考虑干湿循环作用泥质砂岩的强度与破坏准则研究

研究库水位反复升降对边坡稳定性的影响具有重要意义,结合水-岩相互作用课题,对不同干湿循环次数作用下的泥质砂岩进行单轴压缩试验和三轴压缩试验。试验结果表明:在干湿循环作用下,泥质砂岩的峰值强度的劣化程度黏聚力的劣化程度内摩擦角的劣化程度,随着干湿循环次数增加其力学参数劣化程度加剧,结合岩土塑性力学中广泛应用的Drucker-Prager准则(简称D-P准则),提出了考虑干湿循环作用的不同围压下泥质砂岩的D-P屈服准则,通过修正的D-P屈服函数计算的泥质砂岩不同围压下的理论峰值与试验值的对比,得到两者误差控制在10%以内,考虑干湿循环作用的泥质砂岩的D-P屈服准则在实际应用中是可行的,为工程中获得任意围压下岩石的破坏强度提供了理论依据。     

基于Hoek-Brown准则的冻融循环条件下露天煤矿边坡岩体力学系数修正

在露天矿边坡稳定性计算和评价过程中,边坡稳定性评价结果与岩体力学参数的选取密切相关。而在冻融循环条件下,岩石的物理力学参数随着冻融次数的变化而变化。首先通过室内模拟的方法对粗砂岩和细砂岩进行不同次数的冻融循环试验,然后进行一系列的单轴和三轴压缩试验,得到冻融循环条件下完整粗砂岩和细砂岩的物理力学参数;基于Hoek-Brown强度准则中的爆破扰动参数D,提出冻融循环劣化参数D_f,利用修正的Hoek-Brown准则得到冻融循环条件下岩体力学参数,并分析了边坡岩体的破坏模式。结果表明:随着冻融循环次数的增加,粗砂岩和细砂岩的单轴抗压强度、弹性模量和黏聚力降低减小,内摩擦角变化较小;而岩体的单轴抗压强度、整体抗压强度、抗拉强度、变形模量、黏聚力和内摩擦角均减小,这说明岩体在冻融循环环境中是不断损伤的,质量逐渐变差;随着冻融循环次数不断增加,岩体的抗剪强度劣化在不断加速,边坡的破坏形式主要为剪切破坏。修正的岩体力学参数为露天矿边坡稳定性分析提供更为准确的数据。      

酸性环境干湿循环对泥质砂岩力学特性影响的试验研究

由于库水位升降及降雨等原因,岩体经常处于干湿交替状态,对岩体工程的长期稳定性不利。以三峡库区泥质砂岩为研究对象,进行了酸性环境干湿循环交替作用后的常规单轴与三轴压缩试验研究,获得了泥质砂岩在酸性溶液浸泡干湿循环后的相关力学参数。相对于没有经过干湿循环作用的干燥试件,经过不同次数的干湿循环作用后,泥质砂岩的弹性模量、单轴抗压强度、黏聚力与内摩擦角都有不同程度的降低。各个力学指标的总体变化趋势是在第一次饱水之后有大幅度的降低,此后随着干湿循环次数的增加其降低的幅度逐渐减小。同时,酸性溶液的pH值对力学指标的影响很大,存在对泥质砂岩力学性能影响较大的一个临界pH值,低于此值酸性溶液对泥质砂岩力学性能影响显著增大,高于此值酸性溶液对其力学性能影响较小。     

酸环境干湿循环作用下泥灰岩损伤劣化分析

针对库区消落带泥灰岩的最不利作用环境——酸环境干湿循环下力学性质损伤劣化问题,以岸坡泥灰岩为研究对象,分别开展pH=3,5,7溶液条件下的干湿循环试验,分析了酸环境干湿循环作用下泥灰岩单轴抗压强度的劣化规律,查明了其对泥灰岩力学性质的损伤劣化特性,采用颗粒流软件对比探究了不同循环次数对力学强度参数的影响规律,并结合库区消落带岩体劣化现象分析了层进劣化机理。研究结果表明:pH=3,5,7溶液环境下泥灰岩单轴抗压强度变化均与干湿循环次数呈反比关系,累积劣化度S_n在34.79% ~54.31%之间变化,且呈现快速上升、缓慢发展、趋于平稳的变化趋势,而峰值应力劣化范围为8.79% ~35.61%;泥灰岩黏聚力C、内摩擦角φ、弹性模量E均随干湿循环次数的增加而不断降低,且损伤劣化以圈层渐进的模式进行;库区消落带岩体受到酸溶液干湿循环作用后,附近岩体会萌生大量次生裂隙,随着循环次数的推进及损伤的持续累积,裂隙逐渐贯通并向坡内层进扩展,扩展范围和速率与干湿循环次数和溶液pH值有关。以上分析结论与规律可为库岸山体滑坡崩塌失稳、库区危岩基座软化、蓄水渗漏等灾害的预测与应急防治提供科学依据和理论方法。     

