土石混合体细观特性研究现状及展望

土石混合体作为一种介于土体与破碎岩体之间的特殊地质材料越来越多地受到工程界及学术界的关注。土石混合体细观结构特性及物理力学特性的深入研究是当今工程建设的需要,也是理论岩土力学、计算岩土力学、试验岩土力学及应用岩土力学发展的必然。在总结国内外有关土石混合体研究现状的基础上,分别从土石混合体的细观结构特征、细观结构模型和细观力学特性3个方面对当前的研究成果进行了概括。在此基础上,总结了土石混合体细观特性研究方面存在的不足,指出开展不同细观尺度的实时加载试验,从不同试验尺度上研究土石混合体的局部变形特征是未来的研究方向; 建立土石混合体细观损伤演化方程和本构方程,加强土石混合体环境依赖性方面的研究,通过细观试验建立土石混合体三维精细结构模型,开展土石混合体开裂方面的仿真计算,加强细宏观力学特征的关系性分析,揭示实时加载条件下内部微结构的演化过程是未来研究的趋势。     

土石混合体细观特性研究现状及展望

土石混合体作为一种介于土体与破碎岩体之间的特殊地质材料越来越多地受到工程界及学术界的关注。土石混合体细观结构特性及物理力学特性的深入研究是当今工程建设的需要,也是理论岩土力学、计算岩土力学、试验岩土力学及应用岩土力学发展的必然。在总结国内外有关土石混合体研究现状的基础上,分别从土石混合体的细观结构特征、细观结构模型和细观力学特性3个方面对当前的研究成果进行了概括。在此基础上,总结了土石混合体细观特性研究方面存在的不足,指出开展不同细观尺度的实时加载试验,从不同试验尺度上研究土石混合体的局部变形特征是未来的研究方向;建立土石混合体细观损伤演化方程和本构方程,加强土石混合体环境依赖性方面的研究,通过细观试验建立土石混合体三维精细结构模型,开展土石混合体开裂方面的仿真计算,加强细宏观力学特征的关系性分析,揭示实时加载条件下内部微结构的演化过程是未来研究的趋势。     

循环荷载下砂岩疲劳损伤过程的声学特性分析

利用电液伺服疲劳试验机系统研究了砂岩在单轴受压循环荷载作用下的疲劳损伤特性,配合智能型超声波检测设备及损伤在线实时监测系统,对砂岩试件在疲劳损伤过程中的声学参数（超声波速、时域波幅、波形）进行了实时的测量及详细地分析研究。结果表明,在循环加载过程中横向超声波速随损伤的发展变化比较敏感,呈现有规律的倒S型三阶段衰减现象,可以客观地描述砂岩的疲劳损伤特性及直观地反映疲劳损伤的各个阶段;超声波时域幅值在砂岩疲劳损伤过程中变化不稳定;波形在砂岩损伤过程中从有规则的纺锤形逐渐发生畸变,波形相关系数随循环次数的增长呈现整体下降趋势。研究成果进一步丰富了声学数据在疲劳损伤过程中的应用,从声学角度探讨了岩石疲劳损伤过程的微观机制,为进一步选择声学参数进行岩石疲劳损伤过程的跟踪识别提供试验依据。     

基于BP神经网络的土体细观力学参数反演分析

利用离散元方法对颗粒材料的细观力学特性研究, 目前确定数值计算模型的细观力学参数大多数通过反复调试获取, 效率低、可重复性差。本文采用开源的颗粒离散元程序LMGC开展了土体双轴压缩数值试验, 通过25组土体细观力学参数计算得到相应的宏观力学参数, 建立了BP人工神经网络反演系统。利用土体物理试验得到的土体宏观力学参数, 输入BP神经网络, 反演得到土体的细观力学参数。将所得细观力学特性参数输入所建立的土体数值计算模型, 得到土体破坏过程中的应力-应变关系曲线, 以及土体颗粒的力链图和旋转变形云图。所建立的土体数值试验模型能够较好地模拟土体变形破坏过程, 利用BP神经网络反演细观力学参数以及数值模型计算得到的土体宏观力学参数与物理试验吻合较好, 误差在10%左右, 土颗粒间力链云图以及旋转变形云图较好地揭示了土体变形破坏的机理。     

