岩石动态扰动伺服三轴试验系统的研制与应用

详细地介绍了自行研制的岩石动态扰动伺服三轴试验系统,该试验系统具有在常规三轴试验的同时进行动态扰动的功能。试验系统主要由轴向加载系统、围压加载系统、动态扰动加载系统和数据采集系统构成,试验系统能达到的最大轴向荷载为2000kN,最大围压为70MPa,所能施加的最大扰动荷载为300kN,扰动荷载的最高频率可达到70Hz。运用所研制的试验系统,对大理岩进行了一组单轴压缩过程中的动态扰动试验。试验结果表明:当扰动荷载频率相同时,振幅越大,扰动至岩样破坏时经历的时间越短;反之,振幅越小,扰动至破坏时经历的时间越长。从破坏模式来看,扰动力作用下大理岩破坏较为散碎,扰动荷载振幅越小,散碎程度越高。试验机系统稳定、可靠性较高,该试验系统值得在进行深部岩石力学性质研究中推广应用。     

单轴压缩岩石损伤扩展细观机理CT实时试验

利用最新研制的CT机专用加载设备，完成了单轴压缩荷载作用下岩石细观损伤扩展特性CT实时试验，得到了清晰的石破坏全过程中微孔洞被压密，微裂纹萌生、发展、贯通破坏和卸荷等不同发展阶段的CT图像，基于岩石损伤扩展的细观机理岩石应力-应变全过程曲线分为5段，为岩石损伤本构模型的建立提供了重要基础，结果表明，利用这套设备进行岩石细观损伤学特性的研究是可行的。     

地震荷载作用下南海非饱和钙质砂动力特性研究

以往对钙质砂动力特性的研究多关注饱和状态的钙质砂,且试验过程中多施加正弦波以代替地震荷载。为克服这一缺陷,提出一种地震荷载加速度时程转化为应力时程的动三轴地震荷载输入方法,选取南海地区钙质砂进行动三轴试验,研究非饱和状态下钙质砂在单个地震荷载持续时间内和多个地震荷载持续时间内的动力特性。试验表明：在地震荷载作用下,钙质砂应变和孔压发展呈现阶梯状,破坏应变既有正值也有负值,即破坏类型既有拉伸破坏也有压缩破坏,这有别于正弦荷载下的动孔压和动应变发展规律;随着基质吸力增大,试样破坏时最大动孔压呈现递减趋势,钙质砂试样破坏时的最大孔压均未达到有效围压。     

冻土-混凝土接触面动剪强度研究

为了研究冻土-混凝土接触面的力学特性,开发了一种低温动荷载直剪仪,它是在普通直剪仪框架的基础上,安装了动力加载系统和温度控制系统。该装置能够保证在负温条件下对冻土进行动荷载直剪试验,从而测定冻土的动力学参数。为了研究寒区冻土与混凝土构筑物的相互作用,使用该仪器进行了一系列的多因素接触面动直剪试验,试验结果表明了冻土-混凝土接触面在动荷载作用下的行为特征,多因素对比试验则揭示了接触面动剪强度的影响因素和变化规律。     

全风化花岗岩的路用动态特性研究

利用动三轴试验,研究了全风化花岗岩在重复荷载作用下的动态特性,根据累积应变随加载次数的变化规律,建立了动强度曲线,分析了动强度与围压、压实度以及动模量与动应力的相关关系,讨论了含水量对动态特性的影响,提出了运用动态特性评价公路路基填料的方法,并在实际工程中予以应用。     

RDT-10000型岩石高压动力三轴仪的研制

根据对防护工程、爆破工程、地震工程和其它高压、高速工作的研究需要,研制了一台岩石高压动力三轴仪。它可研究岩石或其它材料在三轴动、静力条件下的应力-应变关系。该三轴试验仪的特点是高压、高速,能使岩石试件在围压为0-1000MPa,轴压达0-4000MPa的条件下进行试验,快速加载只需4-9ms就可使荷载由零上升至峰值,应变速率达100s-1。本文介绍了三轴仪的主要结构,动加载原理,密封,高油压下的测量手段等,还介绍了用这台设备对各种岩石在各种应力条件下所进行的应力-应变关系、强度、变形、破坏、应变速率效应等试验的情况和所获得的试验数据。     

RDT—10000型岩石高压动力三轴仪的研制

根据对防护工程、爆破工程、地震工程和其它高压、高速工作的研究需要,研制了一台岩石高压动力三轴仪。它可研究岩石或其它材料在三轴动、静力条件下的应力-应变关系。该三轴试验仪的特点是高压、高速,能使岩石试件在围压为0—1000MPa,轴压达0—4000MPa的条件下进行试验,快速加载只需4—9ms就可使荷载由零上升至峰值,应变速率达10~0s~(-1)。本文介绍了三轴仪的主要结构,动加载原理,密封,高油压下的测量手段等,还介绍了用这台设备对各种岩石在各种应力条件下所进行的应力-应变关系、强度、变形、破坏、应变速率效应等试验的情况和所获得的试验数据。这台设备填补了我国空白。     

