锦屏大理岩力学特性试验及其数值模拟

采用锦屏大理岩进行三轴压缩过程中力学特性室内试验,并从岩石细观力学角度对其力学特性成因进行探讨。在此基础上通过引入两个参数,进一步建立了能够反映大理岩全应力-应变过程中强度变形特性的黏聚力弱化-摩擦角强化(CWFS)改进模型,并采用试验结果对该模型进行验证。研究结果表明:(1)随着围压的增大,锦屏大理岩表现出明显的脆-延-塑性转换的峰后力学特性,峰值强度与残余强度之间的差值呈单调减小的趋势,应力-应变曲线中由峰值强度向残余强度跌落段曲线的斜率逐渐变缓;(2)高围压条件下岩石裂隙之间的摩擦力、岩石内部材料的均匀化程度是导致大理岩表现出脆-延-塑性转换的峰后力学特性的主要原因;(3)黏聚力弱化-摩擦角强化改进模型能较好地描述大理岩全应力-应变过程的强度、变形特征,且模型参数物理意义明确,易于获得。     

河冰三轴压缩强度特性及破坏准则试验研究

为研究河冰在复杂应力状态下的力学性质及破坏准则,对淡水柱状冰在恒定轴向加载速率(0.4 mm/min)下,分别进行温度-6、-12、-18和-24°C,围压500、1000和1500 kPa的常规三轴压缩试验。得到天然淡水柱状冰三轴压缩应力应变曲线,三轴压缩广义剪应力峰值与温度及围压的关系,以及三轴压缩能量耗散特征,并利用莫尔库仑准则分析温度和围压对河冰强度参数的影响规律。结果表明:在所选试验条件下,柱状冰主要发生单剪破坏和延性破坏;在恒定温度条件下,广义剪应力峰值随围压的增大呈现近似线性增加;在恒定围压条件下,广义剪应力峰值随温度的升高呈现近似线性减小;根据莫尔库仑理论解释柱状冰破坏准则,在4种试验冰温下,其内摩擦角分别为21°、45°、42°和52°,黏聚力分别为1191.6、513.2、861.6和933.4 kPa;从能量特征角度考虑,柱状冰三轴压缩耗散的能量随着围压的增大有逐渐增加趋势。     

内置单裂隙相似材料岩样破坏特性及电阻率变化特性试验研究

文章利用四极法进行了含不同倾角内置三维裂隙岩样单轴加载破坏过程中的电阻率变化测试,试验表明:预制内部三维裂隙对峰值强度和弹性模量均有劣化作用,α=0°和90°试件表现为拉伸破坏,0°α90°时,试件整体上属于拉剪破坏;此外,内置裂隙岩样的单轴峰值强度和弹性模量对裂隙倾角非常敏感,0°倾角岩样峰值强度最低,90°倾角岩样峰值强度仅次于完整试件峰值强度。轴向峰值应变受裂隙倾角的影响较大,完整岩样峰值应变较小,α=45°时轴向峰值应变最大。结合电阻率-应力-应变关系,可以看出电阻率变化与裂隙岩石破坏过程密切相关,由此对单轴压缩下裂隙岩石破坏的基本特征有了新的认识,为今后的研究提供了新的思路。     

奥陶系灰岩卸荷力学特性试验研究

摘要岩石在卸荷状态下的力学特性与其在加载状态下有着明显区别,对奥陶系灰岩进行了常规三轴与卸荷三轴的对比试验分析。试验结果表明,卸荷状态下岩石的变形以侧向变形为主,且扩容显著;卸荷状态下岩样没有出现明显的塑性阶段,峰后出现了明显的应力跌落,表明灰岩的脆性特征在卸荷状态下相对明显。相对于加载,卸荷岩石的黏聚力c和内摩擦角φ均有所减小;卸荷状态下峰值抗压强度和残余抗压强度明显减小,并且随围压增加其减小的幅度也减小。     

