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。     

Experimental investigation on tensile strength and its loading rate effect of sandstone after high temperature treatment

High temperature damage of rock is a critical problem that must be well known for underground coal gasification, underground storage of nuclear waste, repairment of underground buildings after fire disaster. In order to study the influences of loading rate and high temperature on the tensile strength of sandstone, Brazilian splitting tests were conducted on sandstone disk samples treated with five different temperature levels between 25 and 800 °C at six different loading rates between 0.01 and 10 mm/min. Test results showed that tensile strength of disk samples increases gradually and reaches to the maximum at the temperature level of 400 °C, then drop sharply. The tensile strength of sandstone samples is characterized by obvious rate effect and it increases continuously with the increase of loading rate, meeting a Logarithmic Function. The lower limit tensile strength of sandstone ignoring the influence of rate effect was calculated, and it is helpful for providing some basis for the design of rock engineering.     

开挖卸荷对砂岩力学特性影响试验研究

卸荷作用广泛存在于人类的工程活动和地质作用过程中,岩体在卸荷条件下的力学特性研究一直是工程界探讨的热点问题之一。根据实际边坡工程开挖后应力变化状态确定试验方案,进行了砂岩三轴卸荷破坏试验,研究了卸荷状态下岩体的应力应变特征、破坏特征及力学参数变化规律,并与加载破坏试验数据进行了对比分析。试验结果表明,卸荷破坏时岩样变形模量随着卸荷量的增加可降低5%～42%左右,二者之间的关系可用指数函数拟合;卸荷破坏时岩体的峰值应变随围压线性增长,残余应变与围压无明显关系;相比于加载破坏,卸荷破坏时岩体凝聚力c值降低了4%左右,内摩擦角? 增加了12%左右;卸荷速率对岩样强度和变形参数有较大影响;卸荷条件下岩体破坏具有沿卸荷方向强烈扩容特征,主要表现为张剪破坏,并伴随有环向裂纹,初始围压越高,卸荷程度越强烈,岩体的破碎程度越高。     

高温对细砂岩力学性质影响机制的试验研究

为了研究高温对细砂岩力学性质的影响,对经历400℃~1000℃高温后细砂岩试样进行X衍射、电镜扫描及单轴压缩试验,分析了高温后试样矿物成分、结构特征及力学参数与温度的相关性。结果表明:高温后细砂岩试样内矿物发生了多晶转变,经历600℃以内高温试样内石英含量随温度升高增加,晶体衍射强度增强,600℃高温试样可观察到明显熔融和重结晶现象,超过600℃高温后试样内石英含量随温度升高降低,晶体衍射强度减弱,裂隙数量增多,裂隙宽度和长度有所增加,裂隙可分沿颗粒边界裂隙和穿过颗粒裂隙,600℃约为主要矿物石英变晶的临界温度;经历400℃~800℃高温后试样的纵波波速与温度呈线性降低;经历600℃以内高温对试样的强度具有强化作用,超过600℃高温后试样强度开始弱化,600℃可作为试样强弱转化的阈值温度;经历400℃高温后试样弹性模量、变形模量随温度升高稍有增加,初始模量和峰值应变基本保持不变。超过600℃高温后试样的变形参数随温度升高有所降低,超过400℃高温后峰值应变随温度升高单调增加,高温对细砂岩试样变形参数的影响较为敏感。     

Experimental evaluation of sandstone under cyclic coupled compression-shear loading: fatigue mechanical response and failure behavior

In this study, the inclined sandstone specimen is introduced into cyclic loading tests to fulfill the coupled compression-shear loading state. 21 cyclic coupled compression-shear loading tests are conducted on inclined specimens under different loading conditions, including maximum stress levels ranging in 0.80, 0.85, 0.90 and 0.95, and amplitude levels varying in 0.40, 0.50, 0.60 and 0.70. Our testing results systematically revealed the influence of cyclic loading parameters on fatigue mechanical response of rocks under coupled compression-shear loading, regarding the deformation characteristics, energy evolution, damage variable and failure mechanism. Under higher maximum stress or cyclic amplitude, inclined rocks are characterized by larger elastic modulus and higher dissipated energy, resulting in less irreversible strain, faster damage accumulation and shorter fatigue life. Furthermore, a fatigue life prediction method is proposed based on the energy dissipation, and its reliability is verified by comparing with experimental results. In addition, the progressive cracking behavior of rocks is analyzed during the fatigue tests by virtue of digital image correlation technique. Under cyclic coupled compression-shear loading, rock specimens are featured by a prominent shear-dominated failure along its short diagonal direction combined with local tensile damage along the loading orientation.

