单裂隙砂岩单轴压缩的中等应变率效应颗粒流模拟

加载速率对裂隙岩体的力学性质及变形破坏均有重要影响。利用二维颗粒流程序PFC2D开展了不同倾角非贯通单裂隙砂岩试件的单轴压缩试验,研究了中等应变率对裂隙砂岩应力-应变曲线特征、裂隙尖端应力状态、特征应力状态、岩体损伤及裂隙扩展等力学响应的影响规律。裂隙岩体应力-应变曲线呈现明显的波动性,定义应力突变指标 对应力突变型波动剧烈程度进行了定量统计分析：随应变率的增加,曲线应力突变波动越剧烈,且峰后明显大于峰前;随裂隙倾角的增大,波动幅度峰前增大,而峰后减小。裂隙尖端破裂应力随应变率增大均有所提高,随裂隙倾角的增大,切向剪应力 总体上呈增加变化,而法向应力 明显减小。尖端破裂时岩样加载应力 、岩样临界扩容应力 及峰值应力 均随应变率增大而增大。裂隙尖端的破裂可立即引起岩体扩容,一般应变率越低,岩体裂隙尖端破裂点 和扩容点 越接近峰值强度 。随着应变率的提高,损伤裂纹及宏观裂隙类型越多,岩体试件损伤破裂程度越强,特别是试件端部效应愈显著。裂隙首先以I型翼裂纹在其尖端起裂,而I型翼裂纹的扩展长度与加载速率与裂隙倾角具有较强的相关性。     

不同倾角节理组和锚固效应对岩体特性的影响

首先采用DDARF(discontinuous deformation analysis for rock failure)分析方法对双裂隙岩块进行单轴和双轴压缩模拟试验,研究了裂隙角度和侧向应力大小对岩块特性的影响,得到了裂隙岩块在这两种加载试验中的破坏过程、应力-应变曲线以及岩块中裂隙的起裂应力和岩块的峰值强度。在双轴压缩模拟试验中绘制了裂隙角度为45°的岩块在不同侧向压力下的强度包络线。其次,采用DDARF分析方法模拟劈裂试验中含裂隙试块的锚固效果,得到了4种不同锚固角度试块的轴向荷载–位移变化曲线和裂隙扩展规律。模拟结果与前人的类似条件下的试验结果相符良好。随后又将双裂隙试块双轴压缩模拟试验中得到的参数运用到一个地下洞室的工程实例中,用等效力学特性的方法分析对比了完整岩体和节理岩体洞室开挖完成后的破损状态的差异。最后运用DDARF分析方法研究了随机生成4组节理岩体的地下洞室的稳定性,得到了洞室节理围岩的裂隙扩展过程。同时通过对关键点位移的监测分析了锚杆的锚固效应。     

尺寸和加载速率对冻结水泥土单轴压缩影响

为揭示尺寸效应和加载速率效应对冻结改良土力学特性的影响规律,以冻结水泥改良土为研究对象,开展了不同尺寸与加载速率条件下的单轴压缩试验,通过分析试验数据,讨论了高径比和加载速率对试样强度与变形特性的影响。研究结果表明,高径比影响试样的应力-应变曲线类型及峰值后的变形特性。高径比增加,应力-应变曲线出现明显弹性屈服点,峰后脆性增强,试样破坏形式由劈裂破坏变为单一剪切破坏。试样的抗压强度、切线模量、起始屈服模量、破坏应变随高径比变化均可用抛物线进行拟合,综合考虑,推荐试验宜采用高径比为1.62~2.02的试件。在试验设定的温度和加载速率条件下冻结水泥土的单轴压缩应力-应变关系均为应变软化型。与冻土类似,冻结水泥土的抗压强度与起始屈服强度同样随温度的降低和加载速率的增加而增大。不同温度下冻结水泥土抗压强度与加载速率的关系可用幂函数表示。温度越低,起始屈服强度受加载速率影响越大。温度和加载速率对冻结水泥土切线模量也有较大影响,不同加载速率条件下切线模量与温度呈线性关系。冻结水泥土的破坏应变随温度的降低和加载速率的增加而增大,在1.94%~6.94%之间变化,不同加载速率条件下破坏应变与温度呈幂函数关系。     

