人工冻结深部软岩单轴力学性能试验及蠕变模型1）

为了了解深部软岩在冻结条件下的单轴力学性能,以东北地区的原状泥砂岩为试验对象,利用自行研制的WDT-100型人工冻土试验仪器,对其进行不同温度下的人工冻土单轴抗压强度试验和单轴蠕变试验,得到泥砂岩单轴压缩应力-应变关系曲线,各温度下试样的单轴抗压强度以及蠕变曲线.单轴压缩试验结果表明：试样在给定温度和加载速率条件下,单轴压缩应力-应变关系曲线都有较为明显的屈服点,并且都在屈服点后,强度有所提高,出现硬化现象.单轴蠕变试验结果表明：单轴压缩蠕变曲线有非线性特征,单轴压缩蠕变的等时应力-应变曲线向应变轴靠拢;单轴压缩时蠕变模量随时间的增长而降低.最后采用遗传算法优化模型参数,得出泥砂岩蠕变经验方程.与试验结果对比,发现拟合情况较好.     

ANALYSIS OF MECHANICAL CHARACTERISTICS OF FROZEN CLAY AND MODIFIED S-M CREEP MODEL1)

为合理描述人工冻结法施工的矿井土层力学特性,对某矿井土样的重塑土进行单轴抗压强度实验和单轴压缩蠕变实验,得到重塑冻结黏土在不同温度及载荷加载等级下的应力-应变曲线和蠕变曲线。实验结果表明：冻结温度越低,土样的单轴强度越大;相同冻结温度下,土样的蠕变变形随着应力水平的升高而增大。单轴压缩蠕变的等时应力-应变曲线随时间发展向应变轴靠拢;土样经历初始蠕变和等速蠕变两个阶段,在较高应力水平下有进入加速蠕变的趋势;对S-M模型中各参数的意义进行修正并考虑温度的影响,得到人工冻结黏土改进S-M蠕变显式模型,然后采用粒子群算法对人工冻结黏土S-M蠕变模型参数进行优化。改进S-M蠕变显式模型理论计算值与实验值吻合良好,表明改进S-M蠕变显式模型能较好模拟人工冻结黏土的蠕变特性。改进S-M蠕变显式模型为人工冻土蠕变计算提供一种新方法。     

冻结黏土力学特性分析及改进S-M蠕变模型

为合理描述人工冻结法施工的矿井土层力学特性,对某矿井土样的重塑土进行单轴抗压强度实验和单轴压缩蠕变实验,得到重塑冻结黏土在不同温度及载荷加载等级下的应力-应变曲线和蠕变曲线。实验结果表明:冻结温度越低,土样的单轴强度越大;相同冻结温度下,土样的蠕变变形随着应力水平的升高而增大。单轴压缩蠕变的等时应力-应变曲线随时间发展向应变轴靠拢;土样经历初始蠕变和等速蠕变两个阶段,在较高应力水平下有进入加速蠕变的趋势;对S--M模型中各参数的意义进行修正并考虑温度的影响,得到人工冻结黏土改进S--M蠕变显式模型,然后采用粒子群算法对人工冻结黏土S--M蠕变模型参数进行优化。改进S--M蠕变显式模型理论计算值与实验值吻合良好,表明改进S--M蠕变显式模型能较好模拟人工冻结黏土的蠕变特性。改进S--M蠕变显式模型为人工冻土蠕变计算提供一种新方法。     

冻土单轴动态加载下的力学性能

研究冻土的动态力学性能对于地下工程人工冻结法施工等具有重要意义。本文应用分离式霍普金森压杆(SHPB),研究了冻土单轴动态加载下的力学性能,涉及-3、-8、-13、-17、-23和-28℃共6个负温的冻土,应变率范围350～1200s-1。获得了相应条件下的冻土应力应变关系。冻土的单轴动态应力应变曲线具有脆性特征。发现冻土具有温度和应变率效应,其强度随温度降低和应变率增大而增大,最终应变随应变率增大而增大。冻土温度越低,应变率敏感性越强;加载应变率越高,冻土的温度效应越显著。文中提出的粘弹性损伤型本构模型能够较好的描述6个温度冻土的应力应变关系。     

