多级循环加卸载作用下砂岩变形规律试验研究

以RMT-150C岩石力学试验机为试验平台,对砂岩岩样开展低频多级循环加卸载试验,研究得到了不同频率下当加载力峰值大于破坏荷载的28%时,表观弹性模量E(t)与即时载荷f(t)呈线性关系;同时对该关系中压密系数a、变形系数b进行拟合,得出随加载力峰值增大,a值递减、b值递增的变化规律。基于该规律,提出了一种通过有限加卸载循环下的试验数据预测任意屈服前加卸载峰值下的应力―应变曲线的方法;并给出了变频变峰下岩样位移变形速率的预测公式,同时根据该公式对岩样位移速率峰值点时刻进行了预测。由该预测值与加载力峰值和实测位移变形速率峰值时刻值的对比,指出岩样循环加卸载中存在的“错峰”现象也是力―位移存在不同步性的体现。     

疲劳荷载下大理岩累积损伤过程的应变速率响应

通过不同围压下4种应力比进行应力控制的大理岩等幅循环加卸载三轴压缩试验,探索疲劳荷载作用下岩石累积损伤过程中的应变速率响应特征。结果表明:①在低围压或高应力比条件下岩样易发生疲劳破坏。随循环次数增加,发生疲劳破坏岩样的弹性模量呈急速下降趋势,未发生疲劳破坏岩样的弹性模量小幅波动后趋稳。②加载过程中岩样轴向应变速率随应变发展呈"U"型演化趋势,体变速率随体变发展呈反"L"型演化趋势,临近破坏时轴向应变速率和体变速率均大幅增加。卸载过程中轴向应变速率呈倒"S"型演化规律,体变速率呈"U"型演化趋势。③每次加载的初始和终了应变速率各自均与其对应的残余应变呈线性正相关关系,当次加载的初始应变速率可反映岩样在之前疲劳作用下的累积损伤程度。④新建立的归一化初始应变速率和损伤因子有明显的线性关系,系数K随围压增大或应力比值减小而减小。未破坏岩样在后期循环加载时的归一化初始应变速率和损伤因子曲线出现"弯钩"型回缩现象。     

岩石试样的加载卸载过程及杨氏模量

利用伺服试验机对岩样进行常规三轴的加载、卸载试验 ,研究岩样变形特性与应力状态的关系。岩石内部存在裂隙 ,加载过程中裂隙会闭合、滑移 ,逐步产生摩擦力 ,其最大值受到轴向应力和围压的显著影响 ,但具体数值、是否达到最大摩擦力由局部应力状态决定。卸载时摩擦力的作用方向会发生改变 ,并抑制裂隙面之间滑移变形的恢复 ,使岩样内部产生残余变形。围压对杨氏模量的影响与岩石内部的损伤状态有关 ,但岩石的损伤特征不能从岩样轴向压缩的加载或卸载杨氏模量直接反映。     

各向异性岩石的静态模量与动态模量实验研究

页岩具有各向异性,是重要的源岩和盖层岩石,利用实验室测量获得页岩在不同条件下的应力–应变响应和超声波速度响应特性,研究各向异性岩石的静态弹性模量和动态弹性模量的特点。通过不同方向岩芯纵横波速度的测量获得岩石的动态模量,通过加载过程中应力–应变测量获得静态模量。分析各向异性岩石在准静态和动态条件下的波速和弹性模量特征,除了加载频率的差异外,静态测量和动态测量也包含不同的应变幅度差异,研究各向异性岩石的静态和动态地球物理响应特征具有重要的意义。     

岩石非线性阻尼滞后响应特性研究

通过储层岩样的多重和多级循环加载试验,结合理论分析,研究岩石的非线性阻尼滞后特性。试验结果表明:(1)卸载阶段,应变相位滞后于应力相位;而在加载阶段,应变相位可能超前、相等或滞后于应力相位。(2)多级循环加载过程中,应力–应变曲线的外部循环双向弹性模量、内部小循环单向弹性模量以及动态弹性模量是不同的,并表现出较强的非线性。(3)不同应力条件下,波形尤其是尾波波形会发生变化,为采用尾波干涉进行波速检测提供基础。(4)多级循环加载下相同应力段的小循环具有较好的一致性,而阻尼效应的存在使小循环回到大循环处存在跳跃,小循环应力加、卸载转换点不能很好地记忆。通过分析弛豫机制、黏性阻尼机制以及塑性变形效应,并结合PM模型,研究不同机制对于PM空间密度分布的影响,表明理论分析能够给出与试验结果吻合较好的结果,较好地解释了试验结果。岩石准静态循环加载条件下非线性阻尼滞后响应特性的研究对研究地震波的动态响应特性和探索响应机制是有益的。     

