三维静载与循环冲击组合作用下砂岩动态力学特性研究

 利用动静组合加载试验装置,对具有不同轴压和围压的砂岩进行循环冲击试验,研究砂岩抵抗循环冲击载荷能力的变化特性,并重点讨论围压和轴压对砂岩动态疲劳力学特性的影响。围压分别设置为4,8,10和12 MPa四个系列,轴向静载荷分别设置为49,84,105和125 MPa四个系列,入射杆上的入射波大小相等,入射能大小为230 J。结果表明,相同围压下,总循环冲击次数随轴压的增大而减小;相同轴压下,随围压的增加,岩石承受的总循环冲击次数增加。随循环冲击次数的增加,岩石动态峰值应力、加载段的变形模量和弹性应变逐渐减小,动态峰值应变和残余应变逐渐增加。动态峰值应力和平均应变率具有良好的负线性关系;相同围压情况下,随轴压的递增,动态峰值应力和平均应变率拟合直线斜率的绝对值越来越大;相同轴压情况下,随着围压的增加,拟合直线斜率的绝对值越来越小。三维静应力情况下,减小轴压或增加围压有利于提高岩石抵抗外部循环冲击的能力。     

孔隙水压循环作用下围压卸荷速率对砂岩力学特性的影响

针对三峡库区消落带边坡岩体的开挖,通过室内三轴卸荷试验,研究在不同孔隙水压循环次数和围压不同卸荷速率下砂岩的力学特性。结果表明:1)水岩作用对砂岩的偏应力峰值强度和变形模量均产生显著影响,随着孔隙水压升降循环次数的增加,偏应力峰值强度和变形模量逐渐减小;随着围压卸载速率的加快,偏应力峰值强度和变形模量增大; 2)随着围压卸荷速率的加快和孔压循环次数的增加,砂岩破坏时的轴向和环向应变围压柔量及峰值围压均不断降低,对环向应变围压柔量的影响比对轴向应变柔量更大; 3)在0.3 MPa的孔隙水压循环作用下,砂岩破坏时的破裂角与卸荷速率没有明显的线性关系。     

应力–渗流耦合下砂岩力学行为与渗透特性试验研究

采用全自动三轴渗流实验系统,进行无水与排水条件下砂岩应力–渗流耦合试验,得到砂岩变形全过程应力–应变及渗透率演化曲线,较好地表征了应力–渗流耦合下砂岩力学行为与渗透率演化响应特征,同时获得了应力–渗流耦合下砂岩的变形、强度及渗透率演化规律。研究结果表明:(1)砂岩峰值强度随着围压增大而不断增大,围压效应显著;无水条件下,砂岩峰值强度对应的轴向应变变化规律与强度演化特征呈现出明显的对应关系。其轴向变形与围压的关系较好地符合指数函数非线性增长模型,而排水条件下的砂岩轴向变形与有效围压的关系较好地符合线性衰减模型;(2)砂岩峰前渗透率呈现出缓慢降低→平稳发展→急剧增加的三阶段演化规律,与砂岩峰前应力–应变曲线初始微裂纹压密、线弹性变形及新生裂纹扩展阶段三阶段变形具有对应关系;(3)不同工况下的砂岩变形全过程渗透率呈现出降低→急剧增加→稳定发展或略微增大的三阶段演化规律,与砂岩变形全过程体积压缩→体积快速膨胀→体积缓慢膨胀三阶段变形具有对应关系。研究结论可为煤矿突水事故防治及巷道围岩稳定控制提供一定的理论依据。     

不同冲击荷载作用下软黏土真三轴试验研究

采用SPAX-2000改进型静动真三轴测试系统,对典型的饱和软黏土试样(含水量50%~68%)进行了不同固结围压(100kPa、150kPa、200kPa)和不同冲击荷载频率(1Hz、5Hz、10Hz)下的三轴冲击试验和不排水剪切试验,研究了不同条件下软黏土的力学响应和强度特性。试验结果表明:冲击固结阶段,在相同围压、不同冲击荷载频率下,试样的偏应力峰值和轴向应变均随着荷载频率的增大而减小;在相同冲击荷载频率、不同围压下,偏应力峰值随着围压的增大而增大,轴向应变随着固结围压的增大而减小;根据测试数据,建立了适用于软黏土的变形模量增加率与冲击次数的经验关系,并给出了适用条件。     

