反复冻融条件下粉砂土动力学参数试验研究

在大量冻融试验和动三轴试验的基础上,深入研究和分析了经历多次冻融循环后粉砂土动模量和阻尼比的变化规律。研究结果表明：同一动应变水平下,动应力大小与冻融次数、含水率呈负相关性,而与围压、加载频率、压实度呈正相关性;粉砂土的动应力-动应变关系存在明显的非线性,且随动应变水平的提高,动模量成倍减小,而阻尼比则成倍增大;随冻融次数的增加,动模量降低而阻尼比则增大,且经历6次冻融后均趋于稳定,建议将6次冻融后的力学特性作为设计与计算指标;围压和压实度的提高有效增强了土颗粒之间的骨架作用,动模量随围压和压实度的增减而增减,阻尼比则随围压和压实度的增加而降低;含水率的变化对阻尼比的影响不大,而当土样达到饱和状态时,动模量成倍降低;加载频率对阻尼比的影响较大,并随频率的提高而迅速降低。     

加锚岩石抗弯特性试验研究

采用煤层顶板岩石作为加锚基体,用钢丝模拟锚杆,薄钢片模拟钢带,对加锚体进行了三点弯试验,并与常规试件进行对比分析。结果表明,因岩石抗压与抗拉性能的差异,试件在弯曲过程中,下表面拉应变的增长速度大于上表面压应变的增长速度,裂纹最先在下表面产生并逐渐向上发展。加锚试件,因锚杆改善了锚固区域岩石的力学性能,且钢带与锚杆共同承担了一定的拉应力,锚固试件抗弯能力有所增强。试件截面应力状态可以结合破坏过程分为3个阶段,第1阶段为弹性阶段;第2阶段为裂纹产生与扩展阶段,岩石承载能力逐渐劣化,拉应力逐渐向钢带转移,岩石裂纹发展受限,试件抗弯能力有较大提升;第3阶段为破坏阶段,锚杆失黏,挠度持续增加而试件承载能力趋于稳定。     

不同卸荷速度条件下灰岩力学特性的试验研究

对灰岩试样进行加轴压、卸围压破坏试验,研究了不同卸围压速度下灰岩的变形特征和力学参数变化,取得了一些新的结论：卸荷岩样的破坏是沿卸荷方向的强烈扩容所致;随着卸荷速度的增加,岩样的破坏特征从主剪切破坏、共轭剪切破坏逐渐变为劈裂加剪切破坏;在相同的卸荷初始围压下,卸围压速度越快,岩样破坏的应力差越小;在相同的卸荷速度下,随着卸荷初始围压的增加,岩样破坏的应力差逐渐增加;在相同的卸荷速度下,卸荷初始围压越大,轴向应变的回弹值愈大,环向应变突跳值愈小;随着卸荷速度的增加,岩样黏聚力c逐渐增加,内摩擦角? 逐渐减小。     

层状复合岩石变形破坏全过程接触面力学特征研究

通过三点弯曲试验,利用CCD相机作为观测手段,采用数字散斑相关方法,对一种细砂岩组成的层状复合岩石试件进行试验研究,分析层状复合岩石变形破坏全过程接触面力学特征。结果表明：(1)随着荷载的施加,上下层试件表面的水平应变场呈现竖向分布的拉压应变区交替出现的现象,这种现象在层间接触面附近尤为明显;(2)层间滑动位移整体呈波动状态分布,随着荷载的增加,层间滑动位移值逐步增大,最大滑移值为0.174mm;(3)接触面水平应力值受层间接触条件影响呈波动变化状态,层间竖向应力曲线呈V形分布;(4)加载过程中层间摩擦系数不断变化,在滑动初期阶段,摩擦系数从3.5降低至0.2,在稳定滑动阶段,摩擦系数则保持为0.15;(5)上下层面变形能密度曲线变化趋势基本相同,在荷载峰值时刻,接触面变形能密度达到最大值4.2 J/m³。上述研究成果可为远程岩层界面DIC监测和岩层滑动研究取值提供有益的参考。     

三点弯曲条件下薄层状岩体单层厚度对裂纹扩展路径的影响

为了揭示薄层状岩体单层厚度对裂纹扩展路径的影响,利用ABAQUS软件进行数值模拟,对含预制裂纹的不同单层厚度的层状岩体进行三点弯曲数值试验,岩体试样长度和宽度一定（512 mm×128 mm）,分5种不同的单层厚度建模,单层厚度分别为:64 mm、32 mm、16 mm、8 mm、4 mm。提取破裂过程中的声发射信息及主裂纹路径参数,对比分析不同层理厚度时,岩体的峰值载荷、声发射事件数、累计声发射事件数、主裂纹长度等对单层厚度的变化规律。研究结果表明:（1）薄层状岩体的强度与单层厚度有一定关系,单层厚度越大,岩体的抗弯强度越小,并且这种变化是非线性的。（2）在不同层厚条件下,层理面均表现出了阻止裂纹向上扩展的效果。同时,裂纹在层状岩体中的扩展是不连续的,裂尖沿层理面发生了水平迁移,整体呈现阶梯状。（3）在三点弯曲条件下,随着单层厚度的减小,岩体破裂时的裂纹总长度先增大后减小。（4）裂纹在岩体层面扩展时破裂类型多为滑移与拉张破裂的组合,而在非层理面的岩体内部扩展时,以拉张破裂为主。（5）薄层状岩体在三点弯曲条件下,声发射事件在岩体的压密阶段几乎没有出现,直至接近峰值载荷时才大量涌现。到了载荷快速下降时,单位时间的声发射事件数也达到最大。研究结果将对预测层状岩石的裂缝演化提供依据。     