     

Experimental study on mechanical characteristics of sandstone containing arc fissures

Arc fissure is one of the basic forms of defective rock, where the expansion and evolution mechanism plays an important role in the stability of engineering rock mass under the external load action. Uniaxial compression experiments of sandstone samples that contained various angles of arc fissures (sandstone sample was 80 mm?×?160 mm?×?30 mm) were performed in order to investigate the effect that arc angle α had on the mechanical properties, the failure mode, and the fracture evolution process of sandstone. The results showed that when arc angle α was increased, the peak strength and the strain of the sandstone samples initially decreased before increasing and the minimum peak strength and strain were reached when α?=?15°. The deterioration of the bearing capacity and the number of cracks that appeared during the sandstone loading process decreased as the arc angle of the fissure increased. The arc fissure destruction was primarily initiated from the fragile area of the arch tip. The tensile cracks appeared on the fissure tip and non-tip as the axial force increased. The various arc angle α played an important role in the initiation stress and the rupture evolution of the specimen.     

原状膨胀土剪切力学特性的卸荷速率效应试验研究

利用GDS三轴试验系统,对南阳原状膨胀土进行了3种卸荷速率下的固结不排水三轴剪切试验,分析了卸荷速率和卸荷路径对膨胀土剪切力学特性的影响。结果表明,膨胀土在不同卸荷速率下的归一化应力-应变关系曲线均呈双曲线型。卸荷速率由0.02 kPa/min增加至2 kPa/min时,被动压缩路径和被动挤伸路径下的膨胀土不排水强度单调增大。在160～320 kPa固结应力范围内,两种卸荷路径下膨胀土孔隙水压力始终为负值,均表现为卸荷速率为0.02 kPa/min时其降幅最大。引入卸荷速率参数ρ_(0.02)后发现,卸荷速率每提高10倍,被动压缩路径和被动挤伸路径下的不排水强度分别增加约5.6%和4.8%。原状膨胀土样的破坏模式与剪切速率及裂隙性有关,表现为小卸荷速率下主剪切带与副剪切带共存,而大卸荷速率下仅有主剪切带。     

砂岩加卸载条件下能耗特征试验研究

采用MTS815刚性伺服试验机,对砂岩进行了单轴、三轴压缩和三轴峰后卸围压试验,对比研究了砂岩在加卸载试验条件下的能耗特征。结果表明,单轴压缩各能耗指标值均小于三轴压缩和三轴峰后卸围压,三轴峰后卸围压介于单轴与三轴压缩之间。三轴压缩和三轴峰后卸围压各能耗指标均具有明显的围压效应,随着围压的升高而线性增大。单轴压缩时砂岩表现为突发性的脆性破坏,初期储存的弹性应变能瞬间几乎全部转化为耗散能,成为岩样破坏时所表现出的一切现象的源动力;三轴压缩时砂岩表现为从局部破坏到整体失稳的渐进过程,耗散能所占吸收能量的比例越来越大,表现为明显的能量耗散,能量耗散发展到一定程度表现为明显的能量释放,随即岩石整体失稳破坏。     