围压对砂岩动态冲击力学性能的影响

 利用带围压装置的霍普金森压杆设备对砂岩在不同围压等级、不同应变率下的动态力学性能进行试验研究,分析砂岩单轴动态抗压强度和比能量吸收值的应变率效应,围压状态下砂岩在冲击荷载循环作用下的力学特性以及累积比能量吸收值与入射能量、围压等参量之间的关系。研究结果表明,砂岩的动态杨氏模量与静态杨氏模量相比明显增加,两者比值达3.21～3.81;而当应变率为50～100 s－1时,动态杨氏模量随应变率有所增加,但变化不大。砂岩单轴动态压缩试验的比能量吸收值与应变率 呈线性关系,而单轴动态抗压强度增长因子 (即动态抗压强度)与 成线性关系。在围压状态下,砂岩具有明显的脆性–延性转化特征,其应力–应变曲线出现明显的屈服平台,呈近似的弹塑性特征。围压的加载作用对阻止试件产生剪切失稳的作用相当明显。随着冲击荷载循环作用次数的增加,试件的杨氏模量变小,屈服应力降低,屈服应变增加。砂岩的破坏形态随围压大小不同而发生变化,砂岩从轴向拉伸破坏形态向压剪破坏形态转变的临界围压值为10 MPa。在能量相同的入射波作用下,砂岩试件在低围压时比在高围压时的比能量吸收值大,且砂岩的比能量吸收值、入射波能量和围压三者具有良好的规律性,并得到比能量吸收值随入射波能量和围压变化的关系式。     

水力作用下砂岩三轴卸荷试验及破裂特性研究

高应力、高水压卸荷条件下岩石的非连续性微缺陷演化过程研究对揭示隧道围岩裂纹的起裂孕育、碎胀裂化和峰值破坏,分析围岩稳定性具有重要意义。利用MTS815型程控伺服刚性试验机开展了砂岩在固定围压、不同水压条件下的水力三轴卸荷试验。试验结果表明:岩石变形在卸荷前以压缩为主,变化微小;卸荷后不久开始快速扩容,直至损伤破裂。水力条件下应力–应变曲线上的各个特征应力值比无水压条件下的饱和试样有不同程度地提高,增加了应变能储备,从初始扩容到峰值强度的历时更短,曲线斜率更陡。随着水压的不断增大,各个特征应力值有所减小,表现在起裂条件降低,压缩极限减小,扩容时间提前,表明了砂岩在高水压条件下的脆性特性进一步增强,抵抗变形破坏的能力逐渐降低。通过扩容特征值与扩容点后的体应变关系,求得初始扩容点后的相对扩容应变与变形模量差,建立了多项式回归关系。研究结论揭示了水力作用下砂岩扩容变形行为的强烈性和突发性,可为水–力双场条件下的围岩变形预测及控制提供参考。     

陷落柱骨架砂岩三轴压缩渗流特性及声发射特征试验研究

为研究陷落柱骨架砂岩在不同围压及渗透压条件下的力学性质、渗流特性和声发射基本特征,采用岩石三轴渗流实验系统及AE21C声发射监测系统,开展三轴压缩条件下渗流试验,得到砂岩变形过程全应力–应变及渗透率演化曲线,同时获得砂岩变形、渗透率及声发射信号演化规律。研究结果表明:(1)陷落柱骨架砂岩具有明显的脆性特征。渗透压相同时,砂岩应力峰值强度、弹性模量及峰值应变随着围压的增大而增大;围压对砂岩宏观破坏特征影响明显,破坏形式由多裂纹剪切破坏逐渐变为单斜面剪切破坏。(2)砂岩总体呈现低渗透特性。砂岩渗透率演化规律与三轴加载应力–应变关系具有密切的相关性。渗透率总体呈现出逐渐减小,平稳发展,迅速增加的三阶段变化特征。(3)声发射变化特征与应力–应变及渗透率曲线特征基本一致。初期阶段,振铃计数率随围压升高而减小;裂隙发育扩展阶段,声发射振铃计数率呈现密集活跃状态并逐渐增大;失稳破坏阶段,振铃计数率迅速增大后又快速回落。试验结果对于研究岩溶陷落柱的稳定性及渗透性变化规律具有重要参考价值。     

