砂岩力学特性及其改进Duncan-Chang模型

 为了研究砂岩的力学特性,对砂岩试件开展了不同围压下的常规三轴压缩试验。试验结果显示,随围压增加,砂岩峰值应力、峰值点应变及残余强度均逐渐增大;当围压低于15 MPa时,砂岩弹性模量随围压增加也逐渐增大,但增大幅度逐渐降低;当围压在15 MPa以上时,其弹性模量则与围压无关。为了描述砂岩破坏过程的应力–应变响应,提出一种改进的Duncan-Chang模型,并根据岩石应力–应变曲线峰值点处斜率为0的特点给出模型参数的确定方法。利用砂岩三轴压缩试验结果对模型合理性进行验证。预测曲线和试验结果对比显示,该模型能够准确描述砂岩应变软化特性和不同围压下砂岩破坏过程中除初始压密阶段以外的其余4个阶段,特别是能够反映砂岩破坏后的残余强度。对模型特性的进一步分析表明,除应变软化特性外,该模型还可模拟岩石在高围压下的应变硬化行为,具有较强的适应性。     

饱和灰砂岩水-力耦合松弛特性试验研究

岩石水-力耦合松弛特性是影响硐室围岩工程长期安全稳定的关键因素之一。采用岩石多场耦合三轴试验系统,对饱和灰砂岩在水力耦合条件下的有效围压规律及应力速率依存性开展应力松弛试验,并根据松弛特点选用三单元广义Maxwell松弛本构模型进行数值模拟验证。结果表明:1)水-力耦合条件下饱和砂岩具有非完全衰减松弛特性;2)相同有效围压条件下,无孔压试样的松弛程度略低于有孔压试样,而稳态松弛速率只有有孔压试样的45%左右;3)砂岩水-力耦合松弛具有显著的速率相关性,松弛程度和初始松弛速率均随加载速率升高而增大,最高加载速率试样的初始松弛速率几乎为最低加载速率试样的6倍,而稳态松弛速率没有明显差异;4)三单元广义Maxwell松弛本构模型能较为准确地描述砂岩水-力耦合松弛全过程。     

三轴压缩分级卸荷条件下粉砂岩蠕变特性及蠕变模型

针对深井巷道开挖卸载围岩蠕变特性问题,以袁店二矿西风井马头门巷道粉砂岩为研究对象,基于巷道围岩开挖过程中应力的实际调整路径设定试验加载方式,开展三轴压缩分级卸荷蠕变试验,系统分析粉砂岩在不同围压下的蠕变特性,基于分数阶导数引入黏塑性蠕变启动元件,建立粉砂岩卸荷蠕变模型,并得到试验验证。研究表明：当应力水平低于粉砂岩准破坏应力时,其只呈现衰减和稳态2个蠕变阶段;高于粉砂岩准破坏应力时,则进入非线性加速蠕变阶段直至发生破坏;不同初始围压下粉砂岩发生蠕变破坏的总时长以及非线性加速蠕变破坏的启动时间均明显不同;粉砂岩试样轴向蠕变变形与初始围压正相关。研究提出的蠕变模型具有参数相对较少,易于引入数值分析软件等优点。对今后分析该类岩层井巷施工卸载后围岩稳定性具有一定的应用价值。     

砂质泥岩卸荷流变本构模型研究

基于隧洞开挖过程中围岩应力的实际调整路径设计加轴压卸围压条件下的分级卸荷流变实验,对某水电站引水隧洞洞轴线主要穿越的砂质泥岩的卸荷流变力学特性进行研究。试验结果表明:1应力水平低于岩石破坏应力时,砂质泥岩的流变只表现出衰减流变阶段和稳态流变阶段,且随着围压的逐级卸除,应力水平逐渐超过岩石的长期强度,试样的稳态流变速率由最初接近于0的常数逐渐增大至一个大于0的常数;2应力水平高于岩石破坏应力时,砂质泥岩经过衰减流变阶段和稳态流变阶段之后进入非线性加速流变阶段直至发生破坏,通过对比发现,不同卸荷初始围压下试样发生流变破坏的总历时不同,且各试样发生非线性加速流变的启动时间也显著不同。对砂质泥岩卸荷流变试验结果分析表明,西元模型能够较好地描述应力水平低于破坏应力时砂质泥岩的流变特性,但却无法反映应力水平高于其破坏应力时的非线性加速流变特征,基于此,引入岩石非线性加速流变启动元件,通过将其与西元模型相结合建立了一个新的非线性黏弹塑性流变模型,对提出的模型进行参数辨识,并将流变模型拟合结果与试验结果进行对比,结果表明,新建立的卸荷流变本构模型能够较全面地描述砂质泥岩卸荷流变破坏的全过程,证明所建模型是正确合理的。     