石英砂岩力学特性及各向异性试验研究

为研究不同应力条件下层理对高孔隙率岩石材料破坏模式、弹性模量以及强度的影响,针对各向异性的石英砂岩,采用静水预压缩–增大轴向应力的加载方式,进行了多组带有不同层理角度试样的三轴试验。试验结果表明,不同应力条件下各向异性的石英砂岩试样表现出不同的变形破坏特征,以30 MPa围压为界,低围压范围内破坏模式为剪切型破坏,在该范围内随着围压增大破坏面由倾斜转向水平,并受到试样层理角度不同程度的影响,高围压范围内受到层理的影响分为剪切屈服和体积屈服两种破坏模式;随着围压的增大,新闭合的孔隙裂纹数目减少,各向异性对弹性模量的影响呈现降低趋势,弹性模量增长速率降低,弹性模量在层理分布角度?=60°时都会出现下降的现象;不同层理分布试样的强度曲线呈U型,围压在0~20 MPa范围内试样?=30°强度最低,围压在30~60 MPa范围内强度最低试样转化到?=45°附近;不同层理角度石英砂岩的强度特征系数随着围压的增大而逐渐减小,围压大于30 MPa后该系数逐渐趋于稳定。     

卸荷损伤原状膨胀土剪切力学特性试验研究

通过GDS三轴试验系统对经历3种卸荷速率损伤后的原状南阳膨胀土样进行再加荷不排水三轴伸长剪切试验,同时考虑了超固结比与固结状态的影响。试验结果表明,膨胀土再加荷剪切力学特性与初始卸荷速率有关。在相同的轴向应变下,初始卸荷速率越小,其偏应力单调越小。在主应力方向改变前后,其应力?应变关系曲线斜率显著变化。相同固结方式与超固结比状态下,孔隙水压力均表现为先增大后减小趋势,孔隙水压力峰值应变随卸荷速率增大而减小。无论是等压固结还是K0固结,初始卸荷速率越大,不排水剪切强度越大。膨胀土样经历了初始卸荷损伤后,再加荷常规三轴伸长试验所得剪切强度均低于无损伤时的强度。以膨胀土破坏强度所得损伤度SD低估了卸荷速率对膨胀土的损伤程度,建议采用孔隙水压力峰值强度进行膨胀土边坡设计计算。原状膨胀土力学性状随卸荷速率损伤的演化规律受卸荷阶段轴向应变大小及裂隙性综合影响。     

泥皮厚度对结构接触面力学特性影响的试验研究

针对实际工程中砂砾石与结构物所形成接触面,采用联合研制的大型叠环单剪仪对砂砾石与夹不同厚度泥皮混凝土接触面力学特性进行了相关试验研究。结果表明,泥皮厚度对结构接触面的强度影响显著,且存在两临界厚度值（记为H1和H2,且H1 < H2）。当泥皮厚度小于临界厚度值H1时,接触面表现为砂砾石与混凝土板接触面特征,其剪应力与相对剪切位移关系曲线呈现明显的双曲线关系,可用双曲线模型进行描述;当泥皮厚度介于两临界厚度值之间时,接触面表现为泥皮与混凝土板接触面,达到破坏阶段后切向变形呈现明显的刚塑性的变形特征,可用刚塑性模型进行描述;当泥皮厚度大于临界厚度值H2时,剪切破坏并不发生在接触面处,而是发生在泥皮层内部,此时接触面特性即为泥皮剪切特性。     

热处理砂岩微观结构及力学性质试验研究

采用核磁共振、电镜扫描、X射线衍射、单轴压缩等试验手段对某砂岩试样不同温度下(25～900℃)微观结构及力学性质的变化情况进行研究。研究表明:温度对砂岩试样微观结构具有重要影响,试样总孔隙率随温度的升高而升高,在150℃以下,由于中、大孔隙的减少,试样渗透性反而降低;当温度超过600℃时,中、大孔隙快速增加,试样渗透性能大幅增加;温度升高导致砂岩试样弹性模量减小、峰值应变增大以及孔隙压密阶段变长,宏观表现为脆性降低、塑性明显增强;热处理条件下,除微观结构的变化会导致砂岩试样力学强度改变外,试样矿物成分对其力学强度也具有十分重要的影响;450℃以下,由于矿物成分变化较小,试样力学强度主要受到孔隙度增加的影响,表现为强度随温度升高而降低;450～600℃,虽然孔隙率继续增长,但由于主要矿物高岭石发生脱水以及与其他离子形成新相矿物,进而导致试样强度没有随着孔隙增加而降低,反而出现一定的增长;超过600℃后,孔隙尤其是大孔隙的急剧增加,导致强度重新开始降低。     

