人工模拟堆石料颗粒破碎的分形特性

人工制备等粒径、不同强度的水泥球颗粒模拟堆石料,进行室内三轴加载试验。依据试验前后颗粒破碎后的粒径分布,采用Tyler等建立的分形模型,研究堆石料颗粒破碎的分形特性,并与Hardin相对颗粒破碎率进行对比分析,探究分形维数表征颗粒破碎程度的可行性。结果表明:排水和不排水条件下得到的结果相似,试验采用的4种水泥含量的试样颗粒在颗粒破碎后的分布特征具有良好的分形特性。同一水泥含量下,随着围压的升高,堆石料分形维数逐渐增大;高围压下,颗粒破碎严重,中间粒径和细粒含量较多,级配更均匀,分形模拟结果与试验结果较低围压下具有更好的线性关系。相同围压下,随着颗粒强度的增大,颗粒破碎程度减小,分形维数随之逐渐减小。通过与Hardin相对颗粒破碎率进行对比可知,分形维数可以很好地表征试样的级配情况,其值越大,级配越良好,粒径分布情况越均匀,颗粒破碎越严重。     

基于室内试验与数值模拟的煤岩围压效应研究

为研究不同围压下煤岩的变形破坏特征,对0、8、16、25 MPa 4种不同围压下的煤岩采用MTS 815岩石力学实验和RFPA 2D数值模拟软件展开应力应变特征、强度特征、声发射特征等研究,旨在揭示不同围压作用下煤岩的围压效应。结果表明:围压对煤岩的变形破坏特征影响显著,随着围压的增大,煤岩最大抗压强度线性增大,煤岩逐渐由脆性破坏向延性破坏转变,破坏形态以单轴压缩下的压剪-劈裂破坏和三轴压缩下的剪切破坏为主;煤岩强度特征参数随围压增大而增大,弹性模量随围压增大呈非线性增大,围压越大,则塑性应变越大,残余应变增大;声发射现象在煤岩单轴压缩状态下十分强烈,但随着围压的升高,声发射现象、应变能释放等声发射特征参数均趋于稳定; RFPA可再现煤岩在不同围压下裂纹萌生、扩展至完全破坏的渐进破坏过程,模拟结果与室内试验耦合度较好,验证了数值模拟的可靠性。     

不同粒径砂岩力学特性试验研究

为探究不同粒径砂岩长短期力学行为的差异,对取自某水电建设工程现场的粗、中、细三种粒径大小的砂岩进行了短期三轴压缩、三轴渗透以及蠕变力学试验。研究表明：相同围压下,粒径越大的砂岩,其强度、粘聚力及变形量越小;同等粒径下,长短期强度值及变形量随着围压升高呈线性增加;砂岩的渗透率在屈服阶段快速增加并在破坏前后达到最大值,粒径越大的砂岩,其渗透性越强;相同偏应力和围压下,砂岩的稳态蠕变速率随着粒径增大而减小;同等粒径和围压下,稳态蠕变速率随着偏应力增加而呈指数型函数增长;同等粒径和偏应力下,围压越大,其稳态蠕变速率越低;三种粒径砂岩在长期荷载作用下对应的强度较短期值下降了40豫耀60豫,内摩擦角和内聚力则分别较短期值降低了40豫和40豫耀50豫,其中,中砂岩下降幅度最大。     

