V形切槽巴西圆盘法测定岩石断裂韧度KIC的实验研究

采用国际岩石力学学会岩石断裂韧度建议测试方法(ISRM)[1]提出的V形切槽巴西圆盘试样(CCNBD),测试了一种泥质砂岩的I型断裂韧度值,给出了一套试样切割制备方案,从试验现象角度分析了该泥质砂岩的断裂力学特性,讨论了该试样类型的有效尺寸和断裂机制,并指出了该方法的特点和优劣性,得出如下结论：（1）该类岩石试样测得的I型断裂韧度值对CCNBD试样直径尺寸变化具有较大的敏感性,并且直径大于ISRM建议方法中最小有效直径（75 mm）的试样测试结果更为稳定;（2）CCNBD试样断裂机制表现为以拉张应力（间接拉伸）作用为主,兼有一定的韧带面内剪切作用的应力状态下I型裂纹扩展模式;（3）V形切槽巴西圆盘方法具有试样加工工艺简单、能承受较大临界载荷、测试的I型断裂韧度值较稳定等优点,但其没有考虑断裂过程区(FPZ)的非线性问题,建议对该方法进行非线性修正图解方案研究,以达到更准确测定岩石断裂韧度的目的。     

天然与饱水状态下石膏岩蠕变试验研究

石膏岩的饱水软化蠕变特性是影响石膏矿采空区安全评价的重要因素。以荆门石膏矿岩为研究对象,开展天然与饱水状态下的单试样逐级增量加载试验,分析了饱水软化作用下石膏岩的蠕变特性,选取西原模型描述石膏岩的本构关系。分析结果可得,饱水试样总蠕变量大于天然试样;饱水试样蠕变破坏强度(11 MPa)是天然试样蠕变破坏强度(21.5 MPa)的0.54倍,长期强度(10 MPa)是天然试样长期强度(19.5 MPa)的0.49倍。利用西原模型对蠕变曲线进行拟合并分析拟合参数可知,饱水试样参数E_1是天然试样的0.1~0.5倍,η_1是天然试样的0.2~0.7倍,E_2是天然试样的2~10倍。以上结论均表明饱水试样的蠕变特性更加明显。分析讨论饱水软化作用对石膏岩蠕变特性影响机制可知,荆门石膏岩软化作用主要由物理软化作用及化学软化作用耦合而成,物理软化作用主要为静水作用下的孔压效应,化学软化作用主要为石膏岩的重结晶作用。试验分析结果可为石膏矿采空区安全评价提供依据,具有重要的工程实际意义。     

原状冻土非线性断裂韧度测试与修正

在以往原状冻土现场试验方法的基础上,针对原状冻土的非线性断裂力学特性进行了Ⅰ型和Ⅱ型断裂力学试验。在不同深度的冻胀量、冻深与时间变化规律下严格控制试样制作及试验时的温度,利用动态数据采集系统测出试样加力点处位移与力的关系曲线,并计算出相应的非线性参数。提出了利用非线性修正因子计算原状冻土断裂韧度的方法,并算出Ⅰ型、Ⅱ型直裂纹加卸载试样的非线性断裂韧度,将其与岩石断裂力学中的塑性修正因子方法的计算结果进行了对比,二者基本一致,说明该方法可以用来计算、修正原状冻土非线性断裂韧度,从而为冻土非线性理论的研究拓宽了思路。     

温度和含水状态对岩石劈裂强度影响的试验研究

岩土类材料的强度强烈依赖于含水率和温度条件.以兰州兰山砂岩为研究对象,分别进行了不同温度（+20℃、-5℃、-10℃）和不同含水率（干燥、天然含水率和饱和状态）条件下岩石的巴西圆盘劈裂试验.试验结果表明,常温下,岩石抗拉强度随含水率增加而急剧减小,试样饱和时软化、崩解,丧失承载能力;在不同负温条件下,天然含水状态的试样抗拉强度最大,干燥状态下最小;在-10~+20℃范围内,干燥岩石强度随温度升高,抗拉强度增大,含水岩石均是随温度升高,抗拉强度减小,但饱和岩石在-5℃时抗拉强度最大.含水率和温度对岩样强度的影响存在临界值,超过临界值,岩样强度随上述因素反向变化.试验结论为岩土类材料劈裂强度的标准化测试及其工程应用提供了重要的基础数据参考.     

