新型土工单轴拉伸试验装置的研制及应用

针对目前土工单轴拉伸试验水平的不足,研制了一套新型土工单轴拉伸试验装置,该套装置主要由试样制备、加载、控制与数据采集4个部分组成。试验装置通过燕尾槽与双滑动底板的设计,可以制备不同拉伸段长度的试样并分别开展相应的单轴拉伸试验;通过试样形式与所对应拉伸夹具的设计,解决了试样端部在拉伸过程中出现的松弛与应力集中问题;通过双导轨拉伸装置的设计,避免了试样在拉伸过程中出现的应力偏心现象;通过双级变速箱的设计使最小拉伸速率可达到0.001 mm/min,能够准确描述材料单轴拉伸破坏的演化过程,并能准确测试材料的抗拉强度以及全过程的拉应力-位移关系曲线。基于所研制的试验装置开展了黏性土的单轴拉伸试验,试验结果表明:黏性土的单轴拉伸破坏形式不是纯脆性破坏,而是在抗拉强度后存在一个软化阶段,此时仍具有一定的承载能力;随着试样拉伸段长度的增大,抗拉强度呈对数减小,峰值位移呈对数增大;随着拉伸速率的增加,抗拉强度呈对数增加,峰值位移呈线性增加;抗拉强度与峰值位移均随压实度的递增呈线性增加;随着含水率的递增,试样的抗拉强度先增大后减小,即存在一个峰值,而峰值位移呈线性增加。     

土体抗拉强度试验研究方法的进展

理论上土体的抗拉强度与抗压和抗剪强度一样是描述土体力学性质的重要指标之一,也是研究土体张拉破坏特性的基础。由于土体抗拉强度在数值上相对较小,且难以准确测量,在岩土工程领域常常被忽视。随着工程中的张拉破坏问题越来越突出,土体抗拉强度特性引起许多学者的关注,相关研究成果也越来越多。文中对土体抗拉强度试验研究方法进行了系统的归纳和总结,对比分析了各种方法的优缺点,认识到,（1）土体抗拉强度试验方法总体上可分为直接法和间接法两大类,直接法是在试样两端直接施加拉力直到试样发生张拉破坏,根据破坏时的最大拉力及对应的破裂面面积计算出土体的抗拉强度。间接法主要通过一些理论假设,把压应力转换成相应的拉应力并基于一些理论公式计算土体抗拉强度;（2）按试样受力条件,直接法可分为单轴拉伸和三轴拉伸,一般都需要开发专门的拉伸试验设备,以实现拉力荷载的施加及其在试样内的有效传递。常用的方式有粘结、锚固、模具夹持及摩擦力传递等,都各有优缺点,但模具夹持法相对而言更具操作性。间接法中比较有代表性的有巴西劈裂试验、土梁弯曲试验和轴向压裂试验等,一般较适应于刚度较大的土体如化学固化土。最后,笔者提出了今后该课题的研究重点,包括制定土体抗拉强度试验方法规范及标准,研发简单易操作的土体拉伸试验设备,拉伸试验过程中土吸力的测量及控制方法,土体拉伸过程中应变场的准确获取方法及土体张拉特性的数值模拟研究等。     

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.     

粘性土试样高度对抗拉强度的影响

针对粘性土抗拉强度测试问题,本文设计改装了土样拉伸试验仪,可完成单轴拉伸、巴西劈裂和轴向压裂三种抗拉强度试验。通过不同方法测定土体的抗拉强度,研究了试样高度对各方法强度测量值的影响及其规律。试验结果表明,试样高度对轴向压裂试验测试结果的影响最大,对巴西劈裂试验测试结果影响很小,几乎不影响单轴拉伸试验测试结果。轴向压裂试验中,抗拉强度测试值随试样高度h增大而减小,随衬垫直径增大而增大。巴西劈裂试验中,试样抗拉强度测试值随试样高度增大略有增大。     

圆环试样内径对抗拉强度的影响

运用RFPA2D软件对岩石的单轴拉伸强度试验、不同内径的圆环试样的劈裂试验进行了模拟。比较模拟结果 ,重点研究了圆环试样内径对试件抗拉强度的影响 ,确定了最接近单轴拉伸试验结果内径的范围 ,利用回归分析确定了内径与试样抗拉强度之间的关系。     

