考虑颗粒破碎的堆石料动力变形特性模拟

颗粒破碎是影响堆石料强度和变形特性的重要因素,但目前针对颗粒破碎的模拟研究多在静力荷载条件下。为研究颗粒破碎对小应变条件下堆石料的动力变形特性的影响,采用多个等粒径小球按最密六方排列随机组合模拟不规则形状的堆石颗粒,通过碎片替换法模拟颗粒破碎,研究了花岗岩堆石料不同围压下的动力响应,探索了孔隙率对动弹性模量的影响,分析了振动过程中的颗粒破碎规律及配位数的频率分布。结果表明模拟的骨架曲线与室内试验结果具有较好的一致性,数值模拟可以较好地再现不同围压下堆石料的动力变形特征。在相同围压和动应力条件下,考虑颗粒破碎的试样会产生更多不可恢复的变形,动应变会明显增大,动弹性模量降低。振动过程中集合体的有效配位数会减小,与不考虑颗粒破碎的情况对比,考虑颗粒破碎的试样具有更多的力学不稳定颗粒,有效配位数的降低更显著。颗粒破碎对最大动弹性模量的影响较小,但会加快动模量随动应变增长而衰减的速率。孔隙率小的试样有效配位数高,且受力性能更好。在相同动应力条件下颗粒破碎较少,动弹性模量随动应变的增加而衰减的速率较慢,最大动弹性模量约为大孔隙率试样的1.2倍。最大动弹性模量主要与有效平均主应力和孔隙率相关,Hardin等提出的经验公式可以较好地描述最大动弹性模量与孔隙比和平均有效主应力的关系。该成果有助于认识粗粒料动荷载下的变形规律,为研究动荷载下的颗粒破碎行为提供参考。     

水影响下油页岩三轴压缩力学特性试验研究

为研究油页岩的力学特性,试验采用吉林桦甸油页岩试样,利用YE-200A液压式压力试验机和自制三轴压力室,进行油页岩三轴压缩实验。通过不同围压、不同水化时间的三轴压缩实验,揭示油页岩全应力-应变、峰值强度、弹性模量、泊松比随不同围压和水化时间的变化规律,以及油页岩的破坏形式。结果表明,水化对油页岩的力学特性影响很大,使其峰值强度和弹性模量降低,同时,还表现出明显的延性效应;另外,围压和水化作用的对比分析表明,在围压影响下水化对油页岩强度影响比自然状态下小,油页岩因原岩裂隙发育不同水化后呈现不同的破坏形式。     

饱和花岗岩水-力耦合力学特性试验研究

采用全应力多场耦合三轴试验仪,对饱和花岗岩开展了不同加载速率、不同围压、不同孔压下的水-力耦合三轴压缩排水试验,分别给出了饱和花岗岩在不同加载速率、不同有效围压下的应力-应变曲线,分析了峰值强度、峰值应变、弹性模量随加载速率以及有效围压的变化规律。研究结果表明:(1)在不同有效围压和加载速率的条件下,岩样的应力应变曲线均经历了非线性压密、弹性、屈服、峰后四个阶段。偏压加载初期非线性压密阶段比较明显,而随着围压的升高非线性段逐渐消失;由于花岗岩的致密性较高,因而曲线的弹性阶段较长且相对平滑;在屈服和峰后阶段,岩石呈现出明显的脆—延性转化的过程。(2)饱和花岗岩的峰值强度随着加载速率的增加而增大;且当有效围压相同时,岩石的峰值强度大致相等,抵抗外界荷载的能力大致相同。(3)缓慢加载条件下饱和花岗岩的峰值应变表现出加载速率强化效应,但强化效果是有限的;且在有效围压相同条件下,随着围压和孔压的同步增长,峰值应变也呈增长的趋势。(4)弹性模量随着加载速率的增加呈二次多项式增长,但随着围压和孔压的同步增长而逐渐降低。     

