干燥及饱水岩石圆盘和圆环的巴西劈裂强度

 为研究饱水对岩石抗拉强度的影响,对4种岩石的外径50 mm、厚30 mm左右的完整圆盘及不同内径(0～20 mm)的圆环进行巴西劈裂试验,对完整圆盘破裂块进行点载荷试验,对标准圆柱试样进行单轴压缩试验。基于完整圆盘劈裂强度的统计分析,除大理岩之外,其余岩石进行5次重复试验即可消除离散性。饱水对岩石拉伸强度的影响主要体现在黏结力降低,而对压缩强度的影响还包括内摩擦因数及孔隙压力。因而巴西劈裂强度的软化系数Rt大于压缩强度的软化系数Rc,而两者大致成线性关系表明圆盘的巴西劈裂与加载点的压应力集中相关;圆环内径增大到20 mm,干燥与饱水岩石圆环的巴西劈裂载荷大致相同,表明压应力的影响已经减小。圆环的巴西劈裂载荷随内径大致呈指数关系降低,而弹性力学的分析结果如Hobbs 公式与实际情况差别较大。     

饱水对煤系地层岩石力学性质影响的试验研究

 为研究饱水对煤系地层岩石力学性质的影响,在自然和饱水状态下,利用RMT–150B岩石力学系统对砂岩、砂质泥岩和泥岩进行巴西劈裂、单轴压缩和常规三轴压缩试验。试验结果表明：3种岩石的平均吸水率为0.241%～0.482%,吸水率与时间的关系可以用对数函数进行拟合;饱水后对3种岩石的强度和变形特征均有不同程度的影响,泥岩表现最为明显,其次是砂质泥岩和砂岩,抗拉强度的软化系数为0.40～0.92;单轴抗压强度的软化系数为0.58～0.94,弹性模量的降低系数为0.58～0.95,变形模量的降低系数为0.68～0.94,泊松比的降低系数为1.08～1.11;三轴压缩峰值强度的软化系数K与围压?3大致成正相关,表明饱水状态下试样峰值强度对围压的敏感度大于自然状态下试样峰值强度对围压的敏感度;饱水对3种岩石试样的黏聚力均有不同程度降低,降低幅度为20.6%～67.0%,而摩擦因数大致保持不变,表明黏聚力是一个结构参数,摩擦因数是一个材料参数。     

红砂岩三轴压缩变形与强度特征的试验研究

利用RMT–150B型岩石力学试验系统对红砂岩进行单轴、常规三轴压缩和巴西劈裂试验,分析红砂岩的变形、强度与破坏特征,以拟合偏差的绝对值之和最小为目标确定5种强度准则中待定参数,比较拟合偏差及单轴抗压强度、抗拉强度和破裂角的预测值与试验值的差异。结果表明:直线型的Mohr-Coulomb强度准则的拟合偏差较大,高估了低围压和高围压时的岩石强度;Hoek-Brown准则、广义Hoek-Brown准则、Rocker准则和指数强度准则对单轴抗压强度的预测值与试验值(68.0 MPa)基本一致,但对抗拉强度均给出偏高的估计;广义Hoek-Brown强度准则预测的抗拉强度接近于试验值,整体拟合效果较好;红砂岩的破裂角为52.5°~66.6°,与围压呈负相关。Mohr-Coulomb强度准则预测破裂角为65°,与实际破裂角相差较大,其余4种强度准则预测的破裂角与围压均呈负相关,与实际破坏角的差距有所减小。     

基于单轴剪切破坏的岩石M–C准则参数反演分析

基于岩石单轴压缩试验中出现的不同剪切破坏形式,应用极限分析法推导出岩石单轴抗压强度与黏聚力及内摩擦角的关系式。结合矿区岩石单轴、三轴试验结果,验证以岩石M–C准则参数计算单轴抗压强度关系式的正确性,据此关系式获得的结果与试验结果差值在6%~10%之间。采用实例进行岩石黏聚力和内摩擦角的反演分析,以岩石实际单轴剪切破坏形式和试验结果为依据,两两结合联立计算得到岩石的黏聚力和内摩擦角。实例表明:基于单轴剪切破坏形式和单轴抗压强度值计算岩石黏聚力和内摩擦角的方法准确,具有实用价值,该关系式也揭示了岩石试样破坏类型与岩石力学参数间的内在关系。     

