茂木式真三轴试验机的端部摩擦效应

茂木式真三轴试验中需要在加载装置和试件之间至少设置两对刚性接触的垫块,由于加载过程中端部摩擦限制了试件的自由变形,因而提高了试样的测试强度。为定量评估端部摩擦效应,采用同一批红砂岩试样开展不同端部摩擦因数和中间主应力条件下的双向压缩试验,试验结果表明,不同端部摩擦因数条件下的试件强度测试值存在显著差异,相同中间主应力条件下摩擦因数从0.12提高到0.28时,最大主应力极限值提高5.5%~43%。基于试验数据分析采用不同破坏准则时摩擦效应的合理性,结果表明应变能准则对双向受压工况适用性最好。基于试验数据和应变能准则,建立摩擦效应的定量表达式,绘制考虑摩擦效应的中间主应力效应曲线,分析摩擦效应对1 2?-?曲线形状的影响,分析结果与试验数据吻合良好。通过试验揭示摩擦效应的重要影响,建立定量分析模型,对于评价真三轴试验数据的可靠性具有重要参考意义。     

三轴试验泥岩应力–应变特性分析

0引言在不同应力水平下,随应力变化岩石的变形特性是不同的。对不同的岩石来说,其应力–应变特性又不一样。20世纪50年代以后,岩石力学无论是在试验手段上还是在理论上都有了比较显著的进展。为了研究岩石强度和变形特性及岩石发生破裂的发展过程,利用岩石力学测试系统对圆柱形岩石试件进行单轴或三轴压缩试验是基本手段之一[1,2]。岩石的应力–应变关系很复杂,甚至没有明显的解析表达式。在工程上,根据观测和试验得到的一系列数据采用插值法拟合近似地得到要寻求的函数已经成为一种较普遍和受欢迎的方法[3]。泥岩为泥质结构和泥质胶结,成岩时间短,饱和单轴抗压强度低,按工程分类属于软质岩石,当其黏土矿物成分中含有较多的     

基于新型茂木式试验机的真三轴试验及加载边界效应研究

介绍新研制的茂木式岩石真三轴试验机,并利用互扣式端部垫块对大理岩进行真三轴试验。利用试验和模拟相结合方法对真三轴试验机的加载边界效应进行研究。研究表明:随中间主应力的增大,岩石峰值强度增大,达到一定值后随着中间主应力的增大而减小;同时,岩样脆性随中间主应力的增大而增强,扩容现象延后。传统式垫块加载真三轴试验过程中,由于空白角的存在,产生应力集中,对岩样应力、应变分布造成明显影响,岩样将在空白角处产生不均匀变形。岩样在互扣式垫块加载方式下的强度略大于在传统式垫块加载方式下的强度。     

岩石应力–渗流耦合真三轴试验系统的研制与应用

针对深部岩石所处的高地应力、强渗透水压等复杂的赋存环境特点,研制岩石应力–渗流耦合真三轴试验系统,并详细介绍系统的主要结构、功能和使用方法。该系统可独立伺服控制施加三维应力,利用声测系统对试件在三维应力和渗透水压作用下的裂隙扩展演化过程进行实时跟踪。通过对不同渗透水压条件下大尺寸花岗岩人造节理试件的真三轴加载试验,研究三维应力和渗透水压对渗透特性的影响,试验结果很好地反映出深部岩体的应力–渗流耦合特性。岩石应力–渗流耦合真三轴试验系统的研制和试验,丰富深部高地应力、强渗透水压等环境下岩石力学性质的研究手段,可为采动围岩遇水作用的稳定性及渗流灾害控制技术的研究提供科学的试验基础。     

三轴试验泥岩应力–应变特性分析

0引言在不同应力水平下,随应力变化岩石的变形特性是不同的。对不同的岩石来说,其应力–应变特性又不一样。20世纪50年代以后,岩石力学无论是在试验手段上还是在理论上都有了比较显著的进展。为了研究岩石强度和变形特性及岩石发生破裂的发展过程,利用岩石力学测试系统对圆柱形岩石试件进行单轴或三轴压缩试验是基本手段之一[1,2]。岩石的应力–应变关系很复杂,甚至没有明显的解析表达式。在工程上,根据观测和试验得到的一系列数据采用插值法拟合近似地得到要寻求的函数已经成为一种较普遍和受欢迎的方法[3]。泥岩为泥质结构和泥质胶结,成岩…     

