岩石单颗粒压缩破碎试验研究

岩石颗粒结构复杂、形态不规则,很难用现有经典理论进行研究,分形理论可以从统计的角度研究颗粒破碎的强度。根据600颗大理岩单颗粒破碎试验,测量单颗粒破碎的应力与竖向应变关系曲线和破碎后的颗粒分布曲线,将颗粒破碎曲线按形态分为三种类型;根据颗粒破碎后的颗粒分布特性,建立了岩石颗粒破碎的分形模型,测得了大理岩颗粒破碎的分维D为2.48;根据颗粒破碎的分形模型,导出颗粒破碎强度的理论公式;将大理岩颗粒破碎强度的试验数据与理论公式预测结果进行比较,两者十分吻合,从而验证了颗粒破碎强度的分形理论。     

大理岩试样循环加载强化作用的试验研究

利用不同晶粒大理岩块加工成完整和含孔道的圆柱试样,在伺服实验机上分别进行单轴和常规三轴循环加载试验,其中三轴循环加载包括维持围压恒定和卸载围压两种情况.结果表明,循环加载确实可使试样的强度增加,强度大致提高5%-10%.岩石的材料强度和承载能力是两个不同的概念.大理岩晶粒之间多为裂隙,轴向压缩加载时晶粒局部接触应力远高于名义应力,在岩样未达到峰值应力之前,接触处已经产生很大的变形乃至出现局部破坏,形成的碎屑在卸载时可以脱落充填到附近的空隙,提高岩样承载能力.这种强化特征是与摩擦相关的承载能力,并非材料强度;与多次循环加载造成材料强度逐步劣化不同.从卸载点附近卸载与再加载应力应变曲线的关系,可以确认卸载是否引起岩石承载能力的增加.     

岩石蠕变的应力-应变比分析

对岩石蠕变的应力-应变比分析方法进行了探索。蠕变是岩石重要的力学性质之一。岩石在各个应力水平下的蠕变曲线具有几何相似性。根据岩石蠕变的应力-应变比曲线可以近一步分析得到等时模量曲线。在岩石蠕变本构描述十分复杂、至今没有成熟的理论的情况下,应力-应变比分析方法具有十分重要的现实意义。     

岩石化学腐蚀-围压细观损伤本构模型与离散元模拟研究

基于Lemaitre应变等价性假设理论,假定受水化学-力耦合损伤的岩石微元强度服从Weibull分布,考虑化学腐蚀与围压耦合作用对岩石力学参数的影响,通过核磁共振技术与损伤力学理论,引入细观化学损伤变量与力损伤变量,并认为微元破坏符合SMP准则,建立岩石化学腐蚀-力耦合损伤本构模型,并采用理论推导的方法得出所需的模型参数。同时基于颗粒离散元方法,引入参数半径乘子来改变颗粒间的黏结接触尺寸,从而模拟水化学损伤,采用平直节理模型对水化学作用后的岩石进行三轴压缩模拟,得到了水化学作用和不同围压下的岩石三轴应力-应变模拟曲线。通过对比所构建的岩石化学腐蚀-力耦合损伤本构模型理论曲线、离散元模拟曲线和试验曲线,结果表明三者吻合度较好,能够很好地反映岩石在化学腐蚀和围压耦合作用下的力学特性与破坏特征,并通过离散元方法得到了岩石在三轴压缩过程中裂纹的产生与分布情况。     

铁磁形状记忆合金双轴向力-磁耦合实验研究

对磁场和应力场共同作用下的单晶铁磁形状记忆合金的力学特性进行了实验测试与分析,分别获得了单晶Ni\-2MnGa试样在不同的压应力时、两个不同角度的磁场作用下的磁场-应变曲线。结果表明,当磁场垂直于应力时,磁场方向的磁致应变要远小于应力方向的磁致应变;当磁场平行于应力时,磁场方向的磁致应变要小于垂直于磁场方向的磁致应变,其磁致应变滞后环的面积远小于磁场垂直于应力时的滞后环面积。这为铁磁形状记忆合金在工程中的应用提供一定的指导作用。     

模拟冻-融过程的热-水-应力耦合模型及数值分析

考虑低温条件下出现水-冰相变并有潜热产生的特点,将所开发的热-水-应力耦合模型及其二维有限元程序作了改进,使之可用于岩土体冻融问题的分析.并以Neaupane等的岩石室内冻一融试验为对象进行了数值模拟,将计算、试验和Neaupane的计算中所得的岩石试样上特定点的温度-时间曲线、温度-径向应变曲线作了对比,看到三者的接近程度较好,同时考察了本计算所得的一个岩石试样中不同时刻的温度、位移及应力分布,得出了若干结论.     