加卸荷条件下大理岩变形特征及能量演化

为揭示深埋大理岩在不同应力路径下的变形特征和能量演化特征,基于大理岩的常规三轴试验和卸荷三轴试验,分析了大理岩变形破坏过程中变形和能量演化的围压效应和应力路径影响。结果表明:大理岩在加卸荷条件下均表现出显著的围压效应;卸荷条件下大理岩的损伤扩容应力阈值和峰值强度较加载条件下的低;加载应力路径下能量耗散阶段占比更大,卸荷应力路径下能量聚集阶段占比更大;加卸荷条件下损伤扩容点对应的总能量和弹性应变能与围压具有良好的线性关系;针对峰值应力对应的总能量、弹性应变能及耗散能,加载应力路径下其均与围压具有正线性关系,而卸荷应力路径下均与围压成指数关系。基于以上结论,提出了确定大理岩破坏点的定量方法,结合应力-应变关系曲线,有效地解决了高围压作用下大理岩破坏点难以确定的问题,为深埋洞室围岩的稳定性分析提供依据。     

不同应力路径下固化河道疏浚淤泥力学特性探究

为了探究固化河道疏浚淤泥在不同应力路径下的力学行为,对其开展了常规单轴,常规三轴,定轴卸围压,卸围升轴4中不同应力路径下的强度及变形特征。研究结果表明:常规加载过程中,固化淤泥的强度随着围压的升高呈线性增加,变形逐渐由张拉破坏向剪切型破坏转变;三轴卸围压过程中,固化淤泥破坏时所对应的轴向应变和围压值随着卸荷速率的增大而减小,卸荷速率越大,损伤扩容越滞后;卸围升轴过程中,初始围压越大,固化淤泥的强度越高,且呈指数型函数增长,试件主要以张剪型破坏为主。     

不同围压和层理下板岩三轴蠕变试验及损伤模型研究

为了研究围压和层理对板岩三轴蠕变特性的影响,制备了最大主应力方向与层理夹角为 0°和 90°的 2 组岩样( 0°为平行组; 90°为垂直组) ,分别进行 5 MPa、10 MPa、15 MPa 围压下的三轴蠕变试验。结果显示: 板岩在三轴应力条件下的蠕变具有瞬时弹性阶段、稳定蠕变阶段、加速蠕变阶段这三个阶段特征; 在同一围压下,垂直组试样加载级数大于平行组岩样加载级数; 垂直组试样的瞬时弹性应变高于平行组试样; 垂直组试样的累计蠕变应变均低于平行组试样。计算长期强度与峰值强度的比值得到垂直组试样的强度损伤低于平行组试样; 围压越高,试样蠕变变形越小,峰值强度和长期强度越高。基于 Kachanov 蠕变损伤理论,考虑层理角度的损伤,引进一个弹塑性损伤元件,建立了描述不同层理角度板岩蠕变过程的改进西原模型,用该模型对试验数据进行拟合,结果表明: 模型能够较好地反映蠕变三阶段; 垂直组试样的弹性模量、黏滞系数比平行组试样相对较大,蠕变参数基本随着围压的增大而增大,体现了围压效应,这与试验结果相吻合。     

不同围压和层理下板岩三轴蠕变试验及损伤模型研究

为了研究围压和层理对板岩三轴蠕变特性的影响,制备了最大主应力方向与层理夹角为0°和90°的2组岩样(0°为平行组;90°为垂直组),分别进行5 MPa、10 MPa、15 MPa围压下的三轴蠕变试验。结果显示:板岩在三轴应力条件下的蠕变具有瞬时弹性阶段、稳定蠕变阶段、加速蠕变阶段这三个阶段特征;在同一围压下,垂直组试样加载级数大于平行组岩样加载级数;垂直组试样的瞬时弹性应变高于平行组试样;垂直组试样的累计蠕变应变均低于平行组试样。计算长期强度与峰值强度的比值得到垂直组试样的强度损伤低于平行组试样;围压越高,试样蠕变变形越小,峰值强度和长期强度越高。基于Kachanov蠕变损伤理论,考虑层理角度的损伤,引进一个弹塑性损伤元件,建立了描述不同层理角度板岩蠕变过程的改进西原模型,用该模型对试验数据进行拟合,结果表明:模型能够较好地反映蠕变三阶段;垂直组试样的弹性模量、黏滞系数比平行组试样相对较大,蠕变参数基本随着围压的增大而增大,体现了围压效应,这与试验结果相吻合。     

