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.     

高温花岗岩遇水快速冷却后力学性质实验研究

通过对高温加热–遇水快速冷却后的花岗岩试样进行单轴和三轴实验,研究了800℃内高温花岗岩遇水快速冷却后的力学性质随温度和围压的变化规律。实验结果表明:(1) 400℃为高温加热–遇水快速冷却对花岗岩力学性质影响的阈值;(2)同一温度条件下,峰值偏应力、峰值应变随围压的增大而增大;弹性模量随围压的增大先增大后减小;(3)单轴实验中,温度低于400℃时,岩样表现为复合破坏,随着温度的升高破坏形式转变为拉破坏;三轴实验中,岩样整体上表现为剪切破坏。     

高温花岗岩遇水快速冷却后力学性质实验研究1)

通过对高温加热-遇水快速冷却后的花岗岩试样进行单轴和三轴实验,研究了800°C内高温花岗岩遇水快速冷却后的力学性质随温度和围压的变化规律。实验结果表明：(1)400°C为高温加热-遇水快速冷却对花岗岩力学性质影响的阈值;(2)同一温度条件下,峰值偏应力、峰值应变随围压的增大而增大;弹性模量随围压的增大先增大后减小;(3)单轴实验中,温度低于400°C时,岩样表现为复合破坏,随着温度的升高破坏形式转变为拉破坏;三轴实验中,岩样整体上表现为剪切破坏。     

脆塑性岩石破坏后区应力跌落效应数值模拟

采用三轴试验和数值模拟研究了岩石类脆塑性材料的应力跌落效应,并用塑性流动因子λ来描述应力跌落效应。为简化计算,给出了一种应力陡降过程中伴随的非零应变增量的工程近似处理方法,基于此针对性地编制了处理脆塑性材料应力跌落的有限元分析程序代码。数值模拟结果验证了塑性流动因子λ以及该近似处理方法的有效性。     

高温静水应力状态下花岗岩稳态蠕变参数研究

高温高压花岗岩钻孔实验表明,温度低于500℃,静水应力低于150MPa 状态下,岩体的钻孔变形均属于稳态蠕变变形阶段. 该文选取了广义开尔文模型来反映其特征,通过拉普拉斯变换及逆变换,详细推演出了钻孔径向位移解析解,并且考虑温度-应力的耦合效应,给出了模型参数随温度及应力变化的关系式. 利用该关系进行拟合计算,说明广义开尔文模型来表达高温高压环境中的花岗岩稳态蠕变变形特性,寻求蠕变参数是合理可靠的. 该文对于高温岩体地热资源开发中的钻孔施工与维护、钻孔变形量预测等方面,具有实际的指导意义.     

花岗岩体中应力波传播计算的动态本构关系

在花岗岩体的弹性区域,对实测径向质点速度波形运用Lagrangian分析方法,得到了球面应力波传播的加载速率相关的应力应变关系曲线。由速率相关本构关系所作的计算结果表明,它能较正确地描述岩石中球面应力波传播过程中所体现的主要特征,即应力波峰值衰减指数大于1和波形剖面的展宽。     

花岗岩单轴压缩侧向变形及脆性破坏机制实验研究

为研究花岗岩侧向变形及脆性破坏机制,对花岗岩试件进行单轴压缩实验。利用动态应变采集系统、数字散斑相关方法(DSCM)和显微观测手段,记录并分析花岗岩试件在单轴压缩过程中的宏观侧向应变、局部侧向应变以及破裂面形貌,并与水泥砂浆试件的破坏过程对比,讨论了花岗岩脆性破坏机制。实验与分析结果表明:(1)花岗岩试件在加载初期发生侧向收缩变形,产生并发展于压密阶段,消失于线弹性阶段初期,这主要由于试件内部裂纹闭合造成的;此后,宏观侧向应变持续增长,当侧向应变与轴向应变之比接近0.5时试件破坏;(2)在峰值载荷前很长一段时间内,局部侧向应变在一定范围内波动,临近试件破坏时局部侧向应变最大值和最小值均出现较大幅度的波动,二者差值迅速增大,试件不均匀程度增大,最终导致试件破坏;(3)在峰值载荷前有无塑性屈服阶段是峰值载荷后脆性破坏程度的重要影响因素,而宏观裂纹的贯通程度是峰值载荷后应力降大小的决定因素。     

