等效节理岩体表征单元体研究

岩体力学参数具有表征单元体(REV).以特大型露天矿内蒙古白云鄂博铁矿东矿为研究背景,根据现场节理测线法调查与室内岩石力学试验,将随机节理三维网络模拟技术与块体离散元分析方法相结合,构建了反映节理真实空间状态的多尺度等效节理岩体模型.通过数值试验得出了各尺度等效岩体单轴压缩应力-应变曲线,研究了岩体的单轴压缩力学性质及力学参数表征单元体.研究表明:随着等效岩体尺度增大,岩体峰值强度、变形模量和残余强度逐渐减小,当尺度增大到15~20m时趋于恒定,进而得到研究对象的岩体表征单元体为15m×15m×15m,该尺度岩体的单轴抗压峰值强度和变形模量分别为0.67 MPa,22.0GPa,为后续岩体工程稳定与安全评价提供了基础数据.     

真三轴压缩下大理岩强度、变形与损伤特征数值

为研究真三轴条件下岩石的力学行为,采用离散元颗粒流程序,探析不同应力路径下大理岩试样的变形破坏过程、微裂纹演化机制及其中间主应力效应。结果表明：平行黏结模型能较准确地反映大理岩真三轴压缩下力学特性和破坏模式;中间主应力对峰值强度、弹性模量、破坏角和破坏模式演变的影响较为显著;八面体理论可较好地拟合出大理岩真三轴压缩中的破坏应力,所得的破坏强度包络线具有明显线性特征;结合应力-应变曲线形状,该大理岩在压缩过程中裂纹扩展可划分为4个阶段,即线弹性阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹非稳定扩展阶段及峰后破坏阶段;随着中间主应力增大,应力-应变曲线峰后段的脆性破坏特征变强,试样从拉伸破坏向拉剪混合破坏转变,且中间主应变符号由拉转向压,岩石损伤演化与中间主应力间呈现出“对勾”型趋势。     

冻融循环层理砂岩破坏模式试验研究

在西部高寒地区,冻融循环作用对岩石路基稳定性具有不可忽视的影响,易引发一系列的工程地质问题.为研究冻融循环环境下各向异性层理砂岩的损伤特性,选取路基中典型垂直、平行层理砂岩试样开展冻融循环试验研究,基于电液伺服压力试验机进行单轴压缩试验,以应力-应变曲线、力学参数和压缩破坏形态为依据,探究了冻融循环损伤后层理砂岩强度、变形特征的演化规律及破坏模式.研究结果表明:随着冻融次数的增加,垂直、平行层理试样呈现出向右拉伸,向下压缩的应力-应变曲线;垂直层理砂岩试样峰值点下降路径平缓,而平行层理砂岩试样则沿阶梯状路径下降;冻融损伤累积减弱了破坏模式的各向异性特征,随冻融次数的增加,垂直层理砂岩试样裂缝与加载方向趋于平行,平行层理砂岩试样则始终表现为沿层理的劈裂破坏.     

不同粒径砂土的细观离散元模拟

基于离散元理论,建立砂土数值模型,并赋予颗粒微观参数进行三维数值模拟.通过大量的颗粒流数值试验,对颗粒微观参数进行调整,得到与室内三轴实验相一致的应力应变曲线.通过改变颗粒微观结构,结果表明颗粒直径对材料的宏观力学行为有比较明显的影响.实验突破室内常规三轴实验的局限性,揭示了微观规律,对以后的岩土工程的颗粒模拟提供了有价值的参考.     

模拟岩石的平行粘结模型微观参数标定

针对平行粘结模型不能同时满足岩石抗拉强度和抗压强度的问题,通过模拟岩石的单轴拉伸试验和单轴压缩试验,以已有的Lac du Bonnet花岗岩的室内试验结果为目标,标定了不同孔隙比和不同不均匀系数岩石离散元试样的微观参数。从微观破坏机制角度指出了平行粘结模型的不足之处,并提出了改进方法。研究结果表明:满足抗拉强度和抗压强度的微观胶结强度参数相差一个数量级;模型仅考虑了胶结的抗拉和抗剪特性,忽略了法向力对胶结强度的影响,导致模型不能正确反映岩石的拉压强度比值;建议采用可模拟颗粒破碎的团粒模型或者基于室内试验提出的胶接模型。     