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。     

不同卸荷路径对砂岩渗透性演化影响的试验研究

为了研究初始围压和卸荷速率对砂岩卸荷变形破坏过程中渗透性演化规律的影响,开展考虑不同初始围压(10,20,30 MPa)、不同卸荷速率(0.1,0.5,1.0,1.5 MPa/min)下的三轴卸荷渗流力学试验研究。研究结果表明:(1)砂岩卸荷破坏时表现为明显脆性特征,且随初始围压和卸荷速率的增大,砂岩侧向变形和体积扩容特性愈加明显。(2)砂岩卸荷破坏过程中渗透率演化规律与卸荷应力–应变关系密切相关,呈现阶段性变化特征,即弹性变形阶段渗透率增长缓慢;屈服变形阶段渗透率加速增长;达到卸荷峰值应力后,进入应力跌落阶段,此时渗透率急剧增长,并发生突跳现象;卸荷破坏后残余强度阶段,渗透率快速下降并趋于稳定。(3)不同初始围压和卸荷速率对砂岩卸荷变形破坏过程中渗透性演化影响明显,初始卸荷围压越高,卸荷破坏时的卸荷量越大,但卸荷量与初始围压比值越小;卸荷速率越大,砂岩卸荷破坏时产生的卸荷量越大,所处围压水平越低,渗透率峰值越高。研究成果可为深埋地下岩石工程围岩渗透性演化与安全评价提供参考。     

不同应力路径下砂岩能耗特征的研究

利用WDT–1500多功能材料试验机对砂岩试样进行定围升轴、卸围升轴及定轴卸围3种应力路径下的三轴试验,对比分析砂岩在这3种应力路径下的能量耗散规律,以及能量与围压、岩样变形之间的关系,从而提出不同应力路径下砂岩破坏点的确定方法。试验结果表明:在不同应力路径下岩石的变形破坏过程中都存在能量耗散与释放,能量的释放使得岩石发生破坏;卸围升轴和定轴卸围下砂岩的耗散能相对于定围升轴较小;耗散能和可释放弹性应变能主要受初始轴压和初始围压的影响,并且在不同变形阶段都有明显的围压效应。     

不同应力路径下砂岩力学特性的试验研究

利用WDT–1500多功能材料试验机对砂岩试样进行定围升轴、卸围升轴及定轴卸围这3种不同应力路径下的三轴试验,并从变形特性、强度特性和破坏特性及其机制分析等方面对砂岩试样的力学特性进行对比分析研究。结果表明：相对于定围升轴,卸围升轴及定轴卸围下砂岩的强度有所降低,而其侧向变形和相同主应力下的扩容量明显增加,尤其在卸围升轴下的扩容量最大;不同应力路径下,砂岩的变形和强度特性主要受初始轴压和初始围压的影响,而围压加载速率对砂岩力学性质的影响不明显。定围升轴下试样呈现剪切破坏,而卸围升轴和定轴卸围时试样常常呈现出张剪破坏特征。     

热–水–力耦合条件下深部砂岩冲击动力学特性试验研究

为探究"三高一扰动"特殊环境下切顶卸压无煤柱自成巷顶板砂岩切缝的动态力学性能,利用自主设计的岩土体动态冲击力学试验系统,对粉砂岩进行不同热–水–力耦合条件下的冲击压缩试验,研究动态应力–应变特征、动变形模量与加载率关系、以及加载率、轴压、围压、渗透水压、温度、吸收能与峰值应力和峰值应变的动态力学性能,利用扫描电镜(Scanning Electron Microscopy,SEM)研究粉砂岩试样断口面微观结构。研究结果表明:(1)在不同的动荷载作用下,粉砂岩试样的峰值应力和峰值应变均随轴压、围压、渗透水压、温度的升高而不断增大,脆性逐渐减弱而延性逐渐增强,变形破坏总体分为压密、弹性变形、塑性变形和破坏4个阶段;(2)动变形模量随着加载率的增大呈现出先增大后减小的发展趋势,动变形模量136GPa左右为一个临界阈值;(3)轴压、围压、水和温度对砂岩在热–水–力耦合特定环境下的动态冲击力学性能具有一定的增强效应;(4)随着峰值应变的增加,粉砂岩试样的吸收能呈线性增加趋势,其破碎变形与吸收能呈正相关。     

