围压作用下裂隙岩体变形破坏及碎胀特性研究

巷道等围岩常存在裂隙,其支护问题一直是岩石力学研究领域的重难点。为了深入研究裂隙岩体变形破坏的特性,开展了不同围压条件下不同裂隙倾角砂岩常规三轴压缩试验,探讨了围压及裂隙倾角对裂隙岩石强度的共同影响,获得了裂隙岩石强度与围压及裂隙倾角之间的关系,分析了不同围压条件下裂隙岩石的碎胀变形特性,建立了考虑裂隙倾角及围压的裂隙岩体碎胀变形模型,最后结合数值模拟试验对模型进行了验证与分析。研究表明:一定围压条件下裂隙倾角越大岩石强度越小,一定裂隙倾角下围压越大岩石强度越大,裂隙岩石强度受围压与裂隙倾角的共同影响;裂隙岩石的峰后碎胀变形远大于峰前弹塑性变形,围压主要影响裂隙岩石的碎胀变形,对峰前弹塑性变形的影响较小;而裂隙倾角对岩石峰前弹塑性变形及峰后碎胀变形均有影响,但由于破坏模式的不同,裂隙倾角对岩石峰后碎胀变形的影响规律不明显。     

不同节理倾角砂岩卸围压力学破坏特性试验研究

经历漫长地质构造后,岩体内存在大量的节理,而充分认识节理岩体卸荷力学行为对保障地下工程安全开挖具有重要的理论价值。因此,通过对预制节理砂岩试样开展卸围压试验,分析节理倾角对砂岩强度和变形破坏特性及声发射特征的影响规律。结果表明,卸围压对节理砂岩试样峰前应力-应变曲线特征影响较小,导致峰后的残余强度消失;节理砂岩试样卸围压峰值强度较常规三轴压缩低,且随节理倾角的变化规律相同;在倾角θ=40°时出现异常,主要是节理存在导致剪切裂纹向节理偏移。压密阶段声发射事件随节理倾角增大越来越不明显,而进入塑性段节理倾角对声发射特征影响较大。峰后声发射事件缓慢增加,主要是卸围压导致侧向做负功,一定程度上降低了弹性应变能释放的剧烈程度。     

化学腐蚀作用下黑云片岩峰后应变软化特性研究

为探索地下水腐蚀作用下黑云片岩的峰后应变软化特性,采用人工配置的酸性溶液对黑云片岩开展化学腐蚀,并对腐蚀后的岩石进行三轴压缩试验,得到不同腐蚀时间黑云片岩的全应力-应变曲线。在试验基础上分析腐蚀作用下岩石的峰后应变软化规律,获得了化学腐蚀作用下黑云片岩的黏聚力和内摩擦角变化规律;将峰值应力与残余应力的算数平均数定义为软化应力,拟合了峰后软化应力、软化模量与腐蚀时间的函数关系,基于Mohr-Coulomb屈服准则,构建考虑腐蚀时间的黑云片岩峰后应变软化模型并基于FLAC3D平台进行了二次开发,利用开发后的应变软化模型进行三轴压缩试验的数值模拟。研究结果表明:随着腐蚀时间的增加,黑云片岩的峰后黏聚力与内摩擦角均呈减小的趋势,应变软化速率增加,软化程度提高,岩石从脆性转为延性,峰值强度与残余强度之间的间距逐渐减小;数值模拟的结果与试验数据吻合较好,说明论文构建的应变软化模型具有较好的可靠性。     

黄土湿化特性的三轴试验研究

研究目的：本文旨在通过三轴试验，研究黄土湿化应力应变关系、强度特征及影响因素。 研究方法：通过等围压固结湿化试验和三轴剪切湿化试验进行研究。 研究结果：获得不同围压条件下固结湿化变形随时间变化规律，初始含水量、压实度的影响规律；获得不同应力水平下湿化应力应变关系、剪切湿化变形规律以及湿化对强度的影响等成果。 研究结论：（1）湿化变形受初始含水量及压实度的影响很大；（2）湿化条件与不浸水条件下，应力一应变关系均表现为应变硬化特性；（3）剪切湿化体积变形随应力水平的增加而减小，轴向变形随应力水平的增大而增大；在同一应力水平下，体积变形与轴向变形均随平均主应力的增大而减小；（4）湿化不仅降低了黄土的强度，也降低了黄土达到破坏时的应变。     

