花岗岩压剪联合冲击特性与细观力学机制研究
摘要：在MTS试验系统和Hopkinson压杆装置上添加不同倾角的垫块,对山东花岗岩进行3种应变率(3×10-5,50和100 s-1)下倾角为0°,15°,30°,45°和60°五种加载路径的压剪联合加载实验研究。结果表明:花岗岩的法向和切向模量都有一定的加载路径敏感性(即压剪耦合效应)和明显的应变率效应;其中花岗岩的法向模量对剪切应力很敏感;同时,花岗岩的破坏强度也具有明显的加载路径敏感性和应变率效应。应用Drucker-Prager准则拟合了不同加载速率下的破坏面,拟合结果初步揭示了岩石的内摩擦角和黏聚力等强度参数有一定的加载速度效应。基于数字图像相关方法对上述加载过程进行系统的监测和分析,发现岩石动态压剪过程实际上由剪切应变主导,岩石从准静态加载到动态加载,试件内起主导作用的因素由拉应变逐渐过渡到剪应变,这是由岩石材料本身的不均匀性决定的。白鹤滩柱状节理玄武岩隧洞开挖微震活动时空演化特征
摘要：金沙江白鹤滩水电站导流洞III1类柱状节理玄武岩发育,开挖过程中松弛破坏明显,对施工人员安全及施工进度造成严重影响。基于微震监测技术对白鹤滩柱状节理玄武岩导流洞开挖全过程进行研究,沿隧洞轴向方向,柱状节理玄武岩微震活动集中于开挖掌子面附近,服从三参数Logistic分布。掌子面附近及其后方微震活动分布可分为3个区域:开挖强卸荷区、综合影响区和时效松弛区,在开挖强卸荷区范围内应完成锚杆支护。隧洞开挖过程中,柱状节理玄武岩微破裂由隧洞边墙快速向围岩内部发展,当掌子面距离较远时,边墙内微破裂活动较微弱,微破裂集中区最终稳定在距边墙6 m范围内。降低开挖速率能有效减弱开挖卸荷对柱状节理玄武岩的影响。所得认识和结论对微震监测技术的应用以及柱状节理隧洞开挖方案和支护措施的优化具有参考意义。粉砂岩三轴压缩CT试验过程的分区定量研究
摘要：为了充分利用CT数定量地研究粉砂岩三轴应力状态下的损伤演化规律,基于破损演化理论及CT数,提出粉砂岩的破损分区方法,将岩石CT扫描断面分为完整区(2λ-1P)、损伤区(1 2λ-λP)和孔洞裂纹区(10-λP),并定义岩石的孔隙率、损伤率和完整率。分析三轴压缩CT试验过程中粉砂岩孔隙率、损伤率和完整率的变化规律。结果表明,利用提出的方法充分地发挥每个CT数的价值,且能定量地研究岩石的损伤演化规律及其受力过程中应变的局部化;岩石强度及塑性的增大,是由于在围压的作用下,试样只有达到很高的损伤程度,细观损伤裂纹才可以贯通形成宏观裂纹,进而发生破坏;试样两端断面处损伤裂纹出现较晚,破坏突然,且损伤裂纹主要分布在扫描断面的外侧环形统计区域,而试样中间断面处损伤裂纹出现相对较早,损伤裂纹从萌生、扩展到贯通的过程较长,损伤裂纹穿越整个扫描断面。节理接触面对应力波传播影响的SHPB试验研究
摘要：为探讨岩体的节理接触面积对应力波传播规律的影响,采用分离式霍普金森压杆试验装置开展试验研究,分析不同接触面积比的节理的动态力学特性以及节理的接触面积几何分布对应力波传播特性的影响。人工切槽的岩块与完整岩块组合得到不同接触面积比的节理岩块作为试样。通过一系列的实验,得到以下的结论:节理的接触面积比、接触面积分布和冲头冲击速率不仅影响节理岩块的动态力学特性而且影响应力波的传播。应力波的透射系数与冲头冲击速率、节理面大小及相对密集度(即接触面分布离散和接触面分布紧凑)有关;当节理接触面的几何相对密集度一定时,应力波透射系数随着节理接触面积比的增大呈线性增长,且透射系数随冲头速率的增大而增大;此外,相对于节理接触面积小但分布离散的岩体,应力波通过接触面积大、分布紧凑的节理的衰减更为明显。冻融循环后砂岩三轴卸围压力学特性试验研究
