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。     

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.     

人工冻结深部软岩单轴力学性能试验及蠕变模型

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.     

单轴压缩条件下溶蚀岩体力学特性数值试验研究

工程尺度的溶蚀岩体难以开展室内外力学试验，导致溶蚀岩体的力学参数获取存在困难，因此基于岩石矿物含量特征、室内力学试验和岩体结构面特征，采用三维颗粒流离散元法，通过建立等效孔隙型溶蚀岩体模型进行单轴压缩数值试验，进而分析其力学特性和变形破坏机制。研究表明：采用改进平行黏结模型，基于细观矿物特征，通过元胞自动机算法剔除颗粒可建立孔隙型溶蚀岩体模型；加载前期，岩体结构面首先快速破坏而产生以剪切为主的微裂纹；随加载进行，岩块内逐渐产生以拉裂纹为主的破坏，其微裂纹呈指数增加，而结构面微裂纹先激增后趋于稳定；相同轴向应变时，岩块内拉裂纹随溶蚀率增加而增加，而结构面剪切微裂纹减少；岩体的变形破坏分为结构面快速破坏、岩块弹性变形、岩块塑性变形和岩体完全破坏等4个阶段，其破坏形式随溶蚀率增加而从整体均匀性破坏转化为局部结构性破坏；溶蚀使岩体强度降低，溶蚀率与单轴抗压强度和变形模量分别呈反比和负指数函数关系。     

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。     

刚体碰撞下直杆的塑性屈曲和后屈曲

研究了受刚体轴向碰撞直杆中塑性屈曲变形发展的机理.推导了增量形式的非线性动力方程,并用差分法求解,将特征值分析给出的初始局部屈曲位移作为方程解的初始条件.数值结果说明:随着轴向压缩波的传播,碰撞端附近发生的局部屈曲变形增长和向前传播,由半波形的初始模态发展成后屈曲高阶模态;在后屈曲变形的早期阶段无应变率逆转发生,切线模量理论适用于该阶段弯曲变形的计算.     

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。     

高应力岩体爆破卸荷过程中应变率及应变能特征

针对高应力岩体爆破开挖卸载问题，自制了一台轴向加、卸载实验测试平台，通过实验测试获得了爆破卸荷过程中岩杆的动态应变及应变率数据。实测数据表明:开挖面附近岩体的爆破加、卸载以及初始应力卸载应变率均在10?1 s?1量级以上，验证了高地应力区岩体爆破开挖卸荷是一动态过程。建立了初始应力卸载一维力学模型，揭示了卸载波的传播机制；通过分析爆破卸荷过程应变能密度的时空分布特征，建立了应变能密度与各阶段应变率变化规律的联系。结合实测数据，采用隐式-显式顺序求解方法，进一步分析了高应力区岩体爆破卸荷荷载各阶段应变率沿岩杆的变化规律。结果表明:爆破加载阶段的平均应变率沿杆件逐渐衰减，且衰减速度逐渐减小；爆破卸阶段平均应变率沿杆件也呈衰减趋势；而初始应力的应变能稳定释放，其平均应变率无衰减趋势。     

酸腐蚀条件下石膏岩分数阶蠕变本构模型研究

为探究地下水对岩石的侵蚀损伤,通过开展酸腐蚀条件下的石膏岩单轴压缩蠕变试验和扫描电镜试验,研究了不同pH条件下石膏岩单轴压缩蠕变特性以及酸腐蚀前后试样的微观变化。结果表明：酸腐蚀加快了试样的蠕变速度,酸性越强,蠕变速率越快;试样主要以劈裂和剪切破坏形式为主,端部出现损伤破坏的现象,酸性越强,损伤破坏越明显。微观上,干燥试样结构完整;而酸腐蚀后的试样,随着酸性增强,孔隙增多、增大,结构疏松。为描述酸腐蚀条件下石膏岩蠕变过程,通过引入酸腐蚀劣化衰减系数β对变系数Abel黏壶进行改造,用改造后的变系数Abel黏壶元件代替西原体中黏塑性体部分的牛顿黏壶,建立了考虑酸腐蚀条件下的分数阶蠕变本构模型。通过试验数据与所建立的模型进行参数拟合,确定了模型中的参数,并对引入的参数β进行了敏感性分析。研究表明,所提出的模型能够很好地反映酸腐蚀条件下石膏岩的蠕变三个阶段,尤其是加速蠕变阶段。     

