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加载速率效应下深部砂岩的力学特性

Journal of Central South University 2022年第6期29卷 1933-1944页

作者：张俊文丁露江宋治祥范文兵王善勇 State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering China University of Mining&Technology(Beijing)Beijing 100083China School of Energy and Mining Engineering China University of Mining and Technology(Beijing)Beijing 100083China National Demonstration Center for Experimental Safe Coal Mining and Geological Guarantee Education China University of Mining and Technology(Beijing)Beijing 100083China Priority Research Centre for Geotechnical Science&Engineering The University of NewcastleCallaghanNSW 2308Australia

煤矿工作面推进速度对煤体前方支承压力波动频率有显著影响,且与煤岩力学试验中轴向加载速率的变化有一定的相关性。为此,采用2000 k N三轴试验机和PCI-2声发射测试系统,对深部砂岩进行了0.05,0.1,0.15,0.25和0.5 MPa/s五种不同加载速... 详细信息

煤矿工作面推进速度对煤体前方支承压力波动频率有显著影响,且与煤岩力学试验中轴向加载速率的变化有一定的相关性。为此,采用2000 k N三轴试验机和PCI-2声发射测试系统,对深部砂岩进行了0.05,0.1,0.15,0.25和0.5 MPa/s五种不同加载速率下的单轴压缩试验,进而研究加载速率对深层砂岩力学特性的影响。结果表明:1)深部砂岩的峰值强度和弹性模量均随加载速率的增大而增大;2)随着加载速率的增大,深部砂岩由塑-弹-塑性体向塑-弹性体转变,破坏模式逐渐由I类型向III类型转变;3)总输入应变能、弹性应变能、耗散应变能均随着加载速率的增大而增大;4)损伤变量随时间的延长呈现出倒“S”型演化特征,且随着加载速率的增大,深部砂岩的损伤程度加剧。上述所得结论可为深部工程围岩稳定性控制提供理论依据。

关键词：加载速率效应破坏模式能量演化损伤演化力学特性深部砂岩

超临界CO2浸泡煤岩力学性能的加载速率效应及煤体破裂特征研究

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超临界CO2浸泡煤岩力学性能的加载速率效应及煤体破裂特征研究

作者：吴韬太原理工大学

学位级别：硕士

在全球“双碳”背景下,煤层气以其清洁、高效和储量丰富的优势,已成为我国能源结构重要组成部分。水力压裂技术以其低成本、效率高的优势被广泛应用于煤层气资源开采中,但因其对地层和地下水的严重污染等问题,以超临界态二氧化碳(Sc CO... 详细信息

