循环动载边界下三维粗糙节理面剪切力学响应研究

开展正弦波式循环法向动载–循环剪切位移叠加作用下三维粗糙节理面剪切试验,探讨初始法向静载(F_s)、法向动载振幅(F_a)、法向动载频率(f_v)及循环剪切次数(N)对节理面剪切特性的影响。随着F_s与F_a的增加,节理面法向荷载变化范围逐渐增大,一个剪切位移周期内剪切荷载呈现波动增加→波动减小→波动增加趋势;稳定状态下峰值剪切荷载随着F_s与F_a的增加分别增大4.90倍与65.12%,节理面抗剪能力逐渐增强,而随着f_v的增加,节理表面损伤渐进累积导致峰值剪切荷载逐渐减小,且出现的时刻逐渐前移,稳定状态峰值剪切荷载减小17.49%。一个剪切位移周期内节理面法向位移呈现波动增加→波动减小→二次增加→二次减小的趋势,当节理面远离初始位置剪切时,凸起体持续“爬坡效应”导致法向位移逐渐增大;节理面法向位移–法向荷载呈现明显负相关,且最大法向位移滞后于最大剪切位移1/4法向荷载周期;随着N的增加,节理面持续磨损劣化导致最大法向位移呈指...     

侧限条件下陷落柱破碎岩体的渗流特性研究

采动影响下陷落柱内部破碎岩体极易发生二次破坏,造成孔隙度和分形维数同时改变,致使其渗透率突变而引发突水灾害。基于此,现场开展陷落柱取样,按相同质量比配制陷落柱和石灰岩试样,测试并分析其孔隙度、分形维度以及渗透率在有侧限单轴压缩条件下的变化影响规律。研究表明:1)陷落柱和石灰岩试样的孔隙度均随轴压的增大呈指数衰减式减小,但陷落柱试样孔隙度的减小幅度比略大于石灰岩;2)当轴压小于6 MPa时,破碎岩体分形维数随轴压变化明显,尤其是陷落柱试样,其分形维数变化率可达18.5%,而石灰岩仅为9.3%;3)引入分形维度对破碎岩体渗透率与孔隙度的表达式进行修正,较好地描述了陷落柱在不同轴压下渗透行为的演化特征。     

级配饱和破碎岩石压缩变形与分形特性试验研究

综合利用MTS816.03试验系统与自制的破碎岩石压缩装置进行了不同岩性饱和破碎岩石的压缩试验,分析了岩性、轴向应力、粒径配比和加载速率4种影响因素下试样的压缩变形与分形特性。得出以下结论:1)矸石、泥岩和砂岩试样的压缩过程相似且可分为2个阶段,即为0~4MPa的快速变形阶段和4 MPa后的缓慢变形阶段;而灰岩试样的压缩过程变形速率均匀。2)在相同粒径配比条件下,随着轴向应力的增大,砂岩分形维数单调增大,岩石颗粒破碎程度加剧。轴向应力与分形维数之间关系可用指数函数拟合。3)在试样压缩过程中,Talbol幂指数越大,试样轴向位移越大;加载速率越大,试样轴向位移越小。4)在12 MPa轴向应力下,Talbol幂指数越大,试样压缩后的分形维数增量越大,被压碎的岩石颗粒越多;加载速率越大,试样分形维数越大,破碎程度越低。     

溶蚀作用对破碎泥岩渗透特性的影响

为研究溶蚀作用对破碎岩石渗透特性的影响,研制一种可测量质量流失条件下破碎岩石渗透特性的试验系统.在破碎泥岩的渗透试验中掺入岩盐模拟自然条件下存在的溶蚀现象,加速溶蚀过程.讨论溶蚀作用下破碎泥岩渗透特性的演化规律,分析溶蚀作用下渗透压力、岩盐质量和泥岩颗粒粒径对破碎泥岩渗透特性的影响.结果表明:溶蚀作用导致破碎岩石内易溶物质和细小颗粒的流失极易破坏岩样内部的孔隙结构和骨架结构,由此造成结构内部导水通道的扩大和渗透参数的突增.其渗透参数基本与渗透压力、岩盐质量和泥岩颗粒粒径呈正相关关系.且对于渗透压力较大、岩盐质量较高和泥岩颗粒粒径较大的岩样,由于溶蚀作用的存在容易发生更明显的导水通道扩大现象.此外,在岩样的渗流过程中,也存在由于颗粒迁移导致的导水通道堵塞造成的渗透参数逐渐减小的现象.     