有机硅材料改性砂岩强度与ζ电位变化规律

针对干湿循环作用下岩石强度劣化引发工程岩体稳定性控制问题,以山西忻州保德煤矿8煤顶板中粒长石石英砂岩为例,对砂岩进行有机硅材料改性试验。通过单轴压缩试验研究改性前、后砂岩经历不同干湿循环作用后的强度损伤劣化规律,采用电泳法对比分析改性前、后砂岩表面ζ电位变化规律,并探讨了有机硅材料改性砂岩的改性机制。结果表明,(1)改性后砂岩的单轴抗压强度、弹性模量和变形模量明显提高,单轴抗压强度提高21.7%,弹性模量提高22.2%,变形模量提高23%;(2)受干湿循环作用砂岩强度劣化效应明显,随干湿循环次数增多,砂岩单轴抗压强度、弹性模量和变形模量均呈负指数关系降低;(3)有机硅材料对砂岩表面的电性有较大影响,随着岩样悬浮液p H值的降低,砂岩表面的负电性逐渐减弱至不带电,最后变为正电。     

干湿循环条件下煤矿砂岩分离式霍普金森压杆试验研究

由于降雨、季节引起地下水位升降等原因,地壳中岩体常处于干湿循环状态。为研究干湿循环对岩石动态力学性能的影响,以安徽恒源煤矿北风井-259 m处砂岩为研究对象,采用?50 mm变截面分离式霍普金森压杆试验装置,对长径比为0.5的煤矿砂岩试件经干湿循环作用后实施单轴冲击压缩试验,获得了砂岩动态单轴压缩应力-应变曲线。研究发现,由于自由水的Stefan效应,干湿循环1次对砂岩具有增强作用,单轴动态抗压强度最高;其后,随着干湿循环次数的增加,砂岩受水侵蚀物理弱化作用,砂岩动态单轴抗压强度呈乘幂关系降低,砂岩试件的冲击破碎块度逐渐变小。试验结果表明,干湿循环12次时砂岩动态抗压强度比干湿循环1次降低约24%,表现出较强的劣化效应。     

干湿循环下粉质黏土强度及变形特性试验研究

为了研究干湿循环作用下粉质黏土强度及变形特性的变化规律,以取自三峡库区某边坡的原状粉质黏土为研究对象,通过干湿循环和三轴剪切试验,对不同荷载条件下,经历不同干湿循环次数的粉质黏土的强度和变形进行了研究。结果表明:随着干湿循环次数的增加,强度峰值、有效黏聚力和割线模量都逐渐降低,且先快后慢;而有效内摩擦角保持稳定。干湿循环对原状粉质黏土强度和变形特性的劣化是因为裂隙的开展破坏了土体的结构。荷载约束了干湿循环时裂隙开展,从而抑制了干湿循环的劣化作用,荷载越大,抑制能力越强。最后,通过拟合试验数据,对干湿循环作用下的原状粉质黏土的摩尔-库仑强度准则表达式进行了修正。     

酸性干湿循环下充填节理岩石劣化性能试验研究

为探究酸性干湿循环作用对充填节理岩石的损伤劣化规律,首先对预制充填节理岩石进行酸性和中性环境下不同次数的干湿循环前处理,再采用万能试验机和分离式Hopkinson杆（split Hopkinson pressure bar,简称SHPB）装置对其进行单轴压缩试验和动态冲击试验,对充填节理岩石纵波波速、静态抗压强度以及动态抗压强度的劣化效应进行分析,并进一步分析酸性和中性环境干湿循环作用下充填节理岩石动态冲击的破坏形态。结果表明,随着干湿循环次数的增加,无论是酸性环境还是中性环境,充填节理岩石的波速值、静态抗压强度以及动态抗压强度不断减小,劣化程度不断加剧,其中酸性干湿循环作用对静态抗压强度的劣化最显著;此外发现干湿循环作用下充填节理岩石静态、动态抗压强度与波速值之间均存在一致性较强的线性关系;酸性环境干湿循环作用下充填节理层粉化程度和两侧岩石破碎程度更严重。研究成果可为酸性环境干湿循环作用下工程岩体稳定性分析提供科学依据。     

