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岩石力学与工程学报 2013年第S2期杂志 文档列表

K0条件下砂土原生各向异性的动剪切模量试验研究-

摘要：工程实践中动剪切模量是砂土关键的动力学参数之一。结合压电陶瓷弯曲元波速测试技术开展K0条件下砂土的原生各向异性对动剪切模量的影响试验研究。通过自行研制的试验装置,对沉积角度分别为0°,±45°和90°的丰浦砂在加卸荷条件下剪切模量的变化进行研究。结果表明:90°的砂样在单向荷载作用下,水平方向和垂直方向的剪切模量最大,并且还发现在卸载条件下,不同沉积角度的砂样对应力历史反应不一,沉积角度为90°的砂样应力历史的影响最明显,验证不同的沉积方向对砂土小应变剪切刚度的影响十分显著。基于试验结果,对现有的微观本构模型进行验证,发现该本构模型能较好地反映原生各向异性、应力状态和颗粒接触特征对土的动剪切模量的影响。

低温液化石油气和液化天然气储库及相关岩石力学研究进展2977-2993

摘要：首先介绍低温液化石油气(LPG)和低温液化天然气(LNG)地下储库的建库技术,对目前低温LPG和低温LNG地下储库工程的现场试验和理论分析两方面进行总结;从中引出相关的冻岩力学问题,从4个方面综述目前研究现状:(1)岩石在低温下或冻融循环下的物理性状研究;(2)低温冻结或冻融循环对裂隙的作用研究;(3)水分迁移研究;(4)低温冻结岩体中三场耦合研究。由于实验室岩块和现场岩体的差异,探讨冰冻作用对岩块和岩体的差异及作用机制,对水分迁移及冻结岩体中温度场研究进行思考,最后对LPG,LNG地下储库工程的建设及稳定进行讨论。

卸荷条件下灰岩力学特性研究2994-2999

摘要：较加载状态相比,卸荷条件下岩石的力学性质有明显的区别。在对拟建引水隧洞的灰岩(Oh3–3)岩样进行常规三轴与卸荷三轴试验的基础上,对试验结果进行对比,结果表明:(1)Oh3–3灰岩岩样的卸荷破坏特征以向卸荷方向发生侧向变形和体积扩容为主。(2)灰岩岩样在卸荷状态下脆性特征较加载状态下明显。在卸荷试验中,峰值强度之后岩样表现出明显的脆性特征。若在此岩体中进行地下工程开挖,岩爆现象的发生是不可避免的。(3)灰岩岩样在卸荷条件下得到的抗压强度明显小于常规三轴条件下的强度值。在本次试验围压范围内,峰值强度最大降低25.65%,残余强度最大降低73.15%。(4)灰岩岩样在卸荷条件下得到的抗剪强度与常规加载条件下得到的值相比,黏聚力c的峰值强度和残余强度均有所降低,内摩擦角?的峰值强度和残余强度有所增加。(5)卸荷状态和加载状态下,Oh3–3灰岩岩样的变形模量E50和泊松比μ与围压σ3均呈二次相关性,区别在于变形模量E50与围压σ3的关系表现为先减后增,而泊松比μ与围压σ3的关系呈先增后减趋势。

循环荷载作用下节理凸起体概化破坏模型及剪切强度计算分析3000-3008

摘要：认知循环剪切荷载作用下节理剪切强度的劣化机制并提出相应的分析模型,是准确评价地震荷载作用下岩体工程安全的重要基础之一。基于不同起伏角度、强度等级的人工节理试样在多种法向应力下的循环剪切试验结果,分析循环剪切的试验曲线特点及表面凸起体的破坏过程和残余凸起体的形态特征,提出表征节理表面凸起体形态变化过程的概化破坏模型。利用提出的破坏模型,分别确定剪胀角与剪胀率、凸起体剪断率以及表面基本摩擦角之间的表达关系;并引入到Ladanyi-Archambault剪切强度公式中,建立以剪胀角经验公式和Ladanyi-Archambault剪切强度公式为基础的节理循环剪切强度公式。最后将部分试样的剪切强度计算值与试验值进行对比,结果表明计算值与试验值总体上吻合较好,高起伏角度节理试样存在一定偏差。