岩石卸荷力学特性的理论研究

采用卸载状态岩石的力学参数和相应的强度准则,描述卸荷岩体的力学性质可能存在一些不足之处。为了能够从理论上更准确地分析卸荷岩体的力学性质,从弹性应变能出发对卸荷岩体力学性质的演化进行了探讨,研究了岩体的开挖卸荷与卸荷试验中试样初始损伤程度的不同之处和弹性应变能、应力偏量第二不变量、应力张量第二不变量和泊松比内在关系,简要地分析了现有强度准则在描述卸荷岩体力学性质方面的不足之处。以弹性应变能为基础采用加载状态的岩石力学参数,对岩石的卸荷力学特性进行了理论分析与试验验证。结果表明,现有的大多数强度准则难以描述试样卸荷破坏时强度特征,且可能存在不满足能量守恒定律的情况;基于弹性应变能强度准则既可得到表征卸荷破坏时岩石的强度提高,又可以描述强度的减小。文中分析了产生上述结果的本质机理。     

峰前卸荷对节理岩体力学特性影响试验研究

实际工程中,岩体的应力变化状态非常复杂,并不只是简单的加载或者卸荷,如水利工程中的大坝,当坝基开挖时其力学条件主要表现为开挖方向的卸荷(其他方向有可能卸荷,也有可能加载),而坝体修筑以后,力学条件又主要表现为加载。因此,对卸荷损伤后的岩体再次加载时的力学性质进行研究具有十分重要的工程意义。通过三轴卸荷及卸荷损伤后加载破坏试验,研究了不同围压下,含断续预制节理岩体经过不同程度卸荷损伤后再次加载时的力学特性。研究结果表明:围压对于含断续节理岩体变形模量影响不明显,岩体弹性模量与围压没有明显关系,相同围压下节理岩体弹性模量和变形模量均显著低于完整岩体:节理岩样峰值应变随着围压的增大线性增大,二者之间有较好的相关性,相比于完整岩样,节理岩体峰值应变随围压增大增长更快:围压越低,卸荷对岩体强度的影响越大,随着围压增加,卸荷量不同造成岩样的损伤差异逐渐减小。     

考虑统计损伤模型的非均质节理岩体拉剪破坏机制研究

拉剪应力状态极易导致岩体破坏乃至失稳,为研究节理岩体拉剪破坏规律,开展了拉剪荷载下共面非贯通节理岩体变形破坏的理论与数值计算研究。通过自定义考虑岩石统计损伤演化的Mohr-Coulomb和最大拉应力准则模型,编写力学参数服从Weibull分布的fish函数,研究了拉剪条件下非均质节理岩体的破坏模式及破坏规律,讨论了岩石均质度、法向拉应力及剪切速率对岩体破坏模式及其力学性质的影响。结果表明,(1) 拉剪应力状态下节理岩体的破坏模式以张拉破坏为主,加载初期破坏位置分布散乱,随着加载和损伤演化逐渐形成带状破裂面,岩体宏观力学性质明显降低;(2) 非均质性对岩体破坏影响显著,主要表现为均质度的增加,岩体由弥散型破坏向集中型破坏转变,破裂面起伏度增大,同时岩体的宏观力学性质增强并最终趋向于均质岩体;(3) 低应力水平下拉应力增大不改变节理岩体以拉张破坏为主的破裂模式,但剪切破坏比例明显减少,同时岩体抗剪强度降低,破裂面的粗糙度增大;(4) 剪切速率对岩体力学性质的影响显著,静态加载范围内岩体抗剪强度随剪切速率的增大而增大,且增幅越来越小。     