不同围压下灰岩力学特性及破坏力学模型研究

为了研究围压对灰岩力学特性及破坏力学模型的影响,采用MTS815对完整灰岩岩样进行三轴压缩试验。基于岩样宏观破坏形式,建立张拉剪切破坏模型,构建峰值强度与围压关系表达式;讨论张拉剪切模型与纯剪切模型对岩石剪切强度参数值（粘聚力与内摩擦角）的影响。研究结果表明：岩样弹性模量、抗压强度及残余强度均随围压升高而增大,且残余强度与围压呈非线性相关;当岩样最终破坏时,环向应变与轴向应变比值随围压升高呈负指数降低;一定围压范围内,岩石抗压强度受剪切强度参数和抗拉强度影响;张拉剪切模型确定岩石剪切强度参数值随破裂角增大而增大,与纯剪切模型相比,数值均较小。因此,低围压时,考虑岩石破坏模型具有一定的实际意义。     

基于破坏类型的本溪灰岩本构关系研究

根据单轴和三轴条件下本溪灰岩的压缩试验和峰后循环加载试验,总结本溪灰岩的强度、变形随围压的变化规律,研究不同围压下本溪灰岩的破坏过程和重复加载过程,分析不同应力条件下本溪灰岩破坏的方式.结果表明:本溪灰岩在应力刚过峰值且未完全进入残余强度阶段,其弹性模量与峰前相同,此阶段进行循环加载时,新的峰值应力低于卸载点应力;在残余强度阶段,残余强度不再随重复加载发生明显变化;采用比较峰值时的环向弹性应变值与环向应变值的方法来判别本溪灰岩的破坏类型是可行的;不同围压下,本溪灰岩的破坏方式有张性破坏和剪切破坏2种类型,这2种破坏方式下本构模型的控制参数是不同的.分别选取了环向应变和剪切应变作为控制参数建立了本构模型,该模型很好地描述了本溪灰岩峰后阶段的应力脆性跌落现象及应力与应变的关系.     

软岩S形应力-应变曲线的数值模拟

针对软岩在荷载作用下的变形特征,结合三轴试验提出了软岩四参数本构方程。从数学理论上严格证明了该方程描述的应力-应变曲线的S形特征。该模型的四个参数中,峰值应力及其相应应变可由试验直接获得,另两个参数则需通过优化反演方法获得。在此基础上建立了四个参数与围压的经验关系式,从而可对不同围压作用下的软岩应力-应变曲线进行估算。数值模拟表明该模型能够有效模拟软岩应力-应变曲线的S形特征,能够反映软岩强度与弹性模量随围压增大的特点。     

粗粒土三轴试验的细观模拟

对排土场粗粒土进行室内三轴固结排水试验,以此试验结果为基础,基于三维离散元颗粒流理论,从细观角度出发,以PFC3D为工具,通过自编程序并引入接触黏结模型,得到按级配生成的粗粒土三轴试验三维颗粒流模型.对比了不同围压下颗粒流模型与三轴试验的应力应变关系.分析了颗粒细观参数对粗粒土强度的影响.结果表明:按级配曲线得到的PFC数值模型的应力应变曲线的变化趋势与试验值一致,但强度值略低于试验值.粗粒土强度随颗粒间摩擦系数、接触处黏结强度的增大而提高;颗粒形状对材料的抗剪强度影响显著.研究意义在于从细观角度揭示影响粗粒土强度的因素,突破了常规三轴试验的局限性.     

Random gravel model and particle flow based numerical biaxial test of solid backfll materials

Fully mechanized coal mining with backflling(FMCMB)has become a major solution of‘‘green mining’’.The mechanical properties of backfll materials are key factors of ground control in FMCMB face.To study the strength behaviors of the solid backfll materials,we developed a method of generating random gravel model by using computational geometry algorithms,then coded the generating method into a program with MATLAB software,and implemented several numerical biaxial tests under different confning stresses by using a generated random gravel model and the Particle Flow Code PFC2d.Peak deviatoric stress,post-peak softening,initial contraction and dilation and the relations between them and confning stress can be observed.And the initial elastic modulus of the samples,Poisson’s ratio,frictional angle and cohesion can be derived from the numerical biaxial test results.The results indicate a good feasibility study of mechanical properties of the solid backfll materials by random gravel model and particle flow based numerical biaxial test.     

