深部巷道破裂围岩强度衰减规律试验研究

 为研究深部巷道破裂围岩强度衰减规律,设计模拟巷道破裂区应力演化规律的应力路径,采用MTS815岩石力学伺服试验机对完整的砂质泥岩试样进行加卸载试验,得到不同损伤程度的初始损伤岩样;通过单试件法对初始损伤岩样在不同围压下的三轴强度特性进行试验研究。采用卸载点的应力减低比D?、体积膨胀比DV作为损伤变量,分别建立损伤岩样峰值强度及强度参数与二者的函数关系,研究成果表明,初始损伤岩样的峰值强度、黏聚力与内摩擦角随损伤程度的增大大幅减小,且呈指数衰减规律。     

岩石三轴压缩峰后曲线与抗剪强度参数关系探讨

对岩样在常规三轴压缩下应力应变曲线特别是峰后强度变化曲线进行深入分析,通过分段函数和双曲函数建立峰后强度参数随软化参数变化的规律,给出了花岗岩常规三轴状态下峰后应力应变关系式的具体求法,并发现岩石粘聚力和摩擦角可用岩石峰值强度和残余强度结合破坏角近似描述,因此,提出一种较简便的计算岩石黏聚力和摩擦角的近似方法。对多组花岗岩试样进行三轴压缩试验,利用不同围压下应力应变曲线,求得内摩擦角φ和黏聚力c,将后者结果与前者对比可知:(1)该函数可近似的描述岩石峰后的应力应变关系和软化规律;(2)在围压的许可范围内,利用花岗岩三轴压缩强度峰后曲线求得的粘聚力和摩擦角可作为岩石的抗剪强度参数的近似值。上述方法可在一定程度上反映岩石力学三轴试验中常出现剪切破坏的物理意义,并对实际工程和试验提供借鉴。     

粘土的抗剪强度指标试验对比分析

抗剪强度是土的重要力学性能之一,室内剪切试验主要有直剪试验、三轴试验、无侧限抗压强度试验。实际工程中常采用较为简便的室内直剪试验来确定土体抗剪强度中内摩擦角φ和黏聚力c。试验表明,对同样性质土样进行直剪试验和三轴压缩试验得出的内摩擦角φ和黏聚力c相差较大。说明了两者之间的差异。     

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。     

基于Hoek-Brown准则确定岩石材料强度参数的新方法

对Mohr-Coulomb准则和Hoek-Brown准则关系进行分析,提出基于Hoek-Brown准则的连续非线性黏聚力和内摩擦角计算公式,并对Hoek-Brown参数对强度参数的影响及计算公式的合理性进行讨论。研究表明:参数s较其他参数对内摩擦角φi和黏聚力ic的影响程度小,黏聚力ic随小主应力的增高而增大,内摩擦角φi则随小主应力的增高而减小;采用提出的强度参数计算公式和Hoek等效强度计算公式,对7种具有非线性强度特征的岩块和锦屏二级水电站工程的大理岩岩体的强度参数进行计算,对比分析可见计算公式结果与岩块室内三轴试验和工程岩体现场大剪试验的强度参数试验结果吻合度较高,表明建议的强度参数计算式在估算岩石材料强度参数时具有较高的准确性,对实际工程具有较强的指导作用。     

北山花岗岩在三轴压缩条件下的强度参数演化

 采用MTS815岩石力学试验机对北山新场深部花岗岩进行三轴循环加、卸载试验,研究岩石强度参数的演化特征。基于Mohr-Coulomb相关理论推导与分析,探讨岩石发生屈服后的强度变化规律。在分析不同围压条件下岩石全应力–应变曲线的基础上,以塑性剪切应变为塑性参数,建立北山花岗岩黏聚力、内摩擦角和剪胀角随塑性参数变化的数学模型。研究结果表明：(1) 在损伤应力点,岩石塑性剪切应变接近于0,损伤应力可作为北山花岗岩塑性参数的零点,其亦可作为岩石强度参数演化的起点。(2) 在损伤应力点后,岩石黏聚力随塑性参数的增加呈指数函数形式衰减并最终趋近于0;内摩擦角随塑性参数的增加以对数正态函数的形式表现出先增加后减小的趋势,且岩石残余内摩擦角值与起始内摩擦角值接近。(3) 损伤应力后的岩石剪胀行为与峰后剪胀行为相似,剪胀角随着塑性参数和围压的增加而不断减小,且对低围压条件更为敏感。(4) 将建立的模型嵌入到数值模拟工具中,通过模拟岩石三轴压缩试验,可证实模型的准确合理性。     