在全球“双碳”背景下,煤层气以其清洁、高效和储量丰富的优势,已成为我国能源结构重要组成部分。水力压裂技术以其低成本、效率高的优势被广泛应用于煤层气资源开采中,但因其对地层和地下水的严重污染等问题,以超临界态二氧化碳(Sc CO)作为压裂介质的无水压裂技术逐渐发展起来。研究表明,超临界CO压裂较水力压裂的起裂压力更低,且能够生成更复杂的裂缝网络,煤层渗透性改造效果显著提高。此外,基于竞争吸附原理,CO能够驱替出煤层中吸附态煤层气,提高煤层气开采效率的同时实现CO的地质封存。对未浸泡超临界CO煤岩和超临界CO浸泡煤岩在0.03、0.3、3、30mm/min(10、10、10、10 s准静态应变率)加载速率下的单轴力学特性及0.015、0.15、1.5、15 mm/min加载速率下煤岩断裂韧度的加载速率效应影响进行实验研究;对比分析未浸泡煤岩和浸泡煤岩力学性质受加载速率变化影响的区别。通过数值模拟方法,对比弹性模量大小、不同地应力差、不同注入速率下和不同温度下的裂缝扩展规律,起裂压力变化。论文主要结论如下:(1)未浸泡超临界CO煤岩和超临界CO浸泡煤岩的单轴抗压强度和弹性模量随应变率增加均表现出先增加后降低的趋势。不同加载速率下,超临界CO浸泡煤岩单轴抗压强度和弹性模量始终低于未浸泡煤岩,且在0.03 mm/min和30 mm/min加载速率条件下煤岩力学性质降低幅度较大,抗压强度分别降低28.66%、34.98%,弹性模量分别降低35.50%、27.68%,表明超临界CO浸泡煤岩的力学特性受加载速率效应影响更为明显。由实验加载全程应力应变曲线可得,超临界CO浸泡煤岩较未浸泡煤岩可压缩性更强。未浸泡超临界CO煤岩的破坏形态主要为X状共轭剪切破坏,且随应变率增加煤岩破损程度增加,煤岩破坏剪切带逐渐同步发展,破坏锥更明显;超临界CO弱化作用使煤岩层理间抗拉强度降低,随着加载速率增加,超临界CO浸泡煤岩破坏时优先沿层理间弱面扩展,因此其破坏形态由斜面剪切破坏转变为竖向拉伸劈裂破坏。加载速率效应及超临界CO浸泡弱化作用同时也影响着煤岩内部能量演化过程。未浸泡煤岩和超临界CO浸泡煤岩峰值强度时的弹性应变能随应变率增加同样表现出先增加后降低的趋势,不同加载速率下,超临界CO浸泡煤岩峰值强度时的弹性应变能始终低于未浸泡超临界CO煤岩,从煤岩破坏时表征能量释放的声发射信号强弱可以获证。而超临界CO浸泡煤岩更强的可压缩性及塑性使其在0.03、3、30 mm/min加载速率条件下峰值强度时的耗散能较大,占总应变能比例较高。(2)试验证明了煤体的断裂韧度在准静态加载下具有明显的速率效应,在0.015、0.15、1.5、15 mm/min加载速率下,随着加载速率的增加,煤体的断裂韧度、断裂能和声发射累计能量均呈现出先增加后降低的趋势:未浸泡SCB试件的断裂韧度增加幅度分别为13.59%、29.09%、18.63%;超临界CO浸泡7 d SCB试件的断裂韧度增加幅度分别为20.94%、37.8%、16.96%,加载速率变化对超临界CO浸泡试件断裂韧度的影响较未浸泡试件更明显。同一加载速率下超临界CO浸泡试件的断裂韧度均小于未浸泡试件的断裂韧度,在0.015、0.15、1.5、15 mm/min加载速率下,断裂韧度了分别降低了33.30%、28.98%、28.35%、34.23%;0.015和15 mm/min的低、高加载速率对超临界CO浸泡弱化后煤体的断裂韧度劣化作用显著。在0.015、0.15、1.5、15 mm/min加载速率下,未浸泡试件的累计能量是超临界CO浸泡试件累计能量的1.87～4.6倍。超临界CO浸泡试件和未浸泡试件的断裂面在SCB试件轴向和径向方向上的粗糙程度均随着加载速率的增加逐渐降低,且由二维轮廓线的JRC平均值的拟合线可知超临界CO浸泡试件在两个方向上JRC随加载速率增加的降低趋势要大于未浸泡试件,在同一加载速率下超临界CO浸泡轴向和径向上的JRC要小于未浸泡试件。(3)通过FDEM法进行超临界CO不同条件下的压裂数值模拟,由模拟结果可知煤体弹性模量大小对裂缝长度、宽度和起裂压力的影响,当弹性模量较大时得到的压裂裂缝长度更长但宽度减小,不同弹性模量下起裂压力变化不大,但同一弹性模量下,超临界CO压裂裂缝较水力压裂裂缝长度更短裂缝开度更大,起裂压力更低。由大尺度含不规则天然弱面的煤体模型在不同水平地应力差和不同注入速率下的超临界CO压裂模拟结果可知:低地应力差下,裂缝会沿着模型对角方向进行分叉扩展,容易形成复杂的裂缝网络,而在高低应力差下,裂缝主要沿最大水平主应力方向扩展,多形成路径复杂的单一裂缝,当地应力差为0时在较小的注入速率同样产生单一的裂缝,地应力差为8 MPa时,高注入速率下会在裂缝末端发生分叉扩展,增加压裂液注入速率能够增大裂缝的扩展范围和裂缝开度扩大同时也会增加裂缝起裂压力,因此可以通过筛选地应力差较小的储层选择合适

