真三轴应力条件下圆形巷道的破坏准则

本文通过模型试验,研究均质围岩处于一般三轴应力下圆形巷道的破坏形式和破坏准则。结果表明当σ_1平行巷道轴时围岩最为稳定,当σ_1和σ_2垂直轴线时,随σ_1的增大,出现横向剪切破坏;而当σ_1垂直轴线,而σ_2平行轴线时可能出现拉伸、剪切、拉剪三种形式的破坏。根据本文的结论,可以预估在已知现场围岩应力下的巷道破坏形式,或在出现破坏时估计其应力状态。这对正确选择支护方式是十分重要的。     

含两组叠置X型裂隙类岩石材料单轴拉伸破坏特征

含裂隙岩石/类岩石试件在单轴压缩下的破坏特征已有较多研究,但对含X型裂隙试件单轴拉伸下的破坏特征尚无研究结论。对含两组叠置X型裂隙类岩石材料试件进行了单轴拉伸试验,并与对应试件单轴压缩情况的已有实验结果进行了对比,研究了含两组叠置X型裂隙类岩石试件单轴拉伸下的岩桥贯通行为及强度特征。研究结果表明:含两组叠置X型裂隙类岩石材料试件在单轴拉、压作用下的破坏模式及岩桥贯通模式表现不同,在单轴拉伸作用下含两组叠置X型裂隙类岩石试件岩桥处不会出现贯通现象;含两组叠置X型裂隙类岩石材料试件的次裂隙位置影响试件单轴拉伸强度,在主裂隙位置固定情况下,次裂隙角度与最大拉应力方向垂直时试件强度最低,次裂隙角度与最大拉应力方向相同时试件强度最高。     

岩石试件SHPB劈裂拉伸试验中能量耗散分析

利用直径50 mm变截面分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,对厚径比0.5的煤矿砂岩巴西圆盘试件进行对径加载,采取改变驱动气压的方法实施不同加载速率的动态劈裂拉伸试验。研究了砂岩试件动态劈裂拉伸破坏过程中的能量构成和耗散特征;尝试从能量角度出发,对砂岩试件动态劈裂拉伸破坏形态、平均应变率效应和动态拉伸应力强度进行能耗分析;发现试件吸收能量绝大部分耗散于岩石的损伤演化和变形破坏,可以较好地反映砂岩试件在冲击载荷作用下的抗拉性能变化。结果表明：砂岩试件拉伸应力强度与吸收能量随平均应变率增加近似对数关系增加,表现出显著的应变率相关性。研究成果可为岩石类脆性材料动态拉伸力学性能研究提供参考。     

岩石及混凝土三向压缩试验研究

岩石,从物理力学性质上讲,是属于一种非均质各向异性的固体介质。岩石力学性质主要有两个方面,即岩石的的力学强度和岩石的变形特征。有关一些参数均由实验室或现场岩体试验来求算。在实验室内,把现场取回的岩石样品加工成各种形状的岩石试件,应用材料试验机或其他设备进行加载试验,从而求出岩石的各类强度指标(抗压、抗拉、抗剪等等)和变形参数(弹性模量、泊桑比等等)。在这些试验中,岩石试件都是处于单向拉伸或压缩的简单应力状态,     

饱和软土K_0固结下三轴固结不排水剪试验分析

为了分析K_0固结与有效自重压力等压预固结饱和软土三轴固结不排水剪强度指标的不同,选用南京长江漫滩饱和软土,采用应力—应变式三轴仪进行了K_0固结和有效自重压力等压预固结下三轴固结不排水剪试验。试验表明K_0固结(cu)试验应力—应变关系没有峰值出现,主应力差(σ_1-σ_3)随着侧向固结应力(σc)的增加而缓慢增加;与有效自重压力等压预固结不排水总应力强度指标相比,K_0固结下粘聚力(c)值小而内摩擦角(φ)值大;现场原位十字板试验结果与K_0固结下三轴固结不排水剪指标相符。     

