水泥石试件早期损伤特性与后期力学行为分析

水泥石早期强度较低,较小扰动易受到损伤破裂,而早期水泥石损伤特性表现复杂,且不同损伤程度对其后期承载力学行为影响较大。基于对早期水泥石损伤特性的理论分析,采用相同比例水泥浆液预制100 mm×100 mm×100 mm的水泥石试件5组,在实验室利用刚性试验机,对筛选的5组10个水泥石试件进行3 d早期不同应力比损伤单轴压缩与28 d后期承载力学特性试验,分析了早期水泥石损伤机制及基本特性,引入了早期水泥石损伤系数概念,建立了早期水泥石试件全应力-应变曲线条件下的损伤量求解方程,确定了早期水泥石损伤阈值,研究了早期水泥石不同损伤(损伤量或应力比)对后期强度、变形的影响规律以及与弹性模量、泊松比的关系,提出了基于早期水泥石损伤的后期承载失稳模式。结果表明:早期水泥石损伤曲线分为压密损伤、损伤累积与损伤爆发3个阶段,单轴压缩破坏过程中存在典型全应力-应变曲线各阶段特征,水泥石试件完整损伤模型方程可分为两段式进行描述,能较好表征早期水泥石不同应力比条件下的损伤特征;随着早期水泥石试件应力比增加(75%～100%),早期水泥石试件的轴向应变、横向应变、泊松比与损伤量呈增加趋势,且横向应变增幅大于...     

钙芒硝单轴压缩力学特性的试验研究

利用高精度μCT225KVFCB显微CT试验系统和JL型微机控制电液伺服万能试验机,对钙芒硝单轴压缩力学特性进行了研究。研究表明:钙芒硝压密阶段不明显,且存在刚性阶段;钙芒硝单轴抗压强度平均为7.54 MPa,属于软岩,其单轴抗压强度随着物质密度的增大而增大,随物质密度不均匀程度增大而减小,且与X射线衰减系数、衰减系数方差呈线性拟合关系。     

冬瓜山铜矿深部大理岩单轴压缩条件下的力学特性

为研究深部岩石在单轴静载条件下的力学特性,选用英国INSTRON公司生产的1346型电液伺服材料试验机进行深部大理岩的单轴压缩试验。岩样取至冬瓜山铜矿井下900 m深处,试验时采用位移加载的方式加载,加载速率为0.03 mm/s。通过研究分析试验结果得出：深部岩石处于“三高一扰动”的复杂力学环境中,其内部构造复杂,导致单轴抗压强度值出现离散性;分析大理岩的全应力-应变曲线,得出曲线出现压密、弹性、塑性、破坏几个阶段;岩石破坏前出现扩容现象,即岩石破坏前的瞬间其体积应变会向正值或负值2个方向发展;单轴压缩条件下深部大理岩最终的破坏模式不同于浅部岩石,其出现3种破坏模式,即单斜面剪切破坏、“Y型”和“T型”剪拉破坏。     

石灰岩单轴压缩尺度效应试验研究

选取河北省井陉坚硬致密的石灰岩,加工成截面为50mm×50mm,长度分别为50, 100, 150, 200, 250, 350, 400mm的方柱,进行单轴压缩试验,得出了一些统计规律: ( 1 )长细比在1~3倍范围内,长细比对岩柱单轴抗压强度没有显著影响,而弹性模量近似呈直线增大,变形模量变化与弹性模量类似,其值约为弹性模量的83%; ( 2 )随着岩柱长细比的增大,岩柱脆性增强,岩柱对应力集中的敏感程度增大,长细比大于3以后,岩柱单轴抗压强度随长细比增加呈幂函数关系减小; (3)岩柱泊松比随长细比增加呈幂函数增大,长细比大于3以后,岩柱表面破损严重,其泊松比变化在0.4左右; (4)岩柱轴向极限应变随长细比增加呈幂函数减小,其吸收能量的性能减弱。     

