含预制裂隙类岩石裂隙演化与破裂特征的试验研究

裂隙岩体是自然界中普遍存在的工程岩体,在外力作用下易引起岩体结构破坏失稳而诱发工程故事。为此,基于相似理论制作了含十字交叉裂隙的类岩石试样,利用RMT-150B岩石力学试验机,对含有不同裂隙长度和裂隙倾角的类岩石试样进行单轴压缩试验,分析其裂隙演化规律和破裂特征。研究结果表明:含预制裂隙试样的抗压强度明显低于完整试块;当主裂隙长度一定时,裂隙岩样的峰值应力随次裂隙长度的增大而降低;当裂隙倾角为0°和60°时,裂隙岩样表现为拉伸型翼形裂纹的破坏形式;当裂隙倾角为30°和45°时,裂隙岩样表现为拉剪混合型裂纹的破坏形式,既有翼形裂纹,又有次生共面裂纹。     

单轴压缩条件下花岗岩变形特征研究

在刚性压力机上,应用动态应变仪、应力传感器、位移传感器等仪器对花岗岩进行单轴压缩实验。得到了花岗岩破裂过程的全应力-应变曲线。通过对全应力-应变曲线的分析表明：试样变形特征基本上是一致的,都经历了初始压密、弹性变形、裂纹初始、裂纹稳定扩展、裂纹不稳定发展直到破裂五个阶段。通过对试样峰值前的受力变形特点的观察,发现试样接近其峰值强度时,出现了一小段应力增长缓慢,而相对应的应变量明显增加的塑性变形阶段,可进一步研究岩石破裂失稳机理及其失稳前兆信息。     

含齿形裂隙类岩石材料单轴压缩试验研究

为研究含齿形裂隙岩石在单轴压缩下的破坏特征及强度特性,制作了含不同裂隙倾角和起伏角的齿形裂隙类岩石材料试件,并采用岩石力学伺服试验机进行单轴压缩试验。试验结果表明：（1）试件主要产生拉伸、剪切和拉剪复合裂纹,且根据裂纹的扩展路径可划分为A型（拉伸破坏）、B型（剪切破坏）、C型（复合破坏）3种破坏模式,裂隙倾角对试件最终破坏模式影响显著;（2）当裂隙倾角较小时,试件应力—应变曲线为多峰曲线,随着裂隙倾角的增大,曲线呈单峰形式,表现为延性减弱,脆性增强,而裂隙倾角相同但起伏角不同的试件应力—应变曲线大致相同;（3）当裂隙起伏角相同时,试件当量峰值强度随裂隙倾角的增大呈先减小后增大的规律,且裂隙起伏角对试件当量峰值强度的影响小于裂隙倾角。     

单轴拉伸作用下岩石裂隙起裂扩展的数值模拟

地下采矿工程开挖对天然岩石是一种卸荷行为,卸荷后的岩石容易受到拉应力作用,造成岩石内部原生裂隙的扩张贯通,从而极大影响工程岩体稳定性。为研究拉伸作用下岩石内部裂隙的萌生演化规律,采用扩展有限单元法,对含不同裂隙倾角的岩石进行了模拟研究。结果表明:拉伸应力下岩石裂隙起裂主要受Ⅰ型应力强度因子控制,裂隙倾角越大,起裂越困难,相应的起裂角也越大;裂隙扩展时的扩展角保持不变,扩展方向与最大拉应力方向保持垂直。     

N型组合节理类岩体单轴压缩破坏试验

针对实际工程中平行与交叉裂隙组合呈N字形裂隙岩体的稳定性问题,以N型组合节理为研究对象,开展了N型节理类岩体试件超声波检测试验和单轴静载试验,结合断裂力学理论,分析其强度特征、破坏特征和超声波波速衰减规律。结果表明：（1）N型组合节理类岩体的裂纹类型依次有翼型裂纹和次生倾斜裂纹,其扩展路径最终均趋向于主应力方向,不同于单节理下的裂纹发展规律;（2）当主节理倾角一定时,主次节理夹角和节理条数对试件的物理性能有一定的影响。各组合节理试件的波速衰减率范围在0.9%～9.6%之间,且15°和90°夹角节理试件的波速衰减最快,而60°夹角节理试件的衰减最慢;（3）组合节理类岩体的本构关系、峰值强度和破坏特征均表现出非线性特征。峰值强度分布规律基本服从M型分布,不同于单节理下的U型分布,其中15°、30°、45°、75°和90°夹角试件,以及完整试件呈准脆性破坏,其他夹角试件呈脆性破坏。     

含预制缺陷类岩体模型破断试验与分析

为了探究内部缺陷形状由裂隙至圆孔的变化对类岩体脆性材料破断模式与特征的影响,构建了含缺陷的单轴压缩力学模型,并利用水泥砂浆材料制作类岩体试样,系统地研究了缺陷形状由裂隙至圆孔变化过程中含缺陷试件的强度变化特征和裂纹演化扩展机制。结果表明:当荷载方向与缺陷长轴垂直时,缺陷周边应力集中在长短轴端点处且与缺陷无关;缺陷对试样峰值强度影响较为明显,在缺陷形状由裂隙向圆孔变化的过程,峰值强度降低幅度逐渐增大;缺陷变化对试样的裂纹起裂与裂纹扩展的影响不显著;缺陷试样的最终破坏模式可划分为剪切破坏和拉-剪混合破坏,当m值大于0.60时破坏模式为剪切破坏,当m值小于0.33时破坏模式为拉-剪混合破坏。     