关键词：加载速率效应超临界CO2浸泡单轴力学性能断裂韧度压裂数值模拟

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含雁行裂纹砂岩静态加载速率效应实验研究

煤炭学报 2017年第10期42卷 2582-2591页

作者：王笑然王恩元刘晓斐汪皓李学龙李德行中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044

为研究裂隙岩体的静态加载速率效应,以含预制雁行裂纹砂岩为实验对象,测试了不同加载速率下试样的力学性质、破裂模式、能量耗散及声发射响应特征,综合声发射定位和裂纹扩展演化录像,分析了裂纹扩展演化过程及加载速率效应机制。结果表... 详细信息

为研究裂隙岩体的静态加载速率效应,以含预制雁行裂纹砂岩为实验对象,测试了不同加载速率下试样的力学性质、破裂模式、能量耗散及声发射响应特征,综合声发射定位和裂纹扩展演化录像,分析了裂纹扩展演化过程及加载速率效应机制。结果表明:(1)裂隙砂岩受载过程存在着明显的静态加载速率效应。随着加载速率的升高,试样峰值强度、峰值应变、起裂应力、峰值处积累的弹性能和声发射计数峰值均逐渐增大但增幅放缓,弹性模量呈现出先增大后减小趋势,累计声发射总计数则逐渐减小。(2)试样新裂纹的起裂萌生均对应着应力的局部下降、耗散能的突升及声发射的高值响应。(3)加载速率较小时,试样沿一条预制裂纹扩展、滑移而形成剪切型破坏;当加载速率较大时,试样最终破坏模式为裂纹岩桥贯通,并由裂纹外端沿与加载方向平行扩展而成的拉破坏。研究结果为深入认识煤岩动力灾害的力学响应机制及揭示其演化过程提供了有益的参考。

关键词：雁行裂纹加载速率效应力学特性破坏模式能量耗散声发射

硬脆性大理岩单轴抗拉强度特性的加载速率效应研究——试验特征与机制

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岩石力学与工程学报 2013年第9期32卷 1868-1875页

作者：周辉杨艳霜肖海斌张传庆付亚平中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 华能澜沧江水电有限公司云南昆明650214

加载速率效应是岩石材料力学特征的一个重要性质。通过对锦屏II级水电站硬脆性大理岩T2b开展单轴抗拉强度特性的加载速率效应试验,获得以下5点试验规律:(1)在巴西圆盘劈裂试验中,岩样的破坏过程基本可以归纳为应力集中区出现、应力集中... 详细信息

加载速率效应是岩石材料力学特征的一个重要性质。通过对锦屏II级水电站硬脆性大理岩T2b开展单轴抗拉强度特性的加载速率效应试验,获得以下5点试验规律:(1)在巴西圆盘劈裂试验中,岩样的破坏过程基本可以归纳为应力集中区出现、应力集中区扩展、破坏面形成和岩样破坏4个阶段;(2)岩样的峰值抗拉强度随着加载速率的提高而呈对数增大;(3)应力峰值对应的平均垂直应变随着加载速率的增大而增大,而平均侧向应变随着加载速率的增大而减小;(4)对岩样电镜扫描图进行断口学分析表明,在较低的加载速率(0.000 255 MPa/s)下,岩样的破坏面中张拉破坏区域(即镜面区)所占的比例较大,剪切破坏区域(即锯齿区)所占的比例较小,且锯齿区分布均匀规则,而在较高的加载速率(2.55 MPa/s)下,岩样的断口中镜面区比例较小,锯齿区所占的比例较大,且锯齿区剪切脆断痕迹明显;(5)在0.000 255 MPa/s的加载速率下,岩样一般劈裂成2块,岩石破坏所消耗的能量较小,而在2.55 MPa/s的加载速率下,岩样破碎成多块,岩样破坏所消耗的能量较大。本文通过宏细观两方面的分析,并引入断口形貌学的分析方法,揭示了硬脆性岩石力学特性加载速率效应的试验特征和内在机制,为岩石破坏机制研究提供一条新的途径。

