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。     

共面闭合断续节理岩体直剪强度特性研究

介绍了节理面和岩桥各自的抗剪强度机制,引入法向变形协调条件,基于Mohr-Coulomb理论,推导了共面闭合断续节理岩体的直剪强度公式。模型试验发现,剪切破坏面以拉剪复合破坏为主,同时岩块中伴随大量的拉张微裂隙。试样的强度和变形具有明显的阶段性,全应力应变曲线主要经历了线弹性增长、节理面错动、次生裂纹起裂稳态扩展、节理面贯通破坏和残余强度5个阶段。对比发现,理论计算结果与试验值吻合较好。     

论“岩体结构控制论”

经过长期实践和研究,作者于1984年提出岩体结构控制论是岩体力学的基础理论,并全面、系统地以岩体结构控制论为指导研究了岩体变形、岩体破坏及岩体力学性质的基本规律;提出岩体变形系山岩体材料变彤和岩体结构变形共同贡献的,岩体破坏系受岩体材料破坏和岩体结构破坏控制的;岩体力学性质不仅决定于岩体材料力学的性质,而且受控于岩体结构力学效应及环境因素力学效应。在此基础上,作者提出了岩体可以划分为连续介质、碎裂介质,块裂介质及板裂介质四种岩体力学介质,从而建立了完整的岩体结构力学理论体系。     

古全风化花岗岩的灌浆作用机理研究

通过现场灌浆试验及对灌浆前后古全风化花岗岩的物理力学性质指标测试，结合灌浆作用过程的有限元分析，表明受过上覆岩体自重压力作用后的古全风化岩由于岩体结构发生恢复或再生，物理性质明显优于现代全风化岩；而受一定围压作用的古全风化花岗岩，在一定灌浆压力下，一是使灌浆液较难进入岩石微小孔隙中，再则随灌浆压力逐渐加大，又使相对均质的岩体派生新的拉张裂隙，且将大量浆液吸收。由于上述作用，表现出古全风化花岗岩由灌浆前的结构面不发育，具均质结构变成灌浆后的裂隙（即水泥结石条带）较发育，具非均质结构的特征，且灌浆后岩体的物理力学性质指标有所增长，但提高幅度较小。     

花岗岩的加载速率效应及能量机制研究

加载速率对岩石的力学性质以及变形破坏方式具有重要的影响。基于MTS810电液伺服材料试验系统与PCI-2声发射仪对岩样进行不同加载速率作用下的单轴压缩和声发射试验。研究结果表明：（1）在各级加载速率作用下,岩样单轴压缩应力-应变曲线大致经历了压密、弹性、屈服、破坏四个阶段。岩样峰后曲线在加载速率为0.001~0.01 mm/s时出现台阶型分段跌落状,在加载速率为0.01~0.1 mm/s时呈现光滑、陡峭的连续曲线。（2）岩样峰值强度、弹性模量随加载速率的增加而增大,与加载速率对数均呈现三次多项式拟合关系。峰值应变随加载速率的增加而减小,与加载速率对数呈现线性拟合关系。（3）随着加载速率由0.001mm/s增加至0.1mm/s,岩样吸收的总应变能 具有波动性,可释放的弹性应变能 增幅60.42%,耗散应变能 降幅 66.38%, 增幅43.33%, 降幅66.67%,岩样破裂模式由拉剪破坏逐渐向张拉劈裂破坏过渡,岩样破裂块数增多。（4）加载速率为0.001~0.1 mm/s时,岩样破坏方式有所不同,但破坏为同一类损伤过程。单轴压缩状态下,能量耗散使得岩样损伤致使强度丧失,而能量释放使得岩样宏观破裂面贯通,并向着能量释放的方向张裂或弹射破坏。     

不同应力路径下盐岩破坏声发射时序特征研究

利用RMT-150B岩石力学多功能系统和声发射监测系统,对不同应力路径下的盐岩破坏过程进行试验研究。在试验结果基础上,分析了盐岩常规单轴加载、分级加卸载和多级加载过程中的声发射时序特征和变形特征。试验表明:盐岩常规单轴加载变形表现明显的阶段性特征,声发射信号阶段性特征也比较明显;分级加卸载试验中,存在比较明显的记忆效应,在低应力水平有较明显的声发射Kaiser效应,而在70%峰值应力卸载再加载时,则出现Felicity效应;多级加载试验表明,在低应力水平稳压对盐岩造成的损伤不大,很少有新生裂纹;而在高应力水平稳压时,会有大量由新生微裂纹和裂纹扩展产生的声发射事件。     