基于全应力–应变曲线及起裂应力的岩石脆性特征评价方法

脆性作为岩石重要的力学指标,准确评价岩石脆性特征对岩体工程稳定性具有重要意义。目前,常用的岩石脆性指数评价方法主要基于岩石压缩过程中峰后应力–应变曲线变化规律,而对岩石峰前应力状态关注较少。综合考量峰后应力跌落速率及起裂应力值至峰值应力值之间的应力增长速率,建立一种基于岩体应力–应变全过程的脆性指数计算方法,更加准确、合理地描述岩体脆性特征。试验结果表明:单轴条件下当全程采用轴向位移控制时,脆性较强的岩石难以准确获得其峰后曲线,容易降低基于峰后应力曲的常规脆性评价方法的准确性,而所建立的脆性指标可根据峰前曲线进行判断,能够准确评价岩石脆性程度。在三轴条件下,该脆性指标更为全面地反映了围压对大理岩脆性的抑制作用。建立的脆性指标基于岩石整个压缩过程的应力状态,能够更加显著地体现不同因素对岩石脆性特征的影响。试验结果很好地验证了该指标的准确性与优越性,研究结果对丰富与完善岩体脆性评价体系具有重要的作用。     

碳酸盐岩应力–应变关系与微结构分析

 碳酸盐岩微裂隙的存在、产生和发展对宏观力学性质有显著的影响,通过碳酸盐岩扫描电镜图像分析和进行三轴剪切试验,发现碳酸盐岩中白云岩、灰岩、白云质灰岩的应力–应变关系均可分为压密阶段、线弹性变形阶段、微裂隙的产生和稳态扩展阶段以及断裂破坏阶段,与之对应的微裂隙表现为：原始微裂隙发生闭合,稳定持续存在形成线弹性变形,新的微裂隙在应力集中处产生、扩展并稳定发展以及微裂隙扩展强烈、发展成宏观裂隙最终导致岩块整体破裂。试验表明,受压状态下岩石裂隙是从孔隙的外围开始发育,逐渐扩展到孔隙,最后导致孔隙及岩体失稳。裂隙发育以张性的微裂隙起始,逐渐形成剪裂隙,并出现追踪剪裂隙的张裂隙,直至裂隙贯通。碳酸盐岩的初始微观裂隙主要的表现为张裂隙和剪裂隙,岩石破裂从先存的裂隙端部开始,原有裂隙的端部是加载后应力集中的地方,在岩石介质的晶粒边界的接触点或断层附近,应力高度集中导致裂纹密度增加,当压力达到或接近峰值压力时,由于裂纹的汇交与集中迅速失稳形成宏观断裂,随后就出现开裂和应变软化。     

真三轴应力条件下层状复合岩石破坏准则

 为探究层状复合岩石的强度特性,利用均质化理论方法,将层状复合岩石虚拟为一种等效的均质岩石,建立了真三轴应力条件下基于MLC准则的层状复合岩石破坏准则,该准则由层状复合岩石各组分的强度参数以及几何参数来确定;同时,利用自行研制的多功能真三轴流固耦合试验系统,进行细砂岩、粉砂岩、板岩和层状复合岩石在三向不等应力条件(体应力不变,改变应力罗德角、等中主应力系数等?3)下的真三轴试验,研究层状复合岩石的强度特性以及中间主应力和中主应力系数对复合岩石强度的影响。真三轴试验结果表明,所建立的准则能较好的描述层状复合岩石的强度特征,可为解决层状岩石工程结构的强度及稳定性问题提供了理论参考和依据。     

多轴应力对深埋硬岩破裂行为的影响研究

 针对深埋硬岩在多轴应力条件下的破坏特征,在笔者所在课题组工作的基础上,提出能够反映岩石在多轴应力作用下力学参数随塑性内变量的演化关系以及中间主应力和最小主应力对深埋硬岩脆延转换行为影响的岩体局部劣化模型(rock mass local deterioration model,RLDM),该模型考虑真实岩体应力状态对岩体力学行为的控制作用,并嵌入到自行开发的三维弹塑性细胞自动机软件系统中,而基于局部作用原理的细胞自动机方法能够方便地考虑岩石破坏过程中局部力学参数的动态更新。实验室尺度岩样的破坏过程模拟,较好地反映了随着围压的升高,岩石由脆性向延性转化的试验现象;工程尺度的锦屏二级水电站引水隧洞破坏行为模拟,获得的隧洞破裂模式较好地反映现场实际破坏现象,从而验证模型和模拟方法的正确性和合理性。在此基础上,以深埋硬岩为研究对象,分别考虑不同侧压力系数、不同中间主应力大小和方向,分析多轴应力对深埋硬岩破裂行为的影响,解释造成深埋硬岩隧洞复杂破裂模式的原因。结果表明,最小主应力升高使深埋隧洞的稳定性增强;深埋隧洞围岩的稳定性具有中间主应力效应及其区间性的特征。     

