岩石三轴拉伸试验装置研制及其应用

为准确地测量岩石试样在不同围压作用下的拉伸强度与变形特性,对用于岩石三轴压缩试验的MTS815材料试验机为主体设备进行了一系列技术改造,一方面设计加工了一套试验机活塞与三轴室的随动连锁装置,使原本只能提供压缩载荷的MTS815试验机也能精确提供轴向拉伸荷载;另一方面设计开发一种多自由度岩石试样三轴拉伸夹具,解决岩石等脆性材料在拉伸过程中难以始终保持对中的技术难题。提出一套完整的测试技术方法,能实现0～140 MPa围压范围内各种岩石试件的复杂三轴直接拉伸测试研究,利用研发的配套装置与测试方法对页岩试样进行了三轴拉伸试验。结果表明,试验装置和试验方法完全能够进行不同围压条件下的岩石三轴拉伸试验,得到相应的三轴拉伸试验曲线;页岩在低围压和高围压下呈现不同的破坏特征和破坏形式,低围压下依然呈现脆性特征,高围压下则是由脆性向塑性转换。     

岩石直接拉伸与压缩变形的试验研究

采用自行研制的可对同一岩石试样进行单轴压缩和直接拉伸的试验装置,对3种岩石进行了压缩和直接拉伸试验。结果表明,这3种岩石的压缩弹性模量均大于拉伸弹性模量,压缩与拉伸弹性模量之比分别为1.1,1.4,2.5。压缩泊松比也大于拉伸泊松比。研究表明：直接拉伸下切线泊松比随荷载的增加而减小,与压缩下泊松比的变化相反。     

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。     

基于变形与脆性特性的类岩石材料配比正交试验研究

采用正交试验方法配制了不同水胶比、砂胶比、硅灰-水泥比的颗粒性材料探究与选定砂岩具有相近变形及脆性特征的类岩石材料的配制过程。选取材料变形指标E/σ_c及脆性指标σ_c/σ_t与砂岩统计数据作比较,确定了符合砂岩基本变形以及脆性特征的材料配比范围;针对正交试验组E/σ_c及σ_c/σ_t进行极差分析,得到这两个指标随配比三因素各水平变化规律;采用多元多项式求解方法确定了与选定砂岩性质相近的类岩石材料配比,并进行试验检验。经对比认为,采用该方法配制的类岩石材料其变形、脆性指标数值与选定砂岩对应指标数值均较好地符合,可以代替选定砂岩进行室内岩石及岩体力学性质试验。     

大姚铜矿紫色砂岩的压拉变形特性试验研究

介绍了一种可对同一岩石试样分别进行单轴压缩和单轴拉伸实验的试验装置,该装置改变了因岩样不同而导致的压拉试验结果无法进行直接对比分析的现状,为岩石从受压转向受拉或从受拉转向受压的过渡特性的试验研究提供了可能。以云南大姚铜矿紫色砂岩为例,研究了其在压拉试验条件下的变形特性。结果表明：该种岩石从压缩到拉伸阶段弹模变化不大,但压缩泊松比与拉伸泊松比的变化较为复杂。试验同时证明该类岩石的压缩与拉伸并不是截然不同的两种过程,单轴压缩试验的卸载曲线与直接拉伸试验的加载曲线具有很好的连续性。     

岩石类材料拉伸弹性模量测量方法的对比研究

研究表明岩石材料在拉应力、压应力条件下具有不同的力学行为,因此,岩石材料存在两种弹性模量,分别为拉伸弹性模量和压缩弹性模量。为了甄别出直梁弯折试验和巴西劈裂试验哪一种更加适合测试岩石材料的拉伸弹性模量,以大理岩、花岗岩和砂岩为典型的岩石类型,开展了一系列的单轴压缩、直接拉伸、三点弯折和巴西劈裂试验,测试了岩石材料的拉伸弹性模量;并对测试结果的可靠性、准确性开展了系统的对比研究。最终发现,巴西劈裂试验因为较好的测量精度、制样简便、试验操作简单等因素,可以成为测量岩石材料拉伸弹性模量的推荐方法。     

高温后大理岩动态劈裂拉伸试验研究

为了研究高温处理后的岩石材料在冲击加载速率作用下的动态劈裂拉伸性能,利用大直径分离式霍普金森压杆试验设备对经历不同高温作用冷却后的“大理岩”平台巴西圆盘试样进行不同加载速率作用下的径向冲击试验。研究了高温后大理岩的动态劈裂拉伸强度及动态劈裂破坏形式随温度和冲击加载速率的变化规律。试验结果表明,与静态劈裂拉伸强度相比,经历不同高温作用冷却后,大理岩的动态劈裂拉伸强度有明显的提高,表现出显著的冲击加载速率强化效应,同一冲击加载速率作用下,随着温度的升高,动态劈裂拉伸强度表现出先增大后减小的变化趋势;高温后大理岩的动态劈裂破坏形式受到冲击加载速率和温度的共同影响。     