摘要：为探讨寒区边坡工程岩体受冻融循环和开挖卸荷双重作用的影响规律,对经历不同冻融循环次数的砂岩进行单轴、三轴压缩及峰前卸围压3种力学试验,重点研究冻融循环后砂岩在卸荷应力路径下的力学性能和破坏特征。试验结果表明:(1)冻融循环次数增加导致岩样峰值强度和弹性模量逐渐减小。(2)相同围压降低量下,岩样径向应变与体应变变化较大,轴向应变变化相对较小。(3)冻融损伤越大,径向应变和体应变对围压降低越敏感。(4)岩样变形模量在卸围压过程中逐渐降低,冻融循环次数越高降低速率越小,且初始变形模量越低。(5)泊松比在卸围压过程中逐渐增大,冻融循环次数越高增速越低,泊松比增长初期与体应变大致呈线性关系。(6)不同冻融循环次数下岩样单轴压缩破坏模式均为劈裂破坏;常规三轴压缩破坏模式均为剪切破坏,剪切带大致沿端面对角开展,并伴随局部岩块掉落;峰前卸围压破坏模式为介于单轴和常规三轴间的混合模式。砂岩的蠕变与弹性后效特性试验研究
摘要：采用岩石全自动伺服三轴流变试验设备对三峡库区典型砂岩试样开展分级加、卸荷的蠕变与弹性后效试验,得到岩样在不同应力水平条件下时效变形曲线。试验结果表明:岩样的时效变形特征明显,随着应力水平的逐渐增大,试样的蠕变、弹性后效、不可逆变形的量值及其平均速率均呈现出逐步增大的变化趋势;其中蠕变与不可逆变形量的变化规律性具有较好的一致性,弹性后效恢复的变形平均速率的变化幅度越来越小,逐渐趋向于某一定值;岩样在加载至最后一级应力水平下出现了非线性加速蠕变现象,试验全过程曲线反映了蠕变变形典型的三阶段特征。推导了三维应力状态下的Burgers模型的蠕变与弹性后效本构方程,基于流变试验得到的数据利用优化搜索后的算法对相应参数进行辨识,分别得到岩样在蠕变与弹性后效阶段的相应三维参数;对时效参数分析得出,黏性参数mη随应力水平的增加而呈非线性劣化的规律,表现出较为明显的非定常性规律特征;当试样处于蠕变阶段时,黏性参数反映的是岩石稳态蠕变变形特征,而在试样处于弹性后效阶段时,黏性参数则是描述岩样卸除荷载后不可逆变形的变化规律。切槽孔爆炸载荷下裂纹扩展行为的实验研究
摘要：为了研究切槽孔爆炸载荷下扩展裂纹和空孔相互作用规律,采用动态焦散线实验系统,分别对单炮孔和双炮孔爆炸载荷下含圆孔缺陷的PMMA材料的爆生裂纹扩展行为进行研究。研究结果表明:(1)单炮孔爆炸载荷下,切槽孔爆生主裂纹扩展轨迹平直,直接与空孔相互贯通,空孔导向效应明显。爆生主裂纹表现为I型模式。(2)双炮孔同时爆破过程中,切槽孔爆生主裂纹由于受空孔和相对扩展裂纹的影响,扩展轨迹较弯曲,空孔处产生的2条翼裂纹分别与爆生主裂纹贯通。(3)P波前缘压应力波与爆生主裂纹相互作用时,爆生主裂纹扩展速度和动态应力强度因子呈现减小变化的趋势。实验研究结果对于岩体定向断裂控制爆破工程实践具有一定的借鉴意义。下期内容预告
预应力锚杆锚固止裂效应的试验研究
摘要：采用高强石膏制作含30°,45°,60°预制裂隙试样,通过室内单轴压缩试验研究预应力锚杆的锚固止裂效应。结果表明:与无锚试样相比,加锚试样的弹性模量、起裂强度、峰值强度及残余强度均有不同程度的提高,且随着锚杆预应力值的提高而增大;与30°及60°加锚试样相比,含45°倾角加锚试样锚固效应更为显著;预应力锚杆的作用不仅有效抑制了翼裂纹破裂面的张开变形,而且改变了次生裂纹的扩展模式;试样变形破坏过程中,锚杆轴向应力变化分为缓慢增长期、快速增长期、急剧上升期及减速增长期4个阶段,预应力提高,则锚杆轴向应力峰值相应增大。应用断裂力学理论分析锚固机制,加锚试样峰值强度前,预应力锚杆的作用体现在杆体抗拉形成的"轴压"锚固效应,而峰值强度后则是杆体抗剪切形成的"销钉"锚固效应与"轴压"锚固效应组合作用的结果。本刊2015年第8期被EI COMPENDEX 收录23篇(100%收录)