层理面特性对砂岩断裂力学行为的影响研究

层理弱面对层状岩石的力学特性影响较显著，为了研究层理面特性对岩石断裂力学特性的影响，开展了具有不同层理方向的砂岩试样三点弯试验，探讨了砂岩断裂韧度及断裂模式的各向异性。之后基于有限元中的黏聚单元建立了数值模型，采用数值模拟方法研究了层理面强度对各层理角度试样断裂力学行为的影响规律。结果表明：层理方向影响下砂岩的断裂韧度及模式存在各向异性；同一层理方向试样的断裂韧度随层理面强度的增大而增大，且试样的层理面与加载方向夹角越小，断裂韧度受层理面强度变化影响越明显；试样的断裂模式不仅与层理面强度有关，还受层理倾角的控制，层理面与加载方向夹角θ = 0o试样断裂模式基本不受层理面强度影响，θ = 30o试样主要沿层理面张拉或剪切破坏，且沿层理面的破裂长度随层理面强度的降低逐渐增大；层理面强度较大时，θ = 45o试样主要沿层理面张拉破坏，θ = 60o～90o试样主要以贯穿层理的张拉破坏为主；层理面强度较小时，θ = 45o～90o试样均以沿层理面的剪切破坏为主，其中θ = 45o试样沿层理剪切长度最大。另外，通过数值模拟结果分析了层理面强度及方向对试样的起裂角及裂纹扩展路径产生的影响。该研究成果可作为层状岩石断裂力学理论的有益补充。     

深部矿山不同埋藏深度岩石拉压力学特性试验研究

岩石的物理力学特性随埋藏深度增大会发生变化。本文以云南某矿山900～1200 m深度范围内4个不同埋藏深度的矿体上下盘围岩(灰质白云岩)为研究对象,开展了不同含水条件下(自然状态和饱水状态)的单轴压缩和巴西劈裂试验,探明深部岩石力学基本物理力学特性随埋深的变化规律。研究结果表明：在研究的深度范围内,岩石基本物理成分组成及结构相似,随着岩石埋藏深度的增加,岩石试样的密度、纵波波速、单轴抗压强度、抗拉强度和弹性模量等均略微增大,而泊松比呈先增大后减小的趋势。含水条件对岩石的力学特性影响显著,不同埋藏深度的岩石试样进行饱水处理后其抗压强度、抗拉强度和弹性模量均明显减小,泊松比显著增大,其中岩石单轴抗压强度对水的敏感性高于其他参数对水的敏感性,各参数对水的敏感性排序为：抗压强度>弹性模量>泊松比>抗拉强度。本研究很好地揭示了深部矿山不同埋藏深度围岩的拉压力学特性变化规律。     

干湿交替对砂岩力学特性影响的试验研究

由于地下水位的升降等原因,岩体经常处于干湿交替状态,这对岩体工程的长期稳定性不利。以红砂岩为研究对象,进行了干燥－饱水干湿交替作用后的常规单轴和三轴压缩试验研究,获得了砂岩应力-应变曲线,分析了其变形破坏特征。相对于没有经过干湿交替作用的干燥试件,经过不同次数的干燥－饱水交替作用后,砂岩的弹性模量、单轴和三轴抗压强度、黏聚力、内摩擦角等都有不同程度的降低。各力学指标的总体变化趋势是在第1次饱水之后均有较大幅度的下降,此后,随着干湿交替作用次数增加其降低的幅度逐渐减小,干湿交替作用使岩石的延性增强。在围压作用下,砂岩的峰值强度均随着围压的增大而增大,干燥试件强度的围压效应要比多次干湿交替作用后的试件显著。     

