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。     

循环荷载下微波照射玄武岩的损伤变形与能量特征

为研究微波处理对循环加卸载条件下岩石的损伤变形及能量特征的影响，分别对未进行微波处理和微波处理后的玄武岩试样进行单轴压缩试验和循环加卸载试验(循环4次，应力上限分别为相应单轴压缩峰值强度的4个等分点)，分析微波作用对循环荷载下玄武岩应力-应变曲线、强度、变形、损伤和能量特性的影响。结果表明： 1) 微波照射后试样的强度、峰值变形与微波照射时间呈负相关关系； 2) 由于微波的作用，加载的损伤随着循环次数增加呈现先减小、后增大的趋势，其中最后一次循环对试样造成的损伤最大，且微波照射时间越长，每次循环的应力上限越低，其损伤变量越小； 3) 微波照射后，每个循环过程中耗散的能量和外力功均随照射时间的增加呈递减趋势，试样破坏需要的能量随微波照射时间的增加而减小，微波照射降低了试样破坏的能量门槛。     

不铺设和铺设玻纤格栅的路基建筑垃圾填料力学特性研究

针对不铺设和铺设玻纤格栅两种不同工艺填筑路基所使用的建筑垃圾试样开展不同围压下的三轴压缩试验。结果表明:不同围压下建筑垃圾试样的应力-应变关系在初始段近似线性增加，低围压下试样有明显的峰值应力，高围压下试样的偏应力并无明显峰值而是随轴向应变持续缓慢增加；不铺设和铺设玻纤格栅建筑垃圾的黏聚力、内摩擦角、弹性模量E₅₀差异很小，割线模量E_sec随应变呈先增大后减小的趋势，且围压越大E_sec越大。因此，铺设玻纤格栅后有利于提高以建筑垃圾作为填料路基的整体稳定性。     

贯穿裂隙岩体峰后变形特性研究

岩体峰后变形反映了其峰值强度后屈服、弱化的规律,为探寻规律,用RLW-1000型岩石三轴伺服刚性机,对不同倾角贯穿裂隙圆柱体标准试件进行常规三轴压缩试验,得到贯穿裂隙岩体的泊松比、峰值应变、峰后体积应变等的变化规律.经试验数据分析表明:峰后软化阶段的泊松比最大,峰值前弹性阶段泊松比最小,三个阶段的泊松比值与裂隙倾角基本无关;峰值应变基本随着裂隙倾角的增大而减小;峰后体积应变速率随着裂隙倾角的增大而减小.     

裂隙性黄土单轴抗压强度离散元分析

为探究单轴压缩条件下裂隙倾角对裂隙性黄土的应力-应变曲线、单轴抗压强度以及破坏模式的影响规律。将数值模拟结果与试验结果进行对比,验证数值模型的可靠性,基于此采用离散元软件3DEC开展裂隙性黄土单轴抗压强度数值模拟。结果表明:裂隙倾角对裂隙性黄土的应力应变曲线影响显著,裂隙倾角10°～30°时,曲线有明显的屈服强度且应变较大;裂隙倾角50°～70°时,曲线没有明显的屈服强度,应力陡降且应变较小;裂隙倾角为0°和90°时,曲线没有明显的峰值点和应力降;随着裂隙倾角的增大,裂隙性黄土单轴抗压强度呈现先减小后增大的趋势,且存在最不利裂隙倾角区间(60°,70°)。不同倾角的裂隙性黄土的破坏模式不同,主要有压裂破坏、滑移破坏、滑移压剪复合破坏以及压裂滑移混合破坏等4种类型。基于Mohr-Coulomb准则,计算了不同裂隙倾角的裂隙性黄土单轴抗压强度理论值,将理论计算结果与数值模拟结果进行对比,发现当β≤φ_j=32°和β=90°时试样的抗压强度理论值相同,而试验值和模拟值并不相同,说明数值模拟结果比理论计算结果更加符合实际情况,进一步说明了数值模拟结果的合理性。     