三轴卸荷条件下煤体力学特性和能量耗散演化

孤岛工作面煤体和巷道受周边开采扰动影响,煤体受循环荷载作用存在卸荷力学行为而表现出动态破坏特性.为探讨不同路径下煤体力学特性,利用TAW-2000三轴电液伺服刚性试验机分别进行常规三轴(T)、三轴循环荷载(TC)以及相应卸围压试验(TU、TCU),分析不同围压下煤体卸围压强度、变形、声发射事件以及能量耗散演化特征,开展...     

混凝土三轴受压等幅疲劳力学性能试验研究

为研究混凝土在多轴疲劳应力作用下的性能,进行了0.0fc、0．1fc、0．25fc、0．4fc4个不同初始定侧压级别下的混凝土三轴压静载试验和0．1c、0．25fc两个不同初始定侧压级别下的混凝土三轴压等幅疲劳试验,疲劳试验中最小应力水平均为0．1fc,最大应力水平为1．6fc-2．5fc．根据初始定侧压下混凝土三轴压本构特征,试验中将侧压变化的拐点作为其多轴疲劳破坏的判据．试验分析表明,三轴压疲劳荷载作用下混凝土纵向最大、最小应变表现出同单轴和双轴疲劳一样的三阶段规律,而变形模量则衰减不大．由各侧压级别下的S-N曲线得到混凝土在相应工况下的疲劳强度折减系数,其研究成果可为混凝土结构疲劳设计提供参考．     

镍铁渣–黏土–水泥改性土力学特性试验及修正的邓肯–张模型

为研究镍铁渣-黏土-水泥(FNSCC)改性土的力学特性,开展了不同镍铁渣掺入比、含水率及养护时间下FNSCC改性土不固结不排水三轴压缩试验;获得了不同工况下FNSCC改性土试样的应力-应变关系曲线及割线弹性模量,分析了其力学特性影响机理及破坏模式,基于试验结果,建立了适用于FNSCC改性土的修正邓肯-张本构模型。研究结果表明：FNSCC改性土的应力-应变曲线具有明显的应变软化特征;其峰值强度随镍铁渣掺入比减小和养护时间增长而增大,随含水率的增加先增大而后减小。随着镍铁渣掺入比的增大,FNSCC改性土试样的破坏模式由鼓胀破坏向剪切破坏转变;含水率为15%左右的试样,鼓胀破坏特别明显;而随养护时间增长,其破坏模式则由鼓胀变形等塑性破坏向局部张裂等脆性破坏转变。FNSCC改性土的割线弹性模量随轴向应变增加而减小,轴向应变小于2%时,镍铁渣掺入比、含水率及养护时间对割线弹性模量的影响较大;而当轴向应变大于2%后,各因素对割线弹性模量的影响很小。修正的邓肯-张模型能较好地反映FNSCC改性土的应变软化现象;该模型中参数m、n及?与围压近似呈线性关系,模型参数m受FNSCC改性土配比的影响最大,养护时间次之,含水率最小。由修正邓肯-张模型计算得到的曲线与实测曲线吻合较好,验证了该模型拟合参数的合理性。     

Mechanical properties of deep-buried marble material under loading and unloading tests

The mechanical properties are essentially different when rock material is subjected to loading or unloading conditions. In this study, loading and unloading tests with various confining pressures are conducted to investigate the mechanical properties of marble material samples taken from the deep diversion tunnels of Jinping II Hydropower Station. The stress-strain relationship, failure characteristics and strength criterion are compared and analyzed based on the experiment results. The results show: in the loading and unloading test, peak strength, lateral strain, axial strain and plastic deformation increase significantly as the confining pressure increases. Lateral strain increased significantly and obvious lateral dilatancy can be observed to the change of confining pressure; The fracture mode is mainly the single shear fracture for the triaxial compression test and post-peak test, angle between the failure surface and the ends of the rock material becomes smaller as the confining pressure increases. Hoek-Brown strength criterion reflects the strength characteristics of marble material under two different unloading conditions, and has some supplementary effects to the rock material of mechanical field.     

