节理岩体冻融力学特性试验研究
水利水电技术第47卷2016年第5期
节理岩体冻融力学特性试验研究
王乐华1，2，陈招军1，2
，金
晶1
，杨
超1
，李
洁
1
（1.三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北宜昌443002；2.三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北宜昌443002）
摘
要：对两种含水率状态下不同连通率的预制节理岩体进行了冻融循环试验，测定了试件冻融后的质量、波速，然后进行了三轴压缩试验，分析了冻融循环作用对节理岩体三轴抗压特性的影响以及损伤变化规律。研究表明：（1）由于含水率不同，冻融损伤后，饱和组节理试件的质量损失和波速衰减较天然组严重，且饱和组试件节理结构面附近劣化程度随着连通率的增加而增大；（2）三轴压缩试验中，两组节理试件三轴抗压特性的冻融效应具有相同的规律，采用二次多项式能很好地拟合峰值强度与冻融循环次数之间的关系；（3）随着冻融循环次数的增加，两组试件冻融损伤变量逐渐增大，且天然组试件抗冻性比饱和组试件强，其中连通率对饱和组试件冻融效应影响显著。关键词：含水率；连通率；冻融循环；峰值强度；冻融损伤
doi ：10.13928/https://www.360docs.net/doc/0f16925656.html,ki.wrahe.2016.05.035中图分类号：TV223.1
文献标识码：A
文章编号：1000-0860（2016）05-0149-05
Experimental study on mechanic characteristics of jointed rock under freeze-thaw condition
WANG Lehua 1，2，CHEN Zhaojun 1，2
，JIN Jing 1，YANG Chao 1，LI Jie 1
（1.Kay Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Ｒeservoir Area of Ministry of Education ，China Three Gorges
University ，Yichang 443002，Hubei ，China ；
2.Collaborative Innovation Center for Geo-Hazards and Eco-Environment in Three Gorges Area ，Yichang 443002，Hubei ，China ）Abstract ：A freeze-thaw cycle experiment is made on the prefabricated jointed rocks with different connectivity rates under the conditions of two water contents ，from which the mass and wave velocity of the specimens are measured and then the impacts of the freeze-thaw cycle on the triaxial compression characteristics of the jointed rocks and the variation law of the damages are ana-lyzed with a triaxial compression test.The study shows that ：（1）due to different water contents ，the mass loss and the wave ve-locity attenuation of the saturated specimen group is more serious than that of the natural specimen group ，furthermore ，the dete-rioration near the joint structural plane is increased along with the increase of the connectivity rate therein after the damage from the freeze-thaw ；（2）in the triaxial compression test ，the freeze-thaw effects from the triaxial compression characteristics of both the jointed rock specimen groups have the same laws ，and then the relationship between the peak strength and the number of the freeze-thaw cycles can be better fitted with the relevant quadratic polynomials ；（3）following with the increase of the number of the freeze-thaw cycles ，the variables of the freeze-thaw damages of both the groups are gradually increased ，furthermore ，the an-ti-freezing property of the natural group is stronger than that of the saturated one ，in which the impact from the connectivity rate on the freeze-thaw effect of the saturated group is quite singificant.
Key words ：water content ；connectivity rate ；freeze-thaw cycle ；peak strength ；freeze-thaw damage
收稿日期：2015-07-08
基金项目：水利部公益性行业科研专项经费项目（201401029）。作者简介：王乐华（1977—），男，教授。
随着西部地区基础工程建设的大量兴起，工程中
将会遇到越来越多的冻岩问题。由于天然的岩体中往往含有裂隙及节理等原生缺陷，在冻融循环作用下，岩体本身及内部孔隙、孔隙水发生“胀缩”
，相当于
王乐华，等∥节理岩体冻融力学特性试验研究
给岩体施加疲劳荷载，这种特殊的荷载作用将会引起岩石微观和宏观的损伤及力学性质的劣化。因此，加强对冻融循环条件下节理岩体宏微观损伤演化规律的研究，将会对寒区（高寒区或者寒冻区）工程建设的设计和施工提供理论依据。
目前，国内学者对冻融环境下的岩石物理力学特性进行了大量的研究，并取得了丰富的成果。如，张继周、徐光苗等［1－2］对岩石进行冻融循环试验，并分析冻融岩石质量损伤和冻融后岩石在单轴压缩条件下的力学特性。刘红岩、李新平等［3－4］对采用相似材料制作的含裂隙岩体进行冻融力学试验，发现裂隙的存在及其物理力学性质对岩体的冻融损伤破坏模式及强度均有很大影响。赖远明等［5］通过对围岩冻融损伤的CT分析，发现冻融损伤对试样各部分的物理性能影响程度差异化明显。母剑桥等［6］通过对三种饱和的完整岩石进行冻融循环试验和电镜微观扫描分析及单轴压缩试验，研究了岩石在冻融循环条件下劣化损伤机制。杨更社等［7］利用CT扫描试验技术研究了不同冻结温度岩石内部细观损伤的扩展机理、水分的迁移、冰的形成及其结构损伤变化规律。刘成禹等［8］通过研究花岗岩低温冻融损伤特性表明，冻融循环对花岗岩质量损伤影响不明显，但对其强度、刚度及变形特性均有较大影响。张慧梅等［9－10］研究了岩性及冻融循环对岩石损伤的影响，并建立了冻融受荷岩石的损伤演化方程，认为岩石内部结构的细观差异对岩石最终冻融破坏模式有较大影响。