岩石力学试验中试样选择和抗压强度预测方法研究

岩石力学试验是岩石力学的基础,是研究岩石力学与工程的重要手段之一,但岩石力学试验的结果往往要受到很多因素的影响,试验结果的离散是普遍存在的,有时可能会得到完全相反的结论。以超声波传播速度、回弹值与岩石强度之间相互关系为基础,综合两种方法的优点,把超声-回弹综合法应用到岩石试样选择中,在正式试验之前,挑出那些可能会使试验结果很离散的试样,可以提高室内试验的测试准确程度。实践表明,这种综合选样方法具有较好的适用性,对有缺陷的试样有较好的识辨能力,而且方便、快速、对试样没有损伤,同时,超声-回弹综合法可以较好地预测岩石的抗压强度。因此,这种综合方法在岩石试样选择和强度预测中值得借鉴。     

土石混合体重塑样制备及其压密特征与力学特性分析

基于土力学与岩石力学的实验室力学试验原理与方法,本文首先探索了土石混合体重塑样的制备、压密特性等问题,初步给出土石混合体重塑样制备的一个标准流程,并揭示了土石混合体的压密特性与机制,即土石混合体压密主要是土体的压密,但块石直接影响其压密效果,并指出本次试验土石混合体50锤次可达到的最佳压密效果,而压密机制随含石量增加而有所变化。运用高精度岩石试验机,首次进行了土石混合体的单轴压缩试验。试验表明,在无侧限条件下块石与土体无胶结,导致了试样实际承载面积减小,使其抗压强度与弹模反而低于土体;而土石混合体中块石形成骨架结构的力学响应是土石混合体的一个重要的力学特性。     

土石混合体概念、分类及意义

土石混合体的概念是随着当今各类大规模工程建设的开展而逐渐被提出来的,其物理力学性质的研究也是岩土力学及地质工程界共同面临的研究课题。由于目前对土石混合体的研究仍然处于初级阶段,在传统的岩土体分类体系中未将其独立出来,且未见有对土石混合体这一复杂岩土介质的概念及相应分类体系的系统论述。本文在总结目前国内外岩土体分类体系及以往研究成果的基础上,对土石混合体的概念及其关键问题进行了详细的论述,指出土石混合体是指第四纪以来形成的,由具有一定工程尺度、强度较高的块石、细粒土体及孔隙构成且具有一定含石量的极端不均匀松散岩土介质系统,其中可视粒径、土/石阈值、"土"与"石"的强度特征及含石量四个参数是土石混合体概念中的关键问题。     

不同入射频率下超声波横波在砂岩中的传播特性研究

岩石中超声波横波声学参数与力学参数密切相关,利用超声波横波传播特性可以反演岩石力学参数,但目前相关研究成果较少,因此需要深入开展岩石中超声波横波传播特性的研究。本文以灰砂岩、红砂岩和黄砂岩为研究对象,开展50 kHz、100 kHz和200 kHz频率下超声波横波传播试验;提取波速、主频和最大幅值等声学参数进行砂岩中超声波横波的传播特性研究;通过归一化处理,分析了3种声学参数对弹性模量变化的敏感性。结果表明,在3种砂岩中,横波波速、主频都随入射频率和弹性模量增大呈非线性递增趋势,最大幅值随入射频率呈降低趋势,而弹性模量和入射频率对3种声学参数变化率的影响呈现出不同规律;整体分析发现最大幅值对砂岩弹性模量变化的敏感性最强,基于最大幅值建立了砂岩弹性模量的估算公式;基于波形、信噪比、相关性的综合考虑,建议今后采用50 kHz作为砂岩超声波横波测试的入射频率。研究成果可以为超声波测试技术的发展提供参考。     

岩土损伤力学宏细观试验研究

该书由葛修润、任建喜、蒲毅彬、马巍、孙红编著,科技出版社发行。主要介绍了作者利用自行设计、研制成功的 RMT系列岩石力学多功能试验机和与 CT 配套的专用实时加载试验设备在岩土损伤力学特性研究方面取得的成果,以及作者在冻土蠕变 CT 细观分析、黄土湿陷性 CT 探测、上海黏土 CT 检测试验方面的研究成果,涉及岩石连续加载损伤破坏机理、周期性荷载作用下岩石疲劳损伤破坏机理和不可逆变形机理、岩石卸载损伤破坏机理、岩石细观蠕变损伤演化特性、岩石损伤本构关系、冻土蠕变细观机理及黏土损伤力学特性等内容。 本书可作为土木…     