L形边裂隙单圆孔砂岩单轴压缩力学特性

为加深对含交会裂隙圆孔岩石裂纹扩展和断裂机理的认识,分别对含一对水平边裂隙(A系列)和L形边裂隙(B系列)的单圆孔砂岩试样开展单轴压缩试验,建立颗粒流模型以提取加载过程中的位移云图和微裂纹数量,对比两个系列试样的变形和开裂差异,获得不同裂隙长度与倾角砂岩试样模型的接触力分布演化和颗粒位移分布情况。结果表明：1)边裂隙弯折缝改变了岩样的破坏模式,随裂隙长度增加或倾角增大,含水平边裂隙砂岩试样先后发生剪切破坏和翼型拉伸破坏,而含L形边裂隙砂岩试样先后发生共面剪切破坏和共面拉伸破坏;2)单轴压缩下砂岩试样中圆孔与裂隙的开裂相互作用,产生了剪切、共面剪切、翼型拉伸、共面拉伸和反向拉伸5种类型的裂缝,揭示了含边裂隙单圆孔砂岩试样的裂缝贯通机理;3)裂隙长度一定时,与含水平边裂隙砂岩试样相比,含L形边裂隙砂岩试样开裂晚、变形小、强度低、破坏早、稳定性差。     

岩石三维破坏数值模型及形状效应的模拟研究

应用RFPA3D分别模拟了理想光滑端部加载和限制性加载端部情况下不同形状的岩石在单轴压缩下的破坏过程。模拟结果表明,试样形状对岩石的抗压强度、变形特征以及破坏模式有很大影响。岩石试样的强度随着长宽比的增加而减小,当长宽比超过2.5以后单轴压缩强度趋于稳定。理想端部下,长宽比较大的试样主要是剪切破坏模式;而长宽比较小时,主要是因为拉伸引起破坏。端部效应是引起试样拉伸破坏的一个重要因素,但是即使采用光滑端部,试样的形状效应依然存在。长宽比的逐渐增加使岩石逐渐由延性破坏向脆性破坏转变。     

基于考虑动力本构的连续−非连续方法的单轴压缩岩样开裂过程模拟

动载作用下岩石的破坏规律研究对于众多地质灾害的机制分析和预防具有重要的理论及实际意义。鉴于数值模拟研究的优势,应大力发展适于岩石动力断裂过程模拟的数值方法。在自主开发的拉格朗日元与离散元耦合连续−非连续方法的基础上,采用朱−王−唐本构模型取代了广义胡克定律,发展了考虑动力本构的连续−非连续方法,其正确性通过模拟不同加载速度时砂岩试样的单轴压缩试验进行了验证。通过统计裂缝区段数目随着岩样的纵向应变的演化规律,并监测岩样左、右对称线上多个测点的最小主应力的演化规律,开展了不同加载速度时单轴压缩花岗岩试样的变形−开裂过程研究,阐明了岩样的开裂机制。研究发现,剪裂缝以雁列式展布,整体上形成剪切带。随着时步数目的增加,各测点的最小主应力均呈波动下降−震荡上升的变化趋势。震荡上升阶段对应岩样的应变软化阶段。测点分离后最小主应力的震荡幅度较大,这是由于节点分离和单元接触激发了较大的应力波。剪切带尖端的最小主应力集中会使测点发生剪切分离。当岩样的三角块向下楔入时,下方测点的应力状态类似于紧凑拉伸试验进而发生拉伸分离。     

玄武岩力学参数的随机性统计与概率分布估计

充分认识岩石力学参数的随机性和合理评估其概率分布特征是客观评价岩石工程稳定性的基础。以白鹤滩大型水电站的斜斑玄武岩和杏仁玄武岩为研究对象,对各约50个试样进行单轴压缩试验获得大量全应力-应变曲线。采用统计分析和假设检验的方法,研究了两种玄武岩的特征强度、变形参数、特征应变和破裂面角度的随机分布特征和最优的概率密度函数形式。分析结果揭示:离散性是玄武岩的固有属性,只有一定数量的多次重复试验才能可靠地评估其基本力学特性;两种玄武岩的特征强度、变形参数、特征应变和破裂面角度的最优概率分布形式并不一致,分别为正态分布、对数正态分布、Weibull分布和Weibull分布。该试验的统计分析结果可为深入认识火成岩的变形破坏规律和工程安全可靠度或失效概率研究提供试验数据支撑。     