断续双裂隙红砂岩加载速率效应颗粒流分析

采用颗粒流程序平行黏结模型,对不同加载速率下断续非共面双裂隙红砂岩数值试样进行单轴和三轴压缩模拟,分析了加载速率对应力-应变曲线、峰值强度、扩容特征、变形参数和破坏模式等力学行为的影响。研究结果表明:加载速率主要影响应力-应变曲线峰值强度和峰后阶段,对峰前阶段影响很小。峰值强度随着加载速率的增大呈单调增长,与围压的关系可以用Mohr-Coulomb准则表征。裂纹损伤阈值对速率的敏感性随着加载速率的增大而提高,与围压的关系可以用广义Hoek-Brown准则表征。加载速率对弹性模量和泊松比的影响很小,而弱化模量和峰值应变影响明显。高加载速率会生成更多的微裂纹,进而造成试样破坏更为严重。     

加卸载条件下吸力对黄土变形特性影响的试验研究

为了探讨基质吸力和净围压对黄土的变形–强度及卸载–再加载模量的影响,用非饱和土三轴仪对原状Q_3黄土及其重塑土共做了3组27个试验,即9个控制吸力和净围压等于常数的原状Q_3黄土的三轴固结排水剪切试验、9个原状Q_3黄土和9个重塑Q_3黄土的控制吸力和净围压等于常数的三轴固结排水卸载–再加载剪切试验。研究结果表明:基质吸力和净围压均对试样的强度及变形特性有显著影响;原状Q_3黄土的偏应力–应变曲线随净围压的增大从理想弹塑性型演变为硬化型,因其结构性导致偏应力–应变曲线的初始阶段存在交叉现象,试样一直处于剪缩状态;重塑试样在净围压较小时由剪缩逐渐变为较强的剪胀,在净围压较大时则只发生剪缩;表观凝聚力、切线杨氏模量和卸载–再加载模量均随着吸力的增大而增大;而吸力对有效内摩擦角及参数n(原状Q_3黄土的初始杨氏模量随净围压增大而变化的指数)、n_(ur)(原状Q_3黄土的卸载—再加载模量随净围压增大而变化的指数)和n_(ur)'(重塑Q_3黄土的卸载—再加载模量随净围压增大而变化的指数)的影响很小,皆可视为常数。基于试验研究结果,提出了考虑吸力和净围压影响的表观凝聚力、切线杨氏模量和卸载—再加载模量的修正计算公式,完善了非饱和土的增量非线性模型。     

粗砂岩变形破坏过程中渗透性试验研究

利用三轴耦合试验机进行粗砂岩不同围压条件下的变形破坏过程渗透性试验,分析粗砂岩变形及破裂过程中渗透性的变化规律,研究围压对粗砂岩渗透性的影响,探讨试样变形过程中渗透系数与体积应变的关系。研究表明:粗砂岩三轴压缩变形过程中,渗透性变化的总体规律呈现出与偏应力–应变曲线相应的阶段性,即微裂隙压密阶段与弹性变形阶段,渗透性随偏应力增大呈略微降低;弹塑性变形阶段,随新生裂隙的扩展,渗透性先缓慢增大,而后急剧增大,峰值强度后达到极大值;残余流动阶段,产生的贯通性裂隙由于围压作用被压密而导致渗透性下降。在岩样变形破坏过程中,渗透性对环向应变的变化更为敏感。围压越大,粗砂岩渗透性变化曲线的峰值及峰后残余值越小,渗透系数–应变过程曲线越平缓。最后,基于多孔介质理论的质量守恒方程得到孔隙率与体积应变的关系式,采用Kozeny-Carman方程研究粗砂岩变形过程中渗透系数与体积应变的关系,计算结果显示,Kozeny-Carman方程在岩样以孔隙为主要渗流通道阶段适用性较好。     

