加载速率对砂岩抗拉强度的影响机制

为研究加载速率对砂岩抗拉强度的影响效应及影响机制,设计开展5种加载速率的劈裂试验,综合分析抗拉强度、破坏特征、能量参数和劈裂面微观形貌变化规律及相关性。结果表明,(1) 随着加载速率增大,砂岩劈裂抗拉强度逐渐增大,总体呈现先陡后缓的趋势,加载速率在0.01～0.10 kN/s范围内时抗拉强度增长迅速,0.10～1.00 kN/s范围内时抗拉强度增长趋势渐缓;(2) 随着加载速率的增大,岩样吸收的总能量增大,弹性应变能占总能量的比值逐渐增大,耗散能占总能量的比值逐渐减小,加载至破坏时裂纹扩展形成宏观劈裂面的时间呈数量级减小,达到峰值应力时弹性应变能的释放,导致岩样破坏的突发性增强,使得劈裂面形貌特征在宏观和微观上逐渐变得复杂,对应抗拉强度逐渐增大;(3) 在岩石劈裂试验过程中加载速率、能量参数、劈裂面形貌特征与抗拉强度密切相关,加载速率影响加载过程中能量的总量与分配,能量参数的变化直接影响岩样的破坏过程及劈裂面的形貌特征,最后宏观上表现为抗拉强度的差异。文中相关分析方法和思路可为类似试验提供较好的参考。     

不同节理粗糙度类岩石材料三轴压缩力学特性试验研究

粗糙度是影响节理岩体强度与变形特性的重要因素之一。首先使用3D 打印机制作模具,并浇筑形成不同粗糙度（节理粗糙度系数JRC=2、7、12、17、22）的节理岩石试样。采用GCTS高温高压动静岩石三轴试验系统,对含有不同粗糙度节理岩石试样进行了三轴压缩试验,获得了不同粗糙度节理岩石试样的三轴应力–应变曲线,分析了JRC对岩石三轴强度和变形特性的影响规律,在三轴加载过程中采用声发射测试系统,分析了不同粗糙度节理岩石试样的声发射特性。运用数字三维视频显微系统观察节理面形态,讨论了不同围压下节理岩石试样峰值强度与JRC之间的关系。研究结果表明,节理面的存在直接导致节理岩石试样强度的大幅度降低,JRC对岩石破坏裂纹的形态、数量和空间分布特征亦有很大的影响,随着JRC值的增大,岩石节理面的抗剪强度增大,岩石试样的三轴抗压强度也会增大,岩石试样由脆性破坏转变为延性破坏。     

Bukit Timah 花岗岩的动态拉伸力学特性实验研究

本文采用劈裂拉伸和三点弯曲法研究了Bukit Timah 花岗岩的动态拉伸力学特性.实验结果表明,当加载速率每增加一个量级,用两种方法得到的花岗岩抗拉强度增加10%.实验结果还表明,对于同种加载速率的花岗岩试样,由三点弯曲法得到的岩石抗拉强度约为劈裂拉伸法得到的2.5倍.与抗拉强度相比,实验得到的花岗岩弹性模量数据比较离散,变化幅度也不大.基于实验结果,本文还对岩石拉伸力学特性机理进行了初步分析.     

岩石结构面粗糙度系数尺寸效应的推拉试验研究

粗糙度系数是结构面抗剪强度的主要影响因素,然而由于结构面表面形态的复杂性,粗糙度系数尺寸效应研究并未获得较大进展。总结了结构面粗糙度系数的3种获取手段：标准剖面对比法、理论公式法、试验反分析法。在此基础上分析了3种方法在研究粗糙度系数尺寸效应方面存在的问题和困难。为了研究结构面粗糙度系数与试样尺寸的相关度,对中砂、硅粉、水泥、非引气型萘系减水剂等原材料的配比进行了研究,获得了与天然钙质板岩物理力学特性相类似的岩石模型材料,然后采用研发的结构面制作模具及其制备工艺制作了8组共176对具有不同尺寸和表面起伏粗糙程度的结构面,并利用改进的高精度岩石结构面推拉仪对结构面粗糙度系数进行了推拉试验研究和数据统计分析,结果表明：模型结构面粗糙度系数的统计均值随试样尺寸的增加而降低,但特定结构面粗糙度系数的尺寸效应规律需要根据结构面的具体表面形貌进行测试;Barton理论公式计算的结构面粗糙度系数尺寸效应变化规律与推拉试验测试规律总体上一致,但试验值与理论值有差异,且结构面试样尺寸越小,二者的差异就越大;具有特定表面形貌的模型结构面粗糙度系数也有差异,工程大尺寸岩体结构面粗糙度系数需要根据表面形貌和分布特征进行综合判定。     