含双孔洞砂岩裂纹演化规律研究

基于室内砂岩单轴试验,采用颗粒流软件模拟后获得了一组反应砂岩力学特性的细观参数。采用该组参数开展了不同倾角双孔洞砂岩单三轴试验,分析了不同孔洞倾角对峰值强度、裂纹扩展的影响。结果表明单轴试验中试样破坏模式分三种:裂纹沿压应力集中区向试样边缘倾斜扩展破坏;压应力集中区裂纹与远场裂纹贯通破坏;压应力集中区裂纹朝最大主应力方向扩展破坏。孔心距一定时,45°试样峰值应力最小(除2b=17 mm),在90°时峰值应力最大。在角度相同时,孔心距大的峰值应力普遍较大(除2b=27 mm)。三轴试验表明,峰值偏应力随围压升高先增加后降低,在围压为定值时,峰值偏应力大小顺序为90°60°45°30°,0°试样规律与其他不同。试样峰值偏应力大小与裂纹扩展路径及围压有关。     

考虑结构性影响的原状软黏土应力–应变特性真三轴试验研究

通过对营口原状软黏土和饱和重塑软黏土的真三轴试验,研究围压和中主应力系数对软黏土强度的影响。基于综合结构势理论,提出真三维应力条件下软黏土的应力比结构性参数,建立引入结构性参数的原状软黏土偏应力–广义剪应变关系式。研究结果表明:当固结围压先期固结压力时,原状软黏土偏应力–广义剪应变曲线形态表现为应变软化,体应变表现为剪缩特性;当固结围压先期固结压力时,其曲线形态表现为应变硬化,体积应变表现为剪胀特性;饱和重塑软黏土的偏应力–应变关系曲线则不受先期固结压力的影响,均表现为应变硬化型。软黏土强度都随着固结围压和中主应力系数的增大而增大。应力比结构性参数m_η随广义剪应变、固结围压和中主应力系数的增大而降低,其与广义剪应变呈显著的对数关系。将拟合得到的应力比结构性参数m_η引入到原状软黏土的q-ε_s曲线中,得到q/m_η-ε_s关系曲线,进而建立引入结构性参数的原状软黏土偏应力–广义剪应变关系式,其与试验结果具有较好的一致性,从而使原状软黏土q-ε_s曲线得到合理描述。     

韧性岩石常规三轴压缩试验及变形与损伤演化规律研究

 利用岩石全自动三轴伺服仪,对向家坝水电站坝基挤压带强风化砂岩进行不同围压下的常规三轴压缩试验,并对岩石变形和破坏机制进行研究。试验结果表明：该强风化砂岩表现出显著的非线性变形和延性破坏特征,属于韧性岩石。在偏压作用下,岩石轴向和侧向应变分别为5%和4%,体积膨胀量为4%以上。岩石变形力学参数随荷载的变化而变化,随偏应力的增大,岩石弹性模量减小,泊松比增大。围压可提高岩石抵抗变形和破坏的能力,围压越大,岩石发生扩容的起始偏应力越大。基于密度方法研究岩石损伤演化规律。加载初期,岩石被压密,处于无损阶段;当偏应力超过一定水平时,岩石出现损伤,且损伤量与等效应变呈线性关系,密度损伤阈值低于0.12。试验结果对向家坝水电站坝基稳定性分析有重要参考价值。     

非饱和原状黄土的变形及屈服特性试验研究

对不同吸力非饱和原状黄土进行了等应力比三轴压缩及常规三轴剪切路径下的试验,研究了偏应力比q/p(q及p分别为净平均应力及偏应力),吸力及净围压对不同应力路径下变形及屈服特性的影响。研究结果表明:在等应力比三轴压缩及常规三轴剪切过程中,孔隙比e与净平均应力p关系(e-lnp)皆位于二条相交的直线上,吸力、偏应力比及净围压对弹性指数的影响很小,对屈服应力及压缩指数的影响较大。等应力比三轴压缩路径下,偏应力比一定时,屈服应力及压缩指数皆随吸力的增大而增大;吸力一定时,随偏应力比的增大而先增大后减小。常规三轴剪切路径下,吸力一定时,屈服应力及压缩指数皆随净围压的增大而增大;净围压一定时,随吸力的增大,屈服应力增大,压缩指数减小。以塑性体应变作为硬化参数时,q-p平面上的初始及后继屈服面皆为对称于饱和土K₀线的倾斜椭圆,吸力及应力增大时,屈服面没有旋转,而是产生等向扩大。     

循环荷载作用下软黏土不排水累积变形特性

在原状样与重塑样循环三轴试验的基础上,研究了软黏土在无静偏应力和有静偏应力循环荷载作用下的不排水瞬态累积变形特性,提出了考虑循环应力、循环振次、超固结比及静偏应力影响因素的土体应变本构模型。结果表明:软黏土变形规律受固结应力水平和土结构破坏影响甚大,当固结压力大于土体结构屈服应力时,其变形规律将趋近于重塑样;在循环荷载作用下,土样变形存在转折点,标志着土结构的破坏,本构模型宜按试样破坏前、后分段描述。     

