加载速率对岩石单轴压缩试验影响的数值模拟研究

在单轴压缩数值模拟试验中,加载速率由每次边界条件变化幅度和边界条件变化后的平衡计算时间这两个因素共同控 制。同样的加载速率,两个因素的不同组合也会对加载效果有很大的影响。因此,探究以上两因素对岩石单轴压缩数值模拟 试验的影响机制,可对高效进行高精度的各加载速率下的数值模拟试验起到积极作用。本文使用MatDEM软件,基于软件自 动设定的加载区间以及标准平衡迭代,设置不同的应力施加步数Nd与平衡迭代比率Rb,进行不同加载速率下的数值模拟试 验。模拟结果表明：（1）单步加载后平衡迭代次数越多（Rb越大）,该步中应力波传播与动能衰减越充分。在最优阻尼条件下, 当单步加载后平衡迭代次数等于40次（Rb等于0.8）时,每步加载中动能充分平衡,可以最低计算量取得准静态模拟结果; （2）单步加载应力增量越小（Nd越大）,数值模拟试验精度越高;（3）当加载速率一定即计算量相同时,为保证更高的模拟试验 精度,应采用低单步应力增量与低单步加载后平衡迭代次数（Nd大、Rb小）的加载方案。本文为定量研究岩石加载速率问题和 相关数值模拟提供了参考。     

加载速率对岩石单轴压缩试验影响的数值模拟研究

在单轴压缩数值模拟试验中，加载速率由每次边界条件变化幅度和边界条件变化后的平衡计算时间这两个因素共同控 制。同样的加载速率，两个因素的不同组合也会对加载效果有很大的影响。因此，探究以上两因素对岩石单轴压缩数值模拟 试验的影响机制，可对高效进行高精度的各加载速率下的数值模拟试验起到积极作用。本文使用MatDEM软件，基于软件自 动设定的加载区间以及标准平衡迭代，设置不同的应力施加步数Nd与平衡迭代比率Rb，进行不同加载速率下的数值模拟试 验。模拟结果表明：（1）单步加载后平衡迭代次数越多（Rb越大），该步中应力波传播与动能衰减越充分。在最优阻尼条件下， 当单步加载后平衡迭代次数等于40次（Rb等于0.8）时，每步加载中动能充分平衡，可以最低计算量取得准静态模拟结果； （2）单步加载应力增量越小（Nd越大），数值模拟试验精度越高；（3）当加载速率一定即计算量相同时，为保证更高的模拟试验 精度，应采用低单步应力增量与低单步加载后平衡迭代次数（Nd大、Rb小）的加载方案。本文为定量研究岩石加载速率问题和 相关数值模拟提供了参考。     

加载速率对大尺寸试样破裂特性的影响规律

结合当前我国矿井高强度快速推采的现状,系统分析了双轴加载速率对大尺寸岩体破裂的影响规律。以山东能源济宁矿区深部岩体所处的复杂环境为背景,确定了与深部岩体力学特性相似的混合砂浆材料的最优配比。采用自主研发的岩石应力-渗流耦合真三轴试验系统和美国生产的PCI-2声发射系统,分析了双轴加载下加载速率对大尺寸试样破裂的影响规律,揭示了加载过程中单裂隙和双裂隙试样的破裂和声发射行为特征。研究表明：当加载速率为1.5 kN/s时,单裂隙试样在剪切作用下易起裂形成反翼裂隙;试样双裂隙的岩桥倾角越大,越有利于试样的加速破坏,产生的声发射事件数较少,表现出岩体破裂的突变性。     

三种典型岩石单轴抗压强度的尺寸效应试验研究

尺寸效应是岩石力学领域研究的难点与热点。本文利用自主研发的大尺寸刚性试验机,开展了最大样品尺寸为400 mm×400 mm×800 mm大理岩、闪长岩和凝灰岩的单轴抗压强度试验,从等高宽比条件下岩石强度的尺寸效应和不同高宽比条件下岩石强度变化两个方面开展了岩石强度尺寸效应研究,结果表明:相同高宽比条件下,岩石强度随样品尺寸的增大呈对数形式减小,且逐渐趋于定值;不同高宽比情况,岩石长宽为200 mm×200 mm,高度分别为200 mm,400 mm,600 mm和800 mm,岩石单轴抗压强度随高宽比的增加表现出先减小后增大的变化规律,对应的破坏形式表现为复杂劈裂、劈裂和剪切破坏。本文试验结果为丰富岩石尺寸效应研究提供了基础数据,同时对实际工程中岩体强度尺寸效应的修正具有一定参考价值。     

