基于代表性取样的节理岩体抗压强度尺寸效应试验研究

不同尺寸岩体代表性取样对节理岩体强度的尺寸效应规律影响较大。基于提出的代表性取样方法,构建系列尺寸节理岩体模型,开展抗压强度尺寸效应数值模拟试验。研究结果表明:不同尺寸的岩体样本破坏模式和应力–应变曲线差别较大,通过代表性样本获得的试验结果能够较全面地反映各尺寸的破坏形态和力学特性,验证代表性取样方法的适用性;分析不同迹长和倾角的节理岩体抗压强度尺寸效应规律,发现随着尺寸的增加,峰值抗压强度逐渐减小并逐渐趋于稳定值,不同迹长和倾角减小的程度和稳定值存在差异。进一步通过尺寸效应特性分析表明,小尺寸样本抗压强度的离散性较大,大尺寸样本抗压强度的离散性较小,代表性取样方法对小尺寸样本的取样效果更明显,并能较全面地统计分析不同尺寸的节理岩体力学特性,为尺寸效应的研究提供试验方法。     

含节理岩石试件的卸荷变形特性研究

 开展含节理岩石试件在主应力差卸载路径下的变形特性试验,试验发现：(1) 恒定s3减小s1卸载主应力差过程中,完整岩石卸载变形曲线与加载变形曲线基本重合,但节理试件加卸载变形曲线表现出较大差异,且卸载后试件轴向和环向均出现较大残余应变;(2) 按照2种不同路径卸载主应力差时,含节理试件变形特征存在很大差异。为从理论上研究含节理试件变形特征并解释上述试验现象,建立节理加卸载本构模型,并提出确定模型参数的方法。研究表明：用节理面加载与卸载变形特征的差异,从理论和试验结果两方面能很好地解释含节理岩石试件加卸载变形特性的差异以及在不同卸荷应力路径下的变形差异。研究成果可以反映含单组节理岩体的加卸载变形特性。     

单轴压缩下节理间距和倾角对岩体模拟试件强度和变形的影响研究

通过含一组预置张开裂隙石膏试件的单轴压缩试验,系统地研究了当节理连通率固定时,节理组的间距和倾角对试件强度和变形特性的影响。研究发现：①随着节理间距的增大,试件的应力-应变曲线的由单峰型变为多峰型,延性增大。试验中观察到的应力-应变曲线包括4种类型,单峰型、软化段多峰型、多峰平台后软化型和多峰平台后硬化型。②当节理间距不变时,试件的当量化强度、当量化弹性模量和第一峰值应变随节理倾角的变化曲线都呈V型,其最小值发生在节理倾角为45°处;而残余强度与强度之比和第二峰值应变随节理面倾角的变化规律则反之。③当节理倾角不变时,当量化弹模、当量化强度和第一峰值应变都随节理化系数的增大而减小;而残余强度与强度之比和第二峰值应变则反之。④各节理倾角下,试件的当量化弹模和当量化强度随节理化系数的变化规律可以用相同形式的幂函数来表示。⑤上述宏观力学行为与预制节理闭合、次生裂隙发展等细观损伤力学机制密切相关。上述研究表明,节理间距对岩体的强度和变形特性的影响有显著的各向异性。     

节理岩体卸荷非线性力学特性研究

工程岩体根据其受力特性可以分为加载岩体和卸荷岩体,结合三峡工程永久船闸高边坡岩体,利用自行开发的三轴试验设备进行研究,根据几何和重力相似、材料力学性能相似、岩体结构相似、边界力相似、开挖过程模拟相似,由重晶石粉、铁粉、石膏、水等制作尺寸为250 mm×250 mm×250 mm的试件,试件的几何比尺选择为CL=3,9,27,81;并对几何比尺为27的试件制作含有与船闸轴线相垂直的卸荷方向成8°,36°,52°,82°,90°的结构面。对节理岩体的加卸荷应力–应变关系、卸荷岩体(应力–应变关系、抗拉强度、变形模量)的各向异性、卸荷岩体(抗拉强度、抗压强度、泊松比、变形模量)的尺寸效应、卸荷岩体的流变特性、卸荷岩体的强度准则进行试验研究。研究结果表明,不同结构面方向对岩体的卸荷作用明显;岩体的抗压强度、抗拉强度、变形模量、泊松比以及岩体的各向异性等均随着尺寸的加大而降低;岩石受拉的流变特性与岩石所受的拉应力大小直接有关;得出Hoek-Brown准则所描述的岩体强度关系曲线中的岩体材料常数m,s值。     