大理岩卸荷变形特征及力学参数研究

岩体在开挖工程中卸荷,岩石轴向应力增加径向应力减小,可采用升轴压卸围压三轴试验模拟开挖过程。使用电液压伺服可控制刚性试验机,对取自某水电站的标准岩样进行常规三轴和升轴压卸围压三轴试验,根据两种试验方法下获得的应力、应变等试验数据分析得出了如下结论:(1)大理岩变形模量损伤因子M和初始围压σ3、泊松比损伤因子N和初始围压σ3均呈二次非线性关系。(2)侧向变形速度明显加快,宏观上表现出扩容,有较强的张性破坏特征,在围压相等的条件下卸荷,张性裂隙沿着两个方向发展,直至破坏。更多还原     

非饱和原状黄土强度特性试验研究

为了探究非饱和原状黄土在快速施工条件下,不同含水率、剪切速率和围压对其强度特性的影响,进行了UU三轴剪切试验。试验结果表明:试样的体积含水率在脱湿和吸湿过程中均随着基质吸力的增大而减小。当剪切速率达到1.5 mm/min时,3种含水率试样的黏聚力分别达到各自的峰值43.2 kPa、40.6 kPa和38.7 kPa,当剪切速率小于此值时黏聚力随着剪切速率的增大而增大。剪切速率达到3 mm/min时,黏聚力分别降为31.8 kPa、21.2 kPa和19.6 kPa;在剪切速率仅为0.5 mm/min时,3种含水率下试样的内摩擦角分别为27.5°、27.3°和27.6°。而后,随着剪切速率的增大内摩擦角逐渐减小,降幅分别为1.6°、1.3°、1.8°;试样的黏聚力随着剪切速率的增大表现为先增大后减小,而内摩擦角随着剪切速率的增大逐渐减小。随着含水率的增大,试样的黏聚力明显减小,但含水率对内摩擦角影响甚微。原状黄土的应力-应变曲线、抗剪强度与剪切速率之间是二次函数关系,存在临界剪切速率;与含水率之间呈负相关性,含水率的增大对土体强度具有软化作用;与围压之间呈单向递增函数关系,围压的增大对土体强度具有强化作用。     

胶结砂土力学特性的三维离散元简化分析

离散单元法(DEM)是一种基于非连续介质力学的数值模拟方法,能够有效地分析胶结颗粒材料的宏微观力学响应。本文通过三维离散元商业软件PFC3D,采用其自带微观胶结接触模型BPM,对不同胶结含量和不同围压下的胶结砂土进行常规三轴压缩试验模拟,以分析理想胶结砂土的宏微观力学特性。简化模拟结果表明:与同一初始孔隙比的无胶结试样相比,胶结试样具有更高的剪切强度,试验得到的应力应变曲线表现出明显的应变软化,体变曲线表现为剪胀性;随着胶结含量的增大,胶结砂土试样的峰值强度增大且软化、剪胀程度提高;而随着围压的增大,胶结砂土试样峰值强度增大、剪胀程度减小但软化程度不变。此外,试样的内摩擦角和黏聚力也受到胶结含量和围压的影响。     

考虑压实度差异的软岩路堤填料强度与变形特性试验研究

路堤填筑碾压施工平面上不同部位填料所受约束条件存在较大差异,特别对于颗粒强度较低、骨架结构锁固效应较弱的软岩填料,碾压后靠近路堤中部的填料压实度大于两侧。基于采用含砂质泥岩作为填筑料的某路堤工程开展试验研究,结果表明:①靠近路堤中线和两侧临空面填料现场检测压实度分别不低于0.95和0.93,满足下路堤压实度要求,但压实度存在差异;②对碾压后的路堤填料取样,并分别在0.95和0.93的压实度下进行大型三轴固结排水试验,压实度0.95试样摩擦角较压实度0.93的约高13%,但黏聚力基本相同;③大应变过程压实度0.93填料体变与围压基本无关,细观结构压缩呈主导,而在压实度0.95下体缩与围压呈正相关,颗粒骨架受力更为充分,但仍呈全过程体缩,表明大变形过程伴随有颗粒破碎后的二次挤密;④进一步分析发现两种压实度下球应力-体变以及体积模量-围压均很好满足线性拟合关系,采用邓肯-张E-B模型可较好描述压实度差异状态下软岩填料的变形力学特性。     

