填充对节理岩体力学特性及能量演化的影响研究

能量耗散引起节理岩体裂纹启裂、扩展、贯通及最终的破坏。为探寻充填对节理岩体力学及能量特性的影响,基于岩石能量耗散理论及单轴压缩试验结果,研究了充填对节理岩体强度特征、变形特征、破坏模式及能量演化的影响机制。此外,分析了节理岩体的能量演化机制及峰值点各能量指标( 总能量、弹性应变能及耗散能) 的充填效应。研究结果表明: 节理使得岩样的力学参数明显劣化,而充填使得节理岩样的峰值强度、峰值应变及弹性模量均有所增大; 完整岩样损伤演化划分为初始损伤阶段、稳定损伤阶段、损伤平稳阶段、加速损伤阶段及损伤破坏阶段,而节理岩样和充填节理岩样则分为六阶段,即增加了突变损伤阶段; 完整岩样、充填节理岩样及节理岩样峰值点的平均弹性应变能依次在减小,但减小幅度明显降低。研究成果可为岩体工程类环境灾害的预警与防控提供科学依据。     

填充对节理岩体力学特性及能量演化的影响研究

能量耗散引起节理岩体裂纹启裂、扩展、贯通及最终的破坏。为探寻充填对节理岩体力学及能量特性的影响,基于岩石能量耗散理论及单轴压缩试验结果,研究了充填对节理岩体强度特征、变形特征、破坏模式及能量演化的影响机制。此外,分析了节理岩体的能量演化机制及峰值点各能量指标(总能量、弹性应变能及耗散能)的充填效应。研究结果表明:节理使得岩样的力学参数明显劣化,而充填使得节理岩样的峰值强度、峰值应变及弹性模量均有所增大;完整岩样损伤演化划分为初始损伤阶段、稳定损伤阶段、损伤平稳阶段、加速损伤阶段及损伤破坏阶段,而节理岩样和充填节理岩样则分为六阶段,即增加了突变损伤阶段;完整岩样、充填节理岩样及节理岩样峰值点的平均弹性应变能依次在减小,但减小幅度明显降低。研究成果可为岩体工程类环境灾害的预警与防控提供科学依据。     

循环加卸载下大理岩损伤与能量演化特征

基于常规三轴循环加卸载压缩试验,分析了大理岩压缩变形过程中的变形特征、能量耗散及损伤演化规律。基于试验结果进行了大理岩弹塑性应变分离,试验结果表明随着轴向偏应力的增加,大理岩轴向弹性应变近似呈线性增加,而侧向弹性应变呈非线性增长。基于变泊松比的假定,建立了大理岩非线性弹性应力-应变本构关系,并据此分离辨识得到大理岩轴向和侧向塑性应变。采用等效应变理论,定义了大理岩损伤变量D,相应得到了大理岩三轴压缩变形破坏过程中的损伤演化特征,根据岩石损伤演化曲线可将大理岩三轴压缩变形过程分为3个阶段;分析了大理岩三轴压缩变形过程中的应变能特征,计算得到了大理岩压缩变形过程中的弹性应变能及耗散能,结果表明大理岩岩体单元耗散能与损伤变量增量ΔD之间呈较好的线性关系,二者均可用于描述大理岩压缩变形过程中的损伤破坏特征。     

华山花岗岩力学特性及能量演化规律研究

为了研究华山花岗岩的强度、变形特征以及能量耗散规律, 采用MTS815岩石力学试验机开展了单轴压缩和常规三轴压缩试验。结果表明:华山花岗岩表现出明显的脆性特征, 在三轴条件下应力应变曲线的上凹现象相比于单轴变得不明显; 随着围压的增加, 花岗岩的弹性模量和峰值应变不断增大, 但增加的速度逐渐变慢; 花岗岩的扩容阈值与围压近似呈线性关系; 单轴压缩条件下, 岩石内部储存的弹性应变能峰值后几乎瞬间都转化为耗散能, 劈裂破坏特征明显, 而三轴压缩下, 岩样的耗散能占吸收能的比例随围压提高逐渐增大, 表现为整体剪切破坏; 三轴压缩下的吸收能、弹性应变能以及耗散能都远大于单轴压缩下的对应值, 并且随着围压的增大而增大; 岩石破坏时的吸收能、耗散能以及储能极限均与围压存在良好的线性关系。     

循环加卸载条件下煤岩组合体力学响应及能量演化规律

为研究煤岩组合体在外载荷作用下的力学响应及能量演化规律,设计了纯煤、煤岩组合体和纯岩试件单轴循环加卸载试验,分析了不同试件单轴抗压强度和弹性模量等力学响应特征,深入研究了煤岩组合体输入能密度、弹性能密度和耗散能密度演化规律,得到了不同试件的弹性能储存速率及储能能力的特性,建立并探讨了煤岩组合体能量破坏机理。结果表明:①煤岩组合体的力学参数更接近纯煤试件,其力学特性主要受煤体影响;②随外载荷增加,煤岩组合体输入能、弹性能和耗散能呈明显非线性增加趋势,其中弹性能占比远高于耗散能;③煤岩组合体能量破坏机理为外载荷作用使煤体和岩体同时开始储存弹性能,由于煤体弹性能储存速率较快,其内部弹性能率先达到储能极限,导致煤体破坏并向岩体释放弹性能,当达到岩体的储能极限时,岩体发生破坏。     