试验探究岩石抗剪强度参数与单轴抗压强度的关系

岩石单轴抗压强度一方面可为勘测设计阶段的工程地质评价和各类工程地基基础设计提供参数和资料,另一方面可为施工阶段的实体工程选用符合质量要求的石料提供依据,因此研究岩石的单轴抗压强度具有重要的工程意义。通过平推法岩石直剪试验,获得内聚力c和内摩擦角Φ,通过分析内聚力c和内摩擦角Φ随单轴抗压强度的变化特点,得出抗剪强度参数与单轴抗压强度的关系,为实际工程提供参考和辅助,具有重要指导意义。     

平台巴西圆盘劈裂和岩石抗拉强度的试验研究

在巴西圆盘试样中引进平台作为加载面,可以改善加载处的应力状态。利用有限元计算平台巴西圆盘均匀位移压缩时,随着平台中心角的增大,圆盘中心的拉应力降低,压、拉应力比增大,应用Griffith准则能否确定岩石的抗拉强度以及应该如何选择平台中心角需要研究。对花岗岩、砂岩、石灰岩和辉绿岩,以中心角20°～90°的平台巴西圆盘进行劈裂试验,圆盘不是沿中心线破坏,且抗拉强度随平台中心角增大而增大。原因有两个,一是Griffith准则过高地估计了抗拉强度,二是试验机压头与平台之间存在摩擦。垫入0.5mm厚聚四氟乙烯薄片可使平台圆盘沿中心线破裂,但垫片侧向变形大于岩石,平台受到指向外侧的摩擦力,使得圆盘强度随中心角的增大而降低。单轴压缩强度高达240MPa的花岗岩,其劈裂强度(13MPa)与平台圆盘的劈裂强度相当,其余3种岩石完整圆盘的劈裂强度明显偏低,说明集中载荷造成的影响不容忽视。综合考虑摩擦效应和平台加工质量的影响,圆盘中心角以20°～30°为宜。     

饱水对岩溶灰岩力学性质与纵波波速的影响

为研究饱水对岩溶灰岩力学性质和纵波波速的影响,进行自然和饱水状态下岩样的力学性能和弹性波测试。试验结果表明:饱水对岩溶灰岩的单轴抗拉强度、抗拉强度和弹性模量有明显的软化作用,饱水状态试样的峰值应变和泊松比整体上大于自然状态的对应值;岩溶灰岩试样在饱水条件下的纵波波速均明显高于自然状态下的纵波波速,试样的单轴抗压强度和抗拉强度与纵波波速具有较高的线性相关性。基于目前的研究现状,阐述了研究成果在隧道与周边高压充填隐伏溶腔间防突岩层稳定性评价及最小防突厚度确定中的应用。     

加载速率对湿态混凝土强度的影响

首先研究了混凝土在自由吸水条件下的饱和度演化规律,然后对5种湿度状态下的混凝土进行了5种抗压加载速率下的单轴压缩试验和5种劈裂抗拉加载速率下的劈裂抗拉试验,最后建立了不同饱和度混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度随加载速率变化的预测公式,并分解了自由水与加载速率的独立效应.结果表明:相同加载速率下混凝土试件的抗压强度与劈裂抗拉强度均随饱和度的增加而降低;相同饱和度下混凝土试件的抗压强度与劈裂抗拉强度均随加载速率的提高呈近似指数关系增长;相同饱和度下混凝土劈裂抗拉强度随加载速率的变化幅度较抗压强度更为显著.     

