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。     

单压下节理密度及倾角对类岩石试件强度及变形的影响

通过预制张开节理类岩石试件,在单轴压缩条件下,研究节理密度及倾角的组合作用对试件强度和变形特征的影响.试验结果表明:(1)随着节理倾角的增大,应力-应变曲线由多峰值转变为单峰值,试件脆性增强,延性减弱;(2)节理密度对当量峰值强度的影响与节理倾角大小有关,对当量弹模的影响呈“V”形变化,即当量弹模随着节理密度的增大呈现先减小后增大的变化规律;(3)当量弹模随节理倾角的增大而增大,在节理倾角为90°的时候达到最大值,为完整试件弹性模量的70%~80%;(4)节理倾角对多节理类岩石试件当量峰值强度和当量弹性模量的影响大于节理密度的影响.对试验结果进一步分析发现:节理密度及节理倾角与应力-应变曲线、当量峰值强度及当量弹性模量之间的关系,其变化规律与试件的破坏过程息息相关,其破坏模式可分为张拉破坏、剪切破坏和复合破坏.      

基于SHPB试验的岩石应变率效应分析

岩石材料在静荷载和动荷载作用下,其力学特性差异很大。采用直径100 mm分离式Hopkinson压杆试验装置和波形整形技术对岩石进行动态冲击压缩试验,研究应变率范围为10～100 s~(-1)岩石的动态抗压强度、峰值应变及破坏形态的应变率效应。试验结果表明:试件动态抗压强度和峰值应变均随应变率增加而增大,最大动态抗压强度约为静态强度的2倍。试件动态破坏形态从低应变率下径向劈裂破坏到高应变率下粉碎破坏,随着应变率增加碎块数量明显增多而粒径变小,碎块粒径和块度分布变化显示出试件破坏形态具有明显的应变率效应。     

SHPB压缩试验中红砂岩的力学与能量耗散特性研究

为了定量描述岩石在动态压缩过程中的耗能能力,采用SHPB装置对圆柱形红砂岩试样进行了单轴动态压缩试验,并采用高速摄像仪记录了试样的破坏过程。试验结果表明:随着入射能的增加,承受冲击加载后的试样呈现出完整、破裂和破碎3种不同状态,试样峰值应力呈现明显的应变率效应。在能耗特性方面,以临界入射能为间隔点,试样耗散能呈现出2个阶段的线性增长规律。当施加的入射能小于临界入射能时,试样在冲击后保持完整状态;当施加的入射能大于临界入射能时,试样在冲击后发生破碎,试样碎片飞出。基于线性耗能规律,分别定义了2个阶段的动态压缩耗能系数。当试样呈现完整阶段时,理想的动态压缩耗能系数为定值。在试样承受冲击后发生破碎阶段,动态压缩耗能系数随着入射能的增加而增加。     

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。     

含水率对砂岩动态拉伸强度的影响

工程中的岩石具有不同的含水性，研究不同含水率岩石动态力学性质的变化规律，对岩石工程的设计和建设具有很强的指导意义。为研究不同含水率对砂岩动态拉伸强度的影响，利用霍普金森压杆（SHPB）试验装置对不同含水率试样进行了一系列动态巴西劈裂试验，研究了不同含水率砂岩在不同加载率条件下的动态拉伸强度变化规律。试验结果表明：岩石的动态拉伸强度随着加载率的增加而增加，其率相关性与含水率有关，饱和试样的率相关性较强，而干燥岩石的动态强度对加载率的变化不敏感。当加载率较低时，岩石的拉伸强度随着含水率的增加而降低；当加载率较高时，由于水的Stefan效应，水对岩石裂纹产生抗力，阻碍其扩展，导致岩石强度增加，饱和试样的动态拉伸强度出现高于非饱和试样强度的现象。     

大理岩声发射Kaiser效应法测量原岩应力试验研究

为研究声发射Kaiser效应法测量原岩应力,进行了现场套孔应力解除试验,得到了试件加载方向的实测应力值,对大理岩进行单轴压缩条件下的2次加载声发射试验并确定Kaiser点.试验结果表明:通过声发射Kaiser效应法测得的地应力与通过套孔应力解除法测得的原岩应力误差小于10 %,原岩应力位于20 %~26 %的峰值强度之间,即岩石压密阶段后期或弹性阶段初期.研究结果可为提高判读Kaiser点的精度和岩石工程实际提供依据.      