基于PFC3D的黄土三轴试验细观参数敏感性分析

从细观角度出发,研究各细观参数对黄土三轴试验宏观力学响应的影响,基于三维离散元PFC3D软件及理论,结合室内三轴试验结果确定数值模拟基本细观参数取值范围,在50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa围压下对三轴试样进行颗粒流模拟,通过改变各细观参数值对黄土数值试样宏观力学行为影响程度及正交试验设计的方式,开展黄土三轴数值模拟过程中摩擦系数、孔隙率、颗粒刚度比k_n/k_s、颗粒粒径分布的敏感性分析,建立土体细观参数与宏观力学的关系式。结果表明:不同围压下数值试样峰值强度和剩余强度均与摩擦系数正相关,与颗粒刚度比、孔隙率负相关,而颗粒粒径分布的变化对其影响均小于2%。低围压下(50 kPa),孔隙率对数值试样峰值抗剪强度和剩余强度影响最大,颗粒刚度比次之,高围压下(200 kPa),摩擦系数对数值试样强度的影响比颗粒刚度比更为显著;对数值试样的初始线弹性模量和应变软化特性影响最大的细观参数为孔隙率,刚度比次之,颗粒粒径分布最小,200 kPa围压下正交试验分析结果与数值分析结果一致。通过改变细观参数取值范围的方式系统地分析了其对黄土三轴试验宏观力学性能的影响,为今后离散元软件用于黄土室内试验研究提供了参考。     

不同含水率砂岩单轴压缩力学特性及波速法损伤

为了探究不同含水率砂岩单轴压缩下力学特性及损伤变化情况,首先对5种不同含水率砂岩进行静态单轴压缩实验,获得其物理力学参数;而后利用超声波检测仪测量该5种不同含水率砂岩的波速,将该批次砂岩加载到80%峰值强度后卸载到0,测量此时砂岩声波波速,利用声波法定义损伤,研究含水率对砂岩损伤的影响。结果表明:单轴压缩下,砂岩的峰值强度及弹性模量随含水率升高逐渐降低,而峰值应变变化呈相反趋势;总功及弹性能随含水率增加而下降,耗散能随含水率增加而增大。实验前声波波速随含水率升高逐渐减小,实验后声波波速随含水率升高而下降,且下降趋势较实验前更迅速;砂岩的残余塑性变形和内部损伤均随含水率升高逐渐增大。研究结果可为现场岩石损伤测试提供依据。      

风化花岗岩声谱特征分析

岩石材料可视为声波的天然低通滤波器 ,声波在不同力学性质岩石材料中传播时 ,由于岩石对声波吸收程度不等因而高频声波滤除状况也不同。接收波中频率丰富程度与岩 石 的力学性质密切相关,岩石力学强度愈高,声谱中高频成分就愈丰富。反之,声谱中主要为 低频,高频分量因衰减而缺失。实验采用全数字化DB4型多波参数分析仪和计算机,对波形 数据进行FFT分析,通过接收谱和频率响应的特征来研究岩石的力学性质。声衰减研究可为 岩石、岩体强度和综合评价提供更多、更可靠的信息,是解决工程地质风化岩问题研究的一 种可行方法。     

不同损伤程度下岩石力学参数变化的声波测试

声波波速变化可有效表征岩体损伤程度。通过对岩样进行人工预损,利用声波检测标定岩样的不同损伤程度,然后通过三轴压缩试验来研究不同损伤程度下岩石的力学特性,建立了声波速度下降幅度与岩体力学参数变化幅度间的关系。研究表明,当岩样的声波速度下降5%～8%时,黏聚力c值降低15%～25%,内摩擦角? 值则升高14%～32%,因此,用声波速度的下降幅度来描述岩体参数的变化是可行的。根据现场实测的岩体损伤区内的声波速度的变化值,可以从一定程度上估计岩体参数的跌落情况,从而更进一步地说明损伤区内岩体的承载力。     

深圳地区部分岩土类型剪切波速与深度的关系分析

本文对深圳市部分岩土类型的剪切波速与埋深的关系进行了相关分析。在分析中, 考虑了岩土成因、岩土类型、物理状态和场地所处的地貌类型对剪切波速的影响, 取得了对岩土工程有指导意义的重要结果。     