关键词：岩石力学加载速率效应抗拉强度巴西劈裂试验电镜扫描断口分析脆延转化

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原状黄土变形与强度特性的加载速率效应

中国公路学报 2016年第7期29卷 22-29页

作者：邓亚虹魏宝华王晗李喜安宋焱勋长安大学国土资源部岩土工程开放研究实验室陕西西安710054 长安大学地质工程与测绘学院陕西西安710054

为揭示荷载施加快慢对土体变形与强度特性的影响规律,基于三轴CU试验,开展了不同围压和含水率状态下,原状和重塑黄土加载速率效应的试验研究。在试验结果基础上,分析了加载速率对黄土应力-应变曲线特征、抗剪强度以及结构强度等的影响... 详细信息

为揭示荷载施加快慢对土体变形与强度特性的影响规律,基于三轴CU试验,开展了不同围压和含水率状态下,原状和重塑黄土加载速率效应的试验研究。在试验结果基础上,分析了加载速率对黄土应力-应变曲线特征、抗剪强度以及结构强度等的影响规律。研究结果表明:加载速率对黄土的应力-应变曲线形态有显著影响,高加载速率、低围压、低含水率可以导致应变软化现象的产生;加载速率对剪切强度的影响存在临界值,加载速率小于此值时抗剪强度随着加载速率的增大而增大,超过此值时抗剪强度又有一定程度的降低,呈现先增后减的特征;加载速率对抗剪强度参数c和φ的影响规律不尽相同:黏聚力c随着加载速率的增大呈现先增大后减小的规律,而内摩擦角φ则随着加载速率的增大单调递减;加载速率对黄土结构强度的影响规律与抗剪强度基本一致,亦存在一临界加载速率,结构强度随着加载速率的增大也表现出先增大后减小的规律。

关键词：道路工程加载速率效应三轴试验原状黄土应力-应变曲线抗剪强度结构强度

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低含水量粘土的加载速率效应与蠕变变形

煤田地质与勘探 2008年第1期36卷 41-43页

作者：李建中徐力生中南大学地学与环境工程学院勘查与基础工程研究所湖南长沙410083

通过对低含水量藤森粘土(Fujinomori clay)试样的单向固结试验,研究了低含水量粘土的加载速率效应与蠕变变形。所采用的藤森粘土土样有湿润(含水量小于15%)、风干(含水量小于4.5%)与烘干(含水量小于1%)3种。试验中,应变率逐步改变,同时... 详细信息

通过对低含水量藤森粘土(Fujinomori clay)试样的单向固结试验,研究了低含水量粘土的加载速率效应与蠕变变形。所采用的藤森粘土土样有湿润(含水量小于15%)、风干(含水量小于4.5%)与烘干(含水量小于1%)3种。试验中,应变率逐步改变,同时进行了蠕变及加、卸载试验以及小幅度的循环加载试验。试验结果表明:湿润土样、风干土样与烘干土样都有明显的加载速率效应与蠕变变形;在大范围的卸载-重复加载过程中,蠕变变形会由卸载初期的正变形逐步发展为后期的负变形,在这个发展过程中存在着中性点(即蠕变为零,或者无蠕变的点);藤森粘土的加载速率效应随含水量的降低有所降低,即湿润藤森土样的加载速率效应更明显。

关键词：加载速率效应蠕变变形含水量土力学

加锚脆性岩石破裂的加载速率效应及声发射特性研究

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加锚脆性岩石破裂的加载速率效应及声发射特性研究

作者：宁勇湖南科技大学

学位级别：硕士

随着浅部资源的逐渐枯竭,国内外岩石工程均向岩体深部发展,在深部高地应力条件下,广泛存在于煤矿山和非煤矿山、隧洞、边坡等众多工程中的脆性岩体破坏导致的诸多特殊工程灾害(如岩爆、冲击地压等)表现更为突出,给工程设计、施工带来巨... 详细信息

