闪长岩单轴压缩力学特性试验及数值模拟研究

采用微机控制伺服岩石三轴剪切流变试验机对闪长岩进行单轴压缩试验,利用RFPA分析系统模拟岩石破裂过程,详细分析了单轴压缩下闪长岩各特征应力大小、损伤过程、破坏模式及裂纹扩展规律。研究结果表明:闪长岩在单轴压缩下裂纹闭合应力、裂纹起始应力、损伤应力分别占峰值应力的36.6%、55.5%、75.6%;在损伤变量的基础上提出损伤变量临界值,以应变值为基础建立闪长岩损伤与裂隙演化之间的联系,定量分析了闪长岩裂隙演化4个阶段下损伤变量的变化;针对闪长岩应力～应变曲线出现"阶梯式下降"现象,结合试样破坏前后对比分析,发现是由于初始试样中存在一条富含石英颗粒的斜面所导致,提出闪长岩单轴压缩下破坏模式为竖向劈裂与剪切组合破坏;根据RFPA模拟得到闪长岩破裂结果,发现当加载应力达到峰值应力的54.1%时,闪长岩内部出现微裂纹,当加载应力达到峰值应力的75.4%时,闪长岩内部的微裂纹汇聚形成显裂纹,在显裂纹区域出现应力集中现象,使得显裂纹相互贯通,最终导致闪长岩的宏观破坏;通过试验和模拟对闪长岩的破坏强度、裂隙随应力变化规律、破坏模式方面进行相互印证,分析了单轴压缩下闪长岩的单轴压缩破坏过程。     

类岩石材料裂纹单轴压缩扩展行为研究

构建可靠的裂隙网络模型是岩质边坡、隧道和地下矿山巷道等各类岩体工程稳定性研究的基础。开展室内试验，研究含不同尺寸、不同倾角裂纹岩样在单轴压缩下的力学行为。结果表明：类岩石试样的峰值强度随裂纹倾角的增大而减小，且随裂纹倾角的增大，峰值应力对应的应变减小、幅度较大，类岩石试样在峰值强度后，表现出准脆性破坏特点；裂纹尺寸对试样的峰值应力和对应的峰值应变有较大影响，随裂纹尺寸增大，试样的峰值应变增大，但裂纹的形状（圆形和矩形）对峰值应力、应变的影响较小；验证了最大周向应力理论得到的在不同裂纹倾角下的开裂角，与单轴压缩下到不同裂纹倾角进行比较，发现在裂纹倾角较小时裂纹的开裂角与试验得到的相差不大，约7.39%～11.82%；而裂纹倾角增大时，相差较大，约33.15%。     

不同卸围压速率下混凝土材料能量特征研究

为了探究混凝土材料在不同卸围压速率下的强度特征和能量变化规律,制备圆柱状混凝土试件,开展常规三轴卸围压试验。研究结果表明:混凝土试件的峰值强度随着卸围压速率的增大呈线性关系减小,其峰值轴向应变随着卸围压速率的增大呈单指数关系减小;卸围压速率越低,试件卸围压阶段所持续的时间越长,积累的弹性能随之增大;同时发现试件的卸围压速率越小,卸围压开始时刻到应力峰值时刻的耗散能增长速率越快,且试件峰后破坏阶段的耗散能曲线斜率随着卸围压速率的增大逐渐增大;随着卸围压速率的增大,混凝土试件应力峰值时刻的轴向能量、环向能量、弹性能和耗散能均减小,低卸围压速率下试件变形充分,而卸围压速率较高的时候,试件的变形破坏具有突发性。     

单轴压缩下不同长度单裂隙岩体能量损伤演化机制

为探寻裂隙岩体变形破坏过程中内在的能量演化机制,基于岩石能量耗散理论和室内试验数据,研究了单轴压缩条件下单裂隙岩体变形破坏过程中各能量指标(总能量、弹性应变能及耗散能)演化规律,分析了裂隙长度变化对岩样力学特性、破坏模式、各能量指标及峰前能量突变幅度的影响规律.研究结果表明:裂隙岩体的峰值强度、峰值应变及弹性模量均随裂...     

