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。     

冻融焦煤力学行为特征及微观结构响应规律试验研究（英文）

为深入研究煤岩在冻融与载荷作用下的力学行为特征和细观结构响应规律,开展了冻融焦煤单轴压缩试验,试验全程采用声发射和DIC系统监测,采用扫描电镜及显微镜观测了不同冻融次数焦煤细观结构及断裂面形貌。结果表明,随着冻融次数增加,煤样质量持续增长,孔隙裂隙结构显著发育,单轴抗压强度及弹性模量逐渐降低。冻融次数增加,压缩煤样声发射活动逐渐增强,且压密阶段AE事件分布密度及强度显著增加;煤样压缩全程内部拉伸微裂纹占比较大(除冻融30次外);声发射b呈“V”型变化,揭示冻融焦煤裂纹扩展速度先增后减,加载过程中b值平稳降低特征逐渐显著,微裂纹尺度不断增大。冻融次数增加,压缩煤样耗散能占比逐渐增大,弹性能占比对应减少;冻融0～20次煤样多呈劈裂拉伸破坏,冻融30次后转为剪切破坏,煤样破坏时最大主应变由17.42%降至4.65%,断面形貌由粗糙逐渐趋于光滑。建立了冻融及单轴载荷作用下冻融焦煤单轴压缩损伤本构模型,所得理论曲线与试验结果吻合度较高。研究发现,自由水冻结造成孔隙裂隙空间扩展延伸、不断强化的水岩作用以及矿物颗粒间的相互作用是造成焦煤冻融损伤的主因。     

三维动静组合加载下岩石的破坏形态及力学性能研究

为研究岩爆等地质灾害发生的力学机制,利用改进的霍普金森杆试验装置,对红砂岩进行预加载三维静应力下受冲击载荷试验,分析红砂岩的破坏形态、能量耗散规律及变形强度特征.研究表明,红砂岩的破坏形态在有无围压情况下,都随着轴压的增大破坏程度增大,在无围压及有围压情况下分别呈现出"X"型和"圆锥台"型的压剪破坏形态.当轴压固定时,红砂岩的破坏程度随围压的增大而降低.在三维动静组合加载下,红砂岩入射能及单位体积吸收能与平均应变率呈线性递增关系,且递增的程度随轴压的增大表现出先增大后降低的趋势,而随围压的增大而增大.红砂岩应力应变曲线在不同平均应变率下表现出应变回弹、应力跌落及峰后塑性三种类型.红砂岩抗压强度增长因子与平均应变率1/3次幂呈线性递增关系.     

多孔弱胶结岩石破裂的围压影响机制及压密-损伤本构模型

通过开展粉砂岩单轴、三轴压缩试验,研究不同围压下岩石的力学性质及声发射活动规律,揭示了围压对多孔弱胶结岩石破裂的影响机制;根据声发射能量计数建立损伤变量,并提出了表征岩石损伤分布程度的损伤度;采用粉砂岩空隙体积应变建立岩石的空隙压密度,验证岩石空隙压密-损伤破裂本构模型并进行了参数分析.研究表明：1)施加围压阶段产生的体积压缩量最高,占据岩石最大体积压缩量的65%;泊松比随围压增大而减小,与致密硬岩恰好相反.2)围压限制了岩石的微裂纹扩展,粉砂岩单轴压缩时的声发射振铃计数率最大值为三轴压缩的十几倍;围压越大,声发射空间分形维数越小,微裂纹分布越集中.3)多孔弱胶结岩石的破坏是岩石内部短时间内产生大量小尺度剪切微破裂并迅速汇集—兼并形成大尺度宏观裂纹的过程;低围压可以有效地抑制小尺度微裂纹的扩展,而高围压对大尺度微裂纹的约束效果更明显.4)空隙压密-损伤破裂本构模型的理论参数物理意义清晰,能够准确反映围压对粉砂岩压密及破坏的影响机制,对于描述三轴压缩下多孔弱胶结岩石变形破坏规律具有较好的适用性.     