浸泡作用下砂岩断裂力学特性及劣化机理

岩石的断裂韧度对于定量评价工程的安全及稳定具有重要意义, 而岩石的破坏常常有水参与, 在库水长期浸泡作用下, 岩石的断裂力学特性将如何变化值得深入研究.基于此, 以库岸边坡典型砂岩为研究对象, 设计了长期浸泡试验, 并基于断裂韧度、变形破坏特征和微观结构变化进行综合分析.试验结果表明: (1)浸泡作用下, 砂岩的断裂韧度具有明显的劣化趋势, 而且劣化幅度有一个先增大后减小的趋势, 浸泡5~6月后, 劣化趋势逐渐减缓;(2)砂岩三点弯曲试验的P-CMOD关系曲线可以比较明显地分成3个阶段: 弹性阶段、屈服阶段、裂纹开展及破坏阶段, 随着浸泡时间的增长, 弹性阶段逐渐变短, 屈服阶段逐渐变长, 裂纹开展阶段曲线下降趋势逐渐变缓, 而且达到开裂峰值荷载对应的切口张开位移逐渐增大, 砂岩有逐渐“变软”趋势, 脆性逐渐减弱, 塑性逐渐增强;(3)浸泡作用导致的润滑、软化和砂岩内部微观结构的变化, 特别是微观裂纹、裂隙的发展是导致砂岩断裂韧度及其他力学参数劣化的根本原因.研究成果对于把握库水长期浸泡作用下砂岩断裂力学特性具有比较重要的参考价值.      

饱水度对砂岩模量及强度影响的三轴试验

为研究饱水度和围压对砂岩力学特性的影响,在不同围压和饱水度下开展三轴试验,获得了不同饱水度和围压下巴里坤砂岩的模量、峰值强度和残余强度,分析了饱水度和围压对砂岩模量、峰值强度和残余强度的影响规律,结果表明：（1）围压增加,砂岩的模量也增加,围压与模量之间近似为直线关系;饱水度增加,砂岩模量降低,单轴下饱和砂岩的模量降低50.9%;饱水度与砂岩模量之间近似服从直线或负指数函数关系。（2）饱水度增加,峰值强度下降;单轴条件下饱和砂岩的峰值强度下降了44.2%;饱水度与砂岩峰值强度之间近似服从自然对数关系。（3）强度退化指数可以较好地描述围压对残余强度的影响,巴里坤砂岩的强度退化指数与围压之间近似符合负指数关系;随着饱水度增加,砂岩的残余强度降低。（4）随着围压增加,饱水度对砂岩模量、峰值强度和残余强度的影响都减弱。（5）饱水度在60%以下时,饱水度变化对模量和峰值强度的影响显著,当饱水度超过60%后,模量和峰值强度仍随着饱水度增加而降低,但变化速率趋缓;对于残余强度,则饱水度在80%以下时影响显著。     

浸泡作用下砂岩断裂力学特性及劣化机理

岩石的断裂韧度对于定量评价工程的安全及稳定具有重要意义,而岩石的破坏常常有水参与,在库水长期浸泡作用下,岩石的断裂力学特性将如何变化值得深入研究.基于此,以库岸边坡典型砂岩为研究对象,设计了长期浸泡试验,并基于断裂韧度、变形破坏特征和微观结构变化进行综合分析.试验结果表明:(1)浸泡作用下,砂岩的断裂韧度具有明显的劣化趋势,而且劣化幅度有一个先增大后减小的趋势,浸泡5~6月后,劣化趋势逐渐减缓;(2)砂岩三点弯曲试验的P-CMOD关系曲线可以比较明显地分成3个阶段:弹性阶段、屈服阶段、裂纹开展及破坏阶段,随着浸泡时间的增长,弹性阶段逐渐变短,屈服阶段逐渐变长,裂纹开展阶段曲线下降趋势逐渐变缓,而且达到开裂峰值荷载对应的切口张开位移逐渐增大,砂岩有逐渐"变软"趋势,脆性逐渐减弱,塑性逐渐增强;(3)浸泡作用导致的润滑、软化和砂岩内部微观结构的变化,特别是微观裂纹、裂隙的发展是导致砂岩断裂韧度及其他力学参数劣化的根本原因.研究成果对于把握库水长期浸泡作用下砂岩断裂力学特性具有比较重要的参考价值.     

