动力学相似材料配比试验研究

地质力学模型试验是一种形象、直观的岩体物理力学性质研究方法, 被广泛地应用于国内外岩土工程界。在地质力学模型试验中, 如何快速、准确地选择材料的配比是成功模拟原型的关键。随着动力学模型在地质力学模型试验中的应用越来越广泛, 对相似材料配比的研究也应从静力学方法向动力学方法转变。相似材料由骨料与胶结物混合而成, 两者的含量变化是影响相似材料性质的重要参数。本文选择以河砂为骨料, 石膏和水泥为胶结物, 采用弹性波速测量和单轴抗压试验的方法, 研究了不同配比条件下材料的物理、力学性质的变化规律。实验结果表明:单独以水泥或石膏作为胶结物时, 在骨料与胶结物总量不变的情况下, 试件的质量及动、静弹性模量随砂胶比的增大呈先增大后减小的变化; 以水泥和石膏混合作为胶结物时, 在砂胶比与胶结物总量不变的情况, 试件的动、静弹性模量随石膏和水泥用量比的增加呈先减小后增大的变化。     

岩质边坡相似材料导热系数的试验研究

基于相似材料配比的正交试验方案,制备了不同成分和配合比的相似材料试样,量测了各试样的导热系数值,研究了相似材料中含水率、胶结物及砂胶比等变化对导热系数量值的影响。研究结果表明:由于水和空气的导热系数差异较大,试样中含水率变化对导热系数量值的影响显著; 胶结物在试样中所占比例小,其成分因水化引起的孔隙率变化有限,胶结物成分和配比变化对导热系数量值的影响可以忽略; 受砂与胶结物之间的相互作用,胶结物成分和配比方案将改变砂胶比对导热系数量值的影响。当胶结物成分为石灰和石膏时,影响导热系数值的因素依次为含水率、砂胶比和胶结物,并随着砂胶比的增大,导热系数值在增加,但增幅逐渐减小; 当胶结物成分为水泥和石膏时,影响导热系数值的因素依次为含水率、胶结物和砂胶比,但随着砂胶比的增大,导热系数量值变化可以忽略。     

水泥和石膏胶结相似材料配比的确定方法

对以水泥和石膏为胶结材料、石英砂和重晶石粉为骨料的相似材料,规范了其制作原料与工艺,以砂胶比（骨料与胶结材料质量比）、水膏比（水泥与石膏质量之比）和重晶石含量（重晶石质量占骨料百分比）为控制因素,设计了一个正交试验,开展了称重、单轴压缩试验,获得了不同配比相似材料的密度、单轴抗压强度和弹性模量等物理力学性质指标。采用极差分析法分析了各因素的敏感性,研究了各因素对相似材料参数的影响规律。研究表明：重晶石含量对相似材料密度有明显的控制作用,而砂胶比和水膏比对密度也有明显的影响;砂胶比对相似材料单轴抗压强度和弹性模量影响最大,水膏比和重晶石含量的影响次之。相似材料密度随砂胶比的增大而降低,随水膏比和重晶石含量的增大而增大;抗压强度随砂胶比的增大而显著降低,但随着水膏比和重晶石含量的增大而缓慢增大;弹性模量随砂胶比的增大而显著降低,随重晶石含量增大而增大,随水膏比增大而缓慢升高。采用MATLAB程序对试验数据进行多元线性回归分析,得到确定相似材料配比的经验方程。工程应用证明,采用经验方程计算得到相似材料配比,并按规范的制作工艺,可以得到满足试验要求的相似材料。     

煤系古风化岩相似材料配比研究

为制备具有力学性质递变特征的相似材料试样,本文通过水泥石膏相似材料的配比试验,得到了两种骨料(标准砂和河沙)相似材料力学性质与配比间的关系.在拟合河沙相似材料的室内力学测试数据的基础上,得到了配比值关于抗压强度和弹性模量的确定公式.试验表明:用水量、成型压力和平均骨料粒径对相似材料的力学性质均有不同程度的影响,在制样过程中需要加以控制; 低强度相似材料的抗拉强度不易控制,而单轴抗压强度和弹性模量对配比的变化有明显响应; 河沙相似材料的力学性质与配比间呈明显的线性关系,而标准砂相似材料存在临界骨料含量和临界水泥含量表现出明显的非线性特征; 在调整配比所能实现的抗压强度和弹性模量的变化范围内,相似材料能够较好地模拟单轴抗压强度大于3MPa的风化岩.     

