不同应力路径下岩石细观力学性能离散元研究

岩体工程中的应力状态对围岩的稳定性具有重要影响。为研究地下巷道中岩体应力状态对围岩稳定性的影响规律,基于离散元理论,对地下巷道开挖过程的应力状态进行分析,开展了围压卸载—轴压增加、围压卸载—轴压不变和围压卸载—轴压减少3种不同卸载路径下的三轴压缩数值模拟试验,并与常规三轴压缩试验进行对比,分析了不同应力路径下的岩石宏观强度特征及细观损伤过程差异性。结果表明：强度准则和应力张量状态不受卸载路径的影响,但不同应力路径下岩体的损伤过程不同,围压卸载—轴压不变应力路径下的微观裂纹发育最密集,而围压卸载—轴压增加应力路径下的裂纹丛集速度最快。研究结果可为地下巷道开挖过程中的围岩应力卸载破坏分析提供参考。     

眼前山铁矿矿岩三轴压缩力学特性研究

利用SAM-2000型微机控制岩石三轴试验机,分别对取自眼前山铁矿的磁铁石英岩、绿泥千枚岩以及混合岩进行不同围压下的三轴压缩试验,分析各岩样的力学特性,并比较3种岩样破坏形式的差异。试验结果表明,岩样的三轴抗压强度离散性较大,应用回归诊断、剔除异常点(离群点)分析方法进行了数据处理,获得了拟合程度较好的岩石强度参数;通过分析岩样破坏形态,磁铁石英岩在三轴压缩下的破坏形式主要表现为劈裂破坏,绿泥千枚岩和混合岩的破坏形式主要表现为剪切破坏。     

不同受力维度下红砂岩失稳评判指标研究

为了研究不同受力维度下岩石峰值应力、峰值应变与失稳的关系,分别对红砂岩进行一维、二维、三维受力条件下的单轴抗压试验、变角板剪切试验和直接剪切试验以及三轴压缩试验。试验结果显示：单轴压缩试验中,峰值应力和峰值应变变异系数分别为6.61%和9.36%;变角板剪切试验中,峰值应力和峰值应变平均变异系数分别为5.69%和19.81%;直接剪切试验中,峰值应力和峰值应变平均变异系数分别为4.32%和14.74%;三轴压缩试验中,峰值应力和峰值应变平均变异系数分别为6.03%和7.44%。上述研究表明：当红砂岩处于一维和三维受力状态时,峰值应力和峰值应变均可以作为评判红砂岩是否失稳的指标,但峰值应力比峰值应变作为评判指标的可靠性更高;当红砂岩处于二维受力状态时,只有峰值应力能作为评判红砂岩是否失稳的指标。上述研究规律不仅对评判室内试验中岩石是否失稳具有重要意义,而且对评判岩土工程中岩石是否处于安全状态提供理论依据。     

围压对红砂岩应力波频谱和频带能量特性的影响

为研究围压对岩石应力波传播衰减特性影响, 对具有不同围压的红砂岩试件进行应力波传播试验.通过傅立叶变换得到反射波和透射波频谱数据, 分析频谱图形状和主频值随围压的变化规律.对反射波和透射波进行小波包分析, 研究不同围压工况下反射波和透射波频带能量分布的变化规律.结果表明, 随围压的增加, 反射波频谱图的幅值呈“减小—缓慢发展—增加”的趋势, 透射波频谱图的幅值逐渐增大后有略微减小, 且宽度也越来越窄.透射波主频值随围压的增加呈现“增大—稳定不变—减小”的趋势, 围压的两个临界值分别为单轴抗压强度的25 %和70 %, 反射波主频值变化与此相反.随围压的增加, 反射波主频带和透射波优势频带所占总能量百分比先增加后减小, 围压对低频带能量百分比的影响更大.      