单轴压缩下饱水裂隙砂岩体积效应的试验研究

为研究水和岩样体积对砂岩物理力学及变形特性的影响,采用MTS815型岩石力学测试系统,对干燥和饱水状态下的3种不同体积(高径比2∶ 1)完整和裂隙砂岩进行单轴压缩试验。结果表明:完整和裂隙砂岩的孔隙率与饱和吸水率与岩样体积成正比;干燥和饱水的完整与裂隙砂岩单轴抗压强度均随体积增大而小幅降低;砂岩弹性模量和变形模量与岩样体积呈负相关,且水降低了砂岩的弹性模量与变形模量;干燥砂岩的泊松比随岩样体积增加而增大,而饱水砂岩则随岩样体积先增加,后稳定;干燥的完整和裂隙砂岩的宏观破坏形式由小尺寸的轴向多劈裂面破坏逐渐转变为大尺寸的单一剪切破坏,水的存在对岩样单轴压缩破坏形态没有明显影响。     

动静组合荷载下自然和饱水砂岩抗拉特性研究

为研究水对岩石在动静组合荷载下拉伸强度和变形性质的影响,利用霍普金森压杆(SHPB)试验系统对自然和饱水状态砂岩开展了一系列动静组合加载平台巴西圆盘劈裂试验,同时采用数字图像相关技术(DIC)对试样的变形破坏进行监测。试验结果表明:饱水处理会降低岩石的静态拉伸强度及动静组合加载下的拉伸强度;动静组合加载下,自然和饱水岩石的拉伸强度均呈现出率效应,其率敏感性与岩石含水状态有关,饱水岩石的率敏感性显著高于自然状态岩石;随着加载率的增大,饱水岩石中的Stefan效应逐渐增强,孔隙水产生的抗力阻碍了裂纹的发育扩展,饱和岩石从而表现出动态弹性模量增强的力学行为。     

岩石破损过程强度变化规律实测研究

 岩石材料强度会随着破裂发展而逐渐衰减,详细介绍自行设计的岩石强度衰减测试方法,试验思路、试件制作及关键技术;通过自行设计的直剪试验,测得常规压缩试验破裂得到的不规则损伤岩块在直剪过程中的剪应力–压应力关系曲线,由其拟合得到库仑强度曲线,并与已有(单、三轴)压缩试验数据线性拟合得到的莫尔强度包络线进行比较,分析讨论岩石在破损过程中材料强度(黏聚力和内摩擦角)变化规律,澄清现有黏聚力和内摩擦角变化规律2种完全相对立观点的适用范围。研究结果表明,由完整岩样进行单、三轴试验测得的黏聚力明显大于不规则岩块直剪试验结果,这主要是岩样在单、三轴压缩破坏过程中产生的损伤所致,而不是试验方法所导致的偏差;黏聚力反映的是岩石本质强度特性,受不同应力状态的影响较小。岩样单、三轴压缩试验测得的内摩擦角小于岩块直剪试验结果,这主要是受到不同应力状态和岩石缺陷分布的影响。在岩石破损过程中,内摩擦角随损伤的发展具有先快速增大至最大值后大幅降低直至保持一定趋势不变的规律。内摩擦角反映的是岩石摩擦强度特性,受不同应力状态的影响较大。黏聚力对应力水平的敏感程度远小于内摩擦角。岩石在破裂前后自身材料强度会产生明显衰减。     

低温条件下花岗岩力学特性试验研究

 从辽宁锦州拟建地下储库工程现场钻取典型花岗岩岩芯,进行不同冻结温度(－10 ℃～－50 ℃)和不同含水状态(干燥和饱和)的单轴及三轴压缩试验,分析岩石的变形破坏规律、干燥和饱和状态抗压强度以及三轴剪切强度参数c,j 值随温度的变化关系。试验结果表明：(1) 无论干燥还是饱和试样,微风化花岗岩单轴及三轴抗压强度随着低温温度的降低而提高,但呈现非线性增加的趋势,得到花岗岩抗压强度随低温温度变化的非线性关系拟合式,并认为微风化花岗岩存在一个抗压强度趋于稳定的温度界限值,此值约为－40 ℃;(2) 微风化花岗岩在干燥和饱和条件下,黏聚力c值随温度的降低而增大,在干燥条件下尤为明显。干燥条件下,微风化花岗岩内摩擦角随低温温度降低变化较小,摩擦角基本保持在57°左右,饱和条件下,微风化花岗岩内摩擦角随温度降低而增加, 由－10 ℃～－50 ℃增长幅度约为3.43%。该研究成果可为液化天然气(LNG)的低温地下存储提供一定的力学参数依据。     