岩石对冲击载荷的动态响应

用Split-Hopkinson压力杆方法研究岩石的动态特性时,发现应力波通过破裂岩石试件产生的衰减和岩石动态强度的降低。本文考虑到修正的必要性,根据实验数据给出了一种分析和计算岩石动态强度的新方法,文中也给出了灰色砂岩和石灰岩的动态强度和动态应力应变关系,此外还分析讨论了影响动态强度的一些因素。     

分级加卸载硬岩短时蠕变特性实验研究

由单向抗压强度实验及8级加卸载短时蠕变实验,得到蠕变下限为27MPa的细砂岩试样典型的坚硬岩石脆性断裂特征.应力-应变等时曲线线性回归函数的相关系数均高于0.92,长期强度与瞬时强度之比达94.39%,证明细砂岩试样的整体蠕变特性不强.应力-轴向应变等时曲线线性回归函数的平均相关系数高出应力-径向应变等时曲线线性回归函数的平均相关系数3.92%,因此其轴向非线性蠕变特性相对于径向非线性蠕变特性更弱.随着时间延续,细砂岩试样的非线性蠕变特性总体服从负Gauss分布规律,具有明显的时间效应.随加载应力水平的提高,应力-轴向应变等时曲线和应力-径向应变等时曲线线性拟合函数的平均相关系数下降幅度分别为0.97%和0.67%,线性相关性普遍降低.所以细砂岩试样的非线性蠕变程度随加载应力水平的提高而提高,载荷效应明显.     

粉砂岩峰后破坏区应力脆性跌落的试验和本构方程研究

对粉砂岩试样进行常规三轴压缩试验,得到了其在不同围压下的应力-应变全程曲线.结果表明,岩样应力-应变曲线峰前(破坏前区)部分的力学性质较为稳定,其力学行为可用经典强度理论进行描述;应力-应变曲线峰后(破坏后区)部分,岩样处于非稳定状态,其力学行为难以用经典强度理论来描述,而脆塑性模型恰好可以描述试验岩样的应力非连续变化特征.岩石的应力脆性跌落是有条件发生的,应力脆性跌落系数是围压的函数,并给出应力脆性跌落系数与围压的关系.对完整岩样而言,使用弹性-线性软化-残余塑性三线性非理想脆塑性模型可以描述岩样的本构特征,而对含有节理岩样而言,采用双线性弹性-线性软化-残余塑性四线型非理想脆塑性模型与试验更为相符.     

压实粉土非线性应力-应变关系的试验研究

对京九线路基粉土用GDS三轴仪进行固结不排水剪试验,研究不同围压、含水量、压实度下压实粉土样的应力-应变关系。结果表明:压实粉土在低围压下为应变软化,高围压下为应变硬化,存在一个屈服应力;含水量和压实度对粉土强度和应力-应变关系影响显著,随着含水量的减小、压实度的增大,压实粉土样强度增大,应力-应变曲线上升。对围压小于屈服应力的应变软化曲线,用常规的土的软化关系式进行拟和;对围压大于屈服应力的应变硬化曲线,用邓肯-张模型进行拟和;这二者的结合能描述压实粉土的应力-应变关系曲线,效果良好。     

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。     

大理岩微裂隙与其力学性质间的关系

香港元朗地区发育有大量的大理岩, 它的力学性质直接影响该区的建筑安全。我们采用超声测量技术、单轴压缩试验和岩石薄片的镜下观测等方法了解其内部的结构变化及其力学性质。得出的结论是：该区的大理岩力学性质变化很大。一般的说, 致密的黑色大理岩超声波速度高, 抗压强度大且具有脆性特征, P波速度6.2～6.5km·s-1, S波速度3.0～3.60km·s-1, 抗压强度在88～166MPa;而那些颗粒较粗的白色或灰色大理岩, 超声波速度变化很大, 抗压强度小且具有韧性特征, P波速度在4.2～6.9km·s-1, S波速度2.4～3.20km·s-1, 抗压强度在52～63MPa之间。P波速度与裂隙密度成反比关系。抗压强度与裂隙密度成线性反比关系, 而且对脆性大理岩, 其曲线斜率要比韧性大理岩的曲线斜率大出许多倍。     

Loading effect on ACPD of a crack in ferromagnetic material

The loading effect on alternating current potential drop (ACPD) for a ferromagnetic material containing a two-dimensional surface crack was investigated under opening mode loading without shear (mode I). The change in potential drop due to load was obtained with and without a magnetic field around the specimen. To remove the magnetic field from the circumference of the specimen, a new measuring system using the characteristic of coaxial transmission line was made. When the magnetic field does not exist around the specimen, the change in potential drop with load is governed by the change in electromagnetic properties near the crack tip. The results obtained by using the new measuring system are the basis for an application of the ACPD technique to the experimental determination of the stress intensity factor, since they are independent of the arrangement of the measuring probe lines and the current supply lines. The relationship between the change in potential drop and the change in load is linearized by demagnetization. The change in potential drop per unit change in the stress intensity factor is independent of the crack length.     