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。     

有限元-无网格伽辽金耦合方法模拟沥青路面裂纹扩展

基于断裂力学理论,利用无单元伽辽金-有限元耦合方法分析了沥青路面的开裂问题,研究了水平荷载、结构参数等因素的影响。结果显示,水平荷载对沥青路面Top-Down裂纹(TDC)的扩展不利,它使得裂纹尖端的应力强度因子增大,裂纹扩展路径缩短,疲劳寿命减小;交通荷载作用下,沥青面层越薄,越容易产生开裂;Ⅰ、Ⅱ型应力强度因子随着沥青面层模量、基层模量的增加而近似线性增加,裂纹的起裂角随着面层模量的增加而减小,随着基层模量的增加而增大;随着土基弹性模量的增加,Ⅰ型应力强度因子线性减小,裂纹扩展角增大。     

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。     

基于全应力应变曲线的岩石脆性特征评价新方法

为了研究更加合理有效、适用范围更广的岩石脆性表征方法,采用了理论分析与试验结果验证的方法,分析了脆性对于实际工程的重要意义,以及现有的基于强度特征、应力应变曲线、矿物组分、断裂韧度等的脆性指标,对其合理性及在使用中的局限性进行了总结,进一步研究了应力应变曲线对于岩石脆性的表征作用,在此基础上综合考量了峰前应力增长速率、幅度及峰后应力应变关系,提出了基于全应力-应变曲线的岩石脆性特征评价方法,并通过不同岩石单轴压缩和三轴压缩试验数据进行验证。结果表明:在单轴压缩条件下,花岗岩、砂岩、灰岩、大理岩脆性依次减小,符合脆性越大破化现象越明显的规律;在三轴压缩条件下,对于同种岩石该指标随围压的增大逐渐减小,符合岩石随围压增大而表现出的脆-延转换规律;该指标能够对不同岩石的脆性做出较为准确的评价,该指标对于复杂应力条件下的岩石也能较好地反映其脆性特征;该指标对于岩石不同应力状态下其内部性质的外部反映进行了全面考虑;该方法中所使用的参数均为常规三轴压缩试验容易获取的参数,其具有适用范围广和可操作性强的特点。研究结果可以进一步丰富和完善现有岩石脆性评价体系,对实际工程具有一定的指导意义。     

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。     

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...     

层状围岩节理倾角对隧道光面爆破效果的影响

同种爆破参数对不同类型地层开挖时体现的爆破效果相差明显，运用LS-DYNA软件建立不同倾角下不同层厚节理地层的隧道爆破模型，重点研究不同倾角节理时同种周边眼光面爆破参数下的爆破效果，以探明层状节理隧道爆破规律。结果表明:层状节理围岩下隧道爆破产生的超欠挖明显，且由于重力作用下节理岩块脱落效果及节理面上法向应力较小，超欠挖量随倾角的增大而减小；节理和岩体爆破时吸收的能量也与倾角呈正相关关系，且节理吸收能量约为岩体的15 %～20 %。     

干湿循环作用下红砂岩强度劣化特性试验

为探究库水位周期性涨落条件下,库岸边坡消落区岩体的强度劣化特性及损伤演化规律,以红砂岩为研究对象,通过干湿循环试验模拟库岸边坡岩体的实际赋存环境,以常规单轴、三轴试验为手段,开展干湿循环作用下红砂岩强度劣化特性试验研究,分析干湿循环作用下红砂岩波速等特性的演化规律,定量分析了干湿循环作用对红砂岩强度主要力学参数的影响,并提出了基于黏聚力的损伤变量。结果表明：随干湿循环作用次数的增多,红砂岩的波速逐渐减小,孔隙率逐渐增大,减小和增大的趋势呈现出明显的三阶段特征,红砂岩单轴强度也逐渐减小,对应的峰值应变逐渐增大,其破坏形式为脆性破坏;以波速计算的红砂岩损伤变量表明,损伤变量随干湿循环次数的增多呈非线性增大趋势,可采用幂函数拟合;干湿循环作用下红砂岩黏聚力显著减小,而摩擦角变化不明显,干湿循环作用主要通过弱化黏聚力造成红砂岩单轴强度的降低,单轴抗压强度降低百分比η_1N与黏聚力降低百分比η_2N呈显著非线性对应关系;提出了基于黏聚力衰减的新损伤变量,并通过与波速损伤变量的计算值和试验值的对比验证了该损伤变量指标的合理性。     