综上所述，目前对冻岩的研究主要集中在以下两个方面：（1）利用CT试验技术分析冻融条件下岩石细观损伤扩展程度和破坏模式；（2）冻融岩石力学性质劣化规律的探究和本构方程的建立。从研究对象来看，现有的研究主要针对完整岩样或采用相似材料制作含节理的试样，且冻融之后大多只通过单轴压缩试验来探讨岩样的力学特性，而针对于不同连通率的节理岩体，冻融后的三轴压缩力学特性的研究还不多见，然而天然岩体含有裂隙、节理，发育程度不一，并且大多处于三轴应力状态。为此，本文将对不同连通率节理岩体在冻融循环条件下的质量损伤、波速衰减及力学性质劣化规律进行研究，并分析冻融循环对三轴压缩条件下节理岩体力学特性的影响。
1试验方案
1.1试件的制备
试验中所用的岩石为三峡库区石英白砂岩，选取表面裂隙、节理少的，完整性较好的岩块，利用试验室中钻样机、切割机和打磨机加工成 50mm?100 mm的圆柱形标准试样，先剔除视觉上有缺陷、形态差别较大的岩样，然后利用岩石声波测试仪来选取波速相近的作为试验用样，再利用自制的节理切割机对岩样进行预制节理，设置节理倾角为30?，节理连通率为0.25、0.50、0.75。根据已进行相似试验经验，节理填充物采用质量配合比为4?1的石膏和水的混合物。
所谓岩石节理连通率（也称面连通率），系指所研究岩体范围内一定方向断面内节理的总面积与整个断面面积之比［11］，比值为K，0≤K≤1，其计算方法如图1所示
。
图1非贯通节理连通率计算示意
1.2试验方案
冻融前，以40块试样为一组，将岩样分为天然组和饱和组，然后，将每组再分为5小组，每小组中完整岩样和不同连通率的节理岩样各两块。将所有岩样放入烘箱中烘干，称量其质量，然后把天然组岩样置于空气中，让其自然吸水直至与烘干前相近，对饱和组进行抽真空强制饱和，称量岩样自然吸水和饱和后的质量。完整岩样和节理岩样物理参数如表1所列，表1中节理岩样物理参数存在差异，主要是由于石膏的密度比砂岩小，置换试件中节理部分砂岩后，节理试件密度会相对减小。
表1预制节理岩样的物理参数
项
目
节理连
通率K
干密度ρd
/g·cm－3
天然密度ρn
/g·cm－3
饱和密度ρs
/g·cm－3
天然含
水率/%
饱和含
水率/%
指
标
完整 2.563 2.579 2.6020.65 1.55
0.25 2.558 2.574 2.5980.62 1.54
0.50 2.552 2.567 2.5910.60 1.52
0.75 2.551 2.566 2.5890.59 1.51
取天然组和饱和组中各一小组岩样直接进行三轴
王乐华，等∥节理岩体冻融力学特性试验研究
压缩试验，设置围压值为10MPa ，其余各组岩样分
别进行循环次数为40、80、120、160的冻融试验，岩样组到达设定的冻融循环次数后，进行质量和波速测试，再进行三轴压缩试验（围压同上）。试验设备为TDＲF －2型风冷式混凝土快速冻融试验机和ＲMT －150C 岩石力学试验机。冻融温度范围为－17 +8?（?2?），温度按正弦规律变化，每个循环周期为5h 。三轴压缩试验中采用位移控制，加载速率为0.005mm /s 。
2
冻融力学试验结果和分析
2.1
冻融循环岩石质量和波速损伤分析
对试件冻融前及冻融循环n 次后的质量和波速进
行测定，然后做差值，记为质量损伤量Δm n 和波速损伤量Δνn 。分别以Δm n 、Δνn 为纵坐标，以冻融循环次数n 为横坐标，建立坐标系，得质量、波速损伤量分别与冻融循环次数之间关系曲线如图2和图3所示，结果表明：（1）随着冻融循环次数的增加，两组试件的质量、波速损伤量均逐渐增大，并且饱水节理试件损伤量的增幅明显大于天然节理试件，说明含水率对试件的冻融损伤影响较大。（2）当冻融循环次数一定时，同组试件质量、波速损伤量均表现离散性，主要由于试件节理连通率不同，在同等的冻融条件下，节理连通率越大，试件的冻融损伤也越剧烈
。
图2质量损伤量与冻融循环次数的关系
2.2
冻融循环岩石破坏过程分析
经过不同冻融循环次数，节理试件破坏形态如图
4所示。结果表明：
（1）冻融循环次数在0 120次之间，天然节理试件表面未出现肉眼可见的裂纹，表层未见剥落，节理填充物未析出；而饱和节理试件，在第40次时，表面现游离的颗粒和黑色云母片，
端部出现轻
图3波速损伤量与冻融循环次数的关系
微剥落现象，表层节理填充物析出，之后，随冻融循环次数的增加，损伤加剧，岩粒剥落增多，范围扩大，由表向里发展，并且深部的节理填充物开始
慢慢析出，80次时，端部出现“麻酥”
现象，节理尖端出现轻微的损伤，且岩粒剥落增多、范围扩
大，节理填充物析出向深部发展，而到120次后，天然节理试件端部边缘出现少量颗粒剥落现象，表层节理填充物析出，此时，饱和节理试件表面现贯通于节理的裂纹，节理附近现片状剥落，岩粒膨松，说明饱和试件较天然试件冻融效应更加明显，在冻融作用下，饱和试件颗粒间的胶结力逐渐下降，胶结物和节理填充物不断流失，导致颗粒剥落和裂隙贯通，而天然试件主要靠岩体自身微弱的胀缩损伤累加而破坏。
（2）随着节理连通率的增大，天然节理试件未见明显损伤，而饱和节理试件表现为节理附近颗粒片状剥落范围扩大，节理填充物析出增多，岩桥贯通度增加，在冻胀力楔劈作用下，甚至出现岩桥断裂，说明在试件含水率较高时，节理连通率越大，节理试件的冻融损伤会越剧烈
。
图4不同冻融循环次数岩样破坏典型照片
王乐华，等∥节理岩体冻融力学特性试验研究
表2节理试件三轴压缩试验结果
岩样分组
冻融
次数/次
峰值强度σp/MPa弹性模量E/GPa
完整K=0.25K=0.5K=0.75完整K=0.25K=0.5K=0.75
天然
0171.80152.35135.46114.0026.8024.4720.2518.19 40161.76138.21125.50104.9024.2222.7418.5513.24 80153.97134.42109.3490.5421.0917.8715.5812.69 120146.93124.81103.8882.0720.6615.9013.2211.59 160144.23120.0098.6276.3918.8114.5812.4310.41
饱和
0141.21129.33114.13100.3622.6718.6116.9113.44 40120.33113.1097.8483.6720.4316.0312.138.24 80110.34102.1074.6359.9717.5410.277.30 4.52
120102.3590.2658.4253.749.077.15 3.60 1.72 16099.1180.0055.8044.097.24 5.23 2.95 1.61
3三轴加载试验结果与分析
3.1三轴压缩试验结果分析
在经历不同冻融循环次数后，两组试件三轴压缩试验结果如表2所列。根据表2可得峰值强度分别与冻融循环次数、连通率之间关系，结果表明：
（1）两组节理试件三轴抗压特性的冻融效应具有相同的规律，且不同连通率节理试件峰值强度都随着冻融循环次数的增加而逐渐减小；当冻融循环次数一定时，随着节理连通率的增大，两组节理试件的峰值强度逐渐减小。
（2）冻融循环次数在0 120次之间时，天然节理试件峰值强度下降幅度均较小，而饱和节理试件峰值强度急剧下降；120次时，两组中完整试件和节理试件（K=0.25、K=0.50、K=0.75）峰值强度衰减幅度分别依次为14.5%、18.1%、23.3%、28.0%和27.5%、30.2%、48.8%、46.4%，衰减幅度都呈逐渐增大趋势，但饱和组衰减幅度明显大于天然组；120次后，两组试件峰值强度衰减幅度都趋于缓和，但饱和组下降趋势较明显，此时，饱和试件已接近崩解，但在围压的作用下试件具有一定的承载力，说明节理连通率和冻融循环次数的增加对试件的强度均产生劣化影响，且含水率高，将促进冻融作用对试件抗压特性的劣化作用，同时围压能提高试件承载力。
根据表2的试验结果，得两组节理试件峰值强度与冻融循环次数之间的变化规律如图5所示，利用二次多项式拟合，其函数公式如下
σn=an2+bn+c（1）式中，σn为冻融试件的三轴压缩峰值强度（MPa）；n 为冻融循环次数；a，b，c为冻融强度影响系数。
3.2冻融损伤变量变化规律
在冻融循环作用下，岩石的损
伤引起岩石内部微结构变化，比如
孔隙增大、裂隙扩展及岩桥断裂
