基于细观组分实际分布的花岗岩宏细观参数关系

岩石通常由不同细观组分组成,细观组分的类型与相互作用决定了岩石的宏观力学性质。以北山花岗岩为例,使用室内试验视频和阈值分割技术确定细观组分的类别与位置,将细观组分颗粒和胶结物分别用圆盘和平行黏结来表征,细观力学性质使用颗粒力学性质参数(弹性模量、刚度比、摩擦因数)和平行黏结力学性质参数(弹性模量、刚度比、法向强度均值、切向强度均值)7个指标来表征,宏观力学性质使用弹性模量、泊松比、峰值应力3个指标来表征,使用颗粒流代码、像素和颗粒循环技术,建立考虑细观组分实际分布的颗粒流模型,进行7因素、4水平的32次正交数值模拟试验,研究宏细观力学性质关系和细观力学性质参数的调整方法。结果表明,数字图像处理技术可以有效用于建立基于细观组分实际分布的颗粒流模型;宏观弹性模量–细观弹性模量、宏观泊松比–细观刚度比、宏观峰值应力–细观强度具有很好的对应关系;宏细观弹性模量、泊松比、刚度比有较好的相关关系。由于细观组分的实际分布与力学特点控制了岩石的变形破坏过程,研究成果对估计岩石细观力学参数、预测宏观力学性状具有一定的参考价值。     

卸荷路径下花岗岩变形与破坏特征试验研究

为深入研究花岗岩在卸荷路径作用下各变形阶段的应力特征值、变形参数和破裂前兆信息,选取甘肃北山花岗岩为研究对象,在不同初始围压下进行三轴卸荷试验。试验结果表明:(1) 随初始围压的增大,岩石特征应力值逐渐增大,受力模式由横向张拉作用转为张剪联合作用;(2) 弹性模量受初始围压大小的影响不大,泊松比随围压卸载而增大,弹性模量随围压的卸载而降低,均不是连续介质意义上的变形特征参数;(3) 在路径1作用下,因岩石侧向扩容剧烈,从而粘聚力较小;而路径2作用下岩石受张性破裂影响,导致破裂面粗糙,因此内摩擦角较高;(4)能量累计数随时间由缓慢增长转为加速增长的时间转折点可作为岩石在卸荷作用下出现宏观裂隙、导致完全破坏的监测参量。     

单轴压缩试验下裂纹闭合阶段岩石KAISER效应的研究

选择花岗闪长岩和大理岩进行了单轴压缩试验下裂纹闭合阶段的KAISER效应（KE）研究,试验结果表明：裂纹闭合阶段有KE出现,岩石KE具有记忆先前应力、应变、弹性模量、泊松比和损伤因子的能力;岩石KE的机理在于对其先前损伤的记忆。     

北山花岗岩细观非均质性对单轴压缩力学特性影响的FDEM数值研究

为了研究细观非均质性对北山花岗岩中微裂纹萌生、扩展和贯通等破裂过程的影响,基于有限元/离散元耦合方法(FDEM)和数字图像处理技术(DIP),结合矿物晶体模型(GBM),分别构建3类北山花岗岩细观结构表征模型：聚类均布模型、Voronoi颗粒模型和聚类镶嵌模型。基于3类模型开展了单轴压缩试验研究,探究细观非均质性对北山花岗岩力学特性、声发射(AE)特征以及颗粒尺度裂纹扩展规律的影响。研究结果表明：3类模型均能捕获从微破裂损伤至宏观破裂的演化过程,即首先以晶间张拉裂纹为主,随后产生穿晶断裂,转变为以晶内裂纹为主,张拉破坏占主导地位;细观结构表征方式对模拟岩石的特征应力(启裂应力和损伤应力)控制效应非常显著;Voronoi颗粒模型和聚类镶嵌模型的AE特征与室内试验更为吻合;硬矿物含量的增大,会导致单轴抗压强度、特征应力和弹性模量增大,而泊松比反之;颗粒尺寸的增大,会导致单轴抗压强度和损伤应力明显减小;特征应力与刚度非均质性因子呈负相关。     