岩石多功能剪切试验测试系统研制

详细介绍了所研制的岩石多功能剪切试验测试系统的主要功能、技术指标和仪器组成,并开展了一系列相关力学试验。该试验测试系统主要包括试验装置、测量系统和控制系统3部分,最大法向拉伸应力为40 MPa,最大法向压缩应力为120 MPa,最大水平剪切应力为120 MPa,试样尺寸为50 mm?50 mm?50 mm;可开展多种力学试验,包括直接拉伸试验、直接剪切试验、拉伸-剪切试验和压缩–剪切试验。利用该试验测试系统对花岗岩进行试验研究,研究结果表明：直接拉伸试验中,试样发生脆性破坏,声发射信号瞬间达到峰值,破坏断面表现出拉伸破坏特征;直接剪切试验中,试样发生多次破坏,破坏瞬间声发射信号均发生突增,破坏断面表现出剪切破坏特征;拉伸-剪切试验中,试样在拉应力作用下剪切强度显著降低,声发射信号在破坏阶段表现强烈,破坏断面既有拉伸破坏特征也有一定的剪切破坏特征。上述力学试验结果,表明了所研制的岩石多功能剪切试验测试系统能够开展多种力学试验,为进一步研究岩石的剪切力学特性提供新的测试手段。     

煤岩体孔隙结构应力特征的数值模拟研究

为了探究不同加载方式下煤岩体孔隙周围的应力分布规律,通过CT三维重建技术构建含有不同孔隙形状的煤岩体骨架模型,并利用ABAQUS软件进行单轴、三轴压缩实验模拟。结果表明,球状孔隙结构在单轴压缩条件下,上下区域表现为拉应力集中,左右区域表现为压应力集中。不同倾角的椭球状孔隙结构其长短轴区域的应力集中类型不同。单轴压缩过程中,轴向加载速度影响球状孔隙周围的Mises应力峰值和σ₁应力的变化;三轴压缩过程中,孔隙结构依然经历了压密、弹性、塑性和破坏4个阶段,较低的围压条件使得弹性阶段“应力-应变”曲线与“应力-时间”曲线高度重合。从微观角度为煤岩体力学研究提供了一种新的方法和思路。      

含结构面岩体试样单轴强度与变形特征

结构面是岩体区别于岩石材料的一大特征,其产状、迹长、密度等参数对岩体的力学性质有着重要影响。本文利用FLAC3D对含结构面岩体试样的单轴压缩特性进行了较为系统的数值模拟研究。文中建立了含不同组贯通性结构面的岩体试样模型和含不同倾角及迹长的非贯通结构面岩体试样模型,对每个试样进行单轴压缩试验的数值模拟,结构体和结构面均采用Mohr-Coulomb剪切和拉伸破坏准则。模拟中用编制的伺服控制程序通过调节加载速度,控制试样内最大不平衡力,研究含结构面试样单轴压缩情况下的变形、强度及破坏方式等特征。模拟结果显示,含1-3组贯通性结构面试样呈现各向异性特征,而含4组贯通性结构面试件呈现各向同性特征。随着贯通性结构面数量的增多,同尺寸试件的变形强度参数劣化。含单组非贯通性结构面试件,其单轴压缩模拟试验的应力-应变曲线峰值后出现应力降。基于Mohr-Coulomb抗剪强度准则和损伤理论所得的解析解与数值模拟结果所得的非贯通性结构面试件的单轴压缩强度不符,说明用抗剪强度准则与损伤理论刻画非贯通结构面试样的强度并不合理。随着非贯通性结构面贯通率的增大,试件的变形、强度参数劣化。含单组结构面试件的破坏方式可分为结构面控制破坏,结构面部分控制破坏和结构面不控制破坏3种类型,而随着结构面组数的增多,结构面控制试样破坏的概率增加。     