岩石试样直接拉伸力学性能及声发射活动分析

为探究直接拉伸作用下岩石力学特性和损伤演化特征,对3种岩石试样进行单轴直接拉伸声发射测试,分析岩石的直接拉伸力学性能及声发射活动规律。结果表明,岩石试样的拉伸应力-应变曲线在试验加载初期表现为线性关系,随着载荷增加,应力-应变曲线缓慢弯曲;拉伸破坏前试样没有明显的屈服阶段,拉伸宏观破坏瞬间产生,没有峰后曲线;随着拉伸应力的增加,岩石内部低强度晶体或微裂隙发生破坏或扩展,使试样抵抗拉伸变形能力减弱,表现为试样拉伸弹模随拉应力增加而下降。拉伸过程中的AE活动对应着岩石内部微损伤的产生和发展,拉伸过程的初期和中期AE事件极少,在试样拉断破坏之前,声发射事件急剧增多,强度和能量急剧增大,远远大于前期AE信号的幅度。AE事件的位置分布与试样的宏观破坏面有较好的对应关系,表明实时分析AE或微震活动,可以分析岩石内部的损伤状态和破坏位置。     

基于颗粒流的矽卡岩静态加载速率效应研究

采用颗粒流离散元软件PFC2D,通过Fish语言编写程序,模拟了矽卡岩岩样3级不同加载速率下的室内单轴压缩试验,并分析了其静态加载速率效应。模拟结果表明:模拟得到的岩样破裂形态、应力-应变曲线、峰值强度变化等与试验结果较为吻合;加载速率增大,峰值强度及其对应的应变增大,且在10-2数量级内增幅明显,峰后变形能力减弱,弹性模量、泊松比基本不变;加载速率增大,临界扩容应力和扩容点对应应变增大,扩容曲线软化段都很平缓,体积膨胀急剧;岩样主要破坏形态为剪切破坏,且随着加载速率增加,由单一剪切破裂过渡到共轭剪切破裂,更易形成锥形破坏。研究结果可为相关岩体的室内试验及岩土工程的稳定性评价提供参考。     

红砂岩应力脆性跌落系数的试验研究

岩石的应力—应变全过程曲线以峰值应力为界,通常分为破坏前区和破坏后区两部分。由于岩石破坏后区的力学特性对诸多岩石工程,如地下巷道、矿柱和岩爆等具有重要的工程意义,因此,此方面的研究已受到理论界和工程界的重视。岩石的破坏后区一般处于非稳定状态,当软化速率较大时,其力学响应用经典的应变软化模型来模拟计算难以收敛,而可以考虑采用脆塑性模型。使用RMT-150B型岩石力学试验系统,在轴向应变率保持为常数的条件下,对贵溪红砂岩进行了常规三轴压缩破坏试验,得到了不同围压下岩石的应力—应变全过程曲线。利用试验得到的应力—应变全过程曲线,得到了红砂岩的应力脆性跌落系数与围压的关系表达式,为采用非理想脆塑性模型对红砂岩介质及其中的构筑物进行数值分析提供了依据。     

茅口灰岩单轴压缩条件下的流变特性试验研究

取重庆北碚车站隧道茅口灰岩,根据现场岩层覆盖厚度及其茅口灰岩容重,取单轴压缩应力为6 MPa,采用MTS815多功能岩石试验机对岩样进行24 h单轴压缩蠕变试验,得到岩石轴向应变-时间曲线。分析岩石应变-时间曲线,发现茅口灰岩具有弹性-弹粘性之流变特性,与Poyting-Thomson model相似。用Origin软件对流变试验数据用Poyting-Thomson model方程进行拟合,得到低应力下流变拟合曲线,该拟合曲线能较好反应试验数据。因此,Poyting-Thomson model能较好反应茅口灰岩流变特性。最后求出了茅口灰岩低应力作用下流变模型各项参数。     

基于MATLAB GUI的SHPB实验数据处理软件

文章选用MATLAB作为系统的开发平台,编制了1套分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验的数据处理软件。软件可以快速、高精度完成冲击压缩和动态劈裂实验的数据处理过程。软件采用交互式界面进行数据和参数的输入输出,实现入射波、反射波和透射波及数据处理过程的可视化。通过本软件最终可获得冲击压缩试验和动态劈裂试验的多种有效数据及曲线。包括冲击压缩试验中用三波法和两波法得到的应力——应变曲线和应变率、应变、应力、实验过程中各种能量时程曲线。动态巴西试验中试样拉应力、各种能量时程曲线和劈裂强度等。     