不同尺度石灰岩柱单轴压缩试验研究

岩石具有尺度效应,因此研究不同几何尺度的岩石力学特性规律是很有意义的。选取河北省井陉石材厂均匀致密的石灰岩,加工成不同长度、横断面为25 mm×25 mm的方形岩柱,并进行单轴压缩试验,得出了一些有益规律:(1)长细比越小,岩柱抵抗动载的性能越好;(2)岩柱的弹性模量和极限变形模量与长细比密切相关,随长细比的增加呈对数增加;(3)岩柱平均极限轴向应变随长细比的增加呈幂函数减小,长细比为2时,岩柱平均极限轴向应变急剧减小,长细比在3以后,平均极限轴向应变几乎不变。     

砂岩单轴三轴压缩试验研究

研究了砂岩在饱和、自然、风干三种状态下的单轴抗压强度特性和三轴抗压强度特性。在单轴、三轴压缩试验中得到了应力与纵向应变、横向应变、体应变之间的关系曲线，单轴应力一纵向应变曲线在峰值前可分为3个阶段，三轴应力一纵向应变全过程曲线可分为4个阶段。根据三轴轴向应力和围压绘制丁莫尔圆，采用回归分析得到了强度准则和强度参数C、Φ值，并且分析了含水量对岩石强度的影响，其实验结果能为工程提供参考与借鉴。     

砂岩单轴压缩实验的损伤破裂数值模拟

以砂岩单轴压缩室内实验为基础,通过有限差分软件FLAC3D模拟该单轴实验,以得到的应力-应变曲线和累积损伤数曲线分析砂岩的损伤破裂过程。分析表明:可以通过监测模型中的一些节点来获取砂岩的体积应变特征,结合累积损伤数的发展得出岩石损伤破裂的情况。     

非贯通节理类岩石试件单轴压缩特性初探

针对嵌入式非贯通节理对岩体力学特性的影响规律,采用数字建模和3D打印技术建立了正弦型节理实体模型,制备了完整类岩石试件、含单节理类岩石试件及含双节理类岩石试件,单节理角度分别为30°、45°、60°,双节理角度分别为30°、45°,30°、60°,45°、60°。对各类试件进行了单轴压缩试验,结果表明：含节理类岩石试件的单轴抗压强度低于完整类岩石试件,且随着试件内部节理数量的增加,试件单轴抗压强度的降低幅度增大;单节理类岩石试件的破坏形式均为沿节理所在平面发生剪切破坏,试件的单轴抗压强度随节理角度的增大而增大,这主要是节理面切割度和节理面法向应力共同作用的结果;双节理类岩石试件破坏时内部裂隙发育、贯通程度较高,破坏后的试件非常破碎,基本不具残余强度。     

混凝土单轴压缩破坏过程电磁辐射特性

采用RMT-150岩石力学实验机对标准混凝土试样进行单轴压缩实验,利用KBD5电磁辐射监测仪对试样加载直至破坏全过程的电磁辐射强度和脉冲数进行监测.结果表明:混凝土在受压作用下产生电磁辐射信号,其强度和脉冲数随时间变化呈相近的趋势,随载荷的增大而增强,在主破裂时刻电磁辐射信号急剧增大;混凝土的强度越大,电磁辐射信号越强;加载速率越大,电磁辐射信号也越强.电磁辐射信号能较好地反应试样的受力和变形破坏状态.因此开展混凝土电磁辐射的研究对于工程中混凝土的安全性评价、混凝土强度的预测等具有一定的理论意义和应用前景.     