原状黄土冻融过程抗剪强度劣化机理试验分析

通过对西安Q₃原状黄土在封闭系统冻融作用下的电镜扫描和直剪试验,研究了冻融作用对原状黄土微观结构和强度的影响。试验表明：冻融过程中原状黄土微观结构发生显著变化,大颗粒集粒数量明显减少,小粒径土颗粒所占比重增加,孔隙面积比增加。进一步基于损伤力学理论,得到微观结构冻融损伤度随冻融次数增加呈指数增加趋势,反映出冻融作用一定程度上破坏黄土体的结构强度,但多次冻融后黄土体结构强度趋于稳定的残余强度。冻融过程土样表面结构发生破坏,且含水率越高,土体表面特征破坏越严重。粘聚力随冻融次数增加呈指数衰减趋势,且含水率越高,粘聚力衰减幅值和速率越小;粘聚力随含水率增加表现出线性衰减特征,且冻融后粘聚力与含水率的变化规律近似重合;内摩擦角无明显规律性变化。粘聚强度冻融损伤系数随冻融次数增加呈指数增加趋势,随含水率升高有增大趋势。基于试验数据规律性,进一步提出了原状黄土粘聚强度劣化模型,该模型经试验验证可较好描述原状黄土粘聚强度劣化规律。     

不同围压下茅口灰岩渐进性破坏的试验研究

利用MTS815电液伺服控制刚性试验机进行不同围压下茅口灰岩三轴压缩试验,通过计算绘得相应裂隙体积应变图,分析得出裂纹起始应力、裂纹破坏应力。结果表明:随着围压的增大,应力门槛值均呈非线性增长态势,当围压超过17 MPa时,裂纹起始应力、裂纹破坏应力分别增加48.5%和20.1%,茅口灰岩延性开始增强;裂纹破坏应力为峰值强度的64%~75%,三轴压缩下茅口灰岩裂隙不稳定发展阶段较长;环向应变值随围压增大而增大,当轴力超过裂纹破坏应力进入裂隙不稳定发展阶段,环向应变增大2.7~3.2倍,用环向-轴向应力应变曲线图能较好的反映岩石应力门槛值。     

水泥稳定路基土力学特性研究

为探究稳定固化路基土的强度受水泥掺量和围压的影响程度,通过室内无侧限抗压强度试验与三轴压缩试验,得到水泥稳定路基土的单轴抗压强度、黏聚力、内摩擦角等力学参数和各因素对水泥稳定路基土力学性质变化规律的影响。采用回归分析法研究了无侧限抗压强度和稳定剂的相关性,给出了抗压强度与水泥掺量的拟合公式用于预测水泥的合理掺量范围。结果表明:水泥稳定路基土在一定水泥掺量范围内,随水泥掺量的增加,无侧限抗压强度、剪切应力、残余强度均增大,黏聚力先显著增大后略微下降,内摩擦角上下略微波动;剪切峰值应力与残余强度随围压增大显著增大。     

双向冻结单向融化土冻融循环下的融沉及压缩特性

自行设计了冻土冻融循环装置,基于此开展不同上边界冻结温度条件下粉质黏土的冻融循环试验.试验结果表明:1)随冻融次数增加,经高温冻结冻融作用和经低温冻结冻融作用当干密度ρd≤1.42g/cm3时,试样以压密变形为主,而低温冻结冻融作用后ρd1.42g/cm3的试样则以膨胀变形为主;第2次冻融作用与第1次冻融作用相比,高温冻结冻融作用后的试样融沉系数α0大幅度降低,而低温冻结冻融作用后的试样α0则表现为增加;随冻融次数增加,α0趋于稳定值α07,且α07随上边界冻结温度的增加而增加.2)当上边界冻结温度高于-2.8℃时(包含-2.8℃),不同干密度土样冻融1次后压缩系数mv均降低,当上边界冻结温度低于-2.8℃时,ρd≥1.42g/cm3的试样1次冻融后的mv增大,ρd1.42g/cm3的试样mv则减小;随冻融次数增加,mv逐渐增大并逐渐趋于稳定值mv7,且mv7随上边界冻结温度的降低而增加.     