水泥土单轴抗压强度与波速关系试验研究

介绍了水泥土抗压强度的声波探测技术，研究分析了水泥土单轴抗压强度与纵波速度、横波速度的关系，并对试验结果进行了回归分析。试验结果表明，用声波技术对水泥土的质量进行检测是切实可行的；水泥土的单轴抗压强度与纵波速度、横波速度之间确实存在相关关系；水泥土的单轴抗压强度越高；波速越高；单轴抗压强度为波速的函数，二者呈指数函数关系。     

水泥土的力学性能试验研究

通过室内抗压试验，研究了不同水泥掺入比下水泥土的力学性能，获得了水泥土材料的应力-应变全过程曲线、棱柱体坑压强度与立方体抗压强度之间的关系。     

上海人工冻结黏土单轴无侧限抗压强度试验研究

对3种不同含水率的上海冻结黏土进行了单轴无侧限抗压强度试验。通过对试验数据的分析可知,单轴抗压强度受温度、加载速率、含水率及干密度等因素影响;温度越低、加载速率越大,冻土强度越高。得到了抗压强度与温度的指数函数模型参数和抗压强度与加载速率的幂函数模型参数,建立了以温度、加载速率、含水率（干密度）为变量的强度模型方程。通过正交试验分析得出,各因素对冻土抗压强度的影响程度由大到小依次为温度、加载速率、含水率。     

重塑黄土的加载速率效应研究

为了揭示不同加载速率条件下重塑土的变形与强度特性对工程实践的影响,通过不同围压、含水率条件下重塑土样在4种加载速率条件下的三轴CU试验,对重塑土在不同状态下的加载速率效应进行分析,并从土的结构性入手对其与原状土加载速率效应的差异进行讨论。基于重塑土样的三轴试验成果,得到了加载速率对重塑土变形与力学特性的影响规律:重塑土的应力-应变曲线在不同加载速率条件下均表现出应变硬化特性;破坏强度随着加载速率的增大而表现出先增大后减小的特性,存在临界加载速率;随着加载速率的增大,黏聚力c先增大后减小,也存在临界加载速率,而内摩擦角φ则保持了小幅减小的趋势。     

含盐量对水泥土强度影响的室内试验研究

通过含盐量对非有机质土加固强度影响的试验研究,得到了含盐量对水泥土强度的提高或减小的阈值为3.5%。当盐渍土的含盐量低于这个阈值时,盐渍土的加固强度会因可溶性盐的结晶膨胀作用,提高水泥土的强度;相反当盐渍土的含盐量高于该阈值时,盐渍土的强度会因可溶性盐的过多的结晶膨胀作用,使水泥土的结构遭到破坏,从而使水泥土的强度大大降低。同时分析了可溶性硫酸盐、镁盐和氯盐对水泥土的浸蚀性作用,并从盐类对水泥土强度的影响从机理上进行了阐释,提出了高含盐量对水泥土破坏作用的对策。     

污水浸泡对水泥土强度和电阻率特性影响的试验研究

为了揭示污水对水泥土的影响规律,并尝试采用电阻率法作为描述强度和污染特征的手段,把粉质黏土和两种水泥（普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥）制作的水泥土试块分别浸泡在3种液体（自来水、生活污水、造纸厂污水）中模拟环境侵蚀。首先对比分析了污水对土体液塑限的影响,其次研究了龄期、水泥类型、污水类型等对水泥土抗压强度和电阻率的影响,考察了电阻率和抗压强度的关系。结果表明：污染后土样的液限、塑限均增大,塑性指数减小;水泥土抗压强度和电阻率均随龄期增加而增长;污水均降低了水泥土的抗压强度和电阻率,但是矿渣硅酸盐水泥土的抗压强度和电阻率均高于普通硅酸盐水泥土,说明在污水环境中,矿渣水泥对水泥土有一定的抗劣化能力;在不同的龄期、水泥类型、污水类型下,水泥土电阻率均与抗压强度呈现出一致的变化规律,二者线性相关。     