不同连通率节理岩体三轴加卸荷力学特性试验研究

对3种节理连通率条件下的预制非贯通节理岩体试件进行三轴加卸荷试验,对比分析其加卸荷条件下的应力–应变关系曲线特征、破坏形态以及强度特征,同时分析卸荷条件下非贯通节理试件的变形以及强度特征与节理连通率之间的关系。结果表明:(1)非贯通节理岩体加卸荷条件下均表现出各向异性力学特性,且随着节理连通率的增大,这种各向异性特性表现的更为明显;(2)卸荷条件下,试件产生的裂纹更多,破坏程度更高;(3)节理连通率对试件卸荷阶段的变形特性影响显著,变形模量随着连通率的增大而逐渐减小;(4)各节理角度下,非贯通节理岩体卸荷阶段变形模量降幅、卸荷当量峰值强度与连通率k之间的关系可用线性函数表示;(5)随着节理连通率的增大,加载条件下岩体峰值强度逐渐下降,卸荷条件下试件抗剪强度参数黏聚力和内摩擦角均随之逐渐减小。     

节理岩体力学参数取值研究

本文提出了一种确定节理岩体力学参数的计算机模拟试验法。该法基于节理裂隙的野外勘探资料建立岩体的损伤断裂模型,可在计算机上模拟计算实际试验过程,获得应力-应变全过程曲线和岩体变形模量、抗剪强度参数的各自异性特征。文中具体研究了拉西瓦工程岩体参数的取值问题。     

节理岩体卸荷各向异性力学特性试验研究

 针对节理岩体开挖卸荷所产生的各向异性力学难题,通过制作不同倾角单一预制节理试件,开展节理岩体三轴卸荷试验,研究卸荷条件下节理岩体的应力–应变关系、变形特征、强度特征和破坏模式。得到如下结论：(1) 进入卸荷阶段之后,0°,30°和90°倾角节理试件的应力–应变曲线依次出现屈服、软化和残余变形阶段,而45°和60°倾角节理试件只出现屈服阶段。(2) 节理试件的变形模量随节理倾角呈U型变化,其中,60°倾角节理试件的变形模量最小;随着围压升高,不同倾角节理试件之间的变形特性差异逐渐减小。(3) 0°,30°和90°倾角节理试件的抗压强度降低,而45°和60°倾角节理试件几乎未降低;节理试件的黏聚力随节理倾角呈U型变化,其中,60°倾角节理试件仍为最小;而内摩擦角随节理倾角增大而增大。(4) 0°,30°和90°倾角节理试件的破坏模式均为穿越节理的压剪破坏,且不受节理影响,而45°和60°倾角节理试件的破坏模式均为沿节理面滑动破坏。(5) 揭示节理岩体的卸荷力学特性分为受岩块强度控制和节理面强度控制。     

柱状节理岩体侧向变形特性单轴压缩试验研究

由于柱状节理网络的存在,柱状节理岩体在单轴压缩下沿柱状节理的滑移、松弛或局部破裂将产生较大的外观侧向变形,相应的侧向应变与轴向应变之比(以下简称侧向应变比)将大大超出连续介质泊松比上限值0.5。正确把握柱状节理岩体较大侧向变形特性,是地下洞室等大型柱状节理岩体工程设计需要解决的关键问题之一. 为此,以石膏混合材料制作柱体与σ₁具有不同夹角β的模拟柱状节理岩体试件,通过单轴压缩试验得到了模拟柱状节理岩体侧向应变比ν_r随β的变化曲线,曲线近似为倒“U”型,并在β=30°时取得最大值,在此基础上根据模拟柱状节理岩体的破坏模式对其侧向变形力学机理进行了分析。最后,参照Ramamurthy各向异性经验模型构建了预测柱状节理岩体侧向应变随夹角β变化的经验公式,将经验预测值与试验实测值进行比较发现两者吻合较好,该经验公式可以较好地预测侧向应变随夹角β的变化趋势。     

