水压循环作用下砂岩损伤本构模型研究

针对三峡库区水位反复升降作用下岩体质量劣化易致边坡及地基失稳的问题,以三峡库区典型砂岩为研究对象,利用岩石全自动多功能三轴流变仪开展了不同水压循环作用次数下砂岩力学特性试验研究。结果表明:水压循环次数越多对砂岩试样造成的损伤越大;根据水压循环过程中岩体的应力应变关系曲线特征,借助损伤理论及Weibull概率密度函数,建立了考虑砂岩损伤效应的损伤统计本构模型。对比分析表明:该模型与试验曲线符合较好,能够较好的反映水压循环作用对砂岩的损伤效应;随着水压循环作用次数的增加,Weibull分布参数F和m均逐渐减小; F与围压之间呈指数关系,而m与围压之间呈负指数关系,揭示了水压循环作用下岩样宏观强度逐渐降低的特性。研究成果对库区边坡及地基在水压循环作用下的稳定分析具有一定的参考价值。     

高孔隙水压作用下混凝土渗流-损伤耦合模型

混凝土高坝、深埋隧道等工程建筑承受较高的水头,使得混凝土内存在高渗透力,产生较显著的渗流-损伤耦合作用.应用Picandet等学者提出的混凝土渗透损伤演变方程,结合混凝土损伤塑性模型,建立了孔隙水压作用下混凝土渗流-损伤耦合模型.以混凝土坝内小孔非恒定渗流为例,分别按耦合和非耦合模型进行渗流损伤分析,对比分析不同方法得到的孔隙水压力及损伤值分布规律.结果表明,随着孔隙水压力的增大,损伤值逐渐增大,两者变化规律基本一致.在高孔隙水压作用下渗流-损伤耦合效应明显,应用渗流-损伤耦合模型能够更好地反映混凝土在高孔隙水压作用下的受力变形特性.     

干湿循环与动载耦合作用下煤矿砂岩损伤演化及本构模型研究

干湿循环和动载耦合作用会导致煤矿岩石物理力学性质的劣化,引起地下岩体工程结构的破坏,诱发煤矿地下工程地质灾害和工程事故。基于纵波波速变化和Weibull分布统计损伤理论,推导了干湿循环与动载耦合作用下煤矿砂岩的损伤演化方程,探讨了动弹性模量取值方法对损伤演化的影响,发现以动态应力-应变曲线30%与70%峰值应力连线的斜率作为动弹性模量更能反映出本次试验砂岩的损伤演化规律。在此基础上,分析了干湿循环次数对总损伤变量和总损伤率演化的影响,得出干湿循环与动载耦合作用后砂岩的总损伤变量随着干湿循环次数的增加而增大,总损伤率随应变增长先增加后减小;建立了干湿循环和动载耦合作用下砂岩的动态本构模型并对其进行了验证,以期为深部地下岩体工程稳定性分析提供依据。     

不同初始孔隙水压力下混凝土动态力学特性

为研究不同初始孔隙水压力下混凝土动态力学特性, 利用10 MN大型多功能液压伺服静动力三轴仪进行不同初始孔隙水压与不同加载速率下的混凝土常三轴试验。结果表明:不同围压下, 混凝土内部孔隙水压的变化规律可分为迅速变化、缓慢变化和趋于稳定3个阶段。不同应变速率下, 混凝土峰值应力随初始孔隙水压的增大逐渐增大, 高应变速率提高了初始孔隙水压力对混凝土峰值应力的影响; 初始孔隙水压力在较大程度上提高了混凝土峰值应力的率敏感性。不同初始孔隙水压力下, 混凝土峰值应力随应变速率的提高逐渐增加。依据试验数据, 基于Weibull统计理论模型构建了混凝土水环境下的经验率型本构方程, 对不同初始孔隙水压下混凝土常三轴动态压缩应力-应变曲线进行描述, 拟合效果良好。这证明所建模型可用来描述不同工况下混凝土应力-应变全曲线及损伤变化规律。     