不同应变率下干燥及饱水凝灰岩拉伸力学性能及裂纹扩展试验研究

为研究饱水状态和应变率对凝灰岩拉伸力学特性的影响,采用电液伺服压力机及直径50 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)对凝灰岩开展静态和动态巴西圆盘劈裂拉伸试验,利用高速摄像系统获取试件在高应变率下裂纹扩展过程及破碎形态,并结合放大1 000倍的电子数码显微镜观测岩石表面及断口处的细观结构。研究结果表明：试件拉伸强度存在明显的应变率效应,且应变率越大,试件到达峰值应力的时间越短;静载作用下饱水试件抗拉强度均值是干燥试件的88.12%,0.2,0.3,0.4 MPa气压作用下,饱水试件拉伸强度分别为干燥试件的99.89%,95.25%和90.52%,饱水作用对岩体造成劣化,降低其抗拉强度;0.2,0.3,0.4 MPa气压作用下,饱水试件动态增强因子(DIF)均值分别是干燥试件的1.14,1.08,1.05倍,由于黏聚力与“stefen”效应的存在,饱水试件DIF高于干燥试件;随着应变率的增大,试件裂纹扩展速度加快,且饱水试件裂纹扩展宽度和速度均高于干燥试件;静载作用下试件呈典型劈裂拉伸破坏形式,动载作用下试件拉伸与剪切破坏共存;凝灰岩自身存在大量原生节理、孔隙等结构薄弱面,在应力波作用下,...     

含弱面岩体拉伸破坏形式及声发射特性研究

金属矿山开采过程中的弱面岩体工程结构极易发生拉剪破坏。为了探究含弱面岩体支护方式与弱面角度的关系，对预制弱面的砂岩进行不同角度的抗拉试验。结果表明：①含弱面拉伸试验试样主要有 2 种破坏形式，剪切拉伸复合破坏和拉伸破坏；②弱面深度为 10 mm，弱面与加载方向的夹角为 70°时，预制弱面试件能承受的抗拉强度最大，当预制弱面深度增大时，圆盘试件承受的峰值抗拉强度会随着角度前移；③弱面角度会影响试件劣化过程，当弱面深度为 15 mm，弱面与加载方向为 50°时，试件会发生突然性断裂，具有一定的岩爆倾向性；④含弱面岩体破坏模式与其内部的不同角度弱面有密切关系。进行室内含预制弱面试件抗拉强度实验，可为含弱面岩体的现场施工提供指导建议。     

基于新型直接拉伸试验方法的砂岩力学特性研究

针对岩石传统直接拉伸试验方法面临的偏心受拉和应力集中两大难题,提出了一种新型直接拉伸试验方法:应用水刀切割将岩石加工成与金属标准拉伸试样尺寸一致的试样,然后用夹具连接在试验机上直接拉伸。2种砂岩试验结果表明,岩样为典型的脆性拉断破坏;单轴抗压强度为单轴抗拉强度的25~30倍,压缩弹性模量为拉伸弹性模量的5~8倍。通过对拉压强度试验结果的分析发现,经过拉伸截断修正的莫尔库仑准则更能合理地描述岩石在拉压状态下的巨大强度差异。     

岩石劈裂法试验的有限元分析

本文使用有限元通用程序ANSYS,对采用立方形试件进行岩石劈裂法试验时试件内的拉应力进行了二维和三维分析。并与圆形试件的计算结果作了比较。计算了在试件宽度1/10范围内施加有均布荷载(相当于放置垫条的情形)时的应力分布,以及试件高宽比变化对拉应力的影响。在此基础上,提出了用圆盘理论解时应加的修正系数。     

煤的直接拉伸力学特性及声发射特征试验研究

为探究直接拉伸荷载作用下煤岩力学特性和损伤演化特征,使用MTS815岩石力学测试系统及PCI-Ⅱ声发射测试系统,对原煤试件进行单轴直接拉伸和实时声发射测试,分析了煤的直接拉伸力学特性及声发射特征,建立了基于声发射的损伤模型。试验结果表明：因煤体孔隙裂纹分布差异,抗拉强度离散性明显,试件平均抗拉强度为0.66 MPa;随拉伸荷载持续作用,煤体损伤累积,试件峰后承载能力逐步下降,但仍保持一定的抗拉承载能力。煤体声发射事件在峰值应力区附近沿破坏面急剧增加和汇合,预示了宏观裂纹面的形成和煤体破坏的发生;峰后试件振铃计数率和声发射能率阶段性反复升降,试件破坏进程逐步推进;声发射测试可良好展示煤体直接拉伸荷载条件下损伤出现、发展和导致破坏的完整演化过程。     

裂隙岩石拉伸断裂破坏理论分析试探

利用边界配置法对最大周向应力理论、有效应力理论进行了修正,建立了实验室尺度下拉剪裂纹的两种破坏准则,并通过相应的破坏准则建立起了岩石单轴拉伸强度与断裂韧度之间的关系,给出了量化裂隙岩石试件抗拉强度的无量纲量,分析了裂纹倾角、裂纹长度对裂纹尖端开裂角及裂隙岩石试件的抗拉断能力的影响。结果表明,开裂角以及裂隙岩石的抗拉断裂能力(抗拉强度)均随裂纹倾角的增大而增大;对于具有宏观裂隙的试件,开裂角及抗拉断能力随裂隙长度的增加而递减;试件的尺度对裂隙岩石的强度影响不容忽视。     