高静荷载下卸载速率对岩石动力学特性及破坏模式的影响

为研究深部岩石的动力学特征及破坏模式受卸载速率影响而变化的规律,基于深部岩石开挖工程面临的"高静载卸荷过程中受冲击扰动"的力学环境,利用改进的动静组合加载SHPB试验系统开展高轴压卸荷频繁冲击扰动试验。试验一个完整循环过程为:先参考深部蛇纹岩的单轴抗压强度施加轴向荷载,再以一定速率卸载至预加轴压值的50%时施加0.4 MPa的冲击荷载,最后停止卸荷。试验研究结果表明:岩石的动态应力–应变曲线及其包络线都经历短暂的直线段进入非线性发展阶段,说明卸载冲击扰动过程中岩样主要发生塑性变形;卸载速率的增加导致岩样对冲击荷载的延缓让力效应明显,造成岩石均值强度及承受的累计扰动冲击次数增加,且引起岩石发生脆性、延性互相转化的现象;预加载轴压、卸荷速率的增加,导致破坏岩块块度呈增大的趋势发展,且前者促使岩样以拉伸破坏为主,后者促使岩样以剪切破坏为主。     

三轴循环荷载下页岩变形及破坏特征试验研究

前期工作已经研究了含裂隙页岩在单轴循环荷载下的变形及破裂特征,为进一步认清围压与循环荷载耦合作用下的变形及破坏特征,利用MTS815.03岩石刚性压力机展开了对含裂隙页岩的三轴循环加卸载试验研究。试验结果表明:在三轴循环荷载下,含裂隙页岩的破坏形式主要为混合破坏,呈现出拉剪贯通模式;随围压逐渐增大,页岩的峰值强度呈线性增大,完整页岩经11周加卸载循环后,峰值强度增大9.98%~25.03%;而含裂隙页岩经15周加卸载循环后,峰值强度增大1.47%~6.98%;含裂隙页岩在同一循环内的弹性模量大于变形模量,卸载弹性模量大于加载弹性模量,卸载变形模量大于加载变形模量,并且损伤面积系数F越大,卸载弹性模量与加载弹性模量的差值也越大;随循环加卸载次数逐渐增加,加载变形模量与卸载变形模量呈先增大后单调减小的规律,加载弹性模量与卸载弹性模量表现出先增大,后逐渐呈"波浪式"减小的规律,剧烈波动的弹性模量是内部结构不断发生局部调整的有效证据。该研究为揭示在围压与循环荷载耦合作用下含裂隙页岩破坏形成复杂裂缝网的发展机理提供了有益参考。     

体积应变率对北山花岗岩疲劳特性的影响

采用MTS815岩石力学试验系统对北山花岗岩进行动态三轴循环加、卸载试验,研究体积应变率的变化对岩石疲劳特性的影响。通过在静态加载阶段确定岩样损伤应力所对应的体积应变值,并实时监测体积应变的变化确定岩石疲劳初始点和体积应变率,进而获得岩样在动态循环加、卸载过程中的力学参数,以揭示北山花岗岩在不同体积应变率下的动态疲劳特征和损伤演化规律。研究结果表明:(1)岩样在疲劳破坏时的瞬时应变和最大塑性应变对体积应变率的变化不敏感。(2)岩样塑性体积变形随加、卸载循环次数的增加表现出初始变形、等速变形和加速变形3个阶段,在等速变形阶段,塑性体积应变率和弹性模量衰减率强烈依赖于体积应变率的变化,二者均随体积应变率的增加呈非线性减小的趋势。(3)采用塑性体积应变和弹性模量定义损伤变量可合理描述岩样的损伤演化过程,在损伤稳定发展阶段,损伤演化速率随体积应变率的增加呈非线性增大。(4)体积应变率的变化致使岩样在动态疲劳前产生初始损伤的差异,从而导致其疲劳寿命随体积应变率的增加而显著降低。     