水压循环作用对砂岩卸荷破坏试验研究

选取三峡工程库区典型砂岩为试验对象,利用岩石三轴流变仪进行水压循环作用下的卸荷力学试验,探究水压循环次数对砂岩卸荷破坏应力、应变的影响规律,分析水压循环下的砂岩卸荷破坏特性。结果表明,根据峰值强度、峰值围压的变化趋势可将水压循环对砂岩的劣化分为初始阶段、加重阶段和饱和阶段;随着水压循环次数的增加,峰值强度沿反"S"形曲线下降,峰值围压值沿正"S"形曲线上升;轴向与环向应变围压柔量值均随水压循环次数增加而增大,但在初始与加重阶段,轴向应变围压柔量增幅明显大于环向。     

冻融循环条件下岩石加卸荷力学特性研究

为了探究冻融损伤后岩石加卸荷力学特性,以砂岩为研究对象,对经历不同冻融循环次数的2种含水率砂岩进行加卸荷试验。研究结果表明:冻融作用后,砂岩受到损伤,在加卸荷作用下,裂纹的扩展方向改变,发育程度加剧,且在饱和组砂岩中表现明显;从裂纹的扩展方向和破裂面角度来看,加载状态下砂岩以剪切破坏为主,卸载状态下以张拉和剪切破坏为主;加载条件下,冻融作用对砂岩造成的损伤反映出砂岩的峰值强度损失和弹性模量损失逐渐增大,且饱和砂岩较天然砂岩略大;卸荷条件下,各循环次数砂岩卸荷变形模量与卸荷当量之间的变化规律基本一致,当卸荷当量约为80%时,变性模量下降显著,而卸荷当量保持一定时,卸荷变形模量随冻融循环次数增加而减小。另外设计的卸荷速率都较小,对变形模量影响不明显。试验结果可为寒区岩质边坡开挖工程提供借鉴。     

砂岩在热湿循环作用下的卸荷损伤本构模型研究

针对在夏季高温多雨季节库岸边坡岩体的强度和稳定性下降问题,较多学者对干燥—饱水两种极端状态的循环作用进行了研究,这与实际情况相差较大。以三峡库区重庆段某典型边坡砂岩为研究对象,采用烘干—浸泡循环作用方式模拟岩石热湿循环过程,在前期进行的热湿循环试验方案及数据分析的基础上,定量对砂岩的劣化程度进行划分,对热湿循环作用下砂岩的卸荷损伤本构模型进行研究。研究结果表明:热湿循环10次内砂岩各力学参数的劣化效应比较明显,10～50次逐渐减弱并趋于平缓;基于热湿循环和卸荷相互作用,建立了完整砂岩在不同热湿循环次数下的卸荷损伤模型并绘制模型曲线;经过验证,模型曲线与试验所得的三轴卸荷应力-应变曲线吻合度较高,认为该模型具有较好的适用性。     

循环孔隙水压力作用对混凝土损伤特性研究

为研究混凝土在历经循环孔隙水压力后的损伤特性,利用10 MN大型多功能液压伺服静动力三轴仪,进行了常三轴混凝土动静力加载试验,基于能量分析的损伤本构模型改进,确定损伤变量,进行不同加载速率、不同循环孔隙水作用后的混凝土损伤特性的对比分析。研究结果表明:当饱和混凝土试件分别经历不同大小的循环孔隙水压力作用后,低应变速率下,损伤曲线分布较为分散,随着应变速率的增大损伤曲线越来越趋于集中。随着加载时应变速率的提高,损伤曲线的分布呈现出了一定的规律性:低应变速率下,随着循环孔隙水压力值的增大,产生相同值的损伤对应的应变越小;高应变速率下,产生相同值的损伤发生的应变越来越大。     

