砂岩裂纹起裂损伤强度及脆性参数演化试验研究

岩石起裂强度σci及损伤强度σcd作为岩石重要的强度特征值,其研究对于分析岩石的渐进破坏过程及预测隧洞脆性破坏有着重要意义。首先采用应变分析及声发射监测方法,研究了两组硬质砂岩试样在单轴及三轴压缩过程中的裂纹演化特征。试验结果表明,试样的侧向膨胀变形及声发射计数值可以较好地反映其内部的裂纹演化情况,二者随着裂纹的萌生积累都表现出一致的阶段性变化规律。同时通过进一步分析应变及声发射曲线中的阶段性变化拐点,确定了砂岩试样的起裂强度及损伤强度值。其中青砂岩平均起裂强度约为其峰值强度的0.42倍,红砂岩平均起裂强度则约为其峰值强度的0.48倍。最后通过对比不同围压下的试验结果,发现两组砂岩试样起裂阶段内摩擦角均小于其峰值阶段,初始φ0约为终值的1/2。由此定义了可反映岩石脆性程度的起裂摩擦水平φ_0/φ,并建立考虑摩擦作用的线性起裂准则。     

大理岩破坏起裂应力及断裂能特征试验研究

根据大理岩常规三轴试验数据,探讨不同围压下大理岩破坏的起裂应力和起裂断裂能变化规律。大理岩起裂应力位于峰值应力的53%~76%之间,随围压升高向峰值强度逐渐逼近。起裂断裂能与围压、峰值强度呈正线性关系。起裂应力对应的声发射能量计数率出现突跳,起裂点之后声发射能量计数率和累计释放能量增加速度明显变快,理论计算求得的起裂点和声发射监测数据吻合较好。大理岩常规三轴破坏符合Mogi-Coulomb强度准则。     

锦屏深埋大理岩破裂特征与损伤演化规律

 锦屏二级引水隧洞最大主应力超过70 MPa,在如此高应力条件下,必然存在岩体强度和地应力之间的尖锐矛盾。深入认识大理岩的破裂特征,把握围岩的损伤演化规律,对于支护优化设计和评价围岩稳定性具有重要意义。在已有关于脆性岩石破裂问题研究成果的基础上,借助于裂纹体积应变拐点和大理岩体积应变拐点配合声发射测试,确定不同围压条件下大理岩的特征强度,并将特征强度在主应力空间中进行表达,形成现场可用的强度包线。利用起裂强度曲线分析损伤区的应力状态,并根据计算成果确定不同损伤区分区的范围,描述监测断面随掌子面推进过程中损伤区的演化过程。为进一步分析损伤区的演化规律,在监测断面布置声波和声发射测试,声波检测获得的松弛圈深度主要与损伤区中的破坏区相对应,而声发射测试可以获得完整的损伤区分布特征,更有利于了解围岩的损伤特征,可为支护优化设计和支护时机的选择提供更加科学的依据。     

腐蚀钢管损伤特性的声发射试验研究

钢管腐蚀损伤的主要表现为萌生裂纹、钢管产生局部皱曲。对钢管的损伤程度进行有效评估的方法之一是找出裂纹萌生的规律。本试验的研究对象为直径700 mm、壁厚5 mm、高260 mm的Q235钢管试件,采用声发射技术对腐蚀后的钢管试件进行轴压实时检测。通过建立声学参数(累计振铃数和幅度值)与钢管试件损伤程度的关系,得到钢管腐蚀损伤后产生的裂纹扩展规律和起裂荷载值。通过分析加载点位移与声学参数的关系曲线呈现出不同变化特征,检测出钢管损伤的一般位置和测定起裂荷载的确切数值p。试验结果为进一步研究钢管试件损伤机理提供了一定依据。     