Behavior of High Performance PVA Fiber Reinforced Cement Composites in Triaxial Compression

Based on an extensive experimental program,the paper studies the behavior of HPFRCC under triaxial compression. The experimental parameters are lateral confining pressure and PVA fiber content by volume. The test results indicate that ultimate strength and peak strain are significantly improved with the increases of confining pressure. The confining effect introduced by the fibers becomes minor in triaxial compression tests,where there is relatively high external confining pressure. The axial stress-strain curves with different confining pressure and different PVA fiber content by volume are obtained. Lateral confining pressure constraints the lateral expansion of HPFRCC,so there is a big plastic deformation with its ultimate strength improved. At lower confining pressure,PVA fiber content by volume has some effect on the decreased section of stress-strain curve. According to test results,the paper establishes formula of confining pressure with ultimate strength and axial peak strain respectively.     

循环加卸载下纤维增强泡沫轻质土变形特性

为了研究聚丙烯纤维增强泡沫轻质土的损伤变形特性,选用UNSAT非饱和土三轴仪开展50 kPa围压作用下的循环加卸载试验. 以泊松比、弹性模量提高率及弹塑性变形趋势为参数,分析不同纤维质量分数条件下聚丙烯纤维增强泡沫轻质土的力学特性和变形规律. 研究结果表明：当纤维质量分数达到0.50%~1.00%时,初次弹性模量提高率为56.88%~69.43%,纤维对泡沫轻质土内部初始缺陷的改善作用最佳;纤维增强泡沫轻质土试样的弹性模量提高率随着循环次数的增加呈先增大后减小的趋势,泊松比随着循环次数的增加而增大,在经历最初的2、3次循环荷载作用后趋于稳定直至试样破坏;随着循环次数的增加,纤维增强泡沫轻质土的轴向弹性应变与总应变之比逐渐降低,试样内部损伤变形逐渐累积.     

高地应力下砂岩力学参数和波速变化规律试验研究

基于波动方程,提出一种砂岩的纵波波速与静水围压关系的数学模型。在岩石常规三轴试验的基础上得到不同静水围压下砂岩的静弹性模量、静泊松比和纵波波速,并分别拟合得到静弹性模量-静水围压和静泊松比-静水围压关系的拟合曲线和拟合公式。试验结果表明,砂岩的静弹性模量和静泊松比随静水围压的增大而增加,且静弹性模量增加速率缓慢减少。基于波动方程求解得到纵波波速-静水围压关系的数学模型,利用数学模型计算得到的纵波波速可知,砂岩的纵波波速随静水围压的增大而增大,且增加速率逐渐变缓。计算得到的纵波波速与试验测得的纵波波速进行对比验证,误差范围为7.0%~8.3%,故基于波动方程求解的砂岩纵波波速-静水围压关系的数学模型可靠性和准确性较高,对高地应力下岩石的物理力学参数和波速变化规律的分析判定具有指导意义。     

合肥膨胀土动弹性模量与阻尼比试验研究

以合肥膨胀土为研究对象,利用GDS真动三轴仪对土体进行循环动荷载试验,研究不同围压、固结应力比对土体动弹性模量及阻尼比的影响规律.试验结果表明,合肥膨胀土的骨干曲线可以由双曲线描述;在相同条件下,动弹性模量随着围压、固结应力比的增大而增大,随着动应变的增大先急剧减小后趋于平缓;动弹性模量的倒数与动应变呈良好的线性关系,最大动弹性模量随着围压的增大呈线性增大,给出考虑围压影响的最大动弹性模量回归方程;阻尼比随着围压、固结应力比的增大而减小,采用 Darendeli 模型及依据阻尼比与应变的经验关系,得到动模量比衰减模型及阻尼比模型;不同围压、固结应力比下阻尼比与动模量比的关系归一化后可以由修正Hardin-Drnevich公式描述.     