应变率与含水率对冻土单轴压缩特性影响研究

通过对泥浆制样法制备的冻结粉质砂土的单轴压缩试验,系统地研究了冻结砂土在一个宽泛应变率以及含水率范围内的单轴压缩破坏应变特性和线弹模量特性。结果表明：随着应变率的增加,当含水率为12.0%,破坏应变逐渐增大;当含水率在16.7%～24.0%范围内时,破坏应变先增大后减小;当含水率大于等于30.6%时,破坏应变逐渐减小,3种情况下破坏应变最终都逐渐趋于稳定。破坏应变随含水率增加而先急剧增大到一个最大值,然后急剧减小,当含水率超过41.5%时,基本趋于冰的破坏应变。线弹模量先随着应变率的增大而非线性增大到一个最大值,然后应变率的继续增大使线弹模量逐渐减小,线弹模量与应变率的关系满足二次抛物函数规律。在温度为 2.0 ℃,应变率小于4.67×10-3 s-1的条件下,线弹模量随着含水率的增大而非线性增大,直至最后趋于冰的线弹模量;而在大于等于该应变率的条件下,随着含水率的增大,线弹模量先增大到一个最大值,然后减小趋于冰的线弹模量。当温度为 5.0 ℃时,类似的应变率临界值为1.00×10-2 s-1。     

融化压缩下水泥改良冻土的微观孔隙特征演变

水泥改良冻土在融化压缩下的微观孔隙演变特征研究,对了解水泥改良冻土的过程具有重要意义。将水泥改良后的冻土进行融化压缩实验,通过冷冻干燥法对试验后的土样进行电镜样品制取并获取其微观特征图像。对试验土样进行比重测试,得到土样真实的三维孔隙比。最后以真实孔隙比作参考,确定图像分割所选取的灰度值并提取其孔隙特征。结合融化压缩试验结果,对水泥改良冻土的孔隙数量、面积、定向角及丰度值随改良土压缩量的变化关系进行了分析。研究结果表明：经过水泥改良后的冻土,大孔隙结构强度增大明显;随着水泥掺量及养护龄期的增加,孔隙比与孔隙面积变大,压缩量变小;随着土体压缩量的增大,孔隙的定向角分布逐渐由均匀状向锯齿状发展;土样压缩过程中,丰度值大于0.5的孔隙发生压缩明显,孔隙逐渐趋于细长状,并且随着压缩量的增大,孔隙丰度值的分布越来越趋于正态分布。孔隙微观结构演变研究为阐释水泥改良冻土宏观力学特性增强的机制提供了科学依据。     

干密度和温度对冻结膨胀土单轴压缩特性影响的试验研究北大核心CSCD

膨胀土是一种特殊的黏土,具有明显的胀缩性和多裂隙性,在寒区渠道工程中极易诱发各种冻害。单轴压缩特性是冻土物理力学特性的重要分支,为研究冻结膨胀土的单轴压缩特性,开展了不同干密度和温度下冻结膨胀土单轴压缩试验。试验结果表明:随着干密度的增加,各温度工况下试样的应力-应变关系曲线均由弱应变软化转为应变硬化形态,且试验温度越高,曲线的软化特征越显著。不同温度工况下试样的破坏模式差异明显。当试验温度为-2℃时,试样破坏时其表面出现明显的局部坍塌与剥落,而-5℃、-10℃和-15℃工况下试样的最终破坏形态均为“鼓状”破坏,试样表面无明显的裂缝和剪切面。冻结膨胀土试样的单轴抗压强度随干密度的增加而线性增大,亦随温度的降低而增大,但在不同的温度区间内增幅不同,其变化幅度主要与试样内部含冰量密切相关。此外,试样的弹性模量随着干密度的增大和温度的降低均线性增大。     

冻土单轴压缩动态试验研究

讨论了冻土试样的制作过程。采用计算机层析扫描技术（CT）对未饱水和饱水冻土试样单轴压缩过程进行了动态测试，给出了冻土单轴压缩各承载阶段内部结构变化特征，基于CT测试对加载过程进行了分析，讨论了饱水冻土和未饱水冻土试样的破坏形式，并对空隙损伤阶段损伤进行了计算。     