基于三维形貌的岩石节理抗剪强度计算模型

JRC-JCS模型在岩土工程领域被广泛应用,但也存在一定缺陷：其一,粗糙度系数JRC的二维性不能综合表征节理表面形貌的各向异性;其二,抗压强度系数JCS不能全面反映材料属性对节理剪切力学行为的影响。借助三维激光扫描和3D打印技术,浇筑具有自然节理形貌的人工节理试样,对其进行常法向应力下的剪切试验。将试验结果和理论推导相结合,建立了含有三维形貌参数和抗拉强度参数的抗剪强度模型。通过室内试验以及模型对比,分析了法向应力和三维形貌特征对岩石节理的抗剪强度以及剪胀角的影响。结果表明：节理剪切是以张拉为主导的破坏模式,而不是单纯的压缩破坏。不同的三维形貌特征会得到不同的初始剪胀角。随着法向应力的增大,峰值剪胀角减小,通过研究剪胀效应中峰值剪胀角的变化规律,可用于计算岩石节理的抗剪强度。     

循环荷载作用下岩石劈裂结构面剪切力学特性演化与影响因素研究

基于现有结构面剪切力学特性研究中对简单几何形态结构面研究多,天然形态结构面研究少,力学性质演化研究多,几何形态演化研究少的研究现状,通过巴西劈裂试验制备近天然形态岩石结构面,并采用模拟材料批量复制劈裂结构面试样的方法,开展循环荷载作用下岩石劈裂结构面的剪切力学特性演化规律与影响因素研究,分析法向应力、循环剪切次数、岩壁强度以及结构面粗糙度对循环剪切作用下岩体结构面力学特性和形貌特征的影响。最终通过在黏着摩擦理论-Barton经验公式中引入与循环剪切次数Nd有关的负指数假定劣化参数,提出了岩体结构面循环剪切强度公式。研究结果表明：法向应力、岩壁强度、结构面粗糙度越大,结构面的最大剪应力越大;法向应力、循环剪切次数、结构面粗糙度越大,岩壁强度越小,则归一化粗糙度参数越小。提出的循环剪切强度公式较好地验证了试验结果,可为工程安全设计提供理论参考。     

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。     

基于SHPB试验的粗糙节理面动态损伤特征研究

分析节理岩体在动态加载下的节理面损伤有助于把握节理岩体的动态破坏本质特征。针对节理形貌对节理岩体动态压缩破坏影响研究较少的现状,利用改进后的分离式霍普金森压杆装置(SHPB)对含粗糙节理的试样进行冲击试验,结合3D扫描仪等设备对多次低幅值冲击荷载下的节理面损伤特征进行定量研究。研究结果表明:粗糙节理试样在多次加载情况下,典型波形图表现出透射波幅值降低的现象,认为应力波在节理处的透射能力削弱与节理面出现的损伤现象有关;利用波速探伤技术验证了多次冲击荷载下岩块部分损伤较弱,而节理面的损伤现象更加显著,具体特征为粗糙节理面的整体起伏度减小,粗糙度增加;引入体积损失率以定量评价节理面损伤程度,发现节理吻合度系数(JMC)、节理凸起分布情况及节理起伏角对节理面的损伤具有不同程度的影响;最后,利用试验数据计算了耗散能以定义损伤变量,发现具有较小节理吻合度系数(JMC)的节理面表现出更剧烈的节理损伤程度;然而在比较节理试样的前后损伤变量发现,利用新定义的损伤变量反映节理岩体的损伤存在一定局限。     

