沥青海砂作为软岩相似材料的实验研究

为了解决岩石工程相似模型实验中传统相似材料难以模拟深部软岩低强度、大变形和强流变的问题,本文选用70#沥青(产量大、成本低、粘弹性、易成型、易软化等)和海砂作为深部软岩的相似模拟材料.采用连续加压法对其进行了单轴压缩实验,对不同配比下试件的密度、抗压强度及初始弹性模量进行分析,得到了该相似材料有关的原始数据和规律.本文初步验证了使用该相似材料模拟深部软岩的可行性,并针对不足之处给出一些合理改进建议,为进一步模型模拟实验提供指导.     

软岩相似模拟材料单轴压缩力学特性的温度效应试验研究

为探索适用于模拟深部高温压下强延性地质软岩的相似材料,在传统砂和石膏的基础上,加入铁粉和温度敏感的石蜡,调整配比,制成4种软岩相似材料;通过单轴压缩试验,对经历不同温度(-20～50℃)后软岩相似材料的变形、强度特性、破坏形式的影响规律进行了研究。结果表明:随着温度的升高,软岩相似材料的弹性模量及峰值强度整体呈下降趋势,同一温度下,石蜡含量高的,峰值也大;不同温度下,表现为张拉破坏、剪切破坏、锥形破坏、楔形破坏,与天然岩体的常见破坏形式相一致;通过改变温度和砂胶比能模拟不同强度的脆性、延性岩体,尤其对高温压下的强延性深部岩体有独特优势。鉴于该类软岩相似材料的温敏性,使用时需要严格控制温度条件,可作为大型地质力学模型试验的特殊层,与其它传统相似材料配合使用。     

温度和压力作用下软岩流变相似理论的研究及应用

分别利用方程推导法、量纲分析法推导出了温度和压力作用下软岩线弹性变形范围内及流变过程中的相似准则,并进行了简单分析。以抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角、导热系数相似准则为指导,制备了一种以石蜡为粘结剂、河砂为主要骨料的页岩相似材料,并测定了其力学参数及导热系数。通过实验数据与相似准则计算数据的比较,结果表明,此种页岩相似材料与页岩原型材料具有较高的相似性,相似准则对于模型实验开展具有重要的指导意义。研究丰富了软岩流变相似理论体系,对于深部软岩工程开挖及支护具有重要的实用价值。     

孔隙率对页岩相似材料破坏影响的试验研究

根据物理模型试验的相似原理,经过大量物理模型试验,研制成一批可以模拟页岩物理力学性能且具有五种不同孔隙率的相似材料。该材料由河砂、石膏粉、水、水泥按一定配比均匀拌合压实而成。根据材料力学参数测试得到,该页岩相似材料满足相似原理,且性能稳定、制作工艺简单、经济实用、无毒无害,可以用来模拟页岩。通过单轴压缩试验、劈裂试验、三轴压缩试验,得到该批材料的泊松比随孔隙率的增大而增大,抗压强度、抗拉强度、弹性模量、粘聚力、内摩擦角则均随孔隙率的增大而减小的结论。     

简易弓形位移传感器及其在工程岩体研究中的应用

本文介绍了一种用于岩体力学物理模拟试验的位移传感器及其结构，力学原理和制造方法建立了传感器位移量与基本身应变的关系，并进行了标定和验证，同时，介绿了该位移传感器在某双曲拱坝坝肩软岩带变形特征的地质力学模拟试验的应用情况，结果表明，该传感器用模型内部的变形量测，具有独特的优点。     

基于饱依丁-汤姆逊模型的软岩损伤蠕变模型

为更加准确地描述深部软岩的蠕变全过程,以饱依丁-汤姆逊模型为基础,将损伤变量引入到蠕变方程中,并构造了可描述加速蠕变阶段的模型元件,通过串联得到了新的蠕变模型。结果表明:该模型能够较好地描述软岩的衰减蠕变、稳态蠕变、加速蠕变阶段。用该模型对泥质页岩的蠕变试验结果进行数据拟合对比,结果显示该模型的拟合曲线与实验曲线基本吻合,拟合度为0.99733,能够很好地反映出软岩蠕变的特性,适合用于描述深部软岩的蠕变行为。     

深部软岩巷道喷射钢纤维混凝土支护技术

针对深部软岩的基本特征, 提出了深部软岩巷道支护的新思路, 即改变现有的锚喷作业顺序, 并通过在素喷混凝土中掺入适量钢纤维的方法来改善混凝土的整体力学性能, 使之更好地适应软岩巷道大变形的需要。借助数值模拟, 进行了支护方案的对比分析, 并提出了合理的支护方案。     