含预制节理岩体卸荷条件下力学特性试验研究

节理对卸荷条件下岩体的力学性质有重要影响。通过含2条不同间距预制断续节理岩体的三轴卸荷破坏试验,研究了节理岩体在卸荷应力条件下的应力-应变特征、强度、变形特征、破坏规律及节理间距对岩体力学性质的影响。研究表明：相比于完整岩体,节理岩体卸荷破坏时从峰值强度跌落至残余强度过程中轴向应变较大,为完整岩体的3～4倍,岩体破坏时极限强度明显低于完整岩体,脆性特征不如完整岩体明显;节理岩体卸荷破坏时,变形模量有较大幅度的降低,其降低程度是同条件下完整岩体的6～7倍,节理间距越大,变形模量降低程度越大;与含预制节理岩样三轴加载试验结果相比,节理岩体卸荷条件下破坏程度更为强烈,除剪切破裂面外,沿最大主应力方向分布的不同级别的张性裂隙非常发育,预制节理的间距对岩体破坏形态影响不大。     

不同加载速率下岩石强度特性的扰动状态概念理论分析

岩石的强度特性受很多因素的影响,加载速率是其中很重要的影响因素之一.利用扰动状态概念理论,建立了非线弹性岩石材料的本构模型.采用RMT-150B岩石力学试验机对砂岩试件进行了四种不同加载速率下的单轴压缩试验,得到了不同加载速率下砂岩的应力-应变全过程曲线,并分析了加载速率对岩石强度特性的影响.通过建立的扰动状态本构模型对岩石的应力-应变关系进行了模拟.相关研究及分析比较表明,该模型与试验结果较为一致.     

黄土坡滑坡饱和滑带土三轴压缩应力松弛试验研究

为研究饱和滑带土的三轴流变规律,基于室内三轴试验,对三峡库区巴东县黄土坡滑坡的滑带土应力松弛特性进行试验和分析。首先,对滑带土进行X射线衍射试验和XRF定量分析实验,获得了滑带土的矿物成分和化学组成。然后,采用GDS三轴仪开展饱和滑带土的应力松弛实验,研究不同围压和不同应变增量条件下滑带土的应力松弛特征。研究结果表明,饱和滑带土的应力松弛特征受围压、轴向应变速率、轴向应变增量、松弛时间的影响较大。根据应力松弛曲线可以分别得出滑带土的峰值强度和残余强度指标,当轴向应变接近破坏应变(15%)时随着有效围压的增加,滑带土的应力松弛量和残余应力比增加,应力松弛比减小;当轴向应变恒定时,滑带土的体积应变大于应变增加过程中的体积应变。当应变加载速率较小(0.02 mm/min)时应变加载过程中会出现瞬时应力松弛现象。     

巴东县杨家坪煤炭采空区岩体力学性质试验研究

对杨家坪煤炭采空区主要岩层进行了较系统的试验研究,包括岩体结构的野外调查、岩块与结构面室内试验及岩体力学参数经验估算,岩体结构面网络模拟等。对各种试验数据进行了分析整理,得到了岩块、结构面的物理力学性质参数。并用岩体工程分类及Hoek-Brown经验方法对各类岩体的力学参数进行了估算。在分析对比基础上,考虑了岩体所处地质条件,给出了各种岩体的计算参数建议值。有限元计算结果表明,建议参数值能较好地反映采空区岩体的力学性质。     

On radon emanation as a possible indicator of crustal deformation

Radon emanation has been monitored in shallow capped holes by a Tracketch method along several active faults and in the vicinity of some volcanoes and underground nuclear explosions. The measured emanation shows large temporal variations that appear to be partly related to crustal strain changes. This paper proposes a model that may explain the observed tectonic variations in radon emanation, and explores the possibility of using radon emanation as an indicator of crustal deformation. In this model the emanation variation is assumed to be due to the perturbation of near-surface profile of radon concentration in the soil gas caused by a change in the vertical flow rate of the soil gas which, in turn, is caused by the crustal deformation. It is shown that, for a typical soil, a small change in the flow rate (3 · 10⁻⁴ cm sec⁻¹) can effect a significant change (a factor of 2) in radon emanation detected at a fixed shallow depth (0.7 m). The radon concentration profile has been monitored at several depths at a selected site to test the model. The results appear to be in satisfactory agreement.     