胶结碎石充填体破坏机理及破坏准则的探讨

本文借助于胶结碎石充填体的单轴压缩试验及应力应变全过程试验结果,分析探讨了胶结碎石充填体的破坏机理及其破坏准则,并经剪切试验和拟合分析,给出了其破坏准则的具体形式。     

预制裂隙花岗岩的强度特征与破坏模式试验

为了探究单轴压缩条件下裂隙岩石的强度特性、裂纹起裂规律及破坏模式, 采用水刀切割技术预制裂隙花岗岩试件, 利用GAW2000刚性试验机对单裂隙花岗岩试样进行单轴压缩试验.试验结果表明: 与完整试样相比, 裂隙岩石试样单轴抗压强度明显降低, 降低幅度与预制裂隙和外荷载方向的夹角β密切相关, β=75°时, 强度最低, 降幅达到84.5%, 基于最大畸变能准则计算了裂隙花岗岩的峰值抗压强度与裂隙倾角的关系, 试验结果与数值解吻合; 裂隙的存在改变了岩石的破坏模式, 裂纹起裂角随裂隙倾角的增加而单调增大, 岩石试样的破坏模式由剪切破坏为主转变为张拉破坏占主导.真实裂隙岩石试样的力学性质及裂纹起裂特征更准确地揭示了单裂隙花岗岩的强度变化规律和破坏模式, 为岩土工程设计和巷道裂隙围岩体的支护提供科学依据.      

不同应力条件下硬岩强度与破裂特性试验研究

深部工程围岩内的岩石可能处于一维、二维和三维应力状态下,分别对应室内单轴压缩、双轴压缩和真三轴压缩试验中岩样的应力状态。通过开展单轴、双轴和真三轴压缩试验,系统研究了不同应力状态和水平下岩石非常规破坏的发生机制。不同高宽比和宽厚比岩样的单轴压缩试验结果表明：随着岩样厚度的增加,单轴抗压强度单调增加;随着岩样高度的增加,单轴抗压强度往往先增加后减小,且矮薄岩样更容易发生岩爆和板裂等非常规破坏。双轴或真三轴压缩试验中岩样的抗压强度均表现出明显的中间主应力效应。在相同最小主应力下,随着中间主应力的增加,岩样的双轴抗压强度和真三轴抗压强度均呈先增加后减小的变化趋势,双轴抗压强度增长率则呈先减小而后小幅增大的趋势。通过定义强度增量参数ν和中间主应力位置参数λ构建了指数岩石真三轴强度准则。低围压限制、非对称围压限制和短裂纹扩展路径是引起岩石非常规破坏的主要条件。     

单轴压缩下充填体损伤本构模型研究

为了揭示充填体材料在单轴荷载下的损伤机理,首先对充填体材料在单轴荷载下的应力—应变曲线进行分析,再以损伤变量作为影响充填体材料力学特性的内变量,基于统计损伤理论、最大拉应力准则和应变等效假说,推导了充填体材料在单轴荷载下的经典损伤本构模型。由于充填体试件在初始阶段存在压密过程,提出了压密系数并将其引入到经典损伤本构模型,弥补了经典损伤本构模型无法合理解释充填体压密过程的缺陷。采用修正损伤本构模型对几种不同试验数据进行拟合,并与经典损伤本构模型进行对比,结果表明：拟合曲线不仅能够较好地模拟充填体试件在初始加载阶段的压密过程,而且拟合曲线与应力—应变试验数据基本吻合,充分说明所建立的修正损伤本构模型可靠性较好。为了进一步研究拟合参数变化对拟合曲线形状的影响,采用控制变量法改变其中一个参数,结果表明不同类型的拟合参数会对拟合曲线的形状产生不同的影响。     

Behavior of Concrete in Water Subjected to Dynamic Triaxial Compression

To understand the behavior of concrete material in ambient water, a series of triaxial compressive tests of concrete cylindrical specimens (? 100×200?mm) was conducted on a large scale triaxial machine. The acting pattern of water, confining pressure, loading strain rate, and moisture content were chosen as test parameters. The water acting patterns on concrete were directly divided into mechanical loading and real water loading according to whether the specimens were directly exposed to water or not. The confining pressure ranged from 0–8 MPa and the strain rate included 10?5/s, 10?3/s, and 10?2/s. By testing dry and saturated specimens, the effect of moisture on concrete strength was also examined. The test results indicated that the compressive strengths of both dry and saturated concrete increase obviously with the confining pressure under mechanical confining pressure. However, the effect on the strengthened dry concrete specimens is more significant. The strength of dry concrete under real water loading decreased remarkably, even less than its uniaxial strength, whereas the compressive strength of the saturated concrete specimen under real water loading is close to its uniaxial compressive strength. The strength of concrete increases with strain rate, and this phenomenon becomes more apparent under water loading.     