渗透压–应力耦合作用下砂岩渗透率与变形关联性三轴试验研究

 为了探讨渗透压–应力耦合作用下岩石渗透率与变形的关联性,采用岩石伺服三轴试验系统,在不同围压和渗透压条件下,利用稳态法对砂岩全应力–应变过程进行渗透率试验研究。根据试样渗透率变化与其破坏过程的对应关系,分析全应力–应变过程中试样渗透率随其脆性、延性变化的特点及渗透率–轴向应变和渗透率–体积应变之间的关联性。试验结果表明：(1) 在渗透压–应力耦合作用下,试样初始渗透率、峰值强度随着围压与渗透压的改变而改变。(2) 在渗流场–应力场耦合作用下连续加载的全应力–应变过程中,渗透率先随着轴向应变的增大而逐渐减小,进入弹塑性阶段后,渗透率变化曲线随围压变化呈现增大、持平及减小3个不同趋势。其中,渗透率曲线持平的现象为三轴渗透试验研究中的新现象。(3) 围压较高时,若形成局部压缩带,则试样进入弹塑性阶段后,渗透率的变化趋势是由岩石微裂隙的萌生、扩展与岩石骨架颗粒压碎这2个主要因素共同决定的。(4) 岩石微裂隙的萌生、扩展对渗透率增大起积极作用,岩石骨架颗粒压碎形成的压缩带对渗透率增大起抑制作用。(5) 岩石进入塑性阶段后,随围压增大,渗透率由上升趋势转变为下降趋势的现象先于脆–延转换的临界状态发生。(6) 岩石的体积应变对渗透率有一定影响,在脆–延转换阶段存在体积应变增大而渗透率减小的现象,这需要其他能够更精确地测量体积应变变化的试验进一步验证。     

考虑围压效应的修正软岩热弹黏塑性本构模型

 大量的软岩三轴剪切试验表明,不同的围压下,软岩力学特性变化非常大。随着围压的增加,软岩的应变软化和剪胀性变弱;当围压足够大时,甚至表现为应变硬化和剪缩。已有软岩热弹黏塑性本构模型针对不同的围压大小,需要设定不一样的参数,使其应用到数值分析上带来一定困难。为了能用统一参数来描述软岩受围压影响的力学性质,对已有的软岩热黏弹塑性本构模型进行修正。修正模型中所有参数都具有明确的物理意义且都可通过常规三轴试验确定。通过实验数据与计算结果对比,验证了修正本构模型的正确性。     

一种新的岩石非线性流变损伤模型研究

传统岩石流变模型由线性元件组合而成,不能很好地描述流变过程中的加速流变阶段,通过分析岩石流变过程中微裂纹的压闭和扩展过程,将损伤力学引入岩石流变模型中,采用Kachanov提出的损伤律,将岩石流变过程分为阶段一（衰减、稳态蠕变阶段）和阶段二（加速蠕变阶段）两个部分,推导了岩石在两阶段中损伤演化方程,通过参数敏感性分析发现应力水平的大小对损伤演化过程有较大影响。结合有效应力观点建立了岩石非线性损伤流变模型,该模型能较好的描述岩石的衰减、稳态和加速流变阶段,同时简要分析了模型的松弛特性。采用该岩石非线性损伤流变模型对泥岩在围压为5 MPa与轴向偏应力水平为43 MPa的蠕变试验结果进行了模拟,验证了损伤流变模型的合理性,保持其他参数不变,更改应力水平的大小,得到不同应力水平下的非线性损伤蠕变模型曲线,与试验结果较为相符,     

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。     

动三轴试验中饱和软黏土的孔压特性及其对有效应力路径的影响

 变围压动三轴试验能够同时施加循环变化的偏应力与循环变化的围压,可以模拟地震荷载下动剪应力与动正应力的耦合。通过GDS双向动三轴设备进行一系列饱和软黏土的变围压动三轴试验,系统研究循环偏应力和循环围压耦合对饱和软黏土孔压特性的影响。试验结果表明：在单纯循环围压条件下,饱和软黏土会产生相应的正的瞬时动孔压,但是并没有产生明显的负的瞬时动孔压;在循环偏应力与循环围压耦合情况下,饱和软黏土的孔压时程曲线表现出与常规动三轴试验不同的特性,即动孔压的振幅更大,并且最大动孔压和最小动孔压表现出不同的发展规律：最大动孔压持续增长,而最小动孔压在加载一定周数后趋于稳定。此外,对残余孔压的定义进行量化,并对循环偏应力和循环围压耦合对有效应力路径的影响进行研究。     

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K_0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。