饱水对煤层顶板砂岩单轴压缩破坏能量影响的分析

为研究饱水对砂岩力学参数和能量特征的影响,利用RMT-150B岩石力学系统对煤层顶板砂岩自然和饱水试样进行单轴压缩试验。试验结果表明:饱水对砂岩试样的强度和变形参数均有不同程度的影响,软化系数为0.79,弹性模量降幅为5.25%,变形模量降幅为5.92%;饱水后砂岩试样峰值前吸收能量、可释放弹性能和耗散能均有不同程度降低,吸收能量降幅36.8%,可释放弹性能降幅为34.4%,耗散能降幅为57.7%;饱水后砂岩储蓄能量的能力有较大减弱,脆性减弱,塑性明显增强;饱水砂岩试样压缩过程中积蓄可释放能难以使试样滑移破坏,仍需要吸收部分能量使试样逐步失稳破坏;饱水对砂岩试样压缩过程吸收能量、可释放能量比例关系的影响较小,而对耗散能比例关系的影响较大;自然状态下砂岩试样峰值前相同应变条件下吸收能量、可释放能均明显高于饱水试样对应能量值;深部巷道位置确定和支护设计时应充分考虑水对巷道围岩弱化的影响,对于完整坚硬围岩采用高压注水软化可有效防止冲击地压发生和减缓灾害程度。     

压缩与劈裂条件下矿岩声发射信号的频率特性

为研究岩石在单轴压缩与巴西劈裂加载条件下声发射信号的频率特性,在RMT-150C岩石力学试验系统上对流纹斑岩开展了单轴压缩和巴西劈裂条件下的声发射实验。实验结果表明:在单轴压缩实验中,声发射信号的峰值频率分布在550kHz以下,550kHz以上的信号极少,并且100kHz以下的信号占大多数;而巴西劈裂实验中,声发射信号的峰值频率也分布在550kHz以下,以100~200kHz的信号为主。此外,岩样在单轴压缩破坏过程中声发射信号的峰值频率在达到峰值应力前明显降低,而巴西劈裂破坏过程中声发射信号的峰值频率主要集中在100~200kHz之间,在达到峰值应力前50kHz左右的低频信号开始增多,但变化不明显。     

循环载荷下滞回环与石膏损伤破坏性能的关系

为了探求石膏的破坏与循环加卸载下滞回环面积的关系,石膏在自然以及饱水状态下滞回环的变化规律,以及滞回环面积与石膏强度的联系,利用CMT5305试验机对自然和饱水状态下的石膏进行单轴循环加卸载实验。对两种状态下石膏的应力-应变曲线进行分析,并计算出滞回环的面积,绘制出其面积变化曲线。结果表明,滞回环的面积随着加载载荷的增加而增加,且增长速率越来越快;饱水状态下的石膏滞回环面积明显小于自然状态下的石膏,且破坏方式和破坏程度不同于自然状态下的石膏;同一试样的两个相邻滞回环面积之差,代表了岩石损伤的速率,且石膏的损伤速率整体呈增加趋势。     

大理岩的高应变率动态劈裂实验

首次把平台巴西圆盘试样引入动态劈裂试验。利用直径100mm的分离式Hopkinson杆对大理岩巴西圆盘和平台巴西圆盘试样进行了动态劈裂实验。结合有限元分析,得到了大理岩的动态劈裂破坏的拉伸强度。分析了巴西圆盘和平台巴西圆盘的典型破坏方式。结果表明,大理岩的动态拉伸强度随着应变率的提高而增加。利用圆盘中心粘贴的应变片来测大理岩等脆性材料的动态拉伸强度,是一种简便高效的试验方法。和巴西圆盘相比,平台巴西圆盘具有更大的优越性和更好的测量效果。     