等，从而导致岩石力学特性劣化和
变形参数的衰减。岩石大多带有
初始损伤，如裂隙、节理等，而
且很难测量无损状态的弹性模量，
本文以岩石的初始损伤状态作为
基准无损伤状态，相应的弹性模
量作为基准弹性模量［12］。因此，
根据损伤力学理论，损伤变量可以定义为
D
n
=1－
E
n
E
（2）
式中，E0，E n分别为试件冻融前和经历n次冻融循环后的弹性模量。
图5节理试件三轴压缩峰值强度与冻融循环次数关系
王乐华，等∥节理岩体冻融力学特性试验研究
将表2中试件的弹性模量代入式（2）中，计算得
到损伤变量如表3所列，结果表明：
（1）随冻融循环次数的增加，两组节理试件的冻
融损伤变量逐渐增大，不过饱和试件冻融效应较天然
组更敏感，主要由于水作为冻融的载体，含水率越
高，冻融造成的损伤也越大，刚度下降幅度越大，说
明含水率越高，抗冻性能越弱。
（2）随着节理连通率的增加，天然组节理试件
冻融损伤变量变化不明显，而饱和组节理试件冻融
损伤变量逐渐增大，且120次冻融循环后，K=
0.50及K=0.75的饱和节理试件，冻融损伤变量超
过0.787，试件弹性性能劣化严重，说明节理连通
率对饱和组试件冻融损伤变量的影响较天然组试件
剧烈。
表3节理试件损伤变量与冻融循环次数的关系
岩样分组连通
率K
不同冻融循环次数对应的损伤变量D n
0次40次80次120次160次
天然完整00.0960.2130.2290.298 0.2500.0710.2700.3500.404 0.500.0840.2310.3470.386 0.7500.2720.3020.3630.428
饱和完整00.0990.2260.6000.681 0.2500.1380.4480.6160.719 0.500.2830.5690.7870.825 0.7500.3870.6630.8720.880
4结论
（1）随着冻融循环次数的增加，两组节理试件质量损伤和波速劣化程度逐渐增大，饱和组试件的衰减幅度明显大于天然组试件，并且含水率较高时，连通率越大，损伤越严重。
（2）在冻融循环作用下，天然组节理试件冻融效应不明显，表观特征几乎无变化，而饱和组节理试件破坏明显，主要集中于端部和节理附近，并以片状剥落和岩桥穿透破坏为主，随冻融循环次数的增加而加剧，且连通率越大，破坏程度越厉害。
（3）对冻融后节理试件三轴压缩峰值强度与冻融循环次数之间变化规律进行拟合，得到砂岩峰值强度变化曲线：σn=an2+bn+c，从中发现节理砂岩在120次冻融循环后，峰值强度减小趋缓。
（4）两组节理试件冻融损伤变量均随冻融循环次数的增加逐渐增大，但天然组试件表现较强的抗冻性，冻融损伤变量减小幅度较小；饱和组试件冻融损伤较剧烈，并且损伤变量随节理连通率的增加而增大，在120次冻融循环后，K=0.50及K=0.75的节理试件接近崩解，但在围压的作用下，损伤后的岩样还具有一定的刚度。
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（责任编辑陈小敏）
岩石力学名词解释和简答题更新
岩石力学复习资料 一．名词解释（15分） 1.结构：矿物颗粒的形状、大小和联结方式所决定的结构特征。 2.构造：各种不同结构的矿物集合体的各种分布和排列方式。 3.岩石颗粒间的联结分为结晶联结和胶结联结两类。 4.质量密度（ρ）和重力密度(γ)： 单位体积的岩石的质量称为岩石的质量密度。单位体积的岩石的重力称为岩石的重力密度(重度)。所谓单位体积就是包括孔隙体积在内的体积。 γ＝ W/V γ＝ρg(kN /m3) 5.岩石的相对密度：岩石的干重量除以岩石的实体积（不包括岩石中孔隙体积）所得的量与1个大气压下4度纯水的重度之比值。 Gs ——岩石的相对密度； Ws ——干燥岩石的重量(kN); Vs ——岩石固体体积(m3); —4度时水的重度（10kN/m3）。 6.孔隙率：岩石试件内孔隙的体积占试件总体积的百分比。 7.孔隙比：岩石试件内孔隙的体积与岩石试件内固体矿物颗粒的体积之比。 8.含水率：天然状态下岩石中水的重量ωW 与岩石烘干重量Ws 之比。 9.渗透性：在水压力作用下，岩石的孔隙和裂隙透过水的能力。 w s s s V W G γ=w γ%100?=V V n V n n V V V V V e V V s V -=-==1%100?=s W W ωωw s d G n γγ-=1
10.膨胀性：岩石浸水后体积增大的性质。 11.崩解性：岩石与水相互作用时失去粘结性并变为完全丧失强度的松散物质的性质。 12.软弱性：岩石与水相互作用时强度降低的特性。 13.抗冻性：岩石抵抗冻融破坏的性能。 14.岩石的强度：岩石抵抗破坏的能力。岩石在荷载作用下，发生破坏时所承受的最大荷载应力就是岩石的强度。 15.岩石的单轴抗压（拉）强度：岩石在单轴压缩（拉伸）荷载作用下，所能承受的最大压（拉）应力。 16.岩石的抗剪强度：岩石抵抗剪切破坏的极限能力。 17.岩石的扩容: 岩石受外力作用后,发生非弹性的体积膨胀。 18.残余强度: 岩石完全破坏后所能承受的一个较小的应力值。 19.长期强度: 长期荷载作用下岩石的强度。 20.岩石的流变性：岩石应力应变关系随时间而变化的性质。 21.蠕变：当应力保持恒定时，应变随时间增长而增大的现象。 22.松弛: 当应变保持恒定时，应力随时间增长而逐渐减小的现象。 23.弹性后效: 当卸载时，弹性应变滞后于应力的现象。 24.卸荷裂隙：岩体表面某一部分被剥蚀掉，引起重力和构造应力的释放或调整，使得岩体向自由空间膨胀而产生的平行于地表面的张裂隙。 25.RQD: 岩石质量指标，是指钻探时岩芯的复原率,或称岩芯采取率。 %10010(?>=（岩芯进尺总长度） 的岩芯断块累计长度）L cm Lp RQD 2 )(rp mp v V V K =
岩石力学性质试验
岩石力学性质试验 一、岩石单轴抗压强度试验 1.1概述 当无侧限岩石试样在纵向压力作用下出现压缩破坏时，单位面积上所承受的载荷称为岩石的单轴抗压强度，即试样破坏时的最大载荷与垂直于加载方向的截面积之比。 在测定单轴抗压强度的同时，也可同时进行变形试验。 不同含水状态的试样均可按本规定进行测定，试样的含水状态用以下方法处理： （1）烘干状态的试样，在105～1100C下烘24h。 （2）饱和状态的试样，使试样逐步浸水，首先淹没试样高度的1/4，然后每隔2h分别升高水面至试样的1/3和1/2处，6h后全部浸没试样，试样在水下自由吸水48h；采用煮沸法饱和试样时，煮沸箱内水面应经常保持高于试样面，煮沸时间不少于6h。 1.2试样备制 （1）试样可用钻孔岩芯或坑、槽探中采取的岩块，试件备制中不允许有人为裂隙出现。按规程要求标准试件为圆柱体，直径为5cm，允许变化范围为4.8～5.2cm。高度为10cm，允许变化范围为9.5～10.5cm。对于非均质的粗粒结构岩石，或取样尺寸小于标准尺寸者，允许采用非标准试样，但高径比必须保持=2:1～2.5:1。 （2）试样数量，视所要求的受力方向或含水状态而定，一般情况下必须制备3个。 （3）试样制备的精度，在试样整个高度上，直径误差不得超过0.3mm。两端面的不平行度最大不超过0.05mm。端面应垂直于试样轴线，最大偏差不超过0.25度。 1.3试样描述 试验前的描述，应包括如下内容： （1）岩石名称、颜色、结构、矿物成分、颗粒大小，胶结物性质等特征。 （2）节理裂隙的发育程度及其分布，并记录受载方向与层理、片理及节理裂隙之间的关系。 （3）测量试样尺寸，并记录试样加工过程中的缺陷。 1.4主要仪器设备 钻石机、锯石机、磨石机或其他制样设备。 游标卡尺、天平（称量大于500g，感量0.01g），烘箱和干燥箱，水槽、煮沸设备。 压力试验机。压力机应满足下列要求： （1）有足够的吨位，即能在总吨位的10%～90%之间进行试验，并能连续加载且无冲击。 （2）承压板面平整光滑且有足够的刚度，其中之一须具有球形座。承压板直径不小于试样直径，且也不宜大于试样直径的两倍。如大于两倍以上时需在试样上下端加辅助承压板，辅助承压板的刚度和平整光滑度应满足压力机承压板的要求。 （3）压力机的校正与检验应符合国家计量标准的规定。
钢板弹簧力学特性的非线性有限元分析