基于数字摄影测量的结构面信息表征及应用研究

结构面的存在直接影响岩体的强度、变形特征及破坏机制。为探究夏甸金矿矿区结构面的存在对岩体力学参数和岩体质量情况的影响，利用数字摄影测量技术快速获取研究区域结构面几何信息，并通过三维建模、激光扫描技术以及VR-Platform虚拟现实平台实现了结构面二维几何信息的真三维表征。基于此，利用广义Hoek-Brown强度准则分析计算了各研究区域的岩体力学参数，并根据岩体基本质量指标BQ值进行了岩体质量分级评价。结果表明，夏甸金矿岩体力学参数指标和岩体质量指标均较好；矿体下盘距离矿体方向越远，岩体完整性系数和岩体力学参数越低；利用广义Hoek-Brown强度准则计算所得岩体力学参数除内摩擦角外数值均与前期试验所得数据基本一致，计算所得岩体内摩擦角度偏大的原因，可能是其未考虑结构面自身的颗粒直径和形态等对岩体内摩擦角的影响。     

双交叉裂隙岩桥相互作用与破坏行为试验研究

双交叉裂隙是工程岩体中构成断续交叉裂隙的基本单元。裂隙几何参数的变化，会带来裂隙之间岩桥组合形态的改变，并形成岩桥相互作用，对双交叉裂隙的起裂、扩展、贯通及断裂产生直接影响。本文以光敏树脂3D打印技术制备不同次裂隙长度的双交叉裂隙试样，并低温处置使其脆化；开展单轴压缩试验以获得试样的力学性能，利用DIC (Digital Image Correlation,数字图像相关技术)分析试样的变形行为，采用高速摄像机捕捉裂纹萌生和裂隙扩展过程。结果表明，随次裂隙长度的增加，双交叉裂隙试样的峰值强度呈先增大后减小的趋势；试样压缩破坏过程中，最短岩桥(主导岩桥)的两端最先形成应力集中，主导着初始裂纹的形成；尖端裂纹的扩展路径主要受到剪切路径的影响，而剪切路径随加载进程动态变化，由外侧向主导岩桥位置逐步靠拢，控制着次生裂纹的扩展角度。     

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。     

不连续岩体变形破坏过程中AE的空间演化与意义

通过一些典型节理化岩体模型变形破坏过程中的AE事件的定位分析和破裂面形态的研究,探讨了不连续岩体变形破坏过程的空间演化特征。结果表明：单节理岩体变形破坏的空间动态特征受节理角控制,随着节理角从小变大,岩体的变形破坏方式从AE在局部集中的突发式失稳向AE弥漫于整个节理层面的类似渐进式的破坏形式发展；失稳破裂面从简单的整体状岩-膏界面变成形态复杂的层内复合破裂面；复杂节理岩体的变形破坏受一条（组）主导构造控制,强AE事件集中发生在不连续构造交汇部位,在包含多条主构造的岩体模型中最终失稳破裂面只与最后阶段AE的位置一致。     

静态爆破中炮孔拐角应力集中及导向效应研究

在圆形钻孔中灌装破碎剂进行裂岩，其产生的裂纹通常具有随机性。为实现软岩工程中的定向裂岩，本文采用正三角孔替代传统的圆形钻孔，基于相似原理，选用河砂、水泥、石膏等相似材料模拟软岩，开展双孔静态膨胀的室内试验。以孔间距和孔偏转角作为自变量，探讨不同工况下裂纹的扩展规律以及致裂效果，并建立模型试块的力学模型，进行裂纹对比及扩展研究。试验结果表明：正三角孔具有良好的定向效果，裂纹从孔尖拐角处萌生，并大致沿孔角平分线方向发育扩展；紧靠裂纹处的应变曲线会历经试验初期、起裂前、裂纹失稳扩展和平稳波动4个阶段。孔偏转角存在会抑制裂纹的发育，数值计算表明，在0°～30°内，偏转角度越大，裂隙数量越少，对裂纹发展的抑制效果越明显。致裂的破坏模式以受拉破坏为主，剪切破坏为辅；在裂纹附近区域，与裂纹平行方向受压，垂直受拉。     

对光滑结构面所具特性的一些新认识

本文采用剪切试验装置，探讨了复剪、反复加卸剪应力、含水率、正应力和岩性对光滑结构面力学特性的影响，得出了初剪与复剪时、水饱合状态下与干燥状态下的光滑结构面抗剪强度都具有峰值转换性，复杂加载比简单加载的抗剪强度大。所得结论对于进一步认识岩体结构面的基本力学特性有重要作用．     