不同分层数量的煤系地层岩石单轴压缩试验分析

研究采用单轴抗压试验,以分别取自孔庄矿-1015水平3个取样点典型煤系岩石为对象,探究了层间具有粘结力的岩石力学性质。研究发现,煤系地层的层状岩石具有独特的力学性质,分层数量对岩石的压密阶段影响最大,增长范围为6.30%～88.58%.将层数对岩石的抗压强度、弹性模量、泊松比值、纵横应变及应力应变状态进行了对比分析。结果显示,随着层数增加,抗压强度呈现上升趋势,而弹性模量呈现下降趋势,泊松比不受层数变化的影响,纵横应变和应力状态逐渐趋于缓和。     

孔洞-裂隙组合型缺陷砂岩力学特性试验研究

为研究含预制孔洞-裂隙组合型缺陷砂岩的力学特性,在板状砂岩试样内预制了圆孔和裂隙组合型缺陷,通过室内单轴压缩试验,研究了裂隙倾角α和裂隙长度b对砂岩强度特征、变形特征及破裂演化过程的影响规律。试验结果表明:与完整砂岩相比,含组合型缺陷砂岩的承载能力发生明显的劣化,且劣化幅度与预制缺陷几何形态密切相关;随裂隙倾角α的增大,试样的峰值强度、平均模量和割线模量均表现为逐渐减小的趋势;裂隙倾角为45°时,随着裂隙长度b的增大,试样的峰值强度、峰值应变、平均模量和割线模量均逐渐减小;含组合型缺陷砂岩的起裂形式与裂隙倾角α有关,裂隙倾角在0°~60°时,初始破坏均表现为预制裂隙尖端的拉伸裂纹破坏,而裂隙倾角为90°时,试样的初始破坏表现为圆孔孔壁片帮破坏。     

单轴压缩下煤体表面电流试验研究

试验研究了在单轴压缩条件下煤体受压产生电流的性质及变化规律,并对产生这种电流变化的原因进行了分析。实验表明,煤在受载破坏过程中,表面有微电流产生。在加载初期,电流产生不明显。当载荷δc≈0.75δmax时,电流开始出现较快增长,并且和载荷的相关系数达0.8~0.9以上,呈高度相关。载荷发生突变或卸压时有较强电流信号出现。根据电流和载荷的对应关系,可以用电流信号来反映煤体受载程度,从而为煤岩体稳定性监测提供一种新的思路。     

单轴压綊下片麻岩紎外辐射特征研究

为探究不同层理方向岩石变形破坏过程中的红外异常,开展了单轴压缩下片麻岩红外辐射试验,结合应力、平均温度、方差、温度场分异速率、热像图多种指标研究了破裂过程红外辐射温度的演化特征.结果表明:不同层理片麻岩加载过程红外辐射温度场的演化特征具有相似的阶段性和变化趋势.发现平均红外辐射温度和应力二者之间有较强的紧性关系,相关系数均在0.90以上;水平层理试件辐射温度升温速度高于竖直层理试件.方差曲紧随应力变化可分为3个阶段,压密及弹性阶段较小且变化平缓,破坏阶段发生大幅度陡升;加载中期和后期出现的异常特征点可作为岩石失稳的前兆信息.对方差求导获取温度场分异速率,定义其第1次偏移0值的点和临破坏偏移0值的点为一、二紓预警信号;得出时间预警优于应力预警,且竖直层理试件能达到损伤最低值.红外图像经过多步骤算法降噪处理,图像质量明显增强;前期热像表面呈均匀缓慢变化,中期随应力增加逐渐升温,临近破坏时,热像在破裂位置出现高温辐射异常,其他区域出现低温异常,这种分异现象是岩石失稳的重要红外前兆特征.     

不同含水率砂岩单轴压缩力学特性及波速法损伤

为了研究温度—含水率耦合作用下重塑性煤体抗剪强度的变化规律,保障松软煤层安全高效稳定开采,采用直剪试验分析了重塑性煤体在较低温度(20、0、-10、-20、-30、-40 ℃)、一定含水率(0、0.8%、4%、8%、12%、16%)耦合作用下的抗剪强度特性,并通过数学统计分析了温度与含水率对抗剪强度的影响。研究结果表明：含水率为0时重塑性煤体的黏聚力随着温度的降低呈幂指数增加;温度—含水率耦合作用下重塑性煤体的抗剪强度均与垂向应力成正比,均符合莫尔-库仑准则;在温度为10~20 ℃、含水率为12%~16%时,黏聚力达到最大值322.9 kPa,最小值138.0 kPa出现在温度-40 ℃、含水率4%附近;在-20~-40 ℃温度下,重塑性煤体内摩擦角随含水率的增加逐渐降低至最小值18.25°;当含水率为6%~13%、温度为-20~10 ℃时,内摩擦角达到最大值31.45°,对应抗剪强度达到最大值。温度—含水率耦合作用下,重塑性煤体抗剪强度、内摩擦角与黏聚力均受温度的影响较大。