卸荷速率和孔隙水压力对砂岩卸荷特性影响研究

为了研究卸荷速率和孔隙水压力对砂岩卸荷力学特性的影响,设计进行了不同卸荷速率(0.005,0.02,0.05,0.1 MPa/s)和不同孔隙水压力(0,0.3,0.6,0.9,1.2 MPa)下的三轴卸荷试验。研究结果表明:(1)在加载阶段,随着孔隙水压力的增大,岩样的应力–应变曲线斜率逐渐降低;(2)在围压卸载阶段,卸荷速率越大,卸载阶段的应变围压柔量越小,岩样破坏时的围压越小,岩样强度相对较高,但破碎程度更严重,而且,在相同的卸荷速率情况下,孔隙水压力越大,岩样侧向扩容现象越明显,岩样越容易破坏;(3)在围压卸载阶段,岩样的变形模量出现了先缓后陡的劣化趋势,而且,卸荷速率越小、孔隙水压力越大,变形模量劣化幅度越大;(4)卸载过程中,卸荷速率越大,岩样脆性破坏特征越明显;孔隙水压力越大,岩样破坏时的近轴向的张性裂纹越多和追踪次生裂纹越多,孔隙水压力在岩样内部裂纹、裂隙尖端的应力集中是导致岩石变形破坏的主要原因。     

不同应力路径下的邓肯–张模型模量公式

实际工程中,土体可能处于轴向卸载、侧向加载、侧向卸载应力路径下,而邓肯–张模型是在轴向加载条件下得到的,这限制了它的适用范围。本文模拟邓肯-张模型思路推导了不同应力路径下的切线模量公式,从而使模量公式系列化,扩大了邓肯–张模型适用范围;根据不同应力路径试验的结果,发现公式推导中使用的假设可以得到验证。     

双层非均质地基中单桩受扭弹塑性分析

为探讨双层非均质地基中单桩的受扭承载特性,基于单层土体剪切模量呈幂函数分布的假定,考虑桩–土接触面上极限摩阻力随深度非线性变化,建立出桩顶扭矩作用下的桩身扭转控制方程,进而导得桩顶及桩身的扭矩(T)与扭转角(Φ)等解答,并将其退化为单层非均质及双层均质地基后与已有成果进行了对比验证。同时,桩顶T–Φ曲线参数分析结果表明:增加桩体剪切模量G_p有利于控制桩顶扭转角;桩径r0增加一倍,相同扭转角下桩顶能承受的扭矩值增大4~6倍;随地面处土体剪切模量μ_1和模量分布函数中非线性系数α_1,α_2的增加,桩身受扭性能得到显著改善。此外,桩顶扭转影响因子I_Φ的对比分析表明:桩身在ζL0.2和ζL5.0时分别表现为刚性桩和柔性桩,且后者传至桩底的扭矩极小而可忽略;当ζL5且上下土层顶部剪切模量比μ_1/μ_21时,0.2倍桩长(L)范围内的上部土层对桩身受扭性能影响较大;当ζL10且μ_1/μ_21时,桩身受扭能力主要源自0.4L的表层土。     

离子固化剂改性蒙脱土吸附水特性及持水模型研究

采用不同浓度离子固化剂对天然钙蒙脱土进行改性处理,开展素土与改性土在相对湿度(P/P0)0.01～0.95区间的水汽等温吸—脱附试验,通过持水速率曲线、晶层d001演化曲线及红外光谱特征峰解析蒙脱土吸附水进程中主控因素的演化规律,据此提出水合状态变化的界限相对湿度区间,在此基础上,分别从阳离子水化能和晶层表面水合能角度,建立了离子固化剂改性蒙脱土微观持水方程。试验结果表明:对于钙蒙脱土,在0P/P00.15～0.2,阳离子与水分子结合形成单层"水化壳";在0.15～0.2P/P00.45～0.5,阳离子形成2层"水化壳";当0.45～0.5P/P00.8～0.9,晶层基面进一步吸附水分子形成2层完整水化膜。在极高吸力段(ψ200 MPa),蒙脱土持水能力只受控于层间阳离子水化作用,而在中高吸力段(15 MPaψ200 MPa),晶层基面与水之间的分子作用力是影响蒙脱土表面水合能及持水性状的主要因素。在特定吸力范围内,离子固化剂通过改变相应的物化性质参数(阳离子交换量、比表面积)从而弱化蒙脱土持水能力。基于微观水合机制所构建的持水方程能够很好预测本次试验及文献报道的数据结果,不同吸力段的持水模型可量化表征离子固化剂对蒙脱土吸附水性状的调控机理。     