橡胶砂力学性能的三维离散元数值模拟

为揭示橡胶砂混合料强度特性、偏应力-轴向应变曲线及体应变-轴向应变曲线的变化规律,利用颗粒流软件,对三轴压缩状态下橡胶砂混合料的力学特性进行了三维离散元数值模拟,从宏观、微观两方面分析质量配比、粒径比和围压对橡胶砂力学及变形特性等方面的影响。分析结果表明：当ω(橡胶)<10%时,橡胶砂表现出类砂力学特性,即先剪缩后剪胀,应力-应变曲线呈软化型,当ω(橡胶)≥20%时,橡胶砂表现出类橡胶力学特性,试样单调剪缩,应力-应变曲线呈硬化型。随着橡胶含量的增加,橡胶砂应力-应变曲线峰值降低。胶砂粒径比对橡胶砂应力-应变关系存在一定的影响,主要表现为随着平均粒径比的增大,体应变增大,应力-应变曲线降低,抗剪强度减小。随着围压的增加,低橡胶含量的橡胶砂剪胀和应变软化特性得到抑制,而高橡胶含量橡胶砂剪缩和应变硬化特性增强。混合料抗剪强度的降低主要归因于软橡胶颗粒的加入所引起的橡胶砂试样刚度损失,而其膨胀反应受到抑制的原因是橡胶颗粒容易被挤压而产生体积收缩。     

Mechanical and damage evolution properties of sandstone under triaxial compression

To study the mechanical and damage evolution properties of sandstone under triaxial compression,we analyzed the stress strain curve characteristics,deformation and strength properties,and failure process and characteristics of sandstone samples under different stress states.The experimental results reveal that peak strength,residual strength,elasticity modulus and deformation modulus increase linearly with confining pressure,and failure models transform from fragile failure under low confining pressure to ductility failure under high confining pressure.Macroscopic failure forms of samples under uniaxial compression were split failure parallel to the axis of samples,while macroscopic failure forms under uniaxial compression were shear failure,the shear failure angle of which decreased linearly with confining pressure.There were significant volume dilatation properties in the loading process of sandstone under different confining pressures,and we analyzed the damage evolution properties of samples based on acoustic emission damage and volumetric dilatation damage,and established damage constitutive model,realizing the real-time quantitative evaluation of samples damage state in loading process.     

橡胶颗粒-砂混合物三轴CD剪切试验研究

对6种围压7种不同质量配比的干燥橡胶颗粒-砂混合物(橡胶砂)进行三轴CD试验,研究不同配比不同围压对橡胶砂的强度特性、偏应力-轴向应变曲线和体应变-轴向应变曲线特性的影响。试验结果表明:橡胶颗粒质量分数为0%~30%时,有利于改善砂颗粒的剪切强度特性;在10%附近时,内摩擦角出现最大值;在20%附近时,其粘聚力出现最大值。橡胶砂的偏应力-轴向应变曲线特性在橡胶颗粒质量分数低于50%时,与纯砂类似,表现出双曲线特性;不低于50%时,与纯橡胶类似,表现出近似线弹性,且由双曲线模型拟合得到的橡胶砂模型参数(如峰值偏应力、初始切线模量以及破坏比)随围压的增加而增加,随橡胶颗粒含量的增加而减少。橡胶砂的体应变-轴向应变曲线特性在橡胶颗粒质量分数不高于20%时,与纯砂类似,有先剪缩后剪胀的特点;高于20%时,表现出单调剪缩的特性,橡胶颗粒含量越大,剪缩越明显。     

卸围压条件下砂岩变形破坏特性试验研究

从可释放弹性应变能角度对岩石卸围压条件下破坏特性进行研究,利用MTS815电液压伺服可控制刚性试验机进行保持轴向变形不变的卸围压试验,根据卸围压试验数据,分析了该砂岩卸围压过程中变形、强度、弹性模量及能量变化特征。结果表明:随着围压逐渐降低,岩样发生侧向不断扩容;轴向应力逐渐降低,呈现出非线性特征;弹性模量在初始阶段几乎不变化,越过破坏点之后大幅降低;可释放的弹性应变能在初始阶段增大比较缓慢,当围压降低至一定程度时急剧增大;推导出基于可释放弹性应变能的卸荷岩石的整体破坏准则Ue0。