     

白云岩的单轴压缩力学特性及声发射特性研究

对从青川县东河口滑坡区采集的白云岩进行了单轴压缩试验,测得了白云岩的单轴抗压强度、弹性模量等力学参数,并在单轴压缩试验的全过程运用了声发射测试技术,研究了岩石损伤破坏过程中的声发射参数(振铃计数、能量)演化规律及其与岩石的应力响应之间的相关性,并尝试对岩石损伤破坏前兆的声发射特征点进行了分析。研究结果体现了白云岩的初始缺陷对其力学特性及声发射特性会产生较大的影响。分析表明:1)白云岩的变形破坏过程大致可分为五个阶段,且不同阶段出现了与之相对应的声发射信号特征;2)白云岩的声发射振铃计数和能量在反映岩石损伤演化过程方面有较高的一致性。明显的声发射活动主要出现在岩石加载的中后期,在岩石进入裂纹非稳定扩展阶段后出现振铃计数和能量激增的现象,在临近破坏阶段,个别岩样进入声发射活动的相对平静期;3)对比声发射特征点和应力屈服点出现的时刻,两者的差值与岩样的初始缺陷密切相关。但无论是累计振铃计数还是累计能量,基于两者识别出的特征点时间都是超前于或接近应力屈服点出现的时刻。基于本次研究结果,如果作为岩石破坏前兆信息识别,选用累计能量参数会使得安全储备更充足。     

不同冲击强度下的砂岩动态力学特性试验研究

为研究冲击强度对岩石动态力学特性的影响,以改装的霍普金森压杆(SHPB)装置对砂岩进行了不同冲击强度下的动力学试验,测得了动态应力-应变曲线和应力波波形。然后,基于试验数据分析了冲击强度对砂岩强度、应变特性以及能量耗散规律的影响。结果表明:动态应力-应变曲线未出现压密阶段直接进入弹性阶段,冲击强度越大,应力-应变路径越长;岩样以破碎形态为主,破碎程度与冲击强度呈正相关;随着冲击强度增大,平均抗压强度和平均应变呈线性增长,而平均应变率呈指数增长;平均抗压强度和平均弹性模量随平均应变率呈线性增加。冲击强度越大,入射能和反射能值显著提高而透射能变化不明显,透射系数和反射系数分别呈幂函数增长和对数降低。砂岩吸收能随冲击强度和平均抗压强度分别呈指数关系和对数关系。由此表明,不同冲击强度对砂岩应变特征、强度特征以及能量耗散具有显著影响,适当增加冲击强度可有效提高砂岩吸收能,进而提高破岩效果。     