岩盐力学特性的试验研究

针对岩盐这一特殊性质的岩石，进行了基本的力学特性试验，包括单轴压缩、间接拉伸及变角剪切。通过试验，发现无水芒硝岩盐是一种软岩，强度较低，变形较大。在单轴压缩变形破坏过程中，具有与普通岩石试件不同的四阶段性特征。另外，由变角剪切试验结果分别获得了无水芒硝和钙质芒硝岩盐的强度曲线方程。     

An approximate nonlinear modified Mohr-Coulomb shear strength criterion with critical state for intact rocks

In this paper, the Mohr-Coulomb shear strength criterion is modified by mobilising the cohesion and internal friction angle with normal stress, in order to capture the nonlinearity and critical state concept for intact rocks reported in the literature. The mathematical expression for the strength is the same as the classical form, but the terms of cohesion and internal friction angle depend on the normal stress now, leading to a nonlinear relationship between the strength and normal stress. It covers both the tension and compression regions with different expressions for cohesion and internal friction angle. The strengths from the two regions join continuously at the transition of zero normal stress. The part in the compression region approximately satisfies the conditions of critical state, where the maximum shear strength is reached. Due to the nonlinearity, the classical simple relationship between the parameters of cohesion, internal friction angle and uniaxial compressive strength from the linear Mohr-Coulomb criterion does not hold anymore. The equation for determining one of the three parameters in terms of the other two is supplied. This equation is nonlinear and thus a nonlinear equation solver is needed. For simplicity, the classical linear relationship is used as a local approximation. The approximate modified Mohr-Coulomb criterion has been implemented in a fracture mechanics based numerical code FRACOD, and an example case of deep tunnel failure is presented to demonstrate the difference between the original and modified Mohr-Coulomb criteria. It is shown that the nonlinear modified Mohr-Coulomb criterion predicts somewhat deeper and more intensive fracturing regions in the surrounding rock mass than the original linear Mohr-Coulomb criterion. A more comprehensive piecewise nonlinear shear strength criterion is also included in Appendix B for those readers who are interested. It covers the tensile, compressive, brittle-ductile behaviour transition and the critical state, and gives smooth transitions.     

基于BQ的破碎岩体注浆加固强度增长理论

正确评估破碎岩体注浆加固后的强度对于岩石工程设计十分重要。基于莫尔库仑强度准则,建立了注浆前后破碎岩体强度增长理论,推导出单轴抗压强度增长率、单轴抗拉强度增长率、内摩擦系数增长率和内聚力增长率之间的关系方程。根据已有的基于BQ的岩体内聚力和内摩擦角的经验公式,推导出注浆后破碎岩体内摩擦系数增长率和内聚力增长率随岩体质量指标增长量（ΔBQ）变化的表达式。再根据已有的注浆后破碎岩体单轴抗压强度增长率的经验公式和各强度增长率之间的关系方程,得到隐含ΔBQ的非线性方程,可通过数值解法求出了ΔBQ的值,进而很容易求得各强度增长率的值。分析表明,随着岩体质量指标由小到大变化,注浆后强度增长率开始较大,并很快减小,而后趋于平缓;一般情况下,内聚力增长率约为摩擦系数增长率的2～5倍,单轴抗压强度增长率约为单轴抗拉强度增长率的2～3倍。     

高温盐溶液浸泡作用下石膏岩力学特性试验研究

 为研究盐矿水溶开采或盐岩溶腔储库建造过程中,石膏岩夹层在温度与含Cl－盐溶液长时间共同作用下的力学特性,进行主要内容包括石膏岩在40℃,70℃半饱和、饱和盐溶液浸泡作用之后的单轴抗压强度、抗拉强度、抗剪强度试验,通过对比分析揭示石膏岩在这一特殊条件下的力学特性。主要结论如下：随温度升高、盐溶液浓度增大、浸泡时间的延长,石膏岩强度呈降低弱化趋势。浸泡60 d后石膏岩单轴抗压强度弱化系数为0.10～0.73;弹性模量随温度与浓度变化也呈线性规律降低,从40 ℃半饱和溶液中的5.92 GPa降至70 ℃饱和溶液中的0.21 GPa。相同条件下,抗拉强度也从在40 ℃环境下的0.64～0.66 MPa,降至70 ℃环境下的0.27～0.47 MPa。在70 ℃饱和盐溶液中浸泡60 d之后,石膏岩莫尔–库仑剪切强度拟合方程为 °,而相同条件下浸泡30,80 d之后的剪切强度拟合线性方程分别为 °, °。随浸泡时间的延长,石膏岩的黏聚力与内摩擦角均呈降低趋势。为区分石膏岩在不同条件下的破坏方式及其差异,定义岩石变形破坏脆性指标--破坏刚度,将其近似为岩石单轴压缩应力–应变曲线峰后破坏段斜率。实测结果表明,在干燥、40 ℃半饱和到70 ℃饱和溶液几种条件下,石膏岩的破坏刚度分别为704.4,690.1,218.9,255.2,19.5 GPa。相应破坏方式也由脆性向脆延性、延性转变。本研究对深入揭示石膏岩水力学特性及指导层状盐岩矿床储库溶腔控制溶解建造具有重要理论意义与应用价值。     

