冻融黄土微观结构变化规律及分形特性研究

季冻区黄土微观结构性研究是冻融环境下黄土工程机理劣化分析的关键科学问题之一。本文对不同冻融循环次数作用的原状黄土进行扫描电镜试验,采用颗粒(孔隙)及裂隙图像识别与分析系统(PCAS)结合分形理论,定量分析陕西咸阳原状黄土颗粒微结构特征。结果表明:随着冻融次数的增加,土颗粒排列、形态、尺度分布等特征参数呈现规律性变化,概率熵减小,分形维数增大;平均形状系数、面积概率分布指数、颗粒分布分形维数先减小后增大,在冻融循环5次时出现最小值。研究表明:冻融循环过程中,由于土中水相变化及冷生结构形成,土颗粒偏转,颗粒排列方式改变;胶结力弱化,集粒经历了碎屑开始剥落及完全分离的两个过程,土颗粒的形态、尺度分布发生变化,形成新的结构体系。     

岩石破坏声发射平静期及其分形特征研究

 通过岩石加载的室内试验方法,测试不同岩石破裂全过程的力学特征及其声发射特性,得到岩石破坏全过程力学特性——岩石的全应力–应变曲线、声发射事件累积数、声发射事件率等相关曲线及参数,给出声发射事件数、事件率与应力水平、时间之间的关系。着重讨论一次性加载过程中塑性变形阶段明显的岩石在加载接近峰值强度时单位时间内的应力增长速度减小,也即这一阶段出现明显的“耗时”现象;并且在此阶段监测到的声发射事件率出现明显下降,出现声发射相对平静阶段;而对于塑性变形阶段不明显的岩石来说,这一阶段则基本不存在明显的“耗时”现象,声发射的监测中也没有发现声发射相对平静期现象。另外,还运用分形理论,研究分析处于不同加载应力比的岩样在各个阶段的声发射分形维数,特别是研究声发射平静期维数变化情况。指出在加载初期分形维数处于较低值,且分形维数随加载应力增加而逐步增加;在加载到峰值应力的40%左右时,分形维数开始下降;在加载接近到峰值应力时,即处于声发射平静期阶段时分形维数逐步降到最低,且此时预示着岩石的破坏。此外,结合室内试验,还对现场岩体失稳破坏声发射监测中的一些实际问题进行总结和分析,为更好地应用声发射手段进行岩体稳定性现场监测预报提供理论依据、方法和手段。     

基于GIS的黏性土微观结构的分形研究

介绍了一种利用图象处理技术结合地理信息系统(GIS)软件的数据提取技术,从而计算土体中颗粒形态分形维数的方法,讨论了在图象处理过程中阙值的确定方法。通过对郧县膨胀土土样微结构图象分析,论证了黏性土微观结构的分形特征,并分析了分形维数与土体微观结构类型间的关系。     

花岗岩岩爆试验碎屑分形特征分析

 采用真三轴应力状态下单面突然卸载试验方法,进行莱州花岗岩岩爆试验,获得花岗岩岩爆碎屑。对碎屑特征进行测量,包括碎屑质量、长度、宽度、厚度,并对粗粒、中粒、细粒以及微粒等不同粒径范围内的碎屑数量、质量及粒度分布进行分析。对花岗岩岩爆碎屑分别按照长度、宽度、厚度与累计数量的关系,小于某一等效边长的累计质量与总质量之比与等效边长之间的关系,以及等效边长与累计数量的关系进行分形计算,结果表明花岗岩岩爆碎屑破碎程度较高,片状特征明显。对岩爆后的微粒碎屑(颗粒直径＜0.075 mm)利用激光粒度分析仪进行粒度分析。破坏后微粒碎屑所占百分比以岩爆试验最多,其次为真三轴试验,单轴压缩试验最少。微粒碎屑的粒度分布曲线形状不同,岩爆的平缓,小尺度的多,三轴和单轴压缩的大致相同,粒径大。分布曲线上百分比最大值对应的粒径岩爆的最小,为40和60 μm,三轴的为80 μm,单轴的为100 μm。对微粒碎屑按照粒度–体积分布进行了分形维数计算,结果表明岩爆微粒碎屑符合分形物理意义,三轴和单轴微粒碎屑不具有分形特征。岩爆微粒碎屑较多,反映其破坏时消耗的能量要多于三轴和单轴破坏。     