分级加卸载硬岩短时蠕变特性实验研究

由单向抗压强度实验及8级加卸载短时蠕变实验,得到蠕变下限为27MPa的细砂岩试样典型的坚硬岩石脆性断裂特征.应力-应变等时曲线线性回归函数的相关系数均高于0.92,长期强度与瞬时强度之比达94.39%,证明细砂岩试样的整体蠕变特性不强.应力-轴向应变等时曲线线性回归函数的平均相关系数高出应力-径向应变等时曲线线性回归函数的平均相关系数3.92%,因此其轴向非线性蠕变特性相对于径向非线性蠕变特性更弱.随着时间延续,细砂岩试样的非线性蠕变特性总体服从负Gauss分布规律,具有明显的时间效应.随加载应力水平的提高,应力-轴向应变等时曲线和应力-径向应变等时曲线线性拟合函数的平均相关系数下降幅度分别为0.97%和0.67%,线性相关性普遍降低.所以细砂岩试样的非线性蠕变程度随加载应力水平的提高而提高,载荷效应明显.     

高温对砂岩宏细观损伤及BP神经网络单轴强度预测研究

为了研究高温后砂岩的力学特性和宏细观损伤变化,对高温作用后的砂岩进行单轴压缩试验、声波损伤检测、X射线衍射试验、扫描电镜试验,分析应力-应变曲线、峰值应力、峰值应变、弹性模量、质量损失率、X射线衍射成像和电镜扫描图像,得到砂岩的细观损伤变化对其单轴抗压强度的影响。利用BP神经网络模型对不同物理量进行训练,预测不同高温作用后砂岩单轴抗压强度。研究结果表明:随着温度升高,砂岩峰值应力和弹性模量均降低,峰值应变、质量损失率和体积均增大,砂岩的外观颜色由黄色过渡到棕红色直至呈土灰色;微缺陷(微裂隙和孔洞)的发育明显,晶体结构破坏加剧,内部生成CaO和CO₂,孔隙率、热损伤程度增大,声速减小,强度降低。建立BP神经网络模型,利用文献数据验证模型可行性,模型预测值与试验值最大误差8.25%,可靠度较高。     

单轴荷载下饱水岩石静态和动态抗压强度的细观力学分析

由于单轴荷载下饱水岩石的动态力学特性与静态力学特性存在很大差异,从宏观上进行力学分析 存在局限性。根据岩石受压全应力应变曲线的细观机制,分析了静态及动态单轴荷载条件下孔隙水影响饱水 岩石裂纹扩展的情况。在静态单轴压缩条件下,初始裂隙受压使自由水产生孔隙水压力,自由水对翼裂纹有 向外挤压的应力,促进裂纹扩展。在动态单轴压缩条件下,自由水会产生粘结力,抑制裂纹扩展。根据翼裂纹 受压扩展原理,推导出饱水单轴条件下动态抗压强度、静态抗压强度的计算公式,在相同断裂韧度下,饱水岩 石静态抗压强度风干岩石静态抗压强度饱水岩石动态抗压强度。对自然风干和饱水砂岩进行单轴静态、 动态压缩实验,结果与理论模型的结果相符。     

冻土试验微机控制系统研究与应用

根据人工冻土力学性能的特点和试验规程,研究在同一台试验机上,设计出冻土单轴抗压强度试验和单轴蠕变强度试验的微机控制系统,系统设置了应力控制加载、应变控制加载和蠕变试验三个独立系统,并可以根据人为要求设定试验参数和微机控制试验;系统记录了全部试验数据,设置了查询、报表和图形等输出功能。文中介绍了冻土试验微机控制系统的关键技术,给出了冻土试验实例,对冻土力学性能的研究以及冻土试验机研制有较好的参考价值。     