２００８年７月机械科学与技术Ｊｕｌｙ２００８第２７卷第７期ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＡｅｒｏｓｐａｃｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶ０１．２７Ｎｏ?７ 郑银环钢板弹簧力学特性的非线性有限元分析 郑银环，张仲甫 （武汉理工大学机电工程学院，武汉４３００７０） 摘要：利用非线性有限元方法，考虑钢板弹簧工作过程中的大变形、片问摩擦和接触等多种因素，在Ａｎｓｙｓ软件中建立钢板弹簧的力学模型，分析其力学特性。在不考虑摩擦和考虑摩擦两种婧况下计算其刚度、应力分布、接触状态及接触压力，研究了摩擦情况对钢板弹簧力学性能的影响。通过考虑片间摩擦，钢板弹簧计算模型的精度得到了提高。 关键词：钢板弹簧；ｊＦ线性有限元分析；力学特性；片间摩擦 中图分类号．ＴＨｌｌ３．１；ＴＨｌ３２．４１文献标识码：Ａ文章编号：１００３—８７２８（２００８）０７－０９１４－０３ ＮｏｎｌｉｎｅａｒＦｉｌｌｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅＭｅｃｈａｎｉＣＳ ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆａＬｅａｆＳｐｒｉｎｇ ＺｈｅｎｇＹｉｎｈｕａｎ。ＺｈａｎｇＺｈｏｎｇｆｕ （ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７０） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓｏｎｅｋｉｎｄｏｆｉｍｐｏｒｔａｎｔｆｌｅｘｉｂｌｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔ，ｌｅａｆｓｐｒｉｎｇｐｌａｙｓａｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｉｍｐｒｏｖｉｎｇｖｅｈｉｃｌｅｒｉｄｅｃｏｍｆｏｒｔａｎｄｓａｆｅｔｙ．Ｉｔｉｓｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｕｓｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｔｏｂｕｉｌｄｔｈｅｐｒｅｓｉｓｅｍｏｄｅｌｏｆａｌｅａｆｓｐｒｉｎｇ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｍｏｄｅｌｏｆａｌｅａｆｓｐｒｉｎｇｉｓｂｕｉｌｔｗｉｔｈｌａｒｇｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｉｎｔｅｒｌｅａｆｆｒｉｃｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔａｃｔｃｏｎ－ｓｉｄｅｒｅｄｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙａｎｄｉｔｓｍｅｃｈａｎｉｃｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｉｓａｎａｌｙｚｅｄｕｓｉｎｇＡｎｓｙｓｓｏｆｔｗａｒｅｂａｓｅｄｏｎｎｏｎｌｉｎｅａｒｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｓｔｉｆｆｎｅｓｓ，ｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，ｃｏｎｔａｃｔｓｔａｔｕｓａｎｄｃｏｎｔａｃｔｐｒｅｓｓｕｒｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｒｉｃｔｉｏｎｅｏｅｆｆｉ? ｃｉｅｎｔｓａｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ，ａｎｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｉｓｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｐｒｅｃｉ－ｓｉｏｎｏｆｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｌｅａｆｓｐｒｉｎｇｉｓｉｍｐｒｏｖｅｄｂｙｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｉｎｔｅｒｌｅａｆｆｒｉｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｅａｆｓｐｒｉｎｇ；ｎｏｎｌｉｎｅａｒｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ；ｍｅｃｈａｎｉｃｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ；ｉｎｔｅｒｌｅａｆｆｒｉｃｔｉｏｎ 钢板弹簧是汽车悬架系统中重要的传力及弹性元件，其特性对车辆的行驶平顺性、操纵稳定性和安全性有极其重要的影响。钢板弹簧几何形状设计计算是一个较复杂的过程。钢板弹簧在空载下一般都具有一定的曲率，但在传统计算方法中，都近似把它看成是直梁，然后利用材料力学中有关挠度的理论即线性原理来进行分析计算。其计算是建立在一定的假设基础之上的，假设不同，计算结果也不同，精度也不同。这样在力学效果上很难达到与实际情况等效一致。由于钢板弹簧存在非线性和迟滞特性，叶片接触面压力及摩擦力的分布都较为复杂，因而增加了钢板弹簧“精确设计”的难度。 周继铭等进行了板簧的非线性模型分析和动态 收稿日期：２００７一１０一０９ 基金项目：上海市重点科技攻关项目（０７ｔ１０５１１６）资助 作者简介：郑银环（１９７４一）．讲师。博士。研究方向为ＣＡＤ／ＣＡＥ，ｚｈｅｎｇｙｉｎｈｕａｎ＠ｗｈｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ特性研究¨二】。Ｙｏｕｎｇ．ＪｉｎＹｕｍ研究了钢板弹簧的摩擦特性∞】。丁能根等人采用有限元分析了钢板弹簧的迟滞特性【４】。文献［５，６］建立板簧的１／４模型，不考虑片间摩擦，对钢板弹簧进行了有限元分析。 本文采用Ａｎｓｙｓ有限元软件分析钢板弹簧的力学特性。在不考虑摩擦和考虑摩擦两种情况下计算其刚度、应力分布、接触状态及接触压力，以研究摩擦情况对钢板弹簧力学性能的影响。 Ｉ建立计算模型 本文分析的钢板弹簧为某轻卡前悬架钢板弹簧，由五片组成，满载负荷为６５５０Ｎ。根据对称性，在长度方向上取一半进行分析计算。在Ａｎｓｙｓ的前处理中直接生成几何模型，结合钢板弹簧总成计算模型是一个实体组合结构，考虑钢板弹簧的受力特点，以１０节点三维实体单元ＳＯＬＩＤ９２来模拟钢板弹簧。实体单元ＳＯＬＩＤ９２为四面体单元，适用于非线性、大变形 分析，而且在实体截面突变处也可进行单元划分。 万方数据
岩石力学研究进展报告
岩石力学研究新进展报告 姓名：XXX 学号：XXXXXXXX 专业：岩土工程