三轴压缩下石英云母片岩能量特征及其本构模型研究

为了研究某水电站引水隧洞石英云母片岩物理特性,利用MTS815岩石力学试验平台,分析其三轴压缩试验数据,揭示了石英云母片岩常规三轴压缩条件下能量特征并引入了能量损伤D,基于Hooker定理建立了石英云母片岩的能量损伤本构模型。研究结果表明:相同围压下,平行组试件的可释放弹性应变能增长速率大于垂直组,平行组试件峰值应变能大于垂直组;垂直组试件的耗散能增长速率大于平行组。相同围压和轴向应变下,垂直组的耗散能大于平行组。随着围压的增大,平行组和垂直组峰值点和残余点可释放应变能均增大,两者表现出较好的线性关系且相关系数均大于98%。定义弹性应变能存储比,数值在未超过阀值应力σs时,保持在1左右,而在超过阀值应力σs后,与轴向应变呈现良好的指数关系且相关系数均达到97%。该模型能很好的描述石英云母片岩三轴压缩的应变软化和硬化过程。研究成果能够为工程设计提供合理的力学参数,并且对于各向异性岩石的物理特性研究具有参考价值。     

深埋大理岩三轴加卸荷过程能量演化特征

为研究深埋大理岩加卸荷全过程的变形破坏特征,利用MTS岩石力学试验系统对锦屏深埋大理岩试样开展25、50、80 MPa 3种不同初始围压和0.01、0.1、1.0 MPa/s 3种不同卸荷速率的三轴加卸荷试验,引入能量转化参数以更好地表征峰前及峰后能量转化特征,并据此构建基于耗散能的损伤模型,深入探索大理岩加卸载破坏全过程的损伤演化状态。结果表明：大理岩在卸荷段前主要以弹性能的累积为主,卸荷开始后耗散能占主导地位。峰前卸荷过程中U_d耗散速率>U₃消散速率>U_e储存速率,与常规三轴加载相比,大理岩在峰前卸荷段的应变能转化速率大得多。峰后应力跌落段各应变能转化速率明显较峰前卸荷段大,表明峰后大理岩环向扩容加剧,弹性能在峰后快速释放。随着初始围压、卸荷速率的增大,大理岩由张拉-剪切破坏转变为以剪切破坏为主,峰后耗散能的耗散速率越快,则大理岩剪切破裂性质愈明显、脆性破坏越强、破坏程度越小。高围压可能会抑制岩石的损伤累积扩展,而高卸荷速率下大理岩试样内部裂纹扩展不充分导致其发生破裂时损伤曲线急剧上升。     

微裂隙对灰质泥岩强度的影响分析

通过开展不同围压下灰质泥岩的三轴压缩试验，研究了岩样中的微裂隙对岩石强度的影响。研究认为，岩样应力应变曲线中的压密阶段变形可分为由微裂隙被压密产生的变形和试样的压缩弹性变形两部分，其中前者占主导；同样，压密阶段储存的弹性势能亦可分为由微裂隙被压密储存的势能和由材料压缩变形储存的势能，将两者之比定义为能量裂隙密度。并进一步建立了岩样峰值强度与能量裂隙密度之间的线性关系，数据分析表明，两者的拟合关系较好。     

不同卸荷速率下岩石强度变形特性

岩体工程的开挖本质上是岩体的卸荷过程,不同的卸荷速率会显著影响岩体的强度变形特性,开展相关研究对于岩体工程的安全稳定分析具有重要意义。针对岩石开挖卸荷中各种可能的应力路径,开展了普通三轴压缩试验以及恒主应力差卸围压、恒轴压卸围压、升轴压卸围压的3种卸荷试验,重点分析了不同卸荷速率对开挖卸荷岩体力学特性的影响规律。研究得出主要结论如下:（1）不同卸荷方案、不同卸荷速率的岩样,都具有典型的脆性破坏特征,当围压降低到一定程度时,岩样突然破坏,轴压陡降,环向应变显著增大。（2）当围压卸荷速率较高,岩样临近破坏时,变形模量随围压卸荷比的变化曲线几乎成90°直线下降,泊松比随围压卸荷比的变化曲线几乎成90°直线上升;而卸荷速率较低时,变形模量和泊松比下降/增长的趋势相对较缓。这说明围压卸荷速率越大,岩样脆性破坏特征越显著。（3）3种卸荷方案岩样在不同的卸荷速率下,破坏时的应力状态基本都位于普通三轴压缩Mogi-Coulomb强度包络线的下方,即围压卸荷时的岩样比普通三轴压缩状态的岩样更容易破坏。     