三类岩石热损伤力学特性的试验研究与细观力学分析

 运用偏光显微技术,比较不同温度处理后砂岩、花岗岩和大理岩微观结构的不同变化特征。分析对比常温～800 ℃高温处理后三类岩石纵波波速、孔隙率、弹性模量、峰值应力及应变的变化规律,并讨论其与微观结构变化的内在联系。结合岩石热损伤后初始损伤程度增大、微裂纹刚度弱化及张开度增大等特征,采用细观损伤力学模型研究热损伤岩石应力–应变曲线显著的非线性特征。研究结果表明：(1) 热处理砂岩细观结构的变化主要表现为胶结物变化及矿物相变,矿物内无明显热裂纹发育;热处理花岗岩内热裂纹发育明显,800 ℃处理后最大裂纹宽度可达100 ?m,较400 ℃时增加约1个数量级;大理岩热裂纹以晶界裂纹为主,600 ℃处理后最大裂纹宽度达20 ?m,约为400 ℃时的2倍。(2) 花岗岩和大理岩的弹性模量随热处理温度的增大持续降低,但砂岩的弹性模量在500 ℃热处理温度阈值之后才显著下降。(3) 三类热损伤岩石的宏观物理力学性质与其形成条件、矿物组分、微裂纹发育密切相关。(4) 基于均匀化理论的细观损伤力学模型的计算值与试验值吻合良好,热损伤岩石应力–应变曲线初始压密阶段显著延长的力学行为与微裂纹密度和刚度直接相关。     

应力波作用下含颗粒脆性材料裂纹扩展数值模拟

运用岩石破裂过程分析软件RFPA-dynamics,对应力波作用下含颗粒脆性材料的裂纹扩展过程进行了数值模拟,分析了软硬颗粒及双向荷载对裂纹扩展的影响。结果表明:(1)软硬颗粒对裂纹扩展方式有一定影响:表现在硬颗粒模型中,裂纹水平扩展长度较长,且出现羽状结构裂纹,软颗粒模型裂纹水平扩展长度较短,未出现明显羽状裂纹,空洞模型出现裂纹绕行现象;(2)颗粒与基质弹性模量比值是影响含颗粒物的岩石材料裂纹路扩展方式的主要因素,而各自弹性模量绝对值对其影响不大;(3)双向动态荷载作用下,裂纹在分支前均会沿着初始裂缝的方向前进一段距离,不同荷载比率下试样的裂纹扩展方式不同,表现在随着荷载比率增大,裂纹分叉的角度增大,裂纹扩展距离减小。     

围压作用下花岗岩加载过程中波速变化规律试验研究

为获得深部岩石在遭受一定围压并持续受载状态下波速的变化规律,采用GCTS RTX–3000岩石力学试验机对花岗岩进行围压水平分别为40和80 MPa条件下的三轴压缩试验,得到相应的应力–应变曲线以及纵、横波速,结果表明:在围压增加过程中,花岗岩的纵、横波速随围压的增加而增大,呈二次函数关系;纵、横波速在三轴加载过程中均先急剧增加,然后趋于稳定,在开始萌生裂纹到发生破坏的阶段,波速先缓慢降低,之后急剧下降,其中,横波对围压及加载过程的应力状态更敏感;对花岗岩的整个加载过程进行损伤分析,动弹性模量在不同阶段呈现增加、稳定、下降的趋势,动泊松比能够反映岩石的膨胀扩容过程。该研究有助于理解高围压条件下岩石的损伤特征,对深部围岩控制及地震的预测等研究有重要的意义。     