岩石声发射混沌特征分析

岩石等脆性材料在加载过程中,随着荷载的增加,材料内部的微裂纹产生、扩展并伴随着声发射现象的发生。声发射是研究脆性材料破坏的良好工具。对砂岩、细砂岩和高丽山砂岩3类岩石进行了声发射试验,记录了加载及破坏过程中产生的声发射信号,并且采用混沌动力学理论研究了3类岩石的声发射活动规律,计算了岩石的关联维数和最大Lyapunov指数。研究结果表明,岩石加载及破坏过程具有混沌特征,用相空间重构法可以较好地揭示岩石破坏过程的动力学特征,这为混沌理论在岩石、岩体声发射其他领域的研究及应用奠定了基础。     

浅议实验室岩石抗拉强度测量方法

岩石抗拉强度是研究岩石破裂、岩体失稳和岩体破坏过程的重要输入参数,但是如何准确确定岩石抗拉强度仍然存在很多争议。本文系统地梳理和总结了多种抗拉强度测量方法的研究成果,岩石抗拉强度测定包括直接拉伸法和间接拉伸法,其中直接拉伸法包括直接拉伸试验、双轴延伸试验、Luong试验;间接拉伸法包括巴西劈裂试验、弯曲拉伸试验、空心岩柱液压致裂试验等。对各种方法的研究现状、试验原理、影响因素、试验结果进行了简要总结回顾,比较了各试验的特点及适用范围。为日后工程实践中较好地选择岩石抗拉强度的测量方法提供参考。     

岩石类材料的能量基率相关弹塑性损伤模型

岩石类材料的动态本构模型研究是岩石动力学理论研究的基础问题。相比于其他的非线性理论,损伤力学理论已证实可成功地模拟岩石类材料的应变软化和渐进破坏等特征,可用于解释其静、动态破坏机制。现有的通过理论推导得出的动态本构中大部分并未考虑损伤因素,而通过维象学试验方法建立起的动态本构则缺乏损伤力学理论基础。为此基于弹性余能等效原理和损伤力学的基本概念,并结合动态试验,推导建立了岩石类材料的率相关弹塑性损伤模型。并通过与文献中的试验资料对比,证明了模型的有效性,为岩石类材料组成的结构的动力响应研究奠定了基础。     

Numerical 3D modeling of the effects of strain rate and confining pressure on the compressive behavior of Kuru granite

This paper deals with numerical modeling of the compressive behavior of granite rock under high strain rate dynamic loading and wide range of confining pressure. For this end, a constitutive model based on damage mechanics and viscoplasticity for rock is formulated and implemented in explicit dynamics FEM. The viscoplastic part is based on a simple power law type yield criterion that incorporates the rate-dependency with a linear viscosity term. Moreover, a Rankine type of tensile cut-off is employed. The damage part of the model is formulated with separate scalar damage variables in tension and compression. The model is calibrated for Kuru granite and validated with the experimental data from dynamic compression tests at the strain rate of 600 1/s up to 225 MPa of confining pressure. The numerical simulations demonstrate that, despite the underlying continuum modeling approach, the model captures the correct experimental failure modes, including the transition from single-to-multiple fragmentation, as well as the dynamic compressive strengths at different confining pressures.     

高温作用后花岗岩三轴压缩试验研究

为综合考察温度、围压对花岗岩力学性质及破坏方式的影响,在高温（25℃～1 000 ℃）作用后,利用MTS815.02电液伺服材料试验系统对花岗岩岩样进行不同围压作用下的三轴压缩试验。研究结果表明,（1）围压一定时,经历不同高温作用后花岗岩三轴压缩全应力-应变曲线经历了压密、弹性、屈服、破坏、塑性流动5个阶段;（2）经历不同高温作用后岩样三轴抗压强度与围压呈非线性二次多项式增长关系,围压为40 MPa时的抗压强度比单轴抗压强度提高了382.30%;常规三轴压缩条件下,400 ℃是花岗岩力学参数的阀值温度;（3）经历高温作用后,岩样弹性模量随围压升高呈增大趋势,围压为40 MPa时的弹性模量比单轴时提高了90.26%;随温度升高呈二次非线性减小,1 000 ℃时的弹性模量比25℃时降低了57.16%;（4）花岗岩的失稳型式同时取决于围压和温度。单轴压缩状态下,随着温度的升高,岩样变形破坏型式由脆性破裂向塑性变形过渡,失稳型式在低温时为突发失稳、中高温为准突发失稳,温度高于800 ℃为渐进破坏;三轴压缩状态下,随着围压的增大,岩样破裂型式由脆性张拉破裂逐渐向剪切破裂过渡,岩样的失稳型式以突发失稳为主。在试验温压范围内,影响花岗岩力学性质的首要因素是温度,其次是围压。     

