高温和饱水条件下砂岩的抗剪强度与Ⅱ型断裂韧度的相关性

岩石的抗剪强度与断裂韧度会明显受到温度及湿度变化的影响,由于剪切破环和Ⅱ型断裂破环都与剪切相关,因此二者可能具有一定的相关性.基于此,对无处理、100℃加热、200℃加热以及饱水状态下的砂岩试样进行了直剪实验和巴西圆盘断裂实验,测定了在不同处理条件下试件的抗剪强度参数和Ⅱ型断裂韧度,并对二者的相关性进行了讨论.实验结果...     

THE PRELIMINARY STUDY OF ANISOTROPY OF MODE I FRACTURE TOUGHNESS OF METAMORPHIC SANDY SLATE

Ⅰ型断裂韧度是岩石的主要特征力学参数,且影响因素很多。目前,国内可查的细观层理对岩石Ⅰ型断裂韧度影响的相关研究较少。试验利用隧道开挖中的变质砂板岩,测试了横向、纵向和无细观层理砂板岩纵波波速,并采用三点弯曲圆梁方法研究了相应砂板岩试件的Ⅰ型断裂力学性质。试验表明K_IC、断裂破坏挠度、细观层理和纵波波速间存在相关关系,根据试验成果提出各向异性系数Y的概念,利用各向异性系数Y计算的K’_IC值与实测的相应试件K_IC符合较好。     

冲击载荷作用下黑砂岩动态断裂参数的分形修正

基于分形理论研究了偏折裂纹扩展路径对动载荷作用下黑砂岩的动态断裂力学参数的测试误差影响作用,采用传统的分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）实验装置对修正侧开单裂纹半孔板（improved single cleavage semi-circle specimen, ISCSC）试样进行动态冲击实验,随后采用裂纹扩展计进行裂纹起裂时间与裂纹扩展速度等动态断裂力学参数测试,采用分形理论对测试的裂纹扩展速度与动态应力强度因子进行修正,利用实验-数值法对黑砂岩的动态断裂韧度进行计算。研究结果表明,ISCSC构型构件能够有效应用于岩石材料动态裂纹扩展行为的研究,并发生了止裂现象,经分形修正的裂纹扩展速度与动态断裂韧度更接近实际裂纹动态扩展情况,修正前后得到黑砂岩材料的裂纹扩展速度误差为33.51%,动态断裂韧度最大误差为7.68%,说明利用分形理论对动态断裂韧度等动态断裂参数计算更合理。     

Ⅱ型加载条件下页岩断裂行为的预测研究

实际工程中岩体往往处于Ⅰ型和Ⅱ型加载同时存在的状态,而这种复合加载条件下岩石断裂行为的预测较为复杂,也是迫切需要解决的问题。本文基于Ⅰ型加载条件下测试得到的页岩试样断裂韧度,应用MTS(Maximum Tangential Stress,最大切向应力)断裂准则对页岩试样在Ⅱ型加载条件下的裂纹起裂角以及断裂韧度进行了预测。为评估预测效果,通过Ⅱ型加载条件下2种尺寸页岩断裂试验,发现Ⅰ型断裂韧度随岩样尺寸变化的趋势不同,Ⅱ型断裂韧度基本没有尺寸效应。通过比较预测结果以及试验结果发现,利用传统的MTS断裂准则预测的理论值与试验测试值相差较大。在预测过程中断裂过程区尺寸的确定也是非常重要的,如果不考虑断裂过程区的尺寸效应同样会造成很大的预测误差。结合MTS准则确定的断裂过程区尺寸,利用GMTS(Generalized Maximum Tangential Stress,广义最大切向应力)断裂准则预测的岩样裂纹起裂角以及断裂韧度都与试验测试值非常接近。     

砂岩峰后卸除围压过程的渗透性试验研究

为了探讨煤层开采引起的围岩卸除围压过程中砂岩渗透性的变化规律,本文用数控瞬态渗透法在电液伺服岩石力学试验系统MTS815.02上进行了砂岩试样的渗透特性试验。得出了试样峰前渗透系数-应变与应力-应变的关系曲线,以及在峰后保持轴向应变一定卸除围压过程中试样的渗透系数-围压与主应力差-围压的关系曲线;对试验砂岩在变形破坏过程中渗透性变化规律进行了总结,重点分析了其峰后卸除围压过程中渗透性的变化规律;并对试验砂岩峰后渗透系数与有效围压关系进行了拟合,得出了拟合方程式,为煤层开采引起的围岩体应力场与渗流场耦合问题提供参考。     