岩石扩容起始特性与峰值特性的比较

边坡、隧洞、矿井等岩土工程的失稳过程都伴随着岩体的扩容现象,研究各种工程岩体的扩容特性对工程岩体稳定性评价有重要意义。采用TAW-2000电液伺服岩石三轴试验机,通过对8种岩样的单轴、三轴压缩试验结果分析,获得了低围压下的应力-体积应变曲线,寻求不同岩石的扩容起始点的的变化规律,揭示岩石扩容起始特性与峰值点特性的对应关系。研究结果表明：①岩石扩容起始点处的应力随着围压的增大而增大,并且相比峰值点应力变化,扩容起始点的应力随着围压的变化更强烈;②分别定义了岩石的扩容起始点与峰值点的应力比和应变比计算公式,应力比和轴向应变比呈现很强的线性相关性,并且与其岩性和围压无关。如果确定了峰值点的应力应变关系,便可以较方便地找到岩石的扩容起始点。通过岩石扩容起始点与峰值点变化规律的研究,找到了一条确定岩石扩容起始点的新思路,对岩石的长期强度预测提供了理论依据。     

不同排水条件下砂岩应力渗流耦合试验研究

应力渗流耦合是岩石力学基本问题之一。以砂岩为研究对象进行不同排水条件下(排水和不排水)的三轴压缩试验研究。结果表明:围压对岩石有强化约束作用,岩石的弹性模量、峰值强度、启裂应力及扩容应力随围压增加而增大;在排水条件下,孔压一定程度上减弱了围压作用,弱化岩石的力学特性,且对黏聚力影响比对内摩擦角更加敏感;对于不排水条件,孔压变化峰值应力出现在扩容应力附近,是岩石内部裂纹开启的反映;同一初始孔压下围压越高相应孔压变化值越大,围压相同时初始孔压越大,其孔隙水压力变化越显著;同一围压下,不排水条件试验的岩石峰值强度、闭合应力、启裂应力和扩容应力一般低于排水条件下各项指标值。     

岩石单轴压缩下损伤表征及演化规律对比研究

采用声波、声发射一体化装置同步测试单轴压缩下花岗岩应力应变、超声波及声发射(AE)特征演化规律,分析岩石特征应力对应的宏–细观表征,通过裂纹体积应变、声发射及声波特征等共同量化岩石损伤演化过程。结果表明:裂纹体积应变和波速对应的损伤起始应力吻合较好,AE事件、幅值分布、b值对应的应力特征值基本一致,但AE事件表征的损伤累积开始早于宏观变形和声波;初始加载阶段波速及各项异性系数K均逐渐增加,之后变化趋缓,起裂应力后侧向波速开始减小,而K逐渐增大;峰值应力前裂纹的快速聚结引起AE信号幅值大幅增加,伴随的是b值的快速下降和AE累积能量的陡增;基于起裂应力后损伤才开始累积的假定,量化并对比了裂纹体应变、AE事件等多参量表征的损伤演化规律,发现花岗岩损伤累积绝大部分发生在损伤应力之后。裂纹体应变表征的损伤具有明确物理意义,但裂纹体应变计算中泊松比选取存在一定主观性,裂纹体应变、AE能量、模量等参数表征的损伤在接近峰值应力前均出现大幅增加,与b值的快速下降对应。综合对比分析,AE能量表征的损伤具有更好的可靠性,反映了岩石损伤破裂的本质特征。     

The influence of grain size and porosity on crack initiation stress and critical flaw length in dolomites