活性粉末混凝土的常规三轴压缩性能试验研究

通过活性粉末混凝土在不同围压下的常规三轴压缩试验,研究活性粉末混凝土的破坏形态、强度特征和变形规律。结果表明:围压≤60 MPa时,活性粉末混凝土的常规三轴压缩破坏形态主要表现为劈裂破坏,围压为65MPa时,破坏表现出挤压流动特征;在不同的围压条件下,活性粉末混凝土试件的应力—应变曲线的形状基本相似,均经历压密、弹性、应力软化和荷载稳定下降4个阶段;活性粉末混凝土的三轴抗压强度、弹性模量和轴向峰值应变均随围压的增大而近似线性增长,但活性粉末混凝土的三轴抗压强度随围压增长的速度较普通混凝土缓慢;在到达峰值应变之前,活性粉末混凝土的割线泊松比表现出随围压的增大而减小的规律,此阶段的体积应变表现为压缩。     

双轴压缩条件下碎石集料静力剪切特性研究

基于离散单元法,利用PFC2D内置Fish语言编制碎石集料双轴实验条件,结合计算机语言与PFC2D中Clump命令编制将球形单元转化为随机多边形块体单元的程序。通过对比室内大型三轴试验对数值模型进行参数标定与验证,在此基础上分析3种典型粒径碎石集料的应力-应变特性以及抗剪强度特性。结果表明,围压对集料的应力-应变特性影响明显。对于不同粒径的碎石集料而言,随着围压的增加,偏应力峰值增加而应力比减小;在本文选定的围压范围内碎石集料均呈现出先压缩最终剪胀的特性,围压越大,压缩量大,最终的剪胀越不明显;碎石集料的强度包络线为非线性,相同围压条件下的抗剪强度随着粒径的增大而增加;表征摩擦角随围压的增加而减小,相同围压下,粒径越大,表征摩擦角也越大。     

变质软岩路堤填料特性的大型三轴试验研究

陕西省柞水至小河高速公路建设中遇到大量的变质软岩填料,由于其风化严重,裂隙发育,强度较低,在爆破开采、装载运输、机械摊铺、碾压成型和整平过程中颗粒破碎严重,遇水后会进一步发生破碎,影响路堤的稳定性。因此,在开展岩石成分分析与力学试验的基础上,对风干与饱和情况下的变质软岩填料进行了大型三轴试验研究。试验结果表明:剪切过程中试样在不同围压下的应力应变关系呈硬化型,应变较小时剪缩明显;试样的内摩擦角较大,并随着围压的增加而减小;饱和情况下试样的强度参数小于风干时,但变化幅值较小,总体上能够满足工程强度及质量要求,可以用作高速公路路堤填料。     

温度与围压作用下的岩石损伤本构关系研究

基于统计强度理论及损伤力学原理,以H-B准则为岩石强度准则,构建考虑温度与围压共同作用的岩石损伤演化方程及本构模型,采用理论推导与试验相结合的方法推导出模型参数;根据前人的试验参数,拟合出某大理岩在15 MPa围压、不同温度和200℃、不同围压下的应力应变曲线,与试验曲线进行比较以验证模型的可靠性。研究结果表明:所构建的岩石损伤演化方程和本构模型在15 MPa围压和不同温度情况下以及200℃温度和不同围压情况下的拟合应力应变曲线与试验曲线吻合良好,岩石杨氏模量、峰值应力和峰值应变高度一致,能够很好地反映岩石在温度和围压作用下的损伤演化和本构关系,验证了该模型及模型参数确定方法的合理性和可靠性;为岩石力学的发展和工程应用提供了新的岩石损伤模型和本构模型,具有一定的理论价值和实际意义。     