岩石巴西圆盘动态劈裂的流形元法模拟

利用二阶流形元法,通过引入裂纹产生与扩展判据,对冲击载荷作用下岩石平台巴西圆盘的动态拉伸劈裂过程进行了数值模拟,再现拉伸波作用下圆盘被劈裂的过程。模拟现象与实验结果相符,动态平衡时的应力分布与有限元结果基本一致。从而验证了流形元在模拟冲击载荷作用下材料动态破坏过程的有效性和可行性。     

不同围压下C60混凝土三轴压缩过程能量分析

针对复杂应力状态下高强混凝土受压变形破坏过程中的能量演化机制问题,开展不同围压下C60高强混凝土试样三轴压缩试验,分析其在受力全过程中的变形与破坏特征。根据试验结果,探究了不同围压下高强混凝土三轴压缩过程能量演化机制。研究结果表明:围压越大,混凝土试样破坏时,其峰值应力与峰值应力对应的轴向应变越大,破坏形式由张拉破坏向剪切破坏过渡;峰值应力前,混凝土试样主要以弹性应变能储存为主,峰值应力对应的输入能密度和耗散能密度均随围压的增大而增大,且均与围压满足指数函数关系,其形状改变系数FX与轴向应力呈正比关系,体积改变系数FV与轴向应力呈反比关系;达到峰值应力时,体积改变系数FV小于形状改变系数FX;峰值应力后,主要以弹性应变能释放为主,并随着混凝土试样的破坏转化为各种形式的能量耗散。研究结果可为今后从能量角度研究高强混凝土本构关系提供有益参考。     

大理岩动态拉伸强度及弹性模量的SHPB实验研究

提出了获取脆性材料动态拉伸强度及弹性模量的实验步骤及相关记录数据的分析方法。利用直径为100mm的分离式Hopkinson压杆径向冲击巴西圆盘和平台巴西圆盘试样,测试了大理岩在高应变率加载下的动态力学性能。应力波加载下动态劈裂拉伸圆盘在试样中心产生了约45/s的拉伸应变率。分析了实验的有效性并考虑了试样两个端面应力波波形差异的影响以提高实验结果的精度。结果表明准静态下的公式可适用于动态劈裂拉伸实验;大理岩的动态拉伸强度及弹性模量比静态时有明显的增加。     

扩展边界元法研究围压下巴西圆盘应力强度因子

建立了扩展边界元法,研究围压作用下巴西V形切口圆盘(SV-BD)应力强度因子的新途径。首先在切口尖端区域挖取一微小扇形域,将该扇形区域的位移和应力场表示为有限项奇性指数和特征角函数的线性组合,代入弹性力学控制方程,导出关于巴西圆盘切口应力奇性指数的常微分方程组特征值问题,运用插值矩阵法一次性计算出切口各阶应力奇性指数及其相应的位移特征角函数。再将位移和应力场的组合回代到在被挖去微小扇形域后的剩余结构内建立的边界积分方程,离散后求解出组合系数,同时获得巴西V形切口圆盘(SV-BD)应力强度因子。数值计算结果表明:扩展边界元法计算纯围压作用下巴西裂纹圆盘应力强度因子的结果与解析解的相对误差不超过0.548%,证明了论文方法的有效性;还表明纯围压作用下,随着切口张角的增大,巴西圆盘应力强度因子逐渐由负值向正值转化。因此,纯围压作用下,巴西裂纹圆盘和小张角巴西切口圆盘是闭合的,而大张角巴西切口圆盘是I型劈裂破坏的。     

大理岩动态劈裂拉伸的SHPB实验研究

利用直径100 mm的Hopkinson压杆和薄圆形铝片作为波形整形器,用不同弹速径向冲击平台巴西圆盘试样以研究大理岩的动态拉伸强度。分析了试样的应变率、破坏时间、破坏模式,以及破坏过程中的载荷-应变关系,得到了关于大理岩在高应变率下拉伸强度及弹性模量的一些结论。考虑了试样的尺寸大小及两个平台附近应力的时间不均匀性与空间不均匀性对实验结果的影响。同时,利用有限元法对平台巴西圆盘试样的动态应力分布进行了数值模拟,验证了动态劈裂拉伸实验的有效性。     