基于PFC2D的水泥土单轴压缩试验及细观数值模拟

对不同水泥掺量下的软土稳定土试样分别开展单轴压缩试验,基于测试结果对土样的变形过程进行PFC^2D离散元颗粒流细观数值模拟,分析破坏后水泥土的力学行为和位移场分布。结果发现：随着水泥掺量增加,固化软土试样的单轴抗剪强度与弹性模量表现出指数函数上升的规律,破坏应变随水泥掺量增加呈二次函数的变化特征;由PFC^2D离散元颗粒流模拟得到的水泥土试样的力学参数及应力-应变关系曲线与试验实测结果较为接近,离散元模拟结果也显示水泥掺量对土体力学性能有明显影响;随着水泥掺量的增加,固化软土的破坏形式逐渐由压碎破坏向剪切破坏模式过渡;由离散元模拟得到的位移矢量场准确地反映了水泥固化软土在单轴压缩荷载作用下的破坏模式特点。     

AZ80镁合金动态再结晶软化行为的唯象本构描述

采用热物理模拟机Gleeble1500对多组AZ80镁合金试样进行压缩试验,温度范围为250～400℃,应变速率范围为0.01～10s-1。真应力-应变曲线显示,应力迅速达到峰值之后发生软化,峰值应力随应变速率的增加而提高,随试验温度的升高而减小。金相分析表明,变形条件对动态再结晶软化的影响规律描述为:试样压缩60%后,晶粒大小随着应变速率的增加而减小,显微维氏硬度随细化后晶粒尺寸的减小而非线性减小,随应变速率的增加而减小。引入一种包含软化因子的唯象本构模型,并应用多元线性回归方法对相关的系数进行求解,结果发现求解获得的本构方程能够较好地描述AZ80镁合金的流变软化行为。     

不同加载速率下花岗岩和砂岩声发射特征研究

通过单轴压缩试验,研究了花岗岩和砂岩在不同加载速度（0.05、0.10、0.15 mm/min）时的应力发展规律、强度变化特征以及声发射时空变化特征。结果表明：随加载速度的提高,花岗岩和砂岩的应力-时间曲线发展特征均明显发生改变,从0.05 mm/min增加到0.10 mm/min时,岩石应力变化幅度较大。花岗岩的单轴抗压强度随着加载速度的提升先是快速增大后基本不变;砂岩的单轴抗压强度是随着加载速度的提升逐渐减小的。花岗岩的振铃计数随着加载速度的提高总体上是减小的,而砂岩的振铃计数随加载速度的提高是在减小的。累计振铃计数特征表现为花岗岩随加载速度是先增加后减小,砂岩是逐渐增大的,并且在0.15 mm/min时砂岩的累计振铃计数大于花岗岩。累计能量是随着加载速度提高而减小,砂岩的累计能量大于花岗岩。花岗岩的声发射事件数水平是随着加载速度提高在破坏前先减小,破坏时变化较小,频度在全过程是逐渐减小;砂岩的声发射事件数水平在破坏前是逐渐增大,破坏时则变化不大,频度在全过程是逐渐减小。     

干湿循环作用下云母片岩力学特性试验研究

针对鄂西北地区云母片岩,开展了干湿循环条件下云母片岩单轴压缩试验,研究了云母片岩强度与变形参数随干湿循环次数增加的变化规律。结果表明:随着干湿循环次数的增加,云母片岩强度、割线模量逐渐降低,泊松比变化较小,抗压强度、割线模量与循环次数分别呈对数、线性相关。干湿循环达到一定次数后,云母片岩被水完全浸透,致使强度和割线模量损伤出现拐点。     

断续三裂隙花岗岩变形破坏模式单轴压缩颗粒流分析

鉴于目前对三裂隙岩体强度破坏准则研究较少以及物理模型试验裂隙预制困难,通过二维颗粒流程序(PFC2D)对三裂隙花岗岩进行单轴压缩试验,模拟分析3种不同平面布置模式(裂隙(1)和(2)共面平行、非共面平行、非共面非平行)下裂隙(3)倾角(α)对强度特征和变形参数、裂纹扩展及破坏模式的影响规律。研究结果表明,在3种不同平面布置模式下,断续三裂隙花岗岩强度特征与变形参数均表现为先增加后减小。当裂隙(3)倾角为30°、150°时,试样宏观失稳破坏模式存在较大差异,当裂隙(3)倾角为60°～120°时,试样宏观失稳破坏模式均表现为一个大写的"Y"字型。研究结果不仅丰富了多裂隙岩体理论体系,而且为工程实际问题解决提供了参考。     

含砾量对土石混合料力学特性影响离散元模拟

通过开展考虑砾石形状影响的双轴压缩试验离散元模拟,研究含砾量对密实土石混合料力学特性的影响。模拟结果表明：密实试样的应力应变关系表现出先硬化后软化的特征,含砾量越高软化效应越弱。随着含砾量增大,土石混合料的峰值强度呈现先减小再增加后减小的变化趋势,残余强度持续增大,剪缩到剪胀对应的体积应变先缓缓增加后加速减小,剪胀角则呈现减小趋势。通过颗粒移动特征及力链分布分析,发现当含砾量较低时,不能形成砾石骨架结构,含砾量对土石混合料强度影响较弱。     