岩石力学研究新进展报告 1 引言 时光如白驹过隙，一学期的《XXXXX》课程在不知不觉间结课了。这一学期的学习，使我在岩石力学方面有了很大的启发，特别是分形理论在岩石力学中的应用令我神往。下面我对岩石力学研究的新进展做简要报告。 岩石力学可以作为固体力学的一个新分支，用以研究岩石材料的力学性能和岩石工程的特殊设计方法。岩石力学经过近50年的发展，在土木工程、水利工程、采矿工程、石油工程、国防工程等领域都得到了广泛的应用，随着科学技术的进步，岩石力学涉及的领域会进一步扩大。岩石力学是一门内涵深，工程实践性强的发展中学科。岩石力学面对的是“数据有限”的问题，输入给模型的基本参数很难确定，而且没有多少对过程（特别是非线性工程）的演化提供信息的测试手段。另一方面，对岩体的破坏机体还不能准确的解释。岩石力学所涉及的力学问题是多场（应力场、温度场、渗流场、甚至还存在电磁场等)、多相（固、液、气）影响下的地质构造和工程构造相互作用的耦合问题。这就表明，工程岩体的变形破坏特征是极为复杂的，其大多数是高度非线性的。目前，岩石力学的许多数学模型是不准确和不完整的，可以广泛接受和适用的概化模型并不多。基于此，近年来，多种数值方法、细观力学、断裂与损伤力学、系统科学、分形理论、块体理论等在岩石力学中的应用以及各种人工智能、神经网络、遗传算法、进化算法、非确定性数学等域岩石力学的交叉学科的兴起，为我们提供了全新和有效的思维方式和研究方法，更能激发研究者的创新精神，这也为突破岩石力学的确定性研究方法提供了强有力的理论基础[1]。 本报告主要对分形岩石力学、块体岩石力学、断裂与损伤岩石力学和岩石细观力学四部分的研究新进展做简要报告。由于时间和精力有限（最近导师安排的任务非常多，而且要准备英语和政治期末考试），每部分内容除第一大段的研究新进展综述外，只对近几年的三篇比较好的文献做分析说明，包括两篇中文学术论文和一篇外文学术论文，这12篇学术论文我都比较仔细的看了。以后若有机会和时间，我会在导师和各位老师同学的不吝赐教下，努力做岩石力学的创新性研究，届时会在文献综述部分查阅和介绍更多最新以及更优秀的文献。 2 分形岩石力学 从古至今，岩石已成为人们熟知的工程材料，它是由矿物晶粒、胶结物质和大量各种不同阶次、不规则分布的裂隙、薄弱夹层等缺陷构成，是一种成分和结构高度复杂的孔隙体。岩石力学经过近50年的发展，人们尝试用各种数学力学方法研究和描述岩石复杂的自然结构性状和物理力学性质，提出了多种岩石力学分析和计算方法，为解决实际工程中的岩石力学问题创造了条件。19世纪70年代Mandelbrot创立分形几何学，提出了一种定量研究和描述自然界中极不规则且看似无序的复杂结构、现象或行为的新方法，从此分形几何学广泛地应用于自然科学研究的各个领域，并且在经济学等社会科学也有很巧妙的应用。19世纪80年代，分形几何学开始应用于岩石力学研究，开始形成分形岩石力学这一门新兴交叉学科。人们逐渐发现岩石力学领域中的分形现象相当普遍，不仅岩石的自然结构性状、缺陷几何形态、分布以及地质结构产状、断层几何形态、分布都观察到分形特征或分形结构，而且岩石体强度、变形、破断力学行为以及能量耗
岩石力学
第一章岩石物理力学性质；1.构成岩石的主要造岩矿物有哪些？；答：岩石中主要造岩矿物有：正长石、斜长石、石英、；2.为什么说基性岩和超基性岩最容易风化？；答：基性和超基性岩石主要是由易风化的橄榄石、辉石；3.常见岩石的结构连接类型有哪几种？各有什么特点；答：岩石中结构连接的类型主要有两种，分别是结晶连；结晶连接指矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起；4.何谓岩石中的 第一章岩石物理力学性质 1.构成岩石的主要造岩矿物有哪些？ 答：岩石中主要造岩矿物有：正长石、斜长石、石英、黑云母、白云母、角闪石、辉石、橄榄石、方解石、白云石、高岭石、磁铁矿等。 2.为什么说基性岩和超基性岩最容易风化？ 答：基性和超基性岩石主要是由易风化的橄榄石、辉石及斜长石组成，所以非常容易风化。 3.常见岩石的结构连接类型有哪几种？各有什么特点？ 答：岩石中结构连接的类型主要有两种，分别是结晶连接和胶结连接。 结晶连接指矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起。这类连接使晶体颗粒之间紧密接触，故岩石强度一般较大，抗风化能力强；胶结连接指岩石矿物颗粒与颗粒之间通过胶结物连接在一起，这种连接的岩石，其强度主要取决于胶结物及胶结类型。 4.何谓岩石中的微结构面，主要指哪些，各有什么特点？ 答：岩石中的微结构面（或称缺陷）是指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒及矿物集合之间微小的若面及空隙。包括矿物的解理、晶格缺陷、晶粒边界、粒间空隙、微裂隙等。
矿物解理面指矿物晶体或晶粒受力后沿一定结晶防线分裂成光滑平面，解理面往往平行于矿物晶体面网间距较大的面网。 晶粒边界：由于矿物晶粒表面电价不平衡而引起矿物表面的结合力，该结合力源小于矿物晶粒内部分子、原子、离子键之间的作用力，因此相对较弱，从而造成矿物晶粒边界相对软弱。微裂隙：指发育于矿物颗粒内部及颗粒之间的多呈闭合状态的破裂痕迹线。具有方向性。粒间空隙：多在成岩过程中形成晶粒之间、胶结物之间微小的空隙。 5.自然界中的岩石按地质成因分类，可以分为几大类，各大类有何特点？ 答：按地质成因分类，自然界中岩石可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。 岩浆岩按照岩浆冷凝成岩的地质环境不同又可分为深成岩、浅成岩和喷出岩。其中深成岩常形成巨大的侵入体，有巨型岩体，大的如岩盘、岩基，其形成环境都处在高温高压之下，形成过程中由于岩浆有充分的分异作用，常常形成基性岩、超基性岩、中性岩及酸性、碱性岩等，其岩性较均一，变化较小，岩体结构呈典型的块状结构，结构多为六面体和八面体，岩体颗粒均匀，多为粗-中粒结构，致密坚硬，空隙少，力学强度高，透水性弱，抗水性强；浅成岩成分与相应的深成岩相似，其产状多为岩床、岩墙、岩脉等小侵入体，岩体均一性差，岩体结构常呈镶嵌式结构，岩石常呈斑状结构和均粒-中细粒结构，细粒岩石强度比深成岩高，抗风化能力强，斑状结构则差一些；喷出岩有喷发及溢流之别，其结构比较复杂，岩性不一，各向异性显著，岩体连续性差，透水性强，软弱结构面发育。 沉积岩是由风化剥蚀作用或火山作用形成的物质，在原地或被外力搬运，在适当条件下沉积下来，经胶结和成岩作用而形成的。其矿物成分主要是粘土矿物、碳酸盐和残余的石英长石等，具层理构造，岩性一般具有明显的各向异性，按形成条件和结构特点，沉积岩可分为：火山碎屑岩、胶结碎屑岩、粘土岩、化学岩和生物化学岩等。 变质岩是在已有岩石的基础上，经过变质混合作用形成的。因其形成的温度、压强等变质因素复杂，其力学性质差别很大，不能一概而论。 6.表示岩石物理性质的主要指标及其表示方式是什么？
岩石的基本物理力学性质及其试验方法
第一讲岩石的基本物理力学性质及其试验方法(之一) 一、内容提要： 本讲主要讲述岩石的物理力学性能等指标及其试验方法，岩石的强度特性。 二、重点、难点： 岩石的强度特性，对岩石的物理力学性能等指标及其试验方法作一般了解。 一、概述 岩体力学是研究岩石和岩体力学性能的理论和应用的科学，是探讨岩石和岩体对其周围物理环境(力场)的变化作出反应的一门力学分支。 所谓的岩石是指由矿物和岩屑在长期的地质作用下，按一定规律聚集而成的自然体。由于成因的不同，岩石可分成火成岩、沉积岩、变质岩三大类。岩体是指在一定工程范围内的自然地质体。通常认为岩体是由岩石和结构面组成。所谓的结构面是指没有或者具有极低抗拉强度的力学不连续面，它包括一切地质分离面。这些地质分离面大到延伸几公里的断层，小到岩石矿物中的片理和解理等。从结构面的力学来看，它往往是岩体中相对比较薄弱的环节。因此，结构面的力学特性在一定的条件下将控制岩体的力学特性，控制岩体的强度和变形。 【例题1】岩石按其成因可分为( )三大类。 A. 火成岩、沉积岩、变质岩 B. 花岗岩、砂页岩、片麻岩 C. 火成岩、深成岩、浅成岩 D. 坚硬岩、硬岩、软岩答案：A 【例题2】片麻岩属于( )。 A. 火成岩 B. 沉积岩 C. 变质岩 答案：C 【例题3】在一定的条件下控制岩体的力学特性，控制岩体的强度和变形的是( )。 A. 岩石的种类 B. 岩石的矿物组成 C. 结构面的力学特性 D. 岩石的体积大小答案：C 二、岩石的基本物理力学性质及其试验方法 (一)岩石的质量指标 与岩石的质量有关的指标是岩石的最基本的，也是在岩石工程中最常用的指标。 1 岩石的颗粒密度(原称为比重) 岩石的颗粒密度是指岩石的固体物质的质量与其体积之比值。岩石颗粒密度通常采用比重瓶法来求得。其试验方法见相关的国家标准。岩石颗粒密度可按下式计算 2 岩石的块体密度 岩石的块体密度是指单位体积岩块的质量。按照岩块含水率的不同，可分成干密度、饱和密度和湿密度。 (1)岩石的干密度 岩石的干密度通常是指在烘干状态下岩块单位体积的质量。该指标一般都采用量积法求得。即将岩块加工成标准试件(所谓的标准试件是指满足圆柱体直径为48～54mm，高径比为2.0～2.5，含大颗粒的岩石，其试件直径应大于岩石最大颗粒直径的10倍；并对试件加工具有以下的要求；沿试件高度，直径或边长的误差不得大于0.3mm；试件两端面的不平整度误差不得大于0.05mm；端面垂直于试件轴线，最大偏差不得大于0.25。)。测量试件直径或边长以及高度后，将试件置于烘箱中，在105～110℃的恒温下烘24h，再将试件放入干燥器内冷却至重温，最后称试件的质量。岩块干