The influence of rock texture on crack initiation stress (σ_i) and critical flaw length (L_i) is studied by a series of triaxial tests performed on monomineralic dolomites. The critical flaw length, as predicted by analytical models, is shown to be larger than the measured mean grain size (d_m) by two–three orders of magnitude. This discrepancy is explained by rock texture variations, which influence the fracture propagation mode and consequently fracture initiation stress. The quantification of rock texture is accomplished using porosity. Fracture initiation stress is shown to be inversely related to both porosity and mean grain size. When porosity is low, the sensitivity of σ_i to mean grain size is high. This effect is reduced with higher porosity values. A model for initial flaw length is developed by a synthesis of Griffith initiation criteria with our empirical model for fracture initiation stress. Initial flaw length is found to be directly proportional to the elastic modulus, mean grain size and porosity of the rock. When porosity and mean grain size decrease simultaneously, the initial flaw length rapidly decreases and approaches the mean grain size value. Therefore, the classical assumption that grain size scales initial flaw size is shown to be valid only in the very restricted case of low porosity-low grain size rocks. In such textures, where void space is minimal, available crystal faces function as truly initial flaws, and variations in mean grain size influence crack initiation stress significantly. In more porous textures, however, the initial flaw length is shown to be up to two orders of magnitude higher than the mean grain size in the rock, depending upon the porosity and mean grain size values. In such textures crack initiation stress is much less sensitive to variations in mean grain size, indicating that the role of individual grains is less significant.     

岩体冻融疲劳损伤模型与评价指标研究

 岩体冻融损伤模型与评价是研究岩体经历冻胀力萌生、发展与消散反复作用后物理力学性质劣化的主要内容,现有对岩体冻融循环后的损伤评价指标主要有孔隙率、纵波波速、静动弹性模量等物理参数。冻胀力对于岩体可等效为三轴拉伸应力,首先基于三向等效拉应力建立岩体冻融疲劳损伤模型,该冻融损伤演化方程与单轴循环拉应力下的疲劳损伤方程虽然具有同样的形式,但物理意义不同。基于动弹性模量的定义,以孔隙率和纵波波速为参变量推导出了统一的损伤变量表达形式,该损伤变量不仅考虑了双物理参数的影响,还能对不同冻融循环次数下岩石的单轴抗压强度进行较好预测,可作为岩体冻融损伤的评价指标。定义动弹性模量损失40%为岩石冻融破坏临界值,利用该临界值可避免通过试验确定最大冻融循环次数,进而结合统一损伤变量对冻融疲劳损伤演化方程进行求解,最后通过2个实例说明该冻融疲劳损伤模型与评价方法的正确性和实用性。     

矿物颗粒形状的岩石力学特性效应分析

岩石作为矿物颗粒的集合体,其宏观力学特性主要影响因素为矿物的细观形态特征。基于颗粒流理论,建立了4种代表颗粒形状用于模拟石英砂岩的矿物颗粒,并采用球度指标对矿物颗粒形状进行参数量化。通过石英砂岩的室内三轴试验校准了颗粒流模型的细观参数,在此基础上进行四种矿物颗粒形状试样的岩石三轴力学模拟试验。研究结果表明：颗粒的球度越大,试样的启裂强度、损伤强度和峰值强度均越低。随着颗粒球度的增加,试样的弹模降低,泊松比增大。内摩擦角和黏聚力则随球度的增大而下降。根据岩样数值试验中的变形数据,研究了不同颗粒形状剪胀角随着塑性剪切应变的演化规律。     

基于波速测量的龙马溪组页岩的各向异性研究

随页岩气开采大力发展,对页岩的认识也逐显重要。页岩作为明显的层状结构岩石,普遍表现出各向异性。为此,基于横观各向同性介质模型,通过测量岩样不同方向的纵波波速和快慢横波波速,计算了长宁区块龙马溪组岩样的刚度系数与弹性系数,并与静载荷试验测定的弹性参数做出对比。试验结果表明,页岩的纵波波速以及快慢横波波速均表现出各向异性,并且随围压升高,波速升高速率变缓。岩样的杨氏模量与泊松比亦表现出各向异性,水平方向上的杨氏模量始终高于垂直方向上的杨氏模量,而3个方向的泊松比不一致。动态加载测试值与静态加载测试值随围压变化趋势一致,并且随围压升高,由孔隙和微裂缝引起各向异性减弱。考虑页岩中微裂缝的存在,通过弥散损伤模型计算龙马溪组页岩的损伤参数,认为在围压作用下微裂缝主要存在于平行层理面方向,围压对垂直层理面的裂缝影响较小。     