大相似比模型试验用超高强相似材料配比试验研究

物理材料相似模拟试验是岩土工程领域中一种常用的研究手段,选择合适的相似材料并确定其配比是成功模拟原型工程的关键。现有相似材料多是针对几何相似比较小(1∶250～1∶25)的相似模拟试验研制,其强度普遍较小(0.2～7.6 MPa),难以满足较大相似比模型试验的需求。因此,为配制出强度在10 MPa以上的适合较大相似比模型试验的超高强相似材料,选择河砂、重晶石、石膏及不同强度等级的水泥作为模型试验的相似材料原料,以骨胶比、水泥石膏比、重晶石含量及水泥强度等级为正交试验的4个因素,共设计25组不同材料配比方案。根据试验要求制备各类相似模拟试件并开展相应的岩石力学试验,获得不同配比相似材料的基本物理力学参数。结果表明：试验所得相似材料力学参数变化区间较大,抗压强度为3.017～48.179 MPa,能满足较大相似比下超高强度相似模拟试验的需求;通过直观分析法分析各因素对相似材料物理力学参数的敏感性和影响规律,发现重晶石含量对相似材料密度起主要控制作用,骨胶比对相似材料抗压强度、抗拉强度、弹性模量、内摩擦角起主要控制作用,水泥石膏比对相似材料黏聚力起主要控制作用;运用SPSS软件对相似材料配比...     

上横山多层页岩矿床低强度相似材料试验模型研究

通过相似配比试验,研制不同砂胶比的低强度相似材料,分析了砂胶比和胶结材料中水泥含量对其物理和力学性质的影响及其变化规律。根据上横山多层页岩矿床赋存条件和相似模拟试验要求,确定了3个可行的、有效的相似材料配比,结合相似模拟条件构筑了多层页岩矿床相似材料模型。试验结果表明,相同砂胶比的低强度相似材料的密度、抗压强度、弹性模量和泊松比均随胶结材料中水泥含量的增加而增大;密度、孔隙率、弹性模量和泊松比在低砂胶比条件下具有更小的波动性。进一步研究发现,选择的低强度页岩相似材料实际相似常数与设计相似常数误差≤1.77%;利用数值模拟回采矿床矿柱的变形特征与相似模拟试验基本相似,应变变化幅度≤8.76%,试验模型在多层页岩矿床模型试验研究上具有一定的合理性。研究结果为有效的进行多层页岩矿床地下开采研究提供科学依据和试验基础。     

水泥石膏胶结相似材料在固-流耦合试验中的适用性

通过不同配比下相似材料试件的水理性质正交试验,分析了以水泥和石膏作为胶结剂,石英砂作为骨料的相似材料吸水率、软化系数和渗透系数随砂胶比(骨料与胶结材料质量比)、水膏比(水泥占胶结材料百分比)、石英砂粒径的变化规律。通过对比分析,证明此种相似材料在一定配比情况下遇水不会发生崩解,而是产生类似岩石的软化现象,适用于原型岩体为孔隙较发育的石灰岩和砂岩,并且不以吸水特性为研究对象的相似材料固-流耦合模型试验研究。通过对样本数据进行多元回归分析,得到了吸水率、软化系数和渗透系数与砂胶比、水膏比和石英砂粒径之间的经验方程。通过神华新街台格庙矿区白垩系志丹群巨厚层砂岩含水层固-流耦合相似材料模型试验,证明水泥石膏胶结相似材料可以应用于固-流耦合试验中,并且经验方程可用于对相似材料的水理性质进行验算。     

滑坡碎屑化运动物理模型相似材料特性研究

高速远程滑坡物理模型试验中,岩石相似材料的选择是模型试验成功的关键,然而目前滑坡相似材料强度高、难以在缩尺试验中模拟滑坡破碎过程。以重晶石、石英砂为骨料,石膏为胶结剂,羧甲基纤维素钠、甘油、水作为辅助材料,进行可破碎岩石相似材料的配比试验。采用控制变量法研究重晶石与石英砂比例（重石比）、骨料与胶结物比例（骨胶比）、羧甲基纤维素钠含量、拌合水量、甘油含量对相似材料物理力学性质的影响。试验结果表明:所有配比情况下各相似材料物理力学参数的范围分别为单轴抗压强度为0.12～1.47 MPa,弹性模量为25.51～148.12 MPa,黏聚力为1.63～87.39 kPa,内摩擦角为22.70°～35.89°,脆性指标主要分布在0.033～0.145之间;重石比主要控制岩石相似材料的内摩擦角;骨胶比减小,对应的黏聚力和内摩擦角先增大后减小;羧甲基纤维素钠对材料的单轴抗压强度、弹性模量、黏聚力等材料的力学特性以及材料的脆性指标影响均比较大,其中对单轴抗压强度的影响最大。因此,控制羧甲基纤维素钠和拌合水量的含量,并合理调节重石比与骨胶比,在相似比约为1∶600的试验尺度下,最终确定了适用于高速远程滑坡碎屑化过程模拟的低强度高脆性岩石相似材料的配比区间。     