煤岩强度离散性及三轴压缩试验研究

简述了煤的强度离散性原因。采用超声脉冲穿透法测量煤样波速并进行岩石力学试验,回归分析得出了煤岩试件声速与其力学参数之间的关系式,为尽可能避免因煤样离散性而带来的盲目试验提供了一条技术途径。采用MTS815岩石伺服试验系统进行了煤样三轴压缩试验。结果表明,与花岗岩等高强度岩石不同,由于煤的孔隙裂隙发育在围压作用下孔隙裂隙被压密闭合,煤的弹性模量随围压增大而增大,但并非线性关系;煤的轴向破坏应力及残余强度均随围压增大而增大。研究结论对于在破碎煤体中掘进的巷道的锚固机理研究有重要指导意义。     

采矿爆破振动波在岩溶区的传播影响因素分析

为研究不同情况下爆破振动强度衰变规律和振动对岩溶塌陷的影响,为当地矿山合理开采及减少地面塌陷灾害的发生提供可靠依据,对湖南水口山铅锌矿区进行现场爆破振动测试,并利用古丹铅锌矿实测数据作对比分析;试验矿区共布设4条测线,接收8组爆破振动数据。采用萨道夫斯基修正公式对采集的数据进行计算,以爆破产生的振动波频率及振动速度作为测试指标,对实测数据进行提取、处理,确定爆破振动波的频率及其在介质中的传播速度及地震波引发的质点振动峰值振速。试验结果表明:采矿活动是岩溶地面塌陷的主要影响因素;爆破振动波的频率衰减强度与其在岩土体中的传播距离和断层有关,振动波的传播速度受到岩土体性质、岩层结构特征、岩层走向等因素的影响。      

洞室声波测试及数据处理技术

洞室声波测试是为获得准确、详细的岩体物理学参数,而在洞室内进行的一系列声波测试方法,通过计算和观察岩体声波速度的量值变化和分布规律,对岩体工程特性进行了评价,并了解洞壁岩体因施工开挖引起的松弛状况,还可以与岩体变形试验成果结合建立起动静态弹性模量之间的对比关系。     

循环荷载下含软弱夹层岩体声学特性试验研究

利用振动试验台系统研究循环荷载作用下含软弱夹层岩体的疲劳损伤特性,结合超声波检测仪和动态信号测试分析系统,对疲劳损伤过程中缺陷岩体声学参数进行实时的监测和细致的研究。结果表明:整个疲劳周期内,不同损伤阶段超声波波速变化最为敏感,呈倒S型衰减规律;波形在损伤过程中从近似半圆形逐渐发生畸变,波形相关性系数总体上随循环次数比的增加呈下降趋势;超声波波幅在疲劳损伤中期波动较大,频域最大幅值和主频变化特征曲线规律不明显,仅在临近破坏时才表现出快速下降趋势,无法对其真实频域特性进行有效分析和识别。最后,基于超声波波速定义损伤变量,提出以Logistic方程的逆函数形式或4次多项式方程来描述含软弱夹层岩体疲劳累积损伤演化方程。研究成果可为各类振动环境下边坡的疲劳稳定性评价和加固工程设计奠定理论基础。     

单孔声波测试及其工程应用应注意的几个问题

单孔声波测试是岩土工程勘察的重要原位物探测试项目。在测试方法和仪器样参数的选择、弹性纵波的识别、完整性系数的计算等方面以及测试结果的工程应用方面,测试人员不易掌握,常出现争议。笔者就波列包含的地质信息的应用、波速与完整性的关系问题进行探讨,以抛砖引玉,共同提高勘测技术水平。     

大理岩微裂隙与其力学性质间的关系

香港元朗地区发育有大量的大理岩, 它的力学性质直接影响该区的建筑安全。我们采用超声测量技术、单轴压缩试验和岩石薄片的镜下观测等方法了解其内部的结构变化及其力学性质。得出的结论是:该区的大理岩力学性质变化很大。一般的说, 致密的黑色大理岩超声波速度高, 抗压强度大且具有脆性特征, P波速度6.2～6.5kms-1, S波速度3.0～3.60kms-1, 抗压强度在88～166MPa;而那些颗粒较粗的白色或灰色大理岩, 超声波速度变化很大, 抗压强度小且具有韧性特征, P波速度在4.2～6.9kms-1, S波速度2.4～3.20kms-1, 抗压强度在52～63MPa之间。P波速度与裂隙密度成反比关系。抗压强度与裂隙密度成线性反比关系, 而且对脆性大理岩, 其曲线斜率要比韧性大理岩的曲线斜率大出许多倍。