地质体渐进破坏面的计算模型与剪切面破坏准则3009-3015

摘要：提出地质体渐进破坏的多尺度计算框架,确定不同尺度的计算条件和物理参数的选取方法。将工程地质模型分为3级尺度:(1)工程地质模型的实际尺度,从百米到千米量级;(2)满足计算精度的数学网格,即等应力应变单元的尺度,通常为米量级;(3)描述地质体破坏的特征尺度,可以选为实验室试样尺度,通常分米量级。在该多尺度计算框架下,地质体材料的破坏可以采用实验室测得强度参数进行描述。提出适用于多尺度计算的一种基于剪应变强度分布的新的强度准则,该准则以应变作为强度指标,定义剪应变强度在材料中服从某种分布,未达到强度部分保持线弹性,超过强度的部分用库仑摩擦描述。该强度准则可以表述材料的非线性屈服和软化现象,得到材料的渐进破坏过程。当应变强度区间变化时可以自然得到脆断模型、软化模型以及理想弹塑性模型。通过离散元的算例计算表明,该模型中将材料的内部细观状态表述为弹性微元面和破裂微元面,并用线弹性和库仑摩擦参数分别表达是合理的。

酸液对灰岩力学性质影响的机制研究3016-3021

摘要：通过岩芯静态溶蚀试验、岩芯动态流动试验并结合三轴力学测试及岩芯微观结构分析,从宏观和微观角度研究不同酸液对岩石力学强度破坏问题。动静态溶蚀试验表明,胶凝酸以点状溶蚀为主,而变黏酸主要以表面溶蚀为主。三轴力学测试表明,胶凝酸溶蚀后岩石抗压强度降低18%,杨氏模量降低26%,高于变黏酸对岩石力学强度的破坏。应力–应变曲线显示反应后岩芯的压实致密过程持续时间较长,岩芯表现出更强的塑性。扫描电镜观察发现,胶凝酸反应后在岩芯内部形成大量酸蚀孔洞,而变黏酸主要以均匀溶蚀为主,对岩芯内部结构破坏较小,酸液对岩芯内部溶蚀结构的差异是产生力学强度差异的根本原因。对于高闭合应力储层,在酸液选择方面应更多考虑酸液对岩石力学强度的破坏,选择控制滤失能力强的酸液体系。

多组贯穿节理岩体正交各向异性变形参数研究3022-3027

摘要：目前对于节理岩体各向异性变形参数的解析方法研究不多。假设岩块为各向同性线弹性体,结构面的应力与位移之间满足线性刚度关系,建立多组贯穿节理岩体的正交各向异性变形参数计算模型,相关计算公式简单实用。进一步的研究结果表明:对于贯穿节理岩体,其体积变形具有正交各向异性变形特性,而剪切变形并不具有明显的正交各向异性。最后通过3DEC数值验证与辅助研究,相关数值成果与理论计算相差较小,说明该理论模型对于岩体各向异性变形与稳定性评价有一定的参考价值。

裂隙岩体高压渗透特性研究3028-3035

摘要：随着越来越多高水头电站、深部地下工程的建设,工程中面临更多渗透失稳风险,必须通过现场试验系统研究裂隙岩体的高压渗透特性和渗透稳定性。通过现场揭示和水–岩相互作用关系,探讨裂隙岩体的高压渗透破坏机制和破坏模式。基于多个高水头电站中的高压压水试验和高压渗透试验成果,研究高水头压力作用下裂隙岩体的水力劈裂、渗透变形、抗冲蚀性能、渗透稳定耐久性等特性。研究成果表明,高压条件下裂隙岩体的渗透特性会发生显著改变,变化规律和特征与所作用的水压力、应力赋存环境和物质填充情况紧密相关。

花管与潜水面相交下的冲击试验模型研究3036-3041

摘要：针对潜水井中的冲击试验,在花管与潜水面相交的情况下,由于注入井中的水分潜水面上、下两个部分流入含水层中,造成模型由线性变成非线性的问题,建立新的潜水井中的冲击试验计算模型,给出模型的解析解,并运用溶质浓度示踪技术,算出从潜水面以下部分流走的的水量,最终得到含水层渗透系数。而这与传统研究中,仅通过对测井的有效半径进行修正,来解决这一问题的方法不同。以西藏江雄水库库区一潜水完整井为例,进行现场试验,运用建立的模型,计算出含水层的渗透系数,并将其与Bouwer-Rice潜水井冲击试验模型的计算结果、以及抽水试验的结果进行对比,试验结果表明,建立的模型能够真实地反映地层的渗透特性。对冲击试验标准水头恢复曲线特征进行分析得出:当曲线以较慢速率下降时,才真正反映含水层的渗透特性。