三轴压缩煤样破坏规律及剪切强度参数的反演

在提出了等效破裂角概念的基础上,采用正交分析理论,对煤样剪切破坏规律及其主要影响因素进行了分析.结果表明:煤样共有4种破裂形式,随着内摩擦角及围压的减小,易发生破坏的顺序依次为单剪破坏、共轭破裂、张剪破坏、延性破坏;煤样破坏角随着内摩擦角和围压的增大而减小,随着剪胀角的增大而增大;内摩擦角为45°时,均为单剪破坏,内摩擦角为15°时,均为延性破坏.采用峰值强度、等效破坏角、峰值轴向应变、峰值环向应变来反演煤样黏聚力和内摩擦角的方法可以获得单个煤样的力学参数,与实测相吻合,体现了煤样的离散特征.     

黄土地区边坡冻融剥落病害机理及稳定性分析

通过现场调研、室内冻融试验及计算分析开展了黄土边坡冻融剥落病害机理及稳定性的研究.结果表明:冻融剥落病害分为表层冻融剥蚀、冻融层状剥落及微型冻融崩塌.随着冻融次数的增加,粘聚力呈指数衰减趋势;随着含水率的增加,粘聚力显著减小且在经历冻融后与含水率的变化曲线近似重合;而随着冻融次数的增加,内摩擦角并无明显变化,随含水率增加,内摩擦角呈线性衰减特征,但衰减幅度不大.安全系数随冻融次数增加亦呈指数衰减趋势,随剥落体含水率增加显著降低且冻融后安全系数与含水率的变化曲线近似重合,随冻融深度增加呈指数衰减趋势且含水率很高时其指数变化规律不明显.     

三轴加卸载下花岗岩脆性破坏及应力跌落规律

基于2种卸荷应力路径和常规三轴压缩试验,研究了加卸载条件下花岗岩的变形破坏及应力脆性跌落特征。卸荷条件下岩石变形主要是向卸荷（主）方向回弹或拉伸变形为主,而非或次卸荷方向的塑性变形很小,峰后应力应变曲线呈现明显的脆性特征。而加载条件下岩石以轴向压缩变形为主,且压缩塑性变形随围压增大而增大;卸荷条件下破坏岩石各种级别的张拉裂缝较多,张裂面一般垂直于卸荷主方向,高初始围压时双向卸荷甚至在次卸荷方向也可产生环形张拉裂缝。破坏围压较高时破裂面剪性特征相对明显,但剪性裂面一般追踪张性破裂面发展而成,并在剪切面两侧发育较多微张裂缝。而相对较高围压下常规三轴压缩岩石一般为剪切破坏,张性裂缝很少;常规三轴压缩岩石的应力脆性跌落系数随围压的增大而增大,而在卸荷条件下却随初始围压的增大而减小。相同初始围压时,卸荷条件下比加载时的应力脆性跌落系数小得多,方案Ⅱ在初始围压达到30 MPa时甚至出现负值,应力脆性跌落系数R依次为：RⅢ〉RⅠ〉RⅡ。     

冻融循环作用下砂岩力学特性与电镜扫描试验研究

通过对取自新疆阿勒泰某隧道的砂岩开展冻融循环试验,在-25℃下冻结9 h,(20±2)℃下融解5 h,为一个冻融循环过程,对岩样分别进行0、5、10、20、30、40、50、60、80次冻融循环。然后,进行单轴压缩试验和电镜扫描试验,得到经历不同次数冻融循环后的饱和砂岩破坏特征、应力-应变曲线、弹性模量、泊松比,并分析该砂岩物理力学特性和破坏断口微裂纹演化与冻融条循环次数之间的关系。结果表明:随着循环次数的增加,该砂岩岩样弹性模量呈不同程度降低趋势,峰值应变呈逐渐增大趋势,而泊松比呈先增加后减小趋势,微裂纹长度、宽度及面积不同程度呈增大趋势,使砂岩损伤劣化不断加剧。     