单轴压缩下红色砒砂岩水泥土的能量演化机制研究

砒砂岩水泥土受荷变形的过程中伴随着能量的积聚和耗散,在能量的驱动下致使水泥土变形破坏。为了探寻单轴加载过程中砒砂岩水泥土的能量演化规律,根据不同养护龄期和不同水泥掺量下砒砂岩水泥土在变形破坏过程中总能量、峰值点总能量、峰值点弹性应变能、峰值点耗散能的演化规律,从能量的角度分析了龄期和水泥掺量对砒砂岩水泥土的影响。研究表明：能量耗散与砒砂岩水泥土的强度衰减密切相关,试样受荷过程中的损伤情况可以用耗散能的多少来反映,砒砂岩水泥土单轴受压破坏的整个过程中,破坏总能量和耗散能均呈“S”状增长,弹性应变能呈先增加后减小的“凸”状趋势发展;随水泥掺量的增加有效能比也随之增加,不同龄期下各水泥掺量的砒砂岩水泥土都是以吸收弹性能为主,而峰值点应变能可以代表水泥土试样的储能极限,因此有效能比、峰值点应变能能够很好地反映砒砂岩水泥土抵抗破坏的能力。通过利用能量分析原理对砒砂岩水泥土的变形过程进行研究,可以打破以往仅仅利用传统的应力-应变强度来描述其破坏特征的思路,为该类材料的受荷变形分析提供了新的方法和思路。     

单轴压缩条件下冻土的动态损伤和分形演化规律

基于损伤和分形理论, 对单轴压缩条件下冻土的力学性质进行了研究。建立了损伤变量和分形维数随应力变化的数学经验表达式,并作出了其动态演化曲线。通过演化曲线可以看出,分形维数与损伤变量随应力的递增均呈非线性增加,但分维的变化较平缓;损伤变量在初期变化相对平缓,在后期变化速率明显加快。因此,该研究有助于进一步认识冻土的损伤破坏过程和力学性质。     

Effects of size and strain rate on the mechanical behaviors of rock specimens under uniaxial compression

Size and strain rate are two key factors that dramatically influence the estimation of rock mechanical behaviors. To better understand the effects of size and strain rate on measured rocks, rock specimens with six different sizes were tested at six different strain rates under uniaxial compression using the MTS 815 Rock Mechanics Test System. Having determined that the size and strain rate significantly affect the peak strain, peak stress, elastic modulus, acoustic emission (AE), and failure pattern of the rock specimens, the relation was established between the strength and the size and strain rate of red sandstone. And the variation was revealed among the size and strain rate, the AE, and the failure pattern. It turned out that the peak stress was negatively correlated with the rock size and was positively correlated with the strain rate. When the length to diameter ratio (L/D) of the rock specimen was less than 2.0, the AE appeared mildly. The AE quantities gradually increased before the peak stress, and then sharply decreased after the peak stress. The failure pattern of the rock specimen was relatively complicated, with a fracture plane appearing along the axial direction. Conical failure type was also presented. When the L/D ratio of the specimen was greater than 2.0, the AE characteristics of red sandstone showed the radical model. There were relatively few AE rings before the peak stress. But the AE rings increased suddenly and dramatically during the peak stress. The rock specimens primarily failed with a single shear plane. Moreover, with an increase in the strain rate, the AE activities were enhanced and the AE quantities increased. When the strain rate of the rock specimen was less than 5.0?×?10^?4/s, the rock specimen failed with a shear or tensile-shear pattern. And when the strain rate was greater than 5.0?×?10^?4/s, the rock specimen tended to fail in a conical pattern.     

循环荷载下冻土变形特性研究现状及冻土开挖问题

讨论了循环荷载作用下冻土的变形特性,总结了前人对冻土变形特性的研究成果。重点阐述了影响冻土变形特性的主要因素,包括土质、含水量、含冰量、温度、围压、动应力振幅和频率对冻土变形特性的影响及其研究现状和主要结论。简要论述了冻土开挖方面的研究情况,并强调了冻土机械开挖方法的重要性。最后针对高效开挖冻土的实际需求,提出了进行冻土变形特性进一步研究的几点建议。     

Creep behaviour of frozen soils in uniaxial compression tests

The stress—strain behaviour of frozen soils is often described by means of creep curves from uniaxial or triaxial creep tests. Ten or twelve tests of similar samples are required to obtain a good relationship between stress σ, strain ε, temperature T and time t or strain rate ε. To reduce the required number of samples it is possible to apply the compression load in creep tests stepwise. Therefore creep curves for different stress levels can be obtained from one sample.

In this paper the bearing capacity of cylindrical samples of frozen medium sand under constant uniaxial compression stress and under stepwise increased stresses is compared. It is shown how to use these different creep curves to describe the stress—strain behaviour of frozen soils.     

Effect of particle characteristics on the evolution of particle size,particle morphology,and fabric of sands loaded under uniaxial compression

Acta Geotechnica - This paper presents the results and analyses of uniaxial compression experiments performed on three silica sands. The sands have comparable particle-size distributions, but their...