低温条件下塑料土工格栅拉伸特性的试验研究

通过对塑料土工格栅在低温条件下的拉伸试验,得到拉伸屈服力、屈服伸长率、不同伸长率对应的拉伸力等数据,试验数据分析表明：（1）塑料土工格栅在低温状态下抗拉伸能力明显提高;（2）低温条件下,塑料土工格栅肋条截面积越大,拉伸力随温度降低而提高的幅度越大,屈服伸长率随温度的降低而下降的趋势越明显;反之,拉伸力受温度降低的影响逐渐减弱,屈服伸长率受温度降低的影响越小;（3）塑料土工格栅冻融循环后,与未冻融试样对照,拉伸特性没有降低。     

粗粒土卸载－再加载力学特性试验研究

进行了3种不同粗粒土的常规三轴加载－卸载－再加载的剪切试验,对粗粒土的卸载－再加载的力学特性进行了分析。结果表明：粗粒土存在卸载体缩现象,且随着应力水平的增加,卸载体缩量增加;随着围压的增加,卸载体缩量减小。根据试验数据总结了卸载体缩量与应力水平、围压之间关系式。回弹模量随应力水平的增加呈驼峰型曲线,即应力水平在0.7左右时最大,小于或大于0.7时的弹性模量均较小。平均回弹模量与单调加载时的初始弹性模量的比值随围压呈幂函数降低,母岩硬度大的土料,该比值较大,相反,母岩较软的土料,该比值较小。由单调加载得出的邓肯模型参数k、n和卸载回弹确定的kur、nur的大致关系为kur=(2.64～4.60) 、nur =(0.540～0.885) n。     

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。     

水化学溶液下灰岩力学特性及神经网络模拟研究

基于水化学溶液浸泡的饱和灰岩三轴压缩试验结果,分析了影响灰岩变形及强度等力学特性的主要因素,认为随溶液酸碱度增加,弹性模量及峰值强度均有降低的趋势;相同pH值,Na2SO4溶液、蒸馏水和CaCl2溶液对灰岩强度的弱化程度依次降低;随着围压的增加,岩石强度逐渐增大,岩石到达峰值强度时的轴向变形也越来越大,塑性变形明显增加。考虑应力路径和化学溶液的影响,利用遗传算法优化神经网络结构,建立了进化神经网络本构模型。通过样本学习模型能较好地描述化学环境下灰岩的力学性能,5种不同化学环境下的力学试验验证了进化神经网络模型模拟结果的可靠性,该方法可以推广到化学环境下其他岩石的力学试验模拟。     

单一预制节理试件各向异性力学特性试验研究

节理岩体具有特殊的不连续结构,从而展现出复杂的各向异性力学特性。为了掌握这一复杂力学特性,从理论上分析了单一节理面的力学效应,并通过常规三轴压缩试验研究了单一预制贯通节理试件的各向异性力学特性。结果表明,节理试件的力学特性分为受节理面控制和岩块控制;与完整试件相比,节理试件的力学参数均有不同程度降低,其中弹性模量、抗压强度、黏聚力随节理倾角呈U型分布,最小值均出现在60°倾角节理试件,而内摩擦角与节理倾角呈线性增大关系;随着围压等级升高,不同倾角节理试件弹性模量和抗压强度的最大值与最小值的比值降低,力学性能差异减小。     

含横向节理的柱状节理岩体力学特性试验研究

针对柱状节理岩体的构造特性,采用水泥砂浆等材料制作出具有不同柱体倾角且含有横向节理分布的柱状节理岩体模型,并通过单轴压缩试验,研究柱体倾角和横向节理对岩体各向异性力学特性及破坏机制的影响。结果表明：试样峰值强度和变形模量随柱体倾角变化曲线均近似为U形,并体现出典型的各向异性特征;随着柱体倾角的变化,试样单轴压缩破坏模式可分为垂直于柱体轴向的劈裂破坏、沿纵向节理面的剪切滑移破坏、滑移破坏与劈裂破坏同时发生的复合破坏和平行于柱体轴向的劈裂破坏4类;横向节理的存在降低了柱状节理岩体沿柱轴方向的完整性,并影响了劈裂破坏裂纹的分布与扩展,因此,横向节理切割柱体是影响柱状节理岩体承载能力的重要因素。     