石灰改良土的非饱和土变形与强度特性试验

为研究石灰含量与颗粒级配对非饱和改良土强度和变形的影响,利用非饱和三轴仪对石灰改良花岗岩残积土进行控制吸力固结排水剪切试验,研究掺灰比0%,4%和8%的改良花岗岩残积土的强度和体变特性,同时还选用了颗粒粒径小于1 mm与小于2 mm的土料进行了相关试验。研究结果表明:石灰含量和净围压对非饱和改良土的应力应变曲线均有较大影响,且曲线呈硬化型;相同石灰含量下非饱和改良土的强度峰值随着净围压的增大而增大;在净围压相同时,强度峰值随着石灰含量的增大而增大;在同基质吸力时,凝聚力和内摩擦角随着石灰含量的增加而相应增大,凝聚力增加更明显。在相同基质吸力、干密度、石灰含量下,颗粒粒径小于1 mm与小于2 mm的土料应力应变关系接近,细粒土的颗粒尺寸对强度影响小。非饱和土的体变特性受石灰含量和净围压的影响明显,对于细颗粒土,其结果受颗粒粒径的影响小。     

紫红色泥岩三轴蠕变力学特性试验研究

为揭示泥岩在不同应力环境下的蠕变力学特性,对取自某在建工程的紫红色泥岩分别进行围压为0.5,1.0,2.0,5.0 MPa的分级加载蠕变试验。试验研究表明围压越大,泥岩的强度越大,塑性变形能力越强,流变特性越显著;相同围压下,稳态蠕变速率随偏应力呈幂指数函数型增长;相同偏应力下,稳态蠕变速率随围压升高而降低;利用等时应力-应变曲线法,得到泥岩的长期强度分别为11,16,22.5,29 MPa,均较各自围压下短期强度值降低40%~45%;通过摩尔强度准则得到的长期内聚力和内摩擦角分别为3.09 MPa和34.8°,分别较短期参数降低20.6%和25.9%。根据研究成果给出了一种带应变触发的分数阶蠕变本构模型,理论曲线与试验曲线拟合度良好,能较好地模拟泥岩的蠕变全过程。     

饱水-风干循环作用下砂岩力学性质劣化规律

水库在建成运营过程中,水库内水位反复升降对库岸边坡安全性产生影响。为探究饱水-风干循环作用下水库边坡岩体力学性质的劣化规律,以某水库边坡水位变幅带砂岩为试验对象,进行岩石三轴压缩试验。引入劣化率概念探究水岩作用对砂岩力学性质的影响,并借助电镜扫描技术分析了砂岩在水岩作用下的劣化机理。研究表明:水岩作用程度相同时,砂岩峰值抗压强度随围压增大而变大;相同围压条件下,随饱水-风干/循环次数增多,砂岩峰值抗压强度、黏聚力、内摩擦角变小,且三者数值与循环次数N之间的变化规律符合指数分布。当水岩作用增强时,峰值抗压强度劣化率最小值为31.35%,黏聚力、内摩擦角劣化率分别为30.61%和15.37%;水库水位升降对砂岩峰值抗压强度、黏聚力影响较内摩擦角大,三者劣化率与循环次数N之间的变化规律同样符合指数分布。在砂岩三轴压缩试验基础上,对水岩作用下岩石劣化机理进行了研究。研究成果对于受水位反复升降影响的水库边坡安全性治理具有一定参考价值。     

Experimental investigation of creep behavior of clastic rock in Xiangjiaba Hydropower Project

