多组贯穿闭合裂隙岩体变形模型研究

根据等效岩体理论,并考虑闭合裂隙面摩擦效应,建立了含多组贯穿闭合裂隙岩体的数学模型,给出了岩体轴向应变、等效弹性模量与等效泊松比的表达式,系统地研究了岩块性质和裂隙参数对等效弹性模量与等效泊松比的影响。结果表明:岩块弹性模量对等效弹性模量与等效泊松比的影响随弹性模量增大而逐渐减弱,等效泊松比与岩块泊松比近似呈正比例关系;当裂隙角度小于50°时,裂隙几何参数对等效弹性模量影响较大,对等效泊松比影响较小,随着角度增大,影响逐渐减弱;岩体变形受裂隙组数影响较大,由于闭合裂隙面的摩擦效应及多组裂隙间的制约作用,含两组及三组裂隙时岩体变形较小,只含一组裂隙时岩体变形最大,无裂隙岩体变形几乎可以忽略。     

偶应力理论下拉力型锚固体的受力特性

锚固体的受力特征及其影响因素是锚固体设计的重要依据,直接影响锚固效果。传统的经典弹性理论没有考虑应变梯度的影响。偶应力理论引进弯曲曲率,考虑了弯曲效应对介质变形特性的影响。基于偶应力理论,建立了平面应变问题的有限元计算模型,研究锚固体锚固段界面上的剪应力分布、锚固体轴力分布、偶应力的尺度效应以及弹性模量和围压对锚固力的影响,并将偶应力理论的计算结果和经典弹性理论的计算结果进行了比较。结果表明,在偶应力理论下,锚固体锚固段界面的剪应力有所减小,特别是峰值处的剪应力减小明显;岩土的弹性模量越大,锚固界面局部剪应力越大;锚固力随着围压的增大而增大,偶应力尺度效应明显。     

锚杆拉拔力学作用机制的DDA方法模拟研究

为研究锚杆拉拔实验中锚杆与岩体间的力学作用过程和机制,在非连续变形分析(discontinuous deformation analysis, DDA)方法中实现锚杆-岩体界面耦合作用算法,采用多线性黏结滑移界面模型模拟锚杆的滑移脱黏,并针对锚杆拉拔力作用节点和脱黏节点提出专门算法。通过模拟结果与实验结果的对比,对文献中的三线性和四线性黏结滑移界面模型进行参数修正,并验证所提锚杆-岩体界面耦合作用算法的正确性和适用性。通过基于修正参数的多线性黏结滑移界面模型的锚杆拉拔DDA模拟,研究了锚杆的拉拔力-拉拔位移关系,以及不同拉拔力条件下锚杆-岩体界面切应力和锚杆轴力的分布与变化规律,并探讨了锚杆弹性模量对锚杆拉拔力学响应的影响。锚杆-岩体界面耦合作用算法的实现,也为岩体锚固的DDA模拟分析创造了条件。     

自然冷却和遇水冷却后高温花岗岩力-声特性试验研究

以松辽盆地露天花岗岩为研究对象,对自然冷却和遇水冷却后高温花岗岩进行单轴压、拉和声波测定试验。研究不同方式冷却后花岗岩温度（100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃,以下简称100℃-800℃）与表观形态、纵、横波波速、弹性模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度间关系,并将纵、横波波速与抗压强度、弹性模量建立联系。同时考虑遇水冷却后静置过程对花岗岩力-声性质影响。研究表明：（1）静置0h-2h是质量损失、纵波波速下降主要时段,静置6h后变化率可以忽略;自由水损失量与力-声特性损失量存在一定线性关系;（2）温度升高,自然冷却后花岗岩纵、横波波速、弹性模量、抗压强度、抗拉强度呈线型下降,遇水冷却后呈凹线型下降;高于300℃,自然冷却后花岗岩力-声参数均大于遇水冷却,泊松比变化率与其相反,600℃时冷却方式不同对花岗岩纵、横波波速、弹性模量、抗压强度影响达到最大,遇水冷却比自然冷却分别低33.33%、31.88%、53.33%、31.74%,700℃-800℃时冷却方式对花岗岩力声特性影响减小;（3）温度变化,花岗岩纵、横波波速与抗压强度、弹性模量呈良好相关性。所得结论可以提高花岗岩力-声特性测量准确性,为力学特性预测提供一个可行方法,并为岩体工程安全稳定性评估提供依据。     