含孔洞大理岩破坏特性的颗粒流分析

基于室内单轴压缩试验结果,利用颗粒流程序PFC2D,模拟含预制孔洞大理岩在单轴和双轴压缩条件下的破坏过程,分析预制孔洞形状、围压大小以及岩石非均质性对大理岩力学特性和裂纹扩展的影响.数值结果表明:与完整大理岩试样相比,含孔洞试样的峰值强度显著降低,降低程度与孔洞形状有关;围压对含孔洞大理岩试样的力学特性和裂纹扩展有显著影响,含孔洞试样的峰值强度随围压的增加而增加,但偏应力峰值随围压的增加呈先增大后减小的变化趋势;试样的破坏模式与孔洞形状相关,含圆形孔洞试样为类X型剪切破坏,含矩形孔洞或马蹄形孔洞试样为对角剪切破坏;岩石内部的矿物结核影响了裂纹的扩展路径,从而改变试样的宏观破坏模式.微观机理分析表明:孔洞周边裂纹的萌生与扩展过程伴随着应力集中区的释放与转移;含孔洞试样的宏观裂纹有3种模式:孔壁剥落、拉伸裂纹和压剪裂纹.      

砂岩单轴循环加卸载试验及声发射特征研究

通过对砂岩进行循环加载试验,揭示了砂岩在循环加卸载过程中的强度变化及声发射特性。试验利用电液伺服岩石三轴试验机和SDAES数字声发射检测仪采集系统,对两组砂岩试样分别进行单轴抗压、单轴循环加卸载试验。试验结果表明岩样在经过循环加卸载后试样的单轴抗压强度略有增大,循环加卸载过程中在伴随着岩样内部原始天然裂隙的压密、新生裂纹的产生、扩展和贯通的同时,也伴随着声发射不断产生。声发射事件在砂岩再次加载应力到达上次加载最大应力前极少发生,达到上次加载最大应力以后则大量发生,说明砂岩岩样在循环加卸在作用下存在声发射的Kaiser效应,而无Felicity效应产生。     

基于RTS-500岩石流变仪三轴强度和变形特性

采用英国GDS公司生产的RTS-500型岩石三轴流变仪试验机,进行不同围岩条件下的三轴压缩实验,并对试验结果进行分析. 确定三轴围压下的峰值应力以及其应变的变化规律,以及根据Mohr-Coulomb强度理论确定岩石的c、φ值的变化规律,研究绿泥石英片岩的强度和变形特性.结果表明:在低围压时,岩样内部非均匀化,岩石表现为脆性特性;在高围压时,岩样内部由低到高逐渐屈服,内部趋于均匀化,此时岩石出现由脆性向塑形特性转变的趋势.岩石的峰值应变与围压呈显著的线性关系,岩石残余强度对围压的敏感性明显高于峰值强度. RTS-500型岩石三轴流变仪系统实验精度较高,实验数据可靠.      

动静组合荷载下岩石特性的三维数值模拟研究

针对深部岩石工程中,围岩在动荷载压力作用之前就已经承受高静应力或地应力,因此对三维动静荷载联合作用下的岩石变形及破坏特性展开研究具有重要意义。为了探究三维动静组合加载下岩石的力学特性,采用FLAC3D数值模拟方法对岩样进行模拟,以岩石单轴抗压强度的0%、20%、50%和80%作为轴压值,分别设置0 MPa、2 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa为围压进行加载。得出以下结论:在轴向静压固定、围压变化下,试件的组合强度逐渐升高;当对岩石试件的径向进行加载,增强岩石的整体强度,表现出等效应力逐渐变大;当围压不变,轴向静压变化的情况下,轴向静压值成为岩石试件毁坏程度和破碎速度的主要条件,当压力值增大到一定程度,试件将发生破碎。     

不同围压下岩石峰后及残余变形特性试验研究

为使矿山能安全高效地开采,对深部矿山三向应力状态的岩石进行研究。试验采用RTS-500三轴流变仪,对较深部岩石进行常规三轴压缩试验,得到了应力-应变曲线。试验发现:随着围压的增大,峰值强度和残余强度都呈逐渐增大的趋势;峰值强度与残余强度的差值也逐渐降低;随着围压的增大,岩石峰值强度对应的岩石应变出现增大的现象;随着围压增大,岩石的弹性模量出现增大的现象。结论对于实际施工的工程稳定以及岩体的支护设计都具有指导和借鉴意义。     