节理填充物对岩体起裂强度影响规律的试验研究

以水泥、泥浆、石膏三种材料作为填充物制作含单一裂纹的节理岩体试件,进行单轴压缩试验,并通过建立单轴压缩下闭合裂纹起裂强度的解析表达式和开展数值模拟对其进行深入的研究。研究表明：在单轴压缩下,基于摩擦系数理论数值模拟得到的试件起裂强度与室内试验测得的峰值强度基本吻合;填充物摩擦系数越大,节理岩体越难被破坏,且与无填充岩体相比含填充岩体的起裂强度大幅提高;含填充节理试件的峰值强度远大于无填充的节理试件,其中填充水泥的节理试件峰值强度最高,填充泥浆的最低;剪切破坏是泥浆作为填充物的试件的主要破坏形式,而水泥和石膏作为填充物的试件的破坏则是复合型;随着填充物强度的提高,节理岩体的破坏形式将从剪切破坏转变为张拉破坏。     

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。     

岩石不等长裂纹应力强度因子及起裂规律研究

天然岩体中含有数量众多的裂隙且绝大多数为不等长裂隙,而那些具有一定尺度和规模的主控裂隙对岩体稳定性起决定作用。为研究不等长裂纹相互作用规律及主控裂纹起裂规律,基于Kachanov法,推导了远场受力的两条拉剪不等长共线裂纹的尖端应力强度因子表达式并从理论上分析了裂纹间距对裂纹相互作用的影响;通过最大周向应力准则,计算了单轴受拉时不同裂纹倾角的主控裂纹起裂角,绘出理论断裂准则曲线;推算滑动裂纹的应力强度因子,对含不等长裂纹的类岩试件进行单轴压缩试验。结果表明:当裂纹间距大于等于小裂纹长度时,小裂纹对主控裂纹的起裂几乎无影响;主控裂纹起裂角只与裂纹角有关,单轴受拉时,起裂角随裂纹角增大而减小,单轴受压时,起裂角随裂纹角增大而增大;当裂纹倾角小于30°时,起裂临界荷载急剧增大。     

冻融对玄武岩纤维混凝土损伤研究

通过对相同配合比的普通混凝土和玄武岩纤维混凝土试件进行冻融循环试验,对不同循环次数后的试件进行质量损失测试和单轴抗压强度测试。对比分析冻融循环后混凝土试件的力学性能,阐述玄武岩纤维对混凝土抗冻性能的增强机理。选取抗压强度为损伤变量,建立混凝土冻融损伤方程,定量分析混凝土损伤演化规律,为低温环境下建筑结构可靠性分析和灾害预测提供依据。     

基于工程岩体起裂判据的岩爆破坏区研究

随着深部地下工程的兴建,岩爆发生的概率大大增加,工程建设中常遇到的岩爆类型为应变型岩爆,确定岩爆破坏区范围和深度对地下工程支护设计和施工安全有着重要的指导意义。本文根据秦岭终南山混合片麻岩单轴压缩变形实验结果,采用裂纹体积应变法和侧向应变响应法,得到混合片麻岩的裂纹起裂应力。在分析混合片麻岩的起裂机制基础上,建立了基于裂纹起裂应力的工程岩体起裂判据,并根据围岩二次应力Kirsch计算公式,采用弹性理论推导了岩爆破坏区范围和深度的计算公式。岩爆破坏区的计算结果与秦岭终南山公路隧道2号通风竖井实际情况有很好的一致性,对类似地下工程有一定参考价值。     