爆破开挖扰动下锚固节理岩质边坡位移突变特征与能量机理

针对白鹤滩水电站左岸坝基河谷底部边坡岩体爆破开挖,采用现场岩体位移监测、锚索轴力监测及数值模拟的手段,研究了爆破开挖扰动下锚固节理岩质边坡的位移突变特征及其能量机理。研究结果表明:对于深切河谷底部高地应力边坡岩体爆破开挖,爆炸荷载挤压及地应力作用下,岩体所积聚的应变能快速释放,导致了节理岩质边坡的位移突变,突变位移包括节理张开位移和岩体回弹位移两部分;地应力水平越高、岩体弹性模量越低,总的突变位移量越大;预应力锚索主要通过抑制节理张开位移来控制边坡岩体的位移突变,锚索预应力等级越高,其吸能和释能速率越高,对节理岩体位移突变的控制效果越好,当锚索的预应力等级高到一定程度后,节理岩体的突变位移不再随锚索预应力等级的升高而显著减小。     

次轻页岩集料混凝土基本力学性能试验研究

为了研究次轻页岩集料混凝土的基本力学性能,以取代率为变化参数,用碎石、河砂分别取代全轻混凝土中的陶粒、陶砂,配制形成石轻混凝土、砂轻混凝土。对其立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度、弹性模量和泊松比等基本力学性能指标开展了试验研究,获取了次轻页岩集料混凝土的受力破坏形态,分析了取代率对次轻页岩集料混凝土力学性能指标的影响规律。建立了次轻页岩集料混凝土弹性模量、轴心抗压强度与立方体抗压强度换算关系、拉压比与泊松比关系等计算模型。研究结果表明:随着碎石、河砂取代率的增加,次轻页岩集料混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度及抗折强度逐渐增大,弹性模量逐渐增大;石轻混凝土的泊松比呈先减小后增大的变化规律;砂轻混凝土的泊松比则逐渐减小。通过引入取代率影响参数,所建立的计算模型简单实用,计算精度良好。     

不同粒径砂粒水泥砂浆冻融破坏实验研究

为研究颗粒粒径差异对水泥砂浆冻融破坏的影响,对不同粒径砂粒水泥砂浆试件进行冻融循环实验,测试不同冻融循环周期后水泥砂浆立方体抗压强度,并利用扫描电子显微镜(SEM)对不同粒径砂粒试件破坏面进行观察,分析冻融循环条件对不同粒径砂粒试件破坏形态及其物理力学性质变化规律的影响。结果表明:随冻融周期增加,粒径30目试件表面以颗粒脱落为主,粒径40目试件表面以片状剥落为主。纵波波速以及单次冻融前后质量差值均随冻融周期增加而降低。在冻融循环前期,水化反应对试件力学性能影响占主导地位,造成试件抗压强度、弹性模量增加,冻融循环后期,冻融损伤加剧,微裂纹、微孔洞扩展造成抗压强度、弹性模量降低。相同冻融周期后,纵波波速、抗压强度和弹性模量随粒径减小而降低。提出改进的微观颗粒胶结物理模型,解释了不同粒径水泥砂浆冻融破坏机制。     

高温后聚丙烯纤维混凝土力学性能试验研究

采用液压伺服试验系统,对120块不同聚丙烯纤维掺量的混凝土立方体试件进行高温后力学性能试验研究.分析了不同纤维掺量,不同目标温度对混凝土峰值应变、弹性模量、抗压强度等力学性能的影响,此外还探讨了高温后聚丙烯纤维混凝土的表观形态.试验结果表明,高温作用后混凝土试件物理结构发生了很大的变化.随着温度的升高聚丙烯纤维混凝土与普通混凝土一样,弹性模量与抗压强度都呈下降趋势,并且在300oC以后显著降低,而峰值应变上升.在相同温度下,随着纤维掺量的增加混凝土试件的抗压强度与弹性模量下降,峰值应变升高.通过对试验数据的统计分析,建立了不同掺量下聚丙烯纤维混凝土的相对抗压强度随温度变化的关系式,为聚丙烯纤维混凝土在各种实际工程中的应用提供了一定的参考价值.     