基于节理面三维形貌的岩石节理抗剪强度计算模型

JRC-JCS模型在岩土工程领域被广泛应用,但也存在一定缺陷:其一,粗糙度系数(JRC)的二维性不能综合表征节理表面形貌的各向异性;其二,抗压强度系数(JCS)不能全面反映材料属性对节理剪切力学行为的影响。借助三维激光扫描和3D打印技术,浇筑具有自然节理形貌的人工节理试样,对其进行常法向应力下的剪切试验。将试验结果和理论推导相结合,建立了含有三维形貌参数和抗拉强度参数的抗剪强度模型。通过室内试验以及模型对比,分析了法向应力和三维形貌特征对岩石节理的抗剪强度以及剪胀角的影响。结果表明,节理剪切是以张拉为主导的破坏模式,而不是单纯的压缩破坏。不同的三维形貌特征会得到不同的初始剪胀角。随着法向应力的增大,峰值剪胀角减小,通过研究剪胀效应中峰值剪胀角的变化规律,可用于计算岩石节理的抗剪强度。     

平台巴西劈裂试验确定岩石抗拉强度的理论分析

为了完善平台巴西劈裂试验测定岩石抗拉强度的理论基础,基于二维弹性理论,建立对弦载荷下的平台巴西劈裂力学模型,采用应力场叠加法求得圆盘内的应力近似解析解。该应力理论解与有限元数值解一致,证明理论求解的合理性。在此基础上,对比研究了平台加载角对圆盘内应力大小及应力集中程度的影响,其结果表明：平台加载角越大,圆盘加载处的应力集中程度和压拉应力比都急剧降低,而圆盘内的拉应力值和拉伸区却只有一定程度减小;过大或过小的平台加载角都不利于平台巴西试样发生中心拉伸劈裂破坏,其最优平台加载角在20°~30°之间。最后,依据Griffith强度破坏准则,推得岩石抗拉强度的理论计算公式,其结果与已有抗拉强度经验公式及试验所得抗拉强度相符较好。     

巴西劈裂法在层状岩体抗拉强度测试中的分析与讨论EI北大核心CSCD

为分析巴西圆盘劈裂法在层状岩体抗拉强度试验中的适用性,在以往层状岩体巴西圆盘劈裂试验成果分析基础上,选取层理砂岩为试验对象,设计并进行了考虑不同层理角度的砂岩巴西圆盘劈裂试验。分析结果表明,(1)层状岩体抗拉强度的各向异性特点非常明显,层理角度对各种层状岩体的劈裂抗拉强度的影响规律是基本类似的,只是影响程度不一样;(2)不同层理角度圆盘试样的破裂面形状差别较大,其破坏模式可以归纳为直线型、折线型和弧形型;(3)当层理角度0°<β<90°时,破裂面的发展规律不能严格满足巴西圆盘劈裂试验力学理论模型的假定,采用式(1)计算得到的劈裂抗拉强度只能是一个近似的值;(4)当圆盘试样加载线两侧的岩石材料、层理结构对称分布时,加载时圆盘内的应力分布可以较好地满足其理论计算模型,其试验结果比较准确。研究成果可为层状岩体抗拉强度的准确测定提供较好的参考。     

一种新的岩石节理面三维粗糙度分形描述方法

研究并提出一种新的岩石节理面三维粗糙度分形描述方法。首先,基于激光扫描数据将节理表面离散成三角网,并建立与剪切方向相关的三维均方根抵抗角的计算方法。其次,运用分形数学理论,提出一种新的基于三维均方根抵抗角的节理面粗糙度分形描述方法。最后,采用新方法对天然玄武岩节理和花岗岩张拉型节理的粗糙特性进行分析。研究结果表明,提出的新方法能够较全面地反映节理面的三维几何形貌信息,并能描述节理粗糙度的各向异性特性。研究成果为进一步建立岩石节理面的三维剪切强度公式和剪切本构理论奠定了基础。     

