基于离散元模型的土石混合体直剪试验分析

土石混合体是由高强度块石和低强度土体组成的一类特殊工程地质材料,其力学性质可通过直剪试验进行确定。本文针对土石混合体的细观材料特性,分别采用球形颗粒单元和非规则组合颗粒单元模拟土体和块石材料,对其在不同含石量和颗粒粘结强度下的直剪试验过程进行离散元分析。计算结果表明,土石混合体的抗剪强度随着含石量和粘结强度的增加而增加;通过不同法向应力下直剪试验的离散元分析,确定了不同含石量下土石混合体材料的内摩擦角和粘聚力。本文研究结果有助于进一步揭示土石混合体的抗剪强度特性。     

土石混合体直剪离散元数值试验研究

工程中普遍存在的土石混合体以其复杂的工程地质力学性质越来越受研究者的关注。由于"块石"的存在使得土石混合体在细观层次上呈现明显的结构性特征,这种结构性将影响甚至控制着其变形破坏机制及宏观力学特征。本文借助三维颗粒离散元分析软件YADE分别从含石量、试样尺寸、强度特性等角度对土石混合体的力学性质开展了一系列的数值直剪试验研究工作,并取得了一些有意义的研究成果:在含石量及粒度组成相同的情况下土石混合体的宏观抗剪强度及剪胀性随着试样尺寸的增加而呈现降低趋势,而在相同试样尺寸下将随着含石量的增加而增加;内部块石的存在影响着其细观应力状态,从而影响其宏观力学特性。     

胶结土石混合体力学特性的块石形状效应细观机理分析

考虑块石形状为球体、正方体和长方体三种情况,通过正方体与球体相比较来探究块石不同棱角度对胶结土石混合体力学特性的影响,通过长方体与正方体相比较来探究块石不同球度对胶结土石混合体力学特性的影响。首先,基于不规则颗粒三维离散元精细模拟技术实现了正方体和长方体块石数值模型的建立;然后建立含石量为30%和80%的块石形状分别为球体、正方体和长方体的胶结土石混合体三维离散元随机结构模型;最后,对土石混合体大三轴试验进行颗粒流数值模拟,获得了不同含石量、不同块石形状下胶结土石混合体的强度特征和变形特征,并分别就低、高两种含石量下块石形状对土石混合体力学特性影响的细观机理进行了深入地分析。结果表明：块石含量和形状均会显著影响胶结土石混合体的力学特性,并且两者间具有复杂的交互作用;微裂纹、块石颗粒平均旋转量、应变能和摩擦功等的演化规律能够很好地从细观水平上反映块石形状影响的作用机理。     

块石形状对土石混合体力学行为影响的颗粒流模拟

考虑块石形状为球体、正方体和长方体三种情况,通过正方体与球体相比较来探究块石棱角度不同对土石混合体力学特性的影响,通过长方体与正方体相比较来探究块石球度不同对土石混合体力学特性的影响。首先,提出特定形状块石三维离散元精细建模的方法;接着建立含石量为30%和80%的块石形状分别为球体、正方体和长方体的土石混合体三维颗粒流数值模型;然后,对土石混合体大三轴试验进行颗粒流模拟,获得了不同含石量及不同块石形状的土石混合体试样的宏观力学特征;最后,详细分析了块石形状对土石混合体力学行为影响的细观机理。结果表明,块石形状会影响土石混合体的力学行为,其影响的程度与含石量密切相关;配位数、块石颗粒平均旋转量和摩擦功的演化规律能够很好地从细观水平上反映块石形状的作用机理。     

土石混合体的研究现状及研究展望

土石混合体是不同于岩体与土体的一种地质材料,其物理力学特性的研究越来越受到工程界关注。本文首先介绍了土石混合体概念的提出,并以土石混合体在我国的广泛分布特点与工程中的诸多实际问题阐述了其研究具有重要的工程价值与理论意义。另一方面,通过大量与土石混合体相关的文献检索与分析,本文从力学试验、几何结构研究和数值模拟等不同方面总结了近年来土石混合体研究的成果,指出结构效应是土石混合体重要而又特有的一个特征,其几何结构模型与数值模拟的研究也取得了许多重要而有价值的成果。最后,针对土石混合体研究中仍存在的不足,本文展望并探讨了土石混合体今后的研究方向,提出了地质成因与物质组成结构特征、水与土石混合体的耦合作用、土石混合体三维数值模拟研究、以及土石混合体力学参数快速确定方法等4个方面的研究内容与研究思路。     