夹层材料对软硬介质组合岩体动态力学特性的影响

为研究不同夹层材料下软硬介质组合岩体的动态力学性能及变形破坏特征，以砂岩和花岗岩为软硬岩基质，利用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)装置，并通过离散格子弹簧法(discrete lattice spring method,DLSM)数值模拟，探究了不同夹层材料下岩体裂纹扩展、夹层界面处的反、透射特性及岩体中能量分配特性。结果表明：不同夹层材料岩体的动态强度增长因子随着岩体动态抗压强度增大而增大，表现出明显的动态抗压强度依赖性。不同夹层材料岩体在加载初始阶段存在明显的非线性段，无夹层岩体砂岩内部闭合的孔隙及裂隙在应力开始作用阶段最久且非线性段最长。随着夹层材料强度的增大，夹层对岩体的裂纹扩展和发育的阻碍能力逐渐较弱，岩体产生裂纹和破坏需要消耗的能量逐渐降低。夹层岩体的破坏开始于夹层胶结面处，随着夹层材料强度的增大，软岩靠近胶结面一侧破坏逐渐加剧，硬岩无明显破坏。含夹层岩体具有很好的削波作用，随着夹层材料强度的降低，两端面应力峰值在逐渐降低，夹层岩体短时间内获得的能量吸收密度增大，稳定性降低，容易被破坏。     

流变岩体中让压支护作用下隧道力学行为研究

高地应力深埋软岩隧道大变形问题已成为隧道工程建设领域的突出难题. 根据高地应力深埋软岩隧道的变形特征, 基于"围岩能量吸收、变形释放"的让压支护是解决软岩隧道大变形问题的有效方法. 针对流变岩体中深埋圆形隧道在让压支护作用下的力学响应问题, 通过引入分数阶微积分理论, 采用Abel黏壶元件建立了改进的分数阶Burgers蠕变模型来表征围岩的时效变形. 此外, 通过在让压支护不同变形阶段引入刚度修正系数, 克服了传统支护未能考虑围岩变形释放的问题. 据此, 本文推导了在考虑支护延迟安装影响下, 不同变形阶段围岩与让压支护相互作用的解析解. 为了验证理论研究的正确性, 对一算例进行了不同解答及工程结果的比对, 吻合较好. 最后, 参数研究结果表明: 围岩与让压支护间的相互作用受蠕变本构模型分数阶阶数影响较大. 隧道的位移或支护压力与让压位移、支护刚度修正系数间存在线性比例关系, 但由于刚度修正系数仅保持在较小的变化范围内, 隧道的位移或支护压力变化并不显著.      

2.5维自愈合C/SiC复合材料的压缩力学行为

试验研究了2.5维自愈合C/SiC复合材料的压缩力学行为,根据材料的细观结构特点,建立了压缩载荷下的损伤力学模型,得到了经纬向压缩的非线性应力应变关系,预测结果与试验值吻合较好。结果表明,经向和纬向的力学行为不同,纬向的压应力逐渐增大时,切线模量逐渐增大,压缩强度为270.05MPa,而经向压应力逐渐增大时,层间损伤逐渐发生,经纱承受的弯矩越来越大,切线模量逐渐降低,破坏强度为128.66MPa。     