THE EFFECT OF INTERMEDIATE STRAIN RATES ON MECHANICAL PROPERTIES OF ROCK

This report presents the data of stress –strain and failure strength of two granites and a lamprophyre at the strain rate of 10-4/sec , and 10-1/sec under uniaxial compression .The results of the tests show that ultimate compressive strength and the deformation modulus of rock notably increase within the rate of strain of specimens; There exists a linear retation between lagarithms of the loading rates and strain rates .     

中等应变速率对岩石力学特性的影响

要认识地震（包括人工地震和天然地震）引起的应力波在场地中的运动规律及其对各种工程的影响,就必需要地质材料的应力-应变-时间和破坏特性的资料.研究岩石物理力学特性的工作,大体上可分为:ε<10-4/sec的低应变速率范围,称为静态(ε<10-7/sec称为流变).在此范围内,应用一般的液压试验机系统,广泛地研究了岩石的力学特性;     

霓石正长岩力学特性研究

岩体内存在有许多直接看不到的隐微裂隙,其微小程度有时可达到只切割一个或半切割一个微小矿物颗粒。这些微小裂隙,直接影响着岩体的力学特性。因此,对岩体力学特性研究,不仅要从宏观上做大型岩体力学试验,也应从微观上将两者结合起来综合分析岩体的力学特性,这样将有利于宏观岩体力学性质指标的选择和工程处理措施的方案选择。笔者取霓石正长岩为试样,进行岩体力学试验。本文试图把宏观试验和微观观察结合起来研究岩体的力学特征。     

锦屏二级水电站大理岩复杂加卸载应力路径力学特性研究

地下洞室开挖围岩经历典型径向卸载、环向加载应力路径,由此引起的岩体强度、变形特征和破坏机制也不尽相同。针对锦屏二级水电站高地应力赋存环境,对施工排水洞大理岩开展常规单轴全应变、三轴压缩、卸围压、卸围压-加载轴压等4种不同应力路径力学试验,得到应力-应变全过程曲线、变形破坏特征和极限储能变化规律。试验研究结果表明, （1）锦屏二级水电站大理岩破坏时轴向应变一般较小,为硬脆性材料,卸荷应力路径下该脆性特征更为明显;（2）卸围压同时加载轴压试验峰值强度对应轴向应变、环向应变及体积应变值一般高于单纯的卸围压值,而对应峰值强度则一般低于卸围压值;（3）卸荷速率较大时,变形模量越大,大理岩峰值强度越低。加载速率越大,变形模量越小,峰值强度越高。初始围压越高,变形模量值越低,峰值强度越高;（4）无侧限作用时试件主要为张拉破坏,低侧限作用时为剪切破坏为主,局部存在张拉破坏,较高侧限时,剪切面为典型X或Y型;（5）岩石试件具有极限储能值,该值受多种因素的影响。一般情况下试件破坏对应围压越高,极限储能值越高,卸载速率越大,极限储能值越小。研究结果对于岩爆孕育发生机制解释以及工程实际问题的解决均有参考价值。     

裂隙性黄土单轴抗压试验研究

黄土中裂隙属黄土体结构面,影响黄土的强度特性,对工程的稳定和安全产生重要影响。以临潼地区Q2黄土为研究对象,开展了裂隙性黄土无侧限抗压强度试验,探讨了不同裂隙倾角对裂隙性黄土强度特性的影响规律。试验结果表明:单轴受压条件下,不同裂隙倾角的裂隙性黄土破坏模式主要有压裂破坏、压剪破坏和滑移-压剪复合破坏三种类型,且裂隙性黄土试样破裂面的形成受裂隙倾角的控制。裂隙倾角变化对裂隙性黄土的应力-应变曲线影响显著,裂隙倾角为0°～30°和90°时,裂隙性黄土的应力-应变曲线可分为裂隙压密阶段、弹性变形阶段、塑性屈服阶段以及残余阶段等;而裂隙倾角为40°～70°,裂隙性黄土的应力-应变曲线无明显的4个阶段,且破坏是突发性的。随裂隙倾角的增大,裂隙性黄土单轴抗压强度曲线整体表现为先降低后增大的“V”形。显著体现裂隙倾角变化对裂隙性黄土试样单轴抗压强度的影响,同时,裂隙倾角对裂隙性黄土抗剪强度也具有显著的控制效应。     