裂隙随机分布时岩体力学性质对应力状态的依附性

在不考虑裂隙相互作用和裂隙断裂扩展并假设裂隙随机分布的情况下，运用线弹性断裂力学理论和闭合裂隙模型探讨了在三轴压缩、单轴压缩以及单轴拉伸3种情况下裂隙岩体变形模量的变化规律。对裂隙岩体变形而言，裂隙密度参数和裂隙面摩擦系数是最重要的2个影响因素。随着裂隙密度参数的增加，变形模量有减小的趋势；随着裂隙摩擦系数的增加，变形模量有逐渐增加的趋势。通过计算分析可以看出，三轴压缩时的变形模量最大，单轴压缩时的次之，单轴拉伸时的最小。     

Experimental analysis and modeling of the mechanical behavior of breccia lava in the dam foundation of the Baihetan Hydropower Project

As a type of pyroclastic rock, the breccia lava in the dam foundation of the Baihetan Hydropower Project is characterized by relatively low density, high natural moisture content and porosity, and lower ultrasonic velocity. When it is used as a bearing rock, its mechanical behavior will be critical for the safety and stability of the world’s second largest hydropower station. Therefore, uniaxial and triaxial compression tests were performed to study the mechanical behavior of the breccia lava and scanning electron microscope (SEM) tests were carried out to reveal the microscopic failure modes of this rock. The experimental results indicated that all critical stresses, including the crack initiation stress (σ_ci), crack damage stress (σ_cd), and peak stress (σ_p), exhibit strong dependence on the confining pressure. Experiential functions were used to describe the evolution of the elastic modulus and Poisson’s ratio with confining pressure. Grain crushing and the growth and frictional sliding of microcracks were determined to cause the failure of the specimens. Based on the experimental results, a coupled elastoplastic damage model was proposed within a thermodynamic framework. In this model, two separate loading functions were employed to describe the damage and plasticity behavior of the breccia lava. A computational integration algorithm with high numerical accuracy and efficiency was developed to deal with the material under three different loading conditions: plasticity, damage, and coupled elastoplastic damage. The model was validated through comparison with the experimental data, and the good agreement between the two datasets confirms that the model can provide a good representation of mechanical behavior, particularly the post-peak behavior of the breccia lava.

     

孔洞-多裂隙组合型缺陷岩体破裂及分形演化

为研究洞室裂隙围岩破坏机制,构建含孔洞-多裂隙组合型缺陷岩体模型,在单轴压缩试验的基础上,结合RFPA软件对岩体模型的裂纹扩展进行数值模拟;采用盒维数法计算裂纹扩展数字图像的分形维数,研究加载过程中岩体模型的分形演化特征。结果表明:组合型缺陷加重了岩体模型的应力集中现象,劣化了力学参数,表现为最大压应力和最大拉应力的增幅分别达到20.57% ~ 58.19%、14.29% ~ 136.19%;单轴抗压强度和弹性模量的降幅分别达到55.76% ~ 66.09%、42.57% ~ 59.29%。含孔洞-多裂隙组合型缺陷岩体物理模型和数值模型的裂纹扩展模式大致相同,可划分为弹性阶段(S-Ⅰ)、裂纹萌生、扩展阶段(S-Ⅱ)以及残余强度阶段(S-Ⅲ)3个阶段。分形维数的演化特征与裂纹扩展密切相关,并提出了基于分形维数的裂纹起裂以及整体失稳的判据。     