基于颗粒离散元模型的不同加载速率下花岗岩数值试验研究

不同加载速率条件下岩石的力学特性,对于其动载下破裂内在机制的研究具有积极的意义。基于颗粒流理论,通过黏结颗粒模型（bonded particle model,简称BPM）虚拟实现不同加载速率0.001～0.500 m/s下花岗岩单轴压缩和巴西劈裂试验,定量分析加载速率对应力-应变、破裂形态、应变能率及声发射的影响。结果表明：单轴抗压强度和抗拉强度及其对应峰值应变随加载速率增加而非线性增长;单轴压缩作用下,随加载速率增加,试样由单一斜截面破坏向多斜截面破坏转变,且主控裂隙带宽度急剧增大,由裂纹数量及水平向高应变率区域变化规律可明显看出,试样破坏程度随着加载速率增加而逐渐加剧;巴西劈裂作用下试样从一条主控裂隙向多条主控裂隙转变,且裂纹向圆盘试样两侧边缘部分延伸,破坏程度加剧;单轴压缩和巴西劈裂作用下,声发射事件及应变能率均随加载速率增加而呈现出非线性增长趋势。     

不同采样间隔下结构面形貌特征和各向异性特征的统计参数稳定性研究

岩石结构面形貌特征直接影响其宏细观剪切破坏特征和剪切强度,因此,清楚地认识在不同点云数据采样间隔下结构面形貌特征和各向异性特征的统计参数稳定性,对于定量认识结构面剪切破坏机制并建立合理的抗剪强度准则十分重要。为此,借助三维白光面扫描系统对3组不同粗糙度的岩石结构面进行测量,并根据稀疏点云数据密度的原理得到其15种采样间隔的点云数据;在此基础之上,研究了2D统计参数坡度均方根Z_2、粗糙度指数R_p和θ_(max)~*/(C+1)_(2D)以及其所对应的3D坡度均方根Z_(2s)、3D粗糙度指数R_s和3D统计参数θ_(max)~*/(C+1)_(3D)随采样间隔的变化规律。研究发现,上述统计参数随着采样间隔的增大而减小,且衰减幅度逐渐增大,并与采样间隔存在二次多项式的拟合关系;同时,研究还发现,不同采样间隔下结构面的各向异性特征也具有间隔效应。为定量描述这种结构面各向异性特征的采样间隔效应,利用所构造的无量纲参数结构面各向异性系数DAC和各向异性特征参数K_α对其度量,结果表明,结构面的各向异性与间隔效应呈现正相关的关系。最后,综合岩石自然结构面分析形貌特征参数和各向异性特征参数的稳定性,在采样间隔取为0.1~0.5 mm之间表现较好的稳定性,其参数值偏差不大于3%,因此,建议一般情况下岩石自然结构面三维扫描的采样间隔可取为0.5 mm。     

巴西劈裂法在层状岩体抗拉强度测试中的分析与讨论

为分析巴西圆盘劈裂法在层状岩体抗拉强度试验中的适用性,在以往层状岩体巴西圆盘劈裂试验成果分析基础上,选取层理砂岩为试验对象,设计并进行了考虑不同层理角度的砂岩巴西圆盘劈裂试验。分析结果表明,（1）层状岩体抗拉强度的各向异性特点非常明显,层理角度对各种层状岩体的劈裂抗拉强度的影响规律是基本类似的,只是影响程度不一样;（2）不同层理角度圆盘试样的破裂面形状差别较大,其破坏模式可以归纳为直线型、折线型和弧形型;（3）当层理角度0°＜β＜90°时,破裂面的发展规律不能严格满足巴西圆盘劈裂试验力学理论模型的假定,采用式（1）计算得到的劈裂抗拉强度只能是一个近似的值;（4）当圆盘试样加载线两侧的岩石材料、层理结构对称分布时,加载时圆盘内的应力分布可以较好地满足其理论计算模型,其试验结果比较准确。研究成果可为层状岩体抗拉强度的准确测定提供较好的参考。     

基于Barton-Bandis准则的锚固边坡稳定性分析

结合岩石节理面非线性Barton-Bandis破坏准则,探讨了将Barton-Bandis破坏准则参数转化为线性Mohr-Coulomb破坏准则抗剪强度参数的两种常用方法,通过实例分析了各方法的优劣。推导了加锚单岩石节理面控制的平面滑动岩体边坡抗滑稳定性安全系数计算式,开展了锚固参数分析。研究表明：相对于采用等效线性拟合法或切线等效法获取Mohr-Coulomb抗剪强度参数而言,直接应用Barton-Bandis破坏准则计算节理面控制的岩石边坡稳定性更为直观和简便;随着结构面基本摩擦角、结构面粗糙度系数和结构面壁面有效抗压强度的增大,边坡安全系数逐步提高,且结构面基本摩擦角和粗糙度系数对边坡安全系数的影响程度更为显著;锚索锚固力越大,边坡抗滑稳定性越好,而锚索设置角度越大,边坡抗滑稳定性越低,锚索角度设置不当将明显减小锚固效应的有效性。     