巴西劈裂试验应力场解析解应力函数解法

巴西圆盘试验是国际岩石力学学会推荐的用于测量岩石抗拉强度的间接实验,其理论基础是圆盘在荷载作用下应力场的分布。本文以平面应力状态为基础,根据弹性理论中的Airy应力函数和线弹性叠加原理,采用与Н. И. Мусхелишьили所用的复变函数方法完全不同的方法,给出了巴西圆盘内部任意一点应力的直角坐标形式的解析表达式。将得到的应力场解析解和Н.И. Мусхелишьили 采用复变函数方法给出的经典解对比发现,两者完全吻合一致,从而表明本文所采用的方法是合理正确的。     

软煤拉伸应力-应变关系的实验研究

提供一种用于测量软煤或土的抗拉强度、拉伸应力 应变关系等拉伸特性的实验装置．利用模具压制出均匀的煤环试件，对煤环内壁施加均布径向水压力使其拉伸变形和破坏．根据实验结果，提出了弹脆性拉断破坏的理论模型，并据此对煤的抗拉强度、弹性常数以及等效孔隙压力系数等进行了分析和讨论．实验数据稳定可靠，散布小，重复性好，说明所提供的实验装置和实验方法简单而有效．     

基于巴西盘试验的海冰拉伸强度研究

海冰拉伸强度是其基本力学性能之一, 同时也是冰区船舶与海洋工程结构设计所需的重要参数. 对于脆性材料的拉伸强度测试, 巴西盘劈裂试验相比单轴拉伸试验在试样制备与加载上具有明显的优势. 为研究海冰的拉伸强度特征, 对渤海辽东湾沿岸的粒状冰开展了系统的巴西盘劈裂试验研究. 在加载过程中与试样破坏后, 分别对加载横梁的位移与加载力以及试样最终破坏模式进行了记录. 同时, 对试样的冰晶结构、盐度、温度以及密度进行了测量. 通过改变加载速率、试样厚度与试样温度以研究不同参数对试验结果的影响. 针对传统试验中试样的刚体假设, 考虑了试样变形对应力状态的影响并将其引入了理论模型. 试验过程中所有海冰试样均以劈裂模式破坏. 试验结果表明, 加载速率与试样厚度对拉伸强度的影响并不显著, 但孔隙率的影响较为明显. 当孔隙率由75‰降低至10‰时,拉伸强度由1.0 MPa升高至2.8 MPa. 与单轴拉伸试验所测得数据对比, 巴西盘劈裂试验所得到的拉伸强度随孔隙率的变化趋势相一致. 但该方法所得到的粒状冰拉伸强度要高于预期结果. 试验表明巴西盘劈裂试验中海冰试样的破坏模式与试验结果均较为合理, 可成为海冰拉伸强度的有效测试方法.      