脆性土石混合体单轴压缩特性的影响因素研究

土石混合体在我国分布广泛且力学性质差异极大,研究其单轴压缩特性的影响因素至关重要。借助量纲分析,阐明了土石混合体单轴压缩特性与各影响因素间的无量纲关系。提出了一种块石随机生成技术,可产生指定级配的随机块石系统。借助连续-非连续数值模拟方法CDEM（Continuum Discontinuum Element Method）,探讨了具有一定结构性的脆性土石混合体材料的宏观力学特性及其影响规律,并重点分析了该类土石混合体的含石量、土石交界面强度与其宏观本构曲线、单轴抗压强度以及破坏模式的对应关系。研究结果表明,随着含石量的增加,脆性土石混合体的宏观单轴抗压强度迅速减小,含石量超过15%之后,单轴抗压强度基本不变。相同含石量及块石分布的情况下,随着交界面比强度的增大,宏观单轴抗压强度逐渐增大;当交界面比强度大于20时,单轴抗压强度基本不变;当交界面比强度小于1时,主要出现贯穿整个试样的裂缝;当交界面比强度大于1时,主要在试样中上部出现局部的压剪破碎。     

脆性土石混合体单轴压缩特性的影响因素研究

土石混合体在我国分布广泛且力学性质差异极大,研究其单轴压缩特性的影响因素至关重要。借助量纲分析,阐明了土石混合体单轴压缩特性与各影响因素间的无量纲关系。提出了一种块石随机生成技术,可产生指定级配的随机块石系统。借助连续-非连续数值模拟方法 CDEM(Continuum Discontinuum Element Method),探讨了具有一定结构性的脆性土石混合体材料的宏观力学特性及其影响规律,并重点分析了该类土石混合体的含石量、土石交界面强度与其宏观本构曲线、单轴抗压强度以及破坏模式的对应关系。研究结果表明,随着含石量的增加,脆性土石混合体的宏观单轴抗压强度迅速减小,含石量超过15%之后,单轴抗压强度基本不变。相同含石量及块石分布的情况下,随着交界面比强度的增大,宏观单轴抗压强度逐渐增大;当交界面比强度大于20时,单轴抗压强度基本不变;当交界面比强度小于1时,主要出现贯穿整个试样的裂缝;当交界面比强度大于1时,主要在试样中上部出现局部的压剪破碎。     

浅表风化混杂土石体特定比对物的力学特性试验研究

在土石混合体力学特性研究中,试验样本通常取自实际工程,所含物质成分复杂多样,使得试验结果离散程度较高、可验证性较差,所得结论尤其是其结构性与宏观力学行为间的关联对工程实际的指导意义体现不足。为此,从物质组成的角度设计一种特定土石混合体材料:块石均为未风化的同种岩石,基质土为矿物组成相同的同种土。该材料物质成分均一、稳定,具有可验证性。本文以此为比对物试样,基于室内大型三轴试验,在验证试验结果可重现性的基础上,重点分析块石级配、制样干密度、块石分布三种宏观尺度结构性指标对特定土石混合体应力-应变特性、强度特征参数、初始弹性模量的影响规律;将试验结论与已有研究成果进行了比对;对昭山残坡积堆积体力学特性进行了推定与验证。结果表明:特定土石混合体在同一工况下的试验具有较好的可重现性;粗粒含量较高时,应力-应变曲线存在锯齿状波动,并呈现"台阶状"走势;试验得出两类典型应力-应变曲线;不同块石空间分布下试样出现不同的变形破坏特征;细粒含量与10～40mm粗粒粒组含量对强度指标影响较大;试验得出已有研究共性成果之外的结论,有利于区分试验结果中的现象与规律,能够为类似工程实践提供更可靠的理论指导。     