钙质砂与钢板接触面力学特性试验研究

对一种人工制备的钙质砂与光滑铜板接触面进行了一系列的单调和循环剪切试验,表明钙质砂与光滑钢板的接触属于摩擦接触,界面剪应力与正应力之比与剪切位移关系有较好的归一性。等正应力试验中钙质砂的的缩性较大;等体积试验中接触面的抗剪强度因正应力的降低而远低于等正应力试验;循环剪切中加荷与卸荷曲线基本重合,经历循环剪切作用后接触面的抗剪强度有降低的趋势。界面湿摩擦系数低于干摩擦系数。     

褥垫层对复合地基承载特性影响的试验研究

通过现场静载荷试验,研究了不同厚度、不同材料的褥垫层对夯实水泥土单桩及多桩复合地基承载特性的影响。试验结果表明,随垫层厚度的增加,桩身分担荷载的比例逐渐减小,而桩间土分担荷载的比例却逐渐增大,表现为桩土应力比随垫层厚度增加而降低的特点。另一方面,垫层材料性能越好,则调整桩土协调变形的能力越强,即要求设置的褥垫层厚度越薄。对试验的两种材料不同厚度的褥垫层,其最佳厚度为0.2～0.3 m。     

砂浆-花岗岩界面动态轴向拉伸力学性能试验研究

骨料-砂浆界面过渡区的力学性能对混凝土宏观受力特性有很重要的影响。在MTS试验机上对40个砂浆-花岗岩交界面试件进行了动态轴向拉伸力学性能试验研究,分析不同应变率（10-6～10-2 s-1）、不同程度预静载（30%、50%、70%静载强度）以及往复荷载（1、5 Hz）对交界面动态轴向拉伸力学性能的影响,并对其动态破坏机制进行了初探。研究结果表明：①交界面动抗拉强度随应变率增加有明显增加趋势;②较小预静载（不超过50%）不仅没有使动抗拉强度降低,反而有可能提高动抗拉强度,较大的预静载对损伤弱化效应起主导作用,从而使动抗拉强度降低;③往复荷载作用下会出现明显的低周疲劳损伤,而且残余变形随往复荷载的频率增加而减小;④不同应变率下的交界面应力-应变曲线上升段类似,约50%强度后呈现非线性变化,但非线性程度随应变率增加趋向不明显。另外,尝试性地进行了交界面试件轴向拉伸应力-应变全曲线的试验,得到了稳定断裂的全过程曲线。     

干湿交替对砂岩力学特性影响的试验研究

由于地下水位的升降等原因,岩体经常处于干湿交替状态,这对岩体工程的长期稳定性不利。以红砂岩为研究对象,进行了干燥－饱水干湿交替作用后的常规单轴和三轴压缩试验研究,获得了砂岩应力-应变曲线,分析了其变形破坏特征。相对于没有经过干湿交替作用的干燥试件,经过不同次数的干燥－饱水交替作用后,砂岩的弹性模量、单轴和三轴抗压强度、黏聚力、内摩擦角等都有不同程度的降低。各力学指标的总体变化趋势是在第1次饱水之后均有较大幅度的下降,此后,随着干湿交替作用次数增加其降低的幅度逐渐减小,干湿交替作用使岩石的延性增强。在围压作用下,砂岩的峰值强度均随着围压的增大而增大,干燥试件强度的围压效应要比多次干湿交替作用后的试件显著。     

孔隙水压力作用下砂岩裂纹扩展行为的试验研究

为研究水力耦合作用下砂岩裂纹扩展特征,开展了不同孔隙水压和围压条件的砂岩破坏试验。结果表明：有效围压相同,随着孔隙水压力增大,脆性指标数增大,起裂应力、损伤应力和峰值应力都变小;裂纹初始体积应变变小,裂纹扩展体积应变先减小后增大,损伤应力与峰值应力对应的裂纹轴向应变扩展速率、裂纹环向应变扩展速率增加,裂纹体积应变扩展速率与孔隙水压力关系不明显。孔隙水压力相同,随着有效围压增加,起裂应力、损伤应力和峰值应力增大。起裂应力、损伤应力、峰值应力对应的裂纹轴向应变扩展速率、裂纹环向应变扩展速率和裂纹体积应变扩展速率增大。同一块砂岩特征应力点的裂纹应变扩展速率比较,裂纹轴向应变扩展速率最大,裂纹环向应变扩展速率次之,裂纹体积应变扩展速率最小。     

