RT3型岩石高压真三轴仪研制成功

由中国科学院武汉岩土力学研究所许东俊副研究员主持研制的RT3型岩石高压真三轴仪最近研制成功,于1989年11月在武汉通过了专家鉴定。RT3型岩石高压真三轴仪由三轴压力室、轴向（σ1）和横向（σ2）加载系统、三向增压器系统、应力应变测试系统和操作台等部分组成。采用5×5×10cm的长方体试件,可施加最大主应力σ1最高达800MPa,中间主应力σ2达200MPa、最小主应力σ3达200MPa。该设备可以独立地控制和改变三个主应力,并能测定三个主应力方向上的应变和声波传播参数,从而可以模拟工程岩体和地壳内部的任何应力状态和应力途径,为岩石力学基础理论、工程岩体稳定性和地震前兆特性等研究提供了新的实验手段。     

岩体变形和破坏的各种应力途径

在真三轴应力状态下进行了各种应力途径的岩石变形和破坏实验。实验表明,三个主应力的变化(最大主应力的增加,最小主应力的减小,围压的减小以及中间主应力的增加或减小)都能引起岩石变形和破坏。而且岩石的强度、延性和脆性、体积变化和破坏前兆等都与应力途径有关。据根试验结果探讨了岩体工程中的应力途径问题。     

RDT-10000型岩石高压动力三轴仪的研制

根据对防护工程、爆破工程、地震工程和其它高压、高速工作的研究需要,研制了一台岩石高压动力三轴仪。它可研究岩石或其它材料在三轴动、静力条件下的应力-应变关系。该三轴试验仪的特点是高压、高速,能使岩石试件在围压为0-1000MPa,轴压达0-4000MPa的条件下进行试验,快速加载只需4-9ms就可使荷载由零上升至峰值,应变速率达100s-1。本文介绍了三轴仪的主要结构,动加载原理,密封,高油压下的测量手段等,还介绍了用这台设备对各种岩石在各种应力条件下所进行的应力-应变关系、强度、变形、破坏、应变速率效应等试验的情况和所获得的试验数据。     

空心圆柱砂岩真三轴试验研究

利用岩石空心圆柱扭剪试验系统针对灰砂岩进行真三轴试验研究,分别开展控制（σ2-σ3）（σ2为中间主应力,σ3为最小主应力）条件压缩试验和恒σ3、变σ2条件压缩试验,对灰砂岩的应力-应变规律、强度特性及破坏特征进行详细分析,并进一步探讨了中间主应力效应,最小主应力效应,应力洛德角效应以及强度准则的适用性。研究结果表明：岩石空心圆柱扭剪试验系统能够实现真三轴应力状态的模拟,相较于常规的实现方式,该方法可避免端部摩擦的影响;内外围压的压差对岩石强度有很大影响,尤其是在高围压下,较大的压差使得岩石强度迅速弱化导致剧烈破坏;中间主应力对岩石强度影响显著且具有区间效应,最小主应力对岩石强度有强化作用,该特点对于实际工程开挖岩体的高效及时支护具有重要的指导意义;进一步地,根据所获试验结果对现阶段用于描述岩石力学特性的强度准则进行分析,认为采用指数强度准则能合理反映岩石真三轴应力状态,具有较好的适用性,可用来评价实际工程中岩石的强度特征。     

RDT—10000型岩石高压动力三轴仪的研制

根据对防护工程、爆破工程、地震工程和其它高压、高速工作的研究需要,研制了一台岩石高压动力三轴仪。它可研究岩石或其它材料在三轴动、静力条件下的应力-应变关系。该三轴试验仪的特点是高压、高速,能使岩石试件在围压为0—1000MPa,轴压达0—4000MPa的条件下进行试验,快速加载只需4—9ms就可使荷载由零上升至峰值,应变速率达10~0s~(-1)。本文介绍了三轴仪的主要结构,动加载原理,密封,高油压下的测量手段等,还介绍了用这台设备对各种岩石在各种应力条件下所进行的应力-应变关系、强度、变形、破坏、应变速率效应等试验的情况和所获得的试验数据。这台设备填补了我国空白。     

真三轴循环主应力作用下砂岩能量演化规律

为了探究真三轴主应力循环加卸载对砂岩能量积聚与耗散的影响,利用自主研发的真三轴扰动卸荷岩石测试系统进行了3个主应力循环加卸载试验。基于真三轴循环加卸载应力-应变演化规律与加卸载特征,划分了主应力循环加卸载试验中加载、卸载的种类;通过对三向主应力循环加卸载过后岩体表面裂纹对比分析,发现最小主应循环对岩体产生损伤最大,中间主应力次之,最大主应产生损伤最小;利用图形面积积分法与叠加法分别计算了真三轴循环加卸载的弹性能密度、耗散能密度与输入能密度,分析了三者随主应力次数增加的演化规律与加卸载过程中的能量分配;利用真三轴同时加卸载试验,验证了上述提出的能量分析方法的合理性与准确性,对其3个主应力方向卸载释放弹性能密度分析,发现循环加卸载产生的损伤对岩体储存弹性能密度影响较小。对比了3个主应力卸载对砂岩损伤与能量耗散的影响,对巷道掘进方向进行了进一步讨论。     

茂木岩石真三轴压缩仪的结构及特点

茂木清夫教授,从1960年开始致力于岩石的三轴压缩实验的研究.经过近十年的努力,对Von Karman型普通三轴压缩仪进行了重要的改进,并研制成功了世界上第一台岩石真三轴仪.它能够在均匀的真三轴应力状态下研究岩石的力学特性.     