复合岩石单轴压缩力学与破坏特性试验研究

针对深部高地应力及多岩层复杂地质条件,采用伺服控制试验机对复合岩石进行室内力学试验,重现复合岩石在高应力作用下的破坏过程。复合岩石由强度差且强度呈均匀阶梯型的单岩组成,可划分为蛇纹岩—矽卡岩和蛇纹岩—砂岩。通过单轴压缩试验,获得岩石的单一和复合形态下的力学性质与破坏特性。研究结果表明：在高应力作用下,复合岩石中岩石强度较弱的部分首先发生破坏,且初始裂纹的萌生位置和发展模式直接决定了岩样的最终破坏形态;复合岩石与单一岩石之间的抗压强度存在相关性;利用理想弹簧模型可对复合岩石的弹性模量和峰值应变进行推导。复合岩石的力学特性由强弱端岩石共同决定,存在一定的规律性,其破坏特性与单一岩石相似,但较弱端占主要影响地位。     

单轴压缩条件下裂隙粗糙度对渗透系数的影响

裂隙粗糙度是影响裂隙岩体渗流特性和流体流动复杂性的重要因素,为了深入研究单轴压缩条件下粗糙度对渗透系数的影响,采用3D打印技术和数字建模方法制备了粗糙度不同的裂隙试样,通过自制的试验装置对不同法向压力下的裂隙试样进行了试验.结果表明,在没有法向压力的条件下,随着粗糙度的增加,渗透系数以负指数函数形式减小,采用Forchheimer方程定量的分析了渗流流量与水力梯度之间的非线性关系,Forchheimer方程可以很好地描述粗糙裂隙表面的流动过程,线性项系数随着粗糙度的增大而减小,非线性项系数随着粗糙度的增大而增大;在恒定法向压力且大于水压的条件下,裂隙试样的渗透系数随着粗糙度的增大线性减小,随着水压的增大,粗糙度对渗透系数的影响作用增强;定义了系数δ,分析了在有无法向压力条件下,粗糙度对渗透系数影响的差异性,δ随着水力梯度的增加而增加,随着法向压力的增加而减小.研究结果可以加深对粗糙裂隙表面流体流动的认识,为进一步研究岩体流动特性奠定坚实的基础.     

裂隙矿岩的动载特性

用SHPB高速冲击试验机,对4种不同裂隙类型的矿岩进行高速冲击试验,测定矿岩在高速冲击作用下应力波形、应变历史、应变率历史、应力历史、应力-应变曲线、应力-应变-应变率的关系、应力-应变-裂隙类型的关系,算出动态破坏强度和动态弹模.定量进行动静态矿岩力学特性比较,得出裂隙矿岩与完整矿岩在不同力学状态下的数值关系.     

富水风化花岗岩地层工程特性试验研究

以云南凯腾锡矿斜井施工工程为例,对富水风化花岗岩基本物理力学指标和水稳定性能进行了试验研究,并对试验结果数据进行了分析;总结了富水风化类岩体施工特性,为在该类岩层进行地下工程开挖和支护等提供了科学的依据.     

Correlation of tensile strength with fracture modes of KAOWOOL- and SAFFIL-reinforced 339 aluminum

The tensile strengths of composites of 339 aluminum reinforced with either SAFFIL or KAOWOOL fibers are compared over the temperature range of 20°C to 300°C. For this type of composite, in which the discontinuous fibers are randomly oriented, the fibers perpendicular to the applied stress play a critical role, which in turn creates a dependence upon the interfacial bond strength. The KAOWOOL fibers form a strong interfacial bond so that tensile failure occurs either in the matrix at 300 °C or by fiber cleavage at 20°C. In the T5 condition, the SAFFIL interface is weaker than the matrix alloy so that failure occurs by delamination of the transverse fibers. Thus, although the SAFFIL fibers are 40 pct stronger than the KAOWOOL fibers, the T5 composites have the same ultimate tensile strengths. A T6 heat treatment promotes an interfacial reaction with magnesium. This strengthens the SAFFIL interface so that failure occurs primarily in the matrix, producing higher composite strengths. The reaction with the KAOWOOL fibers is so extensive that the matrix, and therefore the composite strength, is drastically decreased. When account is taken of the different fracture modes, together with the matrix strengths as determined by nanoindentation, the calculated values of composite strength are in good agreement with experiment.     