花岗岩脆延破坏过程声发射与损伤特性模拟研究

为了研究花岗岩脆性和延性破坏过程的声发射特性和损伤演化机制,通过花岗岩单轴试验和颗粒流程序进行了不同围压试验,获得了花岗岩破坏过程中的声发射曲线并再现了内部损伤演化过程。试验结果表明:花岗岩脆延破坏分界围压约为100 MPa;花岗岩脆性破坏时最大声发射强度的滞后效应受围压影响显著,围压越大滞后效应越不明显,延性破坏时最大声发射强度与峰值应力同时出现,滞后效应消失。花岗岩脆性破坏声发射曲线为单峰型,延性破坏声发射为平缓曲线。脆性破坏花岗岩内部严重损伤区少且分布集中,损伤区裂隙发展方向单一,延性破坏内部损伤区多且遍布整个试样,损伤区裂隙主要沿2个相互正交方向发展;花岗岩破裂角随围压增大逐渐减小,由低围压下的破裂面转变为高围压下的破碎带,低围压脆性破坏花岗岩被破裂面切割成数块,高围压下延性破坏呈粉碎性状态。     

贵州赤水红层砂岩压缩破坏过程孔隙及渗透率试验研究

【目的】为了认识红层砂岩在加载过程中渗透率演化特征,【方法】通过声发射、核磁共振、渗透试验对贵州赤水红层砂岩加载过程中孔隙和渗透率的演化过程进行了研究,讨论了孔隙分形维数、孔隙率与渗透率之间的关系。【结果】结果显示：砂岩的小孔占总孔隙的33%～37%,大孔占总孔隙的64%～68%;经历多次加载梯度后,砂岩试样S-3、S-4、S-5的渗透率最终分别降低至初始渗透率的71%、63%、54%。【结论】结果表明：砂岩的渗透率在加载全过程中随应力的增加呈线性降低,孔隙率变化表现出明显的阶段性,孔隙压密阶段孔隙率降低,弹性阶段初期孔隙率回升后随应力增长而降低,非稳定破裂阶段孔隙率增大;砂岩的核磁共振T₂谱图呈双峰特征,在试样破坏前,大孔径孔隙比例降低,小孔径孔隙比例升高。NMR大孔分形维数D_fl与渗透率线性相关性强;核磁共振成像结果(MRI)可显示砂岩在不同加载阶段内部微孔洞和微裂隙的演化过程,通过对砂岩核磁共振图像处理,可获得不同应力加载过程砂岩孔隙演化规律。     

筑坝堆石料三轴剪切特性及变形破坏试验研究

为研究不同围压下筑坝堆石料强度及变形特性,利用室内大型三轴压缩试验机进行试验,分析不同围压下筑坝堆石料应力-应变特性、非线性抗剪强度指标及剪胀性的变化规律,探讨Rowe剪胀方程对筑坝堆石料剪胀变形特性的适用性,并揭示其变形破坏机理。试验结果表明：中低围压下,筑坝堆石料应力-应变曲线呈软化趋势,而高围压下则呈硬化特征。非线性抗剪强度指标随围压的增大而逐渐降低。筑坝堆石料在低围压下先发生剪缩后发生剪胀,中高围压下则发生剪缩,且围压越大,剪缩特征越明显。Rowe剪胀方程可适用于表征筑坝堆石料的剪胀变形特性。高围压下引起的颗粒破碎现象是影响筑坝堆石料变形破坏的重要因素,颗粒破碎率越大,剪胀率越小。     

基于损伤演化的半均质砂岩本构模型研究

为了对受载岩体破坏过程的损伤演化规律进行探究,利用三轴试验仪对半均质砂岩进行三轴压缩试验,并布置声发射(AE)监测仪,对砂岩变形破坏全过程进行试验研究。分析了不同围压下砂岩三轴压缩各阶段的声发射特征,提出了基于AE事件点数的损伤变量,分别假设损伤演化方程服从韦伯分布和对数正态概率分布,建立了以AE事件点数为损伤变量的损伤演化模型,并引入修正系数对损伤变量D进行修正。结果表明围压越大,声发射活动越弱,围压能够抑制试样内部裂纹的产生和发展,增大试样强度,从而延缓其宏观破坏时间;砂岩的损伤发展主要经过4个阶段,即初始损伤阶段、损伤稳定发展、损伤加速阶段和破坏后损伤阶段。通过对韦伯分布和对数正态分布建立的声发射损伤模型进行比较,发现对数正态分布更适用于描述半均质砂岩的声发射现象。     