不同固化剂含量改良砂土力学特性数值模拟

对不同固化剂含量条件下的改良砂土进行室内无侧限单轴压缩试验,利用颗粒流数值模拟软件建立对应数值模型并进行数值模拟试验。通过研究不同固化剂含量下试样在不同加载阶段的微观破坏机理,发现固化剂的含量显著影响试样的抗压强度、抵抗变形能力以及试样破坏的宏观模式。随着固化剂含量的增加,试样的峰值强度、弹性模量均增大,而峰值应变减少。根据微观裂隙、接触力链及颗粒位移场的发育演化过程可以看出,随着固化剂含量增多,试样容易出现应力集中现象,发生局部破坏,破坏面由整体贯穿逐渐变为局部压碎破坏,破裂后力链弯曲程度由大逐渐变小,颗粒位移方向由紊乱分散逐渐均匀有序,试样的破坏模式由拉剪复合型破坏为主过渡到剪切破坏为主。     

A composite material model for investigation of micro-fracture mechanism of brittle rock subjected to uniaxial compression

Ｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｒｏｃｋｆａｉｌｕｒｅｐｒｏｃｅｓｓｆｒｏｍｃｒａｃｋｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ ,ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｔｏｃｏａｌｅｓｃｅｎｃｅｉｓｖｅｒｙｉｍ ｐｏｒｔａｎｔｔｏｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｂｒｉｔｔｌｅｒｏｃｋｕｎｄｅｒｕｎｉａｘｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ .Ｍａｎｙｒｅ ｓｅａｒｃｈｅｒｓｔａｃｋｌｅｄｔｈｉｓｐｒｏｂｌｅｍａｔｔｈｅｍａｃｒｏｓｔｒｕ ｃｔｕｒｅｌｅｖｅｌ.ＨｏｒｉｉａｎｄＮｅｍａｔ Ｎａｓｓｅｒ[1,2 ] ｉｎｖｅｓｔｉｇａ ｔ…     

Fracture evolution characteristics of sandstone containing double fissures and a single circular hole under uniaxial compression

The uniaxial compression experiments on the sandstone samples containing double fissures and a single circular hole were carried out by using electro-hydraulic servo universal testing machine to investigate the effect of rock bridge angle β and fissure angle α on mechanical properties and evolution characteristics of cracks.The results show that the peak strength,peak strain and elastic modulus of defected specimens decrease comparing with those for intact sample,and show a decreased trend firstly and then increase with β changing from 0° to 90°.The peak strength and elastic modulus achieve the minimum value as the rock bridge angle is 60°,while the peak strain reaches the minimum value with the rock bridge angle of 45°.The crack initiation of tested rock samples occurs firstly in stress concentration areas at tips of prefabricated fissures under uniaxial compression,and then propagates constantly and coalescences with the prefabricated hole.Some secondary cracks initiate and propagate as well until buckling failure happens.The rock bridge angle has a great influence on crack initiation,coalescence,final failure mode,crack initiation stress and transfixion stress.The peak strength varies significantly,while the elastic modulus and peak strain change slightly,and the failure modes are also different due to the influence of fissure angle.     

泥质细砂岩材料破坏与强度衰减研究

为了认识真实的岩石材料破坏和强度衰减规律,通过多组常规的单轴压缩试验和不同围压下的三轴压缩试验对泥质细砂岩的材料破坏过程和抗压强度进行了实测．把前面试验破裂形成的不规则岩块浇注在混凝土制成的“剪切壳”中,运用XJ-1型携带式剪切仪进行了自行设计的压剪试验,获得了岩块在压剪过程中的剪切力一压应力关系曲线,以此来测得破裂岩块的自身材料强度．通过对比先前压缩试验得到的极限莫尔包络线,研究了破坏前完整岩样与破坏后损伤岩块间的强度变化．讨论了不同试验方法,损伤程度,尺寸效应,材料异性对岩石强度衰减的影响．结果表明,岩石在破坏过程中环向应变与体积应变在峰后近乎以直线形式增长,岩块抗剪强度表现出尺寸效应,岩样伴随着破裂演变材料强度发生衰减．     

Experimental study on rheological deformation and stress properties of limestone

The systematic experiment regarding the general uniaxial compression test and the creep deformations of the typical limestones from the surrounding rock of the highway tunnels were made.The relationship between the axial stress and the delayed deformation steady value was obtained from the creep tests under low loading stresses.By the least square method,the parameters of Nishihara creep model were calculated from the creep curves.The results indicate that the strain change always lags behind the increase o...     