A novel true triaxial test system for microwave-induced fracturing of hard rocks

This study introduces a test system for microwave-induced fracturing of hard rocks under true triaxial stress. The test system comprises a true triaxial stress loading system, an open-ended microwaveinduced fracturing system, a data acquisition system, an acoustic emission(AE) monitoring system, and an auxiliary specimen loading system. Microwave-induced surface and borehole fracturing tests under true triaxial stress were fulfilled for the first time, which overcomes the problem of microwave leakage in the coupling loading of true triaxial stress and microwave. By developing the dynamic monitoring system, the thermal response and fracture evolution were obtained during microwave irradiation. The monitoring system includes the infrared thermometry technique for monitoring rock surface temperature, the distributed optic fiber sensing technique for monitoring temperature in borehole in rock, the AE technique and two-dimensional digital speckle correlation technique for monitoring the evolution of thermal damage and the rock fracturing process. To validate the advantages of the test system and investigate the characteristics of microwave-induced fracturing of hard rocks, the study demonstrates the experimental methods and results for microwave-induced surface and borehole fracturing under true triaxial stress. The results show that thermal cracking presented intermittent characteristics(calm eactiveecalm) during microwave-induced surface and borehole fracturing of basalt. In addition, true triaxial stress can inhibit the development and distribution of thermal cracks during microwave-induced surface fracturing. When microwave-induced borehole fracturing occurs, it promotes the distribution of thermal cracks in rock, but inhibits the width of cracks. The results also prove the reliability of the test system.     

Rockburst characteristics of several hard brittle rocks:A true triaxial experimental study

Rockburst is a typical rock failure which frequently threatens both human life and construction equipment during highly stressed underground excavation.Rock lithology is a control factor of rockburst.In this paper,rockburst tests were conducted on rectangular prismatic specimens of six types of intact hard brittle rocks,i.e.granodiorite,granite,marble,basalt,sandstone and limestone,under one-free-face true triaxial loading conditions.With the use of high-speed cameras,an acoustic emission(AE)system and a scanning electron microscope(SEM),rockburst of different rocks was investigated.The results show that the strainbursts of granodiorite,granite and marble were accompanied by tensile splitting near the free face,and consequently were relatively strong with a large amount of fragment ejection and kinetic energy release.For basalt,sandstone and limestone,failure was primarily dominated by shear rupture.The strainbursts of basalt and sandstone were relatively small with minor fragment ejection and kinetic energy release;while no burst failure occurred on limestone due to its relatively low peak strength.Rock strength,fracturing and fragmentation characteristics,and failure modes of different rocks can significantly affect rockburst proneness and magnitude.The AE evolution coupled with SEM analysis reveals that the differences in the inhe rent microstructures and fracture evolution under loading are the primary factors accounting for different rockbursts in various rock types.     

岩石三轴压缩任意围压下应力–应变曲线的预测方法研究

岩石三轴压缩试验中通常只做有限种围压情况下的压缩试验,得到的应力–应变曲线只是岩石在具体围压下本构关系的表现,限制了通过拟合应力–应变曲线得到岩石本构的实用性。认为不同围压下的应力–应变曲线虽然形状差别较大,但都是同种岩石所表现出来的特性,曲线间蕴含着一定联系。对此进行了研究,并提出一套基于有限种围压情况下的应力–应变曲线预测任意围压下应力–应变曲线的方法。通过实例,说明所提方法的可行性。     

动态土工真三轴仪在砂土液化研究中的应用

为了模拟实际场地中土体变形和强度特性,研究开发了揭示侧限条件下饱和砂土震动液化机理的试验方法。文中采用了动态真三轴试验系统,该设备采用刚性板加柔性面的混合边界加载装置,并应用先进的CATS试验控制系统。试验结果表明应用动态土工真三轴仪进行砂土液化实验是可行的,并初步分析了侧限条件下的液化机理,即土体将在轴向压力、侧压和孔隙水压力相等的条件下发生液化,表明振动荷载过程中的应力重分布对砂土液化强度和孔隙水压力发展等具有显著的影响。     