干湿循环作用下预崩解炭质泥岩裂隙发育规律及强度特性

由于炭质泥岩遇水易风化、强度低、变形大，干湿循环作用下炭质泥岩路堤易形成纵横交错的裂隙网络，加速路堤边坡失稳。为分析干湿循环作用下预崩解炭质泥岩裂隙演化规律与强度特性，通过制备较大尺寸预崩解炭质泥岩试样，开展室外裂隙演化原位试验及裂隙试样直剪试验，实时拍摄不同干湿循环次数下试样裂隙扩展图像，并基于裂隙图像特征参数对各阶段裂隙特征进行定量化描述，进而构建预崩解炭质泥岩的抗剪强度与裂隙参数关系模型。研究结果表明：预崩解炭质泥岩裂隙数量、裂隙最大长度及裂隙率等裂隙参数均随干湿循环次数分为迅速增长、缓慢增长、趋于平缓3个阶段；各因素对裂隙发育影响程度由强至弱依次为初始含水率、干密度、干湿循环次数；含裂隙试样剪切时遇到裂隙剪切应力会发生暂时性衰退，不同裂隙参数试样的黏聚力变化显著，而内摩擦角变化甚微，内摩擦角变化主要取决于土体干密度的变化，而黏聚力变化取决于初始含水率，抗剪强度主要与黏聚力相关联。为研究土体抗剪强度与裂隙参数的关系，拟合得到了裂隙率与黏聚力的指数关系模型，发现其拟合变化曲线呈凹形的抛物线变化，其抛物线分急剧降低和趋于稳定2个阶段。研究成果可为预崩解炭质泥岩路堤工程施工及稳定性分析提供参考。     

高温淬火后预制孔洞花岗岩力学特性试验研究

运用弹性接触理论对不同温度热处理淬火后的含预制孔洞花岗岩试样开展三轴压缩试验和微米压痕试验,研究含缺陷孔洞花岗岩的物理力学性能受温度影响的变化特征,对比分析了花岗岩试样在不同高温热处理淬火后相关力学参数的变化规律。试验结果表明:在0 MPa围压时,岩样峰值强度随着热处理温度升高呈先增大后减小的趋势;在5 MPa围压时,随着热处理温度升高,花岗岩试样峰值强度逐级降低。花岗岩试样的弹性模量在200 ℃时呈略微增大趋势,随着温度的不断升高而逐渐减小,岩样的泊松比无明显的变化规律,而岩样的体积应变逐渐增大。花岗岩试样维氏硬度在200 ℃和400 ℃时呈增加趋势,而在600 ℃时发生骤降。     

高压水刀辅助TBM滚刀破岩效率室内模型试验

研究不同工况条件下高压水刀辅助TBM滚刀破岩效率,对于进一步优化该新兴技术,实现高强度高磨蚀性地层TBM高效安全掘进具有重要意义。为此,基于室内滚刀贯入模型试验,对不同低围压作用(围压p₀=0,1.25,2.5 MPa)以及不同高压水刀预切割竖向裂缝几何参数(切缝深度H=10,20 mm,预切缝-刀具轴线间距L=0,20,40 mm)条件下高磨蚀性硬岩试样滚刀贯入破碎过程及破岩效率影响规律展开研究。试验结果表明:低围压且无预切缝条件下,随着围压的增大,岩样峰值贯入荷载增大,贯入荷载-贯入度曲线跃进跌落次数增多,试样破坏特征从脆性破坏向延性破坏转化,无围压条件下高强度高磨蚀性地层TBM掘进难度高于常规强度地层和高强度磨蚀性地层;低围压且有预切缝条件下,预切缝-刀具轴线间距L=0时,岩样发生劈裂模式破坏,无围压条件下,L=0时,其峰值贯入荷载显著小于L≠0情况,有围压条件下,L=0时,岩样达到峰值贯入荷载所对应的贯入度显著大于L≠0情况;有预切缝条件下,预切缝-刀具轴线间距L≠0时,预切缝深度H越大,破岩效率越高,较大的高压水刀切割深度H能够降低高强度高磨蚀地层TBM掘进中滚刀的磨损率;有预切缝条件下,当预切缝深度H一定时,不同L值下的岩样峰值贯入荷载及对应的贯入度都随着围压增大而增大,而当L值较大时,一定程度上需提高掘进推力才能够实现高效破岩。     