泥岩试件改性前后拉破坏实验研究

为了研究泥岩在拉应力作用下的变形破坏过程,采用巴西劈裂实验和白光数字散斑相关方法,对泥岩在拉应力作用下的破坏过程进行观测,利用水泥对泥岩进行改性,研究了改性泥岩拉破坏过程的变化规律,并从微观角度分析了改性前后泥岩的拉破坏过程。结果表明：(1)改性后的泥岩试件,经过24 h养护,抗拉强度随水泥含量的增加以线性趋势增加。(2)改性前,拉应力较小时,泥岩内部形成局部变形区;随着拉应力的逐渐增加,局部变形区的面积逐渐增加,相邻的局部变形区相互合并,形成更大的局部变形区;载荷为峰值载荷的58.2%时,局部变形区演化成应变局部化带;最终应变局部化带发展成宏观裂纹,试件发生破坏。(3)水泥改性泥岩时,泥岩中聚集体间孔隙大部分被填充,抗拉强度提高。(4)水泥改性泥岩后,随着水泥含量的增加,局部变形区演化成应变局部化带的位置逐渐向峰值载荷移动。(5)水泥提高了泥岩的胶结程度,拉应力超过抗拉强度时,弹性能短时间内释放出来,使宏观裂纹迅速扩展。     

巴西劈裂试验对岩石抗拉强度影响因素研究

在巴西劈裂试验中选用最基本的垫条加载的加载方式条件下,对不同厚径比的茅口灰岩岩石试件采用不同的加载速率进行巴西圆盘劈裂试验.通过试验数据分析发现,在相同的厚径比下,随加载速率的提高,岩石的抗拉强度小幅增加;当采用相同的加载速率时,茅口灰岩抗拉强度均随厚径比的增加而减小,存在一定的尺寸效应.运用FLAC3D数值分析软件,针对垫条加载进行了不同厚径比及加载速率的巴西劈裂数值模拟试验,结果表明水平拉应力最大值位于圆盘轴线上端面中心点,即圆盘开始起裂的位置位于端面中心点附近.随着加载速率增加,圆盘端面中心点等效应力增大;随着厚径比增加,圆盘端面中心点等效应力减小.最后提出了在垫条加载下抗拉强度的修正公式,消除厚径比及加载速率对岩石抗拉强度的影响,并验证了修正公式的有效性.     

三轴压缩条件下煤岩力学特性及破坏模式

为探究三轴应力环境下某矿区煤样的力学特性及破坏模式,设置围压梯度为0.2、0.4、0.8、1.1、2.0、3.0 MPa,采用电-液伺服试验系统开展室内三轴试验;对试验数据拟合分析,建立峰值抗压强度、弹性模量与围压关系表达式;对煤样破坏特征分析,讨论施加围压大小对煤样试件不同破坏模式的影响程度。结果表明:峰值抗压强度和弹性模量随围压增大呈递增趋势;且峰值抗压强度和弹性模量的增幅随围压增大呈现出先增大后减小的变化规律;峰值抗压强度与围压呈对数函数分布规律;而弹性模量随围压增大呈指数函数形式递增。随着围压增大,煤样破坏形式可能表现为拉伸-拉剪(拉伸主导)-拉剪(剪切主导)-剪切的破坏模式。     

单孔条件下高能气体冲击增透过程中裂纹扩展规律的研究

采用相似试验与数值试验相结合的研究方法,建立高能气体冲击致裂的空气增压试验装置,同时利用RFPA~(2D)-dynamic有限元软件,研究高能气体冲击增透过程中裂纹扩展规律。结果表明:高能气体冲击增透时,瞬时冲击波对孔壁作用匀称,能量在试件孔周围均匀扩散,随着冲击能量在介质中传播衰减,此时裂纹的发展优先于材料本身较弱的单元处;高能气体冲击增透破碎区的产生主要由于径向压应力超过了煤体的抗压强度,裂纹区主要由于环向拉应力超过了煤体的抗拉强度。     