基于大型真三轴试验的砂砾石料强度–剪胀特性研究

为了揭示中主应力系数和应力水平对苏洼龙水电站坝基覆盖层砂砾石料的强度与变形特性的影响规律,结合一种微摩阻加载技术,开展一系列大型真三轴试验。在广义应力框架内讨论该砂砾石料的应力、强度和剪胀问题。结果表明:首先,对于该砂砾石料,内摩擦角随中主应力系数增加而增大,随应力水平提高而减小。3个经典强度理论中,Lade-Duncan准则的预测结果与试验结果更为相符,但当b值较大时,预测结果仍偏低估计了实际的内摩擦角;其次,随着中主应力系数b值增加,应力路径的斜率变缓,同时所达到的峰值强度提高,但峰值强度对应的q/p(q,p分别为广义偏应力和平均主应力)应力比越小,表明在单位平均主应力水平下所能发挥的最大强度减小。总体而言,剪胀角随应力水平增加而减小,亦随b增加而减小。     

饱和状态下硬岩三轴流变变形与破裂机制研究

利用岩石全自动流变伺服仪对饱和状态下坚硬大理岩和绿片岩进行了三轴压缩流变试验,基于得到的硬岩三轴流变试验结果,研究了硬岩在不同围压作用下的轴向应变以及侧向应变随时间的变化规律,从而为岩石工程流变数值分析时参数的辨识提供了可靠的试验依据。然后研究了硬岩轴向变形与侧向变形之间的关系,探讨了围压与粒径对岩石轴向以及侧向变形特性的影响规律,分析了岩石三轴流变过程中的塑性变形特性,讨论了流变应力水平对岩石侧向-轴向变形特性的影响规律。最后对不同围压作用下岩石流变破裂断口微细观特征进行了分析。     

一室四腔刚-柔加载机构真三轴仪的改进与强度试验——西安理工大学真三轴仪

土的真三轴仪是研究不同应力路径等复杂应力条件下土力学性质的重要仪器。与国内外已有真三轴仪的加载机构比较,西安理工大学真三轴仪具有一室四腔、竖向和水平面内正交两向分别呈刚性和柔性加载机构的特征。试样的竖向采用刚性板加载,侧向正交双轴分别采用两组内置于压力腔的液压囊加载。针对试样上下端部刚性板的约束作用,增大了试样的竖向尺寸,研制了高宽比为2∶1的压力室;针对立方体试样侧面正交双轴的液压囊体积变化量测侧向变形的不足,研制了穿越液压囊的变形量测机构;针对自动控制系统信号波动变化较大,稳定性差等不足,开发了自动控制系统及多种应力路径和控制方式的控制程序。通过饱和砂土、非饱和土和原状黄土的试验,测试了各种土的强度变化规律,验证了改进真三轴仪的性能。     

Validity of continuous-failure-state unloading triaxial tests as a means to estimate the residual strength of rocks

The residual strength of rocks and rock masses is an important parameter to be constrained for analysis and design purposes in many rock engineering applications.A residual strength envelope in principal stress space is typically developed using residual strength data obtained from compression tests on many different specimens of the same rock type.In this study,we examined the potential for use of the continuous-failure-state testing concept as a means to constrain the residual strength envelope using a limited number of specimens.Specifically,cylindrical specimens of three rock types(granodiorite,diabase,and Stanstead granite) were unloaded at the residual state such that a full residual strength envelope for each individual specimen was obtained.Using a residual strength model that introduces a single new strength parameter(the residual strength index,or RSI),the results of the continuous-failurestate unloading tests were compared to conventionally obtained residual strength envelopes.Overall,the continuous-failure-state residual strength data were found to be consistent with the conventional residual strength data.However,it was identified that the primary factor limiting an accurate characterization of the residual strength for a given rock type is not the amount of data for a given specimen,but the variety of specimens available to characterize the inherent variability of the rock unit of interest.Accordingly,the use of continuous-failure-state testing for estimation of the residual strength of a rock unit is only recommended when the number of specimens available for testing is very limited(i.e.5).