基于能量法测量节理岩体品质因子的实验研究

品质因子是衡量岩体中应力波衰减特性的一个重要参数。利用分离式霍普金森压杆实验系统对含人工节理花岗岩试样进行单轴冲击压缩实验,研究节理吻合系数(JMC)对岩体试样品质因子的影响。首先,根据品质因子基本概念得出了利用应力波能量计算品质因子的方法,并证明在试样严格满足应力均匀条件时,其与应力–应变曲线方法是等价的。然后,用三波法得到了节理试样的应力–应变曲线,同时用应力波能量方法计算了品质因子。实验结果表明:随着节理吻合系数(JMC)降低,应力–应变曲线滞回环面积增加,节理岩体试样的动态割线模量和品质因子均减小,说明节理接触面积减小弱化了整个试样并且使试样能量耗散能力增加。     

压应力状态下断续节理岩体全过程应力-应变关系及其变形局部化分析

利用内变量热力学理论和裂纹孤立理论研究了压应力状态下断续节理岩体的变形局部化问题和全过程应力–应变关系。研究表明全过程应力–应变关系包括线弹性阶段、非线性强化阶段和应变软化阶段。分析了产生应变软化的主要原因,将损伤和变形局部化引入本构模型是和以往本构模型的显著区别。通过实验对比分析,验证了模型的正确性和有效性。     

柱状节理岩体各向异性特性及尺寸效应研究

 白鹤滩水电站坝基基岩及深部洞室围岩以柱状节理岩体为主,其力学特性极其复杂。为此,开发多弱面软化本构模型,可以方便地定义和描述多组斜交节理面的力学属性和屈服后的软化特性;并考虑柱状节理岩体内部介质的非均匀性,从细观角度建立整体力学属性满足Weibull分布的概率模型;在对概率分布参数进行敏感性分析的基础上,结合刚性承压板试验结果,确定反映现场岩体结构的概率分布参数。同时,采用Voronoi算法构建了无规则性和随机性排列的四面体、五面体和六面体柱面的随机模型,综合该三方面因素对柱状节理岩体的各向异性特性展开研究,得出不同方向承载性能和变形特性的差异。对不同尺寸下多组试块进行分析计算,获取了不同方向的弹性模量和抗压强度随试块尺寸的变化曲线,证明柱状节理岩体还具有明显的尺寸效应,并确定了其特征尺度。     

高围压下岩石卸荷的扩容性质及其本构模型研究

通过岩石试样高围压下的卸荷试验,研究卸荷条件下岩石的扩容性质。研究结果表明:初始扩容点即最大压缩体应变对应的变形模量可作为弹性阶段的弹性模量。根据试验研究,将岩石卸荷试验应力–应变全过程曲线分为弹性、应力屈服、峰后脆性及残余理想塑性4个阶段,并根据各阶段特征得到相应段的本构方程,最后得到卸荷岩体全过程的本构模型。用数据拟合的方法,得到不同卸荷试验下模型曲线,并验证模型曲线可以较好地模拟卸荷的应力–应变曲线。     

锦屏大理岩加、卸载应力路径下力学性质试验研究

 地下岩体开挖卸荷应力路径不同于加载应力路径,由此引起的岩体强度、变形特征和破坏机制也不尽相同。针对锦屏二级水电站引水隧洞群围岩赋存于高地应力环境的特点,对其中3# 引水隧洞大理岩开展单轴加、卸载以及三轴压缩和高应力条件下的峰前、峰后卸围压等4种不同应力路径力学试验,得到了的应力–应变全过程曲线、变形破坏特征和主要力学参数的变化规律。试验研究结果表明：(1) 建立在岩样单轴逐级等量加、卸载应力路径下的回滞环面积递减,尤以屈服阶段的卸载对应变影响最大;(2) 不同围压下岩样三轴压缩全过程试验结果表明,当围压达到40 MPa时,应变软化特性转化为理想塑性,可以认为该值为锦屏大理岩脆－延转化点;(3) 对比以上不同应力路径下的强度准则方程以及峰前、峰后黏聚力和内摩擦角,相同初始应力条件下,岩石卸载破坏所需应力变化量比三轴压缩破坏情况下对应的应力变化量小,说明岩石卸载更容易导致破坏;(4) 在变形破坏机制方面,由于峰后比峰前卸围压塑性变形大,岩样塑性变形已吸收较多的弹性变形能,其脆性特性受到抑制,因而不像峰前卸围压破坏具有突发性,岩样由张性破坏过渡到张剪性破坏;(5) 根据大理岩岩样加、卸载破坏断口SEM扫描结果,从细观角度验证了脆性岩石在不同路径下微观剪断裂破坏机制。总之,以上研究结果揭示了锦屏大理岩加、卸载应力路径下力学特性差异,对解决工程实际问题具有重要的参考价值。     