随着浅部资源的逐渐枯竭,国内外岩石工程均向岩体深部发展,在深部高地应力条件下,广泛存在于煤矿山和非煤矿山、隧洞、边坡等众多工程中的脆性岩体破坏导致的诸多特殊工程灾害(如岩爆、冲击地压等)表现更为突出,给工程设计、施工带来巨大挑战的同时,更严重威胁了现场施工人员的生命、财产安全。尽管巷道或隧洞等均已采取一定的支护措施,但围岩失稳灾害依然频现,同时支护措施下的围岩失稳破坏具有的隐蔽性和滞后性特点往往让人防不胜防,增大了对岩爆、冲击地压等脆性围岩动力灾害预测及防治的难度。本文在国家自然科学基金项目(51674116)的资助下,系统开展了单轴压缩条件下加锚砂岩破裂及声发射特性的加载速率效应研究工作。主要内容及结论如下:(1)根据现有锚杆支护措施下深部硬脆性岩体工程失稳现象频现,并多表现为浅表局部破坏的特点,对加锚砂岩进行了0.001、0.005、0.01、0.05和0.1mm/s等五种低应变率加载工况下的单轴压缩试验。试验结果表明:各加载速率条件下,无锚试样最终均表现为拉剪破坏,对加载速率的高低变化并不敏感;加锚试样均表现为剪切破坏,大部分加锚试样主要表现为剪切破裂面与锚杆轴向平行,0.01、0.05和0.1mm/s加载速率时会有部分加锚试样的剪切破裂面与锚杆轴向相交。(2)探讨了锚杆及加载速率影响脆性岩体单轴破裂的破坏机制。当锚杆锚固形成的等效锚固力与潜在的剪切滑移面平行时,大部分加锚试样的破坏形式主要表现为剪切破裂面平行于锚杆轴向。当锚杆布置方向与潜在滑移面α相平行,而穿过潜在滑移面β时,在0.001,0.005mm/s加载速率时,出现剪切破裂面平行于锚杆轴向的情况;0.01,0.05,0.1mm/s加载速率时,出现加锚砂岩破坏时剪切破裂面与锚杆轴向成一定角度的现象。(3)结合声发射试验,比较了单轴压缩条件下无锚试样与加锚试样的声发射特性的差异。声发射信号表明,各加载速率下无锚试样的弹性应变能均积聚到试样整体破坏时才释放,而加锚试样储存的弹性应变能可在应力峰值前得到充分地释放。声发射RA值随时间的分布与其内部裂纹的萌生及扩展具有良好的对应关系,有助于进一步认识岩石内部裂纹的萌生及扩展规律。(4)从锚杆锚固机制、试样破裂模式、能量释放等方面探讨了锚杆对屈曲型岩爆的控制机制,锚杆锚固形成的等效组合梁很大程度上降低了层爆的发生,消弱和降低了屈曲型岩爆的发生强度和频率;锚杆锚固破坏了岩爆的孕育过程,起到了控制层裂屈曲型岩爆的作用;加锚试样破坏时可释放的动能所占外界输入岩石的能量比例减少,降低了岩爆的孕育能力和发生的烈度,达到了控制层裂屈曲型岩爆的作用。(5)基于加锚砂岩的单轴压缩试验,探讨了高地应力下大断面煤巷防冲锚固控制技术。高地应力下大断面煤巷防冲锚固控制技术的关键在于须选用同时具有高强度、协同支护和防冲击特性的锚杆和锚索等支护体系,基于这种支护理念,提出“锚带网索+锚索梁+槽钢梁配锚索护帮”的加强支护措施。对深部平巷的支护控制表明,在此防冲锚固技术的控制下巷道围岩在掘进期间未发生明显的破坏,对巷道具有良好的支护和加固作用。

关键词：加锚脆性岩石破裂加载速率效应声发射特性单轴压缩

海相水泥基材料多尺度损伤劣化的加载速率效应研究

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海相水泥基材料多尺度损伤劣化的加载速率效应研究

作者：严乾浙江海洋大学

学位级别：硕士

在中国将海洋大国转变为海洋强国的大背景下,海相材料资源利用成为前沿研究对象。海相水泥基材料与常规水泥基材料因成分的组成、微细观结构存在较大差异性,导致其宏观性能不满足使用要求。因此对海相水泥基材料及组成原料运用多尺度研... 详细信息