辽西花岗岩水–岩耦合力学特性试验研究

为了研究水–岩耦合作用对辽西花岗岩力学性质的影响,采用MTS–815岩石力学试验系统,通过对花岗岩试样施加不同的围压和孔隙水压力,对其变形破坏过程进行试验研究,分析水–岩耦合作用下辽西花岗岩的有效峰值强度、扩容现象、残余强度、峰后强度及其参数的演化规律。研究结果表明,有效峰值强度折减系数随孔隙水压力增大近似呈线性增长,但变化斜率随着围压增大而逐渐减小。在围压较小时孔隙水压对有效强度折减系数有明显的影响,在围压较大而孔隙水压较小时,施加应力压缩孔隙喉道抑制了孔隙水压对试样的作用。扩容起点是致密岩体水岩耦合作用增强的特征点,围压使得试样的扩容起点发生滞后,而孔隙水压力使得扩容起点提前发生,扩容现象与水岩耦合作用相互促进。水–岩耦合作用下试样的残余强度为对应状态峰值强度的21%~35%,Hoek-Brown常数随着围压的增大呈非线性增长,其值为3.5~5.0。峰后段试样的似内摩擦角变化不大,似黏聚力随着应变软化参数的增加有逐渐减小的趋势,而相同应变软化参数对应的似黏聚力则随着孔隙水压力的增大而减小,且似黏聚力、孔隙水压和应变软化参数间的关系可用3次样条曲面进行描述。     

含孔洞硬岩破坏过程的离散元分析

基于颗粒离散元理论,采用数值试验模拟含孔洞凝灰质砂岩在单轴、双轴和三轴压缩条件下的破坏过程,并从峰值强度、微裂纹数目和能量等角度分析不同加载方式的影响。研究结果表明：无论采用何种加载方式,试样破坏均是从孔洞周边开始的;单轴压缩的孔洞变形与双轴及三轴压缩不同,且在试样侧面中间形成一条明显的贯通拉裂缝;三轴压缩对试样承载能力的提高明显大于双轴压缩,且围压越大,两者对试样承载能力的提高幅度之差越大;双轴压缩条件下试样的起裂应力随着围压的增大而减小,而三轴压缩条件下试样的起裂应力随着围压的增大而增大;应变能的变化过程可以反映试样的破坏过程,其峰值主要受围压影响;耗散能的变化过程可以体现试样破坏过程中细观颗粒的滑移、摩擦程度,其变化规律与加载方式和围压均有关。     

高温后粗砂岩常规三轴压缩变形与强度特征分析

通过对经历400℃~1 000℃高温后的粗砂岩进行常规三轴压缩试验,分析试样变形、强度和破坏特征与温度、围压的关系。结果表明:经历400℃高温后的试样围压高于20 MPa时,试样峰值强度附近出现明显屈服平台,经历超过600℃以上高温的试样均具有明显峰值点,随温度升高试样的塑性减弱脆性增强;400℃以内高温对试样的变形参数影响不大,经历超过400℃以上高温的试样的弹性模量、变形模量和极限应变随围压增加单调增加呈正相关性;试样的弹性模量和变形模量随温度升高单调降低,而峰值应变随温度升高单调增加。高温后试样峰值强度随围压增大而单调增加,符合Coulomb强度准则,综合围压影响系数为6.541;800℃以内高温对试样黏聚力、内摩擦角影响不明显,经历1 000℃高温后的试样黏聚力急剧降低,内摩擦角稍有增加;800℃以内高温对粗砂岩具有强化作用,扣除围压影响后试样材料强度与温度呈正相关,超过800℃以上高温使试样强度有所弱化,试样材料强度与温度呈负相关性;高温后试样的试验破坏角和理论破坏角基本一致,高温对试样破坏角影响较小,试验破坏角随围压增加而单调减小,围压对试样破坏角的影响大于温度的影响。     

