大理岩结构面剪切流变特性实验研究

根据试验要求及实际取样情况,对大理岩硬性结构面剪切蠕变特性进行了分级蠕变试验研究,并对试验数据进行了分析,通过分析得出,非定常粘弹性模型比定常粘弹性模型更为准确地反映了岩石的粘弹性变形性能。     

硬性结构面的剪切流变模型及试验数值分析

采用广义Kelvin模型、Burgers模型和六元件黏弹性流变模型,分别对硬性结构面的剪切蠕变曲线进行拟合分析,并对FLAC3D中的interface单元进行修正,提出硬性结构面的剪切流变模型及剪切蠕变试验的数值分析方法。研究结果表明:六元件剪切流变模型适合用于硬性结构面的剪切蠕变特性分析;当结构面的爬坡角小于45°时,剪切蠕变变形会随着爬坡角的增加而增加,而当爬坡角大于45°时,剪切蠕变变形会随着爬坡角的增加而减小;当法向应力不变时,剪切蠕变变形将随着剪切应力的逐渐增加而增加;当切向应力不变时,剪切蠕变变形将随着法向应力的逐渐增加而减小。     

蠕变作用后大理岩强度与变形特性试验研究

为研究蠕变行为对岩石力学性质的影响,分别在裂隙压密阶段、弹性阶段、裂隙稳定扩展阶段和非稳定扩展阶段,对大理岩进行不同应力水平和时间的蠕变预处理,卸载后再进行单轴压缩破坏试验,分析不同条件蠕变作用后大理岩强度与变形特性的变化规律,同时提出采用体变速率进行岩石变形阶段划分的新方法。结果表明:(1)裂隙压密和弹性阶段蠕变对大理岩力学性能起强化作用,随蠕变时间增长,强度和弹性模量增大,泊松比减小,且弹性阶段蠕变的强化程度大于压密阶段。裂隙稳定扩展阶段蠕变呈现相反的变化规律,起劣化作用,而岩样在非稳定扩展阶段蠕变预处理时快速破坏;(2)依据扩容速率可将岩石变形过程分为3个阶段,分别为平稳压缩阶段、加速扩容阶段及减速扩容阶段;(3)裂隙压密和弹性阶段蠕变后,大理岩峰值扩容速率随蠕变时间增长略有减小,裂隙稳定扩展阶段蠕变后则随蠕变时间增长显著增大;(4)原始岩样和蠕变作用0 h后岩样的单轴压缩破坏形态以单一剪切面破坏为主。随蠕变时间增长,裂隙压密和弹性阶段蠕变后岩样破坏形态转为沿轴向劈裂破坏,裂隙稳定扩展阶段蠕变后转为剪切、劈裂组合破坏,除几条主裂隙外,还伴随众多次生裂隙。     

软硬互层岩体卸荷蠕变力学特性试验研究

 利用岩石全自动三轴蠕变仪对锦屏二级水电站辅助交通洞典型灰白色细晶大理岩与绿片岩软硬互层岩样开展卸荷蠕变试验,得到岩样轴向、侧向典型的蠕变全程曲线。蠕变试验结果表明：围压较高时,试样的轴向与侧向变形随时间的推移变化不大,蠕变现象不明显;随着围压逐渐减小,试样的蠕变变形越来越显著,在最后一级出现了典型的蠕变3个阶段并发生了非线性加速蠕变现象直至试样破坏。软硬互层岩样三轴卸荷蠕变破裂形式主要以剪切破坏为主,局部伴随着一定程度的张拉破坏,主裂纹与水平面大致呈45°角,剪切破裂面较为单一平整,且破坏面基本是沿着强度较低的绿片岩层理内部并平行于层理面产生和扩展贯通而形成的。在加速蠕变阶段之前,其侧向蠕变变形比轴向蠕变变形小,但试样处于加速蠕变阶段时,侧向蠕变变形量与蠕变速率均要高于轴向蠕变;这表明随着时间的增长和围压的降低,岩样的侧向蠕变比轴向蠕变更为灵敏,而且体积扩容效应显著。卸荷条件下,蠕变力学参数表现出较为显著的非定常性规律,当外荷载小于岩样长期强度时,岩石卸荷蠕变力学参数与卸荷量有关,随着卸荷量的增大逐渐弱化;当外荷载大于岩样长期强度时,岩石卸荷蠕变力学参数不仅与卸荷量有关,而且还与蠕变时间有关。     

不同粗糙度结构面时效强度特征

为研究不同粗糙度结构面在长期荷载下的强度变化规律,选取Barton标准剖面为人工模拟结构面的表面形态,并用水泥砂浆浇筑,试样成型后,对其进行直接剪切试验以及剪切蠕变试验,基于试验结果,建立瞬时剪切强度公式,并对不同粗糙度结构面的剪切蠕变特征进行分析,提出确定长期强度的方法,并以此求解长期强度,进而分析粗糙度对结构面剪切时效特征的影响,研究成果表明:随着粗糙度的增大,蠕变整体位移减小,蠕变破坏曲线越来越陡,其蠕变速率以及剪切刚度在大于某个应力值时,相对于前一级均会发生显著变化;瞬时强度与长期强度均与粗糙度呈线性关系,随着粗糙度的增大,长期强度与瞬时强度的比值减小,这是连续完整岩石与不连续贯通的结构面具有不同的时效特征以及不同法向应力和粗糙度下剪切面积比的变化共同造成的,另外等速率曲线拐点法得到的长期强度符合蠕变特征变化得到的长期强度范围,其合理性和可靠性得到了验证。     