重塑压实黏土Ⅰ型断裂试验研究

为探究重塑黏土Ⅰ型断裂韧度,本文在前人研究基础上,通过对应变控制式直剪仪进行改造,消除了传统三点弯曲试验对土体断裂韧度测试所带来的影响,研制了土体Ⅰ型断裂韧度测试仪,并对重塑黏土进行了一系列试验。试验结果表明:新研制出的土体Ⅰ型断裂韧度测试仪具有较好的可靠性;对具有相同物理状态的试样,U 形裂纹试样的断裂韧度最大,三角形裂纹试样的断裂韧度最小;试样的含水率和干密度其断裂韧度KIC具有显著影响,随含水率增加,断裂韧度呈现先增后减的变化规律,而随干密度增加,断裂韧度几乎线性增加;在试验采用的加载速率范围内,加载速率对断裂韧度的影响较小。     

层理面特性对砂岩断裂力学行为的影响研究

层理弱面对层状岩石的力学特性影响较显著,为了研究层理面特性对岩石断裂力学特性的影响,首先开展了具有不同层理方向的砂岩试样三点弯试验,探讨了砂岩断裂韧度及断裂模式的各向异性。之后基于有限元中的粘聚单元建立了数值模型,采用数值模拟方法研究了层理面强度对各层理角度试样断裂力学行为的影响规律。结果表明：层理方向影响下砂岩的断裂韧度及模式存在各向异性;同一层理方向试样的断裂韧度随层理面强度的增大而增大,且试样的层理面与加载方向夹角越小,断裂韧度受层理面强度变化影响越明显;试样的断裂模式不仅跟层理面强度有关,还受层理倾角的控制,层理面与加载方向夹角θ = 0°试样断裂模式基本不受层理面强度影响,θ = 30°试样主要沿层理面张拉或剪切破坏,且沿层理面的破裂长度随层理面强度的降低逐渐增大;层理面强度较大时,θ = 45°试样主要沿层理面张拉破坏,θ = 60°～90°试样主要以贯穿层理的张拉破坏为主;层理面强度较小时,θ = 45°～90°试样均以沿层理面的剪切破坏为主,其中θ = 45°试样沿层理剪切长度最大。另外,通过数值模拟结果分析了层理面强度及方向对试样的起裂角及裂纹扩展路径产生的影响。该研究成果可作为层状岩石断裂力学理论的有益补充。     

压剪应力状态下岩石复合型断裂判据的研究

考虑岩石闭合裂纹壁面间存在的摩擦力对裂纹尖端应力场的影响,应用最大周向应力理论得到压剪复合裂纹的断裂角。在此基础上,依据岩石裂纹尖端双向受力时的破坏特征,结合最大周向应力准则与修正的格里菲斯（Griffith）强度理论,建立了考虑摩擦效应的闭合裂纹失稳扩展的岩石压剪断裂判据。研究结果表明：断裂角受裂纹和荷载方向的夹角、裂纹壁面之间的摩擦系数、侧压力系数的影响;当压剪裂纹的断裂角是某个定值时,纯II型裂纹的断裂韧度与纯I型裂纹的断裂韧度的比值只与岩石裂纹表面的摩擦系数取值有关,而与其他岩石力学参数无关。此研究成果可为压剪应力作用下裂隙岩体的失稳破坏提供参考。     

水岩相互作用对砂岩单轴强度的影响研究

针对重庆地区的微风化砂岩,完成了1、3、6、10、15次的干湿循环,对循环后的试件(饱水状态)进行了单轴抗压和劈裂试验。试验结果表明,干湿循环对砂岩造成了不可逆的渐进性损伤,在15次循环后,单轴抗压强度损失达20.73%,抗拉强度达51.96%,弹性模量达33.79%,三者与循环次数之间有良好的对数关系。在干湿循环过程中,砂岩的强度损伤会出现拐点,这取决于水对砂岩的侵蚀程度。     