单轴压缩下断续节理岩体动态损伤本构模型

断续节理将对工程岩体的强度及变形等力学特性产生显著影响,损伤力学中视节理为岩体的一种宏观损伤,因而采用损伤张量来刻画其对岩体的影响。目前学术界提出了用节理的几何、强度及变形等3类参数来描述节理的物理力学性质,而目前的岩体损伤张量计算方法都只涉及前2类参数,均没有涉及其变形参数即法向及切向刚度。为此,在前人研究的基础上,基于断裂及损伤理论提出了考虑节理法向及切向刚度的单轴压缩下单条断续节理引起的损伤张量计算公式,进而通过考虑节理间相互作用给出了单组单排或多排节理岩体损伤张量计算公式。其次,以岩石细观动态损伤模型为基础,结合宏细观损伤耦合观点提出了一个能够同时考虑节理几何、强度及变形参数的断续节理岩体动态损伤本构模型。最后,利用该模型讨论了节理参数及载荷应变率等对岩体动态力学特性的影响,认为节理长度减小及摩擦角增大将导致岩体动态峰值强度及弹性模量增大;岩体动态峰值强度及弹性模量则随着节理法向及切向刚度的增大分别减小或增大;而当节理法向及切向刚度按照同一比例增大时,岩体动态峰值强度及弹性模量则是增大的。岩体动态峰值强度与载荷应变率呈正相关。     

沙漠砂混凝土力学性能及应力-应变本构关系试验研究

为了研究沙漠砂替代率对沙漠砂混凝土力学性能的影响,试验设计了132个试块,其中66个标准立方体试件和66个标准棱柱体试件;通过立方体抗压强度试验、劈裂拉伸强度试验、轴心抗压强度试验、弹性模量试验,研究了沙漠砂替代率从0%～100%变化时沙漠砂混凝土的基本力学性能,并提出了沙漠砂混凝土应力-应变本构方程和损伤本构方程。研究结果表明:随沙漠砂替代率的增加,沙漠砂混凝土立方体抗压强度、劈裂拉伸强度、轴心抗压强度均呈现先减小后增加再降低的趋势;弹性模量、能量耗散能力、延性性能呈现先增加后减小的趋势;其应力-应变全过程曲线的形状与普通混凝土相似,都经历了弹性、弹塑性、屈服破坏的3阶段;应力-应变本构方程和损伤本构方程的计算结果均与试验结果吻合较好。     

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。     

不同拉压特性的厚壁圆筒极限内压统一解

厚壁圆筒在实际工程领域中应用广泛,若能精确计算出极限内压,对预防事故发生,降低风险有重要意义.工程中存在许多材料,其拉压强度和拉压模量均存在差异,这些差异对极限内压的大小有显著影响.以往研究表明,仅考虑拉压强度与拉压模量的一个方面,计算结果与实际情况存在一定的误差.本文基于双剪统一强度理论,综合考虑中间主应力效应及材料拉压强度和拉压模量的不同,推导了内压作用下厚壁圆筒的弹、塑性状态的应力分布及弹性极限内压、塑性极限内压与安定极限内压的统一解,通过与其他文献对比分析验证了本文计算结果的正确性,分析了半径比、统一强度理论参数、拉压强度比与拉压模量系数对弹性极限内压、塑性极限内压及安定极限内压的影响.结果表明:统一解均随半径比和统一强度理论参数的增大而增大,随拉压强度比的增大而减小,弹性极限内压随材料拉压模量系数的增大而减小,当壁厚增加到一定值后,安定极限内压随材料拉压模量系数的增大而减小;材料的拉压模量不同、拉压强度差异对厚壁圆筒的安定性影响显著,考虑中间主应力效应可使材料的潜能得到更充分发挥,极限内压随半径比的变化规律可为选择合理壁厚提供参考,该结论可为厚壁圆筒的工程应用提供理论依据.     