轻集料混凝土局部受压试验及动力本构分析

为探究轻集料混凝土单轴局部受压动力特性,采用试验机对轻集料混凝土单轴局部受压本构关系进行相关试验研究.考虑了5种不同加载应变率和4种不同加载面积,在位移控制下,得到轻集料混凝土单轴局部受压应力-应变曲线.根据应力-应变曲线特征点的峰值应力、峰值应变和弹性模量,分析不同加载应变率与加载面积对特征点的影响.同时根据混凝土黏弹塑性损伤本构模型,考虑不同加载应变率和加载面积的影响修正模型参数,并通过试验数据验证理论模型的合理性.研究结果表明:加载应变率和加载面积对轻集料混凝土应力-应变曲线影响明显;不同加载面积对轻集料混凝土弹性模量、峰值应力及峰值应变有较大影响;所提出的理论模型能够准确描述轻集料混凝土材料局部动力荷载作用下的应变率效应和非线性行为.     

硫酸盐腐蚀后混凝土单轴受压本构关系

为了研究硫酸盐侵蚀环境下混凝土力学性能的变化,对受硫酸盐腐蚀的普通混凝土进行单轴受压实验.通过实验室加速腐蚀的实验方法,测定不同腐蚀时期的混凝土的应力应变全曲线,研究受腐蚀混凝土应力-应变曲线上的几个特征值(峰值应力及应变、弹性模量、割线模量、拐点应力及应变、收敛点应力及应变)随腐蚀程度变化的规律,对腐蚀后混凝土的应力应变全曲线进行拟合.结果表明:随腐蚀的进行,混凝土峰值应力、弹性模量先增加后减小,而峰值应变是先稍微有所减小,而后急剧增大;该实验条件下获得了受腐蚀后混凝土应力应变曲线上各特征值与峰值应力fc′的关系式,建立了曲线上升段参数αa的数学表达式.可以以受腐蚀混凝土的强度为基本参数,分别求解受腐蚀混凝土峰值应变、弹性模量,上升段曲线拟合参数、拐点应力以及收敛点应力.从而得到受腐蚀混凝土一系列的力学参数和本构关系.     

Improved parameter selection method for mesoscopic numerical simulation test of direct tensile failure of rock and concrete

In order to numerically simulate the failure process of rock and concrete under uniaxial tension, an improved method of selecting the mechanical properties of materials was presented for the random mechanic parameter model based on the mesoscopic damage mechanics. The product of strength and elastic modulus of mesoscale representative volume element was considered to be one of the mechanical property parameters of materials and assumed to conform to specified probability distributions to reflect the heterogeneity of mechanical property in materials. With the improved property parameter selection method, a numerical program was developed and the simulation of the failure process of the rock and concrete specimens under static tensile loading condition was carried out. The failure process and complete stress-strain curves of a class of rock and concrete in stable fracture propagation manner under uniaxial tension were obtained. The simulated macroscopic mechanical behavior was compared with the available laboratory experimental observation, and a reasonable agreement was obtained. Verification shows that the improved parameter selection method is suitable for mesoscopic numerical simulation in the failure process of rock and concrete.     

Experimental investigation on dilatancy behavior of water-saturated sandstone

It is important to study the dilatancy property of water-saturated rock for understanding the engineering behavior of loaded rock mass. This study carried out the uniaxial and triaxial compressive experiments on the water-saturated red sandstone, analyzed the influences of confining pressure and pore pressure on dilatancy property of water-saturated rock, and discussed the reasonable basis of the stress of dilatancy onset as a strength design parameter of rock engineering, finally established the prediction model of the stress of dilatancy onset under the impacts of confining pressure and pore pressure. The results show that the strength parameters(the stress of dilatancy onset and peak strength) and deformation parameters(axial strain and circumferential strain) of water-saturated sandstone increase with the confining pressure, and the relations can be fitted with a positive linear function. The cohesion and internal friction angle obtained from the stress of dilatancy onset decrease by 11.57% and 7.33%, respectively, when compared with those obtained from the peak strength. The strength parameters and deformation parameters of water-saturated sandstone decrease basically with the increase of pore pressure, in which the relations between strength parameters or axial strain and pore pressure can be fitted with a negative linear function. However, the relation between the peak circumferential strain and the pore pressure should be characterized by a negative exponential function, and the circumferential strain at dilatancy onset isn't affected by the pore pressure.     

基于对数正态分布的岩石损伤统计分析方法研究

以Mohr强度理论为基础,利用岩石微元强度服从对数正态随机分布的特点,得到了三轴压缩条件下的岩石损伤统计本构模型,并根据试验曲线采用最小二乘法确定出模型参数．与试验结果比较,该模型可以很好地模拟岩石破裂过程的全应力应变关系,真实反映了岩石软化特性、岩石强度随围压变化等特性．在此基础上,讨论了对数正态参数R0,S0对岩石应力应变全过程曲线的影响．结果表明,参数R值的变化对岩石的强度有影响;参数S0值的变化对岩石的脆性有影响．