基于统计损伤的岩爆预测

基于岩石单轴抗压强度的分布特征,对脆性岩石采用统计损伤的平行杆模型模拟,经岩石全过程曲线拟合,表明了 模型的合理性。进而提出采用平行杆模型模拟地下深埋洞室脆性围岩,推出了不同应力条件下岩体损伤的表达式,从统计损 伤的概念上,利用损伤变量来表征岩爆发生概率。工程实例分析表明该预测方法是有效的。     

工程岩爆灾害判别的RBF-AR耦合模型

岩爆是深部高地应力区地下岩体工程中的主要工程地质灾害之一,其发生及烈度预测是一个复杂的不确定系统问题。为了有效预测和判别深部工程岩爆灾害,在总体考虑岩爆各影响因素的基础上,选取地下工程中岩体完整性指数、岩石单轴抗压强度、岩石单轴抗拉强度、围岩最大切向应力、围岩抗压强度与其抗拉强度的比值、围岩切向应力与围岩抗压强度比值、弹性能量指数、岩爆倾向性指数作为岩爆预测的评判指标,提出了一种基于非线性参数优化的RBF-AR岩爆预测模型。在终南山隧道竖井岩爆判别中,利用RBF-AR法进行计算,计算结果与实际情况完全一致,表明该模型在岩爆预测中的可行性和有效性。     

岩石抗剪强度参数的理论概率分布形态研究

岩石抗剪强度参数的概率分布形态是岩石工程可靠度分析和设计的基础。在考虑完整岩石压缩强度为服从正态分布随机变量的条件下,针对Mohr-Coulomb和Drucker-Prager屈服准则的线性系数形式,基于随机变量函数分布理论推导出岩石抗剪强度参数内摩擦角 和黏聚力 的概率密度函数。 和 概率密度函数显示：不仅岩石压缩强度和抗剪强度参数概率分布具有非一致性,而且根据不同屈服准则计算得出的岩石抗剪强度参数概率分布也具有非一致性。在进一步分析屈服准则系数具有不同变异系数和相关系数时的抗剪强度参数概率密度函数特征的基础上,提出根据概率分布的偏度和峰度确定一般情况下抗剪强度参数概率分布形态的方法,从理论上解决岩石压缩强度与抗剪强度参数分布的协调性问题。最后,对大理岩常规三轴压缩试验得出的抗剪强度参数进行大样本统计分析,验证了其概率密度函数理论推导的正确性以及概率分布形态确定方法的合理性。该研究为实际岩石强度概率分析时选择抗剪强度参数合理概率分布形式提供了理论指导。     

圆形巷道围岩层裂或板裂化的等效连续介质模型及侧压系数的影响

为了避免均质和非均质模型不能较好地模拟围岩的层裂或板裂化现象,将岩石视为等效连续介质,即颗粒体材料。颗粒被视为弹性材料,而颗粒之间的界面破坏后被视为摩尔-库仑材料。颗粒和界面均被离散为正方形单元。采用FLAC研究了不同侧压系数时圆形巷道围岩中的剪切应变增量、最小、最大主应力等的分布规律。研究发现,颗粒体材料模型在压应力作用下诱发出的拉应力值接近于在模型边界上所施加的最大压应力,而最大压应力是所施加的最大压应力的数倍。这些结果意味着均质和非均质模型的计算结果是偏于不安全的。另外,最小主应力和剪切应变增量的等值线图均显示,这些量的高值区的距离大致相等,这与V形岩爆坑内的板裂化现象类似。围岩层裂现象的原因是环向的高压应力和径向的高拉应力的共同作用的结果。     