岩石相似材料水理性质研究

以水泥和石膏作为胶结剂,石英砂作为骨料的相似材料在一定配比情况下遇水不会发生崩解,而是产生类似岩石的软化现象。通过不同砂胶比和水膏比的相似材料配比试验,总结了相似材料软化系数和吸水率随砂胶比和水膏比的变化规律,即软化系数随砂胶比的增大而降低,随水膏比的增大而升高,变化范围与原型岩石相似;吸水率随砂胶比的增大而升高,随水膏比的增大而降低,变化范围大于原型岩石。     

单轴压缩下不同强度组合复合岩体相似材料试件力学特性研究

为了研究接触带复合岩体变形破坏特征,以水泥、砂和石膏为相似材料,制作由两种不同强度材料构成的复合试件,通过单轴压缩试验,分析相似材料强度比及较高强度材料体积占比对复合试件力学特性的影响。研究结果表明,(1)相似材料强度比越大对复合试件整体强度的影响越大,较高强度材料体积占比的变化对复合试件整体强度的影响较为显著;(2)相似材料强度比为1.74时破裂面从复合试件一端穿过相似材料接触面,相似材料强度比值为2.49时破裂面由接触面向复合试件两端延伸,相似材料强度比为4.33时复合试件逐渐由两端破坏转为较低强度材料端破坏;(3)声发射计数的变化与复合试件破坏位置与形态呈对应关系,随着相似材料强度比的增加,较高强度材料端声发射计数逐渐减小,较低强度材料端声发射计数逐渐增加。研究结果可为接触带复合岩体力学特性分析提供参考。     

水压和应力耦合下脆性岩石蠕变与破坏时效机制研究

基于水压和应力耦合作用下锦屏深部大理岩的三轴蠕变试验,研究了大理岩的变形时效特性、等时曲线特征以及时效破坏机制。研究结果表明,(1) 孔隙水压可以增强大理岩的时效变形能力,有水压时的稳态蠕变率大于无水压状态时的稳态蠕变率。(2) 裂纹扩容失稳应力强度比可以作为硬脆性岩石是否发生失稳蠕变的门限值,且当应力强度比到达这一门限值时,岩石的失稳概率随着时间发展而陡增。(3) 体积蠕变量大于侧向和轴向的蠕变量值,显示脆性岩石扩容蠕变效应特征显著。(4) 不同时刻的等时曲线具有明显的相似性,在发生加速蠕变之前,等时曲线基本呈线性特征;而在发生加速蠕变时,等时曲线呈显著非线性特征。     

多孔含水岩层的相似材料配比研究

以石膏、浮石、硅藻土等材料为相似材料对多孔含水岩层进行相似材料模拟。试验中采用四因素（硅藻土水泥石膏比、标准砂浮石比、骨胶比、重晶石骨料比）、五水平的正交试验方法,分别对多孔含水岩层的相似材料试件进行密度、单轴抗压强度、孔隙率、弹性模量以及软化系数的测定,得出相应的物理力学性质指标,采用直观分析法分析各因素对物理力学性质的影响规律。分析结果表明：由于各配比度不同,相似材料强度分布范围较广,在与多孔岩层的岩石参数对比中发现,在一定的相似条件下,基本符合多孔岩层岩石的相似要求;硅藻土含量与密度、抗压强度、弹性模量、孔隙率呈负相关,与软化系数呈正相关;浮石含量与密度、抗压强度、弹性模量、软化系数呈负相关,与孔隙率呈正相关。所加入的两种材料可较好地模拟样品的多孔特性。在允许波动范围之内,所建立的模拟多孔含水岩层的经验方程可用于工程实践。     

