三轴加卸载下花岗岩脆性破坏及应力跌落规律

基于2种卸荷应力路径和常规三轴压缩试验,研究了加卸载条件下花岗岩的变形破坏及应力脆性跌落特征。卸荷条件下岩石变形主要是向卸荷（主）方向回弹或拉伸变形为主,而非或次卸荷方向的塑性变形很小,峰后应力应变曲线呈现明显的脆性特征。而加载条件下岩石以轴向压缩变形为主,且压缩塑性变形随围压增大而增大;卸荷条件下破坏岩石各种级别的张拉裂缝较多,张裂面一般垂直于卸荷主方向,高初始围压时双向卸荷甚至在次卸荷方向也可产生环形张拉裂缝。破坏围压较高时破裂面剪性特征相对明显,但剪性裂面一般追踪张性破裂面发展而成,并在剪切面两侧发育较多微张裂缝。而相对较高围压下常规三轴压缩岩石一般为剪切破坏,张性裂缝很少;常规三轴压缩岩石的应力脆性跌落系数随围压的增大而增大,而在卸荷条件下却随初始围压的增大而减小。相同初始围压时,卸荷条件下比加载时的应力脆性跌落系数小得多,方案Ⅱ在初始围压达到30 MPa时甚至出现负值,应力脆性跌落系数R依次为：RⅢ〉RⅠ〉RⅡ。     

岩石卸荷破坏与岩爆效应

对粉砂岩试样进行了保持轴向变形不变的卸围压试验,在对岩样的破坏分析基础上,将岩石卸荷破坏与岩爆特征联系起来.研究表明,随着卸荷初始围压值的增加,卸荷破坏状态逐渐从中等岩爆过渡到强烈以上岩爆;三轴应力状态下的岩体如果某一方向的应力突然降低,造成其在较低应力状态下破坏,那么原岩储存的弹性应变能将对外释放,进而可能引起岩爆;通过调整施工速度可以减缓或降低岩爆的发生.     

深埋大理岩卸荷力学特性的试验研究

为探讨深埋大理岩在不同应力路径下力学性质的差异,揭示卸荷应力路径对岩石力学性质的影响,对取自锦屏二级深埋引水隧洞的浅灰色大理岩进行了常规三轴和两种应力路径的卸荷三轴试验研究,得到了卸荷应力状态下,大理岩破坏时的纵横应变小于常规三轴压缩应力状态得到的结果,且其变形具有由延性变形有向脆性变形转化的特征。不同应力路径下大理岩的变形模量和泊松比与围压均有良好的线性关系,但卸荷应力状态下的变形模量较常规三轴压缩应力状态下的小,泊松比则相反。卸荷状态下大理岩的破坏面更为粗糙,其内聚力较三轴压缩状态下的内聚力下降了36.4%,而内摩擦角增加了35.4%;在45MPa正应力范围内,卸荷应力状态下的抗剪强度低于常规三轴压缩状态下的抗剪强度,卸荷应力状态下更易导致岩石发生破坏。     

高围压卸荷条件下大理岩变形破坏及能量特征研究

能量的耗散与释放是岩石变形破坏的本质。基于MTS815 Flex Test GT岩石力学试验平台,通过室内三轴卸荷试验和数学物理分析方法,揭示了大理岩在高围压三轴卸荷条件下的应力应变关系及能量变化特征。结果表明,初始围压的增大将显著提升岩样峰值强度时的可释放应变能以及最终总能量;随着围压的增大,岩样所吸收的能量变化的快慢程度随着偏应力变化而有所减缓;峰值强度时岩样可释放应变能占总能量的比例随着围压的增大而急剧增大,而残余强度时所吸收的总能量几乎全部转化为耗散能;大理岩能量指标存在明显的围压效应,即峰值总能量和残余总能量随着围压增大而显著提高,且具有良好的线性关系。     