三轴情况下花岗岩动态力学特性的实验研究

针对花岗岩进行了应变速率范围为10-4～1s-1、围压范围为20～170MPa的动三轴实验。实验结果表明:花岗岩的抗压强度随应变速率的增加而增加,强度的增加幅度随围压的提高有减小的趋势,弹性模量以及泊松比与应变速率没有明确的关系;花岗岩的抗压强度随围压的增加明显增加,在不同应变速率下,这种增加趋势基本相同;随着围压的增加,花岗岩的弹性模量有小幅度增加的趋势,泊松比有小幅度减小的趋势。     

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.     

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．     

单轴拉伸条件下脆性岩石微裂纹损伤模型研究

利用断裂力学、损伤力学和均匀化原理,对脆性岩石单轴拉伸条件下的力学特性进行分析,建立了脆性岩石的微裂纹损伤本构模型.首先对岩石内部微裂纹的统计分布规律进行分析,给出了理论分析过程中微裂纹分布的假设条件,在此基础上,参考已有研究成果,得到含细长微裂纹脆性岩石有效弹性参数的计算公式.然后,对岩石内部单一微裂纹进行断裂力学和损伤力学分析,得到了扩展裂纹尖端的应力强度因子计算公式,在一定微裂纹断裂扩展准则和断裂扩展速率的假设基础上,利用积分原理,得到了岩石整体的损伤变量和损伤演化方程,由此建立单轴拉伸条件下脆性岩石的微裂纹损伤本构模型.最后,通过一花岗岩的单轴拉伸试验结果对微裂纹损伤本构模型进行了验证.     

岩爆的压缩流体包裹体膨胀力源假说

岩爆是地下工程中的一种奇异力学破坏现象. 开挖后的围岩块石突然、猛烈地向开挖空间弹射、抛掷和喷出. 它具局部性、突发性、隐蔽性、滞后性、无前兆性、高初速度和高冲击动能. 岩爆常常导致深部岩石工程重大人员伤亡和经济损失. 虽然人们对岩爆做了大量研究, 岩爆的成因机理依然是公认的"国际岩石力学领域的世界性难题". 本文指出、分析、论证了造成这个"世界性难题" 的原因是, 国际岩石力学领域忽略了连续完整岩石中微小流体包裹体的存在和异常作用. 本文进一步提出、分析和论证了封闭在完整岩石中的微细流体包裹体可能处于被压缩状态, 能够拥有高压强, 能够造成完整岩石内部的局部异常高地应力场. 岩石开挖可导致封闭在岩石内部的众多微细高压缩流体包裹体重新随时间而渗流、移动和相变, 再造成局部完整脆性围岩的岩爆. 对岩石流体包裹体的力学研究能让我们破解世界性岩爆难题.     

不同围压下含天然贯通节理岩石卸载破坏机理研究

二郎山特长高速公路隧道断裂带较多,受此影响,隧道开挖后岩爆灾害十分严重．从此隧道中取样制备成含天然贯通节理试件,进行常规单轴压缩室内试验,获取基本力学参数和破坏模式．本文以室内实验结果为依据,确定数值试验时所采用的岩石和节理的力学参数,利用RFPA软件开展数值试验,研究了不同围压同轴向荷载下卸掉围压诱发岩石失稳破坏机理．试验结果表明,五种不同围压(5、10、15、20、25 MPa)卸载后应力-应变曲线均呈“断崖式”跌落,试样均突然破坏,与现场岩爆情况吻合;受贯通节理影响,不同围压试样的具体破坏形态、声发射数量最大值出现时刻有所差异;在卸载阶段五种试样声发射累积数量都突然急剧增大．     