拉林铁路隧道富水冰碛层力学特性研究

对川藏线拉林铁路隧道穿越的富水冰碛层试样进行大型三轴剪切试验,研究相对密实度、含水率对富水冰碛层的影响规律,并分析围压对冰碛层峰值强度的影响。试验结果表明:冰碛层的峰值强度随着相对密实度的增大先缓慢增加后逐渐平稳,黏聚力随相对密实度的增大先减小后增大;冰碛层的峰值强度随着含水率的增大先增大后减小,黏聚力随着含水率的增加先缓慢增加后急剧减小,内摩擦角随着含水率的增加先缓慢增加后减小;相对密实度较大时围压对峰值强度的影响不再明显,不同含水率时围压对于峰值强度的增长率影响较小。     

冰碛体三维细观结构随机重构及大型三轴试验离散元模拟研究

基于凸多面体顶点和面之间的拓扑关系,利用python语言编制三维随机块石生成程序,对生成的块石填充土体进而形成冰碛体数值模型。采用块体离散元程序对不同冰碛体试样进行了大型三轴试验模拟,研究了空间分布、围压大小和块石含量对冰碛体力学特性及变形破坏的影响。数值模拟结果表明,在三轴加载下,冰碛体试样发生剪胀现象,破坏后的剪切带表现出一定的绕石现象,形态上呈非对称的X形分布且受块石含量、空间分布、围压大小共同影响。冰碛体强度随着围压的增大而增大,侧面鼓胀随围压增大而减小,当围压大于800 kPa时,冰碛体在破坏后表现出应变硬化;随着含石量由5%增至35%,冰碛体黏聚力提高了68.21 kPa,内摩擦角提高了8.63°,内部块石分布造成的强度差异由0.03%增长到7%。其中含石量15%～30%阶段,抗剪强度参数急剧增大,块石对土颗粒约束增强,冰碛体由“块石悬浮”转变为“土石密实”,其余阶段黏聚力和内摩擦角缓慢增大。     

粉质黏土强度特性应变速率效应的试验研究

应变速率是影响土体强度特性的主要因素之一。通过粉质黏土在不同应变速率和围压下的三轴试验,分析应变速率对应力-应变关系的影响机理。结果表明:应变速率效应受到土骨架黏滞性、固结和孔隙压力的综合影响,各因素对围压和应变速率的响应不同。高围压和低应变速率有利于固结,低围压和高应变速率会增大黏滞性作用比例,高围压和高应变速率会增强孔隙压力影响。峰值强度在高围压下随应变速率的增大先减小、后增大、再减小,在低围压下则先减小、后增大,应变速率临界值随围压的增加而增大,应变速率敏感程度随围压的增大而降低。弹性模量在低围压下随应变速率单调增大,在高围压下先减小、后增大。可以分别采用线性函数和二次多项式描述应变速率对土体力学和变形参数的影响规律。     

增量加卸荷作用下砂岩破坏与声发射特征研究

在公路隧道的施工和运营阶段,岩体经常会受到反复加卸荷的作用。为探究反复加卸荷作用下软岩的强度劣化趋势及声发射特征规律,通过室内单轴反复加卸荷试验配合声发射监测,研究砂岩在不同反复加卸荷条件下的变形、破坏和声发射特征。结果表明：增量反复加卸荷作用下砂岩的破坏形式与其常规单轴的破坏形式具有关联性,主要以剪切破坏形式为主,破碎程度有所提高。在增加保载作用之后,砂岩破裂面变得圆润光滑;反复加卸荷作用下砂岩强度较单轴抗压强度提高了6.8%,增加保载作用后提高了9%;砂岩在反复加卸荷作用下,其扩容应力无明显变化且仍表现出弹塑型破坏特征。在增加保载作用之后,砂岩的滞后变形特征明显;砂岩在峰值应力水平46%～62%之间Kaiser效应明显,在70%以后Felicity效应明显,且FR能较好地量化岩石损伤演化的过程。在增量反复加卸荷过程中,随着加载次数的增加,FR呈现出先增大后减小的规律。根据FR突然降低时的加载应力,可以判断岩石的裂缝损伤应力所处的范围,可为预警岩石破坏提供应用。研究结果可为实际岩石工程中岩体在受到循环反复加卸荷作用下的长期稳定性的评价提供试验参考和理论依据。     