高海拔多年冻土区露天煤矿软弱夹层冻融损伤试验研究

为了建立多年冻土区露天煤矿软弱夹层强度与冻融循环的关系,获取相互之间的变化规律,借助三轴压缩试验对木里露天煤矿软弱夹层在增湿与冻融两条件下的冻融损伤进行了试验研究。结果表明:软弱夹层强度参数黏聚力、内摩擦角及弹性模量随含水率增加均降低且呈幂函数关系,泊松比与含水率呈类线性关系;强度参数随冻融循环次数增加总体仍呈明显下降趋势且呈指数函数关系。随着冻融次数和含水率的增加,软弱夹层的冻融损伤与耦合损伤因子均呈非线性递增趋势,冻融损伤在耦合损伤过程中起主导作用,尤其是当含水率达到13.87%之后,冻融损伤的主导作用愈加明显。     

卸围压条件下花岗岩强度特性及三维裂隙演化规律

为研究卸围压条件下花岗岩强度特性和三维裂隙演化规律,对花岗岩开展了常规三轴压缩、卸围压-加轴压和分级卸围压-加轴压循环加卸载3种不同应力路径力学试验,获得对应的轴、径向应力-应变曲线;采用CT扫描三维重构技术获得岩石卸围压过程中和破坏后内部裂隙分布三维图像.结果表明:相对于常规三轴压缩试验,试件在卸荷条件下脆性破坏特征更加显著,分级卸围压-加轴压循环加卸载会增大花岗岩的峰后延性,降低破坏轴压和破坏剧烈程度;两种卸围压方案都会使花岗岩的承载能力降低30%左右;卸荷作用下花岗岩宏观破裂为拉剪组合状,拉剪过渡不明显,表观裂隙是内部裂隙向外扩展的结果;花岗岩在卸荷作用下峰前产生的裂隙量较少,大量裂隙在峰后产生,破裂具有突发性和瞬时性,围压较低时宏观裂隙首先在试件边缘产生,围压较高时宏观裂隙首先在试件中部产生.     

冻融循环下路基土抗剪强度与塑性指数相关性

取季节性冻土区3种不同塑限路基土,通过对室内制备的试样在经历0～7次完整冻融循环过程后,进行不同围压下三轴压缩试验,得出如下结论:同种土相同冻融循环次数下,抗剪强度随围压的增加而增加;相同围压下抗剪强度随冻融循环次数的增加基本呈下降趋势;相同围压、相同冻融循环次数条件下,抗剪强度随塑性指数的增加而增加。采用指数函数进行多元非线性拟合,建立了不同塑性路基土抗剪强度与围压、塑性指数及冻融循环次数的关系,拟合效果理想。     

粗砂岩变形破坏过程中的能量演化机制

对粗砂岩进行单轴试验测得其力学参数,然后采用颗粒流和fish程序获得粗砂岩的细观力学参数进行不同围压下的压缩试验,分析粗砂岩的变形和强度特性以及在变形破坏过程中的能量演化规律。获得主要结论:随着围压增加粗砂岩屈服阶段明显增加,峰值强度提高,峰后由明显软化逐渐向塑性流动过渡,表明随着围压增加粗砂岩脆性降低而延性提高,主应力表示的二次型强度准则比直线型更加贴近试验结果。粗砂岩在变形破坏过程中,弹性阶段吸收的能量主要以弹性应变能的形式存储,屈服阶段弹性应变能增速减缓而耗散能增速加快,围压越高峰值处对应的耗散能越大表明高围压下破坏时岩石内部损伤严重,峰后阶段弹性应变能在低围压下急剧减小而高围压下缓慢减小。弹性储能极限随围压增加呈现线性增大趋势,弹性应变能与岩石吸收总能量之比先减小而后趋于常值。     