There are many fracture zones crossing the dam foundation of the Xiangjiaba Hydropower Project in southwestern China. Clastic rock is the main media of the fracture zone and has poor physical and mechanical properties. In order to investigate the creep behavior of clastic rock,triaxial creep tests were conducted using a rock servo-controlling rheological testing machine. The results show that the creep behavior of clastic rock is significant at a high level of deviatoric stress, and less time-dependent deformation occurs at high confining pressure. Based on the creep test results, the relationship between axial strain and time under different confining pressures was investigated, and the relationship between axial strain rate and deviatoric stress was also discussed. The strain rate increases rapidly, and the rock sample fails eventually under high deviatoric stress. Moreover, the creep failure mechanism under different confining pressures was analyzed. The main failure mechanism of clastic rock is plastic shear, accompanied by a significant compression and ductile dilatancy. On the other hand, with the determined parameters, the Burgers creep model was used to fit the creep curves. The results indicate that the Burgers model can exactly describe the creep behavior of clastic rock in the Xiangjiaba Hydropower Project.     

基于全过程曲线循环加卸载的岩石塑性硬化软化模型研究

基于不同围压下的岩石三轴全过程循环加卸载试验成?撸掷氤隹占渌苄灾饔Ρ洌谇显黾铀苄岳砺壑械哪持炙苄杂不蛉砘睿芯柯鉓ohr-Coulomb屈服准则的强度参数在初始屈服、峰前硬化及峰后软化全过程中随塑性参量的动态演化规律。通过试验数据整理分析,发现岩石破坏过程中在塑性硬化阶段内摩擦角、剪胀角有一个先增加后跌落的过程,而黏聚力在塑性硬化和软化阶段均减小这一规律;并采用非线性函数对该规律进行拟合回归,得到了内摩擦角、剪胀角和黏聚力等强度参数以塑性参量为函数变量的演化模型;将该规律应用于拉格朗日数值分析中,模拟了室内大理岩试件破坏过程中的应力-应变关系曲线特征。研究表明,基于岩石全过程循环加卸载试验的力学模型能较好地描述大理岩的塑性硬化塑性软化的力学行为,具有一定的理论意义和工程应用价值。     

城市固体垃圾炉渣的三轴试验研究

炉渣是城市固体垃圾焚烧后的产物,可以代替骨料作为路基垫层材料使用,实现资源的二次利用。为了研究炉渣在路基填筑过程中的强度以及变形特征,对干密度ρ_d分别为1.4, 1.5, 1.6 g/cm³、龄期t分别为3, 7, 14, 28 d的饱和炉渣试样进行不同围压下的三轴固结排水试验,通过Lambe平面方法确定炉渣的抗剪强度参数(黏聚力、内摩擦角)。研究结果表明:在低围压下(100,200 kPa),城市固体垃圾炉渣的应力-应变曲线呈现应变软化特性;随着围压增大硬化特征明显,在高围压下(200,400 kPa)呈现应变硬化特性;炉渣的峰值强度与龄期增加呈现对数关系,即随着时间增长,强度逐渐增加,在早期阶段(14 d以前)强度增长迅速,随后增长速率减缓;黏聚力和内摩擦角随着龄期增加呈现不同的变化趋势,黏聚力随着龄期增加而不断变大,且近似呈现线性增长,而内摩擦角基本保持不变。研究成果可为炉渣的二次利用提供参考。     

土工格栅加筋砂土三轴试验离散元细观分析

以室内单层加筋三轴试验结果为基础,建立离散元PFC3D三轴试验数值模型,并与室内三轴试验结果进行验证对比,分析加筋层数变化对抗剪强度指标及细观参数的影响,探讨加筋土接触力的变化规律及筋材加筋作用的宏细观机理。研究结果表明:加筋三轴试样的峰值强度、黏聚力和内摩擦角随着加筋层数的增加而增大,但是其增幅会逐渐减弱,并且三轴试样在低围压条件下的加筋效果比高围压时要显著。三轴试样颗粒滑动比的数值随着轴向应变的增加发生了显著的起伏变化,反映三轴试验过程中发生了明显的接触滑移和旋转现象。由于筋材的摩擦嵌固约束作用,加筋试样中部区域的孔隙率和滑动比数值相对波动较小,对应中部外侧周围的接触力明显小于纯砂三轴试验情况,加筋材料发挥了扩散应力增强约束砂土的加筋作用。