脆性岩石起裂应力水平与脆性指标关系探讨

脆性指标与起裂应力作为岩石力学性质的内在体现,均反映岩石的非均质性和结构上的差异,二者存在一种必然的联系,通过理论研究和算例分析来探讨起裂应力水平与基于单轴抗压、抗拉强度比值的脆性指标的关系。首先,归纳总结基于压拉比、全应力–应变特征及硬度或坚固性的28种基本脆性测试方法。然后,研究硬脆性岩石单轴压缩起裂机制,讨论基于裂纹体积应变拐点的起裂应力确定方法,并定义起裂应力水平指标K。最后,结合具体工程算例探讨岩石起裂应力与基于压拉比的脆性指标的函数关系,深入验证起裂应力水平和脆性指标间内在联系的必然性。得出以下结论:(1)以岩石单轴抗压、抗拉强度为纽带,建立起裂应力水平和脆性指标间的函数关系,根据单轴压缩起裂应力与单轴抗拉强度的关系,进一步验证脆性指标与起裂应力水平存在内在联系的必然性。(2)岩石起裂应力水平与脆性指标B5和B6存在明显的函数关系,起裂应力水平与B5呈幂函数关系,与B6呈线性函数关系,相关系数均大于85%。(3)采用起裂应力水平指标重新定义脆性指标,通过岩石的室内单轴压缩试验,由起裂应力水平可以快速得到岩石的脆性指标。通过这一研究,丰富了岩石起裂应力与脆性指标的关系,为脆性指标的计算提供了一条新思路。     

大理岩损伤强度的识别及基于损伤控制的参数演化规律

为获取脆性岩石特征强度及破坏过程中损伤演化规律,设计能同步测试应力–应变曲线、AE声发射及岩样径向纵波波速的试验方案,并对3种不同方法确定的损伤强度值进行对比。结果表明,除AE及波速测试方法外,采用体应变(含裂纹体应变)方法可以较为准确地获取试件的特征强度值。通过定义岩石循环加卸载试验获取的不可逆裂纹应变累计值作为岩石损伤的度量,基于损伤控制试验得到锦屏大理岩破坏过程中强度和变形特性随损伤的演化规律。研究表明,随损伤变量的增加,岩石弹性模量、损伤强度和峰值强度均会下降,但随着损伤变量达到至某值后,损伤强度会发生迅速降低,而峰值强度随着损伤累积仍会保持增加然后缓慢降低;进一步分析得到内摩擦角和黏聚力随损伤变量变化规律：随着损伤的发展,黏聚力从峰值迅速下降,并很快到达残余门限值;而内摩擦角随着损伤的发展经历了先上升再降低2个过程,其中上升段是在大部分黏聚力损失后逐渐升高至峰值。研究成果对于揭示脆性岩石强度破坏机制具有重要的理论意义。     

基于Griffith强度理论的岩石裂纹起裂经验预测方法研究

 裂纹起裂强度是岩石破坏过程中的重要应力阈值,研究岩石起裂准则对于揭示其破坏机制及预测围岩工程性质有着重要意义。首先进行青砂岩试样的单轴及三轴压缩起裂试验,并基于多种应变响应分析其中的起裂机制及细观破坏特征,指出局部张拉应力集中是起裂破坏的主因,总结提出低围压条件下的张开型起裂模型及高围压条件下的滑动型起裂模型。然后基于Griffith强度理论分析压应力场中岩石缺陷端部的局部最大张拉应力,其大小随差应力 的升高而增大,同时在围压条件下受表面摩擦作用的影响较大。针对岩石细观起裂机制提出起裂预测经验准则,准则中引入起裂参数 作为围压影响系数以表征摩擦作用,从而适用于不同围压条件下的起裂破坏预测。利用3组起裂试验结果对经验准则进行验证,其准确性及实用性明显优于传统线性起裂准则。最后通过分析不同围压下岩石起裂强度与峰值强度之比 ,发现试样在围压60 MPa以下时其起裂破坏属于细观张拉破坏机制。     

玄武岩纤维增强、阻裂性能的试验研究

试验研究了不同掺量的玄武岩纤雏对高性能混凝土和易性、抗压强度、抗折强度和抗拉强度的影响.结果发现,掺入玄武岩纤维后,混凝土的坍落度略有降低,但粘聚性能和保水性大大提高,且7d抗压强度和28d抗折强度明显提高.试验结果还表明,在水泥砂浆中掺入乱向短切玄武岩纤维后,其强度及抗裂性能均得到改善.此外,在低掺量情况下,玄武岩纤...     