分数阶非线性系统动力学特性及其图像处理应用研究
分数阶非线性系统动力学特性及其图像处理应用研究 非线性动力学在自然学科、社会学科、工程技术等诸多领域有着广泛的应用。而将非线性动力学理论引入图像处理领域,是非线性动力学理论应用的新思路,也是图像处理的新手段。 本文以分数阶非线性动力学和同步控制为理论基础,研究分析了新的非线性动力学特性,探索其与图像处理领域的契合点,在此基础上构建基于非线性动力学特性的图像处理模型。新模型的构建拓宽了非线性理论的应用领域,可为人脑感知系统的内部机制提供新的解释和预测,在图像处理领域和神经动力学方面都具有较好的理论意义和应用前景。 本文的主要工作及创新点包括以下几个方面:(1)基于分数阶蔡氏系统和变形蔡氏系统,构建了复分数阶(时滞)蔡氏系统和分数阶复变形蔡氏系统,利用相图、分岔图、最大Lyapunov指数等定性和定量的手段对两类复系统的动力学行为进行了分析讨论。首先将分数阶微积分定义扩展到复数阶,得到复数阶微积分定义的计算方法,并将其用于复分数阶(时滞)蔡氏系统的仿真。 对于分数阶复变形蔡氏电路系统的研究是将复系统转化为6变量的实系统实现的。在对两类系统的动力学行为分析中,通过改变系统阶次,观察到不同周期窗口、分岔、单涡卷等丰富的动力学行为。 最后讨论了两类复系统动力学行为的异同点及分数阶系统的动力学行为与构建图像处理模型之间的关系。(2)基于分数阶系统稳定性分析理论,研究了分数阶Relaxation振子对于不同外部刺激的稳定域和振荡域,结合相图、分岔图分析得到其产生的振荡为节律振荡;利用节律振荡特性构建图像增强模型,并用实验验证了新模型在图像增强方面的有效性。
首先利用分数阶稳定性理论分析分数阶Relaxation振子在不同外部刺激时其平衡点的稳定性,进而分析其对应的相图、分岔图,确定使分数阶Relaxation 振子产生节律振荡的外部刺激的范围。根据不同外部刺激使系统产生节律振荡的特性,构建了类Gamma曲线(QGC)。 将QGC和其相近模型进行比较,量化指标和直观效果均验证了我们所提模型在图像增强方面有较好的性能。另外,此模型模拟的增强机制也可能是人类视觉系统实现自动适应外界光线条件的机制。 (3)基于分数阶混沌系统的主动控制方法和分时同步策略,实现了单个分数 阶系统与多个分数阶复杂子网络的分时相同步。利用该方案构建了含中枢单元的两层图像目标选择模型,并用实验验证了该模型的可行性。 引入分数阶主动控制策略和分时同步思想,通过线性关系将子网络转化为混合系统,实现了单个混沌系统与子网络(混合系统)间的分时相同步。然后利用该方案构建包括中枢单元和分割单元两层的目标选择模型。 分割层是由相互耦合的分数阶神经元组成,通过相同步实现不同目标物的分割。中枢单元由一个振子构成,通过分时主动控制策略在不同时段与代表不同目标物的混合系统达到相同步,实现目标的选择与转移。 另外,此模型也是对人类视觉系统中目标物选择和转移机制一个很好的解释。 (4)基于分数阶系统的稳定性理论,实现了1+N分数阶复变量节点的复杂网络不 同系数的函数投影同步方案。 将此函数投影同步方案用于构建图像分形特征的识别模型,仿真结果验证了该模型的可行性。首先,构建了1+N节点(复混沌系统)驱动响应复杂网络模型。 根据分数阶系统稳定性理论,设计合理的控制器,实现了分数阶1+N节点复
岩石力学试验报告-2010
长沙理工大学 岩石力学试验报告 年级班号姓名同组姓名实验日期月日理论课教师：指导教师签字：批阅教师签字： 实验一 实验二 实验三 实验四 实验五 实验六 实验七
试验一、岩石单向抗压强度的测定 一、试验的目的： 测定岩石的单轴抗压强度Rc。当无侧限试样在纵向压力作用下出现压缩破坏时，单位面积上所承受的载荷称为岩石的单轴抗压强度，即试样破坏时的最大载荷与垂直于加载方向的截面积之比。 本次试验主要测定天然状态下试样的单轴抗压强度。 二、试样制备： 1、试料可用钻孔岩心或坑槽探中采取的岩块。在取料和试样制备过程中，不允许人为裂隙出现。 2、本次试验采用圆柱体作为标准试样，直径为5cm，允许变化范围为4.8～5.4cm，高度为10cm，允许变化范围为9.5～10.5cm。 3、对于非均质的粗粒结构岩石，或取样尺寸小于标准尺寸者，允许采用非标准试样，但高径之比宜为2.0～2.5。 4、制备试样时采用的冷却液，必须是洁净水，不许使用油液。 5、对于遇水崩解、溶解和干缩湿胀的岩石，应采用干法制样。 6、试样数量：每组须制备3个。 7、试样制备的精度。 (1)在试样整个高度上，直径误差不得超过0.3mm。 (2)两端面的不平行度，最大不超过0.05mm。 (3)端面应垂直于试样轴线，最大偏差不超过0.25。 三、试样描述： 试验前的描述，应包括如下内容： 1、岩石名称、颜色、结构、矿物成分、颗粒大小，风化程度，胶结物性质等特征。 2、节理裂隙的发育程度及其分布，并记述受载方向与层理、片理及节理裂隙之间的关系。 3、量测试样尺寸，检查试样加工精度，并记录试样加工过程中的缺陷。 试件压坏后，应描述其破坏方式。若发现异常现象，应对其进行描述和解释。 四、主要仪器设备：
岩石力学数值试验实验报告
岩石力学数值试验实验报告 姓名：郑周立学号： 1108010103 班级：采矿111班指导教师：左宇军 同组人：郑周立、周义现、胡斌、朱红伟、高言、 王坤 实验名称：圆孔对岩石力学性质影响的数值加载 试验 2014年5月16日
圆孔对岩石力学性质影响的数值加载试验 一、实验目的: 1.通过对RFPA2D学习，知道RFPA2D基本使用方法。 2.了解RFPA2D模拟试验的条件和RFPA2D的基本功能。 3.通过操作端部效应对岩石力学性质影响的数值实验，了解每一步操作以及岩石破裂过程，最终完成实验得到结果。 二、实验原理: RFPA-2D是一种基于有限元应力分析和统计损伤理论的材料破裂过程分析数值计算方法，是一个能够模拟材料渐进破裂直至失稳全过程的数值试验工具。 三、 1、试样尺寸： 100mm*51mm 2、基元数: 100*51 3、应力分析模式: 平面应变 4、圆孔：半径10mm 5、加载方式：单轴压缩 6、加载条件：竖向位移加载 7、均质度m=2 8、加载量：每步0.002mm
9、实验内容： （1）、应力-应变曲线； （2）、强度； （3）、破坏模式 四、实验内容： (一)、操作步骤： 第一步启动RFPA，新建模型建立存放的根目录 第二步划分网格，单击在弹出的窗口中设置模型的大小，单击确定第三步选择施加荷载模式... （二）实验结果 弹性模量图 第1步
第4步（开始破坏） 第7步（开始横向破坏） 第32步（彻底破坏） 第200步
最大剪应力图第1步
第4步（开始破坏） 第33步（彻底破坏） 第200步 最大主应力图
岩石力学