基于声发射监测的不同加卸荷路径下砂岩破坏前兆信息研究

为了研究岩爆的孕育演化过程,采用砂岩开展了一系列加卸荷试验,在此过程中利用声发射系统监测岩石破裂的孕育演化过程。试验结果表明,随着围压的增大,方案Ｉ声发射的平静期变得更加明显,裂纹扩展过程由小裂纹的萌生向裂纹聚集过渡。因此声发射平静期可以看作是常规三轴压缩条件下试样破坏的前兆信息。低围压条件下,应力比为０．８～１．０时,剪切带的形成导致试样脆性破坏,不同应力路径下分形值迅速下降。这一阶段声发射的分形值可以用来研究试样在不同应力路径下的破坏前兆。方案Ⅱ的分形值递减率最高,方案Ⅲ次之,方案Ⅰ的分形值递减率最低。在高围压条件下,当时间比大于０．８时,卸荷路径下砂岩试样的分形值迅速降低,表明随时间比变化的分形值可以用于高围压条件下岩石破坏的预测。     

复杂地质条件下砂岩渗透机理及模型探讨

为分析研究砂岩渗透性受各项地质因素影响的相互关系,对不同泥质含量和孔隙率的砂岩进行了不同应力环境下的三轴渗透试验。试验结果表明:渗透率随着应力加载全过程呈先减小后增大的趋势;体积变形扩容点与渗透率的突变点相对应,能准确反映渗透性的变化态势;偏应力、泥质含量及孔隙率一定时,渗透率随围压的增大呈负指数型减小;同等应力环境下,渗透率随孔隙率与泥质含量比值的增大呈指数型增加。通过分析探讨,建立了渗透性与围压、孔隙率、泥质含量相关的渗透经验模型以及随体积应变变化的扩展经验模型,该模型能够较为准确地反映复杂地质环境下砂岩渗透性的变化趋势。     

充填砂和抛填砂渗透特性试验研究

南港东堤堤身充填砂和堤基抛填砂密实度存在不均一性,使得堤身和堤基抛填砂的渗透系数分布不均匀,不同部位的抗渗能力也不同。通过考虑不同应力状态,分别对砂样开展了室内试验研究并展开了分析。研究表明:砂样的渗透性符合达西渗透定律,充填砂和抛填砂的渗透系数明显不同。应力状态对抛填砂和充填砂的渗透特性影响较大,无围压下的砂样渗透系数比有围压的要大,而且随着围压的增大渗透系数逐渐减小。砂性土体的渗透系数与孔隙率是密切相关的,围压越大,土体被压缩,其孔隙率越小。当围压增大到一定程度时,土颗粒之间的空隙已经密实,此时土体渗透性减小幅度不再明显。     

围压作用下混凝土渗透性初步研究

混凝土介质的抗渗性是其耐久性的一个重要方面。通过试验,揭示了混凝土试件的渗透率在围压升降循环过程中的变化特性,获得了混凝土试件在相同渗压、不同围压作用下的渗透率特征曲线,以及在围压升降过程中混凝土试件渗透率的变化曲线。试验结果表明：混凝土试件的渗透率变化与围压的变化呈负指数关系;在围压升降循环过程中,低围压阶段混凝土试件的渗透率对围压改变的敏感性大于高围压阶段;在不同的围压升降循环过程中,试件的渗透率具有不同的恢复率;在围压升降过程中,混凝土渗透率的变化具有一定不可逆性。     