具有宏观裂纹混凝土结构的起裂特性研究

具有宏观裂纹混凝土结构在荷载作用下裂纹是否会进一步扩展,是带裂纹工作的混凝土结构安全性能评价的重要课题.一方面要对混凝土结构应力状态进行现时观测与分析,另一方面要合理评价具有宏观裂纹混凝土结构的起裂特性.根据数批不同形式混凝土试件的试验结果,分析了混凝土起裂荷载/最大荷载、起裂韧度/断裂韧度与试件形式、相对初始缝长的关系,得出了一些有意义的结论.     

混凝土材料损伤的声发射动态检测试验研究

在实验基础上,给出了定量描述声发射活性的特征函数,导出了声发射参数同损伤参量之间的关系及用声发射参数表示的损伤演化方程和本构方程,并通过实验,验证了深化方程的正确性。探讨了根据混凝土受载后的声发射特征来动态评价和估计混凝土材料的损伤程度问题,为混凝土损伤的研究和损伤因子的测试提供了一种新的方法和新的途径。     

卸荷应力状态下玄武岩变形破坏特征的试验研究

本文采用卸荷三轴试验．在实验室研究了玄武岩在卸荷状态下的变形和破坏特征．     

三峡花岗岩起裂机制研究

从三峡花岗岩常规三轴实验出发,通过研究裂纹应变的变化规律,得到不同围压下花岗岩的起裂应力。结果表明,起裂应力与围压变化幅度一致,与峰值强度相比,起裂应力一般保持在峰值应力的25%～50%。进一步的实验与理论分析认为,三峡花岗岩在单轴、三轴压缩条件下的微观破裂机制主要是拉伸破裂,从起裂至裂纹稳定扩展阶段,其内部裂纹属I型裂纹,由此通过对压应力下椭圆裂纹的拉伸破坏分析,研究起裂应力、起裂角与围压的关系。比较基于裂纹应变分析得到的结论发现,二者在一定围压区间是比较接近的。     

C75混凝土动态层裂强度试验研究

基于线弹性力学理论和一维应力波的基本假定,采用大直径霍普金森杆对C75混凝土进行了一维杆层裂试验,以研究其动态拉伸强度和应变率效应.为了确定不同子弹速度下的混凝土弹性模量,在试件上采用了多点贴片的方法;通过优化子弹的尺寸,大大降低了应力波的波形弥散现象;提出了一种测定混凝土衰减系数的新方法,该方法能消除试件不均匀性、应变片个体差异以及信号衰减微弱等不良因素的影响,所获得的衰减系数比较精确.结果表明：C75混凝土动态拉伸强度具有较强的应变率相关性,在100~102s-1应变率范围内,其层裂强度随着应变率的增大呈线性增长关系.     

声发射信号表征石灰岩热损伤特征

利用声发射为主要手段,探究高温下石灰岩的强度变化,以及在不同温度下和单轴加载作用下声发射参数随时间变化的特征,从而理解灰岩内部破坏特征。将灰岩试样加热到25℃,200℃,300℃,400℃,500℃的特定温度水平,分析试样的热损伤特征,结果表明：在试验温度范围内,随着温度的升高,灰岩强度的变化呈现两个阶段的特征,其中最大强度下降幅度达到28.5%;当温度为500℃时,声发射参数表现密集,并表现为岩石完全损伤发生转变的临界条件;单轴作用下灰岩试样经历了压密、弹性、塑性、峰后破坏四个过程,应力曲线表现出初始损伤阶段、严重损伤阶段和完全损伤阶段。此外,断裂荷载超过80%时,岩石会引起较大的损伤,此应力水平可以作为工程建设过程中的预警信号。     

基于岩石峰前起裂及峰后特征的脆性评价方法

现有研究表明岩石脆性与其内部微裂纹起裂、扩展有密切联系,但考虑岩石起裂特征的脆性评价指数并不多见,在对脆性理论以及起裂特征分析的基础上,提出了一种基于岩石峰前起裂及峰后特征的脆性评价方法.首先,结合George和Tarasov&Potvin等对脆性的描述和定义,从理论上分析了基于岩石峰前起裂及峰后特征脆性评价方法的可行...