岩石强度尺寸效应研究现状及展望

在总结大量文献的基础上,对岩石静态与动态强度尺寸效应的研究现状进行了总结,提出了现阶段研究存在的问题,并对岩石强度尺寸效应方面的发展趋势进行了展望,可为相关领域的研究提供一定参考。     

岩石材料应变软化尺寸效应的实验和理论研究

采用同直径不同高度的砂岩试件进行岩石全程应力－应变试验，发现了砂岩的应变软化尺寸效应，即峰值强度后随着试件高度增加，岩石脆性增大。对这一试验结果，采用梯度塑性理论进行分析，理论解和试验值取得了较好的一致性。     

一种确定岩石类材料真实应变率效应的数值方法

研究表明,分离式霍普金森压杆(SHPB)试验获得的岩石类材料动态压缩强度随着应变率的增加而提高实际上是由材料本身的应变率效应(称为真实应变率效应)、横向惯性效应和端面摩擦效应共同作用的结果,且这3种效应互相耦合。为了确定岩石类材料在SHPB试验中的真实应变率效应,需要消除横向惯性效应和端面摩擦效应作用引起的动态压缩强度增量。采用数值模拟的方法分析岩石类材料的SHPB试验,并假定材料的真实应变率效应、横向惯性效应和端面摩擦效应三者不相关。当不考虑材料的真实应变率效应和端面摩擦效应时,由数值SHPB试验获得的动态压缩强度随应变率的提高而增大便是仅由岩石试样的横向惯性效应引起的;同样的,当不考虑材料的真实应变率效应和横向惯性效应时,由数值SHPB试验获得的动态压缩强度增加便是仅由岩石试样的端面摩擦效应引起的。在此基础上,从SHPB试验中得到的动态压缩强度数据减去分别由横向惯性效应和端面摩擦效应引起的动态压缩强度增强量,即可获得岩石类材料在SHPB试验中的真实应变率效应。通过与已有研究结果比较验证了本文假设的有效性。     

考虑应变率效应与尺寸效应影响的普通混凝土名义抗拉强度理论预测方法

应变率效应和尺寸效应是混凝土力学领域重要的基础科学问题.以强度为代表的力学性能指标随应变率增大而提高、随结构尺寸增大则存在劣化的趋势.目前,对应变率效应的研究多采用试验观测的经验方法,现有表征应变率效应强弱的动力增大因子计算模型多基于有限数据拟合,参数缺少物理意义,因此不利于工程实际应用;尺寸效应方面已存在几类基于不同理论框架的模型分析方法,但仍存在较大分歧.结合前期研究工作中建立的具有实际物理意义参数的混凝土抗拉强度动力增大因子计算模型和考虑混凝土材料配合比参数的全局尺寸效应模型,提出了同时考虑应变率效应与尺寸效应影响的普通混凝土名义抗拉强度理论预测方法.研究可为基于性能的大体积混凝土配合比设计方法及其动态强度预测方法提供理论依据.     

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。     

考虑应变率效应的混凝土材料单轴压缩特性尺寸效应研究

为了研究尺寸效应和应变速率对混凝土力学性能和变形能力的影响,对3种尺寸(70、100、150 mm)228个混凝土立方体试块分别在4种应变速率下(10^-5、10^-4、10^-3、10^-2/s),进行了试验研究。试验结果表明:同一应变率下,混凝土峰值应力随着尺寸的增大而减小,混凝土峰值应变随着尺寸增大而逐渐增大,并分析得出应变速率较大时,峰值应变由骨料弹性变形决定;应变速率较小时,峰值应变由水泥凝胶体黏性流动和混凝土裂缝扩展决定。同一尺寸下,混凝土峰值应力随着应变速率的增大而增大;混凝土弹性模量随应变速率的增大也呈现逐渐增大的趋势。指出动态加载下,混凝土弹性模量变化幅值不是一个确定的值,用静态下的弹性模量简单乘以一个放大或折减系数,不能满足计算动态加载下弹性模量的要求。通过线性回归分析,发现混凝土动态弹性模量和应变速率的对数成线性增长关系,对两者关系进行拟合,发现混凝土弹性模量与应变速率的关系曲线与试验结果吻合较好。     