干湿循环作用下砂岩力学特性及其本构模型的神经网络模拟

基于不同干湿循环作用下砂岩单轴压缩试验结果,分析了干湿循环效应对砂岩变形、强度、破坏特征等力学特性的影响规律,认为随着干湿循环次数的增加,弹性模量及峰值强度均有降低的趋势,降低幅度先大后小,而且会以某一具体值为临界值发展变化,就本次试验而言为干湿循环20次时的抗压强度和弹性模量值;砂岩的破坏特征亦会受到干湿循环试验次数的影响,干湿次数越少,脆性破坏越明显,反之则延性特征增强,即砂岩会呈现一种从脆性到延性转化的破坏规律。以应变和干湿试验次数为输入层,应力为输出层,构建了2-12-1的三层神经网络本构模型。通过样本的学习与检验,证明该模型能较好地描述干湿循环作用下砂岩的力学性能,验证了利用神经网络方法建立岩石本构模型的可行性与可靠性。基于预测结果,建立了完整的考虑干湿循环效应的砂岩力学特性变化规律的数学函数关系式。     

不同水化学条件下循环侵水砂岩劣化规律研究

岩石力学性质的损伤对于工程结构的稳定造成严重影响,尤其是废弃露天矿坑作为尾矿库使用,蓄水与排水导致库岸边坡岩体长期受到复杂水化学环境与循环侵水的耦合作用。为模拟复杂水化学环境与循环侵水的耦合作用对岩石损伤影响,设计了砂岩在酸、中、碱性三种环境下的循环侵水试验,并通过常规三轴压缩试验分析岩石力学参数的弱化规律。研究结果表明：（1）砂岩峰值强度随围压增大呈递增趋势,随循环侵水次数增加呈降低趋势,且峰值强度按pH值排序为7>10>4;（2）砂岩孔隙率随循环次数增加呈增长趋势,其变化率呈降低趋势,且孔隙率按pH值排序为4>10>7,pH=4和pH=10环境中孔隙率明显大于pH=7环境中的孔隙率,表明pH=4和pH=10环境中砂岩同时发生水解反应与化学反应两种劣化,使得孔隙率增大;（3）砂岩粘聚力c和内摩擦角φ呈劣化递增趋势,0次到5次循环阶段,c和φ的劣化程度最大,5次到20次循环阶段,c和φ劣化的趋势逐渐减缓,且c值和φ值按pH排序为7>10>4;（4）对砂岩粘聚力c和内摩擦角φ拟合方程微分后得到微分方程,归一化处理后定义其系数为砂岩劣化系数,得到c和φ的劣化系数按pH排序均为4>10>7,并分别建立c和φ与pH值、循环次数的双变量拟合函数表达式。     

干湿循环对非饱和膨胀土抗剪强度影响的试验研究

膨胀土是一种气候敏感性土体,研究在干湿循环过程中膨胀土剪切强度的变化,对了解在自然界周期性蒸发和降雨作用下原位膨胀土体工程性质的变化以及由此导致的地质灾害发生过程具有重要意义。文中以重塑非饱和膨胀土为研究对象,模拟了3次干湿循环过程,对每次干燥路径中的试样进行了直剪试验,重点分析含水率、正压力及干湿循环次数对膨胀土剪切强度的影响,得到如下主要结果：（1）在干燥过程中,随着含水率的减小,试样的刚度、脆性、抗剪强度值（峰值剪切应力）、抗剪强度指标（黏聚力、内摩擦角）及抗剪强度损失（峰值强度与残余强度之差）均呈增加趋势;（2）正压力越高,试样的剪切强度和残余强度越大,而破坏后的峰值强度损失越小,破坏韧性增加;（3）在3次干燥过程中,试样的剪切强度及黏聚力呈先增加后减小的趋势,在第二次干燥过程中达到峰值,但内摩擦角受干湿循环的影响无明显规律;（4）试样经历多次干湿循环后,其剪切特性越来越类似于超固结土,脆性显著增加;（5）干燥过程和干湿循环对试样残余剪切强度的影响都不明显,残余剪切强度基本都在100 kPa附近变化;（6）非饱和膨胀土在干湿循环及干燥过程中剪切强度的变化除了与吸力有关外,还与其微观结构调整和裂隙发育状态密切相关,需要综合非饱和土力学和土质学理论对试验现象进行分析。     