红砂岩应力脆性跌落系数的试验研究

岩石的应力—应变全过程曲线以峰值应力为界,通常分为破坏前区和破坏后区两部分。由于岩石破坏后区的力学特性对诸多岩石工程,如地下巷道、矿柱和岩爆等具有重要的工程意义,因此,此方面的研究已受到理论界和工程界的重视。岩石的破坏后区一般处于非稳定状态,当软化速率较大时,其力学响应用经典的应变软化模型来模拟计算难以收敛,而可以考虑采用脆塑性模型。使用RMT-150B型岩石力学试验系统,在轴向应变率保持为常数的条件下,对贵溪红砂岩进行了常规三轴压缩破坏试验,得到了不同围压下岩石的应力—应变全过程曲线。利用试验得到的应力—应变全过程曲线,得到了红砂岩的应力脆性跌落系数与围压的关系表达式,为采用非理想脆塑性模型对红砂岩介质及其中的构筑物进行数值分析提供了依据。     

三维动静组合加载下岩石的破坏形态及力学性能研究

为研究岩爆等地质灾害发生的力学机制,利用改进的霍普金森杆试验装置,对红砂岩进行预加载三维静应力下受冲击载荷试验,分析红砂岩的破坏形态、能量耗散规律及变形强度特征.研究表明,红砂岩的破坏形态在有无围压情况下,都随着轴压的增大破坏程度增大,在无围压及有围压情况下分别呈现出"X"型和"圆锥台"型的压剪破坏形态.当轴压固定时,红砂岩的破坏程度随围压的增大而降低.在三维动静组合加载下,红砂岩入射能及单位体积吸收能与平均应变率呈线性递增关系,且递增的程度随轴压的增大表现出先增大后降低的趋势,而随围压的增大而增大.红砂岩应力应变曲线在不同平均应变率下表现出应变回弹、应力跌落及峰后塑性三种类型.红砂岩抗压强度增长因子与平均应变率1/3次幂呈线性递增关系.     

结构性吹填软土侧向变形真三轴试验研究

为了研究吹填软土在侧向变形条件下的力学与结构特性,利用真三轴试验机以及WF应力路径试验仪进行了不排水条件下的侧向卸荷试验,并与常规三轴试验结果进行了对比分析.试验结果表明：与常规三轴剪切试验应力-应变关系曲线表现的硬化特性不同,真三轴卸荷试验表现出应变软化现象.随着初始围压的增大,土体由剪缩向剪胀变化.由于中主应力的影响,真三轴卸荷状态下土体的结构屈服应力值明显大于WF卸荷状态以及常规三轴试验下的数值,其随着中主应力系数bd的增大而成非线性增长.真三轴侧向卸荷条件下土体抗剪强度指标大于WF卸荷条件,与常规三轴试验结果也明显不同,其内摩擦角增大,粘聚力减小.     

卸围压条件下花岗岩强度特性及三维裂隙演化规律

为研究卸围压条件下花岗岩强度特性和三维裂隙演化规律,对花岗岩开展了常规三轴压缩、卸围压-加轴压和分级卸围压-加轴压循环加卸载3种不同应力路径力学试验,获得对应的轴、径向应力-应变曲线;采用CT扫描三维重构技术获得岩石卸围压过程中和破坏后内部裂隙分布三维图像.结果表明:相对于常规三轴压缩试验,试件在卸荷条件下脆性破坏特征更加显著,分级卸围压-加轴压循环加卸载会增大花岗岩的峰后延性,降低破坏轴压和破坏剧烈程度;两种卸围压方案都会使花岗岩的承载能力降低30%左右;卸荷作用下花岗岩宏观破裂为拉剪组合状,拉剪过渡不明显,表观裂隙是内部裂隙向外扩展的结果;花岗岩在卸荷作用下峰前产生的裂隙量较少,大量裂隙在峰后产生,破裂具有突发性和瞬时性,围压较低时宏观裂隙首先在试件边缘产生,围压较高时宏观裂隙首先在试件中部产生.     