复杂水–力路径下非饱和砂质黄土增湿变形特性

为研究复杂水–力路径下非饱和砂质黄土的增湿变形特性,采用GDS非饱和三轴仪,对非饱和砂质黄土开展偏应力作用下固结–加载–增湿–加载、固结–卸载–增湿–卸载2种复杂水–力路径的单线法三轴增湿试验,全面分析水–力路径和应力比对非饱和砂质黄土增湿变形特性的影响。试验结果表明：(1)轴向应变与增湿剪应变均随应力比的增加而减小;(2)应力比为0.25时,试样未达到饱和便发生剪胀破坏;经历加载路径试样比经历卸载路径试样的增湿剪应变、孔隙比发展更快,率先达到破坏;(3)应力比为0.5和0.75时增湿变形特性基本一致,湿化体应变、增湿剪应变均随湿化参数的增加先增加后趋于稳定,孔隙比随着湿化参数的增加先减小后趋于稳定,经历加载路径试样的最大湿化体应变、增湿剪应变与增湿前初始孔隙比均大于经历卸载路径的试样。     

高温后粗砂岩常规三轴压缩条件下力学特性 试验研究

 通过在MTS815.03电液伺服岩石力学试验机上对焦作方庄煤矿煤层顶板粗砂岩进行高温后常规三轴压缩试验,基于试验结果研究不同温度作用后常规三向压缩条件下粗砂岩宏观力学特性,分析粗砂岩强度、平均模量、黏聚力、内摩擦角和极限应变与温度的关系;同时对粗砂岩强度、平均模量与围压关系进行探讨。研究结果表明,围压一定,温度为25 ℃～300 ℃时,随着温度的升高,试样的强度、平均模量、黏聚力、内摩擦角均逐渐增大,而变形模量有所降低。高温产生的热应力起到容纳变形和裂隙闭合作用,砂岩试件部分原生裂隙逐渐愈合,裂隙数量减少,密实程度提高,矿物颗粒间接触关系得到改善,摩擦特性得以增强;超过300 ℃ 以后,随着温度的升高,粗砂岩试样的强度、平均模量、黏聚力、内摩擦角均有所减小,而峰值变形逐渐增大,由高温引起的粗砂岩矿物颗粒的不同热膨胀率导致跨颗粒边界的热膨胀不协调,从而产生结构热应力使试样内部产生微裂隙,试样承载能力和抗变形能力减弱。而围压对粗砂岩的力学性质起到改善和强化作用,当温度一定时,随着围压的升高,粗砂岩试件强度、平均模量、黏聚力、内摩擦角均逐渐增大。     

在有压水环境中的混凝土率效应特性研究

随着渗透孔隙水压的增加,混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度逐渐降低,其损失率逐渐增大。本文进行了混凝土处于不同围压值(0、2、5、10 MPa)大小的水环境中和不同应变速率(10-5/s、10-4/s、10-3/s、10-2/s)作用下的常三轴动态抗压试验,对不同水环境下的混凝土峰值应力及应变进行了分析,构建了动态本构模型。研究表明:混凝土的峰值应力与加载速率成正比,峰值应变与加载速率也成正比。在无压水环境下,混凝土的峰值应变和峰值应力都小于无水环境;随着围压的增加,峰值应力逐步增大,峰值应变先增大后减小。混凝土的损伤特性在常三轴压缩状态下,先服从Wei-bull统计分布后服从Lognormal统计分布,由此表明所选损伤本构模型模拟的力学行为有效。     

不同应力路径下花岗片麻岩渗透特性的试验研究

 采用全自动三轴伺服仪,对花岗片麻岩开展渗流应力耦合试验,研究常规三轴压缩和轴压循环加卸载2种应力路径下,渗透率与渗压、围压、有效围压、体积应变及应力路径等因素的关系。结果表明：(1) 在2种不同应力路径下,岩石渗透率演化规律有差异性和一致性,同种路径下变形各阶段渗透率随有效围压增大而减小,但渗透率曲线的形态保持不变;(2) 渗压和围压对渗透率的影响,通过对岩石变形过程中内部微裂纹和孔隙变化产生作用,有效应力系数发生改变,有效围压效应随之改变;(3) 循环加卸载试验中,卸载渗透率均明显大于相应加载渗透率,体积应变转折前,加载渗透率减小,卸载后渗透率增加,形成比较完整的渗透率回滞环,体积应变转折后,加载渗透率增大,卸载渗透率降低不能够完全恢复;(4) 体积应变较轴向应变更清楚和灵敏反映渗透率变化规律,可把体积转折应变或其对应应力作为岩石渗透率变化的一项指标。试验研究旨在为岩石工程渗流–应力耦合稳定性分析提供参考。     