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。     

完整岩石拉压应力状态下的张裂破坏准则

一点的应力状态可由3个主应力$\sigma_{1}$, $\sigma_{2}$, $\sigma_{3}$来表示, 当规定主应力以压为正时, 沿最大主应力$\sigma_{1}$方向将产生收缩变形, 若中间主应力$\sigma_{2}$和最小主应力$\sigma_{3}$都远小于$\sigma_{1}$, 则沿$\sigma_{2}$和$\sigma_{3}$方向会产生横向扩张变形, 当横向扩张变形达到一定极限时, 将会在平行于$\sigma _{1}$的方向产生张裂破坏. 如何建立这种张裂破坏的强度准则目前尚缺乏研究, 最大拉应变理论(第二强度理论)有时被用来解释张裂破坏, 但最大拉应变理论难以应用于三向受力状态. 本文分别用$\varepsilon_{1}$, $\varepsilon_{2}$表示最大张应变和次大张应变, 则最大拉应变理论认为当$\varepsilon_{1}$达到单向拉伸屈服应变时, 材料将产生破坏. 而本文将根据$\varepsilon_{1}+\varepsilon_{2}$之和达到极限值$\varepsilon_u$来建立张裂破坏准则. 可以证明$\varepsilon_{1} +\varepsilon_{2}$所表示的是$\sigma_{1}$主平面的面积增长率. 当$\sigma_{3}<\sigma_{2} \ll \sigma_{1}$时, 大部分岩石都具有脆性破坏的特点, 所以可将破坏前的岩石视为满足广义胡克定律的线弹性材料, 这样用$\varepsilon_{1}$, $\varepsilon_{2}$表示的强度准则可通过$\sigma_{1}$, $\sigma_{2}$, $\sigma_{3}$来表示. 在这个过程中还可考虑岩石在拉伸和压缩时具有不同弹性参数和强度的特点, 并可通过单向拉伸和单向压缩的破坏状态来确定$\varepsilon_u$. 不管$\sigma_{1}$, $\sigma_{2}$, $\sigma_{3}$是压应力, 还是拉应力, 或者$\sigma_{1}$, $\sigma_{2}$, $\sigma_{3}$中有拉有压的情形, 基于$\varepsilon_{1} +\varepsilon_{2} =\varepsilon_u$都可建立相应的强度准则. 所建立的准则可以反映中间应力$\sigma_{2}$对强度的影响规律, 通过建立的强度准则还可以证明: 静水拉力能引起屈服, 而静水压力不能产生屈服; 压缩破坏能使塑性体积增大, 其结果比Mohr-Coulomb准则更能反映实际情形. 并通过拉压应力状态下的试验数据验证了所建立的强度准则, 所得理论计算结果和已有的试验数据吻合得很好. 通过提出的强度准则和圆盘劈裂的试验结果, 可获得更为可靠的岩石单轴抗拉强度.      

侧向受拉脆性岩石压缩本构及蠕变失效研究

轴向压缩作用下,脆性岩石侧向应力严重影响岩石力学特性。侧向压应力影响下的轴向压缩岩石力学行为已经得到广泛研究,然而侧向拉应力对轴向压缩岩石力学行为影响研究很少。本文基于脆性岩石翼型裂纹扩展模型中,初始裂纹面法向应力与剪切应力的正负方向为判断依据,研究了侧向拉应力对轴向压缩力学行为的影响。发现恒定的侧向拉应力作用下,轴向压缩应力渐进变化过程中,脆性岩石内部细观初始裂纹面的法向应力只能为压缩应力,不存在拉应力情况。分析了从侧向压应力到拉应力转化过程中,脆性岩石轴向压应力与细观裂纹扩展长度关系、轴向压应力与轴向应变关系、岩石峰值强度、裂纹启裂应力及初始弹性模量的变化规律。并分析了侧向拉应力对岩石蠕变裂纹长度、裂纹速率、轴向应变及应变率演化曲线,以及对蠕变失效时间及稳态蠕变应变率的影响。讨论了侧向拉压应力突变转化以及侧向拉应力分级增大对轴向压缩岩石蠕变演化行为影响。该研究为深部地下工程围岩稳定性评价提供了一定理论依据。     

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.     

混凝土冲击破坏动态力学及能量特性分析

动强度和能量耗散规律是研究混凝土动力特性的主要内容。为探究混凝土在冲击荷载作用下的动态力学、变形以及能量演化特征,利用直径为100 mm的霍普金森杆装置对骨料率为0、32%、37%和42%的混凝土试样,分别进行了冲击速度为5、6、7 m/s的冲击压缩试验。探讨了冲击速度和骨料率对试样变形、动强度以及分形维数的影响,建立了动强度关于冲击速度和骨料率的表达式,并对试样吸收能和裂纹表面能之间的关系进行了对比分析。结果表明:混凝土试样破坏时出现了变形滞后现象,破坏形式主要以劈裂拉伸破坏为主;动强度随冲击速度、骨料率的增大而增大,用所建动强度公式可以较好地预估混凝土动强度;混凝土破坏碎块分形维数、吸收能和裂纹表面能均随冲击速度的增大而增大,随骨料率的增大而减小,且吸收能始终高于裂纹表面能,当骨料率为37%时,吸收能转化率最高,约91%转化为裂纹表面能。     