三种典型岩石单轴抗压强度的尺寸效应试验研究

尺寸效应是岩石力学领域研究的难点与热点。本文利用自主研发的大尺寸刚性试验机,开展了最大样品尺寸为400 mm×400 mm×800 mm大理岩、闪长岩和凝灰岩的单轴抗压强度试验,从等高宽比条件下岩石强度的尺寸效应和不同高宽比条件下岩石强度变化两个方面开展了岩石强度尺寸效应研究,结果表明:相同高宽比条件下,岩石强度随样品尺寸的增大呈对数形式减小,且逐渐趋于定值;不同高宽比情况,岩石长宽为200 mm×200 mm,高度分别为200 mm,400 mm,600 mm和800 mm,岩石单轴抗压强度随高宽比的增加表现出先减小后增大的变化规律,对应的破坏形式表现为复杂劈裂、劈裂和剪切破坏。本文试验结果为丰富岩石尺寸效应研究提供了基础数据,同时对实际工程中岩体强度尺寸效应的修正具有一定参考价值。     

深层岩石力学性质的试验方法

采用美国MTS公司生产的三轴岩石力学试验机进行岩石强度特性和变形特性试验。岩样试验结果表明,由于岩石内弱面和充填物的影响,岩性相同的岩石变形特点并不相同,而不同岩性的岩石却有相似的应力/应变曲线。由于岩石非线性、赋存条件及结构特性的影响,应根据研究范围对试验结果进行相应的处理。      

单轴压缩下横观各向同性岩石破裂过程的数值模拟

采用基于细观损伤力学基础上开发的RFPA2D数值模拟软件,用2种不同的岩石材料来组成7个不同岩层倾角的横观各向同性的岩石试件,通过单轴加载数值模拟试验,模拟横观各向同性岩石渐进破裂的整个过程,分析了岩层与最大主应力之间的倾角和强度之间的关系,讨论了不同岩层倾角的横观各向同性岩体的不同破裂模式及其破坏准则。     

The Influence of Shearing Velocity on Shear Behavior of Artificial Joints

In this paper, the effects of shear velocity on the shearing behavior of artificial joints have been studied at different normal stress levels. Here, artificial joints with planar and rough surfaces were prepared with the plaster (simulating soft rock joints) and concrete (medium-hard rock joints) materials. The rough joints had triangular shaped asperities with 10° and 20° inclination angles. Direct shear tests were performed on these joints under various shear velocities in the range of 0.3–30 mm/min. The planar plaster–plaster and planer concrete–concrete joints were sheared at three levels of normal stress under constant normal load boundary condition. Also, the rough plaster–plaster and concrete–concrete joints were sheared at one level of normal stress under constant normal stiffness boundary condition. The results of the shear tests show that the shearing parameters of joints, such as shear strength, shear stiffness and friction angle, are related to the shear velocity. Shear strength of planar and rough plaster–plaster joints were decreased when the shear velocity was increased. Shear strength of concrete joints, except for rough joints with 10° inclination, increased with increasing shear velocity. Regardless of the normal stress level, shear stiffness of both planar plaster–plaster and concrete–concrete joints were decreased when the shear velocity was increased.     

重金属污染物侵入对岩石力学性能影响的研究

通过抗剪强度试验、风化耐久性强度试验、耐崩解试验、点荷载试验,对受重金属污染的泥岩、页岩、砂岩的力学强度变化特性进行了研究,并根据试验结果绘制了3种岩石抗压强度与重金属含量的关系曲线,采用线性回归法分析了岩石抗压强度与重金属质量比的相关关系。研究结果表明:在岩性、含水量、试验条件等相同的条件下, 3种重金属污染岩石的力学强度都随着重金属污染物含量的增加而减小; 重金属污染的泥岩、砂岩和页岩的单轴抗压强度与重金属质量比关系分别呈幂函数(泥岩、砂岩)、对数函数(页岩)关系,关系分化度为较显著-显著负相关。根据Weibull分布定律与对流-扩散特性建立了重金属污染物侵入与延伸性能方程,并对泥岩试验结果进行了计算,绘制了侵入性能、延伸性能与时间的关系曲线。结果表明: 4种金属元素在泥岩中平均侵入性能与延伸性能的大小顺序为Cd2+ Pb2+ Cu2+ Zn2+,且元素活性越大,侵入能力与延伸能力越强,侵入性能随着时间变化而逐渐减小,延伸性能随时间变化而逐渐增加。