人工冻土力学性能影响因素敏感性分析

为分析人工冻土单轴抗压强度影响因素敏感性,选定人工冻土单轴抗压强度的7 种影响因素,按正交试验设计方案进行大量冻土单轴压缩试验,并采用灰色关联理论对试验结果进行分析,研究分析诸因素敏感性排列顺序. 试验结果表明：在选定的7 种影响因素中,温度为最大敏感因素,其它依次为深度、土性、养护时间、加载速率、含水率和密度,且选定的7 种因素均为重要影响因素,为相关室内试验与工程应用提供依据.     

轴、侧向同卸荷下砂岩力学特性影响的试验研究

本文以实际岩体工程为背景,利用WDT-1500 仪器开展了轴向、侧向同时卸荷条件下砂岩的三轴试验. 结果表明:轴、侧向同卸荷这种卸荷路径下,砂岩试样破坏时并没有出现应力峰值,为了定义试样的破坏强度,将最大与最小主应力差随最小主应力的变化关系曲线上应力跌落的拐点处的应力值定义为破坏强度. 砂岩变形初始段发生应力跌落和轴向应变回弹,破坏前无明显的弹性和屈服阶段;试验的过程中,砂岩的侧向变形明显大于轴向变形,其体积应变一直处于膨胀状态;相对于砂岩的常规三轴试验结果,试样破坏时的强度在轴向、侧向同时卸荷条件下有所降低. 初始轴压和初始围压对试样的力学特征有十分显著的影响,但围压的卸荷速率却并不显著. 砂岩的破坏特征主要是以张-拉为主的混合张剪的破坏.      

经历不同高温后砂岩的动态力学特性实验研究

运用RX3 -20 -12型箱式电阻炉将砂岩试样分别加热至100、200、400、600、800和1 000℃,然后自然冷却至常温,制成经历不同温度的砂岩试件。运用直径为100mm的分离式Hopkinson压杆装置,用薄圆形紫铜片作为波形整形器,以不同弹速轴向冲击砂岩试样,测试经历不同温度后砂岩试样在不同冲击荷载下的动态力学性能,得出了砂岩的应力-应变曲线及各自的破坏形态。结果表明:常温下砂岩的动态压缩破坏的应力-应变曲线具有明显的4阶段特征,但经历100~400℃作用的砂岩应力-应变曲线的平台段消失,温度继续升高时平台段又重新出现;砂岩的峰值应变随温度升高而升高,动态压缩强度也随温度升高而升高,但在800℃以后陡然下降;砂岩的动态压缩破坏形态受温度和冲击荷载的共同影响,冲击荷载越大破碎程度越大,而且破坏过程总是由外层向内芯发展。     

岩石蠕变特性试验研究

针对大安山煤矿+550水平西二石门围岩蠕变变形严重的问题,采用室内蠕变试验与理论分析相结合的方法研究岩石蠕变特性。选取泥质粉砂岩作为软岩试样,通过自制三轴蠕变仪对所取岩样进行恒围压分级增轴压的三轴压缩蠕变试验,结果表明:随应力水平的提高,起始蠕变速率增大,进入稳态蠕变阶段用时延长,稳态蠕变速率从0h-1增大到3.12e-4·h-1,瞬时应变以线性关系增加,围压9MPa条件下的起始蠕变应力阈值为6MPa,当应力水平超过岩石长期强度时出现加速蠕变。基于蠕变试验规律,考虑起始蠕变应力阈值,将一种可用阶跃函数表示的开关元件与广义K体并联,并引入损伤元件对CVISC蠕变模型进行改进。采用1st-Opt中的Levenberg-Marquardt+通用全局优化法计算蠕变参数并进行反演。反演结果表明理论曲线与试验曲线的吻合效果较好,证明了所建模型的合理性。上述研究成果可为岩石工程的长期稳定性分析提供试验和理论依据。     