应力状态对粗粒料力学特性影响的大型真三轴试验

土石坝所处的应力状态较接近平面应变应力状态或三维应力状态,而常规三轴试验低估了粗粒料的力学性能。应用大型真三轴仪对常规三轴应力状态、平面应变应力状态和真三轴应力状态（ 0.25, 为中主应力系数, 、 、 分别为大、中、小主应力）下粗粒料的力学特性进行了压缩试验研究。试验结果表明：相同小主应力下,常规三轴试验、平面应变试验、真三轴试验的大、小主应力之差与大主应力方向应变的关系曲线依次变高变陡。某一试验加载条件下,体应变随球应力的增大而增大,初始剪切阶段增加较慢,随后呈线性增大,不同小主应力的体应变曲线较为接近。平面应变试验强度和真三轴试验强度比常规三轴试验强度有较大增长,真三轴试验强度增加百分比大于平面应变试验强度增加百分比。初始弹性模量随小主应力的增大呈线性增大。平面应变状态下中主应力系数随大主应力方向应变的增大而增大,初始剪切阶段增长较缓,之后近似呈线性增大。相同小主应力下,从常规三轴应力状态至平面应变应力状态再到真三轴应力状态,小主应力方向应变均为膨胀变形,且膨胀变形依次增大。同一试验加载条件下,小主应力较小时,应力比（偏应力与球应力之比）与偏应变的关系曲线位于上方。     

岩石空心圆柱扭剪仪试验能力

针对自行研制的岩石空心圆柱扭剪仪可独立控制4个加载参数（轴力、扭力、内围压和外围压）的功能,通过数学和力学分析,系统地整理出几种易于实现且符合实际工程的应力路径及加载方式：在轴力与内围压满足一定关系的前提下,可以获取岩石的抗拉强度,提供一种新型测量岩石抗拉强度的方法;通过控制内外围压及轴力,可以进行常规三轴试验与真三轴试验,克服了现阶段岩石真三轴试验中试验装置复杂、试样加载面摩擦大的缺点;在轴力与内、外围压分别满足一定关系时,可以分别实现平均应力p不变与中主应力系数b不变的应力路径,用于研究应力主轴旋转对岩石力学性质的影响。上述应力路径的实现对岩石力学性质的研究以及现阶段岩石室内试验的发展具有重要意义。     

冻结砂不同应力路径三轴试验强度和变形分析

为研究冻土在复杂应力路径下的力学特性,利用自主研发的冻土三轴仪,进行了广义三轴压缩应力状态、平面应变应力状态和真三轴应力状态下的压缩试验,分析了冻结砂在不同应力状态下的强度演化规律和变形特性。试验结果表明：当小主应力相同时,冻结砂在广义三轴压缩应力状态、平面应变应力状态和真三轴应力状态下的强度和应力-应变曲线的斜率依次增大,小主应力对冻土的强度起到提高作用;小主应力方向始终产生膨胀变形;体应变随着大主应变的增加呈现先剪缩后剪胀的趋势,且在同一试验类型下,小主应力对体应变影响程度较小;同一试验加载条件下,小主应力越小,偏应力与球应力之比的位置越高;从广义三轴压缩应力状态至平面应变应力状态再到真三轴应力状态,试样的破坏强度依次提升。     

PT3型岩石高压真三轴仪的研制

This paper introduces the structural characters and functions of the rock high pressure true triaxial machine newly developed and some research results with this machine. By the rock high pressure true triaxial machine, three principal stresses can be controlled and changed independently, so that any stress state and stress path in engineering rock mass and earth’s crust can be simulated. It is an important development of Karman type general triaxial machine. By RT3 type rock high pressure true triaxial machine, the maximum principal stress can be applied up to 800 MPa, the intermediate and minimum principal stress up to 200 MPa. The strains and parameters of sonic wave in the directions of three principal stresses can also be determined. The machine is used well for studying the basic theory on rock mechanics, the stability of engineering rock mass and the behaviors of earthquake precursors.     

The Various Stress Paths Causing Deformation and Failure in Rocks

The rock deformation and failure tests are performed along various stress paths under true triaxial stress state. The experimental results have shown that the change of three principal stresses (the increase of the maximum principal stress, the decrease of the minimum principal stress, the decrease of the confining pressure and the increase or decrease of the intermediate principal stress ) can lead to deformation and failure in rocks. The strength, the deformability and the failure precursors of rocks are related with stress paths. Based on the results of the study, the problems of the stress path in rock engineering are discussed.     