单轴压缩下断续节理岩体动态损伤本构模型

断续节理将对工程岩体的强度及变形等力学特性产生显著影响,损伤力学中视节理为岩体的一种宏观损伤,因而采用损伤张量来刻画其对岩体的影响。目前学术界提出了用节理的几何、强度及变形等3类参数来描述节理的物理力学性质,而目前的岩体损伤张量计算方法都只涉及前2类参数,均没有涉及其变形参数即法向及切向刚度。为此,在前人研究的基础上,基于断裂及损伤理论提出了考虑节理法向及切向刚度的单轴压缩下单条断续节理引起的损伤张量计算公式,进而通过考虑节理间相互作用给出了单组单排或多排节理岩体损伤张量计算公式。其次,以岩石细观动态损伤模型为基础,结合宏细观损伤耦合观点提出了一个能够同时考虑节理几何、强度及变形参数的断续节理岩体动态损伤本构模型。最后,利用该模型讨论了节理参数及载荷应变率等对岩体动态力学特性的影响,认为节理长度减小及摩擦角增大将导致岩体动态峰值强度及弹性模量增大;岩体动态峰值强度及弹性模量则随着节理法向及切向刚度的增大分别减小或增大;而当节理法向及切向刚度按照同一比例增大时,岩体动态峰值强度及弹性模量则是增大的。岩体动态峰值强度与载荷应变率呈正相关。     

含水状态对石英砂岩单轴分级蠕变性能影响研究

为研究含水状态对深埋岩体开挖卸荷后蠕变力学行为的影响,对干燥状态与饱和含水状态石英砂岩开展单轴分级加载蠕变试验,同时结合声发射技术进行实时监测。结果表明:随着含水率的增加,岩石蠕变失效强度降低,其宏观特征由剪切破坏过渡为劈裂破坏;水的存在对岩石的瞬时弹性应变和蠕变应变均抑制明显,试件含水饱和后蠕变增量和相应的稳态蠕变速率均明显降低。通过Levenberg-Marquarat算法对蠕变曲线进行拟合和参数辨识,证明Burgers蠕变力学模型能较好表述石英砂岩蠕变特性;试件含水饱和后弹性系数E_1、E_2和粘性系数η_1、η_2降低,岩石粘滞性增强,损伤硬化特征明显;试件含水饱和后加载瞬间与蠕变阶段声发射事件能率降低,内部微裂纹演化进程减慢。通过对比分析发现,稳态蠕变阶段声发射事件能率与蠕变速率的演化趋势较一致。试验研究结果可以为工程岩体破裂失稳的预测和防治提供一定的理论参考。     

冲击载荷下Al_2O_3陶瓷材料的动态力学行为和响应

采用分离式Hopkinson压杆实验装置和ABQAUS软件,对氧化铝陶瓷材料进行冲击压缩实验和有限元数值模拟;分析了此类材料中的应力-应变关系、应力波的传播特性和冲击动态响应。结果表明:氧化铝陶瓷的极限强度和应力波波速均随着应变率的增加而明显增加,应变率效应明显;氧化铝陶瓷材料属于递减硬化材料,随着应变的增大,应力波的波速降低,动态切线模量逐渐减小;当应变率增加50%时,此类材料的应力、应变、速度、加速度等参量的冲击动态响应分别增加约68.67%、77.42%、22.84%、25.75%。     

闪长岩单轴加载过程中声发射和弹性波速度变化规律的研究

为研究闪长岩在单轴加载过程中的声发射和各向波速变化规律,在单轴阶段加载和循环阶段加载条件下,对闪长岩岩样破裂过程中的声发射累计数、不同应力水平不同方向的波速、切线模量、轴向应变速率进行了研究。实验结果表明:(1)随着应力水平的增高,声发射事件数不断增加,在高应力水平(约80%峰值强度)时,声发射累计数急剧增多,随后切线模量出现震荡变化。(2)在加载过程中,压密程度及裂纹扩展方向对波速产生了巨大的影响,导致不同方向波速在不同的应力水平呈现出不同的变化规律,由此可以推测破裂面位置和破裂模式。在较高应力水平下(约60%峰值强度),平行于加载方向的波速趋于稳定,而垂直于加载方向的波速则持续下降,故用垂直于加载方向传播的波速预测岩石的破坏更具可靠性。(3)随着应力的增加,应变速率有逐渐减小的趋势,但临近岩石破裂时无异常变化出现,说明利用变形观测难以预测此类岩石的破坏。以上研究表明,根据纵波波速、声发射累计数和切线模量的变化可以有效预测岩石的破坏。     