水分及冻融循环对红砂岩物理力学特性的影响

将干燥红砂岩进行饱水及开放系统下的冻融循环实验,并对干燥、饱水及经历一定冻融次数后的试样进行单轴压缩实验,系统地研究了红砂岩的遇水软化性及冻融损伤劣化特性,分析了岩石的弹性模量、强度、应力-应变关系的变化规律。结果表明：在水分的作用下,红砂岩的弹性模量及强度显著降低,且强度受水分影响引起的损伤较弹性模量大;水分及软弱结构面的存在促进了岩石的冻融损伤劣化,并伴随着岩石延脆性性质的改变,最终在冻融循环的作用下完全崩解;在寒区岩体工程设计和施工过程中,必须考虑水分和温度对工程稳定性的影响,采取加强防排水及隔热保温技术等综合防治措施减少冻融灾害。     

基于塑性体积应变的岩石损伤变形特性实验研究

为分析岩石塑性变形与损伤的关系,在定义岩石的初始损伤和临界损伤,提出塑性体积应变分析方法,从而以塑性体积应变为损伤变量,采用归一化方法建立岩石的损伤本构模型。采用递增循环加载实验确定岩石损伤本构模型中的弹性卸载模量和弹性应变比例系数两个参数。通过实验和理论分析得出:当荷载较小时,普通单轴压缩状态下岩石损伤随荷载的增加具有减小趋势,荷载超过一定数值后,岩石损伤才开始增加;单轴递增循环压缩状态下当循环荷载大于约35%峰值强度后,卸载后岩石的损伤具有增加的趋势,小于该荷载之前具有减小的趋势。整个加载过程的理论应力-应变曲线能很好地与实验结果相吻合,在循环加载区间理论结果还能体现出岩石实验结果中的回滞环。     

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。     

空心玻璃微珠及玻璃纤维混合填充环氧树脂力学性能实验研究

制备了一种空心玻璃微珠质量比、四种玻璃纤维质量比的空心玻璃微珠及玻璃纤维混合填充环氧树脂复合泡沫材料。通过一系列准静态压缩、拉伸实验,研究了玻璃纤维填充量对复合材料的密度、强度、弹性模量等性能的影响,并分析了其影响原因。通过三点弯曲实验,研究了复合材料弯曲弹性模量、弯曲强度等力学性能与玻璃纤维填充量的关系。通过拉伸断口SEM照片分析了玻璃纤维增强复合材料力学性能的原因。研究表明:随着玻璃纤维填充量增加,复合材料的拉伸和弯曲强度、压缩屈服极限及弹性模量等力学性能都有较大的提高,且仍然保持了较好的弹性性能和塑性特征。     

预应力锚索加固岩体的应力损失分析

预应力锚索加固岩体的效果取决于预应力的大小。为了保持岩体长期稳定，必须长期保持有足够的预应力。岩体随时间产生的变形、锚索松驰、腐蚀、结构的不同等因素都将造成锚索预应力损失。这对加固效果带来不良影响。本文着重研究岩体随时间的变形产生的预应力损失。     

Displacement of surrounding rock in a deep circular hole considering double moduli and strength-stiffness degradation

The problem of cavity stability widely exists in deep underground engineering and energy exploitation. First, the stress field of the surrounding rock under the uniform stress field is deduced based on a post-peak strength drop model considering the rock's characteristics of constant modulus and double moduli. Then, the orthogonal non-associative flow rule is used to establish the displacement of the surrounding rock under constant modulus and double moduli, respectively, considering the stiffness degradation and dilatancy effects in the plastic region and assuming that the elastic strain in the plastic region satisfies the elastic constitutive relationship. Finally, the evolution of the displacement in the surrounding rock is analyzed under the effects of the double modulus characteristics, the strength drop, the stiffness degradation, and the dilatancy. The results show that the displacement solutions of the surrounding rock under constant modulus and double moduli have a unified expression. The coefficients of the expression are related to the stress field of the original rock, the elastic constant of the surrounding rock, the strength parameters, and the dilatancy angle. The strength drop, the stiffness degradation, and the dilatancy effects all have effects on the displacement. The effects can be characterized by quantitative relationships.     

砂岩岩石力学参数各向异性研究

对胜利油田不同深度的四口井的砂岩岩芯进行了三轴压缩试验和动态岩石力学参数试验。根据获得的垂直地层方向和平行地层方向的试验数据,计算了各岩石力学参数的各向异性系数。通过分析围压以及深度对各向异性系数的影响,给出了砂岩峰值强度各项异性系数、静泊松比各向异性系数、纵波波速各向异性系数、纵横波速比和动泊松比各向异性系数与深度的拟合公式。发现峰值强度、纵波波速和纵横波速比的各向异性系数都随着深度的增加而减小,而泊松比各向异性系数随着深度的增加而增大。动、静弹性模量各向异性系数与深度相关性都很差,动弹性模量各向异性较弱,静弹性模量相对较强。     

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。