水压力作用下岩石统计损伤本构模型研究

为了探究水压力对岩石损伤的影响,在多孔材料弹性理论框架内,利用有效应力原理,结合连续损伤力学和统计理论把霍克-布朗(Hoek-Brown)准则作为微元体强度破坏准则,建立水压力作用下的岩石统计损伤本构模型;并根据残余强度和峰值强度的关系对损伤变量进行修正,使模型能够更好地反映岩石峰后阶段的软化特征。通过室内试验进行模型验证和参数分析,结果表明:建立的模型能够较好地反映水压作用下岩石的应力-应变关系;随着水压力的增大,模型参数n呈增大趋势,岩石的脆性度增高,参数F₀呈减小趋势,岩石的强度降低;峰值点法在确定模型参数时优于曲线拟合法。研究成果对于水压力作用下岩体工程的安全分析有一定的参考价值。     

砂岩渗透作用下声发射及分形特征研究

地下围岩经常处于渗透场-应力场的耦合作用中,为分析在相同渗透压、不同围压下砂岩的变形特性、渗透特性、声发射特征及基于声发射空间分布的分形维数特征,对取自某在建工程的砂岩进行了三轴渗透及声发射试验。研究结果表明:砂岩的抗压强度及变形能力随着围压的升高而增大;渗透率在不同围压下有着相似的演变特征,均是随着应变增大而先减小后增大,并随着围压的升高逐渐减小;声发射的演化过程反映了渗透率大小的变化趋势,渗透率随着渗透试验过程呈阶段性变化,围压越大,声发射现象越滞后;基于柱状分形理论,得到砂岩的分形维数随着试验进行逐渐减小,表明砂岩经历了一个从无序到有序的损伤演化过程,围压越大,对应的分形维数越小。研究结果有助于认识和理解砂岩渗透性的变化机制。     

冻融损伤影响下河道再生混凝土本构模型研究

应力-应变的本构关系是混凝土材料重要研究内容。为了揭示冻融循环作用下再生混凝土的力学损伤规律,结合Weibull强度理论与混凝土抗压试验结果,建立了混凝土细观损伤统计模型。试验结果表明：冻融循环损伤作用使得混凝土在单轴荷载作用下破坏程度越来越明显;随着冻融循环次数从0次增加到120次,抗压强度和弹性模量呈指数型衰减规律,且破坏应变呈增大趋势;基于Weibull强度理论构建了考虑冻融循环影响的混凝土损伤本构模型,拟合求解了模型的形状参数m和尺度参数ε₀,并将冻融循环次数T引入至该模型中,通过对应力-应变曲线的实测与模型拟合结果进行比较,验证了理论模型的合理性。     

基于AE统计模型的砂岩蠕变试验研究

为分析水溶液对砂岩蠕变特性的影响,利用RLJW-2000岩石流变伺服仪对3种含水率下的砂岩进行了单轴长期力学行为研究,并利用PAC声发射(AE)监测仪对砂岩试验全过程进行声信号采集。试验结果表明:砂岩在长期荷载下,表现出应变硬化特征,有明显的蠕变稳态阶段,伴随加载的进行,蠕变速率随之增大;随着含水率的增加,相同应力等级下的蠕变速率随之增大。振铃计数率与蠕变速率具有相同的变化趋势,且累计振铃计数-时间曲线与应变-时间曲线两者走势基本相同。在假设试验材料服从Weibull统计分布的前提下,通过AE事件数表示岩石的损伤程度,推导出了基于AE事件点的损伤演化方程,相同应力水平下,高含水率砂岩内部损伤发展较低含水率快。比较蠕变曲线和损伤变量曲线的加速临界时间点,发现基于损伤变量得到的临界时间点相对蠕变加速时间点较为提前,说明利用声发射来预测蠕变破坏时间更为准确,这对于实际工程中的灾害防治工作有着重要作用。     