推断岩石长期强度的黏塑性应变率法研究

 首先,研究黏塑性应变率与加载应力水平之间的线性函数关系,从理论上说明只要能获得各分级加载应力水平对应的黏塑性应变率,便可推测岩石的长期强度。然后,利用低应力水平下的蠕变试验结果,拟合出岩石的黏弹性模型,并以该黏弹性模型推算较高应力水平条件下岩石的黏弹性应变增量,从而实现从总应变增量中分离出黏塑性应变增量,进一步计算黏塑性应变率,用于推断岩石的长期强度。此外,对大理岩,利用常规分级加载蠕变试验,检验所提出的方法的正确性。在此基础上,进一步利用试验论证缩短蠕变试验时间的可行性。研究结果表明,所提方法是正确合理的;在缩短分级加载蠕变试验时间的情况下,所推测的岩石长期强度正确合理,表明可以通过缩短试验时间快速推断岩石长期强度。所提出的推断长期强度的方法,具有快速蠕变试验、计算机程序化推断及排除人为因素的特点,且对于试验过程中的测值波动具有很好的适应能力,因此具有良好的工程应用前景。     

水-岩耦合作用下红砂岩应变率效应研究

基于?100 mm SHPB试验平台,对吸水红砂岩试样进行不同应变率下冲击压缩试验,对比干燥试样试验结果,探究了水-岩耦合作用下动态抗压强度、变形及单元可释放弹性应变能W_e的应变率相关性,得出:在水-岩-动力的耦合中,岩石强度的应变率强化作用和水的劣化作用同时存在,但应变率强化作用占主导地位;裂隙水对岩石强度的应变率效应有强化作用,并且这种强化作用随着应变率的增大而增强;岩石的峰值应变在水的耦合作用下应变率效应更为显著;当应变率超过某一阈值时,吸水试样在弹性变形阶段更加容易变形,弹性模量降低,而在冲击作用下,裂隙水阻碍裂纹发展,试样抵抗变形的能力增强,变形模量线性增加;水-岩耦合作用下W_e对应变率更为敏感,与干燥试样的W^D_e相比,W^W_e随着应变率的增加而增长更为迅速。     

常规三轴条件下不均匀岩石的强度尺寸效应

运用FLAC3D数值模拟软件对不均匀岩石在常规三轴条件下的强度尺寸效应进行了研究。细观单元的粘聚力和杨氏模量被假设为具有离散性并符合高斯分布,并通过设定不同的离散系数来反映岩样的不均匀程度。对不同尺寸的岩样在不同围压下进行多次加载得到了一系列具有离散性的试验结果。结果表明,随尺寸的增大,均匀的岩样没有尺寸效应,不均匀的岩样强度平均值会不断减小,离散系数则不断增大,而且岩样的不均匀程度越高,强度尺寸效应越显著;围压的增大则会降低岩样强度对尺寸变化的敏感性。通过定性分析认为,岩石强度的尺寸效应可以理解为岩石细观不均匀性在宏观上综合的平均效应。     

软岩的应变速率效应研究

对硅藻质软岩试样进行了不同围压和不同加载速率的应变和应力控制式固结不排水三轴试验,试验结果表明,硅藻质软岩具有明显的应变速率效应,加载速率对软岩的强度变形特性有较大的影响。在试验研究的基础上,应用三维弹粘塑性模型,考虑硅藻质软岩的应力–应变关系的时间依存性,模拟了软岩的应变速率效应。数值分析中所采用的参数均由试验确定,对不同应变速率下固结不排水试验的应力–应变关系和有效应力路径的数值计算结果,反映出不同应变速率下软岩的峰值强度和残留强度均随着应变速率的增大而不断提高,与试验结果相吻合;计算结果还反映出与试验结果一致的孔隙水压力变化和应变软化趋势。通过对比分析表明,三维弹粘塑性模型可以较好地描述软岩的应变速率效应。     

高应变率下的岩石动载特性对爆破效果的影响

本文采用三轴SHPB装置对多种矿岩进行了高应变率的动载特性试验,并进一步阐述了该特性对爆破效果的影响．     

关于岩石非均质性与强度尺寸效应的讨论

1　引　言岩体工程中为确定岩石的力学性质,需要进行实验室岩样试验。但试验结果通常具有很大的离散性。其处理和运用方法一直是岩石力学领域研究的课题[1～4]。另一方面,岩样强度具有尺寸效应,利用岩样强度的平均值表示大尺度构件内材料强度,是偏于不安全的。那么在工程设计,特别是在有限元等数值计算中,如何选择和运用岩石的强度,值得探讨。本文提出一些初步的设想,与同行们切磋。2　岩石材料的非均质性岩石是矿物颗粒的集合体,具有明显的非均质性。在力学性质上表现为,取自同一岩块的若干试样,尽管形状和尺寸完全相同,强度各不相等,离散…     