压剪应力条件下砂岩开裂扩展过程的试验研究3042-3048

摘要：利用自主研发的含瓦斯煤岩细观剪切试验装置及PCI–2型声发射(AE)测试分析系统,开展法向应力分别为0.0,1.5,3.0,4.5,6.0 MPa条件下砂岩的压剪试验,对砂岩在压剪应力条件下的变形特性、声发射特性及其细观开裂扩展特征等进行系统研究。研究结果表明:随着法向应力的增加,砂岩抗剪强度增大,峰值剪切力及其相应的峰值位移均近似呈线性增大;不同法向应力条件下岩石的最终断裂破坏形态虽有所不同,但其开裂扩展趋势基本都是沿预定剪切面不断向前延伸扩展;法向应力越大,开裂扩展的时间越晚,岩石越不容易发生失稳破坏;受法向应力的影响,AE事件率并未随着剪应力达到峰值而达到最大值,而是在峰值剪应力后急剧增大,微裂纹急剧扩展演化,最终AE事件率达到最大值,裂纹贯通导致岩石失稳破坏;随着法向应力的增加,剪切面两侧颗粒之间的摩擦力增大,同时受应力分布不均及岩石内部结构的影响,主裂纹的宽度越大,开裂扩展形态更加复杂。

冻融循环作用下饱和砂岩损伤扩展模型研究3049-3055

摘要：首先分析饱和砂岩所经历的冻融作用的特点,认为冻融作用是一种低周疲劳荷载,且砂岩冻融循环作用下的受力状态可简化为单向拉伸荷载的循环作用。基于以上分析,在疲劳损伤理论的基础上,建立砂岩在冻融循环作用下的损伤演化方程。同时,通过对饱和砂岩冻融循环过程中的物理性质的观测,及对砂岩自身结构特点的分析,选取砂岩的开孔隙率作为损伤变量。之后通过试验数据对所建立的损伤模型进行验证,并探讨损伤方程中各参数的确定方法。经过验证,该损伤模型能较好地反映饱和砂岩在冻融循环作用下的损伤扩展规律,可以为相关的研究提供参考。

发泡球粒粒径对混合轻量砂强度影响试验研究3056-3063

摘要：为确定发泡球粒粒径对混合轻量砂的强度影响规律,采用三轴固结不排水试验系统研究发泡颗粒混合轻量砂在不同配比下(2~6 mm范围内4种不同发泡颗粒平均粒径,水泥掺入比13%和20%,发泡颗粒体积比为1.8)的强度特性。试验结果表明:发泡颗粒混合轻量砂是一种结构性土体,其应力–应变关系曲线具非线性、多阶段性、应变硬化和应变软化特性。Mohr破坏包络线有折线形和直线形2种表现形式,取决于自身结构强度和所选取的固结压力。变形模量和抗压强度具有可调节性,随水泥掺入比增大而增大。配比一定时,随发泡颗粒粒径增大,变形模量线性减小,抗压强度呈指数递减。黏聚力和内摩擦角均随着发泡颗粒粒径的增大而呈递减的趋势,但内摩擦角减小的幅度较小。水泥含量对黏聚力影响较大,对内摩擦角影响不明显。发泡颗粒粒径在2~5 mm范围内增大时,单价降低率远远大于强度衰减率,继续增大优势不明显,粒径为5~6 mm时,制样难度大大增加。综合考虑,推荐采用4~5 mm粒径的发泡颗粒进行工程设计。

水化学腐蚀对砂岩力学特性影响的试验研究3064-3072

摘要：通过砂岩在不同水化学溶液中浸泡后的常规三轴压缩试验,对比分析受不同pH值、不同浓度和不同化学成分的化学溶液腐蚀后砂岩的变形特性、强度特性及其微细观结构特征,并监测化学溶液中Ca2+,Mg2+离子浓度的变化规律,初步探讨砂岩试样的水化学腐蚀机制。试验结果表明:化学腐蚀后,砂岩试样有从脆性向延性转化的趋势;砂岩的力学参数均有不同程度的降低,并且,砂岩力学参数的劣化程度与其物理化学参数之间存在密切的关系,试样的孔隙率或纵波波速变化越大,或溶出的离子浓度越多,其力学参数的降低程度越大。引入新的损伤参量来定量地表达试样力学参数随水化学损伤的演化过程。