某水电站坝基岩体结构面室内大型直剪试验研究

岩体结构面的抗剪强度是表征岩体强度的一项重要参数,但由于原位试验受场地等诸多因素影响,难以大规模的开展,本文提出在室内用结构面大型剪切试验开展结构面的剪切特性研究,以某水电站坝基砂岩岩体中的硬性结构面为研究对象,取得了较好的成果。试验表明:结构面的多组剪切变形曲线具有一定的应变硬化的特征;达到峰值剪切强度时的剪切位移普遍较大,在8.9mm～44.5mm之间;砂岩中硬性结构面光滑面的“基本摩擦角”为31.4°,结构面“平均起伏角”为6.3°。     

单轴压缩条件下溶蚀礁灰岩细观变形破坏特征研究

礁灰岩的溶蚀对海洋工程和岛礁工程的稳定性有明显的影响.孔隙型溶蚀是礁灰岩常见的溶蚀方式.本文通过构建随机溶蚀孔洞的离散元模型,模拟孔洞型溶蚀礁灰岩的细观变形破坏特征,分析其变形破坏规律与裂隙演化特征.结果 表明,基于随机聚类算法构建的溶蚀礁灰岩离散元模型能够很好地模拟孔洞型溶蚀作用,且其变形破坏特征具有明显的规律;随着溶蚀率的增加,溶蚀礁灰岩单轴应力应变曲线由单峰型逐渐转变为双峰型或多峰型,破坏特征由脆性破坏逐渐转变为塑性破坏;随着溶蚀率的增加,礁灰岩单轴抗压强度和弹性模量都逐渐减小,抗压强度呈指数函数下降,弹性模量呈线性函数下降,而泊松比则表现为先增后降,说明试样在高溶蚀率时主要发生结构性破坏;随着溶蚀率增加,礁灰岩的宏观破裂面逐渐消失,由于溶蚀孔洞的相互作用,导致了起源于孔洞周围的裂隙开始萌生,并逐渐贯通,最终导致试样发生整体宏观破坏.本研究成果可为深入认识海洋工程和岛礁工程中溶蚀礁灰岩的变形破坏特征提供理论参考.     

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。     

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。     

基于图形测量技术的煤岩力学三轴试验研究

为研究初始围压对煤岩力学特性的影响，以王庄煤矿9105工作面煤体为研究对象，通过HC-SPT-100型高压三轴试验机、HC-U7型非金属超声波探测仪、4K科研相机等仪器，利用数字图像测量技术开展不同初始围压下原煤试件加载试验，探究不同围压对煤体弹性模量、峰值应变、残余应力和破坏裂隙的影响规律，研究结果表明：弹性模量、峰值应变和残余应力随围压的增大而增大；随围压的增大各峰值应变增长速率不同，轴向峰值应变增长速率最快，体峰值应变增长速率次之，径向峰值应变增长速率最慢；不同围压加载破坏下煤体裂隙特征明显，主要以斜交裂隙为主；采用Jaeger法求得不同围压下煤岩体破坏临界强度值与试验值比较误差较小，符合Jaeger单结构面理论．     

基于刚度系数折减率的软岩蠕变变形规律研究

为了研究软岩蠕变变形过程中岩体抵抗变形能力降低的程度,将岩石变形破坏过程中切线模量相对于初始模量的改变量与初始模量的比值定义为刚度系数折减率,分析了软岩单轴压缩荷载及软岩蠕变变形过程中刚度系数折减率的变化规律。软岩单轴压缩荷载下,切线模量随着应变的增大而逐渐降低,刚度系数折减率随着应变的增加而逐渐增大,即随着变形的增大,软岩试件抵抗变形的能力逐渐降低。软岩蠕变过程中刚度系数折减率曲线也可以划分为三个阶段:在初始蠕变阶段瞬时弹性变形使得软岩刚度系数折减率迅速降低;在等速蠕变阶段平稳下降之后进入加速蠕变阶段,下降速率迅速增大。软岩刚度系数折减率的分析可为岩体蠕变过程中变形特性及变形控制分析提供理论依据。     

干湿循环导致粉砂质泥岩力学特性变化规律研究

受亲水矿物成分影响，水侵作用下粉砂质泥岩力学特性易劣化．开展多种干湿条件下粉砂质泥岩的单/三轴压缩试验，研究试样在饱水作用下的强度和刚度弱化，分析干湿循环对试样力学特性的影响规律．试验结果表明，粉砂质泥岩强度和刚度均随饱和度增加而明显降低，在中期变形阶段刚度下降程度明显大于早期变形阶段．粉砂质泥岩强度随围压增大而线性提高，其强度特性可采用Drucker-Prager准则描述，且试样开裂角符合剪切滑移破坏特征．干湿循环试验结果表明，粉砂质泥岩单轴抗压强度和割线模量随循环次数增大而近似线性衰减，并且其刚度衰减快于强度衰减．     

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。