含石量对土石混合体压桩承载力影响的离散元分析

土石混合体是介于土体和岩体之间的一种非均质、非连续和非线性的特殊工程地质材料,其在压桩贯入过程中的承载力受含石量的影响非常显著。本文分别采用球形颗粒和非规则镶嵌组合颗粒模拟土体颗粒和块石,对不同含石量下压桩贯入过程进行离散元数值分析。计算结果表明,桩柱阻力及其波动规律在不同含石量下有很大的差别。高含石量下的阻力要明显大于低含石量下的阻力,且其波动性也更加明显。通过对土石混合体内部力链结构的细观分析,揭示了压桩贯入过程中承载力随含石量变化的内在机理。以上研究有助于分析土石混合体材料的宏观力学行为,深入研究其在复杂工程条件下的力学特性。     

伺服控制土石混合体压力渗透仪研究

土石混合体渗流特性的研究对于工程建设、土石混合体滑坡的防治有重要意义。总结了前人对于堆石料渗透试验仪的研究,其特点在于渗透筒的大尺寸、供水系统、供水压力的控制;透水板、制样方法、筒壁防渗对于试验的影响。周中等自制的常水头渗透仪,主要对土石混合体渗透系数及其影响因素进行研究。本文研制的伺服控制土石混合体压力渗透仪能够准确伺服控制供水压力和供水速度,提供不超过2MPa的高水压,调节试样渗流速度,操作方便,能够有针对性的研究土石混合体的渗流特性。     

An experimental study on fracture mechanical behavior of rock-like materials containing two unparallel fissures under uniaxial compression

Strength and deformability characteristics of rock with pre-existing fissures are governed by cracking behavior. To further research the effects of pre-existing fissures on the mechanical properties and crack coalescence process, a series of uniaxial compression tests were carried out for rock-like material with two unparallel fissures.In the present study, cement, quartz sand, and water were used to fabricate a kind of brittle rock-like material cylindrical model specimen. The mechanical properties of rock-like material specimen used in this research were all in good agreement with the brittle rock materials. Two unparallel fissures(a horizontal fissure and an inclined fissure) were created by inserting steel during molding the model specimen.Then all the pre-fissured rock-like specimens were tested under uniaxial compression by a rock mechanics servocontrolled testing system. The peak strength and Young's modulus of pre-fissured specimen all first decreased and then increased when the fissure angle increased from 0?to 75?.In order to investigate the crack initiation, propagation and coalescence process, photographic monitoring was adopted to capture images during the entire deformation process.Moreover, acoustic emission(AE) monitoring technique was also used to obtain the AE evolution characteristic of prefissured specimen. The relationship between axial stress, AE events, and the crack coalescence process was set up: when a new crack was initiated or a crack coalescence occurred, thecorresponding axial stress dropped in the axial stress–time curve and a big AE event could be observed simultaneously.Finally, the mechanism of crack propagation under microscopic observation was discussed. These experimental results are expected to increase the understanding of the strength failure behavior and the cracking mechanism of rock containing unparallel fissures.     

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。     

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.     

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。     

319国道重庆段裸洞隧道灰岩力学特性试验研究

裸洞隧道在长期使用过程中,围岩遭受风化、地下水及区域地应力等不利因素的作用,导致岩体性质恶化,影响隧道的正常使用。在调研统计的基础上,选取319国道重庆至武隆段大溪河裸洞隧道为研究对象,对其表层及深层灰岩进行了室内单轴压缩、三轴压缩力学特性试验并对单轴压缩作用下的声发射特性进行了研究。结果表明:单轴压缩作用下两种岩样均出现脆性破坏特征,三轴压缩条件下,两种岩样呈压缩为主的延性扩容破坏,声发射可较好地表征岩石单轴压缩破坏过程;获得了两种岩样的基本力学参数,深层岩样强度为表层岩样强度的2.13倍,弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角分别是表层岩样的1.04倍,0.63倍,1.45倍,1.37倍。研究结果可为该地区裸洞隧道的长期安全性与稳定性提供有益的理论支撑。     

Experimental Investigation on Mechanical Behavior of Coarse Marble Under Six Different Loading Paths