Analytical simulation of the dynamic compressive strength of a granite using the sliding crack model

A sliding crack model is employed to simulate rock strength under dynamic compression. It is assumed that the growth and nucleation of a sliding crack array presented results in the shear fault failure and dominate the mechanical properties of rock material. The pseudo‐tractions method is used to calculate the stress intensity factor of the sliding crack array under compression. With the utilization of a dynamic crack growth criterion, the growth of the sliding crack array is studied and the simulated strengths of a granite under dynamic compression are correspondingly obtained. It is concluded that the simulated rock strengths increase with increasing strain rates at different confining pressures, and the rising rates have a trend to decrease with increasing confining pressures. It is also indicated that the simulated rock strengths increase with increment of confining pressure at different strain rates, and the rising rates are almost identical at different strain rates. The simulation results are validated by the experimental data for the granite. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.     

砂质泥岩三轴卸荷流变力学特性试验研究

流变对工程岩体的长期变形稳定具有十分重要的影响,但目前关于卸荷流变的试验研究中通常只考虑恒轴压卸围压的应力路径,与隧洞开挖过程中围岩的应力调整过程存在一定的差距。以砂质泥岩为试验研究对象,设计进行了加轴压卸围压和恒轴压卸围压条件下的分级卸荷流变试验。试验结果表明：恒轴压卸围压和加轴压卸围压方案下岩样的流变变形趋势总体一致,但相同初始围压条件下,加轴压卸围压试样破坏的围压相对较高,偏应力相对较大,但长期强度与破坏应力的比值相对较小;在围压卸载至岩样临近破坏时,加轴压卸围压方案下岩样的流变应变增长速率明显较快,试样破坏的更加突然;恒轴压卸围压条件下岩样的破坏形态相对简单,一般只存在一条完整的剪切破坏面,而加轴压卸围压条件下岩样的破坏形态要复杂得多,除了控制性的剪切破坏面之外,还伴随有一定数量的次生剪裂纹和张拉裂纹,而且初始围压越大,试样的次生裂纹越多。因此,在隧洞围岩长期变形稳定分析过程中,单纯的恒轴压卸围压流变试验不能满足工程实际需求,应该尽量丰富岩石力学试验的应力路径,以便较好地模拟工程岩体应力的实际变化过程,研究成果为隧洞围岩的长期变形稳定性研究提供了较好的研究思路。     

IV级软弱围岩相似材料的试验研究

以IV级围岩为参照对象,研制可用于隧道围岩稳定性物理模型试验的软弱围岩相似材料。采用的5种原材料（重晶石粉、石膏、细砂、洗衣液和水）,通过直剪试验、无侧限抗压强度试验及三轴压缩试验测得所配相似材料的强度特征和物理力学参数,包括黏聚力c、内摩擦角?、单轴抗压强度Rc、弹性模量E和泊松比?。首先,通过试验分析每种原材料的不同比例对所配相似材料强度特征及物理力学参数的影响,选择适合于模拟IV级围岩相似材料的原材料配比;其次,针对优选的材料配比所配制的相似材料,开展大量的三轴压缩试验,研究在不同围压下该相似材料的强度及其破坏特征。结果表明,含水率减少或石膏含量增加导致Rc、E和c明显增大,而?降低不明显;增加砂含量可增大E 和?,但Rc值减少;石膏含量对相似材料的脆性和延性影响最明显,而含水率对相似材料的强度影响最为突出。试验结果还表明,相似材料在低围压时呈现脆性,在高围压时呈延性;就破坏准则而言,试验所得结果小于Mohr-Coulomb准则,略大于Hoek-Brown准则,但更符合Hoek-Brown准则。研制软岩相似材料的试验数据可为下一步拟开展的隧道围岩稳定性模型试验和数值模拟提供重要的参考和依据。     