不同荷载形式下的路基粗粒土填料稳定性分析

采用传统三轴试验法和PFD~(3D)软件构建路基粗粒土填料模型分析了不同静载荷作用和循环荷载作用下的路基粗粒土填料各项力学性能。研究结果表明:静荷载和循环荷载作用下,路基粗粒土的体积应变均会发生体缩变形向体胀的转变。静荷载作用下,随着偏应变的增大,不同围压下的粗粒土应力比呈现出一个先增加后保持不变的趋势,围压较高路基土填料体积应变和应力比最大处对应的偏应变较大;循环荷载下,路基粗粒土应力比随着时间步数的增加在极短的时间内达到最高峰值,随后围绕平衡位置上下波动;偏应变在荷载加载阶段呈线性增大,在荷载卸载阶段呈线性减小,不可逆变形值接近于0. 013,表明路基填料具备了较大抗变形能力。     

破碎岩体注浆加固后的力学特性研究（双语出版）

基于理论分析建立破碎岩体注浆加固体力学模型,通过室内试验制作加固体试样并开展单轴抗压试验,分析破碎岩体含量、破碎程度、界面粗糙程度以及注浆材料黏结性能等因素对加固体强度的影响。试验表明：注浆加固体试样在单轴压缩破坏过程中,其内部石块基本保持完整性,破坏主要产生在交界面以及注浆材料内部;当V_BP较大时,在碎石体的阻隔作用下,破裂面无法一次性产生,且多为剪切型破坏;当V_BP较小时,压缩破坏过程中直接形成了上下贯通的破裂面,且多为拉断型破坏;对于未加固的破碎岩体,其强度随V_BP增加而减小,且强度离散程度较大;加固后其强度随V_BP的增大而增大,整体强度大幅提高,同时呈现出明显的线性相关性;加固体强度随碎石数量的增加而减小,二者的线性相关性不显著;加固体强度随着注浆材料黏结强度的增加而增加,随交界面体密度的增加而减小;交界面体密度与黏结强度相互影响,总体强度是二者耦合作用的结果。基于加固体力学模型以及单轴抗压试验数据提出了加固体强度计算公式,该公式考虑了破碎岩体含量、破碎程度、界面粗糙程度以及注浆材料黏结性能等因素对加固体强度的影响。通过与实际试验数据比较,证明了该公式可以较好地对破碎岩体加固强度进行预测。     

石灰改良粉质路基土永久变形特性研究

利用三轴循环加载设备对石灰改良粉质路基土进行重复加载,研究其永久变形特性.分析了循环累积应变与循环次数、围压、频率的关系.分析结果表明:路基土累积应变随应力水平和循环周数的增加而增加；累积应变的增长速率随应力水平的增大而增大,随应力水平的减小而减小；当应力水平高于临界值时,土体强度随循环周次的增加而软化、破坏.     

盾构管片接缝传力垫层的接触特性试验研究

为了研究盾构管片接缝的接触特性,采用带有橡胶垫层的混凝土试件来模拟盾构管片和橡胶垫层,通过加卸载条件下的直剪试验和单轴压缩试验,探究盾构管片接缝和接头处的切向和法向接触特性。由试验结果可知:1)接触面剪切应力随剪切位移的变化过程可以分为弹性变形、弹塑性变形和应变软化3个阶段,剪切峰值应力的残余百分比为55%~65%;2)橡胶垫层在混凝土之间起到了良好的缓冲作用,对管片的失稳破坏过程有一定的延缓作用;3)根据试验结果得出管片混凝土强度等级为C50、传力垫层厚度为2 mm时接触面的切向和法向接触刚度,为盾构管片接缝传力垫层接触摩擦特性的分析计算提供参考。     

基于声发射监测技术的非水反应高聚物受压损伤模型研究

为探究非水反应高聚物在上覆荷载作用下的抗压性能，对非水反应高聚物进行单轴抗压强度试验，探讨不同密度高聚物的破坏特征和强度，获得材料在压缩过程中的应力-应变曲线，通过声发射进一步了解高聚物破坏时的内部特征，得到表征高聚物损伤演化过程的声发射累计振铃次数曲线和损伤定位图。结果表明： 1）非水反应高聚物压缩过程的声发射响应分为上升期、平静期和剧烈波动期3个阶段； 2）高聚物密度越大，3个阶段的特征越明显，累计振铃次数越小； 3）声发射监测破坏位置与数量和试件实际受压破坏吻合较好，因此，声发射技术可以较为精准地监测非水反应高聚物的受压破坏。最后，基于Weibull分布提出非水反应高聚物损伤模型，通过与试验结果对比表明，建立的损伤模型可以较好地反映非水反应高聚物抗压损伤演化过程。     