岩石抗压强度的尺寸效应

在7种岩石的力学试验基础上，研究了岩石抗压强度的尺寸效应。由试验结果获得一个经验公式，与试验结果的对比令人满意。     

损伤岩样强度衰减规律及其尺寸效应研究

 损伤岩样的强度衰减规律是岩石力学领域的重要课题。采用一种新的方法预制损伤岩样,对其分别进行单轴和三轴压缩试验,并将结果与近似均质的完整岩样试验结果对比。结果表明,单轴压缩下,损伤岩样除劈裂破坏外还伴随有斜向断裂破坏;随围压的增大,损伤岩样容易在胶结面处出现一种新的近水平破坏。损伤岩样较完整岩样的强度衰减值,随围压的增大而增大,但增长幅度逐渐减小。根据室内试验的结果,借助于PFC数值软件,对损伤岩样单轴强度衰减的尺寸效应进行探究。研究发现,随岩样高径比的增大,单轴强度的衰减值不断减小,但减小的趋势逐渐平缓。提出单轴强度衰减的理论模型 (其中, 为任意损伤岩样的单轴强度衰减值, 为标准损伤岩样的单轴强度衰减值, 为圆柱体岩样的高径比,a和b均为材料参数),所得的理论曲线与试验值吻合得很好。计算得出损伤岩样尺寸为无穷大时,单轴强度衰减的无限趋近值 。     

应变速率对粘土不排水抗剪强度的影响

由于流变特性的影响，饱和粘土的不排水抗剪强度与加载速率有关。应变速率对粘土不排水抗剪强度的影响程度通常采用应变率参数（应变速率增长10倍下不排水抗剪强度的增长率）来反映。国外大量的试验结果表明这个参数为8％～20％，而大部分在12％左右，并且超固结比、固结状态、试验类型对应变率参数P的影响并不明显。介绍了一个用来研究应变率参数P的各向异性弹粘塑性本构模型，在这个本构模型的基础上推导得出了应变率参数P的理论表达式。实际上，只要是采用滞后变形理论构建的流变本构模型，都可以推导得出这个公式。这个公式从理论上证明了应变率参数与固结状态、试验类型的无关性。众多试验结果表明，对于大多数粘土，压缩指数与次压缩指数的比值大都为0．03～0．05，代入公式中ρ的计算结果为7．2％～12．2％。试验中所得到的高达20％的数值与灵敏性土在结构破损明显阶段所具有较高的压缩指数与次压缩指数的比值有关。计算结果与一些试验结果的对比表明了这个表达式的可靠性。     

卸荷岩体的尺寸效应研究

讨论了岩体尺寸效应研究的现状。根据三峡工程永久船闸高边坡岩体的物理仿真卸荷试验,研究了卸荷岩体的尺寸效应问题,即应力-应变关系、抗压强度、抗拉强度、变形模量、泊松比、各向异性等物理特性,得到了几点有意义的结论,并推荐了相应的力学参数。     

土体介质强度尺度效应的理论与试验研究

为考虑土体微细观结构特征对其宏观强度特性的影响,根据土颗粒的大小及其连结性状,以一定的尺寸界限将土体分成基体和加强颗粒2种介质,基于应变梯度理论,引入适应基体与加强颗粒变形相容性要求的几何协调微裂纹概念,建立可描述土体强度尺度效应并具有多尺度理论框架的基体–加强颗粒模型。该模型揭示土体的强度与内禀尺度、应变梯度、基体性质以及加强颗粒的粒径和级配有关。设计一系列非饱和重塑土的三轴固结不排水剪切试验以研究土体的强度尺度效应并定量计算反映土体强度尺度效应的内禀尺度参量。试验结果表明：土体的屈服应力随加强颗粒粒径的减小而增加且与加强颗粒含量之间呈线性关系,与内禀尺度之间呈抛物线关系;内禀尺度随加强颗粒的粒径和含量以及基体液性指数的增加而增加且与加强颗粒含量之间呈抛物线关系;土体屈服应力的试验结果与基体–加强颗粒模型的预测结果一致。研究成果对土体的强度理论发展有一定的参考价值。