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。     

无粘性土的一种破坏准则

研究表明,在三轴压缩和伸长试验条件下,土的抗剪强度与莫尔-库仑准则是一致的,而对于一般应力状态下,土体破坏时的应力状态与莫尔-库仑准则有一定的出入。结合以往的真三轴试验结果,建议了一个复杂应力状态下的等效内摩擦角,在此基础上提出了一个考虑中主应力影响的无粘性土（c＝0）的破坏准则。通过和真三轴试验结果比较,发现该准则在π平面内比莫尔-库仑准则更接近于试验结果。该准则有望推广应用到粘性土中。     

裂缝对膨胀土抗剪强度指标影响的试验研究

基于室内直剪试验,测定了膨胀土经历干湿循环后的抗剪强度指标。试验基本反映了膨胀土在干湿循环过程中裂缝的开展现象,揭示了正是由于裂缝的开展使膨胀土强度降低。结果表明,无论是黏聚力还是内摩擦角随裂缝的开展,都会产生一定程度的衰减,相比之下,裂缝对黏聚力的影响更加突出,对其取值也应更为谨慎。膨胀土的抗剪强度随裂缝的开展而衰减的规律符合双曲线模式,提出反映膨胀土抗剪强度随干湿循环次数增加,实际上是随裂缝的开展,而降低规律的经验公式。工程实际中膨胀土的抗剪强度反映的是包含各种裂隙的土体复合强度,因此在设计中,强度参数的取用应以考虑裂隙作用的土体强度为基本依据。所建议的方法可以使今后研究膨胀土裂隙的发生、发展对抗剪强度的影响变得相对简单,具有可操作性。     

冻融循环对二灰和改性聚乙烯醇固化盐渍土力学性能的影响

随季节性变化的冻融循环作用对土体结构有显著的影响。为降低盐渍土对环境温度的敏感性并将其应用于工程中,提出以石灰、粉煤灰和改性聚乙烯醇(MPA)为固化材料的联合固化方法。先通过无侧限抗压强度(UCS)和微观扫描试验评价固化效果,构建固化材料的参数范围,再将抗剪强度(黏聚力和内摩擦角)与正交试验相结合,分析各因素的影响,明确最佳组合参数。结果表明:石灰+粉煤灰+MPA联合固化有助于提高盐渍土的强度,联合固化盐渍土的UCS为1 130.25 kPa,是盐渍土(218 k Pa)的5.18倍;联合固化盐渍土的冻融强度满足工程规范(JTG 3430-2020)要求。冻融循环作用下联合固化盐渍土的UCS稳定值为700k Pa,且3次循环后的波动范围在5%左右。适宜配比下联合固化盐渍土的抗剪强度(黏聚力和内摩擦角)在3次冻融循环后为208.2 kPa和38.56°。各因素的敏感性由高到低依次为养护时间、石灰掺量、MPA掺量、干密度、含盐量和冻融循环次数,随石灰、粉煤灰和MPA掺量的增加,联合固化盐渍土强度增大并趋于稳定,固化参数的优化可有效弱化冻融作用对滨海盐渍土的影响。结合抗压及抗剪强度试验结果,...     

A Simplified Failure Criterion for Intact Rocks Based on Rock Type and Uniaxial Compressive Strength

The uniaxial compressive strength (UCS) of intact rock, which can be estimated using relatively straightforward and cost-effective techniques, is one of the most practical rock properties used in rock engineering. Thus, constitutive laws to represent the strength and behavior of (intact) rock frequently use it, along with additional intrinsic rock properties. Although triaxial tests can be employed to obtain best-fit failure criterion parameters that provide best strength predictions, they are more expensive and require time-consuming procedures; as a consequence, they are often not readily available at early stages of a project. Based on the analysis of an extensive triaxial test database for intact rocks, we propose a simplified empirical failure criterion in which rock strength at failure is expressed in terms of confining stress and UCS, with a new parameter which can be directly estimated from the UCS for a specified rock type in the absence of triaxial test data. Performance of the proposed failure criterion is then tested for validation against experimental data for eight rock types. The results show that strengths of intact rock estimated by the proposed failure criterion are in good agreement with experimental test data, with small discrepancies between estimated and measurements strengths. Therefore, the proposed criterion can be useful for preliminary (triaxial) strength estimation of intact rocks when triaxial tests data are not available.