不同应力路径下非饱和黄土结构特性及其本构模型研究

以不同含水率的原状黄土与相应的重塑黄土为研究对象进行等应力比加载试验,探讨黄土在不同应力比三轴试验条件下的结构变化特性,求取非饱和黄土不同应力条件下的综合结构势参数,选择合适的硬化参数建立非饱和黄土的弹塑性本构模型。研究结果表明:原状黄土与重塑黄土的p-εv曲线有明显不同,应力比k相同的原状样较重塑样的体应变εv偏小;原状黄土的结构破坏强度随含水率的增大而减小且与含水量呈幂函数关系,结构性参数mp随球应力p及应力比k的增大而减小,且不同应力比下的结构性参数mp最后几乎稳定在同一水平;原状黄土的mp*εv-p关系曲线中结构性应变mp*εv与应力p表现为双曲线形式,选择合适的硬化参数可建立弹塑性本构模型较好地模拟不同围压与初始含水量下结构性黄土的应力应变特性。     

重载铁路路基低液限粉土的动力特性

针对朔黄重载铁路路基不同饱和度的低液限粉土填料,开展了不同围压、不同动应力幅值的动三轴试验。分析了围压、饱和度、固结比等因素对低液限粉土动力特性的影响。结果表明:低液限粉土填料的动剪应力随围压的增大近似线性增大,随饱和度的增大而降低;抗剪强度随饱和度的降低而增大;破坏振动次数越大,对应的液化应力比越小;饱和试样的液化应力比随围压增加而增加,非饱和试样则反之;动弹性模量随围压和固结比的增大而增大,但饱和度对于动弹性模量的影响规律不明显。研究结果可供重载铁路路基动力特性评价和加固设计参考。     

压实黏性土剪切破坏参数探讨

压实黏性土是静水压力和应变率相关性材料,其强度与土体的实际应力状态有关.通过静水压力试验和常规三轴压缩试验,通过不同压实度和含水率下压实黏性土的应力一应变曲线,得到了剪切破坏面函数、剪切运动硬化和基于能量损伤软化函数.通过对试验数据的拟合分析,对黏性土剪切运动硬化参数和剪切破坏面参数进行了探讨,验证了在地基处理中,黏性土在低围压条件下表现出软化,而在高围压条件下表现出硬化的现象,可以采取强夯法与振冲法相结合对黏性土地基进行处理.     

蒙辽客运专线粉砂地基固结压缩特性的三轴试验研究

依托新建通辽至京沈高铁新民北站铁路路基工程,对细颗粒含量分别为10%、15%、30%和40%的中密状态粉砂开展一系列室内固结不排水三轴试验研究,通过试验研究不同细颗粒含量粉砂在不同围压条件下的应力-应变关系、孔隙水压力的涨消发展模型及初始剪切模量的发展规律,揭示细颗粒含量和围压对中密状态粉砂应力-应变关系、孔压演化特性及初始剪切模量的影响规律。结果表明:空间应力状态下的不同细颗粒含量中密粉砂的应力-应变关系曲线以硬化型为主,符合增长型双曲线模式,且随着围压的增加,应力-应变关系曲线呈现强硬化状态,随着细颗粒含量的增加,应力-应变关系曲线呈现弱硬化状态。孔隙水压力的变化表现为随剪切的发展先经过一段上升过程,达到峰值后又开始下降,且随着细颗粒含量的增加,围压的增大,孔压的峰值越高,孔压消散速度降低,剪切完成后的残余孔压越大。初始剪切模量与围压呈正相关,即随着围压的增大而增大。同时,运用ABAQUS有限元程序建立计算机模型模拟试验,进一步验证上述分析结果的真实性与可靠性。     