软弱破碎油页岩蠕变特性相似材料实验研究

为研究软弱破碎油页岩巷道蠕变变形特性及变化规律,根据地质力学模型试验相似原理及油页岩岩石物理力学参数,确定以硅胶粉和河砂为骨料,以正十四烷、石膏为胶结剂,通过相似材料配比及相似材料试件基本力学参数、蠕变参数测试,得到骨胶比为1∶0.4、骨料比为5∶5的相似材料,与岩石蠕变力学特性具有一致性,基本满足软弱破碎油页岩蠕变相似模型要求的材料配比。上述结果为开展油页岩地下开采巷道运营期的变形、破坏相似材料模型试验打下了坚实的基础。     

煤岩巷道冲击破坏过程相似模拟试验研究

采用相似材料模拟试验研究方法,利用单轴加载系统和数字散斑光测技术,根据相似材料配比制备脆性材料,对标准试块和三维巷道模型进行了相似试验研究。对相似模拟试验结果分析可知,实验室制备脆性材料模拟冲击地压巷道破坏过程是可行的,冲击破坏特征较明显;散斑计算结果说明,试块位移和应变变化与裂缝出现、扩展和贯通具有一致性,且竖向裂缝开展数量多、速度快;相似模拟试验结果也表明巷道顶板受冲击作用和下沉位移较大,两边帮向巷道内部弯曲变形也较大,甚至出现煤岩抛出和巷道垮塌。本试验也为进一步揭示煤岩巷道冲击破坏规律提供了新的途径。     

基于岩石蠕变及D-P准则的深部巷道围岩弹塑性分析

为深入分析岩石蠕变及中间主应力对深部高应力软岩巷道围岩稳定性及分区变形特性的影响机理, 通过剖析长期荷载作用下深部巷道围岩的变形特征, 揭示了基于围岩蠕变特性的深部巷道围岩四分区变形机理, 并依据Druck-Prager准则及关联性流动法则考虑了中间主应力、岩体扩容及应变软化的影响, 推导出巷道围岩各分区应力、变形和半径解析解. 结合工程算例, 通过对现场监测数据以及不同力学模型的计算结果进行对比分析, 论证了本文理论的科学性, 并揭示了不同强度准则和围岩参数对深部巷道围岩各分区形态的影响规律. 结果表明, 忽视深部巷道围岩的蠕变特性将导致初始黏聚力的取值大于实际值, 从而造成围岩的理论承载能力大于实际承载能力; 在[0, 0.7]区间内提高中间主应力系数可有效控制围岩塑性区及破碎区范围的扩展; 当初始黏聚力及内摩擦角减小时, 中间主应力系数对围岩塑性区、破碎区范围及巷道变形的影响力显著提高. 研究成果可为地下工程支护设计及围岩稳定性评估提供理论参考.      

含瓦斯煤单轴压缩的尺度效应实验研究

含瓦斯煤与其它岩石类材料一样,在力学特性等方面具有尺度效应。利用特制的饱和加压装置和电子万能试验机,对不同尺度、不同饱和瓦斯压力下的煤样进行了单轴压缩试验,探讨了煤样变形破坏及强度特性的变化规律。分析表明,煤样抗压强度、弹性模量随瓦斯压力的增大而减小,抗压强度随高径比的增加明显减小,弹性模量随高径比的增加略有提高。利用Weibull模型和线弹性强化理论对含瓦斯煤产生尺度效应的原因进行了合理地解释,为含瓦斯煤样尺度效应在强度表征等方面的深入研究提供了新的实验和理论依据。     

类岩石材料力学特性的试验及数值模拟研究

在进行多组不同配比类岩石材料单轴压缩试验和巴西试验的基础上,详细分析了石膏水泥比和石英砂含量对类岩石材料的单轴抗压强度、抗拉强度及弹性模量等力学参数的影响规律,力图找到适合模拟现场砂质泥岩的类岩石材料及配合比。利用颗粒流程序(PFC)模拟,进一步研究了高径比和围压对类岩石材料力学特性的影响。结果表明:随着石膏水泥比的增大,抗压强度和弹性模量均逐渐减小,而抗拉强度逐渐增大;随着石英粉含量的增大,抗压强度和弹性模量均先增大后减小,而抗拉强度则为先减小后增大。结合单轴压缩过程的声发射特征,揭示了裂纹扩展与声发射有密切的关系。PFC2D模拟获得的力学参数与室内试验相近,破裂模式也与实际情况相似。通过尺寸效应的研究可知试样的高径比在2.0~2.5较合理。随着围压的增大,试样的峰值强度、残余强度、峰值应变及弹性模量等力学参数均增大,且围压会改变试样的破裂模式。     