大跨度隧道围岩流变参数智能分析及稳定性评价
摘要：流变模型和参数是软岩隧道工程稳定性计算的前提和基础,结合某实际工程,完成岩体物理力学试验数据及其岩土破坏形态试验分析,建立黏–弹–塑性软化模型作为泥岩长期稳定性分析的力学模型,并通过理论分析和经验类比方法预测泥岩的长期强度;同时结合试验和监测数据分析并利用人工智能分析方法,得到与室内试验较为吻合的流变参数。通过分析流变模型拟合曲线与试验流变曲线吻合度较好,该方法对于优化流变参数、提高数值模拟的准确性具有重要意义。在此基础上对大跨度隧道工程长期稳定性进行预测,分析认为:锚杆和衬砌受力变化总体岩体蠕变特征相似,支护初期应力加速增加,3~5 a后衬砌应力基本无变化,结构总体处于安全范围。富水泥质板岩隧道围岩蠕变力学特性研究
摘要：目前,对于考虑含水劣化的软岩蠕变力学特性研究存在一定的局限性。针对此问题,以沪昆客运专线长昆湖南段姚家隧道施工期泥质板岩的蠕变问题为出发点,通过三轴压缩蠕变试验分析应力状态及吸水率对泥质板岩蠕变特性的影响规律,在已有Burgers蠕变本构模型的基础上,引入水劣化因子,建立泥质板岩考虑吸水率的黏弹塑性蠕变本构方程,将蠕变参数转化为prony级数,在ANSYS软件中验证蠕变本构方程的合理性。研究结果表明:随着吸水率的增大,泥质板岩的蠕变变形和蠕变率增大,进入等速及加速蠕变阶段的进程加快;应力差的增大预示着泥质板岩进入等速及加速蠕变阶段的进程加快,时间缩短;随着吸水率的增大,泥质板岩蠕变参数(变形模量、黏滞系数、体积模量)呈指数函数减小。将顾及了水劣化因子的蠕变本构模型输入至ANSYS软件中,计算结果与三轴压缩蠕变试验结果吻合度较高,表明考虑吸水率的黏弹塑性蠕变本构模型具有较强的实效性,可以用于描述富水泥质板岩隧道围岩的蠕变规律。基于循环加卸载的次加载面模型在岩石中的初步应用
摘要：为模拟岩体工程在循环荷载作用下的变形特性及相应的稳定性,简要地介绍了次加载面的基本思想。为考虑岩石在三轴压缩状态下和在三轴拉伸状态下不同的强度特性,即应力角效应,在传统的Drucker-Prager屈服准则中引入一种角隅模型,从而形成了修正的Drucker-Prager屈服准则,基于该屈服准则,结合次加载面,提出适用于岩石循环加卸载的次加载面模型。通过参数敏感性分析,发现模型中参数u,C和χ的取值对反映岩石曼辛效应、棘轮效应的影响很大;为验证该模型的适用性和正确性,通过自编程序的数值模拟与岩石模型材料和玄武岩的循环荷载试验结果进行对比,结果表明该模型可以很好地描述岩石的动力变形特性,说明基于循环加卸载的次加载面模型可以运用到岩石中。逆断层铰接式隧道衬砌的抗错断效果试验研究
摘要：以棋盘石工程为依托,采用1∶50的相似比,开展模型试验。针对75°倾角逆断层黏滑错动的情况,研究上覆地层的错动变形规律与跨断层隧道的结构受力、损伤特征,并对衬砌结构的破坏模式与破坏机制进行分析。研究表明:随着断层上盘抬升,断裂传播至地表,形成一个倒置的三角剪切带。在2.5D埋深处剪切带的宽度约为0.635D(D为隧道洞径),在隧道拱顶位置处剪切带约为0.315D。地表位移变化与断层传播规律基本一致;断层破碎带处隧道与土体的接触压力的变化最大,是下盘接触压力变化值的3~5倍;断层上盘隧道承受负弯矩,下盘承受正弯矩;在断层破碎带中,错动位移量为0.34D时,衬砌变形缝处发生剪切、挤压引起的开裂,局部伴有张拉裂缝。设置变形缝后,铰接式隧道仅在变形缝处发生严重破坏,节段衬砌损伤轻微,抗错断效果明显优于未设变形缝隧道。冲击载荷作用下层状砂岩动态拉压力学特性研究