基于双参负指数分布的改进的岩体本构关系

在结构面迹长、间距服从双参数负指数分布以及对迹长进行统计区间[α1,α2]积分的基础上,结合室内岩石力学实验,建立改进的岩体统计本构模型。通过引入剩余剪应力比h,建立结构面产状与地应力之间的函数关系,量化主地应力方向、岩体结构面产状对岩体力学性质各向异性的控制性作用。研究结果表明:当地应力方向发生变化时,将改变剩余剪应力比h值,进而引起岩体应力–应变曲线发生变化;在此改进的岩体统计本构模型基础上,计算云南小湾水电站坝基岩体的应力–应变曲线,揭示该坝基岩体在不同应力条件下的各向异性特征。     

考虑尺寸效应的岩石损伤统计本构模型研究

基于岩石的应变强度理论和岩石强度的随机统计分布假设,采用损伤力学理论,考虑微元体破坏及弹性模量与尺寸之间的非线性关系,建立了单轴压缩下考虑尺寸效应的岩石损伤统计本构模型。然后采用伺服试验机对不同尺寸大理岩石进行了单轴压缩试验研究,得到了不同尺寸大理岩样试验结果;讨论了材料力学参数与尺寸之间的关系,给出了考虑尺寸效应的岩石损伤统计本构模型参数。预测的不同尺寸岩石理论曲线和试验结果相比较,显示了所建模型的合理性。最后探讨了岩石尺寸对损伤特性的演化规律。     

岩样尺度、孔道及端部摩擦效应的数值分析

 采用FLAC3D分析岩性参数、软化方法、网格划分和加载速率对圆柱岩样单轴压缩应力–应变曲线的影响,并基于优化参数分析岩样尺度、孔道及端部摩擦效应。当峰后软化模量增加、剪胀角增大、抗拉强度降低、单元划分变细或加载速率减小时,轴向应力–应变曲线的峰后软化段趋于陡峭。在单轴压缩时,端部光滑岩样一端产生Λ形破坏带,长径比对强度无明显影响;端部固定且长径比大于2时,岩样在中部产生X形破坏带,其峰值强度大于端部光滑岩样,且随长径比变化不大;端部固定且长径比小于2时,强度和平均模量随长径比减小而增大。孔道岩样的平均模量与孔径无明显关系;在相同围压下强度随着孔径增大而降低,峰后软化曲线趋于陡峭。完整和中空岩样的破坏均从岩样中心逐步向周边扩展,中空岩样形成2个同顶点圆锥面破坏带。数值模拟与试验结果比较吻合,可用于相关岩体工程设计和分析。     

岩体蠕变结构效应的数值模拟研究

采用数值模拟试验方法对岩体结构的蠕变力学效应进行研究。通过对均质岩体、不同分布产状和数量的结构面试件进行单轴、三轴压缩蠕变试验的计算机仿真,探讨岩体蠕变的结构效应、围压效应以及不同结构条件下岩体的蠕变变形规律与破坏特征等。结果显示,结构面产状对岩体流变性态的影响十分显著,它不仅明显改变岩体的蠕变强度、位移形态,而且控制着岩体的破坏模式及破坏条件。大多数试件的蠕变曲线与实验室或现场得到的岩石单轴、三轴压缩蠕变曲线特征基本相似;各试件之间由于结构面产状、侧向应力水平等的不同其蠕变曲线型式在高应力状态下有所差异。     

煤岩全应力–应变过程中瓦斯流动特性试验研究

 利用AG–250kNI电子精密材料试验机,配合自制煤岩三轴蠕变瓦斯渗流装置,对煤岩全应力–应变过程中的瓦斯流动特性进行试验研究,得出煤岩在全应力–应变过程中瓦斯流动特性规律。试验结果表明：应变–瓦斯流动速度曲线与应力–应变曲线变化趋势具有相似性,且表现为少许滞后于应变的特点,这表明煤岩受载过程中的损伤演化决定着瓦斯在其内的流动特性,而瓦斯的吸附–解析过程及瓦斯在煤岩内流动需要时间是其表现出滞后性的主要原因。煤岩所受围压通过侧向压缩煤岩侧壁,导致其内部结构变化而对其所含瓦斯流动起到阻碍作用。进行2种不同粒径煤粉组成的煤岩比较试验,结果表明,其所含瓦斯流动特性差别较大,且颗粒组成较大的煤岩试件受外界条件影响较明显。