Correlation of tensile strength with fracture modes of KAOWOOL- and SAFFIL-reinforced 339 aluminum

The tensile strengths of composites of 339 aluminum reinforced with either SAFFIL or KAOWOOL fibers are compared over the temperature range of 20 °C to 300 °C. For this type of composite, in which the discontinuous fibers are randomly oriented, the fibers perpendicular to the applied stress play a critical role, which in turn creates a dependence upon the interfacial bond strength. The KAOWOOL fibers form a strong interfacial bond so that tensile failure occurs either in the matrix at 300 °C or by fiber cleavage at 20 °C. In the T5 condition, the SAFFIL interface is weaker than the matrix alloy so that failure occurs by delamination of the transverse fibers. Thus, although the SAFFIL fibers are 40 pct stronger than the KAOWOOL fibers, the T5 composites have the same ultimate tensile strengths. A T6 heat treatment promotes an interfacial reaction with magnesium. This strengthens the SAFFIL interface so that failure occurs primarily in the matrix, producing higher composite strengths. The reaction with the KAOWOOL fibers is so extensive that the matrix, and therefore the composite strength, is drastically decreased. When account is taken of the different fracture modes, together with the matrix strengths as determined by nanoindentation, the calculated values of composite strength are in good agreement with experiment.     

The growth of wing cracks and the brittle compressive failure of ice

High-speed photography has revealed the macroscopically stable growth of wing cracks in columnar, fresh-water ice compressed uniaxially within the brittle regime. The growth is influenced by the interaction of the cracks with free surfaces and is in excellent agreement with the Ashby-Hallam model [Acta metall.34, 497 (1986)].     

硬质合金复合涂层的结合强度与失效机理

通过4种硬质合金基体和3种TiN/TiCN/Al<,2>O<,3>TiN复合涂层的组合,采用化学气相沉积(CVD)法制备12种涂层顾质合金样品,借助划痕试验机、扫描电镜和能谱仪测定涂层与基体的结合强度,观察划痕的形貌,测定划痕的微区成分.结果表明,基体成分和WC的晶粒度,以及涂层的成分和厚度对涂层与基体的结合强度有明显...     

金属内部裂纹的超声衰减特性与近表面缺陷识别

建立了包含裂纹缺陷的二维金属板模型.采用有限元方法,对具有不同深度裂纹的材料内部超声波场进行计算,获得了不同裂纹深度金属材料上表面的回波信号,分析了裂纹深度对超声波传播特性的影响规律.进一步分离提取不同阶次底面回波的频谱特征,获得了由裂纹缺陷引起的超声衰减系数随频率的变化关系.最后提出了通过底面回波频谱图辨识近表面裂纹缺陷的方法.     

铜冷却壁氢脆破坏现象的试验

 铜材氢脆现象是造成高炉铜冷却壁损坏的可能原因之一,但目前并未得到试验证实。模拟高炉工作环境对铜冷却壁材质进行了渗氢保温处理,在实验室条件下重现了高炉铜冷却壁氢脆现象,并采用金相显微观察、扫描电镜观察、氢氧质量分数检测及显微硬度测试等方法对铜冷却壁基体材质的微观形貌、元素质量分数及宏观使用性能等进行了表征。试验结果表明,在铜冷却壁异常工作条件下,将有可能产生铜材氢脆破坏作用;氢脆现象发生后,铜冷却壁内部将产生大量沿晶界分布的孔洞缺陷乃至晶界裂纹,且铜冷却壁宏观使用性能将出现显著下降;在炼铁生产中应严格控制铜冷却壁使用制度,防止氢脆现象发生以延长其寿命,保证高炉安全、稳定生产。     

循环动力扰动下花岗岩细观损伤特性试验研究

为研究循环动力扰动下岩石细观损伤特性,本文选取花岗岩为研究对象,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)进行循环冲击试验,并结合核磁共振系统(NMR),得到了循环动力扰动后花岗岩孔隙度、横向弛豫时间T₂谱分布以及核磁共振图像(MRI).试验结果表明:在岩石弹性极限范围内,动力扰动结束后,岩石材料孔隙度降低;初始与最终横向弛豫时间T₂缩短,循环扰动过程促使了小孔隙生成,大孔隙尺寸与数量减小;孔隙度降低不意味着所有类型孔隙的数量均减少,相反小孔隙数量是增加的,大孔隙数量减少是动力扰动后花岗岩孔隙度降低的根本原因.     

缝合线分形特征及其对石灰岩强度的影响

为研究缝合线分形特征及其对石灰岩强度的影响,基于数字图像处理技术,采用功率谱密度方法和数字图像盒维数方法分析水平缝合线和垂直缝合线的分形维数,通过实验和数值模拟研究缝合线对石灰岩强度的影响和石灰岩内部裂纹演化过程.研究结果表明：采用两种分形分析方法得出缝合线分形维数介于1和2之间,表明缝合线是自然界一种自仿射分形构造,且垂直缝合线的粗糙度较大.缝合线平均弱化石灰岩强度约20%,不同倾角缝合线石灰岩强度没有明显的各向异性现象,缝合线对石灰岩弹性模量影响很小.石灰岩失稳破坏过程中,裂纹的萌生发展与缝合线息息相关,缝合线加快了石灰岩的损伤破坏.数值模拟表明缝合线厚度、位置、数量、分形维数等发育因素对石灰岩的强度有着显著的影响.