在中国将海洋大国转变为海洋强国的大背景下,海相材料资源利用成为前沿研究对象。海相水泥基材料与常规水泥基材料因成分的组成、微细观结构存在较大差异性,导致其宏观性能不满足使用要求。因此对海相水泥基材料及组成原料运用多尺度研究方法,找到宏观与微细观组成之间的桥梁关系,分析此类材料微细观、化学结合对宏观现象的影响,研究为海水、海砂制备海相水泥基材料实际工程运用、改良提供科学参考。主要研究内容如下:(1)利用微细观测试方法及常规物理化学指标实验对海相水泥基材料原料(水泥、海砂、海水)进行测试,发现舟山海砂以细砂为主,粒度集中组成矿物种类单一,其组成成分简单,但微观形貌差异性较大。海水结合全国其他区域来看离子、盐类含量最低。(2)同时对海相净浆和砂浆进行多尺度分析发现:海水中大量的无机盐离子参与到水化反应中或与水化产物进一步反应生成了新的物质。(3)对砂浆进行力学实验表明,海相水泥基材料表现出典型早强后弱和受加载速率效应作用更为敏感的力学特性。通过多尺度测试手段,得出宏观与微细观组成之间的桥梁关系:外部宏观损伤破坏必定导致内部成分组成结构变化,及其内部组成矿物发生损伤。

关键词：海相水泥基材料微细观结构加载速率效应多尺度海水海砂

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Q3黄土变形与强度特性的加载速率效应研究

Q3黄土变形与强度特性的加载速率效应研究

作者：魏宝华长安大学

学位级别：硕士

黄土是广泛分布于我国北方干旱半干旱地区的一种第四纪沉积物,由于其特殊的形成环境与过程,它具有明显的结构性,是一种典型的结构性土。随着国家西部大开发战略的实施,黄土地区基础工程建设数量与规模不断增大,因而黄土的各种工程性质... 详细信息

黄土是广泛分布于我国北方干旱半干旱地区的一种第四纪沉积物,由于其特殊的形成环境与过程,它具有明显的结构性,是一种典型的结构性土。随着国家西部大开发战略的实施,黄土地区基础工程建设数量与规模不断增大,因而黄土的各种工程性质也愈发受到人们的重视。这其中黄土的加载速率效应对工程实际具有重要意义,但是以往对加载速率效应的研究多集中于砂土,少量有关黄土加载速率效应的研究也是在研究黄土结构性时将加载速率作为一个因素分析,因而黄土的加载速率效应研究还存在很大空间,对其进一步研究是很有必要的。鉴于此,本文以西安大雁塔附近某场地Q3黄土为研究对象,对不同状态土样进行了不同加载速率下的三轴CU试验,开展了黄土加载速率效应的研究。首先,对原状土样进行三轴试验,做出应力-应变曲线并得到相应的抗剪强度,对不同围压下的抗剪强度依据摩尔-库伦原理进行应力平面拟合以求得土样的抗剪强度参数,通过分析得到了加载速率对原状样应力-应变曲线、抗剪强度以及抗剪强度参数的影响规律。其次,对重塑试样进行与原状试样相对应的三轴试验,并根据同样的方法得到应力-应变曲线、抗剪强度和抗剪强度参数,由此进一步得到加载速率对重塑试样的应力-应变曲线、抗剪强度以及抗剪强度参数的影响,并与加载速率对原状样的影响进行了比较。最后,通过对原状样与重塑样的应力-应变曲线进行减法处理,得到了土样的结构强度发挥曲线,并根据实际情况定义了土样的结构强度,分析了加载速率对强度发挥曲线形状和结构强度的影响。通过以上研究,得到以下主要成果:(1)加载速率对原状土样的应力-应变特征有明显影响,高加载速率、低围压、低含水率可以导致应变软化现象的产生,重塑土未见有应变软化现象的出现。(2)加载速率对剪切强度的影响存在一临界加载速率,加载速率小于此值时抗剪强度随着加载速率的增大而增大,超过此值时抗剪强度又有一定的降低。无论原状土还是重塑土都有此特性。(3)加载速率对抗剪强度参数c和φ的影响规律不尽相同:粘聚力c随着加载速率的变化存在同一临界加载速率,小于此值时c增大而超过此值时又有一定降低;内摩擦角φ则随着加载速率的增大而减小。无论原状土还是重塑土均表现出以上特性,但加载速率对重塑土的影响程度明显小于原状土。(4)黄土的结构强度发挥曲线特性很大程度上与原状土的应力-应变曲线保持一致,加载速率对结构强度的影响亦存在同一临界加载速率,结构强度随着加载速率的增大也表现出先增大后降低的规律。

关键词：加载速率效应原状黄土重塑黄土结构强度