SHPB冲击加载下四种岩石的复合型动态断裂实验研究

分别用绿砂岩、黄砂岩、灰砂岩、大理岩制作了三种几何相似的(φ80mm、φ122mm、φ155mm)中心直裂纹平台巴西圆盘(CSTFBD)试样;利用分离式霍普金森压杆加载,进行了I型和I-II型复合动态断裂实验,并由实验结合有限元分析得到了四种岩石材料的I、II型动态断裂韧度KId、KIId。研究表明:动态断裂韧度均存在尺寸效应,试样尺寸对I-II型复合比和纯II型加载角均会产生影响,复合比随尺寸的增大而减小,大尺寸试样II型加载的加载角比小尺寸试样的小。同时,由于负值的T应力显著减小了裂纹的起裂角,用广义最大拉应力准则预测的起裂角更符合实验结果。     

岩石压剪断裂核的试验研究

本文介绍了岩石压剪断裂试件切口端部微裂区的研究成果。通过白光散斑,光弹贴片测试及切片镜检,查明了该微裂区呈不对称的桑叶状,其内部岩石晶粒碎裂,形成多条裂纹,岩石压剪主破裂面沿微裂区边界面扩展。在上述结果基础上,提出了描述该微裂区的岩石压剪断裂核的形状方程。     

广义平均形状改变能密度断裂准则及应用

基于形状改变能为材料起裂扩展控制参量的物理事实及裂纹尖端断裂控制区能量平均概念,提出了计及裂纹尖端应力场特征级数展开奇异项和常数项的广义平均形状改变能密度(GADSED)准则,建立了Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ混合型裂纹断裂判据计算式,为工程结构疲劳断裂评估提供了新选择.基于提出的GADSED准则,系统分析了T应力对裂纹断裂判据的影响,结果表明:当参数|Bα|数值相同时:负值T应力的Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹更易起裂扩展,正值T应力的K_Ⅰf值高于负值T应力的K_Ⅰf值,正负T应力的K_Ⅱf值相同;T应力在区间0Ⅰf值(3%以内),T应力降低了K_Ⅱf值.根据GADSED准则完成了双轴疲劳载荷平板表面Ⅰ型裂纹扩展寿命预报,结果表明:基于GADSED准则的裂纹扩展寿命预报值约为传统方法预报值的40.7%,可为工程实际评估提供借鉴.     

含水率及围压对砂岩蠕变特性影响的试验研究

在荷载作用下,岩石不仅表现出弹性和塑性,而且具有与时间相关的性质,即岩石的流变性。工程实践中,岩石流变现象随处可见,岩石流变所造成的危害也不容忽视。但目前在岩石含水率及围压对其流变特性影响研究仍不完善。本文采用岩石三轴压缩流变仪开展了不同含水率及围压条件下的砂岩压缩蠕变试验。试验发现,围压越大,砂岩的蠕变量越小;但当围压达到一定值后,围压对蠕变量的影响降低;砂岩含水率越高,瞬时应变越大,破坏时应变越大,长期强度越低;瞬时应变和破坏时应变均与含水率呈线性关系,长期强度与含水率呈负指数关系。     

花岗岩动静态压剪复合加载实验研究

岩石为天然含有微裂纹微孔洞等缺陷的复杂介质,其在复杂应力状态,尤其是在压剪应力状态下的性能研究,对工程应用有着十分重要的意义。本文利用双斜面垫块改进现有装置对花岗岩进行了动静态下的压剪复合加载实验,其中静态实验基于MTS材料试验机,动态实验基于分离式Hopkinson压杆（以下简称SHPB）,由此得到不同压剪载荷联合作用下花岗岩的静态和动态力学性能。通过改变倾斜端面的角度就能够得到岩石在不同压剪加载路径下的力学性能,由此可以得到岩石的静动态破坏面。结果表明:花岗岩的破坏强度具有明显的加载速率效应。本研究为探讨岩石在复杂应力状态下的力学性能提供了新的方法。     