含石率对断层土石混合体渗流特性的影响

断层破碎带是矿山突水的重要通道,大多数破碎带由土石混合体组成,其渗流特性对矿山突水的预测和防治具有重要影响。为了研究含石率对断层破碎带土石混合体渗流特性的影响,采用现场取样、实验室重塑的方法,应用 GDS 三轴试验系统研究了不同含石率土石混合体试样在不同围压和轴向压力作用下的渗透特性,并分析了渗透系数对含石率变化的敏感性;采用RFPA数值模拟方法,研究了不同含石率土石混合体试样的渗流特性和开裂破坏演化规律。研究表明:含石率越高,初始渗透系数越高,土石混合体强度也越高;土石混合体的渗透系数随围压的增大而减小,与轴压的关系可以用指数函数来描述;含石率为40%和60%时,含石率对渗透系数影响的程度最大;土石混合体渗透破坏时裂纹的扩展主要出现在块石之间的土体内,渗透系数的突变点与试样峰值强度破坏点及声发射次数最高点存在一致性。对断层破碎带土石混合体渗流特性的研究可为防治不同含石率断层区工程突水等地质灾害提供参考。     

围压和渗透压作用下塔木素深部黏土岩渗透及强度特性试验研究

深部岩体多处于复杂应力场和渗流场中,研究围压和渗透压作用下黏土岩特性对高放射性废物深地质处置库的设计开挖具有重要的意义.通过塔木素黏土岩围压加卸载渗透率演化试验及不同围压和渗透压下全应力-应变渗透率试验,分析了其渗透和强度特性.综合考虑围压和渗透压对黏土岩强度的影响,引入围压强化系数和渗透压弱化系数,并结合不同强度准则...     

基于SEM图像处理的天然硅藻土分形特征分析

为探讨天然沉积硅藻土的微观结构及变形机制,对硅藻土样进行了SEM电镜扫描、压汞试验和高压三轴试验。采用图像分割原理及最佳阈值法分析了天然沉积硅藻土在不同固结压力下的分形特征和孔隙结构特征参数,探讨了硅藻土分形维数和各向等压固结压力之间的关系。结果表明,硅藻土体多孔隙,具有很强的结构性。土中孔隙孔径大多在0.1~1.0 μm之间。在固结压力达到屈服压力后,孔径大于1 μm的较大孔隙随固结压力的增加而减少,硅藻颗粒破坏,孔隙结构坍塌。获取了灰度阈值及二值化后的SEM图像。得到天然沉积硅藻土在不同固结压力下的分形盒子数和盒维数。结果还表明分形盒维数随固结压力增加而增加,天然沉积硅藻土在固结压力下的微观结构性及孔隙分布可通过分形盒维数来反映。     

基于多孔介质土体分形特征的渗透系数研究

堤坝工程渗流计算中确定土体渗透系数尤为重要。利用分形维数不同尺度域,分析渗透破坏试验土样无标度区,指出土体细颗粒含量是决定土体分形维数的主要因素。基于多孔介质毛管束模型,推导了渗透系数和孔隙率与分形维数之间分形关系解析式,阐释了多孔介质土体渗透系数影响因子包括分形系数、孔径大小、分形维数及流体黏滞系数。利用土体渗透破坏试验结果,进一步论证了渗透系数和孔隙率与分形维数之间的非线性关系。结果表明:当分形维数大于2.83时,孔隙率随着分形维数的增大而减小,但在颗粒吸着水和薄膜水形成的黏聚力影响下,渗透系数随着分形维数增大而减小的规律不明显。研究结果可为渗透破坏形成机制及发展过程分析提供理论依据,减少堤坝渗透破坏致灾隐患。     

基于声发射监测的堤防管涌试验

为研究声发射实时监测堤防的管涌过程,开展了变水头作用下的砂槽模型试验。通过对管涌过程的渗流量、平均水力坡降与声发射特征参数对比分析,发现管涌过程的水力参数和声发射参数具有相同的分布规律。引入地震级数b值计算方法和关联维数G-P算法,计算管涌过程中AE信号的b值和AE信号波形的分形维数值D。结果表明:由b值和分形维数值D的大小和分布规律,可对管涌过程进行判别,及时对管涌危害进行预报,降低堤防管涌带来的危害。