氧化石墨烯和水泥基复合注浆材料胶结碎石的力学性能试验研究EI北大核心CSCD

为探索高效、绿色的注浆材料,将水泥基浆体质量占比为0.03%的工业级氧化石墨烯配合上质量占比为12.5%的粉煤灰,混入胶结材料中加固碎裂岩体,并开展单轴压缩、声发射监测和电镜扫描试验,研究氧化石墨烯复合水泥基胶结材料加固碎裂岩体的强度和变形特性,以及破坏后的宏、微观特征,探讨氧化石墨烯对水泥基胶结材料的优化作用和应用前景。试验结果表明:改性后的浆液可以有效提升胶结后碎裂岩体的抗压强度(提高12.6%~22.5%)。氧化石墨烯可以促进水泥的水化反应,引导水化产物在石墨烯纳米片表面生长,进而优化注浆材料中的孔隙结构,并缩减浆体和碎裂岩体界面间的微裂隙。声发射、电镜表征和分形分析揭示掺入氧化石墨烯可以有效地减小试样在破坏过程中的微损伤程度,保证胶结后试样在失稳破坏过程中的完整性,增强材料的韧性及其抗负载作用的能力。     

连续级配饱和破碎岩石压实特性试验研究

为研究满足连续级配的饱和破碎岩石压实特性及压实前后岩石粒径的分布规律,利用MTS816.03岩石力学试验系统及自制装置对满足Talbol分布的饱和破碎岩石进行压实试验研究。分析了Talbol指数对割线模量、切线模量、孔隙率、碎胀系数和压实度的影响,讨论了分布系数r随Talbol指数和轴向应力的变化规律,建立了一种反映颗粒粒径分布变化的破碎岩石应力-应变关系。研究表明:破碎岩样在承载过程中,割线模量、切线模量、孔隙率、碎胀系数、压实度与Talbol指数n呈负相关关系。分布系数r随轴向应力的增大而减小;且在轴向应力小于单轴抗压强度的50%时,分布系数r随n呈增大趋势;当轴向应力大于单轴抗压强度的50%时,破碎岩样分布系数r与n的关系出现波动;当轴向应力达到单轴抗压强度的90%后,不同n的破碎岩样分布系数r趋于一致。     

基于PFC~(3D)的砂岩扩容特性的三轴压缩试验研究

基于颗粒流数值软件PFC~(3D)对砂岩进行了三轴压缩试验模拟,并与室内试验数据进行了对比分析,讨论了围压对砂岩承载过程中扩容行为和细观结构演化的影响。研究表明:砂岩的强度参数(扩容起始应力和峰值强度)和变形参数(轴向应变和环向应变)以及与围压的关系均可以采用正线性关系来表征,且岩石经过扩容转折点后,模型微裂隙数量开始剧增。     

预制双圆形孔洞砂岩强度与变形破坏特征

岩石材料由于其天然形成过程的复杂性,内部赋存了大量的微裂隙、孔洞等缺陷。为研究岩石孔洞之间的相互作用机制及孔洞对岩石力学行为的影响,分别对不同次孔洞直径和不同孔洞几何布置的双圆形孔洞砂岩试样进行单轴压缩试验,以获得其强度、变形及破裂演化规律。试验结果表明,随着孔心连线与水平方向倾角α的增大,试样峰值强度和弹性模量均呈先减小后增大的趋势,在α为30°和90°时分别达到最小值和最大值;随着次孔洞直径d的增大,峰值强度和弹性模量均呈逐渐减小的趋势。双圆形孔洞砂岩的破坏形式受到倾角α和次孔洞直径d的影响,主要表现在起裂形式、主孔洞破裂形式及主次孔贯通模式三个方面。随着倾角α的增大,主次圆孔间的相互作用先逐渐增强后又有所衰减,而随着次孔洞直径d的增大,主次圆孔间的相互作用逐渐增强,这在双圆孔的贯通模式上得到了很好的印证。     

碳纳米管增强水泥净浆的动态力学特性EI北大核心CSCD

利用分离式Hopkinson压杆(SHPB)装置对不同掺量(占水泥的质量分数)碳纳米管(CNTs)的水泥净浆试样在冲击荷载下的动力学特性展开研究,并利用扫描电子显微镜揭示了含CNTs水泥净浆的微观形貌特征。结果表明:在恒定冲击荷载下,试样的动态抗压强度、弹性模量和峰值韧度均随CNTs掺量的增加呈现出先增加后减小的趋势;CNTs掺量为0.1%时,三者达到最大值,与空白对照试样相比,其增幅分别为34.1%、70.0%和15.4%;试样的破坏程度表现出相反的变化规律,0.1%CNTs掺量的试样破碎程度最低,分形维数较空白试样减小了22.3%;适量的CNTs可改善水泥基体的孔径分布,对孔洞、裂缝进行填充与桥接,使其更加致密,但当其掺量过高极易发生团聚,降低基体的力学性能。     

基于CT扫描的饱和破碎灰岩侧限压缩下微观结构演化特征

为探求破碎岩体在压实过程中微观结构的演化规律,对饱和破碎灰岩进行侧向受限压缩试验,进行了试样内部微观结构形态的显微CT扫描;定量描述了压实过程中灰岩颗粒的破碎程度,分析了孔隙度与颗粒平均粒径之间的关系;基于图像处理技术,定量分析了颗粒表面形貌的演化规律。试验结果表明：在饱和破碎灰岩压实过程中,颗粒破碎现象普遍存在,试样内部孔隙被压缩或充填,孔隙间连通性变弱。颗粒的初始配比影响试样孔隙度,相同轴向应力下,随着Talbot指数的增大,试样孔隙度单调增大。孔隙度与颗粒平均粒径之间满足线性关系,孔隙度的变化可以作为描述颗粒破碎程度的一个有效参量。随着轴向应力的增大,颗粒的圆形度单调减小,颗粒表面形貌越来越规则,圆形度与轴向应力之间满足指数关系。该研究有助于深入了解破碎岩体的变形机制。