岩石力学 岩石的物理性质 一、 岩石的分类 火成岩：侵入岩和喷出岩。 沉积岩：砂岩（95%的油气储量）、页岩（待开采，如页岩气、煤层气）、石灰岩。 变质岩：不含油气。 二、 岩石的强度 主要取决于：组成其矿物的强度、连接结构形式、岩石的结构和整体构造、胶结物的成分和胶结方式 三、岩石的物理性质 孔隙度、渗透率、可压缩性、导电性、传热性的总称。 1、 孔隙度： 绝对孔隙度：φ = V 孔/V 岩总 孔隙度越高，岩石的力学性质越差。 有效孔隙度： φ有效 =V 连通/V 孔总。 2、 渗透性：在一定压力作用下，孔隙具有让流体（油、气、水）通过的性质。其大小 用渗透率来描述，反映了流体在岩石孔隙中流动的阻力的大小。 达西定律：A L h K Q ?=φ ...K Φ——反应岩石性质系数 含义：以粘度为1厘泊的流体完全饱和于岩石孔隙中，在1个大气压差的作用下，以层流的方式用过截面积为1cm 2,长度为1cm 的岩样时，其流量为1cm 3/s 。则渗透率为1达西（D ）。 3、 岩石中的油、气、水饱和度。… 4、 岩石的粒度组成和比表面积： 粒度组成的分析方法：筛分析法和沉降法。通过粒度得孔隙度。 比表面积：单位体积岩石内颗粒的总表面积。通过粒度组成估算比面。 孔隙度、粒度、比表三者之二求一 岩石的力学性质 岩石的类型、组成成分、结构构造、围压、温度、应变率、载荷等对其力学性质都有影响 一、 岩石变形性质的基本概念 1、 弹性：… 基本弹性参数E 、υ。 2、 塑性 3、 黏性：物体受力后，变形不能在瞬时完成，且应变率随应力的增加而增加的性质。 4、 脆性：受力后变形很小就发生破裂的性质。（ε>5%就发生破裂的称为塑性材料,小于 的称脆性材料） 5、 延性：发生较大塑性变形，但不丧失其承载能力的性质。 岩石在常温，常压下，并不是理想的弹性或塑性材料，而是几种的复合体，如塑弹性、塑弹塑、弹塑蠕。其本构关系略。 6、常温常压下岩石的典型应力-应变曲线：（重点） OA---塑性，应力增加快，但应变增加不多。原因：存在的孔隙和微裂隙被压实。其刚度增加。当围压大时，OA 段不明显。 AB---弹性； BC---塑性，应力增大不多，但应变增加多。在BC 段间任一点卸载后再加载，其强度会提高，称为硬化。B 点所对应的应力值为弹性极限。 到C 点，岩石没垮塌，还保持柱状，但有裂纹，不能加载，其承载能力变小，所以得
岩石力学试验报告
岩石力学实验指导书及实验报告 班级 姓名 山东科技大学土建学院实验中心编
目录 一、岩石比重的测定 二、岩石含水率的测定 三、岩石单轴抗压强度的测定 四、岩石单轴抗拉强度的测定 五、岩石凝聚力及内摩擦角的测定（抗剪强度 试验） 六、岩石变形参数的测定 七、煤的坚固性系数的测定
实验一、岩石比重的测定 岩石比重是指单位体积的岩石（不包括孔隙）在105～110o C 下烘至恒重的重量与同体积4o C 纯水重量的比值。 一、仪器设备 岩石粉碎机、瓷体或玛瑙体、孔径0.2或0.3毫米分样筛、天平（量0.001克）、烘箱、干燥器、沙浴、比重瓶。 二、试验步骤 1、岩样制备：取有代表性的岩样300克左右，用机械粉碎，并全部通过孔径0.2（或0.3）毫米分样筛后待用。 2、将蒸馏水煮沸并冷却至室温取瓶颈与瓶塞相符的100毫升比重瓶，用蒸馏水洗净，注入三分之一的蒸馏水，擦干瓶的外表面。 3、取15g 岩样（称准到0.001克）得g 借助漏斗小心倒入盛有三分之一蒸馏水的比重瓶中，注意勿使岩样抛撒或粘在瓶颈上。 4、将盛有蒸馏水和岩样的比重瓶放在沙浴上煮沸后再继续煮1～1.5小时。 5、将煮沸后的比重瓶自然冷却至室温，然后注入蒸馏水，使液面与瓶塞刚好接触，注意不得留有气泡，擦干瓶的外表面，在天平上称重得g 1。 6、将岩样倒出，比重瓶洗净，最后用蒸馏水刷一遍，向比重瓶内注满蒸馏水，同样使液面与瓶塞刚好接触，不得留有气泡，擦干瓶的外表面，在天平上称重得g 2。 三、结果：按下式计算： s d g g g g d 1 2-+= 式中：d ——岩石比重； g ——岩样重、克； g 1——比重瓶、岩样和蒸馏水合重、克； g 2——比重瓶和满瓶蒸馏水合重、克； d s ——室温下蒸馏水的比重、d s ≈1
线性与非线性结构力学评介与分析
《线性与非线性结构力学》评介与分析 彭剑（湖南大学机械与运载工程学院博士生） 王旺平（南开大学经济学院博士生） [内容摘要] 本文介绍了《Linear and nonlinear structural mechanics》一书的基本情况。通过评介与分析，建议国内编写同类专著时，也应由名家撰写、文献丰富、善用图表、及时更新等，并特别注重理论与实践相结合。 [关键词] 非线性；结构力学；教材评介；启示 《Linear and nonlinear structural mechanics》（线性与非线性结构力学）是A.H. Nayfeh教授撰写。本文评介的专著《Linear and nonlinear structural mechanics》由前言、正文、参考文献和索引四个部分组成，其中正文9章，共746页。本书的作者是美国教授。 一、出版与作者情况 《Linear and nonlinear structural mechanics》由美国弗吉尼亚理工学院和州立大学的A.H. Nayfeh教授撰写。2004年由美国约翰威立 (John Wiley & Sons)出版公司出版。[1] A.H. Nayfeh于1933年12月21日出生于Shuwaikah。1962年，获得斯坦福大学 B.S.工学学士学位，后于1963年和1964年取得航空和航天的M.S.和博士学位。他拥有在Heliodyne公司和Aerotherm工业公司工作经验。他是美国物理学会，航空航天，机械工程师协会美国研究所和力学美国科学院院士。他是非线性科学的主编，非线性动力学和振动与控制杂志WILEY丛书的编辑。1981年获科威特在基础科学奖（物理）;美国航空航天研究所和航天Pendray文学奖，1995年，美国机械工程师协会太平绅士书斋哈尔托赫奖，1997年，俄罗斯圣彼得堡大学荣誉博士学位，1996年，弗兰克J马希尔工程教育奖，1997年卓越工程学院院长的卓越研究奖，1998年，德国慕尼黑大学名誉博士学位，1999年，波兰Politechnika Szczecinska技术大学名誉博士学位，2004年，他建立约旦耶尔穆克大学并从1980-1984年担任学院院长。他目前是美国弗吉尼亚理工学院和州立大学的杰出工程教授。 二、本书的创作背景 众多书籍在过去二十年的一直致力于索，电缆，梁，板，和壳结构力学的研究。虽然正确分类他们不是一件容易的任务，更可以大致区分面向数学类书籍，
岩石力学 知识点整理
岩石力学 第一章 绪论 1、岩石力学是研究岩石或者岩体在受力的情况下变形、屈服、破坏及破坏后的力学效应。 2、岩石的吸水率的定义。 演示吸水率是指岩石在大气压力下吸收水的质量w m 与岩石固体颗粒质量s m 之比的百分数表示，一 般以a w 表示，即w 0s a s s m w 100%m m m m -==? 第二章 岩石的物理力学性质 1、影响岩石的固有属性的因素主要包括试件尺寸、试件形状、三维尺寸比例、加载速度、湿度等。 2、简述量积法测量岩石容重的适用条件和基本原理。 适用条件：凡能制备成规则试样的岩石均可 基本原理：G/A*H H ：均高；A ：平均断面；G ：重量 3、简述劈裂试验测岩石抗压强度的基本原理。 在试件上下支承面与压力机压板之间加一条垫条，将施加的压力变为线性荷载以使试件内部产生垂直于上下荷载作用方向的拉应力在对径压缩时圆盘中心点的压应力值为拉应力值的3倍而岩石的抗拉强度是抗压强度的1/10，岩石在受压破坏前就被抗拉应力破坏 4、简述蜡封法测量岩石容重的适用条件和基本原理。 适用条件：不能用量积法或水中称量法（非规则岩石试样且遇水易崩解，溶解及干缩湿胀的岩石） 基本原理：阿基米德浮力原理 首先选取有代表性的岩样在105~110℃温度下烘干24小时。取出，系上细线，称岩样重量（g s ）,持线将岩样缓缓浸入刚过熔点的蜡液中，浸没后立即提出，检查岩样周围的蜡膜，若有起泡应用针刺破，再用蜡液补平，冷却后称蜡封岩样的重量（g 1），然后将蜡封岩样浸没于纯水中称其重量（g 2），则岩石的干容重（γd ）为： γd =g s /[（g 1-g 2）/γw -（g 1-g s ）/γn] 式中，γn 为蜡的容重（kN/m 3），.γw 为水的容重（kN/m 3） 附注：1. g 1- g 2即是试块受到的浮力，除以水的密度，（g 1- g 2）/γw 即整个试块体积。 2. （g 1- g s ）/γn 为蜡的体积 第三章 岩石的力学性质 1、岩石的抗压强度随着围压的增大而(增大或减小)? 增大而增大。 2、岩石的变形特性通常用弹性模量、变形模量和泊松比等指标表示。 ①弹性模量：岩石在弹性变形阶段内，正应力和对应的正应变的比值。 ②变形模量：岩石在弹塑性变形阶段内，正应力和对应的总应变的比值。 ③泊松比：岩石在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值。 3、简述如何利用全应力-应变曲线预测岩石的蠕变破坏。 当岩石应力水平小于 H 点的应力值，岩石试件不会发生蠕变。
岩石力学参数测试