单轴压缩试验中减弱端部效应新型方法研究

为了减弱端部效应对单轴抗压强度测量的影响,提出一种新型的单轴压缩试验方法。该方法采用与试件材质相同的岩石作为垫块进行单轴压缩试验,设置了（25+50+25）mm和（20+60+20）mm 2种试件高度组合进行试验,并与高度为50 mm、60 mm的单一试件的试验结果进行对比。结果表明：该新型试验方法可以降低单轴压缩试验中端部效应对测量岩石单轴抗压强度的影响,并得到更为均匀的径向应变;（25+50+25）mm和（20+60+20）mm组合试件相比高度为50 mm和60 mm的单一试件,单轴抗压强度分别降低了38.41%和39.69%,相比标准试件,单轴抗压强度也有所降低。数值模拟结果表明：无论有无端部摩擦,组合试件的单轴抗压强度均与理想状态下模拟所得的岩石试件的单轴抗压强度值接近;无端部摩擦时单个试件与组合试件具有均匀的径向应变;有端部摩擦时组合试件的径向应变较为均匀。数值模拟结果证明了该新型试验方法减弱了端部效应,但并未完全消除。     

Three-Dimensional Hoek-Brown Strength Criterion for Rocks

A great number of rock strength criteria have been proposed over the past decades. Of these different strength criteria, the Hoek-Brown strength criterion has been used most widely, because: (1) it has been developed specifically for rock materials and rock masses; (2) its input parameters can be determined from routine unconfined compression tests, mineralogical examination, and discontinuity characterization; and (3) it has been applied for over 20?years by practitioners in rock engineering, and has been applied successfully to a wide range of intact and fractured rock types. The Hoek-Brown strength criterion, however, does not take account of the influence of the intermediate principal stress, although much evidence has been accumulating to indicate that the intermediate principal stress does influence the rock strength in many instances. In this paper, a three-dimensional (3D) version of the Hoek-Brown strength criterion has been proposed. The original Hoek-Brown strength criterion is just a two-dimensional (2D) version of the proposed 3D strength criterion. The 3D strength criterion not only inherits the advantages of the original Hoek-Brown strength criterion, but can take account of the influence of the intermediate principal stress. Polyaxial or true triaxial compression test data of intact rocks and jointed rock masses has been collected from the published literature and used to validate the proposed 3D Hoek-Brown strength criterion. Predictions of the proposed 3D Hoek-Brown strength criterion are in good agreement with the test data for a range of different rock types. The proposed 3D Hoek-Brown strength criterion is also compared with a simplified 3D Hoek-Brown strength criterion proposed by Pan and Hudson. The Pan-Hudson criterion cannot be considered a true 3D version of the Hoek-Brown criterion, because it does not reduce to the form of the original Hoek-Brown criterion at either triaxial or biaxial state. The Pan-Hudson criterion underpredicts the strength at the triaxial state, but overpredicts the strength at the biaxial state.     

红砂岩单轴压缩试验的率效应研究

利用MTS 322试验机对均质红砂岩进行了低加载（应变）率范围内不同量级的单轴压缩试验，考察了加载率对压缩强度、切线弹模和破坏应变的率效应影响规律。试验过程中采用位移控制加载，对应的加载量级分别为0.12，1.2，12，120 mm/min。研究结果表明：位移控制加载率与试样实际加载率、应变率之间均存在良好的线性关系。不同加载速率下岩石材料的单轴压缩强度、切线弹模随着加载率的增加呈现增加趋势，单轴压缩强度增加了11%，切线弹模增加了13%，率效应显著。通过试验数据发现，破坏应变与应变率（加载率）之间无相关性，不具有率效应规律，故强度准则应该是应力准则而不是应变准则。     