风化花岗岩及水泥稳定土的动模量影响因素研究

动模量是土动力学的重要参数,从风化花岗岩的物理指标入手,通过风化花岗岩及其改良土的动三轴对比试验,研究各种因素与动模量的相关关系。结果表明:风化花岗岩的动模量随动应力增加而减少,随围压增加而增加,随密实度呈幂函数关系增加;在最佳含水量附近,全风化花岗岩的动强度和动模量有最大值;随水泥掺入量增加而增加,若试样的水泥含量超过11%,动模量不随动应力的变化而变化。     

CRTSⅡ型无砟轨道CA砂浆变形及力学特性动三轴试验研究

CA砂浆是板式无砟轨道的关键组成部分,起弹性垫层的作用。为研究CRTSⅡ型CA砂浆在围压和荷载幅值耦合作用下的变形及疲劳后力学特性,采用GDS三轴仪在5种荷载幅值(0.3,0.35,0.4,0.45,0.5 kN)和4种围压(0,200,400,600 kPa)作用下进行室内动三轴试验,得到累积应变及疲劳后峰值强度的变化规律,并对影响疲劳后峰值强度的荷载幅值和围压进行二元线性回归分析。结果表明:疲劳后的峰值强度随荷载幅值的增加而线性降低,随围压的增加而线性增加;围压增大,荷载幅值对峰值强度的影响减弱,荷载幅值增大,围压对峰值强度的影响作用增强;荷载幅值和围压二元线性回归分析的相关系数为0.973;同一围压下,累积应变随循环次数增加而增加,增长速度渐渐变缓;同一循环次数下,累积应变随荷载幅值的增加而增加,且随着围压增大,荷载幅值对累积应变的影响减弱。     

砂岩层理构造对力学特性影响分析

层理构造是影响岩石力学特性的重要因素,通过开展不同层理构造砂岩的三轴蠕变试验,分析层理构造对砂岩力学特性的影响。试验结果表明:砂岩具有蠕变特性,并且层理构造不同,蠕变特性具有明显的各向异性特性。分析表明,在三轴应力状态下砂岩表现出瞬时变形、衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变特征;在低应力水平条件下,砂岩变形以瞬时变形为主,随着应力水平增加,蠕变变形不断增大,最终导致试样破坏;随着层理角度增大,砂岩试件的长期强度、峰值强度、弹性模量先减小后增大,稳定蠕变速率呈"M"形变化;应力与层理夹角不同导致砂岩的破裂模式不同,层理角度30°时,主要发生沿着层理面的剪切破坏,其他层理角度时,主要发生斜交层理面的剪切破坏。     

青藏铁路原状冻结砂土动力特性参数试验研究

以青藏铁路抗震研究为背景,研究原状冻结砂土动力特性参数。基于低温动三轴试验仪分析原状冻土动弹性模量、阻尼比及其与振动频率、围压和试验负温的关系。试验结果表明:动三轴试验温度-10~-0.6℃、围压0.1~0.5 MPa、荷载振动频率0.5~5Hz时,含水量为16.1%的青藏铁路DK1047+000段清水河原状冻结砂土动弹性模量试验值为900~1 350 MPa,阻尼比为0.04~0.15;随着荷载振动频率增大,冻土动弹性模量呈对数曲线增长;围压对冻土的作用分为增强效应和减强效应,围压较小时动弹性模量随着围压的增加而增大,达到临界围压后动弹性模量随着围压的增加而减小;动弹性模量随着温度降低线性增长,负温对动弹性模量影响较明显;频率、负温对阻尼比的影响与其分别对动弹性模量的影响呈近似相反的规律,随着围压的增加阻尼比分布变得分散。