含裂隙岩体单轴压缩裂纹扩展机制离散元分析

将由室内试验总结得到的岩石微观胶结模型嵌入离散元软件,对Lac du Bonnet花岗岩石进行预制单裂隙单轴压缩试验DEM数值模拟,分析了压缩过程中裂隙试样中应力的分布,并与理论计算结果进行对比分析,同时对各种断裂判据中裂纹起裂角的预测值进行了适用性的对比分析。结果表明,离散元模拟试样破坏形态与试验结果相近;离散元分析得到的应力分布与理论解在定性上相似;当预制角度较小时,侧向应力都处于拉压状态;由于裂隙左右两端压应变的集中造成了裂隙上下面拉应变的产生,造成了裂隙周围特殊的应力分布;当裂隙角度较大时,应力集中现象已不明显,因而,理论值与试验值有偏差;在断裂判据中最大周应力准则和最大能量释放率准则得到的裂纹扩展角与室内试验与DEM结果中的数值较为吻合。     

DEM analyses of crack propagation in flawed rock mass under uniaxial compressionEI北大核心CSCD

A contact model for rock is established and imbedded into a DEM software by summarizing the bond granule tests. DEM simulation of uniaxial compression test on the pre-cracked Lac du Bonnet granite is performed, and then stress distributions are further analyzed and compared with the theoretical results. Different fracture criteria are employed to predict the crack initiation angles that are compared with theoretical ones. The results show that the failure modes obtained from DEM simulation are similar to experimental results, and stress distributions in DEM simulation are qualitatively similar to theoretical values. When the angle of pre-crack is small, the lateral stresses are compressive and tensile. The compressive strains concentrate at two edges, resulting in the tensile strains in the up-and downward cracks. When the angle of the pre-crack is large enough, the stress concentration is unobvious, leading to a discrepancy between the DEM and theoretical results. The crack extension angle resulting from uniaxial compression measured from DEM tests are in good agreement with those acquired from experimental tests. These angles are consistent with theoretical predictions by the maximum circumferential stress criterion and the maximum energy release rate criterion.     

A new probabilistic approach to analysis of compressive strength test data of rock specimens

In this paper, a new probabilistic approach has been proposed for dealing with the wide scatter in laboratory values of compressive strength test (uni-axial and tri-axial compressive strength tests) data of rock specimens. This wide scatter is essentially due to randomness in number as well as orientation of micro-cracks. In the proposed methodology, Stanley's approach, which uses Weibull's theory based on the weakest link model, has been modified to analyse the compressive strength test data. Stanley's approach is applicable to poly-axial tensile stress conditions. Design of all underground excavations requires, as input data, uni-axial compressive strength and the strength under poly-axial stress conditions. Data from compressive strength tests have been analysed using Weibull's theory and the proposed approach. Corresponding cumulative distribution functions of the state variable, i.e., the applied stress level, have been obtained and goodness-of-fit tests performed to check the fitness of test data to these statistical distributions. These cumulative distribution functions have been subsequently invoked to correlate the applied stress level at failure and the associated risk of failure. The analysis finds its application in specifying the design strength of rocks or rock masses for a permissible probability of failure.     

北疆侏罗系与白垩系泥质砂岩物理力学特性对比分析及其能量损伤演化机制研究

特殊的地理、气候条件及工程地质的复杂性决定了在北疆地区软岩地层中修建引水隧洞的设计施工难度较大。隧洞成拱效应与围岩自稳能力差,围岩渗透性强,遇水软化特性显著,极易产生软岩大变形甚至坍塌失稳灾害。为进一步研究北疆地区侏罗系与白垩系泥质砂岩的物理力学性质、遇水软化特性与能量损伤演化机制,开展了二者的单轴压缩、常规三轴与单轴蠕变试验。研究结果表明：两种岩石均富含黏土矿物,白垩系泥质砂岩的粒径分配更好,但其胶结程度较差,导致其强度稳定性与地层波速相对较低。低围压条件下,两者均以环向变形与体积扩容为主,但随着围压升高,其破坏模式由体积扩张过渡到体积压缩类型。高围压加载会造成岩石内部损伤,从而导致其抗压强度的降低。遇水后,两种岩石的延塑性与应变软化特性均明显增强,白垩系泥质砂岩的遇水软化特性更为显著。白垩系泥质砂岩的蠕变特性更为显著,两者的长期强度接近其单轴压缩损伤应力值。两种泥质砂岩的能量损伤演化过程均呈现S型变化规律,侏罗系泥质砂岩的能量硬化特性更为显著,白垩系泥质砂岩会更早地进入到能量硬化与能量软化阶段。