岩石弯曲拉伸试验研究

岩石弯曲拉伸强度和变形性质是确定岩体力学特性的重要参数。为此,该文对32件砂岩、大理岩、花岗岩岩石试件进行了三点弯曲拉伸试验,获取其抗拉强度,绘制了岩石拉伸应力-应变曲线,给出了拉伸弹性模量。通过此次试验研究,并与其它试验进行比较分析,认为岩石弯曲拉伸试验可获得合理的力学参数,且在岩体工程中具有应用前景。     

页岩巴西劈裂试验的能量分布与临界特征分析

为了清晰了解具有脆性破坏特征的页岩在拉伸破坏下的能量统计分布特征,研究整体破坏能量分布与局部应力下的能量统计分布规律,从而为现场压裂机制提供理论依据。选取四川盆地南部地区龙马溪组钙质页岩进行巴西劈裂(间接拉伸)的声发射试验,加载速率分别为0.005,0.05,0.5 mm/min。结果表明:(1)在各个加载速率下岩石破坏过程的能量概率密度函数符合幂定律分布,并遵循时间上的幂律无尺度分布。(2)局部应力下的能量概率密度函数也符合幂定律分布,与幂值分布图变化规律形成良好对应,各局部应力阶段下的能量概率分布曲线向着整体破坏的能量概率分布曲线流动。(3)当应力σ达到0.9σmax,系统进入临界态,能量分布曲线与幂值分布曲线接近于整体破坏过程中的能量分布曲线与幂值分布曲线,并逐渐重合。(4)试验结果与纤维束模型数值模拟结果相符,当应力σ达到试件破坏应力的90%后,分叉率ξ急剧增大,直至岩石破坏,能良好验证临界态特性。     

北山花岗岩张拉力学性质及声发射特征研究

以我国高放射性废物处置库甘肃北山预选区为工程背景,通过巴西劈裂试验、直接拉伸试验以及三轴压缩试验研究北山花岗岩的基本力学性质,试验过程中监测声发射数据,基于声发射特征开展了巴西劈裂试件内部的破裂形式及其演化过程研究。研究表明:(1)直接拉伸试件的强度约为巴西劈裂试件强度的1.23倍,巴西劈裂试件呈现明显的脆性破坏,而直接拉伸试件呈现一定的塑性破坏特征;(2)巴西劈裂试件的声发射事件数在应力达到峰值应力的70%之前增加比较剧烈,直接拉伸试件的声发射事件数在峰值附近增加比较剧烈;(3)三轴压缩试验声发射事件的频率主要分布在0～80 k Hz范围内,直接拉伸试验和巴西劈裂试验的声发射事件频率主要集中在0～160 kHz;(4)巴西劈裂试件张拉裂纹的数量约为剪切裂纹数量的20.6倍,且张拉裂纹由试件中心向端部扩展,并最终形成贯通的破裂面。     

冻融循环下砂岩的动态劈裂特性与应变演变机理

为了研究冻融循环条件下砂岩的动态拉伸力学性能,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统并结合高速数字图像相关技术(DIC),对冻融循环0次、10次、20次、40次的砂岩试件进行不同冲击速度下的动态劈裂试验,研究分析了不同冻融循环次数下冻结砂岩在动态拉伸应力下的强度特征、变形过程与破坏形态。结果表明：不同冻融循环作用下冻结砂岩与普通砂岩的动态拉伸曲线有着相似的应力发展特点,分为低速增长段、高速增长段、峰值平台段和降低段;冻岩的拉伸峰值应力与应力加载速率呈线性关系,与冻融循环次数之间呈现出先增大后减小的趋势;在相同打击强度下,4种冻融循环次数(N)的冻岩试件中心处拉伸应变大小依次为40次、20次、0次、10次,具有一定的冻融循环效应。     

水平应力加载下煤岩的声发射特征试验研究

为研究水平应力加载下煤岩声发射规律,在实验室开展了不同应力条件下真三轴压缩破坏试验。试验结果表明:煤岩声发射信号随着应力水平的增大而增大,且轴向应力σ_v相对于水平应力σ_h对声发射信号影响效果更为显著;为比较复杂应力水平下煤岩声发射特征,定义"等效围压"表述应力水平,根据不同应力水平下真三轴压缩试验声发射能量特点将煤岩试件破坏过程划分3个阶段:弹性阶段、屈服阶段及破坏阶段;随着等效围压增大试件破坏时的声发射信号显著增强,声发射计数峰值数量增多,峰值强度滞后更加明显,而应力水平对峰前平静期现象没有直接影响。通过理论及试验研究不同应力条件下煤岩试件的声发射特征可预防煤岩动力灾害的发生。