Experimental study of radon production and transport in an analogue for the Martian regolith

The suggestion that radon could be used as a radioactive tracer of regolith-atmosphere exchanges and as a proxy for subsurface water on Mars, as well as its indirect detection in the Martian atmosphere by the rover Opportunity, have raised the need for a better characterization of its production process and transport efficiency in the Martian soil. More specifically, a proper estimation of radon exhalation rate on Mars requires its emanation factor and diffusion length to be determined. The dependence of the emanation factor as a function of pore water content (at 267 and 293 K) and the dependence of the adsorption coefficient on temperature, specific surface area and nature of the carrier gas (He, He + CO₂) have been measured on a Martian soil analogue (Hawaiian palagonitized volcanic ash, JSC Mars-1), whose radiometric analysis has been performed. An estimation of radon diffusion lengths on Mars is provided and is used to derive a global average emanation factor (2-6.5%) that accounts for the exhalation rate inferred from the ²¹⁰Po surface concentration detected on Martian dust and from the ²¹⁴Bi signal measured by the Mars Odyssey Gamma Ray Spectrometer. It is found to be much larger than emanation factors characterizing lunar samples, but lower than the emanation factor of the palagonite samples obtained under dry conditions. This result probably reflects different degrees of aqueous alteration and could indicate that the emanation factor is also affected by the current presence of pore water in the Martian soil. The rationale of the “radon method” as a technique to probe subsurface water on Mars, and its sensitivity to soil parameters are discussed. These experimental data are useful to perform more detailed studies of radon transport in the Martian atmosphere using Global Climate Models and to interpret neutron and gamma data from Mars Odyssey Gamma Ray Spectrometer.     

Anchorage behaviour of reinforced specimens containing a single fissure under uniaxial loading: a particle mechanics approach

Particle flow code (PFC^2D) software was adopted to investigate the anchorage behaviour and the characteristics of crack initiation, propagation and coalescence of reinforced specimens containing a single fissure (RSCSF). The microscopic parameters of the specimens in the numerical simulation were first validated by experimental outcomes of intact specimens, while the microscopic parameters of the rock bolts were validated based on the results of the RSCSF tests. Then, the mechanical parameters as well as the failure modes in the physical experiments were compared with those derived by the numerical simulation; the results showed good agreement between the simulated macroscopic mechanical properties and failure modes and those obtained in the laboratory experiments. The peak strength, number of cracks and the failure mode varied considerably as the anchorage angle α and fissure angle β increased. Three types of stress–strain curves, types I to III, were obtained from the RSCSF. Shear cracks were observed for all three categories of curves, but the tensile cracks were dominant. The number of cracks and the rate of bond failures decreased as the curve changed from type II to type I to type III. RSCSF failure can be classified into three failure modes: (1) tip crack propagation mode, (2) midpoint crack propagation mode and (3) rock bolt crack propagation mode. These failure modes are primarily differentiated by relations between α and β, and the ratio UCS_S/UCS_I between the uniaxial compressive strength (UCS, σ _max) of the RSCSF (UCS_S) and the uniaxial compressive strength of the intact specimen (UCS_I).     

北京及临近地区地下水中氡的形成条件

地下水中氡及其母体铀、镭的测试研究,在勘探铀矿以及矿泉的开发利用方面,国内外已有大量工作和重要成果。近几年来,在地震预报的应用方面,也开展了不少工作。对于地下水中氡的形成问题的研究,是与上述各项工作有密切联系的一项基础工作。