基于Weibull分布的高温结构性黄土统计损伤本构模型

能源桩是利用地热能的一种新型建筑节能技术,工作时会使桩周土温度发生变化,在黄土地区施作时,会直接影响黄土结构性,进而影响黄土的力学特性,因此研究变温条件下结构性黄土的变化规律具有重要意义。通过对不同温度下结构性黄土进行三轴剪切试验和核磁共振试验,研究温度对结构性黄土变形和强度的影响;基于现有黄土统计损伤理论,假定黄土微元强度服从Weibull分布,利用应变等效性假说,构建了结构性黄土在高温作用下的统计损伤本构模型;利用室内试验对该模型进行验证。结果表明：Weibull分布参数m和F₀影响结构性黄土损伤本构模型的曲线形状;建立的黄土统计损伤本构模型能够很好地反映结构性黄土颗粒骨架的损伤,有效预测结构性黄土在剪切作用下的结构损伤变形。研究成果可为后续的工程建设提供理论基础。     

三场耦合作用下黏土岩损伤变形特性及本构模型

深部地下围岩常常处于温度场、渗流场、应力场等多场耦合作用,研究黏土岩在温度-渗流-应力场耦合作用下的变形损伤演化过程尤为重要。从试验和理论模型2个方面对黏土岩开展了温度-渗流-应力三场耦合特性研究,结果表明:高温会造成黏土岩内部结构发生质的劣化,黏土岩的温度越高,其峰值强度越小,而应变变形量越大;渗透系数随变形总体呈先减后增的趋势,并在峰后阶段略有降低,分别与体变压缩硬化、剪胀损伤、软化剪胀3阶段相对应,体积变形的转折拐点即为渗透率加速增大的临界点;黏土岩的渗透率随温度升高呈先减小后增大的趋势,当温度＜50 ℃时,渗透率随温度升高而减小,当温度＞50 ℃后,随温度升高而增大;温度越高,黏土岩的“实损伤”发展越快。基于试验结果,建立了温度-渗流-应力三场耦合作用下的损伤本构模型,该模型能较好地模拟黏土岩三场耦合作用下的损伤变形演化过程。     

复杂应力路径下三峡库区砂岩力学特性分析

针对三峡库区中砂岩进行了三轴加载试验,及不同应力路径的三轴卸荷试验。试验结果表明:与加载破坏相比,卸荷破坏岩样表现出较强的脆性。卸荷作用引起了岩样变形模量、内摩擦角、黏聚力等力学参数的劣化,从而导致岩样质量的降低。卸荷路径不同时卸荷阶段应力-应变曲线形态有很大区别。按照轴压、围压等速率减小的路径卸载,卸荷阶段应力-应变曲线呈下凹形态且出现回弹变形,回弹变形占卸荷段总变形的比例随初始围压值的增大而减小。更多还原     

受酸腐蚀砂岩力学性质及孔隙结构变化研究

为研究酸性环境下砂岩的力学性质以及孔隙结构的变化,对酸液腐蚀后的砂岩进行了单轴压缩试验和孔隙率的计算,探讨了腐蚀时间和酸液浓度对砂岩力学参数和孔隙率的影响。结果表明:酸性溶液对砂岩腐蚀情况显著,浸泡后,砂岩孔隙率增大,电镜扫描图孔隙面积明显增加,且溶液浓度越大,腐蚀时间越长,孔隙体积越大;受酸腐蚀砂岩单轴抗压强度和弹性模量降低显著,试验结束后,pH=1硫酸溶液和pH=3硫酸溶液砂岩单轴抗压强度分别降低31.59%和26.99%,弹性模量分别降低64.46%和62.26%;基于次生孔隙率,构建化学损伤变量,并建立了化学损伤变量同力学参数的关系式;砂岩力学参数的降低与次生孔隙率的变化具有较好的一致性。     