不同卸荷起点应力水平砂岩卸荷力学特性试验研究

开挖卸荷岩体在实际工程中随处可见,卸荷时的应力水平对其力学特性有较大影响。基于此,以三峡库区典型砂岩为研究对象,开展了不同卸荷起点应力水平砂岩卸荷试验,研究了不同卸荷起点应力水平砂岩卸荷力学特性。结果表明:岩样卸荷起点应力水平越高,岩样的初始损伤越大;岩样的峰值强度、峰值应变与卸荷起点应力水平呈线性关系;岩样围压卸荷量与垂直变形量之间的关系曲线与卸荷起点应力水平有较大关系。该研究成果一方面验证了卸荷起点应力水平与岩样内部损伤之间的关系,另一方面也可为岩体开挖施工提供参考。     

花岗岩卸荷破坏全过程声发射特征试验

利用MTS815混凝土与岩石力学试验系统和PCI-2三维定位实时监测系统对花岗岩卸荷破坏进行了声发射试验,得到了其卸荷破坏全过程变形特性和声发射特征,探讨了应力与应变、声发射数与应力、声发射率与应力、声发射数与时间以及声发射率与时间之间的关系.研究表明,岩石在卸荷方式下的破坏大多表现为脆性破坏,而且围压越大,脆性破坏特征越明显;对于1-1试件,破坏前在应力大于310MPa左右或在时间大于300s左右的范围内声发射数、声发射率开始出现激增现象,表明进入该阶段岩石内部破裂开始加速发育、扩展,最终导致岩石的破坏.研究成果对具有同类岩体的工程具有重要的参考价值.     

冻结层状红砂岩三轴蠕变特性及本构模型研究

为探讨冻结、三轴应力条件下层状红砂岩蠕变失稳规律,采用自主研发的DRTS-500型动力扰动低温岩石三轴试验系统对-10℃,围压为8MPa下不同节理面倾角的层状红砂岩进行三轴压缩试验和三轴蠕变试验,建立了冻结层状红砂岩三维蠕变模型.结果表明:冻结层状红砂岩轴向初始蠕变特性、非线性蠕变特性以及蠕变破坏形式受层理方向影响显著;所提出的新模型可以精确描述冻结层状红砂岩在三轴压缩条件下的轴向、径向蠕变全过程曲线,且该模型在描述初始蠕变阶段和非线性蠕变阶段时优于经典西原模型和改进西原模型.研究成果对西北地区层状岩层中立井冻结法施工时冻结岩壁支护时间、非线性变形预测以及井筒安全性评价具有一定的参考价值.     

深部重塑土高压应力路径试验研究

为了获取高压条件下应力路径对深部土力学特性的影响,采用自行设计的室内高压试验方法研究了深部重塑土在K_0固结基础上4种典型应力路径下的应力-应变行为和强度特性.结果表明:三轴压缩路径下的应力-应变曲线形态呈应变软化型,三轴拉伸路径下的应力-应变曲线则由线性段和应变硬化段组成;三轴压缩路径下深部重塑土的屈服强度和屈服变形均大于三轴拉伸路径,而抵抗破坏的能力刚好相反,且加荷条件下深部土抵抗破坏的能力高于卸荷条件.深部重塑土的室内高压试验应根据工程实际选取合理路径以避免重大事故的发生.     

不同卸荷应力路径下岩体破坏特征试验研究

隧道施工引起围岩应力释放的问题值得关注，目前对不同开挖方式引起隧道围岩强度及破坏的研究较少.因此，通过采用岩石三轴试验机，模拟隧道的不同开挖工况，针对不同卸荷应力路径下的岩石强度及破坏特征进行了深入研究，提出了相应的结论，可为后续理论研究提供试验参考.     

脆塑性岩石应力脆性跌落系数的试验研究

岩石的应力一应变全过程曲线以峰值应力为界,通常分为破坏前区和破坏后区两部分.由于岩石破坏后区的力学特性对诸多岩石工程,如,地下巷道、矿柱和岩爆等具有重要的工程意义,因此,此方面的研究受到理论界和工程界的重视.岩石的破坏后区一般处于非稳定状态,其力学响应用经典的应变软化模型来模拟计算难以收敛,而可以考虑采用脆塑性模型.使用RMT-150B型岩石力学试验系统,在轴向应变率保持为常数的条件下,对雅安大理岩、贵溪红砂岩和大悟花岗岩进行了常规三轴压缩破坏试验,得到不同围压下岩石的应力一应变全过程曲线.利用试验得到的应力一应变全过程曲线,得到了各种岩石的应力脆性跌落系数与围压的关系表达式,为采用非理想脆塑性模型对大理岩介质及其中的构筑物进行数值分析提供了依据.     