脆性岩石卸围压强度特性试验研究

岩样的承载能力由材料强度和围压共同确定,轴向压缩和卸围压二者都能导致岩样破坏,但由于应力路径不同,两种条件导致岩样的破坏过程并不相同。对取自位于雅砻江上的锦屏二级水电站辅助洞内的白山组大理岩进行了常规三轴试验和峰前、峰后卸围压试验,通过对试验曲线和岩样破坏特征的分析表明：无论是峰前还是峰后卸围压,岩样都表现出脆性破坏的特征,而岩样破坏表现出的脆性峰前卸围压比峰后卸围压更为强烈;岩样在加、卸载条件下的变形均随主应力差的增大而增大,但在相同的主应力差下,卸载产生的扩容量比加载的扩容量更大;峰前卸围压试验当围压卸到初始围压值的60 %左右时,岩样发生破坏;峰后卸围压试验当围压卸到初始围压值的80 %左右时,岩样发生破坏。结论对相关工程稳定性分析、设计和施工具有一定的指导意义和参考价值。     

不同温度条件下饱水风化花岗岩强度及变形特性分析

为研究温度和围压对风化花岗岩抗压强度、 剪切强度参数及变形特性的影响规律, 以新疆天山某一矿区的风化花岗岩为研究对象, 对不同温度（15、 -5、 -15 ℃）、 不同围压（0、 4、 7、 10 MPa）条件下的饱水风化花岗岩进行单轴和三轴压缩试验。结果表明： 相同温度条件下, 围压在0 ~ 10 MPa变化时, 风化花岗岩三轴抗压强度随围压线性增大。在相同围压下, 抗压强度随温度的降低而明显提高, 风化花岗岩的黏聚力c随温度降低而增大, 内摩擦角φ随温度的降低呈增长趋势。弹性模量随围压的增大不断提高, 但随着温度的降低, 增长幅度逐渐减小。泊松比也随温度降低和围压的增加呈增大趋势。温度和围压对风化花岗岩试样的破坏形态影响机制不同。温度降低使矿物颗粒及内部的微裂纹和间隙收缩, 进而胶结强度增大; 荷载和围压的增大会使岩石内部形成微裂隙并逐渐贯通, 同时孔隙冰破碎裂隙充分接触, 进一步增加摩擦力提高岩石强度。     

卸荷条件下花岗岩力学特性分析

岩体工程中的开挖会不可避免地与岩体卸荷相关联。以花岗岩为试验材料,通过室内试验研究线性卸荷条件下花岗岩的破裂特征,其表现为径向快速扩容及塑性特征的增强。在室内试验的基础上,基于PFC(particle flow code)颗粒流程序,采用平节理模型FJM(flat joint model)模拟花岗岩卸荷条件下的力学特性。鉴于实际工程中岩体的开挖大部分为非线性卸荷,文中运用一种新的“应力/时步”卸荷方式,能够方便地完成非线性卸荷的模拟。数值模拟结果表明,在加轴压卸围压的条件下花岗岩试样损伤严重,承载能力急剧下降,无残余强度,随着初始围压的增加,破坏形式由劈裂过渡为剪切破坏,卸荷速度越快,裂纹扩展越慢。研究结果可为岩石卸荷条件下的力学行为分析以及实际工程提供借鉴。     

An experimental study on deformation and failure mechanical behavior of granite containing a single fissure under different confining pressures

Fissures in natural rocks play an important role in determining the strength, deformability and failure behavior of rock mass. However in the past, triaxial compression experiments have rarely been conducted for rock materials containing three-dimensional (3-D) fissures and the failure mechanical behavior of fissured rocks is not well known due to the difficulty of conducting triaxial experiments on fissured rocks. Therefore in this research, conventional triaxial compression experiments were performed to study the strength, deformability and failure behavior of granite specimens with one preexisting open fissure. Thirty-one specimens were prepared to perform conventional triaxial compression tests for intact and fissured granite. First, based on the experimental results, the effects of the confining pressure and the fissure angle on the elastic modulus and the peak axial strain of granite specimens are analyzed. Second, the influence of the confining pressure on the crack damage threshold and the peak strength of granite with respect to various fissure angles are evaluated. For the same fissure angle, the crack damage threshold and the peak strength of granite both increase with the confining pressure, which is in good agreement with the linear Mohr–Coulomb criterion. With increasing fissure angle, the cohesion of granite first increases and later decreases, but the internal friction angle is not obviously dependent on the fissure angle. Third, nine crack types are identified to analyze the failure characteristics of granite specimens containing a single fissure under conventional triaxial compression. Finally, a series of X-ray microcomputed tomography (CT) observations were conducted to analyze the internal damage mechanism of granite specimens with respect to various fissure angles. Reconstructed 3-D CT images indicate obvious effects of confining pressure and fissure angle on the crack system of granite specimens. The study helps to elucidate the fundamental nature of rock failure under conventional triaxial compression.