水-动力耦合作用下红砂岩力学性质及能量机制研究

以干燥试样为对照,对自然、吸水和饱水3类含水试样进行单轴冲击试验,分析水-动力耦合作用下红砂岩试样的动态强度与变形特征以及损伤破坏前后的能量演化机制。试验结果表明：试样的动态抗压强度和峰值应变受含水率和冲击荷载影响较大,而峰值模量主要受含水率影响较为明显,这是由于红砂岩在水弱化作用下颗粒结构疏松膨胀、胶结强度减弱,加之在中高应变率下孔隙水所具有的细观力学效应,致使试样表现出低强度和高应变,而冲击荷载带来的应变率效应则使试样强度增强,塑性变形受到抑制;试样峰值点前吸收的总应变能U多以可释放弹性能Ue存储起来,耗散能Ud占比较小,各部分应变能随着脉冲强度的升高而增加,但随着含水率的变化趋势则不尽相同;不同脉冲强度下的脆性指标修正值BIM（Ud与Ue的比值）显示红砂岩试样的含水率以及冲击荷载的脉冲强度均存在一个阀值,使其塑性变形在水-动力耦合作用下的响应截然不同,而引入的有效冲击能指标Keff显示应变率效应对干燥试样和自然试样的冲击倾向性具有显著影响,对于含水率较高的吸水试样,水弱化作用降低了应变率效应,达到饱水状态时,因为饱和液体对应变率效应的促进作用,饱水试样的应变率效应得到强化。     

Ⅰ型断裂韧度模拟方法及细观影响因素研究

既有离散元参数敏感性分析大多集中在压缩试验及巴西劈裂试验,对I型断裂韧度 试验细观影响因素及3D破裂过程系统分析的报道较少。采用三维平节理模型（FJM3D）研究微观结构参数及黏结细观参数对不同切槽形状的I型断裂韧度试验的影响。微观结构参数包括晶粒平均半径的平方根 、模型分辨率Ψ和最大/最小晶粒直径 。黏结细观参数包括平均配位数CN、S类型单元比例 、黏结抗拉强度 、黏结内聚力 、摩擦系数 和摩擦角 。参数敏感性分析结果表明, 与 、CN及 正相关,与 、 负相关,而与 、 、 和 无明显的线性关系,此外为获得较低的 波动水平,给出了参数 和 的建议范围。根据参数敏感性分析结果,校核匹配了Kowloon花岗岩直切槽半圆盘（SCB）和人字形切槽半圆盘（CCNSCB）试样的宏观力学性质。从细观角度直观、深入分析不同切槽形状I型断裂韧度试验破裂机制,得出SCB试验曲线的峰前和峰后行为与室内试验更为吻合。     

自然与饱水状态下砂岩压缩破坏力学特性及声发射特征

为研究自然与饱水状态下不同粒径砂岩损伤破坏过程中的力学特性和声发射特征,对自然和饱水状态下3种粒径砂岩进行单轴压缩试验和声发射试验,研究其单轴应力状态下力学特性和声发射特征。试验结果表明:在自然状态下,粗粒砂岩平均抗压强度为54.23 MPa,中粒砂岩为53.56 MPa,细粒砂岩为59.46 MPa;饱水后,粗粒砂岩平均抗压强度为35.62 MPa;中粒砂岩为31.79 MPa,细粒砂岩为29.10 MPa。饱水后,粗粒砂岩、中粒砂岩和细粒砂岩的弹性模量分别降低19.6%、32.7%和33.7%;泊松比分别增加9.6%、10.4%和19.5%。所有试样各阶段声发射能量曲线变化趋势与各阶段受力破坏程度具有较高的一致性,声发射能量峰值都出现在应力峰值附近,其中饱水后弹性变形阶段声发射总能量发生不同程度的减少,粗粒砂岩为67.4%,中粒砂岩为32.4%,细粒砂岩为29.3%。饱水试样损伤演化阶段较自然状态声发射总能量发生明显下降,粗粒砂岩最为明显,降幅为73.5%,中粒砂岩为36.0%,细粒砂岩为62.0%。饱水后失稳破裂阶段声发射能量值较自然状态依旧出现不同程度的减少,粗粒砂岩为30.7%,中粒砂岩为29.5%,细粒砂岩为38.3%。砂岩饱水后力学特性与声发射特征变化是试样微观结构变化在宏观层面的体现;用砂岩单轴破坏过程中声发射能量峰值可以很好地表征砂岩脆性,将为岩石脆性研究提供新的思路。      

