增加,类岩石的破坏趋向简单且剪切裂纹逐渐减小.

桂北前寒武纪花岗岩类岩石的地球化学与成因

桂北广泛发育前寒武纪花岗岩类岩石 ,按岩石组合特征可区分为二类 ,一类为花岗闪长质岩石 ,另一类为黑云母花岗质岩石。二类岩石的A/NKC值均在 1 .1 0以上 ,属铝过饱和岩石 ,但花岗闪长质岩石相对贫硅、钾 ,富铁、镁 ,贫铷 ,富锶、钡 ,并具有较高的稀土元素总量和轻重稀土元素比值 ;黑云母花岗质岩石则具更显著的铕负异常。二类岩石εNd(T)值的变化范围与四堡群基底相近 ,但花岗闪长质岩石更接近四堡群基底中的变质镁铁质 -超镁铁质杂岩 ,黑云母花岗质岩石则更靠近四堡群基底中的浅变质沉积岩。对岩石产出动力地质背景的全面分析表明 ,区内二类花岗质岩石是华夏地块与扬子地块碰撞俯冲作用的不同阶段由成熟度不同的四堡群变质基底在不同深度经部分熔融作用的产物。

不同裂隙相对张开度下类岩石材料断裂试验与破坏机理

在伺服控制单轴加载系统下对含有1条水平裂隙的类岩石试件进行加载试验,在对实验过程及现象深入分析的基础上,结合数值分析结果,探索单压条件下含有1条水平裂隙的类岩石材料断裂破坏机制。为描述裂隙形态,引入相对张开度β,并规定其为裂隙张开度与裂隙长度的比值。结果表明:以β=0.005为分界点,根据β的变化,裂隙体呈现出裂隙尖端屈服破坏和裂隙中部受拉破坏2种不同的破坏模式;当β较小时,水平裂隙尖端邻域应力分布状态可以根据裂纹尖端附近渐进应力解析解折减后计算;当β较大时,水平裂隙中部材料受横向拉伸时微裂纹出现,此时裂纹尖端附近渐进应力分布理论不再适用。

三维内置裂隙倾角对类岩石材料拉伸力学性能和断裂特征的影响

采用试验手段研究单轴拉伸条件下内置三维裂隙倾角对类岩石砂浆材料力学特性及断裂特征的影响。试验中配制物理力学性能与砂岩接近的砂浆材料,研制三维裂隙空间定位装置,同时改进传统岩石材料直接拉伸试验方法,研制黏结轴拉试验装置。试验结果发现,含裂隙砂浆试件的单轴拉伸受力变形过程分为4个阶段:缺陷张开阶段、弹性变形阶段、弹塑性变形阶段和破坏阶段,其中弹性阶段所占比例最高,突发性破坏阶段是拉伸破坏和压缩破坏最明显的区别。裂隙倾角α的改变对砂浆材料力学性能影响很大,随着α增大(0°<α<90)°,试件峰值强度σP逐渐降低,α=45°左右时,σP变化幅度最大。在拉伸荷载作用下,内置裂隙长轴前缘附近先后产生包裹状翼裂纹和次生裂纹,在短轴附近产生扭结区,裂隙的张拉扩展导致试件最终断裂。裂隙倾角α的改变影响裂隙扩展的轨迹和试件破坏后的形态。

含裂隙类岩石材料的局部化渐进破损模型研究

结合含裂隙类岩石材料模型试验观测结果,从含裂隙类岩石材料破坏过程和破坏机制出发,将表征体单元(RVE)划分为弹性区及剪切局部化带两个部分,并把剪切局部化带内的变形过程抽象为胶结强度弱化及摩擦强度增强两个阶段。重点考虑了这两个阶段一前一后发挥作用这一由试验所揭示的结构性破坏本质,同时借助于试样的滑移变形定义与胶结强度弱化相关的破损变量,抓住试样渐进性破坏的特征,进而采用细观链式模型及均匀化方法将破坏过程的细观特征与宏观力学特性相结合,建立含裂隙类岩石材料局部化渐进破损模型的理论公式。最后对已建立的含裂隙类岩石材料局部化渐进破损模型进行试验验证,模型计算结果与M.Yumlu和M.U.Ozbay的试验结果吻合很好,证明所提出模型的正确性。

类岩石材料CT动载试验装置的关键技术研究

基于现有的医用X射线CT机器,成功研制与其配套的专用动态加载设备,形成类岩材料CT试验系统。归纳类岩材料CT研究的几个关键问题。介绍类岩材料CT试验过程,重点分析加载设备使用过程存在的问题,特别是试件的黏结、试样对中、装样等问题。以混凝土为例,给出动压CT试验的初步成果,并且进行混凝土裂纹流变CT试验。结果表明该加载设备达到设计要求,可以实现混凝土动态加载过程中裂纹演化过程的准实时观测,并且裂纹流变的影响在大多数情况下可以忽略,为探索类岩材料在动载作用下的损伤演化规律提供新的研究途径。