单向受限应力下镐型截齿破岩特性及其影响因素分析

基于刀具破岩的非爆机械化开采有望成为深部矿山开采的主要替代方法之一。矿岩可切割性是制约刀具破岩的关键因素,其受到受限应力条件和岩石性质的影响。因此,研究不同种类岩石在不同受限应力条件下的可切割性,可为机械刀具破岩提供理论依据和关键技术参数支撑。首先在不同受限应力条件下,对花岗岩、大理岩、红砂岩和磷矿石进行了截齿破岩试验。然后,以试验结果为基础,对脆性指数、受限应力条件与截齿破岩峰值载荷和破岩比能之间的关系分别进行了回归分析。最后,利用熵权法评价了岩石强度特性和受限应力条件对截齿破岩峰值载荷和破岩比能的影响权重。结果表明：所建立的回归模型具有良好的预测精度,单向受限应力和脆性指数对截齿破岩峰值载荷和破岩比能的影响均呈非线性变化;单向受限应力和岩石强度特性对截齿破岩性能均有显著影响,且单向受限应力的影响权重略大于岩石强度特性。研究结果可为深部矿山非爆机械化开采可行性判别以及破岩参数设计提供理论依据。     

含预制缺陷类岩体模型破断试验与分析

为了探究内部缺陷形状由裂隙至圆孔的变化对类岩体脆性材料破断模式与特征的影响,构建了含缺陷的单轴压缩力学模型,并利用水泥砂浆材料制作类岩体试样,系统地研究了缺陷形状由裂隙至圆孔变化过程中含缺陷试件的强度变化特征和裂纹演化扩展机制。结果表明:当荷载方向与缺陷长轴垂直时,缺陷周边应力集中在长短轴端点处且与缺陷无关;缺陷对试样峰值强度影响较为明显,在缺陷形状由裂隙向圆孔变化的过程,峰值强度降低幅度逐渐增大;缺陷变化对试样的裂纹起裂与裂纹扩展的影响不显著;缺陷试样的最终破坏模式可划分为剪切破坏和拉-剪混合破坏,当m值大于0.60时破坏模式为剪切破坏,当m值小于0.33时破坏模式为拉-剪混合破坏。     

含齿形裂隙类岩石材料单轴压缩试验研究

为研究含齿形裂隙岩石在单轴压缩下的破坏特征及强度特性，制作了含不同裂隙倾角和起伏角的齿形裂隙类岩石材料试件，并采用岩石力学伺服试验机进行单轴压缩试验。试验结果表明：（1）试件主要产生拉伸、剪切和拉剪复合裂纹，且根据裂纹的扩展路径可划分为A型（拉伸破坏）、B型（剪切破坏）、C型（复合破坏）3种破坏模式，裂隙倾角对试件最终破坏模式影响显著；（2）当裂隙倾角较小时，试件应力—应变曲线为多峰曲线，随着裂隙倾角的增大，曲线呈单峰形式，表现为延性减弱，脆性增强，而裂隙倾角相同但起伏角不同的试件应力—应变曲线大致相同；（3）当裂隙起伏角相同时，试件当量峰值强度随裂隙倾角的增大呈先减小后增大的规律，且裂隙起伏角对试件当量峰值强度的影响小于裂隙倾角。     

Fatigue Fracture of Concrete Subjected to Biaxial Stresses in the Tensile C–T Region

In this paper cyclic quasi-static and constant amplitude fatigue responses of concrete subjected tensile compression–tension (C–T) biaxial stress are presented. In the tensile C–T region within the biaxial stress space, magnitude of the principal tensile stress is larger than or equal to that of the principal compressive stress. An experimental program consisted of subjecting hollow, cylindrical concrete specimens to torsional loading. Failure in both quasi-static and fatigue is due to crack propagation. It is shown that the crack propagation resulting from the biaxial loading can be predicted using Mode I fracture parameters. The fatigue crack growth is observed to be a two-phase process: an acceleration stage that follows a deceleration stage. The crack length where the rate of crack growth changes from deceleration to acceleration is shown to be equal to the crack length at the quasi-static peak load. Analytical expressions for crack growth in the deceleration and acceleration stages are developed in terms of the mechanisms that influence quasi-static crack growth. The model parameters obtained from uniaxial fatigue tests are shown to be sufficient for predicting the biaxial fatigue response. Finally, a fracture-based fatigue-failure criterion is proposed, wherein the fatigue failure can be predicted using the critical Mode I stress intensity factor.