K0超固结结构性黏土的本构模型

K₀固结黏土在自然界广泛分布, 其通常同时具有超固结性与天然结构性, 而K₀超固结性又与K₀正常固结性质存在很大差异. 为了有效的描述K₀超固结性质, 在结构性模型基础上, 做了如下三点改进, 使得原模型拓展为同时考虑K₀超固结特性与天然结构性影响的本构模型. (1)引入相对应力比来描述屈服面, 并引入初始各向异性转轴参量ξ来表达初始各向异性对屈服面在p-q空间的位置影响. (2)基于给定的屈服面方程, 推导得到变相应力比参量, 并将变相应力比引入到统一硬化参数中, 利用统一硬化参数可以有效描述初始各向异性固结黏土在剪切加载下的剪缩与剪胀, 应变硬化及软化现象. (3)引入反映结构性胶结强度性质的胶结参量p_e, 并给出p_e随塑性偏应变的衰减演化方程, 利用胶结参量可描述结构性黏土的剪胀特性. 预测与试验结果对比表明, 所提的K₀超固结结构性模型可有效描述K₀超固结黏土的刚度提高效应, 黏土的包辛格效应, 结构性黏土胶结强度的损失现象以及结构性黏土的应变软化现象. 证明了所提模型的适用性以及合理性.      

一种适合于岩石材料的双剪模型

岩土类材料强度理论分为单剪强度理论、三剪强度理论和双剪强度理论。三类强度理论的典型代表是Mohr -Coulomb强度理论、Drucker-Prager准则和双剪强度理论。单剪强度理论、三剪强度理论和双剪强度理论都有其相应的单元模型 ,分析单元体上对单元体破坏起主要作用的应力 ,建立各应力分量之间的数学关系 ,形成岩土类材料的强度理论。本文分析岩石围压试验和真三轴试验下的破坏及强度特征 ,提出一种适合于岩石材料的双剪模型 ,与三类强度理论建模方法相同 ,可以得出一系列新的强度理论     

岩石加卸荷破坏细观机理CT实时分析

利用与CT(computerizedtomography)机配套的专用岩石三轴加载试验设备 ,采用CT实时试验的手段对连续加载试验条件下和卸围压应力作用下砂岩破坏细观机理进行了对比研究。结果表明 ,岩石的卸荷损伤演化破坏具有突发性 ,卸围压破坏导致的扩容比连续加载破坏时大.     

爆炸荷载下青砂岩动态起裂韧度的测试方法

为了研究爆炸荷载下青砂岩I型裂纹动态断裂韧度的测试方法,利用内部中心单裂纹圆盘（internal center single crack disc,ICSCD）试样进行了爆炸试验研究。试样由外径为400 mm、内部加载孔径为40 mm、预制裂纹长为60 mm的青砂岩制成。利用同步触发器实现圆盘中心起爆,并同步触发超动态应变仪,通过径向应变片获取爆炸应变曲线、裂纹尖端的环向应变片获取裂纹起裂时刻。以实测爆炸应变曲线为参量,应用Laplace变换推导出试样加载孔壁应力时程曲线表达式,并用数值反演法得出其数值解。利用ANSYS有限元软件,建立数值计算模型,通过相互作用积分法得出了在爆炸荷载作用下砂岩的I型动态应力强度因子曲线。研究结果表明:（1）ICSCD试件能够很好地用来测试岩石的动态起裂韧度;（2）炮孔周边的应力可以通过拉普拉斯变换的数值反演方法得到;（3）通过试验-数值法能稳定计算出ICSCD砂岩构型的动态起裂韧度,其最大误差仅为7%。     

变质砂板岩Ⅰ型断裂韧度各向异性初探

Ⅰ型断裂韧度是岩石的主要特征力学参数,且影响因素很多。目前,国内可查的细观层理对岩石Ⅰ型断裂韧度影响的相关研究较少。试验利用隧道开挖中的变质砂板岩,测试了横向、纵向和无细观层理砂板岩纵波波速,并采用三点弯曲圆梁方法研究了相应砂板岩试件的Ⅰ型断裂力学性质。试验表明KIC、断裂破坏挠度、细观层理和纵波波速间存在相关关系,根据试验成果提出各向异性系数Y的概念,利用各向异性系数Y计算的K IC值与实测的相应试件KIC符合较好。     