循环载荷下含水砂岩裂纹演化与损伤特征试验研究

基于矿井地下水库岩体频繁受到矿震、采动应力等循环荷载扰动这一工程背景,在实验室条件下开展了不同含水率砂岩单轴及循环加卸载试验,采用数字散斑技术,揭示了不同含水率砂岩裂纹扩展及破坏规律,基于电镜扫描微观分析,获得了循环载荷下不同含水砂岩微观劣化机制。试验结果表明：单轴及循环加卸载条件下,随着含水率增大,砂岩峰值强度均逐渐降低。干燥砂岩峰值轴向应变经历初始变形、等速变形、加速变形和失稳破坏4个阶段,含水砂岩经历初始变形、等速变形和失稳破坏3个阶段;随着含水率的增大,对应阶段内峰值轴向应变逐渐减小。通过变形率分析法验证发现,水对砂岩的变形记忆特性并无影响。单轴循环加卸载条件下,砂岩的破坏模式由干燥时的张拉−劈裂破坏逐渐向拉−剪混合破坏过渡,至饱和状态时呈现单一的剪切破坏。电镜扫描结果表明,随含水率增大,破裂结构面逐渐由光滑结构、浑圆状结构、片状结构向完全破碎结构过渡。随着含水率增大,绝对损伤参数不断增大,从侧面反映水岩耦合损伤的正相关性;累计损伤参数累积速率更快,同一循环周次下,累计损伤参数也更大。     

层理面特性对砂岩断裂力学行为的影响研究

层理弱面对层状岩石的力学特性影响较显著,为了研究层理面特性对岩石断裂力学特性的影响,开展了具有不同层理方向的砂岩试样三点弯试验,探讨了砂岩断裂韧度及断裂模式的各向异性。之后基于有限元中的黏聚单元建立了数值模型,采用数值模拟方法研究了层理面强度对各层理角度试样断裂力学行为的影响规律。结果表明:层理方向影响下砂岩的断裂韧度及模式存在各向异性;同一层理方向试样的断裂韧度随层理面强度的增大而增大,且试样的层理面与加载方向夹角越小,断裂韧度受层理面强度变化影响越明显;试样的断裂模式不仅与层理面强度有关,还受层理倾角的控制,层理面与加载方向夹角θ=0o试样断裂模式基本不受层理面强度影响,θ=30o试样主要沿层理面张拉或剪切破坏,且沿层理面的破裂长度随层理面强度的降低逐渐增大;层理面强度较大时,θ=45o试样主要沿层理面张拉破坏,θ=60o～90o试样主要以贯穿层理的张拉破坏为主;层理面强度较小时,θ=45o～90o试样均以沿层理面的剪切破坏为主,其中θ=45o试样沿层理剪切长度最大。另外,通过数值模拟结果分析了层理面强度及方向对试样的起裂角及裂纹扩展路径产生的影响。该研究成果可作为层状岩石断裂力学...     

高温状态下加载速率对石灰岩力学效应研究

采用美国MTS810电液伺服材料试验机,对200 ℃高温状态下的石灰岩试件进行了5级不同加载速率下的单轴压缩试验,考察了石灰岩的全应力-应变曲线,给出了其峰值强度、峰值应变、弹性模量E随加载速率的变化特征。研究结果表明,(1) 石灰岩的峰值强度、弹性模量在加载速率v = 0.000 5～0.005 mm/s内,随加载速率增大呈急剧上升现象;当v = 0.005 0～0.5 mm/s内,随加载速率增大呈下降趋势;当v >0.5 mm/s后,呈现上升趋势。(2) 石灰岩的峰值应变在v = 0.000 5～0.005 mm/s内,随加载速率增大呈下降趋势;在v = 0.005～5.0 mm/s加载速率区段,峰值应变呈现缓慢上升现象。研究结果可为相关岩体的爆破效应及评价岩石工程的稳定性提供参考。