动静态压缩下岩石试样的长径比效应研究

利用分离式霍普金森压杆(SHPB)实验装置和INSTRON1346液压伺服试验机分别对直径为50mm,长径比为0.5,0.6,0.8,1.0,1.2,1.6,2.0的花岗岩试样分别进行水平冲击试验和单轴压缩试验,研究岩石试样在动静态压缩下的长径比效应。结果表明:动态冲击试验中,长径比对试样两端的应力平衡状态有显著影响。随着试样长径比的增大(L/D1.2),应力均匀化条件难以得到满足。试样的SHPB冲击破坏模式具有显著的长径比效应,随着长径比的增大,试样破碎程度降低,破坏模式由轴向劈裂破坏向轴向劈裂和层裂拉伸复合型破坏模式转变。在同应变率水平下,岩石的动态抗压强度随试样长径比的减小而减小(当L/D1.2时),这与静载作用下岩石单轴抗压强度随长径比的减小而增大的变化规律有明显区别。对岩石类材料来说,长径比的变化对静态抗压强度的影响程度要高于对动态抗压强度的影响,主要是因为静载试验下加载板和试样之间的作用时间长,而动载作用时间很短,导致小长径比试样静载下具有明显的端部效应,从而得到相对更高的名义单轴抗压强度。     

基于内时理论的冻土试验研究与数值分析

从内时理论出发,基于考虑了温度和应变率影响的冻土内时流变本构方程,采用Matlab拟合法确定内时材料参数,对冻土在单轴和3轴应力条件下的应变进行了求解、分析与试验验证,并将理论结果与试验所得的应力-应变曲线进行了比较,理论曲线与试验曲线基本吻合. 与传统塑性理论的研究方法相比,内时理论的研究方法可以免去确定屈服面的困难. 基于所使用的内时本构模型,对冻土路基的冻结进行了数值分析,结果表明该理论具有很好的适用性.      

高能材料动态力学性能的研究

采用自制的高能材料动静态变温三轴、单轴压缩试验装置、在熔点以下温度，以及在中等应变速率（２～４／ｓ）和准静态（３１０￣（－３）／ｓ）条件下测试了ＴＮＴ材料三轴、单轴压缩力学性能参数。试验结果表明，ＴＮＴ材料具有明显的应变率相关和热软化效应。在单轴压缩条件下，ＴＮＴ材料是脆性破坏，断裂强度小于屈服极限；在三轴压缩条件下，试件有较大的塑性变形。根据试验结果拟合了ＴＮＴ材料随着加载速率和环境温度变化的本构关系，分析表明该本构关系可以很好地描述材料的应变率、温度效应。     

混掺精细钢纤维/PVA水泥基复合材料单轴抗压试验及本构模型研究

通过进行10组30个精细钢纤维-PVA纤维混杂水泥基棱柱体的单轴抗压试验,测得其应力-应变曲线和抗压强度,分析了单掺与混掺情况下纤维掺量对材料抗压性能的影响.试验结果表明:混掺精细钢纤维对提高材料抗压性能有利,包含0.4%精细钢纤维的混掺试件轴心抗压强度较单掺对比组提高了7.5%,峰值应变提高了58%.基于试验数据,建立了适用于精细钢纤维-PVA纤维混杂水泥基材料的轴心受压应力-应变本构模型,模型结果与试验曲线吻合良好.     