不同尺寸裂隙岩石损伤破坏特性光弹性试验研究

为了充分认识试件尺寸与裂隙倾角对裂隙岩石损伤破坏的影响,开展了不同试件尺寸、不同裂隙倾角的光弹性单轴压缩试验。利用反射式光弹仪直观形象地记录试件损伤破坏全过程的彩色条纹变化,基于光学-应力定律计算得到裂隙岩石损伤破坏过程中试件表面的全场应力应变,分析岩石裂隙扩展失稳的尺寸效应及裂隙倾角对岩石强度及破坏模式的影响,研究裂隙岩石损伤—扩展—破坏的力学机制。试验结果表明:裂隙岩石单轴压缩的应力应变曲线可分为弹性阶段,塑性阶段,峰后软化阶段,残余阶段不明显;裂隙岩石峰前阶段的弹性模量随着试件高宽比的增加而增大,随着裂隙倾角的增加而减小;单轴抗压强度随着高宽比的增加呈减小趋势;峰后的软化阶段受试件尺寸与裂隙倾角的共同影响,裂隙倾角与高宽比越大,岩石的破坏越具有突然性,即脆性越明显;岩石损失破坏时最大应变与应力分布在预制裂纹中心,损伤首先从预制裂纹处发生。随着加载的不断进行,最大应变与应力的位置转变为裂纹的两端,逐渐向平行于轴向加载方向发展直至试件端部。岩石损失破坏时,最大应变与应力分布在预制裂纹中心,损伤首先从预制裂纹处发生。随着加载的不断进行,最大应变与应力的位置转变到裂纹的两端,裂纹逐渐向平行于轴向加载方向发展直至试件端部。     

粗晶大理岩单轴压缩力学特性的静态加载速率效应及能量机制试验研究

 加载速率对岩石力学性质具有重要影响,影响的程度与岩石本身的微结构和加、卸载应力路径及状态等密切相关。基于静态加载速率范围内的9个不同等级应变率下粗晶大理岩单轴压缩试验,研究加载应变率对岩石的应力–应变曲线、破坏形态、强度、弹性模量及变形模量与应变能耗散及释放的影响规律,探讨岩石损伤演化的能量机制。根据总体积应变及裂纹体积应变与起裂及扩容应力的相关性,确定各应变率下岩石起裂及临界扩容应力。加载应变率大约以1×10－3 s－1为分界点,小于该值时应力–应变曲线峰值点附近仍存在一定的塑性屈服或流动段,超过该值后表现为“折线”型。随着加载应变率的增加,岩样破裂模式由张剪型逐渐过渡到张性劈裂甚至劈裂弹射。一般而言,起裂及临界扩容应力和峰值应力均随加载速率增大而增大,且起裂及临界扩容应力越接近峰值强度,但当应变率为1×10－4～1×10－3 s－1时,上述值均出现一个相对低值区间,这与粗晶大理岩的微结构特征相关。起裂应力、临界扩容应力、弹性模量及变形模量均与峰值强度线性相关。单轴压缩下峰前能量耗散量越多,强度越高,峰后可释放弹性应变能和释放速率越大,岩石的张性贯通破裂特性愈强,破裂块数越多。能量耗散使岩石损伤而强度丧失,而能量释放使岩石宏观破裂面贯通而整体破坏。     

岩石隧道塑性位移新解

 在统一强度理论和弹脆塑性模型的基础上,考虑塑性区围岩弹性模量的变化、中间主应力效应、围岩应变软化和剪胀等影响,推导了深埋圆形岩石隧道塑性位移新解。文中的隧道位移新解具有广泛的理论意义,可根据具体工程实际情况,进行多种合理选择。经工程算例分析可知,由塑性区半径相关的弹性模量计算得到的位移处于上、下限之间,反映了隧道开挖卸荷扰动影响的距离变化,更符合隧道变形真实情况,并得出统一强度理论参数和剪胀特性参数对塑性区位移的影响规律。研究结果表明：隧道塑性区位移受中间主应力、围岩剪胀特性和塑性区弹性模量的影响显著,三者相互影响,共同作用。