花岗岩声发射特性和破坏机制的实验研究

本文针对洞壁围岩支护前后的应力状态,对花岗岩的声发射特性和破坏机制进行了实验研究.指出:在σ_2≤15.5 MPa,σ_3≤0.5MPa的条件下,双轴及三轴压缩强度无明显提高,可用单轴压缩强度作为其代表值.和单轴压缩相比,低侧压改变了花岗岩的破坏模式,使破坏向三轴压缩下的“亚破碎型”转化. 对比分析花岗岩块的强度、变形和声发射特征后,提出了“脆性破坏警报线η”,“脆性破坏线β”,“极限破坏线”等表征花岗岩块变形发展及破坏过程的概念,给出了相应的临界应力条件,并用图4表示了不同破坏状态下的强度准则. 把花岗岩块的拉应变发展及不同破坏状态与Russense的岩爆分级表作了对比;结合实测地应力资料,对某地区圆形洞室的脆性破坏与岩爆活动作了粗略评估,认为考虑非圆形洞室几何因素所产生的应力集中及其它因素后,发生弱岩爆是可能的.评估结果和现场试验洞的情况以及挪威峽谷地区Heggura公路隧洞的现场经验较为一致.     

钢筋混凝土板冲切破坏的基本理论研究

单向板在受到沿板宽方向的均布荷载时,其破坏形态类似于梁,相当于梁沿宽度方向的叠加。双向板在发生剪切破坏时其破坏形态相对而言比较复杂,通常形成冲切破坏。发生冲切破坏时,其应力处于三维应力状态。本文就钢筋混凝土板的冲切破坏作简要的阐述。     

基于颗粒流数值模型的土质边坡渐进破坏过程仿真分析

传统极限平衡法和有限元强度折减法很难真实反映材料的破坏过程,严重制约了边坡的渐进破坏研究。利用颗粒流软件,设计了0.1m粒径高10m土坡数值模型,初始模型在重力作用下不会发生破坏,通过单独折减粒间粘聚力、单独折减粒间摩擦系数和在初始模型上施加0.1g水平地震加速度等3种方法使得边坡发生破坏,发现粘聚力折减,边坡的初始局部破坏接近于刚体假设,破坏属于渐进破坏,滑体破碎较轻,运动距离不远,最终多级组合滑面接近于弧形,不适用整体分析;摩擦角折减使得边坡发生整体破坏,滑体为弹塑性体,滑体破碎,适用整体分析,滑体运动相对较远;地震作用下,坡体也属于整体滑移,滑体破碎,影响范围和运动范围最大。边坡失稳的剧烈程度是地震作用摩擦角弱化粘聚力弱化造成的坡体失稳。破坏是个动态渐进势能动能转化消减,滑体再次趋于稳定的重新破碎堆积的过程。     

实时温度下花岗岩动态压缩破坏特性试验与数值研究

为了研究黑云母花岗岩热动力学性能,对不同实时温度(20℃,100℃,200℃)下的花岗岩试样力学响应和破坏过程进行了室内试验和数值模拟分析。结果表明:在所研究的温度范围内,20℃时岩样的抗压强度和弹性模量值最大,100℃时最小,且100℃下岩样的破碎程度比20℃和200℃的明显偏大;随着加载速率的提高,应力–应变曲线上的峰值应力和峰值应变增加,岩样内部裂纹演化及破坏程度也随之增大;低加载率时试样周边易萌生裂纹,高加载率下试样内部裂纹在加载初期甚至也可被激活;所提出的Holmquist-Johnson-Cook(HJC)模型参数确定方法是可行的,数值模拟能较好地描述热处理岩样在冲击荷载作用下力学特性;HJC模型与相关失效准则相结合,能逼真地展现岩样动态压缩破裂过程及其形破坏态变化。     

滑带土环剪剪切面的微观观测与分析

 滑带土的残余强度一直是边坡工程研究的重点。由于剪切面微观结构在剪切前后的变化与宏观的土体强度存在必然的联系,所以针对一古滑坡滑动带的含砂黏土进行环剪试验,采用电镜扫描技术分析剪切前后微观结构的变化,探讨微观结构与土体宏观力学特征的关系。研究表明,含砂黏土的强度特征不同于一般黏性土,没有明显应变软化特性,粗粒含量对峰后强度有比较明显的影响。剪切过程会导致颗粒出现明显的定向性排列,微观结构发生改变,出现颗粒破碎、孔隙率提高,颗粒形状变狭长的现象,这与滑带土的宏观强度变化有密切的关系。另外,通过周长–面积法对剪切面颗粒形态的分形研究,发现剪切面土颗粒微观形态具有明显的分形特征,分形维数与滑带土的残余强度指标呈线性负相关关系。     