冻土的有限变形本构关系的实验研究

根据有限变形理论,给出了冻土三轴蠕变实验数据处理时所需Green应变和Kirchhoff应力的计算公式,并根据冻土三轴蠕变实验结果给出冻土的有限变形本构关系及其蠕变参数。通过对冻土的实验数据对比分析可知:在相同试验条件下,应变较小时,小应变ε1 和Green应变Ez的数值几乎相等,随着应变的增加,两种表征方式的计算结果差别越来越大,可见对于冻土如果不考虑试件变形前后长度的变化,计算得出的应变偏离实际变形情况较大,因此冻土材料的本构关系采用有限变形表征更确切。根据冻土的有限变形本构关系计算得到的冻结壁内侧最大径向位移更接近实测结果,因此冻结壁设计计算依据冻土的有限变形本构关系更为合理。对今后冻结工程的设计具有参考价值。     

软硬互层状岩石类材料双轴压缩蠕变特性试验研究

自然界中广泛分布的复合层状岩体，具有显著的结构不连续性、非均质性和各向异性特征。为揭示软硬互层状岩体在双轴压缩下的蠕变特征，采用相似模型试验，制作软硬互层状岩石类试样，开展了3种不同侧向应力水平条件下平行于层理方向的轴向分级加载双轴压缩蠕变试验，并利用数字图像相关技术(DIC)进行了试样表面变形观测。研究发现，软硬互层状岩石类材料的蠕变包括减速蠕变、等速蠕变、加速蠕变3个阶段，且减速蠕变阶段与等速蠕变阶段占比较大，而加速蠕变阶段占比较小；随着侧向应力的增加，试样的蠕变破坏强度逐渐降低，而蠕变应变增加率随之增加；应力水平差异对试样蠕变特征有着显著的影响，当侧向应力相同时，随着轴向应力的增加，轴向应变也随之增加；当轴向应力相同时，轴向应变与侧向应变随着侧向应力的增加先减小后增大。试验过程中，利用DIC技术监测试样表面变形，发现当侧向应力水平较低时，试样的轴向应变主要取决于硬岩层，而当侧向应力水平超过软岩抗压强度后，软岩层内部裂纹的产生会导致试样宏观破坏提前发生。上述研究结果可为软硬互层状岩体工程建设及围岩长期稳定性分析提供理论参考。     

粉砂岩峰后破坏区应力脆性跌落的试验和本构方程研究

对粉砂岩试样进行常规三轴压缩试验,得到了其在不同围压下的应力-应变全程曲线.结果表明,岩样应力-应变曲线峰前(破坏前区)部分的力学性质较为稳定,其力学行为可用经典强度理论进行描述;应力-应变曲线峰后(破坏后区)部分,岩样处于非稳定状态,其力学行为难以用经典强度理论来描述,而脆塑性模型恰好可以描述试验岩样的应力非连续变化特征.岩石的应力脆性跌落是有条件发生的,应力脆性跌落系数是围压的函数,并给出应力脆性跌落系数与围压的关系.对完整岩样而言,使用弹性-线性软化-残余塑性三线性非理想脆塑性模型可以描述岩样的本构特征,而对含有节理岩样而言,采用双线性弹性-线性软化-残余塑性四线型非理想脆塑性模型与试验更为相符.     

基于Oda裂隙结构张量的流纹岩各向异性试验研究

岩石内天然存在长度、倾角和形态不同的裂隙,造成岩石的各向异性特征。为揭示岩石内天然随机裂隙发育特征对岩石物理力学特性的影响规律,以泥巴山隧址区采集裂隙性流纹岩为研究对象,首先对试样裂隙进行素描统计分析;然后基于Oda裂隙结构张量,获得天然随机分布裂隙的几何统计参数;最后对裂隙性流纹岩试样分别进行单轴和常规三轴压缩试验,得到不同应力路径下流纹岩的应力-应变曲线及物理力学参数。分析Oda裂隙结构张量定义的各向异性参数与试验获得的力学参数之间的规律,研究结果表明:(1)Oda裂隙结构张量适用于天然随机分布裂隙的几何统计分析,各向异性参数A(F)越大,裂隙优势方向越明显;(2)单轴压缩下,随着各向异性参数I1和A(F)的增大,流纹岩各向异性程度增大,弹性模量减小,泊松比增大;(3)常规三轴压缩下,流纹岩弹性模量和泊松比随各向异性参数改变的规律较不明显,Oda裂隙结构张量不再适用。