受三维静载压缩岩石对冲击能的吸收效应

为了研究深部地下资源开发过程中矿岩破裂的能耗效应,通过利用自行研制的岩石动静组合加载试验机,对细砂岩进行了2个系列的三维动静组合加载试验,即固定围压改变轴向静压和固定轴向静压改变围压的冲击试验。试验结果表明:在固定围压条件下,随着轴向静压增加,砂岩试件破坏所消耗的动载荷能量密度逐渐降低;当轴向静压在对应的常规三轴抗压强度的70%以上,消耗的动载荷能量密度变为负值（岩石试件释放能量）;轴向静压再进一步加大,负值逐渐接近0,但始终在0以下。在轴向静压不变且较小的条件下,随着围压增大,岩石试件破坏所消耗的动载荷能量密度值一直在增大;但当轴向静压较大且在对应的常规三轴抗压强度的70%以上时,岩石试件在受到动力扰动后失去原平衡,能够自行破坏,并释放多余的能量。     

用短棒试件测试无烟煤的动态断裂韧度

介绍了设计的新型圆台式压头及配套的衬片加载部件,推导了采用新的加载部件进行冲击断裂实验时的断裂韧度计算公式。采用SHPB实验装置,用新加载部件对带有V形切口的无烟煤短棒试件的裂纹尖端施加拉伸载荷,测定了无烟煤的动态断裂韧度。结合准静态实验数据得到了无烟煤断裂韧度随加载率lg(dF/dt)的总体变化规律:当lg(dF/dt)6时,无烟煤的断裂韧度缓慢上升,但当lg(dF/dt)6以后,无烟煤的断裂韧度随加载率的增加快速增大。实验表明:圆台式加载比刀刃式加载更具优越性和适应性,是测试岩石类材料短棒试件动态断裂韧度较好的方法。     

原状冻土Ⅱ型非线性断裂韧度实验测试研究

由于原状冻土处于自然状态下,其本构关系及水分、温度的分布符合实际状态,而且其实际破坏形式往往是非线性的剪切破坏,所以论文采用了非线性冻土断裂实验模型,对自然状态下的原状冻土进行了断裂破坏实验,着重对Ⅱ型断裂(剪切)破坏的四点弯曲直裂纹试样进行了实验研究.实验过程中改造了四点弯曲实验台,采用着色法测量预制裂纹尺寸.实验原理采用基于能量平衡的方法,利用数据采集系统分别测出了原状冻土四点弯曲试样加力点处位移与力的关系曲线以及相应的非线性参数,推导出裂纹扩展非线性能量释放率计算公式,当试样达到承载极限状况时测试出Ⅱ型断裂试样非线性断裂韧度.同时,提出了修正因子计算非线性断裂韧度的方法,将能量方法测试结果与修正因子方法结果进行了对比,二者基本是一致的.以上提出的冻土Ⅱ型断裂非线性断裂韧度测试方法,及获得的非线性断裂韧度测试结果,为非线性理论研究和工程应用提供了依据.     

三点弯曲型试件Ⅰ/Ⅱ复合型断裂的数值与实验研究

三点弯曲试件常被用来研究材料的纯Ⅰ型及Ⅰ/Ⅱ复合型断裂性能。使用Abaqus软件通过有限元法获得三点弯曲试件不同跨长比2S/L、相对裂纹长度a和裂纹倾角β下的Ⅰ型与Ⅱ型无量纲应力强度因子。由有限元结果可知,在相对裂纹长度一定时,跨长比越小,裂纹倾角越小,Ⅰ型无量纲应力强度因子可取得0,即越容易得到纯Ⅱ型断裂。当跨长比相同时,相对裂纹长度越大越容易得到纯Ⅱ型断裂。使用6组共24个三点弯曲试件,研究砂岩的纯Ⅰ型、纯Ⅱ型以及复合型加载时的断裂韧度,得到该种砂岩的纯Ⅰ型断裂韧度为0.786MPa·m0.5,纯Ⅱ型断裂韧度为0.344MPa·m0.5。实验结果与最大周向应力(MTS)准则和广义最大周向应力(GMTS)准则的预测结果进行对比,比较结果显示GMTS准则更能准确地预测实验结果。     

卸荷速率对岩石强度影响的试验研究

通过MTS 815.02型电液伺服岩石力学试验系统,研究砂岩试样在常规三轴条件下卸 围压过程中的应力-应变关系,探讨不同卸荷速率对试样强度的影响情况,分析得 出卸荷速率与试样强度的变化规律;观察、测量破坏试样的破裂特征及角度,初步探究试 样在卸荷作用下的破坏机理;研究成果可为工程实践的岩体卸荷问题提供一定的理 论参考.