脆性岩石蠕变裂纹成核宏细观力学机理研究

脆性岩石内部细观裂纹扩展、贯通及成核影响下的脆性蠕变行为, 对深部地下工程围岩微震及岩爆事件评价有着重要意义. 然而, 目前能够解释裂纹成核损伤突变影响下, 脆性岩石完整蠕变宏细观力学机理模型的研究很少. 本文基于脆性岩石亚临界裂纹扩展模型、裂纹-应变-声发射事件相关的损伤模型及裂纹成核损伤时间演化路径函数, 提出了一种脆性岩石裂纹成核损伤突变影响下的蠕变宏细观力学模型. 裂纹成核损伤时间演化路径函数通过岩石内部裂纹成核损伤突变大小$Delta D_{CN}$及相邻裂纹成核损伤时间差$Delta t$进行定义, 该函数可以结合岩石声发射监测试验数据定义的岩石损伤数据确定. 通过与试验结果对比分析验证模型的合理性. 并讨论了裂纹成核损伤大小、相邻裂纹成核损伤时间间隔、及裂纹成核数量对脆性岩蠕变裂纹长度、裂纹速率、轴向应变及应变率的影响. 该结果对于更加合理、经济、高效的深部地下工程施工及设计提供了一定的理论支持.     

岩爆与围岩分类

岩爆是高地应力条件下完整脆性硬质围岩失稳的一种表现型式,岩爆烈度如何影响围岩类别尚不清楚,探索岩爆与围岩分类的关系,对准确判别高地应力条件下的围岩类别有着重要意义。本文以某深埋隧洞围岩分类为依据,对我国水利水电地下洞室围岩分类中岩爆烈度与围岩类别的关系、岩爆判别指标的选取等问题进行了探讨。     

用动光弹方法研究隧道岩爆的爆破扰动机理

利用动态光弹性方法,以Lamb模型为依据,研究了不同荷载形式下,模型内应力波的传播、相互作用规律以及刻槽的拦截效应。实验结果与弹性动力学解答基本一致：(1)倾斜冲击荷载作用下,模型内传播的有P波、S波和Rayleigh波,其中P波和Rayleigh波对岩爆有突出贡献;(2)等差条纹图的分布规律,可以合理解释岩爆高发区段与开挖面的位置关系;(3)模型表面的刻槽,可以实现对Rayleigh波的大量拦截,说明隧道表面切槽的岩爆控制方法理论上是可行的。     

冲击地压时列建模的进化神经网络方法

考虑到冲击地压时序的特点,采用基于免疫进化规划的进化神经网络进行了冲击地压非线性系统的建模研究。并采用一个矿山实测得到的震级数列进行了进化神经网络方法的实用性验证,结果表明,进化神经网络不但模型拟合精度高,而且预测性能也较好。     

Two Nonlinear Models of Brittle Fracture for Solids

This paper considers isotropic and orthotropic nonlinear constitutive relations for brittle materials in the case of plane stresses. Numerical solution algorithms based on the finite-element method are developed. The resulting material models are incorporated in the PIONER software. The correctness of crack path determination is examined by solving a test problem of crack propagation. The isotropic model gives mesh-dependent results, whereas the orthotropic model provides an adequate solution. It is shown that solutions obtained for the isotropic model are close to those obtained by eliminating failed elements.     

钻进速度对钻屑温度影响的实验研究

利用钻屑温度预测冲击地压时,钻进速度是影响钻屑温度的一个重要因素。本文利用自行研制的钻头温度测试装置,对钻头温度变化进行监测,分析不同钻进速度对钻头温度变化的影响规律。实验结果表明:钻孔时,钻进速度减慢,钻头与孔壁之间的摩擦时间增长,摩擦产生的热量增多,使钻头温度升高。钻进速度对钻屑温度有较大影响,使用钻屑温度法预测冲击地压时,应制定统一的钻进速度指标,增加预测准确性。