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。     

考虑层理影响页岩巴西劈裂及声发射试验研究

基于不同层理角度的页岩巴西劈裂试验,利用高速摄像系统和声发射系统,对页岩力学特性、裂纹扩展及声发射特征的层理效应进行了深入研究。结果表明：（1）页岩巴西劈裂破坏过程可以分为压密、弹性和破坏3个阶段;（2）页岩抗拉强度、劈裂模量和应力峰值时变形的各向异性特征明显,层理角度 30°时,层理效应最为明显, 90°时影响最小;（3） 0°和 15°时试样的裂纹破坏面基本是沿着层理面, 30°时裂纹面交切层理面,与加载基线面重合, 45°～90°的各试样的断裂面呈不同程度的偏离加载基线面,为弧面或曲面;（4） 30°和 45°为破坏机制转化角,其中 30°为沿着层理面压致性张拉开裂转化为交切层理面开裂的转化角, 45°为交切层理面开裂转化为交切层理面且沿着层理面不同程度的剪切滑移开裂的转化角;（5）声发射活动性和能量释放随层理角度的增加而加强,主要因为受层理角度的影响,其破坏机制不同,这也进一步验证了页岩随层理角度的变化,其破坏机制的各向异性。能率峰值与抗拉强度具有很好的线性关系,表明声发射能率峰值能很好地反映岩石抗拉伸破坏的程度。     

基于有效受剪面积的节理面吻合度量化方法研究

节理粗糙度系数-节理抗压强度（JRC-JCS）模型为岩体节理面抗剪强度估算提供了很好的思路,但对于吻合度较差的节理岩体,该模型往往过高地估算其抗剪强度。节理粗糙度系数-节理吻合系数（JRC-JMC）模型进一步考虑节理吻合度对抗剪强度的影响,为吻合程度较差的节理面的抗剪强度估算提供了很好的思路,但目前节理吻合度的量化分析还存在困难。在以往研究基础上,采用重复剪切试验的方法制备了不同吻合度的节理岩体试样,综合节理面形貌特征和节理面抗剪性能变化规律分析,提出了节理吻合度的量化计算方法。研究结果表明：（1）在重复剪切作用下,岩体节理面的抗剪强度和节理面形貌参数呈现先陡后缓的降低趋势,节理面上下盘的吻合程度逐渐降低;（2）根据剪切前后节理面形貌特征的对比分析,确定了剪切过程节理面的有效接触区域,提出了节理吻合系数JMC的量化计算方法;（3）对比分析表明,与单独考虑JRC相比,将JRC和JMC综合在一起可以更好地反映节理形貌特征对其剪切性能的影响。相关研究方法和分析结果可为岩体节理面抗剪性能分析提供较好的参考。     

基于修正Drucker-Prager准则的岩石次加载面模型

为模拟岩石在循环加、卸载作用下的变形特性,结合Drucker-Prager(简称D-P)屈服准则与次加载面理论,建立了能考虑岩石材料实际抗拉强度和应力角效应的循环加、卸载模型。首先考虑岩石在三轴压缩和在三轴拉伸状态下不同的强度特性,在传统的D-P屈服准则中引入角隅模型,并借鉴殷有泉提出的D-P-Y准则,形成了修正的D-P屈服准则;进一步结合修正屈服准则和次加载面理论,提出了适用于岩石循环加、卸载的次加载面模型,并通过自编程序,实现了循环加、卸载模型的数值表达与岩石循环加、卸载试验数值仿真。计算结果表明,基于修正D-P屈服准则的次加载面模型能较好地描述岩石的曼辛效应和棘轮效应;通过改变抗拉强度的大小,可以发现随着抗拉强度的减小,岩石的变形量相应增加,且增加的幅度逐渐提高,说明修正模型可准确反映抗拉强度对岩石的循环加、卸载变形的影响。