分级循环荷载作用下冻土动应变幅值的试验研究

通过低温动三轴试验,采用分级加载方式逐级施加动荷载,对不同加载频率、围压和负温条件下青藏冻结黏土和兰州黄土的动应变幅值变化特征进行了试验研究。结果表明,同一级荷载作用下,动应变幅值随振次的增加基本不变,可以采用平均值来反映各级加载下的动应变幅值;不同加载频率、围压和温度条件下,动应变幅值随动应力幅值的变化规律相同,即随着动应力幅值的增加,动应变幅值逐渐增大;动应变幅值随加载频率的增加而减小,但减小的速率逐渐降低,动应变幅值最终趋于一稳定值,对于青藏黏土和兰州黄土,该稳定值均随加载级数的增加而增加;随着围压的增加,青藏黏土的动应变幅值变化不大,而兰州黄土的动应变幅值呈逐渐减小的趋势;动应变幅值随温度的降低而减小。动应力幅值对动应变幅值的影响最大,动荷载振动频率的影响次之,温度的影响第三,围压的影响最小。     

基于两种波形作用结构性软黏土动力特性试验研究

利用GCTS动态空心圆柱扭剪仪,基于正弦波和方波两种波形循环荷载作用,考虑围压、振幅、频率及振次等因素的影响,研究结构性软黏土动力特性。试验结果表明:动应力低于土体结构屈服应力时,波形对动应力-应变关系曲线整体形状影响很小;动应力超过结构屈服应力时,应力-应变关系都呈软化型,方波软化程度高。同条件下,方波累积变形量总是大于正弦波。波形对孔压变化有影响,正弦波作用下孔压值总是大于方波。振幅对于孔压变化的影响表现为:稳定型幅值时上升速度快,数值也大于临界型幅值作用下的孔压值,即临界型幅值作用下的孔压滞后现象严重。屈服应变与动强度都随振次的增加呈减小趋势,最终都分别趋于一定值,最终数值大小都与波形有关,前者正弦波小于方波,后者正弦波大于方波。     

CT检测技术在岩石加卸载破坏机理研究中的应用

利用专用的与CT机配套的三轴加载实验设备,采用CT实时试验的手段, 对连续加载试验条件下和卸围压应力作用下砂岩破坏细观机理进行了对比研究. 结果表明, 岩石的卸荷损伤演化破坏具有突发性.     

交通荷载引起的主应力轴旋转室内试验模拟探讨

为了通过室内试验研究交通荷载引起的主应力轴旋转对土体循环特性的影响,以单个移动荷载和列车荷载为例,分析了主应力轴旋转特点。以此为基础,结合空心圆柱仪的加载特点,给出了室内模拟主应力轴旋转的加载方法。竖向动应力可以用具有静偏应力的正弦荷载模拟,动剪应力可以用正弦荷载模拟,两者的相位差为 。为了模拟交通荷载引起的主应力差变化的特点,两种动应力的幅值应该是不同的。当试验中施加无应力反向的竖向动应力时,大主应力夹角在 ～ 和 ～ 之间变化。     

不同振动波形对单桩桩-筏复合地基动力响应特性研究

桩-筏复合地基是控制高速铁路等路基工后沉降的一种常用地基处理技术,然而针对其在不同振动波形荷载下的动力响应特性对比研究相对较少。基于大型模型系统,开展砂土地基中单桩桩-筏复合地基大比例模型试验研究,着重分析不同振动波形加载下单桩桩-筏复合地基的累积沉降、桩底-桩侧土动土应力比、加速度及速度传递等变化规律,初步探讨振动波形对单桩桩-筏复合地基承载特性的影响机制。试验结果表明,M波振动波形对地基累积沉降的影响较正弦波振动波形对地基累积沉降的影响略大一些,对桩底-桩侧土动应力比的影响则反之;振动响应加速度和速度随着加载频率及振幅幅值的增大而增大。相关研究成果可为单桩桩-筏复合地基的理论分析与计算提供参考依据。     

低渗透压力条件下砂岩渗透性质的CT试验

运用岩石高压三轴加载装置和渗透压加载装置,对砂岩进行固定应力变渗透水压力试验,同时借助SOMATOMPLUS螺旋CT扫描机进行实时观测。通过试验结果分析,推出了基于CT数的岩石空隙率公式,从CT尺度上分析了岩石空隙率、渗透速度、渗流速度、微孔隙直径、渗透率等随渗透水压力的变化规律。结果表明:岩石的渗透参数随渗透压力的增加而增大,渗透参数随渗透压力的变化呈对数关系,这是由于渗透水压力使岩石内部空隙发生变形,这一变形为弹性变形;而渗流速度与渗透水压力呈线性关系,符合宏观尺度渗流的达西定律。      