珊瑚砂动剪切模量预测的应变-损伤状态耦合模型

对南海饱和珊瑚砂进行了4类不同加载模式的不排水动三轴试验,研究了不同相对密度Dr和平均有效围压σ'0下加载第一周的动剪切模量比G1st/G0与剪应变幅值γa的关系,G1st/G0受Dr的影响很小,随σ'0的增大而增大。由于分级加载过程中土体结构与相对密度发生改变,在γa3×10-4时,应变控制的分级循环加载获得的G1st/G0-γa曲线位于等应变幅值循环加载获得的G1st/G0-γa曲线的上方。结合两类试验结果,给出了饱和珊瑚砂的G1st/G0-γa模型。基于弹性应变能理论,提出了可以描述土体损伤状态的状态参数Pd(damage parameter),探究了不同加载模式下动剪切模量比G/G0随土体损伤状态参数Pd的发展规律。在双对数坐标中,同一应变幅值下的(1-G/G0)-Pd可用直线表示,其斜率与应变幅值γa和历史加载过程中的最大应变幅值γa,max有关。结合G1st/G0-γa和G/G0-Pd关系,给出了可以同时反映应变幅值和破坏状态影响的珊瑚砂动剪切模量预测模型。     

三轴低频循环荷载下盐岩体积应变特性研究

地下储气库围岩长期处于复杂疲劳应力状态下,盐岩三轴循环荷载下的变形规律对储气库稳定性分析有参考价值。对8个盐岩试块进行了不同围压、不同应力水平和不同频率条件下的循环荷载试验。对每一试块施加恒定围压和轴向低频循环荷载。对试验参数进行了无量纲处理,分析了应力比强度(广义剪应力强度与球应力的比值)、应力比振幅、上限应力水平、荷载频率、循环次数(N)等对体积应变(?v)的影响。利用函数?v=?lg N+?v0,对每一试块的体积应变–循环次数曲线进行了拟合分析,获得了参数?和?v0随应力比振幅、上限应力水平和频率变化的数学表达式。标准化回归系数分析表明,上限应力水平是影响盐岩体积变形的主要因素,其次是应力比振幅。在高上限应力水平三轴状态下,盐岩主要表现出体积扩大现象。     

荷载频率对动模量阻尼比影响的试验研究

目前荷载频率对动模量阻尼比影响规律尚无较为统一认识,定量结果尚少。采用新型高精度动三轴仪试验,研究不同荷载频率对典型砂土和黏土动模量阻尼比影响问题,并以此为基础从对地震动影响角度讨论考虑荷载频率相关动模量阻尼比必要性。结果表明:对砂土而言,荷载频率对其动剪切模量影响不大,随着加载频率的增大,阻尼比略有减小,但差别基本可以忽略;对黏土而言,荷载频率对其动剪切模量和阻尼比有重要影响,随着振动频率的增加,动剪切模量增大,阻尼比减小;黏土参考剪应变随荷载频率增大而增大,二者呈递增的指数函数,当f≤1 Hz时,影响十分明显,当1 Hzf≤3 Hz时,有一定影响,当f3Hz时,影响不明显;黏土最大阻尼比随频率的增大而减小,二者呈递减的指数函数,当f≤10 Hz时,影响较为明显,当f10 Hz时,影响程度显著减弱;采用两组频率下模量阻尼比曲线计算黏土层地震动,地表加速度峰值和反应谱差别很大,且随着震动增强而显著增大,说明考虑黏土层动模量阻尼比的荷载频率相关性是十分必要的。     

On the love strain form of naturally curved and twisted rods

Love proposed in 1944 [A.E.H. Love, A Treatise on the Mathematical Theory of Elasticity. Dover Publications, New York, 1944] that the nonvanishing (linear) strain components of a naturally curved and twist spatial rod, whose centroidal axis is along x and cross-section is in yz plane, can be represented nicely in the form ε_xx = e₁ + zk₂ − yk₃ε_xy = e₂ − zk₁ε = e₃ + yk₁ where e₁, e₂, e₃ are the strain components at y = z = 0 and k₁, k₂, k₃ are the curvatures. Functions e₁, e₂, e₃, k₁, k₂, k₃ depend on x alone. Mottershead [J. E. Mottershead, “Finite elements for dynamical analysis for helical rods”, International Journal of Mechanical Sciences, 22, (1980), pp 252–283], Pearson and Wittrick [D. Pearson and W.H. Witrick “An exact solution for the vibration of helical springs using a Bernoulli-Euler Model”, International Journal for Mechanical Sciences, 28, (1986), pp 83–96], Leung [A.Y.T. Leung “Exact shape functions for helix- elements”, Finite Elements in Analysis and Design, 9, (1991), pp 23–32], and Tabarrok and Xiong [B. Tabarrok and Y. Xiong, “On the buckling equations for spatial rods”, International Journal for Mechanical Sciences, 31, (1980), pp 179–192] have made use of the Love form. We shall show that the Love form is not even valid for two-dimensionally curved beams when shear deformation is considered. The fact that the differential length ds at point P, on the cross-section with distance y, z away from the centroidal axis is different from the differential length dx at point S on the centroidal axis has been neglected. In fact DS = (1 − k₃y + k₂z)dx, where k; are initial curvatures, which contribute to the strain components of the first order of curvatures.     