温度影响下花岗岩宏、细观力学性质演化规律

在地下工程中,温度变化对岩体力学性质有着极大的影响,而宏观力学性质与细观微裂隙发育损伤密不可分。为探究在温度循环条件下岩石细观损伤机理与宏观力学性质之间的关系,对花岗岩进行不同温度下的高温水冷循环试验,并采用低场核磁系统进行细观孔隙参数检测,同时开展了单轴抗压强度试验。结果表明：（1）温度的上升和循环次数的增加均会导致花岗岩弹性模量和单轴抗压强度力学性质的降低,400 ℃是花岗岩性质变化的临界点;（2）核磁检测可以获取试件的孔隙分布参数,由该参数及试件宏观性质变化可以得出,200~600 ℃时温度循环所引起的细观损伤规律有明显差异;（3）花岗岩损伤值随着温度的升高而升高,但温度循环引起的多次损伤随温度的升高呈现出先增加后减小的趋势。微裂隙尺度、含量与试件单轴强度、应变的相关性分别为-0.943和0.935。     

砂卵石土的剪切流变特性研究

应用RYL-600岩石剪切流变仪对长沙市某边坡砂卵石土试样进行剪切流变试验，分析砂卵石土的剪切流变特性。试验表明正应力越高时，能够引起砂卵石土试件发生剪切流变破坏的剪切应力也随之增高。砂卵石土剪切流变在低于长期抗剪切强度的应力作用下，表现出黏弹特性；在高于长期强度的应力作用下，表现出黏弹塑性。应用五元黏弹性模型与VR黏塑性模型串联得到的黏弹塑性模型对砂卵石土全程流变曲线进行模拟，将拟合结果与试验数据进行分析比较，验证了新模型具有正确性和合理性，这对砂卵石土工程具有重要的指导意义和参考价值。     

基于裂纹扩展模型的脆性岩石破裂特征及力学性能研究

为了探究初始微裂纹参数分布对岩石破裂特征及力学性能的影响，进一步系统地了解脆性岩石破裂演化过程，依据线弹性断裂力学理论，建立了非均质性二维细观弹性损伤模型，并运用FLAC^2D数值分析软件，数值模拟研究了单轴压缩条件下不同形态岩石试样的破裂过程。研究结果表明，当初始微裂纹长度和角度服从不同的随机分布时，岩石材料表现出不同的破裂特征，其中初始微裂纹长度和角度均服从正态分布时，岩石破裂区域较完整；初始微裂纹长度或角度服从均匀分布和指数分布时，岩石破裂区域较分散；初始微裂纹角度对于解释脆性岩石单轴抗压试验时岩石试样出现剪切破坏和劈裂破坏的原因具有一定的指导意义，且当初始微裂纹角度均值ɑ=45°时，模型具有最小的峰值强度和轴向最大应变。模型还模拟了脆性岩石单轴抗压试验、巴西劈裂试验和断裂韧度试验的演化过程，模拟结果与试验结果具有较高的一致性。     

冲击荷载下岩石裂纹扩展研究进展

为了给深部资源开采和大型地下空间工程中围岩体的变形机理及稳定性控制提供理论基础，通过查阅大量关于表征岩石裂纹扩展的裂纹扩展模型、应力强度因子和断裂韧性的国内外文献，总结了前人的研究成果。依据现有研究，提出了动荷载作用下岩石裂纹扩展的几点建议：（1）综合考虑弹性力学、断裂力学和损伤力学建立岩石材料从微观断裂到宏观破坏这一演变过程的理论模型，使理论模型更加适应岩石材料的非线性特征；（2）采用分形、自组织和混沌等非线性理论表征动荷载作用下岩石内部以及表面裂纹的扩展演化特征；（3）采用颗粒离散元和有限差分模拟岩石材料裂纹扩展演化特征。     

磷石膏胶结充填体动态力学特性研究

为了研究凿岩爆破对不同磷石膏新型砂浆配比和不同养护时间的磷石膏胶结充填体稳定性的影响,利用Hopkinson压杆实验装置,以不同加载速度轴向冲击充填体试样,对其动态力学性能进行了研究,分析了动态冲击下充填体的波形曲线、应力—应变曲线,动态抗压强度、强度增强因子（DIF）与平均应变率的关系。结果表明：磷石膏胶结充填体的波阻抗较小,能够对应力波产生阻尼作用;在相同配比和相同养护时间下,不同应变率的充填体应力—应变曲线的下降段基本一致,而上升段差异较为明显;随着应变率的提高,上升段曲线随之平缓;动态抗压强度和DIF均随着平均应变率的增加而增加,且均能用多项式函数分别来描述动态抗压强度、DIF与平均应变率之间的关系。