3.2 侏罗系煤岩层物理力学性质测试 3.2.1试验仪器及原理 本试验采用电子万能压力试验机(图3.24)对侏罗系、石炭系岩石试样进行抗压强度、抗拉强度以及抗剪强度的测定。 (a) 电子万能压力试验机 (b) 单轴抗压强度测试 (c) 抗拉强度测试 (d) 抗剪强度测试 图3.24 岩石力学电子万能压力试验机及试验过程 (1) 岩石抗压强度测定： 单轴抗压强度的测定：将采集的岩块试件放在压力试验机上，按规定的加载速度(0.1mm/min)加载至试件破坏。根据试件破坏时，施加的最大荷载P ，试件横断面A 便可计算出岩石的单轴抗压强度S 0，见式(3.1)。 S 0= P A (3.1) 一般表面单轴抗压强度测定值的分散性比较大，因此，为获得可靠的平均单轴抗压强度值，每组试件的数目至少为3块。 (2) 岩石抗拉强度的测定： 做岩石抗拉试验时，将试件做成圆盘形放在压力机上进行压裂试验，试件受集中荷载的作用，见式(3.2)。
S t = 2P DT π (3.2) 式中：S t ——岩石抗拉强度 MPa ； P ——岩石试件断裂时的最大荷载，KN ； D ——岩石试件直径； T ——岩石试件厚度。 为使抗拉强度值较准确，每种岩石试件数目至少3块。 (3) 岩石抗剪强度测定： 将岩石试件放在两个钢制的倾斜压模之间，然后把夹有试件的压模放在压力实验机上加压。当施加荷载达到某一值时，试件沿预定的剪切面剪断，见式(3.3)。 sin cos n T P A A N P A A τασα? = =? ??? ==?? (3.3) 式中：P ——试件发生剪切破坏时的最大荷载； T ——施加在破坏面上的剪切力； N ——作用在破坏面上的正压力； A ——剪切破坏面的面积； τ——作用在破坏面上的剪应力； n σ——作用在破坏面上的正应力； α——破坏面上的角度。 每组取3块试件，变换不同的破坏角，根据所得的数值，便可在στ-坐标系上画出反映岩石发生剪切破坏的强度曲线。并可求出反映岩石力学性质的另外两个参数：粘聚力c 及内摩察角?。 3.2.2 标准岩样加工 根据需要和所在矿的条件，在晋华宫矿12#煤层2105巷顶板钻取岩样，钻孔长度约22m ，在。根据各段岩心长度统计结果，晋华宫矿顶板岩层的RQD 值为72.4%，围岩质量一般。 岩心取出后，随即贴上标签，用透明保鲜袋包好以防风化，之后装箱，托运到实验室，经切割、打磨、干燥制成标准的岩石试样，岩样制作过程见图3.25。
中南大学ANSYS上机实验报告
ANSYS上机实验报告 小组成员：郝梦迪、赵云、刘俊 一、实验目的和要求 本课程上机练习的目的是培养学生利用有限单元法的商业软件进行数值计算分析，重点是了解和熟悉ANSYS的操作界面和步骤，初步掌握利用ANSYS建立有限元模型，学习ANSYS分析实际工程问题的方法，并进行简单点后处理分析，识别和判断有限元分析结果的可靠性和准确性。 二、实验设备和软件 台式计算机，ANSYS10.0软件 三、基本步骤 1）建立实际工程问题的计算模型。实际的工程问题往往很复杂，需要采用适当的模型在计算精度和计算规模之间取得平衡。常用的建模方法包括：利用几何、载荷的对称性简化模型，建立等效模型。 2）选择适当的分析单元，确定材料参数。侧重考虑一下几个方面：是否多物理耦合问题，是否存在大变形，是否需要网格重划分。 3）前处理（Preprocessing）。前处理的主要工作内容如下：建立几何模型（Geometric Modeling），单元划分（Meshing）与网格控制，给定约束（Constraint）和载荷（Load）。在多数有限元软件中，不能指定参数的物理单位。用户在建模时，要确定力、长度、质量及派生量的物理单位。在建立有限元模型时，最好使用统一的物理单位，这样做不容易弄错计算结果的物理单位。建议选用kg，N，m，sec；常采用kg，N，mm，sec。 4）求解（Solution）。选择求解方法，设定相应的计算参数，如计算步长、迭代次数等。 5）后处理（Postprocessing）。后处理的目的在于确定计算模型是否合理、计算结果是否合理、提取计算结果。可视化方法（等值线、等值面、色块图）显
岩石力学作业
岩石力学习题 第一章绪论 1.1 解释岩石与岩体的概念，指出二者的主要区别与联系。 1.2 岩体的力学特征是什么？ 1.3 自然界中的岩石按地质成因分类可分为几大类，各有什么特点？ 1.4 简述岩石力学的研究任务与研究内容。 1.5 岩石力学的研究方法有哪些？ 第二章岩石的物理力学性质 2.1 名词解释：孔隙比、孔隙率、吸水率、渗透性、抗冻性、扩容、蠕变、松弛、弹性后效、长期强度、岩石的三向抗压强度 2.2 岩石的结构和构造有何区别？岩石颗粒间的联结有哪几种？ 2.3 岩石物理性质的主要指标及其表示方式是什么？ 2.4 已知岩样的容重=22.5kN/m3，比重，天然含水量，试计算该岩样的孔隙率n，干容重及饱和容重。 2.5 影响岩石强度的主要试验因素有哪些？ 2.6 岩石破坏有哪些形式？对各种破坏的原因作出解释。 2.7 什么是岩石的全应力－应变曲线？什么是刚性试验机？为什么普通材料试 验机不能得出岩石的全应力－应变曲线？ 2.8 什么是岩石的弹性模量、变形模量和卸载模量？
2.9 在三轴压力试验中岩石的力学性质会发生哪些变化？ 2.10 岩石的抗剪强度与剪切面上正应力有何关系？ 2.11 简要叙述库仑、莫尔和格里菲斯岩石强度准则的基本原理及其之间的关系。 2.12 简述岩石在单轴压力试验下的变形特征。 2.13 简述岩石在反复加卸载下的变形特征。 2.14 体积应变曲线是怎样获得的？它在分析岩石的力学特征上有何意义？ 2.15 什么叫岩石的流变、蠕变、松弛？ 2.16 岩石蠕变一般包括哪几个阶段？各阶段有何特点？ 2.17 不同受力条件下岩石流变具有哪些特征？ 2.18 简要叙述常见的几种岩石流变模型及其特点。 2.19 什么是岩石的长期强度？它与岩石的瞬时强度有什么关系？ 2.20 请根据坐标下的库仑准则，推导由主应力、岩石破断角和岩石单轴抗压强度给出的在坐标系中的库仑准则表达式，式中。 2.21 将一个岩石试件进行单轴试验，当压应力达到100MPa时即发生破坏，破坏面与大主应力平面的夹角(即破坏所在面与水平面的仰角)为65°，假定抗剪强度随正应力呈线性变化(即遵循莫尔库伦破坏准则)，试计算： 1)内摩擦角。 2)在正应力等于零的那个平面上的抗剪强度。
岩石力学实验指导书
岩石力学实验指导书
岩石力学实验指导书 修订版 王宝学杨同张磊编
北京科技大学 土木与环境工程学院 2008 年3 月 3
试验是岩石力学课程教学的重要环节，目的在于辅助课堂教学，直观培养学生的知识结构和动手能力。本指导书是根据我校“2005年教学大纲”，并结合我校的实验条件而编写，主要内容有：1、岩石天然含水率、吸水率及饱和吸水率试验；2、岩石比重试验； 3、岩石密度试验； 4、岩石耐崩解试验 5、岩石膨胀试验； 6、岩石冻融试验； 7、岩石单轴抗压强度试验， 8、岩石压缩变形试验， 9、岩石抗拉强度试验(巴西法)，10、岩石抗剪强度试验(变角剪法)，11、岩石三轴压缩及变形试验，12、岩石弱面抗剪强度试验，13、岩石点载荷指数测定试验，14、岩石纵波速度测定试验，15、岩石力学伺服控制刚性试验；16、岩石声发射试验。 本指导书的内容主要参照《水利水电工程岩石试验规程》（SL264-2001）；《水利电力工程岩石试验规程》DLJ204-81，SLJ2-81；同时参考了国际岩石力学会《岩石力学试验建议方法》，中华人民共和国国家标准《岩石试验方法标准》以及《露天采矿手册》等，由于我们水平有限，文中如有不当之处，欢迎读者批评指正。 编者：王宝学、杨同、张磊 2007年12月
岩石物理性质试验 (1) 一、岩石天然含水率、吸水率及饱和吸水率试验 (1) 二、岩石比重(颗粒密度)试验 (5) 三、岩石密度试验 (10) 四、岩石耐崩解试验 (17) 五、岩石膨胀试验 (20) 六、岩石冻融试验 (28) 岩石力学性质试验 (33) 七、岩石单轴抗压强度试验 (33) 八、岩石压缩变形试验 (39) 九、岩石抗拉强度试验（巴西法） (46) 十、岩石抗剪强度试验(变角剪切) (51) 十一、岩石三轴压缩及变形试验 (56) 十二、岩石弱面剪切强度试验 (68) 十三、点载荷指数的测定 (75) 十四、岩石纵波速度测定 (78) 十五、岩石力学伺服控制刚性试验 (80) 十六、岩石声发射试验 (86)