石灰岩声发射特性及其演化规律试验研究

为定量描述不同应力条件下岩石材料声发射特性及其特性演变规律,分析不同应力条件下岩石声发射参数与应力、变形的量化关系,对广西高峰矿石灰岩进行了单轴压缩、拉伸和劈裂条件下的声发射特性试验,在此基础上将模糊自相似分维概念引入岩石的声发射试验分析中,就不同应力条件下岩石声发射所表现出的自相似规律进行了研究。研究表明：在压应力作用下石灰岩声发射出现短暂的\     

砂岩断裂及其亚临界断裂的力学行为和细观机制

通过三点弯曲的SEM试验,详细研究了砂岩断裂的力学特征和细观机制。结果表明：砂岩断裂是一个复杂的过程,它不但与砂岩的物理成分、微缺陷等有关,还与砂岩中碎屑颗粒的分布密切相关,存在明显的亚临界断裂。亚临界断裂裂纹和断裂主裂纹形态相似。亚临界断裂裂纹较多的样品呈现延性断裂破坏的特征,而亚临界断裂裂纹较少的样品则呈现脆性断裂破坏的现象。     

塑料土工格栅拉伸特性试验研究

进行土工格栅加筋土结构现场试验时,如何将实测应变有效地转换成拉应力对正确分析结构的作用机制具有重要影响。通过室内试验,研究了不同拉伸速率对3种强度的HDPE土工格栅拉伸性能的影响。试验结果表明：土工格栅的拉伸强度和拉伸模量随拉伸速率的降低而降低,峰值应变随拉伸速率的降低而增加。土工格栅强度越高,受拉伸速率的影响越小。在特定的拉伸速率条件下,同一种土工格栅对应2％,5％,10％应变和峰值应变的拉伸强度依次增大,而拉伸模量却依次减小。试验结果具有较强的实用价值。     

Modelling mechanical behaviour of limestone under reservoir conditions

High porosity and low permeability limestone has presented pore collapse. As fluid is withdrawn from these reservoirs, the effective stresses acting on the rock increase. If the strength of the rock is overcome, pore collapse may occur, leading to irreversible compaction of porous media with permeability and porosity reduction. It impacts on fluid withdrawal. Most of reservoirs have been discovered in weak formations, which are susceptible to this phenomenon. This work presents a study on the mechanical behaviour of a porous limestone from a reservoir located in Campos Basin, offshore Brazil. An experimental program was undergone in order to define its elastic plastic behaviour. The tests reproduced the loading path conditions expected in a reservoir under production. Parameters of the cap model were fitted to these tests and numerical simulations were run. The numerical simulations presented a good agreement with the experimental tests. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

块系岩体非协调动力响应特征试验研究

岩体在块系构造状态下的动力传播存在块体和块体间软弱介质的非协调变形现象,对岩体结构的动力稳定产生重要影响。目前块系岩体的非协调动力传播响应研究尚不充分,导致不能进行有效的动力响应特征识别。通过试验对块系岩体非协调动力传播过程岩块动力响应特征进行研究,分别从动力传播速度、岩块加速度振幅衰减、岩块振动位移响应、岩块振动持续时间、块体动能显现、块体振动频域响应特性等方面对比纵波传播,给出块系岩体非协调动力传播的特征分析。通过分析可知,块系介质非协调变形运动产生的动力传播现象相比于纵波传播是一种低频低速波,并伴随着岩块的大位移运动,同时岩块振动持续时间较长,蕴含着动能与势能的相互转换过程,这些现象构成了块系岩体非协调动力传播的重要特征。该研究将为识别岩体非协调动力传播特征及块系岩体的冲击预警波动特征识别提供参考。     

加卸荷条件下灰岩能耗变化规律试验研究

对灰岩开展单轴、常规三轴与峰前卸荷试验,对比分析不同应力路径下灰岩变形过程的能量变化特征。试验分析表明,灰岩加荷破坏和卸荷破坏的能量变化规律存在明显差异。由于围压抑制了裂纹的扩展,与单轴压缩破坏相比,常规三轴压缩试验灰岩吸收的总能量 和积蓄的弹性能 更多。常规三轴试验灰岩积蓄的弹性能 在峰值强度前一直增加,而卸荷破坏的弹性能 在卸荷开始后基本不变,说明卸荷破坏释放的弹性能 主要是在加荷阶段累积完成的,岩体所处的初始地应力状态决定了其破坏的能量释放量。加荷和卸荷应力路径下,灰岩临近破坏点耗散能 都快速增加,但是卸荷破坏耗散能 增速远大于加荷破坏耗散能增速,耗散能的迅速增加表明岩石破坏的发生。随着围压升高,灰岩吸收的总能量 和储存的弹性能 逐渐升高。随着卸荷速度增加,灰岩吸收的总能量 、储存的弹性能 和耗散的应变能 逐渐减小。