单轴压缩非贯通节理岩石尖端塑性区及弹塑性断裂模型研究

基于Drucker-Prager（下简称D-P）准则,建立压缩载荷作用下的非贯通节理岩石的弹塑性断裂模型。针对节理岩石小范围屈服翼裂纹尖端塑性区,推导了D-P屈服准则的纯I、纯II及I、II复合型3种翼裂纹无量纲塑性区径长函数,并与Mises准则的塑性区进行对比;结果表明,D-P准则的I型和复合型塑性区较Mises屈服准则的塑性区大,且其II型及I、II复合型塑性区在翼裂纹上下表面不连续。进一步,引入断裂软化因子以表征节理岩石裂隙断裂扩展后的断裂软化规律,考虑非贯通节理岩石复合型断裂软化,是由于节理尖端翼裂纹应变能密度超过最小应变能密度导致其成核扩展引起的,提出用应变能密度的指数函数形式表征断裂软化变量的演化;塑性屈服函数采用Borja等的应力张量3个不变量的硬化/软化函数,反映塑性内变量及应力状态对硬化函数的影响;建立节理岩石的弹塑性断裂本构关系及其数值算法,并用回映隐式积分算法编制了弹塑性断裂模型的程序。以单轴压缩下非贯通节理岩石为例,分析岩石断裂韧度、节理摩擦系数和节理倾角等参数的影响,结果表明,所提出的弹塑性断裂模型与数值和试验结果比较吻合。     

饱水-风干循环作用下砂岩强度劣化规律试验研究

库水位变幅带是库岸边坡稳定的敏感地带,饱水-风干循环作用下岸坡岩体的强度将如何劣化,以及由此引发的地质灾害问题都是十分严峻而又不可回避的。特选取三峡库区典型库岸边坡变幅带区域砂岩为研究对象,进行饱水-风干循环作用试验,试验结果表明,在饱水-风干循环过程中,砂岩试样的抗压强度、凝聚力和内摩擦角均逐渐劣化,变化趋势基本一致,而且,浸泡时水压力变化幅度越大,饱水-风干循环次数越多,损伤效应越明显,说明水压力的升、降和饱水-风干循环作用对岩样的损伤有累积作用。最后,基于砂岩试样的饱水-风干循环作用试验研究,对饱水-风干循环作用的水-岩作用机制进行了详细地探讨。研究成果对于把握库岸边坡变幅带岩体性质劣化规律具有较大的参考价值,为库岸边坡的长期稳定性分析提供了有益的依据。     

冻土的单轴抗压、抗拉强度特性试验研究

在寒区工程建筑物设计中,冻土的抗压、抗拉强度是两个重要的力学指标.在负温条件下,对粉质黏土、黄土和砂土进行单轴抗压和劈裂抗拉试验,研究冻土破坏时的破坏形态、破坏机理、应力-应变曲线和拉应力与径向位移关系曲线的形式,分析单轴抗压强度和劈裂抗拉强度的差异以及这两种强度随土质特性和温度的变化规律.试验结果表明：单轴载荷作用下试样破坏后呈鼓状,且表现为应变软化型塑性破坏特征;劈裂作用下产生沿直径向试样两侧延伸的裂缝,不同土质破坏后裂缝扩展的宽度和深度不同;冻土的抗压强度与抗拉强度均与负温存在很好的线性相关性,随温度的降低而增大;在相同温度条件下,冻土的抗压强度大于其抗拉强度;对于同一种冻土,其抗压强度的温度效应比抗拉强度的温度效应显著.本试验分析结果可为寒区工程的实际应用提供参考.