预制裂缝宽度对HCFBD试件确定岩石断裂韧度的影响

为了考察人工预制裂缝宽度对确定岩石断裂韧度的影响,采用大理岩制作了含有不同预制裂缝宽度的中心圆孔裂缝平台巴西圆盘试件(hole-cracked flattened Brazilian disc, HCFBD),在RMT150B试验机上进行试验,对不同预制裂缝宽度圆盘的应力强度因子进行有限元计算,并对测试方法进行了研究。结果表明,采用将预制裂缝宽度视作零宽度裂缝方法确定的断裂韧度值偏低,给出了一种采用最小载荷和最大无量纲应力强度因子确定岩石断裂韧度的新方法,该方法能够消除预制裂缝宽度对圆盘试件测定岩石断裂韧度的影响。     

基于声发射参量的不同深度灰岩塑性破坏识别研究

对某矿深部灰岩进行单轴压缩试验,测得试件破坏全过程的应力、应变和声发射参数。通过分析应力、应变和声发射参数之间的关系,可根据声发射振铃计数率的变化情况,将全过程分为三个阶段:第一阶段处于孔隙裂隙压密阶段,振铃计数率较多;第二阶段处于稳定变形阶段,声发射处于平静期;第三阶段岩石进入塑性变形阶段,振铃计数率明显增加。研究发现,深度越深,第一阶段终止时的应力水平越高;将声发射累计能率与累计振铃计数率的比值定义为能振比λ,λ的变化规律一定程度上反映出试件内部裂隙发展情况。研究λ的变化规律能够为识别岩体失稳提供依据,提高声发射技术监测预报的准确性。     

A micro–macro method for predicting the shear strength of brittle rock under compressive loading

Microcracks have great significance for shear strength of brittle rock in compression. A major challenge of this area is to establish the correlation of microcracks and macroscopic shear strength. A new micro–macro method is presented to predict the shear strength of brittle rock in compression. This method incorporates the microcrack model suggested by Ashby, Mohr–Coulomb failure criterion and a crack-strain relation. This crack–strain relation is presented to link the crack growth and axial strain by combining the micro and macro definitions from rock damage. The shear strength and stress–strain relationship of Jinping marble are theoretically investigated in detail. The rationality of this suggested method is verified by using the experimental results founded on Jinping marble. Effects of the initial microcrack size, friction coefficient and confining pressure on internal friction angle, cohesion, and shear strength are also discussed.     

基于巴西劈裂试验的岩石声发射特性及断口特征分析

为综合研究岩石在拉伸状态下的破裂机理,对花岗岩、灰岩、砂岩、大理岩4种岩石进行巴西劈裂试验,采用PCI-2声发射仪采集试样破裂全过程的声发射信号,利用扫描电镜研究试样断口的微观结构,并探讨了岩石破裂声发射信号与断口微观特征之间的关系。试验结果表明:岩石破裂声发射信号的特征与断口微观特征可联合表征岩石在劈裂荷载下的破坏机理。在劈裂荷载下,岩石破裂产生的声发射信号的累计振铃计数呈稳定增长期、突增期、平静期3个阶段,且峰值频率呈带状分布,分别集中于0~50kHz,100~150kHz及300kHz上下3个频率段;岩石断口微观特征为典型的脆性拉伸断口样貌,且断口花样的复杂程度与振铃计数率呈正相关,断口破裂尺度与峰值频率呈负相关。     

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.     

改进巴西试验:从平台巴西圆盘到切口巴西圆盘

巴西试验是测试混凝土、陶瓷、岩石等脆性或准脆性材料拉伸强度的标准方法,在材料科学和土木工程中有广泛的应用,研究该方法的改进在科学和工程界都受到日益增长的关注.我们对巴西试验的原始试样即巴西圆盘(Brazilian disc,BD)提出一种新的构型:切口巴西圆盘(grooved Brazilian disc,GBD),利用GBD加载直径两端的窄而浅的切口,消除完整巴西圆盘对径压缩加载时可能非中心起裂的缺点,这一点与我们过去提出的平台巴西圆盘(flattened Brazilian disc,FBD)相同.GBD的构型更普适,因为它涵盖了巴西圆盘和平台巴西圆盘.对于求解GBD切口顶点及其正前方近邻的应力,提出两个近似解析模型,分别求出对应的压应力和拉应力,用叠加原理最后推出的公式能够定性地预测应力的变化趋势,以及试样几何参数的影响.近似解析公式,有限元数值计算,对比实验的结果都证实,对径压缩圆盘的几何与表面边界条件的一个微小的改变,对巴西试验试样的几何稳定性和断裂过程产生显著和有利的影响.利用推出的切口应力公式进行试样几何参数的优化选择,可以使GBD比BD和FBD更具优越性.