动静组合加载下花岗岩的力学性能

在霍普金森试验系统上进行了花岗岩动静组合加载试验,获得了花岗岩在动静组合加载下的力学性能.试验结果表明:当动载不变,改变静栽大小,在弹性范围内,花岗岩强度随着静载增大而增大;当静载超过弹性极限时,花岗岩强度迅速降低;在其破坏过程中对冲击能量的吸收随静载增大而减小;变形模量呈现明显的两段特征.当静载不变,改变动载大小,花岗岩的强度随动载增大而增大;变形模量先随动载增大而增大,而后又突然变小,并不出现两段特征;在其破坏过程中对冲击能量的吸收随动载应变率的增大而逐渐增大.所得结果为岩爆、深部破岩等研究提供实验依据.     

砂岩峰后蠕变失稳特性试验研究

为揭示岩石峰后蠕变失稳特性,利用MTS815电液伺服岩石力学试验系统,对红砂岩进行了峰后蠕变试验,采用线性回归的方法估算了蠕变失稳时间,探讨了损伤、初始围压以及围压增量对峰后蠕变特性的影响规律。结果表明:随着损伤的加大,蠕变变形速率增大,蠕变失稳时间缩短。同一围压下,各级应力水平下蠕变量随应力水平的增大而增大,且服从指数函数关系。增大初始围压,各级应力水平下的蠕变变形速率均有一定程度的降低,且对等速蠕变阶段蠕变速率的影响较加速蠕变阶段蠕变速率大,蠕变失稳时间延长。施加围压增量,大大减小了蠕变变形速率,促使了加速蠕变阶段向等速蠕变阶段转化,明显延长了蠕变失稳时间,减小了蠕变形变量。研究结果为工程围岩的长期稳定性分析提供了参考依据。     

不同应变率下冰破坏特性的试验研究

为研究寒区流冰对水工/船舶结构的影响,需要获得不同流速冰载荷的特征,准静态下不同应变率条件下冰材料变形至破坏的特征就成为一项重要的基础性问题。为此,开展了低温环境应变率10-2s-1至10-4s-1下淡水冰的单轴压缩试验。试验发现:随着应变率减小,极限应力由18.51MPa降低至8.44MPa,达到极限应力后,试件承载能力由瞬间消失变为逐渐降低至稳态,试件破坏形貌由劈裂转变为周向膨胀,即由脆性转变为韧性破坏,转变应变率约为10-3s-1;在双对数坐标系中,单轴压缩强度随应变率的增加近似呈线性增大。通过对应力-应变曲线进行积分,给出了不同破坏形式下冰变形至破坏的临界应变能密度,发现脆/韧转变状态下加载至破坏所需能量最大,该能量特征主要由冰中微裂纹的萌生、断面摩擦、再结晶引起。     

基于塑性体积应变的岩石损伤变形特性实验研究

为分析岩石塑性变形与损伤的关系,在定义岩石的初始损伤和临界损伤,提出塑性体积应变分析方法,从而以塑性体积应变为损伤变量,采用归一化方法建立岩石的损伤本构模型。采用递增循环加载实验确定岩石损伤本构模型中的弹性卸载模量和弹性应变比例系数两个参数。通过实验和理论分析得出:当荷载较小时,普通单轴压缩状态下岩石损伤随荷载的增加具有减小趋势,荷载超过一定数值后,岩石损伤才开始增加;单轴递增循环压缩状态下当循环荷载大于约35%峰值强度后,卸载后岩石的损伤具有增加的趋势,小于该荷载之前具有减小的趋势。整个加载过程的理论应力-应变曲线能很好地与实验结果相吻合,在循环加载区间理论结果还能体现出岩石实验结果中的回滞环。