复杂应力条件下岩石的拉剪变形及破坏准则研究

根据不同围压条件下的粉细砂岩三轴压缩全程试验,分析了围压对砂岩峰值强度和破坏方式的影响,研究了压缩过程中砂岩的拉、剪变形随围压的变化规律。结果表明:粉细砂岩峰值强度与围压的关系是一条有拐点的折线,围压低于拐点对应的临界围压σ3L时,粉细砂岩的破坏方式仍为剪切破坏,但其强度受到张拉变形影响而低于Coulomb准则的计算值,岩石破裂面与最小主应力夹角大于(45°+φ/2);围压高于σ3L时,粉细砂岩的破坏仅受剪切变形控制,张拉变形对强度的影响可以忽略,岩石进入完全剪切破坏状态,破裂面角度与(45°+φ/2)吻合。在此基础上,提出了反应砂岩破坏过程中张拉应变和剪切应变相互关系的指标值ft/fγ,并据此推导了砂岩在不同围压下的强度准则,与实际情况较为吻合。     

融冻过程中约束方式对冻土力学性质的影响

不同的冻结-融化条件将极大地影响土体的性质,分析了融冻过程中约束方式对冻土力学性质的影响.将试样分别装在乳胶套、有机玻璃模具和铜质模具中进行不同次数的融冻循环试验,然后对试样进行单轴压缩试验.结果表明：经历融冻循环后,装在乳胶套中试样的峰值应变小于20%,试样中间发生鼓胀,且出现明显裂纹,试样强度最低;装在有机玻璃模具中试样的峰值应变大于20%,试样两端被挤压,并出现裂纹,试样强度居中;装在铜质模具中试样的峰值应变在20%左右,试样中间发生鼓胀,但没有明显裂纹,试样强度最高.所有试样的强度随融冻循环次数的变化规律一致,初始冻结状态时的试样强度最高,经历第1次融冻循环后试样的强度大幅度降低,随着融冻循环次数的增加,试样强度继续降低,但降低幅度变小,经历多次融冻循环以后,土体强度又有增加的趋势.     

冻融循环作用下砂质黄土强度劣化特性及影响因素研究

为揭示砂质黄土在冻融循环作用下的强度特性，以榆林子洲某地砂黄土为研究对象，对其进行不同初始条件的冻融循环试验，并测定土体冻融后的三轴剪切强度。结果表明：砂黄土冻融后表面出现明显的结构破坏现象；土体粘聚力随着冻融循环次数增加先减小然后有所回升，土体冻融后的粘聚力随初始含水率的增加而减小，冻结温度对不同含水率土体粘聚力的影响不同；土体内摩擦角在冻融循环作用下有所减小，总体下降量不大；土体强度下降主要受粘聚力劣化影响；高含水率极端低温冻结及低含水率较高温冻结均加速了冻融循环作用对土体强度的破坏。     

冻融循环下含水率对粉质黏土力学性质影响试验

为研究初始含水率对土体力学性质冻融循环效应的影响规律,以青藏高原粉质黏土为对象,进行不同含水率、围压及冻融次数条件下的三轴试验.结果表明:冻融循环使得不同初始含水率试样的应力-应变曲线趋于接近,低含水率试样的力学性质表现为劣化,在一定范围内,含水率越高,劣化效果越显著;当含水率增加至某一值后,一般为接近塑限时,冻融循环效应则表现为强化;封闭条件下土体冻融循环中的水分迁移会引起含水率的增减分区分布,且初始含水率越高,水分迁移量越大;土体破坏强度随含水率的增加以非线性规律减小,因此试样冻融循环后含水率增大区和减小区的强度变化幅度不同,会引起破坏强度增大、减小及不变等3种不同的变化趋势;冻融循环下土体力学性质会受到干密度、水分重分布及土体结构改变等多方面的影响,初始含水率和冻融次数不同,占主导地位的因素也不同,冻融循环效应就相应地呈现出多样化特征.