不同应力路径下花岗岩三轴加卸载力学响应及其破坏特征

开展3种不同应力路径下的花岗岩三轴加卸载试验,得到花岗岩在不同加卸载路径下的应力–应变曲线,分析其破坏特征、变形特征及其强度特征。试验结果表明:(1)卸围压过程中岩石环向应变和体积应变与围压在初始阶段呈线性关系,而后呈明显的非线性关系,岩石轴向变形不明显,变形主要表现为环向变形,岩石扩容显著,脆性破坏特征明显。(2)卸荷试验中岩石变形模量随卸荷比的增大而减小,而泊松比随卸荷比的增大而增大,在卸荷初期岩石变形参数劣化不明显,而后呈指数型变化,且岩石加轴压卸围压试验较恒轴压卸围压试验对变形参数的影响更加明显。(3)在高应力卸荷条件下,Mogi-Coulomb强度准则较Mohr-Coulomb强度准则更能反映岩石的卸荷破坏强度特征;相对于常规三轴压缩试验,恒轴压卸围压试验试样黏聚力c降低24.21%,内摩擦角?增大16.71%,而加轴压卸围压试验试样黏聚力c增大10.25%,内摩擦角?减少6.64%,表明在恒轴压卸围压试验中试样抗破坏的主控因素为摩擦力,而在加轴压卸围压试验中为黏聚力。     

高应变率下不同含水率混凝土力学性能的试验研究

为解决在含水复杂条件下,高应变率荷载作用对混凝土动态力学性能的影响问题,利用含水率控制法与霍普金森压杆(SHPB)试验系统,对不同含水率下混凝土试样开展动态单轴压缩试验,探究试样的动态应力-应变曲线、抗压强度、动弹模及峰值应变的变化规律,并对其宏观破坏形态进行分析。研究表明:随着含水率增大,混凝土试样的动弹模与抗压强度减小,峰值应变增大,破碎程度加剧;随着应变率增大,试样的动弹模及抗压强度明显增大,而动态峰值应变变化较小,破坏程度增加,试样破坏类型由拉伸破坏向压剪破坏转变。这说明含水率增大会使混凝土的动态力学性能减弱,而增大加载应变率可提高试样动态抗压性能,加剧混凝土材料的破坏程度。在实际混凝土工程中,应合理设置排水结构减少水对混凝土的侵蚀作用,并且可以设计适宜加载应变率控制混凝土结构的变形与破坏程度。     

三维动静加载下不同长径比煤样力学特性及能量耗散规律

为研究三维动静加载下不同长径比煤样力学特性及能量耗散规律,利用改进的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,对直径50 mm,长径比分别为0.5,0.6,0.8和1.0的4组圆柱体试样开展三维动静加载试验,从动态应力和动态应变等方面研究不同长径比煤样的力学特性,并对破碎后煤样进行能量分析。研究结果表明：当试样长径比在0.5～1.0范围内时,动态峰值应力和组合峰值应力均随应变率增大呈乘幂函数关系增长,长径比越大,试样的应变率敏感性越强;相同应变率下,动态峰值应力和组合峰值应力随试样长径比增加而增大,且应变率越大,二者长径比效应越显著。试样动态峰值应变和动态最大应变均随应变率增大呈线性关系增长,不同长径比试样动态峰值应变及动态最大应变的应变率敏感性相差不大,相同应变率下动态峰值应变随试样长径比增加而减小,动态最大应变受预加静载及试样允许的最大变形量双重因素影响,随长径比增加表现为先减小再增大。试样长径比越大,煤的破碎耗能密度越小,破碎程度越高,破坏模式由张拉破坏向剪切破坏转变。研究成果有利于探究动静载叠加作用下冲击失稳破坏机制,为冲击地压防治提供理论支持。