含孔洞层状砂岩动态压缩力学特性试验研究

隧道、矿山巷道和硐室等地下岩石工程中揭露的层状岩体往往具有不同的产状,层理弱面的方向与主要动荷载作用方向存在多种组合,相应的动态各向异性力学特性和变形破坏特征对地下岩石工程安全稳定具有至关重要的影响。针对冲击载荷下倾斜层状岩体中巷道围岩稳定性问题,选取一种层理构造显著的黄砂岩,其中层理倾角φ为层理面与加载方向之间的夹角,加工制备倾角分别为0°,15°,30°,45°,60°,75°和90°的7组预制中央圆形孔洞板状试样(尺寸为宽度60 mm×高度60 mm×厚度15 mm),在75 mm杆径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验平台上进行冲击压缩试验,并使用高速摄影仪实时记录试样动态裂纹扩展演化过程,研究不同层理倾角条件下预制中心孔洞层状岩石的动态力学参数、裂纹扩展演化过程及最终破坏模式等动态压缩力学特性变化规律。结果表明,峰值应力处试样破坏的峰值应变在0. 008 1～0. 012 37变化,随着层理倾角的增加,试样动态抗压强度、弹性模量及峰值应变整体均呈先增大后减小的变化规律;初始起裂裂纹总是从孔洞周边压应力集中处萌生,随后逐渐形成宏观裂纹,宏观裂纹为剪切裂纹或拉剪复合裂纹;倾角0°试样发生局部沿层理和局部穿越层理的复合张剪破坏,倾角15°～45°试样发生局部沿层理和局部穿越层理的剪切破坏,倾角60°～90°试样最终发生穿越层理的类X型剪切破坏;利用正交各向异性板理论计算孔洞周边应力分布,发现随着层理倾角的增加,孔洞周边应力集中系数的峰值也逐渐增大,且层理倾角为0°,15°,30°,45°的试样孔洞周边最大压应力出现在θ(θ为孔洞周边任意一点的极角)为74°,81°,86°,90°及关于原点中心对称的254°,261°,266°,270°处,同时试验中观测到相应的层理倾角试样分别在88°,85°,79°,70°及关于原点对称的271°,264°,262°,252°处萌生剪切裂纹,与理论分析结果吻合较好。层理方向与冲击载荷平行时,层状岩体中巷道围岩对冲击载荷的承载能力最弱。针对钻爆法分台阶开挖硐室或爆破施工中存在近距既有巷道,应合理布置爆破载荷的方向,避免层理方向与爆破载荷之间的夹角过小而导致巷道失稳。     

单轴压缩下片岩应力记忆持续时间试验研究

为了研究时间对岩石应力记忆的影响,利用岩石试验机和SDAES数字声发射检测仪对2次加载时间间隔分别为2,7,15,30和45 d的片岩进行单轴压缩条件下的声发射Kaiser效应试验。试验结果表明:首次加载7 d后再次加载Kaiser效应明显,30 d后还可以观察到Kaiser效应,而45 d后Kaiser效应已难以辨认;随着首次加载与第二次加载间隔时间的增长,岩石Kaiser效应逐渐衰退;首次加载的应力水平影响岩石Kaiser效应的消退,介于岩石强度的30%~80%之间,岩石记忆先前应力的能力最好。     

单轴压缩下混凝土孔洞内壁表面电位特征

通过建立的孔洞混凝土表面电位测试系统,测试了含孔洞混凝土内壁单轴压缩下的表面电位变化特征。结果表明,混凝土在受载破坏过程有表面电位产生,载荷前期表面电位随载荷的增大而增强,载荷增长越快,电位幅值变化越大;电位信号变化较载荷具有超前性,混凝土主破裂时电位波动最剧烈;电位信号的突增和电位幅值增长率的突变可作为孔洞混凝土破裂的前兆特征。通过对孔洞混凝土内壁表面电位的研究,加深了对孔洞混凝土破坏微观机理的认识,为将来用表面电位技术监测巷道及隧道围岩的稳定性做了基础性实验研究。     

板状页岩单轴压缩实验及断裂力学分析

基于板状页岩的单轴压缩试验,研究了含共线闭合裂隙页岩的裂纹扩展规律,从断裂力学角度,解释了裂纹起裂顺序,推导了板状页岩的脆性断裂准则及抗压强度,给出了断裂韧性的求取方法,得到:含预制裂隙页岩的抗压强度劣化程度较弹性模量大;破坏后宏观裂纹分为两类,一类为表面平整、光滑的拉裂纹,另一类为呈锯齿状、有明显压痕的压剪裂纹;预制裂隙内端比外端更容易起裂,起裂角范围为46°~86°;裂隙间距越小岩桥越容易搭接贯通;裂纹尖端起裂方向只和θ有关,和KⅡ无关;裂隙尖端的内端应力强度因子较大,更易起裂;共线双裂纹模型的优势裂纹角为β_m=0.5arctan f~(-1)。