沉积相和深度对第四纪土动剪切模量和阻尼比的影响

依据苏州第四纪地层特点,使用GCTS循环三轴试验仪对取自典型钻孔剖面100 m以浅的40个原状土样进行了剪应变10~(-5)~10~(-2)量级的动剪切模量和阻尼比试验,研究了土的沉积环境、深度和土类对土体的规准化动剪切模量比G/G_(max)和阻尼比λ的影响。当剪应变g1×10~(-4)时,G/G_(max)折减很小,土体处于非线性弹性状态。沉积相、土层深度和土类对苏州第四纪地层土的G/G_(max),l与g关系曲线的影响有明显差异。相同沉积相的同类土,土层深度越深,G/G_(max)随g增长而衰退越慢,l越小;深度相近的同类土,滨海相土比河泛相土具有更为明显的非线性,而滨海相土的l略高于河泛相土。沉积相相同、深度相近时,粉砂、粉质黏土、黏土的G/G_(max)随g增长而衰退的速率依次减慢;应变水平相同时,粉砂的l最小,粉质黏土的次之,黏土的最大。     

压实黄土平面应变方向的主应力特性

对不同含水率压实黄土进行等小主动主应力σ_x的平面应变三轴试验,研究了含水率w及小主动主应力σ_x对加载过程中平面应变方向主应力σ_y特性的影响,根据试验结果提出了描述平面应变方向与其它方向主应力双线性关系的表达式,验证了基于典型强度准则的中主应力公式描述压实黄土σ_y变化的适用性。研究结果表明:在等向固结及初始加载阶段,平面应变方向主应力不是中主应力σ_2,而是小主应力σ_3;平面应变方向主应力比σ_y/σ_x随着主动主应力比R的增大先平缓后快速增大,转折点前后主应力之间分别呈线性和非线性关系;转折点处的主动主应力比Rz大于平面应变方向主应力由小主应力转变为中主应力临界点处的主动主应力比Rc,w及σ_x对Rz的影响较大,对Rc的影响很小。R较小时,w及σ_x对加载过程中σ_y/σ_x几乎没有影响。主应力参数K(=2σ_y/(σ_x+σ_z))与主动主应力比R之间呈双直线;前段为水平直线,K近似为常数Kc;后段为倾斜向上的直线;Kc及直线斜率m与w及σ_x的大小无关。提出的双线性函数能较好地预测压实黄土加载过程中σ_y的变化特性,而仅在土样破坏时,基于Lade-Duncan及SMP准则的中主应力公式的预测值与试验值比较接近。     

多期次应力变化对砂岩渗透率和孔隙结构影响的

The variations of reservoir stress caused by the multi-stage and discontinuous nature of the process in the CO₂ geological storage, leading to the change of permeability and pore structure of the rock, have a direct impact on CO₂ injection and storage. Through laboratory experiments, variations in the permeability of sandstone in the Liujiagou formation of the Ordos CCS (CO₂ capture and storage) demonstration project are analyzed under cyclic variations in injection pressure and confining pressure and multi-stage loading and unloading. In addition, the variations in the micro-pore structure are analyzed based on micro-pore structure tests. The main conclusions are as follows: (1) Both the confining pressure and the injection pressure have a significant effect on the permeability of the reservoir rock. And the influence degree can reach 30% and 80%, respectively. The relative permeability changes with pressure, and it between the loading and unloading stages is higher at low pressures than at high pressures. (2) Mathematical models of permeability as a function of confining pressure and injection pressure are constructed. The mathematical models representing different cyclical processes are quite different. (3) The effects of the interval between the experiments on permeability changes are different for different pressure modes. The rock permeability can recover better under the injection pressure variation than confining pressure variation. (4) The variations during multiple stress cycles have a significant effect on the micropore structure. The increase in micropores with mesopores at small widths and the decrease of macropores result in a decrease in the permeability of the rock samples.