摘要：为研究层理面倾角对层状岩体动态拉压力学特性的影响,加工制备含5组不同层理面倾角的层状砂岩试样,在50 mm杆径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验平台上进行冲击压缩和冲击劈裂拉伸试验,利用高速摄像仪实时记录试样动态裂纹扩展及破坏过程,分析层理面倾角θ或β对层状砂岩动态应力–应变、动态抗压和抗拉强度、破坏模式及能量吸收特性的影响规律。该层状砂岩层理面之间的差异主要来源于层间矿物组成成分含量的不同。研究表明:(1)冲击压缩载荷作用下,层状砂岩主要表现为5种典型破坏模式,随倾角θ增大,层状砂岩动态抗压强度呈倒U型变化;(2)冲击拉伸载荷作用下,巴西劈裂试样均表现为沿加载方向的劈裂拉伸破坏,随倾角β增大,层状砂岩动态抗拉强度增大。层状砂岩的能量吸收率随层理面倾角的不同而不同,选择与层理面合适的加载角(如θ=90°或β=0°),可以有效提高岩石破岩的能量利用率。基于蠕变试验的石膏矿柱长期稳定性研究
摘要：石膏矿柱的长期稳定性是影响石膏矿山安全生产和地表环境的主要因素。针对鲁能泰山石膏矿开采中矿柱稳定性问题,采用室内试验、数值模拟及现场实测相结合的方法对矿柱的长期稳定性进行分析。蠕变试验结果分析表明,石膏的蠕变强度为瞬时强度的72%~77%,采用改进的Burgers蠕变模型可以较好地描述石膏的蠕变特性。基于试验结果,对4301工作面矿柱的长期稳定性进行数值模拟计算分析,矿房顶底板及两帮围岩变形速度随时间增长而逐步递减;且顶底板的变形不同步,采后1 a底板即趋于稳定,两帮2 a后趋于稳定,而顶板采后3 a才趋于稳定;采后10 a,矿房顶底板及两帮移近量分别为155,68 mm。围岩变形监测结果表明,矿房采后100 d内围岩变形速度较大,而后呈逐渐递减趋势,但变形量仍处于缓慢增长中,并且矿房围岩趋于稳定的时间不同,采后400 d,两帮变形基本趋于稳定,而顶底板变形经过640 d后才趋于稳定。基于断裂力学的盾构隧道管片结构开裂破损机制探讨
摘要：管片结构的破损已经成为盾构隧道的常见病害之一。采用基于断裂力学的有限元方法,从单块管片、2块管片(含接头)、整环衬砌结构3个层次探讨盾构隧道管片结构的破损机制。研究表明,单块管片的承载力性能和破坏模式主要受边界约束条件的影响;接头的破坏表现为一侧张开、一侧压碎并最终导致整环衬砌结构的破坏。简化的连续型接头模型在模拟低负载条件下的接头行为时与真实情况较为接近,但无法模拟在高负载或承载力极限条件下接头两端管片相互脱离、断开的现象和接头区混凝土的压碎现象。为了更准确地预测整环衬砌结构的极限承载能力和变形性能,接头的模拟是关键。石英云母片岩动力学特性实验及爆破裂纹扩展研究
摘要：石英云母片岩动力学特性复杂,爆破参数难以准确获取,施工中常出现爆破进尺短、超挖、欠挖等现象,导致施工质量差、效率低。室内分离式霍布金森压杆实验表明,石英云母片岩在线弹性阶段弹性模量随应变率增长变化不大,在非线性阶段则表现出类似金属材料的屈服特征,塑性特征明显,动载强度与应变率之间呈乘幂关系,随应变率的增加而增加。在冲击荷载作用下,石英云母片岩沿层理方向破碎成片状结构,呈压剪破坏模式,破碎程度与应变率存在一定相关性。石英云母片岩破碎能与入射能呈线性关系,破碎能耗密度随应变率增加而增加,呈幂函数关系。通过模拟孔径42 mm、药径32 mm的单孔爆破过程,得到爆腔与裂隙形成时间约0.904 8 ms,爆腔半径为13.8 cm,是炮孔半径的4.45倍,最长裂隙半径为71.3 cm,是炮孔半径的23倍;根据破岩裂隙规模将破裂区划分为3个区域:破裂严重区、破裂中等区、破裂轻微区。爆炸压力由爆心向外呈指数形式快速衰减,在距爆心40 cm处衰减趋于平缓,压力值相对较低,塑性区最大范围为49.3 cm。给出了实际石英云母片岩地下洞室开挖的掏槽孔爆破参数建议值,可为类似软岩爆破施工提供参考。