三向应力作用下节理岩体渗流-应力耦合特性

节理岩体渗流-应力耦合特性研究是岩石力学领域的重点和难点。水利水电工程与地下工程中天然节理岩体往往处于三向不等压应力状态,针对三向应力状态下节理岩体渗流-应力耦合特性研究较少。其中,单节理岩体渗流-应力耦合特性研究是基础。首先分析与探究了单节理岩体侧向应力作用效果及渗流作用机制,在单节理岩体渗透性-应力耦合分析模型基础上推导了单节理岩体渗流-应力耦合的理论公式。通过室内真三轴渗流-应力耦合试验,基于全局优化算法的非线性拟合及块体离散元数值仿真,验证了所提出理论公式的合理性。基于电路原理,给出了模拟电路与渗流问题的相似物理量,通过引入等效渗流阻方法,探究了典型的含正六边形主干节理网络的渗流-应力耦合特性。该研究结果对实际工程岩体的渗流分析有一定的参考价值。     

地应力与岩体模量关系的理论及试验研究

岩体模量（弹性模量及变形模量）是工程岩体力学特性的基础参数之一,研究地应力状态与岩体模量之间的关系具有重要意义.基于静弹性热力学模型原理,结合弹性理论,推导了水平主应力与岩体性质参数的定量关系,并对地应力与岩体模量的关系进行了探讨.在此基础上,以赣龙铁路梅花山隧道为依托,开展了围岩应力及岩体模量参数的现场测试工作,并将实测成果与理论分析进行对比.结果表明：当埋深影响较小时,花岗岩中的水平主应力与岩体模量呈线性正相关关系;当埋深相差较大时,深度对地应力及岩体模量的影响均不可忽略,水平主应力与岩体模量一般呈非线性关系,需要进一步研究;对花岗岩中的岩体弹性模量和变形模量与水平主应力之间的相关性进行对比发现,岩体变形模量与水平主应力的相关性更好.研究成果可为工程岩体力学参数取值及评价提供借鉴.     

三轴应力状态下盐岩强度分析探讨

通过分析盐岩在三轴应力状态下的变形,说明了较高围压下盐岩的大变形特性,提出了三轴应力状态下,利用轴向荷载除以试件初始横截面面积得到应力-应变关系存在的问题,据此对工程应变和对数应变进行了分析和对比,阐明了这两种应变的适用条件,并开展了不同围压下的试验测试和对试验结果对比分析。研究揭示了应利用对数应变分析盐岩的大变形特性和对变形后的应力进行修正,得到了盐岩的工程应变和对数应变均可表示为围压的线性函数,围压为20 MPa时的轴向压缩变形量是5 MPa时的3.09倍。围压越高,对数应变修正得到的最大轴向应力与不修正的差值越大,用对数应变修正后的轴向应力低于不修正的结果,围压达到20 MPa时,前者仅为后者的63.85%。     

True triaxial loading apparatus and its application to coal outburst prediction

Two generations of true triaxial loading (TTAL) apparatuses are presented. First generation apparatuses were intended primarily for true stress state imitation in rock or mineral specimens. Advanced second-generation installations are designed to provide precise measurements in any stress and simulation of rock outburst at sudden relief of one sample face. Both TTAL apparatuses can apply pressure up to 250 MPa corresponding to earth depth about 10,000 m independently along each of three axes. Experimental results are given on effect of absorbed water on ultimate state in coal as well as adsorbed methane influence on simulated coal outbursts.     

Rock bursting phenomena in a superficial rock mass in southern central Sweden

SummaryRock Bursting Phenomena in a Superficial Rock Mass in Southern Central Sweden Rock bursting phenomena have been observed in connection with excavation of two shallow sited rock tunnels in the Forsmark area in southern, central Sweden. The tunnels are excavated in gneiss granite and the rock cover varies between 5–15 m. The stress release occurred locally in the tunnels which indicates significant variations in rock stresses.In situ measurements of the triaxial stress situation carried out in the area show values of the principal stresses in the horizontal plane of a magnitude in excess of 20 MPa in the superficial rock mass. The rock stress measurements indicate a clear correspondence of the directions of the highest compressive stress and the rock foliation. There is also a clear correspondence between the directions of a vertical and a horizontal joint set and the highest compressive stress. The three-dimensional stress tensor indicates that the horizontal fractures are exposed to the smallest closure pressure, i. e. the vertical stress, which set should therefore be most open. The horizontal joint set in the superficial rock mass has a significantly higher value of aperture than the vertical sets which may be a consequence of the stress situation in the rock mass. The rock bursting is not attributed to a breakage of the rock matrix, but merely to a propagation of already existing small fractures and potential fractures. The stress situation in the Forsmark area may be regarded as an uniaxial stress field in the horizontal plane.With 12 Figures