基于半迹长测线法的岩体结构面全迹长概率分布及平均迹长新算法3073-3082

摘要：半迹长测线法是当前野外结构面数据采集中最为常用的一种采样方法。目前基于半迹长测线法估算结构面平均迹长的研究成果很少。在对基于半迹长测线法估算岩体结构面全迹长概率密度函数及平均迹长的方法进行改进的基础上,通过建立3种新的考虑结构面产状分布特征的迹线与测线的交切概率模型以及新的半迹长累积概率模型,推导得出由半迹长概率密度函数显式表达的全迹长概率密度函数,并据此得到半迹长服从典型概率分布形式时,在结构面产状分布影响下的全迹长概率密度函数及平均迹长。最后应用汶川老虎嘴岩质斜坡单组结构面几何参数对上述成果加以验证,将模拟结果与实测半迹长样本进行对比,结果表明,所提出的方法计算精度明显高于传统方法,证明该算法的优越性。同时对迹长均值与结构面产状关联性进行分析,为测线法野外结构面采样工作提供建议。

双轴压缩试验下岩石裂纹扩展的离散元分析3083-3091

摘要：基于颗粒离散元理论,研究含2条预制裂纹的Hwangdeung花岗岩在双轴压缩试验下的裂纹扩展及破坏模式。研究结果表明:围压对岩石裂纹扩展及破坏模式有显著影响;水平预制裂纹对倾斜预制裂纹的保护作用随着围压的增大而增强;且倾角越大,水平预制裂纹的保护作用越明显;当预制裂纹倾角α≤75°时,试验停止时微裂纹数目随围压的增加而增大;而当预制裂纹倾角α=90°时,微裂纹数目先增大后减小;试样的起裂应力都随着围压的增加而增大(除α=75°);试样的峰值强度也均随着围压的增大而增大;预制裂纹倾角不同,围压对试样的起裂应力和峰值强度的影响程度不同;相同围压下,不同预制裂纹倾角试样的起裂应力和峰值强度的大小关系无明显规律,而与其具体破坏模式有关;整体来看,当预制裂纹倾角α=60°时,围压对岩体力学特性影响最大。

应力路径对裂隙试样力学特性影响的试验研究3092-3099

摘要：利用WDT–1500大型多功能材料试验机对裂隙试样进行定围升轴、卸围升轴和定轴卸围3种应力路径条件下的试验,研究裂隙试样的变形特征、强度特征和破坏机制。试验结果表明:裂隙试样在不同应力路径下的力学参数变化明显:卸围升轴和定轴卸围下试样强度均低于定围升轴下的强度。不同应力路径条件下,试样峰值强度均随着裂隙倾角的增大而先降低后增大,裂隙倾角为30°或45°时最小。试样的力学特性主要受裂隙角度、应力路径、初始围压等的控制,裂隙倾角对峰值强度的影响最大,围压卸荷速率次之,初始围压最小。定围升轴下试样破坏形态多为剪切破坏,而卸围升轴和定轴卸围下试样多为张–剪混合破坏,卸围升轴下试样的张裂纹发育较少,定轴卸围下张裂隙发育显著。

地质强度指标的模糊综合评判法3100-3108

摘要：评价岩体地质强度指标(GSI)时,因其基本要素取值过程存在较大的随机性和模糊性,很难用静态的模式去准确衡量每个影响因素,岩体特征参量的模糊性反映其内在的不确定性,模糊数学理论为更客观地刻画这种特性提供有力的数学手段。首先引入岩体节理组数Jn、节理间距l和岩体完整性系数Kv描述岩体结构特征,大比例尺波形系数Jw、小比例尺光滑系数Js和节理蚀变系数Ja描述结构面条件,然后把多因素模糊综合评判理论应用到GSI系统的评价中去,并利用层次分析法确定模糊评判因素的权重,建立GSI系统的模糊综合评判模型。工程应用表明,这种方法针对性较强、误差较小,能够将地质调查勘探结果、试验结果、统计数据以及专家意见有机结合起来,从而减小研究者决策时主观性。GSI系统的模糊综合评判法为GSI系统量化提供新的途径。

SHPB试验中高温下岩石变形破坏过程的能耗规律分析3109-3115

摘要：利用带高温装置的φ100 mm分离式Hopkinson压杆试验系统进行不同高温下大理岩的SHPB试验,分析岩石在冲击破坏过程中的能量耗散特征,探讨冲击加载速率、入射能等对高温下大理岩能耗特征的影响,分析冲击破碎分维及破碎块度与能量耗散的内在联系。研究结果表明:同一高温下大理岩破碎的比能量吸收随着加载速率、入射能的增加均近似线性增加;破碎分维随比能量吸收的增加近似线性增长,而平均破碎块度随比能量吸收的增加逐渐减小,大致呈指数关系。同一高温下岩石的冲击破坏过程中,比能量吸收愈大,岩石的平均破碎块度就愈小,分形维数就愈大,岩石的破碎程度也就愈剧烈。从能量耗散的角度可以较合理地反映岩石变形破坏的全过程。