干湿循环作用下某路基土强度特性研究

我国南方地区公路路基土的含水量通常处于随季节降雨而不断变化过程中,土的力学性能随干湿循环而呈现明显的周期性变化。通过进行某路基压实红粘土的干湿循环试验和固结压缩试验,对某路基红粘土湿化膨胀及干燥收缩和力学性能进行了研究。试验结果表明干湿循环过程中压实试样膨胀和收缩变形均随着循环次数的增加而减小;湿化膨胀和干燥收缩过程中累积的塑性变形随着干湿循环次数的增加而减小;初始饱和压实试样的屈服应力为70 kPa,弹性压缩指数为k=0.032,塑性压缩指数为λ=0.179;两次干湿循环后力学参数变大,多次循环后(四次)由于试样中微裂隙的产生导致力学性能变差。     

废旧橡胶轮胎颗粒-水泥改性强膨胀土的长期路用性能研究

为研究废旧橡胶轮胎(WRT)颗粒联合水泥改性强膨胀土作为路基填料的长期力学性能，采用不同掺量(3%、6%)的WRT颗粒联合水泥(3%),对广西宁明强膨胀土进行改性处理。对改性前后的试样开展扫描电镜(SEM)、核磁共振(NMR)等微观试验，对经历干湿循环作用后的改性膨胀土试样开展动、静三轴等宏观试验，测定其动回弹模量M_R及固结不排水抗剪强度，着重研究了干湿循环次数和WRT颗粒掺量对改性后强膨胀土路用力学特性的影响。结果表明：(1)改性膨胀土由于水泥的水化反应产生颗粒团聚作用，加之WRT颗粒的掺入，使其大孔隙增加，结构密实度降低；(2)WRT颗粒掺量一定时，随着干湿循环次数的增加，改性膨胀土的动回弹模量M_R表现出先增大后大幅减小的特点，其剪切破坏形态由塑性破坏向脆性破坏转变，应力～应变曲线由应变硬化型逐渐转化为应变软化型，抗剪强度有所增大；(3)M_R随着WRT颗粒掺量的增加而降低，但随围压σ_c的增加而增大，抗剪强度随WRT颗粒掺量的增加而下降。     

含水率和法向循环荷载对残积土剪切特性的影响

为了研究花岗岩残积土的静、动力剪切特性，利用大型直剪仪进行了一系列法向恒荷载和法向循环荷载作用下的直剪试验，采用了不同的含水率(13%、17%、21%、25%)、振幅(5、10、20、30 kPa)、法向加载频率(0.5、1、2 Hz)和初始法向应力(50、75、100 kPa),研究了残积土的剪应力、体积变形、强度参数和微观结构的变化规律。试验结果表明：在单调直剪和法向循环荷载作用下的直剪试验中，随着含水率的升高，土体由剪切软化变为剪切硬化，黏聚力先增大后减小，内摩擦角逐渐减小；在法向循环荷载作用下的直剪试验中，土体上、下剪切强度均随着含水率的升高先增大后减小，当含水率为17%时达到最大。相比于单调直剪试验，法向循环应力削弱了土体剪切强度，且含水率越低，强度比越小，法向循环应力对土体强度的不利影响越大；剪应力和法向位移随法向应力发生周期性波动，且剪应力和法向应力间存在相位差；土体剪切强度和法向位移随着振幅的增加先增大后减小，且振幅越大，剪应力幅值越大；法向加载频率越高，土体剪切强度越小，体积剪缩量越大。     

黄土的结构损伤特性研究

含水量不同的Q3黄土的单轴压缩试验研究表明,Q3原状黄土的单轴应力应变关系呈软化型,曲线峰值强度后的指数型应力应变关系可以用含损伤变量的线弹性本构方程描述。而损伤的门槛值σS及初始弹性模量E0则随着含水量的增加呈线性减少。以损伤是对黄土刚度劣化为前提,由试验得到的损伤变量表达式D仅为塑性应变的函数,与含水量的关系不明显,分析认为出现这种情况的原因可能是试验数据较少而引起的,因为含水量和塑性应变有关的损伤演化方程比较符合黄土损伤的实际状况。     

页岩循环冻融试验研究

冻融作用导致岩石微结构及力学性质劣化,是诱发岩体变形与破坏的主要原因之一。文中借助核磁共振技术、超声波检测、岩石压缩试验等手段,分析页岩在冻融循环作用下的微观结构及力学劣化特性,揭示受荷岩石冻融破坏机制。结果表明,页岩弹性模量E和单轴抗压强度Rc表现出相同的冻融损伤效应,均随冻融循环次数的增加呈指数衰减,且纵波波速与单轴压强之间存在指数函数关系;试样的核磁共振T2谱分布、孔隙率均随冻融次数的增加呈上升趋势,且表现为冻融初期(前30次)冻融劣化效果明显、冻融后期(后20次)趋于缓和,并结合核磁共振图像动态揭示了页岩的冻融损伤劣化过程。