昆明地区压实红黏土抗剪强度特征研究

对昆明地区压实红黏土开展直剪与三轴试验,研究了压实红黏土在不同含水率与压实度状态下的抗剪强度特征。结果表明:压实红黏土的抗剪强度随着含水率的增加而降低,随着压实度的增大而增大;黏聚力跟内摩擦角均随着含水率的增大而减小、随压实度增大而增大;含水率小于最优含水率时,含水率的变化对黏聚力影响较大,当含水率大于最优含水率时对黏聚力影响相对较小;压实红黏土的抗剪强度跟含水率以及压实度成线性关系。两种试验结果得到的抗剪强度参数变化趋势相同,但数值差别较大,直剪试验得到的黏聚力为三轴试验的0.58倍,内摩擦角为三轴试验的1.34倍。     

簸箕山大型老滑坡滑动带的结构特征及形成机制试验研究

 上更新世红色黏土岩是黄土高原大型滑坡的易滑地层,对其滑动带的结构特征及形成机制研究较少。在对黏土岩滑动带的组构、构造特征进行解析的基础上,通过三轴应力–应变试验、残余强度试验及滑带土蠕变试验,分析大型滑坡黏土岩滑动带的形成机制。研究表明：(1) 簸箕山黏土岩滑动带发育密集的近水平剪切面,伴随滑带土结构改变的是塑性变形、剪切变形,运动方式上以块体滑动为主;(2) 黏土岩转变为滑带土后,裂隙增多,平均吸水速率达2.7 g/h,其标准岩样单位时间吸水速率是原岩的1.5倍,活性为0.83,比表面积、活性均高于原岩;(3) 与原岩结构改变相应的是强度的衰减,含水率为19.1%时,黏土岩原岩的峰值强度的黏聚力613 kPa,内摩擦角26.7°,簸箕山滑带土长期强度的黏聚力57.4 kPa,内摩擦角20.47°,残余强度的黏聚力8.79 kPa,内摩擦角为17.2°。     

土工合成纤维土工程特性的试验研究

通过直剪试验和三轴压缩试验,探讨纤维长度、细度、韧度及纤维土配合比对纤维土抗剪强度和应力-应变关系的影响。结果表明:纤维的掺入对土体内摩擦角的影响较小,主要提高了土体的黏聚力;纤维土的应力-应变关系呈应变硬化的特点,不存在典型的黏着破坏和拉力破坏;纤维的长度、韧度和配合比对纤维土应力-应变关系和抗剪强度的影响显著,纤维细度的影响相对较小。     

砂粒充填大理岩节理剪切强度试验研究

节理充填对节理力学性质具有重要影响,为研究砂粒充填对节理抗剪强度的影响,利用GCTS(RDS-200型)岩石剪切系统对4种粒径砂粒充填的粉晶大理岩节理进行了直剪试验。结果表明:未充填节理剪切应力-位移全程曲线可分为压缩阶段、弹性阶段、屈服阶段、软化阶段和残余阶段,而充填节理剪切应力-位移全程曲线则仅有压缩阶段和硬化阶段,表现出松砂剪切曲线特征;相同法向应力下,4种粒径砂粒充填节理峰值剪切应力明显降低。多层铺设3种较细粒径砂粒的充填对节理粘聚力和内摩擦角的影响基本相同,粘聚力和内摩擦角均降低,且粘聚力降低更为明显;单层铺设的最大粒径砂粒使节理的粘聚力降低,内摩擦角增加。研究结论对理解充填节理岩体稳定性具有一定帮助。     

Shear strength response of some geological materials in triaxial compression

The shear strength of geological materials, like soils and rocks, is often represented either by Coulomb or Mohr–Coulomb theory. It is assumed to vary linearly with the applied stress through two shear strength parameters commonly known as the cohesion intercept and the angle of shearing resistance/friction. In reality, whenever these materials are tested to high stresses, a non-linear shear strength response is observed. The effective cohesion intercept continues to increase while the effective angle of shearing resistance decreases with the increase of effective stress. These strength parameters, therefore, cannot be considered as constants in the analysis of soils and rocks. A more realistic and responsive shear strength criterion, involving only two different strength parameters, that remain practically constant with the applied stress, is advocated to represent non-linear response that minimizes the drudgery by conducting a number of triaxial tests on the material. This criterion has been verified with the experimental data of 41 different soils from clay to rockfill and with the data of a number of intact rocks, jointed rocks and rock-like materials tested in the axisymmetric triaxial compression exhibiting either brittle or ductile response. One of the strength parameters enables to define the brittle–ductile boundary. A boundary between rock and soil has been suggested on the basis of modulus ratio and also on the basis of a weakness factor in a jointed rock, named joint factor, representing the combined influence of joint frequency, inclination of the sliding joint and the strength on the sliding joint. When the joint factor is applied to the compressive strength or the modulus of an intact specimen, it provides the corresponding values of the jointed mass in uniaxial compression and also enables to estimate the two strength parameters, for use in the strength criterion applicable to the mass. The modulus ratio is also linked to the failure axial strain of jointed rocks when tested in uniaxial compression.     