侧向卸荷路径下天津滨海软土强度参数试验研究

针对侧向卸荷条件下软土变形、强度等典型力学特性,选取天津滨海新区9～18,m深度海相软土为研究对象,采用应力-应变控制式三轴剪切渗透试验仪,对试样进行了三轴不固结不排水试验(UU)、三轴固结不排水试验(CU)以及K0固结轴向卸荷试验(DEP).试验结果表明:UU、CU、DEP试验应力与应变关系曲线呈双曲线特性,UU与CU试验应力与应变关系曲线呈硬化特征,DEP试验应力与应变关系曲线呈软化特征.DEP试验对于总应力强度参数有影响,对有效应力强度参数影响较小.     

红砂岩真三轴压力试验与岩石强度极限统计

为探讨岩石的强度理论和中间主应力效应,进行了红砂岩真三轴压力试验。获得了不同应力状态下的岩石强度极限值和岩石的三向全应力应变曲线。根据本文和收集到的真三轴压力试验资料,探讨了岩石的中间主应力效应问题。统计分析表明:中间主应力一般可使最大主应力的强度极限增大30%。     

不同卸荷应力路径下岩体破坏特征试验研究

隧道施工引起围岩应力释放的问题值得关注，目前对不同开挖方式引起隧道围岩强度及破坏的研究较少．因此，通过采用岩石三轴试验机，模拟隧道的不同开挖工况，针对不同卸荷应力路径下的岩石强度及破坏特征进行了深入研究，提出了相应的结论，可为后续理论研究提供试验参考．     

地下工程开挖卸荷的算法研究和计算机模拟

在岩体中开挖地下工程,无论是隧洞或是地下厂房,均会影响原来的平衡状态.开挖后使周围岩石失去支撑,导致新的变形和应力场的调整,即为卸荷效应.卸荷效应直接影响到建筑结构的安全和正常运行.当用有限元法对岩石进行结构分析时,此变形和应力调整相当于在开挖的边界处施加相应的节点力,即卸荷荷载.笔者给出三节点三角形单元和四节点四边形节理单元计算节点卸荷荷载的＂不平衡节点力法＂的原理和方法,同时阐述了在计算机上进行模拟实现过程。     

超静孔隙水压下软土卸荷蠕变特性试验研究

考虑超静孔隙水压作用的软土卸荷力学特性对富水软土地区地下空间开挖变形和稳定性分析具有重要作用。以深圳地区淤泥质软土为研究对象,开展不同初始超静孔隙水压作用下的K₀固结不排水三轴卸荷强度试验和卸荷蠕变试验。试验结果表明：初始超静孔隙水压越大,固结围压越小,软土卸荷破坏越具有突然性;软土卸荷强度应力-应变曲线大致呈双曲线型,其双曲线函数拟合结果表明,卸荷强度随着初始超静孔隙水压的增大而大致线性减小。卸荷蠕变对初始超静孔隙水压敏感性很大,卸荷蠕变破坏时的偏应力约为卸荷强度试验中偏应力的90%。UU0.5应力路径相对于UU0.0应力路径更容易发生卸荷强度破坏和卸荷蠕变破坏,在实际工程中,应尽可能控制软土侧向卸荷比和超静孔隙水压的大小。     

岩石的统计损伤本构模型及临界损伤度研究

岩土工程中的岩体常处于空间应力状态下,因此,研究空间应力状态下岩石的损伤破坏机理有重要的实际工程意义。基于岩石内部缺陷分布的随机性,建立了围压和轴压共同作用下岩石的统计损伤本构模型。并通过砂岩的三轴压缩试验确定了模型里的参数,定性分析了围压对损伤度的影响。研究结果表明：（1）模型能反映围压效应,即可以体现岩石强度随围压变化的规律;并且模型参数确定方法揭示了模型参数的物理意义;（2）通过岩石的全应力-应变全曲线特征及峰值应力与应变确定模型参数,不同的围压对应着不同的参数;（3）临界损伤度与岩石所处的应力状态有关,同一种岩石在不同围压下临界损伤度是变化的;（4）由分布参数m的物理含义可知,m可以做为表征砂岩脆性的参数;1/m可以做为表征砂岩延性的参数。