GDS空心圆柱仪动力试验能力探讨

为更好地模拟多向应力和主应力轴旋转等复杂应力路径,与英国GDS公司合作研发了能施加轴向和扭矩动载的空心圆柱仪。文中介绍了该仪器的工作原理和性能,分析对比了其与传统单向动三轴仪试验结果,并探讨该空心圆柱仪所完成的5组典型动力荷载及一组不规则随机波动力试验能力。动力加荷时,通过调整设定刚度参数,实测波形与设定波形误差较小。该仪器能很好地模拟地震、波浪和交通荷载引起的应力,为研究复杂应力状态下土体动力本构关系提供了很好的工具。     

基于图像检索技术的岩石单轴压缩破坏过程CT描述

基于X射线的CT扫描技术,因其具有多层位、对同一岩石试件可连续、无损扫描等优点,在岩石力学与工程研究中得到了广泛应用。对岩石单轴压缩破坏过程进行实时CT扫描,也是岩石力学研究的重要内容之一。针对三维显微CT试验系统实时监测煤岩单轴压缩破坏过程中,因位移误差会引起扫描层定位不准确,进而影响试验结果这一基本问题,提出了基于图像检索技术的CT扫描图像处理方法。通过对煤岩试样在单轴载荷作用下破坏过程的CT实时监测,并引入基于Manhattan距离的相似性计算方法,检索出岩石试件同一层位在不同应力状态下的相似扫描层。结果表明,采用图像检索的方法,可以有效地减小煤岩在加载破坏过程中位移误差的影响,更好地通过CT图像来描述煤岩在不同应力状态下的微裂纹分布状况和演化规律,从而在细观层次上揭示岩石在单轴压缩条件下破坏的基本规律。     

动荷载作用下水泥土的疲劳寿命分析

采用荷载控制、非对称正弦波动荷载对水泥土进行疲劳载荷试验。在动荷载的作用下,水泥土表现为低应力性破裂特征。通过试验结果分析,提出水泥土应力空间的疲劳破坏准则,建立了水泥土3参数幂函数疲劳寿命模型。分析了影响水泥土疲劳寿命的主要因素,结果表明：动荷载应力水平越高,水泥土的疲劳寿命越短,反之越长;水泥土的龄期越长、水泥掺合比越大,水泥土的疲劳寿命越长。     

不同温度条件下冻结兰州黄土单轴试验的CT实时动态监测

改进了与CT扫描系统配套使用的三轴仪。改进后三轴仪由控温精度达到±0.1℃的压力罐和加载装置组成,能够实现对冻土力学试验过程真正的CT实时动态监测。对不同温度条件下的冻结兰州黄土单轴压缩过程进行了CT动态扫描, 得到如下结论,应变0～0.7%的阶段,试样发生弹性变形,CT数轻微增大;应变0.7%～6.5%的阶段,开始发生塑性变形,但还没有发生损伤,CT数变化不大;当应变大于6.5%时,试样的CT数明显变小,损伤开始发生,直至应变达到10%时,试样发生破坏,随后CT数也急剧减小。因此,冻结兰州黄土的屈服应变为0.7%,损伤应变临界值为6.5%,破坏应变临界值为10%。另外,温度对试样的CT数也有影响,在-0.6～-1.7 ℃的温度范围内,试样CT数变化具有很明显的规律,即温度越低,CT数越小,在-1.7 ℃和-5 ℃试验条件下CT数变化不大。     

裂隙岩石单轴压缩损伤扩展细观机理CT分析初探

完成了单一裂纹的裂隙砂岩单轴压缩条件下细观损伤破坏机理CT实时试验,得到了裂纹萌生、发展、宏观裂纹形成、破坏等各阶段的CT图像、CT数和CT数方差。结果表明,与无预制裂隙的岩石试样相比,已有预制裂纹对新的裂纹的起裂位置及贯通性宏观破坏裂纹的形成具有重要影响,预制裂纹的存在导致裂隙砂岩试样的扩容量大于完整试样破坏时的扩容量。     

含裂隙水脆性材料单轴压缩CT分析

采用CT机配套的自制专用注水加载装置,对含裂隙水压的单裂纹试件进行了单轴压缩破坏的CT（Computerized Tomography）实时试验,对试件被压密→新损伤区产生→裂纹扩展的全过程进行了模拟,得到了各阶段清晰的CT图象及CT数。通过分析,提出了类节理岩体脆性材料的损伤演化率和损伤门槛值概念,并对水压的影响进行了探讨,从细观和三维上初步掌握了类节理岩体脆性材料的损伤演化特性。