螺旋箍筋约束高强混凝土柱轴心受压性能试验研究

为探究螺旋箍筋约束高强混凝土柱的轴心受压性能,开展了42根螺旋箍筋约束高强混凝土圆柱的轴压试验,研究了混凝土标准立方体抗压强度(58.0~90.6 MPa)、箍筋屈服强度(480~1 219 MPa)、体积配箍率(1.00%~1.60%)与箍筋间距(45~80 mm)对螺旋箍筋约束混凝土柱受压承载力和变形能力的影响。试验结果表明:箍筋约束混凝土在达到峰值压应力时,约束箍筋可能达不到屈服;约束箍筋的强度和体积配箍率相同时,随着高强混凝土强度的增高,约束混凝土达到峰值压应力时箍筋的拉应变减小;混凝土轴心抗压强度、箍筋屈服强度相同时,随着体积配箍率的提高,约束混凝土峰值压应变增大,相应的横向应变也随之增大,箍筋拉应变也增大。基于试验结果,考察了峰值压应力下箍筋拉应变与体积配箍率、混凝土强度、箍筋屈服强度和箍筋间距之间的关系,建立了峰值压应力下约束箍筋拉应变计算公式。拟合得到了约束混凝土峰值压应力f_cc、峰值压应变ε_cc、下降段曲线的特征参数(峰值压应力后85%峰值应力下的轴向压应变ε_c85、50%峰值压应力的轴向压应变ε_c50)的计算公式。给出了考虑体积配箍率、混凝土轴心抗压强度、箍筋间距和箍筋屈服强度影响的箍筋约束高强混凝土的轴心受压应力-应变关系模型。     

计入受压宽度的圆盘劈裂问题弹性解及应用

为了完善计入受压宽度的圆盘劈裂问题的理论基础，构建了一个可满足圆盘外表面任意应力条件的Airy应力函数，应用该应力函数推演了圆盘上、下外表面局部荷载作用下的弹性解，通过调整局部荷载的分布形态得到了与圆盘同半径刚性弧形垫条及承载压板下的圆盘劈裂问题解。研究了2种加载形式、荷载接触宽度、材料泊松比及不同平面假设条件下圆盘的应力-应变规律，提出了圆盘最大拉应力和最大拉应变的回归公式，讨论了圆柱体劈裂问题的应用。结果表明：圆盘的最大拉应力始终出现在圆心位置，其值随着荷载接触角的增加而减小，与套用集中力作用下圆盘劈裂强度计算式得到的劈裂强度偏差随着荷载接触角的加大而增大；圆盘的最大拉应变随着材料泊松比增大、荷载接触角缩小而加大，其位置也随之由圆心向荷载作用区靠近，且平面应变状态的最大拉应变比平面应力状态的最大拉应变大一些；在外荷载总量相同的情况下，平面应力状态的圆盘上、下对称轴的压缩量较平面应变状态的大一些，当材料泊松比分别为0.2，0.4时，两者相差约4%和20%；最后，给出了圆柱体劈裂强度及劈裂压缩强度比的计算式，并认为现行国际岩石力学学会（ISRM）、美国材料与试验协会（ASTM）和中国圆柱体劈裂试验规程中采用固定荷载半接触角为0.128的弧形垫条是必要且较适合的。