基于SEM土体微观结构研究中的影响因素分析

通过对一系列SEM照片计算其表观孔隙率和土颗粒形态分维数,研究了阈值大小、分析区域大小、扫描点位置、放大倍率等因素对土体微观结构定量研究的影响,探讨了各因素的影响机理。研究发现在相对较小的阈值条件下得到的孔隙结构参数较接近真实情况,在相对较大的阈值条件下分析土颗粒的形态特征更具有代表性;合理的放大倍数是分析土体微观结构的关键因素,应根据研究对象和研究目的而定;基于分析结果,给出了合理的阈值和放大倍数的推荐值,并对扫描过程中相关的测试技术、观察技术和图片处理技术提出了建议;研究结果对今后研究人员如何利用SEM获得真实客观的土结构参数具有参考价值。     

单轴压缩下含预制孔洞板状花岗岩试样力学响应的试验和数值研究

 利用挪威Iddefjord花岗岩试样加工制备含双侧预制方形孔洞的板状试样,并在Instron液压伺服控制试验机上开展单轴压缩试验,监测试样的应力、应变、声发射信号特征及试样破坏过程。研究发现,随着轴向应力的增大,试样在平行于孔洞竖直方向的位置相继出现劈裂裂纹并逐渐贯通,孔洞周边岩体出现块体弹射、片帮等应变型岩爆特征。试验研究表明,含孔洞花岗岩试样在单轴压缩下总是从孔洞周边的劈裂破坏开始,试样的声发射曲线比完整岩样存在更多的跳跃突变点。在此基础上,利用FLAC3D对室内试验进行数值模拟,通过线弹性模型分析含孔洞岩石材料的应力分布特性,通过应变软化莫尔–库仑准则模拟岩样的破坏过程,监测各计算时步下单元拉伸和剪切破坏特性;发现单轴压缩下含孔洞岩样的塑形破坏单元以拉伸破坏为主,拉伸破坏单元沿孔洞竖向边界贯通形成劈裂破坏面,这和室内试验观测结果是一致的。研究结果在一定程度上揭示了深部硬岩洞室开挖后,在高地应力作用下总是产生平行于洞室开挖边界面的板裂、片帮破坏现象。     

多裂纹岩石单轴压缩渐进破坏过程精细测试

 综合运用声发射定位技术的灵敏性以及CT技术的直观性等特点,实现对多裂纹岩石单轴压缩渐进破坏过程的精细测试。通过分析加载过程中声发射定位事件、CT扫描切片以及CT数的变化,获取多裂纹岩石裂纹扩展破坏过程。加载之初,岩石试件虽总体上表现为裂纹压密,但局部仍可追踪试件内部原生裂纹起始扩展,并随载荷增加向两端逐渐扩展、渐进破坏直至形成贯通破裂面。为探索岩石微细观破坏机制和裂纹扩展演变规律,推进岩石力学试验可视化技术的发展奠定基础。     

综放采场顶煤压裂机理的实验研究

采动岩体裂隙演化规律的定量描述是岩石力学的重要课题之一。通过模拟支承压力对硬煤、软煤和中硬煤300 mm×300 mm×300 mm大煤样的压裂过程,运用分形几何理论研究了顶煤在支承压力峰值前后作用下裂隙的演化规律。研究结果表明,裂隙分维和支承压力具有良好的多项式定量关系。同时得出了基于损伤力学的顶煤压裂本构方程,为综放开采数值分析、工艺及参数选择提供了科学依据。     

单轴压缩条件下三峡坝基岩石破裂的分形特征

基于分形理论,研究了单轴压缩状态下三峡坝基岩石破裂的分形结构,结果表明,在单轴受压时,岩石破裂系和主破裂均表现出很好的分形性质,分维随着压力增加而上升。分维和为描述岩石破裂过程的参数,同岩石抗压强度和风化程度有很好的相关性,表征了岩石裂隙的形成演化特征。     

花岗岩直板轴向压缩的分层破坏及围岩失稳探讨

基于弹性稳定理论,确定抗拉强度较低的板状构件因拉伸分层而轴向压缩失稳的条件;利用宽80 mm、长270~420 mm、厚8~20 mm的花岗岩直板,以刚性压头或垫入5~10 mm橡胶模拟端部的固支和铰支进行单轴压缩。厚16 mm及以上直板会发生分层破坏,强度约为标准试样的40%而不再随厚度增加;而较薄直板可以Euler压缩失稳估计其破坏载荷。从围压对强度的影响趋势看到,花岗岩标准试样单轴压缩强度明显偏低,这同样源于拉伸分层引起的压缩失稳。岩体抗拉强度较低,深部巷道围岩在轴向应力作用下可能发生结构失稳和分区破裂而出现片帮和底鼓,平面应变状态下应力分析和强度校核不足以确认工程安全。     