单轴压缩下砂岩断裂试验及细观统计损伤模型

岩石是典型的非均匀性材料,含有裂纹、颗粒胶结面等缺陷,建立三维岩石损伤破裂本构模型,真实模拟岩石宏细观力学特性,是岩石损伤力学中的首要问题之一。通过赋予损伤后细观单元一定的承压能力,使其成为"接触单元",模拟压缩状态下的物质接触愈合作用,建立考虑细观单元残余强度的统计损伤本构模型,给出损伤变量的演化规律,采用Weibull双参数分布模拟岩体细观参数的非均匀性和随机性,编制程序实现了三维模型的单轴压缩计算。开展圆柱形砂岩单轴压缩物理试验,将基于细观统计损伤模型的计算结果与物理试验结果对比。结果表明,数值模拟结果与砂岩单轴压缩试验中宏观弹性模量及单轴抗压强度一致,应力应变曲线相吻合。基于考虑细观单元残余强度的本构模型可以准确模拟砂岩试样逐渐从细观损伤累积到集聚成核断裂扩展直至破坏的全过程,数值模拟最终破坏形态特征与物理试验一致。验证了模型的有效性,为进一步采用本构开展不同荷载条件及岩体工程分析应用奠定了基础。     

基于Weibull统计理论的混凝土率型损伤本构模型研究

为研究混凝土在股役期间的材料特性,进行了不同应变速率下(10^-5,10^-4,10^-3和10^-2/s)的混凝土单轴受压试验,分析了混凝土材料基本力学特性,试验结果表明:随着应变速率的提高,峰值应力和初始弹性模量呈现增大的趋势,峰值应力的变化规律并不明显。基于Weibull和Lognormal统计分布理论,以及Lemaitre应变等效原理,引入应变速率因素,构建出混凝土材料分段式率型单轴受压损伤本构模型。依据试验数据,确定了所建立的率型损伤本构模型参数;给出了不同速率下混凝土单轴受压应力-应变和损伤变化规律曲线。结果表明:建立的混凝土率型本构模型能够反映不同应变速率下混凝土单轴受压损伤全过程。     

取样卸荷对膨胀性泥岩强度与变形特性影响的试验研究

泥岩强度和变形参数是工程设计与施工控制的重要指标。为研究卸荷作用和水岩作用对膨胀性泥岩强度和变形特性的影响程度，选取南宁盆地典型膨胀性泥岩为研究对象，进行了加卸荷剪切试验和无荷膨胀率试验，在此基础上，分析了卸荷泥岩强度变化规律，探讨了水岩作用对卸荷泥岩变形特性的影响程度。试验结果表明，卸荷作用引起泥岩强度降低，压缩性增大，相比于加载条件，卸荷状态下泥岩的黏聚力明显较高，而内摩擦角则相对较小。引入卸荷比和强度损失率分析了卸荷泥岩的强度变化规律，卸荷泥岩强度损失率随卸荷比增加而增大，当卸荷比为0.7~0.8时，泥岩强度损失率最大。相对于卸荷作用，水岩作用对泥岩变形特性的影响较大，对样品的损伤约占30%~65%。研究结果表明获取试样力学参数中不能忽略取样过程对泥岩强度和变形特性的影响。     

砂岩与花岗岩在冻融循环和化学腐蚀下力学性能及断裂韧度变化的对比

为探究冻融循环-多种化学溶液溶蚀等因素耦合作用下岩石力学特性的变化规律,选取砂岩和花岗岩作为岩样开展了一系列岩石力学试验,借助智能显微镜观察比较了不同外部条件影响下岩石的表面微观结构,分析了岩石的溶液溶蚀机理和冻融损伤机理。试验结果表明岩石应力-应变关系、弹性模量、峰值应力、断裂韧度等力学特性受溶液溶质种类的影响较小,而受冻融循环温度影响显著,砂岩受冻融循环破坏程度大于花岗岩。两种岩石力学特性都随冻融循环温度的降低而减弱,I型断裂韧度与冻融循环温度之间呈二次函数关系。