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。     

Applicability of Mohr–Coulomb and Hoek–Brown strength criteria to the dynamic strength of brittle rock

A series of dynamic uniaxial and triaxial compression, uniaxial tension and unconfined shear tests were conducted on the Bukit Timah granite of Singapore. The results are analyzed in this paper in order to examine the validity and applicability of the Mohr–Coulomb and the Hoek–Brown criteria to the rock material strength properties subjected to dynamic loads. The study indicates that rock material strength under dynamic loads can be approximately described by the Mohr–Coulomb criterion, at low confining pressure range. The change of strength is primarily due to the variation of cohesion with loading rate. The rock material strength under dynamic loads is better described by the Hoek–Brown criterion. Assessment of the Hoek–Brown criterion shows that the uniaxial compressive strength increases with increasing loading rate, and the parameter m appears unaffected by the loading rate.     

含天然贯通弱面石灰岩试样的力学性质研究

 为研究天然弱面对岩石力学特性的影响,对40个完整和含有53°～90°倾角的天然贯通弱面石灰岩试样进行纵波速度测试、单轴和常规三轴压缩试验。试验结果表明：纵波速度与弱面倾角和单轴抗压强度并没有明确的关系。试样破坏有沿弱面滑移、穿切弱面和复合破坏3种形式：弱面倾角为65°～80°时易沿弱面滑移破坏,强度明显偏低;弱面倾角小于65°或大于80°时出现穿切弱面破坏,强度和破裂角大致满足Coulomb 强度准则;有2个试样发生复合破坏,强度介于两者之间。石灰岩充填弱面的材料与主体类似,因而与完整试样具有相同的内摩擦因数 0.944;据此可以从三轴压缩强度扣除围压影响,得到40个试样材料强度为30.3～177.1 MPa,平均值为121.3 MPa,标准差为32.6 MPa,大致服从正态分布规律。因最弱断面的方向随试样而不同,其黏聚力也存在显著差异,引起试样三轴压缩的强度和破坏方式的显著不同。     

高应力下岩石非线性强度特性的试验验证

 深埋工程岩体开挖后围岩的强度特性表现出明显的非线性特征。基于室内岩石三轴加载及卸荷力学试验成果,对高应力下岩石的非线性强度特性予以验证,并开展高应力下应力路径对强度参数影响规律研究。采用已有的二次抛物线型、双曲线型、幂函数型等型式的包络线来研究强度特征的非线性,结果表明,幂函数型Mohr准则能够作为在高应力加载和卸荷应力路径下的岩石破坏的强度判据。在低围压下(＜10 MPa),三轴卸围压破坏强度要小于常规三轴强度;而在高围压下,前者略高于后者。内摩擦角的正切值与等效法向应力的函数关系表明岩样的实际内摩擦角并不是一个不变值,具有幂函数关系的非线性特征,在低应力下卸载破坏内摩擦角要比常规三轴压缩剪切内摩擦角略大,在高应力下则相反;根据Mohr准则中内摩擦角与理论破裂角之间的关系,随着应力增加它们的破裂角均呈非线性衰减并趋向π/4。     

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。     

三轴应力下再生粗骨料塑性混凝土的力学性能和破坏准则

通过单轴、侧压相等和侧压不等三轴压缩试验,研究了再生粗骨料塑性混凝土(RPC)的应力-应变-强度特征,与原生粗骨料塑性混凝土(PC)性能进行了对比,并建立了基于空间八面体的强度破坏准则.结果表明:再生粗骨料塑性混凝土强度与围压的关系符合库伦破坏准则,其黏聚力低于原生粗骨料塑性混凝土,内摩擦角相差不大;再生粗骨料塑性混凝土应力-应变曲线由单轴下应变软化转变为三轴下塑化,且侧压越大,理想塑化越明显;在3种试验下,试件均出现了最大体应变,且随着侧压的增加而增大;再生塑性混凝土抗裂性能高于原生粗骨料塑性混凝土,且随侧压增大而增强.     

单参数的正则抛物线准则

 线性的Coulomb 准则并不能完全描述岩石强度特征,有多种改进形式。剪切破坏的Mohr准则表现为应力圆的包络线,其待定参数难以从常规三轴压缩试验结果直接确定而研究较少。主应力形式的强度准则可分为显式和隐式,后者常以最大剪应力和平均主应力构造,且具有较高的相关系数和较小的拟合偏差。实际上显式和隐式准则的力学背景相同,可通过坐标系旋转互换。砂岩、大理岩等强度源于颗粒间黏结和摩擦,单参数的正则抛物线准则拟合强度与围压关系的精度优于两参数的Coulomb准则,而与Hoek-Brown准则相当。以正则抛物线准则拟合高围压下强度能够得到完整岩石的理想单轴压缩强度,进而与实际数值对比可确定岩石的初始损伤。