Prediction of bending rupture strength of non-linear materials with different behavior in tension and compression

Many materials have quite different stress-strain relations in tension and compression. Examples include such diverse materials as rock, cast iron, concrete, tire cord-rubber and soft biological tissues. It is shown by analysis in this paper that DBTC (different behavior in tension and compression) has a profound effect on the flexural strength as predicted by application of fundamental continuum mechanics relations. The theory is applied to a non-linear material model which is shown to be applicable to two widely different materials: concrete, which has more strength degradation in tension than in compression, and steel cord-rubber, which has strength which is enhanced in tension by cord strengthening and degraded in compression by cord microbuckling.     

脆塑性岩石破坏后区应力跌落效应数值模拟

采用三轴试验和数值模拟研究了岩石类脆塑性材料的应力跌落效应,并用塑性流动因子λ来描述应力跌落效应。为简化计算,给出了一种应力陡降过程中伴随的非零应变增量的工程近似处理方法,基于此针对性地编制了处理脆塑性材料应力跌落的有限元分析程序代码。数值模拟结果验证了塑性流动因子λ以及该近似处理方法的有效性。     

Mesoscale modeling of nonlinear elasticity and fracture in ceramic polycrystals under dynamic shear and compression

Dynamic deformation and failure mechanisms in polycrystalline ceramics are investigated through constitutive modeling and numerical simulation. Two ceramics are studied: silicon carbide (SiC, hexagonal crystal structure) and aluminum oxynitride (AlON, cubic crystal structure). Three dimensional finite element simulations incorporate nonlinear anisotropic elasticity for behavior of single crystals within polycrystalline aggregates, cohesive zone models for intergranular fracture, and contact interactions among fractured interfaces. Boundary conditions considered include uniaxial strain compression, uniaxial stress compression, and shear with varying confinement, all at high loading rates. Results for both materials demonstrate shear-induced dilatation and increasing shear strength with increasing confining pressure. Failure statistics for unconfined loading exhibit a smaller Weibull modulus (corresponding to greater scatter in peak failure strength) in AlON than in SiC, likely a result of lower prescribed cohesive fracture strength and greater elastic anisotropy in the former. In both materials, the predicted Weibull modulus tends to decrease with an increasing number of grains contained in the simulated microstructure.     

软岩条件下大断面巷道支护技术的实践与研究

为进一步研究软岩条件下大断面巷道围岩的变形机制和破坏特征, 确定合理有效的支护形式和支护参数, 选取高家梁煤矿的大断面顺槽为研究对象, 在确定巷道断面形状和尺寸的基础上, 运用现场监测、数值模拟的方法, 确定了锚-网-索联合支护系统. 现场实践结果表明: 该支护形式和支护参数有效地控制了围岩的变形, 支护效果好, 经济合理, 安全可靠, 具有较高的应用价值, 此类支护系统为解决软岩内大断面巷道围岩变形大、稳定性差、巷道难以维护的问题提供了一条新思路.     

考虑锚杆作用的深埋软岩隧道黏弹塑性力学响应解析

深埋软岩隧道围岩表现出显著的塑性软化与剪胀特性,而当下的理论分析很少同时考虑这两点,导致预测结果与隧道实际变形行为存在一定误差.为解决该问题,本文基于Kelvin-Voigt流变模型和Mohr-Coulomb强度准则,考虑了塑性阶段时围岩软化与剪胀特征,并引入了掌子面空间约束效应,建立了深埋软岩隧道黏弹-塑性计算分析模...     

Creep and long-time fracture of a cylindrical shell under external pressure in the presence of an aggressive medium

We consider the process of deformation and fracture of an oval ring modeling the behavior of a long cylindrical shell subjected to distributed external pressure. The shell deformation is studied in both the presence and absence of an aggressive medium. The hypothesis of nonlinear viscosity with a singular component is taken for the constitutive relation used to estimate the metal characteristics. This relation allows for the difference between the tensile and compression strength of the material. The singularity permits taking into account not only the nonlinear viscosity but also instantaneous fracture characteristics. We show that an aggressive medium can substantially decrease the shell operation life.