A series of triaxial compression experiments were preformed for the coarse marble samples under different loading paths by the rock mechanics servo-controlled testing system. Based on the experimental results of complete stress-strain curves, the influence of loading path on the strength and deformation failure behavior of coarse marble is made a detailed analysis. Three loading paths (Paths I–III) are put forward to confirm the strength parameters (cohesion and internal friction angle) of coarse marble in accordance with linear Mohr-Coulomb criterion. Compared among the strength parameters, two loading paths (i.e. Path II by stepping up the confining pressure and Path III by reducing the confining pressure after peak strength) are suggested to confirm the triaxial strengths of rock under different confining pressures by only one sample, which is very applicable for a kind of rock that has obvious plastic and ductile deformation behavior (e.g. marble, chalk, mudstone, etc.). In order to investigate re-fracture mechanical behavior of rock material, three loading paths (Paths IV–VI) are also put forward for flawed coarse marble. The peak strength and deformation failure mode of flawed coarse marble are found depending on the loading paths (Paths IV–VI). Under lower confining pressures, the peak strength and Young’s modulus of damage sample (compressed until post-peak stress under higher confining pressure) are all lower compared with that of flawed sample; moreover mechanical parameter of damage sample is lower for the larger compressed post-peak plastic deformation of coarse marble. However under higher confining pressures (e.g. σ ₃?=?30 MPa), the axial supporting capacity and elastic modulus of damage coarse marble (compressed until post-peak stress under lower confining pressure) is not related to the loading path, while the deformation modulus and peak strain of damage sample depend on the difference of initial confining pressure and post-peak plastic deformation. The friction among crystal grains determines the strength behavior of flawed coarse marble under various loading paths. In the end, the effect of loading path on failure mode of intact and flawed coarse marble is also investigated. The present research provides increased understanding of the fundamental nature of rock failure under different loading paths.     

高低温加载对大理岩力学特性影响的试验研究

许多工程（如采矿、隧道掘进、地热开采等）都涉及到岩石损伤及破碎问题．传统的岩石损伤破碎技术，如爆破法、水射流法、机械掘进法等均面临着一系列问题，利用岩石的热损伤性质辅助机械破岩有望实现安全、高效破岩的目的．大理岩是一种典型的硬岩，常见许多工程之中，因此本文以大理岩为研究对象，首先将均质性较好的大理岩试样加热至不同温度(20~1000 °C)后放入液氮中进行急速冷处理，然后对其进行了系列的物理力学性质测试．试验结果表明：处理后密度、纵波波速、抗拉强度、单轴抗压强度(UCS)和弹性模量整体上都随温度的上升而下降；当加热温度在100 °C之前，大理岩表现出一定的热硬化现象，即随着温度升高，其UCS、纵波波速以及弹性变形模量均增大；UCS变化的阈值温度为400 °C左右，一旦温度超过400 °C，UCS迅速下降，其速率达到了9 MPa/100 °C，当温度超过500 °C弹性模量迅速下降，其速率达到7.00 GPa/100 °C，表明岩样抵抗变形能力减弱．整体上，热加载降低了大理岩的脆性，使其在单轴作用下的破坏模式由脆性破坏逐渐转化为弹塑性破坏．     

基于统一强度理论的岩石弹塑性本构模型及其数值实现

基于弹塑性力学理论，以统一强度准则为屈服准则，建立了考虑硬化/软化行为和应变率效应的岩石弹塑性本构模型；采用Fortran语言通过LS-DYNA的用户自定义材料接口(Umat)对该弹塑性本构模型进行编程，并把该程序生成求解器以达到对该模型进行应用的目的；通过岩石的单轴压缩实验和SHPB实验对所建的弹塑性本构模型进行验证，结果表明，该弹塑性本构模型能够反映岩石在准静态和动态下的力学行为。     

石质构件风化层内力学性能变化规律研究

石质构件风化层内力学参数随深度变化的规律是石质古建筑稳定性、耐久性和保护方案研究中重要的内容。本文针对古建筑石质构件风化层不便取样,风化岩样加工易破坏和室内试验只能得出试件整体的力学参数,不能反映风化层内力学参数由表及里逐渐变化的不足,综合运用现场声波测试和室内试验对义乌宋代古月桥(建于1213年)风化条石的抗压强度、弹性模量与深度的关系进行了研究。研究表明,风化层内岩石弹性模量、抗压强度与未风化区域的比值随深度呈较好的负指数关系。