中低应变率范围内花岗岩单轴压缩特性的尺寸效应研究

 利用变频动态加载岩石力学试验系统对直径为50 mm,长度分别为50,75,100,125 mm的花岗岩试样进行中低应变率范围内的加载试验。研究结果表明：(1) 试样强度具有显著的应变率依赖性,随着应变率增大,压缩强度近似以乘幂关系增大。(2) 静载和准动态加载条件下,岩石强度基本上随试样长度的增加而减小。(3) 不同应变率加载条件下,直径为50 mm的试样,长径比不小于2时,方能取得基本稳定的试验结果。(4) 峰值应变随试样尺寸的增大逐渐减小。(5) 割线模量E50和线性段弹性模量Et随试样尺寸的增大而增大,且Et＞E50。(6) 破裂形式具有显著的应变率效应,随着应变率的增高,破碎程度加大;其尺寸效应则表现为：应变率 ＜10－3 s－1时,随着尺寸的增大,破裂形式表现为劈裂–锥形破裂–剪切破裂的过程;应变率 ＞10－2 s－1时,破裂形式则直接由锥形破裂变为剪切破裂。     

稻田花岗岩单轴拉伸强度和变形 各向异性特征

 为查明稻田花岗岩的强度及变形之各向异性特征,从同一个较大岩块试样的3个相互垂直的方向采制圆柱形拉伸试样,对此进行单轴拉伸实验。结果表明,稻田花岗岩的抗拉强度和变形常数随拉应力的作用方向不同而发生明显变化。在与rift面相垂直的方向拉伸时,其强度和弹性模量都明显小于其他方向。而且,实验结果也表明,抗压强度的各向异性程度比其他各种物性指标的各向异性程度都要大。此外,还设计了一个新的试件安装方式,能够在拉伸过程的任何一个中间阶段非破坏地取下试件以对其进行显微观察等。用此方法,成功地取下一个超过峰值强度且未完全拉断的试件,并切取内部的切片进行显微观察。结果表明,由拉伸所形成的花岗岩中的裂纹主要穿过矿物粒子内部,并不沿着粒子边界延伸。     

花岗岩单轴受压条件下声发射信号频率特征试验研究

研究分析破裂过程不同阶段的声发射信号频率特性,对于选出相应谐振频率的声发射传感器具有重要意义。通过单轴压缩试验,结果表明:花岗岩受压过程中主要经历3个受力阶段,声发射振铃计数率随相对应力的增加呈现出阶段性的变化规律,声发射信号优势频率主要发生在岩石破裂前塑性破坏和主破裂阶段,且集中在41～85kHz。在相对应力较低时,花岗岩声发射信号频率以低频为主,随着相对应力的增加,其高频、低频信号密集且幅值很大,因此高频高幅值声发射信号的突然增多预示花岗岩有破坏危险。     

Barre花岗岩动态压缩破坏特性研究

 利用修正的分离式Hopkinson压杆(SHPB)系统,对Barre花岗岩(Barre granite,BG)圆柱形试样进行高应变率单轴压缩试验。根据各向异性BG试样3个主轴方向将试样分为X向(P波速度中等),Y向(P波速度最低)和Z向(P波速度最高)。试验过程中,采用组合型整形器(黄铜+橡皮)保证加载中的应力平衡,实现对试样的常应变率加载;利用单脉冲加载技术确保试样在试验过程中只受到1次动态载荷。得到试样3种破坏状态形态：未破坏、表面开裂以及完全破碎。对回收试样切片后的微观裂纹分布研究发现,裂纹随着加载应变率的提高而增多。试验测得BG三个方向不同加载应变率(70,100,130 s－1)下的应力–应变关系,分析不同破坏状态下的应力–应变曲线形式。3个方向的试样均表现出应变率相关,最大承受应力随着应变率的增加。在较低和较高的加载应变率下,试样的最大承受应力与初始裂纹方向无关,呈现出各向同性。而在中间加载应变率下Y试样承受应力最大,这是因为BG初始裂纹面平行与XZ平面,在临界加载条件下裂纹扩张比较困难。     

Westerly花岗岩试样单轴压缩破坏瞬时微裂纹观察

 利用Nishiyama和Kusuda(1994)提出的荧光方法,对Westerly花岗岩试样单轴压缩破坏瞬时微裂纹进行详细的实验观察。应用这种方法,能同时有效、容易地确认微裂纹的产生方式,如长石颗粒间的解理裂纹、石英颗粒间的晶内裂纹和这些裂纹的宽区域分布。作为一个观察结果,确认拉长的相连裂纹对花岗岩破坏有直接影响,这些裂纹大致分为3类。据推测,这3类裂纹不能同时发展,每一类有不同的产生机制。单轴压缩下裂纹的产生机制是：首先,在平行于施加荷载方向产生许多微裂纹,长裂纹是通过延长和合并微裂纹诱发产生的;然后,通过进一步加载,产生断层面,各部分的裂纹被连接、扩展;最后,花岗岩试样发生破坏。