成浆方式不同盾尾浆液的压缩与强度特性试验

盾尾同步注浆对控制地面沉降和隧道上浮起着关键作用,采用压缩试验、直剪试验、单轴抗压强度试验,对不同成浆方式形成的自制浆和商品浆在不同龄期、不同养护条件的压缩特性、剪切强度特性和单轴抗压强度特性进行了室内试验研究,研究结果表明:商品浆在3d内的压缩模量和抗压强度比自制浆小,在后期,商品浆的抗压强度比自制浆大,商品浆的抗剪强度比自制浆大;商品浆和自制浆的压缩模量、粘聚力、内摩擦角和单轴抗压强度都随时间呈增加趋势,其中浆液的压缩模量和单轴抗压强度增加的较快,粘聚力和内摩擦角增加的较慢;干养浆液要比湿养浆液的强度增长的快,同时更难被压缩;特定压力越大,浆液的压缩量越大,浆液的压缩模量越大,越难被压缩,浆液压缩量与特定压力是成类似对数关系。研究结论不仅对于理论计算中浆液参数的选择具有参考价值,而且对于盾构同步注浆中浆液的选择更具有实际工程意义。     

岩石黏结摩擦特性及非线性强度的指数准则描述

 岩石具有黏结和摩擦特性,但两者在同一位置并不同时存在。裂隙摩擦力随围压增加,达到邻近完整岩石黏结力后将不再滑移引起材料破坏,影响试样强度的裂隙倾角范围随之减小,引起强度非线性增加。主控裂隙引起强度在低围压下线性变化,但不能以Coulomb准则直接确定岩石的内摩擦角。砂岩内存在多种倾角的自然裂隙,引起单轴压缩及低围压的强度离散,围压增高裂隙影响减小,强度随围压规则变化而以指数准则描述;轴向压缩塑性变形引起大理岩黏结力由低向高逐步丧失,而热力损伤引起黏结力整体降低;冻结使岩石黏结力提高而内摩擦角不变。若岩石具有宏观各向同性特征,则常规三轴强度可用指数准则描述,据其确定的初始围压影响系数可估计裂隙摩擦系数;进而理解裂隙对试样强度影响的非线性特征,评价岩石材料的真实黏结力和损伤。     

天然和饱水状态B类角砾岩的力学性质及其对地下厂房稳定性的影响

 从现场勘查、室内试验和数值计算的角度对某厂房出露的B类角砾岩的岩体特性、力学性质与开挖卸荷后围岩稳定性做系统的分析。室内试验结果表明,0～15 MPa围压下B类角砾岩表现典型的弹脆塑性;饱水试样在相对较高围压下加载时,试样的变形趋于均匀化,此时弹性模量不再随围压增大而增大。峰值强度的离散性较大,这是由于试样中方解石含量不同,随方解石含量增大,试样峰值强度增大;饱水状态试样较天然状态内摩擦角小而黏聚力大,体现水对角砾岩黏结强度的提高和内摩擦因数的弱化作用;利用角砾岩区域的三维数值模型计算得到开挖卸荷条件下B类角砾岩区域围岩的基本力学响应。计算结果与现场监测数据吻合较好。经过对B类角砾岩出露区域系统地加强支护,确保了施工期角砾岩区域的稳定性。