锦屏二级水电站引水隧洞围岩岩爆特性研究

为了解锦屏二级水电站引水隧洞围岩岩爆特性,对该工程区典型岩爆岩样系统地开展了岩石力学特性试验研究。试验结果表明岩样较完整坚硬、抗压强度高,主要以脆性破坏形式为主;典型地层试样的岩爆倾向性指数平均值W_et均大于2.0,当地处高应力区时,岩爆特征明显;岩样卸围压破坏过程中变形特征规律为初始卸载围压越大,岩石的扩容效应越显著,与常规三轴压缩试验相比,岩样卸荷破坏的峰后应力跌落时的轴向应变变化较小,初始围压越大脆性破坏特征越明显;CT扫描断面与图像重组手段分析表明,试样在卸荷试验过程中,首先经历压密阶段,然后进入扩容状态直至破坏,破坏后存在“密度回弹”现象。卸围压试验中,试样瞬间发生破坏,多数伴有破裂响声,多数产生“双剪”破坏;利用岩体基本质量指标来描述岩石坚硬程度和岩体完整程度,提出了一种新的岩爆判据形式与分级标准,利用试验成果对提出的岩爆判据与分级进行了验证,结论与锦屏二级水电站辅助洞岩爆实际情况相符。     

加卸荷条件下大理岩变形特征及能量演化

为揭示深埋大理岩在不同应力路径下的变形特征和能量演化特征,基于大理岩的常规三轴试验和卸荷三轴试验,分析了大理岩变形破坏过程中变形和能量演化的围压效应和应力路径影响。结果表明:大理岩在加卸荷条件下均表现出显著的围压效应;卸荷条件下大理岩的损伤扩容应力阈值和峰值强度较加载条件下的低;加载应力路径下能量耗散阶段占比更大,卸荷应力路径下能量聚集阶段占比更大;加卸荷条件下损伤扩容点对应的总能量和弹性应变能与围压具有良好的线性关系;针对峰值应力对应的总能量、弹性应变能及耗散能,加载应力路径下其均与围压具有正线性关系,而卸荷应力路径下均与围压成指数关系。基于以上结论,提出了确定大理岩破坏点的定量方法,结合应力-应变关系曲线,有效地解决了高围压作用下大理岩破坏点难以确定的问题,为深埋洞室围岩的稳定性分析提供依据。     

高温后岩石三轴变形及渗透率演化规律

对于深部采矿工程、核废料贮存、地热资源开发及利用等工程领域来说,岩石的热-力-液耦合研究是极为重要的。为研究高温后岩石变形及渗透率演化规律,对某塔里木地区矿井岩石进行不同温度下的热破裂处理后,进行了三轴应力下的加载试验,从强度、渗透率等方面对岩石力学特性进行了分析。结果表明:①加载初期,围压增大使渗透率降低,加载中期渗透率缓慢增大,加载后期渗透率急剧增大;②岩石渗透率随温度升高增大,且呈正指数增长;③温度低于一定值下岩石的热膨胀性不明显,而较高温度引起的热膨胀会明显破坏岩石结构,使其弹性模量和强度随温度的升高降低,渗透率随着温度的升高增大;④利用热力学理论,推导出温度变化时热应力所引起的岩石裂隙的变化,从而得到了渗透率随温度变化的模型。研究结果对于高温下多场耦合问题的研究有参考价值。     

裂隙倾角对岩体能量演化规律影响研究

准确预测岩体失稳破坏可为岩体支护设计提供依据。通过单轴循环加卸荷试验探究裂隙倾角在岩体各受荷过程中对能量演化规律的影响,揭示岩体变形破坏过程中能量演化的本质特征。研究表明：加荷初期,弹性能比例为40%~45%,中期为55%左右,临近破坏时为60%~65%,能量比例变化速率和裂隙倾角关系密切。能量密度随荷载增加而增加,裂隙倾角影响能量密度的变化速度;能量密度比例趋势转折越明显,表明岩体越易破坏;耗散能密度增减过程与岩石受荷起裂破坏过程拟合程度较高;裂隙岩体对能量的吸收能力随裂隙倾角的增长先增加后减小。裂隙倾角对能量演化的影响呈非线性,不同受荷阶段的能量关系存在显著特征,此特征能够较好预警岩体失稳破坏。     

基于Najar能量法的混凝土动态双轴受压损伤特性分析

利用动静力三轴试验机进行不同加载速率、不同侧向压力下混凝土的抗压试验,基于改进的Najar能量法,提出一种新的损伤变量计算方法,以此分析侧向压力和加载速率对混凝土双轴受压状态下损伤演化的影响。研究结果表明:①峰值应力随加载速率的增大而增大;相同加载速率下,峰值应力随侧压力增大而增大,混凝土达到峰值应力后承载力下降趋势不受侧压影响;②混凝土双轴受压状态下损伤演化可分为线弹性阶段、损伤加速变化阶段和损伤收敛阶段;③加载速率越大,损伤加速发展阶段损伤变量的增长越迅速且该阶段对应的应变范围越小;④侧向压力对混凝土损伤演化有明显影响,混凝土损伤的发展随着侧应力的增大而出现滞后现象。