Experimental investigation on strength and failure behavior of pre-cracked marble under conventional triaxial compression

Fractures in natural rocks have an important effect on the strength and failure behavior of rock mass, which are often evaluated in rock engineering practice. The theoretical evaluation of mechanical behavior of fractured rock mass has no satisfactory answer due to the role of confining pressure and crack geometry. Therefore, in this paper, conventional triaxial compression experiments were carried out to study the strength and failure behavior of marble samples with two pre-existing closed cracks in non-overlapping geometry. Based on the experimental results of a number of triaxial compression tests, the effect of crack coalescence on the axial supporting capacity and deformation property were investigated with different confining pressures. The results show that intact samples and flawed samples (marble with pre-existing cracks) have different deformation properties after peak stress, which change from brittleness to plasticity and ductility with the increase of confining pressure. The peak strength and failure mode are found depending not only on the geometry of flaw, but also on the confining pressure. The strength of flawed samples shows distinct non-linear behavior, which is in a better agreement with non-linear Hoek–Brown criterion than linear Mohr–Coulomb criterion. For a kind of rock that has been evaluated as a Hoek–Brown material, a new evaluation criterion is put forward by adopting optimal approximation polynomial theory, which can be used to confirm more precisely the strength parameters (cohesion and internal friction angle) of flawed samples. For intact samples, the marble leads to typical shear failure mode with a single fracture surface under different confining pressures, while for flawed samples, under uniaxial compression and a lower confining pressure (σ₃ = 10 MPa), tests for coarse and medium marble (the coarse and medium refer to the grain size) exhibit three basic failure modes, i.e., tensile mode, shear mode, and mixed mode (tensile and shear). Shear mode is associated with lower strength behavior. However, under higher confining pressures (σ₃ = 30 MPa), for coarse marble, the axial supporting capacity is not related to the geometry of flaw. The friction among crystal grains determines the strength behavior of coarse marble. For medium marble, the failure mode and deformation behavior are dependent on the crack coalescence in the sample. The present research provides increased understanding of the fundamental nature of rock failure under conventional triaxial compression.     

Particle flow study on strength and meso-mechanism of Brazilian splitting test for jointed rock mass

A discrete element method （DEM） called particle flow code （PFC2D） was used to construct a model for Brazilian disc splitting test in the present study. Based on the experimental results of intact Brazilian disc of rock-like material, a set of micro-parameters in PFC2D that reflected the macro-mechanical behavior of rock-like materials were obtained. And then PFC2D was used to simulate Brazilian splitting test for jointed rock mass specimens and specimen containing a central straight notch. The effect of joint angle and notch angle on the tensile strength and failure mode of jointed rock specimens was detailed analyzed. In order to reveal the meso-mechanical mechanism of crack coalescence, displacement trend lines were applied to analyze the displacement evolution during the crack initiation and propagation. The investigated conclusions can be described as follows. （1） The tensile strength of jointed rock mass disc specimen is dependent to the joint angle. As the joint angle increases, the tensile strength of jointed rock specimen takes on a nonlinear variance. （2） The tensile strength of jointed rock mass disc specimen containing a central straight notch distributes as a function of both joint angle and notch angle. （3） Three major failure modes, i.e., pure tensile failure, shear failure and mixed tension and shear failure mode are observed in jointed rock mass disc specimens under Brazilian test. （4） The notch angle roles on crack initiation and and joint angle play important propagation characteristics of jointed rock mass disc specimen containing a central straight notch under Brazilian test.