金川高应力软岩蠕变特性及破坏形态试验研究

金川矿区岩石具有显著流变性,开采难度极大,故对金川III矿区软弱复杂矿岩蠕变特性进行试验研究。蠕变试验采用RYL–600微机控制岩石剪切流变仪,蠕变加载方式采用分级增量循环加卸载,对试验数据分析时考虑加载历史对岩石试件变形的影响,真实地反映出岩石试件自身的流变力学行为,选取Burgers模型反映岩石的蠕变特性。结果表明:金川III矿区矿岩蠕变试验曲线与理论曲线基本吻合,Burgers蠕变模型能较好地描述岩石的蠕变特性。通过对金川III矿区5种岩样蠕变试验变形和破坏特征及破坏形态进行分析,表明特定条件下软弱复杂矿岩蠕变破坏形态复杂,但也有其规律性:岩样沿对角线方向一般有一个贯穿整个岩样的破坏面;同种岩样的破坏形式具有相似性。岩样破坏形式多样,同种岩样的破坏荷载差异性大。     

含天然硬性结构面大理岩破裂过程与机制研究

以2种不同矿物含量的天然硬性结构面大理岩为研究对象,采用数字图像相关方法实时跟踪整个破坏过程中岩石表面的变形场演化,研究单轴压缩条件下大理岩试样中天然硬性结构面的起裂、扩展和贯通直至破坏的整个过程,结合电镜扫描技术,系统探讨其变形与强度特征以及硬岩破坏的硬性结构面控制效应。结果表明:结构面的矿物成分含量影响着岩石的整体力学性质,当结构面与母岩矿物成分含量相差较大时,试样整体强度降低且变形相对较小;而当结构面与母岩矿物含量接近时,硬性结构面的产状对大理岩破裂过程起控制作用,且并非所有的硬性结构面都会对大理岩的变形破坏产生影响;采用位移场和应变场演化相结合,可以更好的描述加载全程硬性结构面从弱非连续到强非连续的变形破坏过程;大部分岩样在加载初期,其变形场并没有由于硬性结构面的存在而产生明显的位移非连续特征,硬性结构面在破坏前变形较小,破坏在短时间内发生,造成能量急剧释放,该研究有助于解释硬性结构面控制型岩爆发生的力学机制。     

高应力硐室围岩三轴蠕变及声发射特征研究

针对高应力岩体工程开挖后硐壁附近围岩长期变形问题,利用MTS815 Flex Text GT岩石力学试验系统和PCI–Ⅱ声发射三维监测系统,针对高应力硐室围岩,开展大理岩试件三轴蠕变试验及声发射实时监测,探讨硐室开挖后围岩在较小侧向压力下的蠕变力学特性和声发射特征。结果表明：大理岩的多级蠕变全过程应力–应变曲线具有5个阶段,岩样具有脆性破坏特征,横向变形较轴向变形具有更显著的蠕变特征;声发射特征表现出明显的应力响应和时效特征,且与典型蠕变3个阶段相匹配,在减速和稳态蠕变阶段,声发射振铃计数率和能量率呈线性增长趋势,加速阶段声发射振铃计数率和能量率呈现指数型增长,且声发射变化对应的时间点提前于应变加速点,可作为大理岩蠕变破坏的前兆特征;基于AF和RA值表征的大理岩内部微裂纹发展特征,大理岩蠕变破坏是张拉破坏和剪切破坏共同作用的结果。     

规则岩体结构面的蠕变特性研究

 岩体结构面的蠕变特性研究对解决岩石力学实际问题具有很重要的意义。通过规则齿型结构面在剪切应力条件下的双轴蠕变试验,研究不同爬坡角的结构面在不同法向应力时的蠕变特性,并根据蠕变试验结果,得到结构面剪切蠕变、法向蠕变随法向应力、剪应力、爬坡角的变化规律和时效性,并选取Burgers模型来描述蠕变的剪切变形特性。在模型试验的基础上采用三维有限元程序对具有锯齿状结构面的水泥砂浆块体在荷载作用下的受力性状进行模拟分析。通过有限元分析,探讨规则齿状结构面的应力分布规律。利用ANSYS计算结果,通过最大正应力理论对结构面的破坏进行判别,从而验证在剪切试验中,齿面以拉断形式破坏。     

绿片岩软弱结构面的剪切蠕变特性研究

 针对锦屏II级水电站引水隧洞超埋深、高地应力的特点,选取边坡和地下洞室围岩中含有绿片岩软弱结构面的灰白色大理岩为研究对象,对含有软弱结构面的大理岩试样进行分级加载剪切流变试验,并对试验结果进行分析,探讨软弱结构面的蠕变特性。通过对不同法向应力条件下岩体结构面的蠕变力学特性及其规律的研究,以及对结构面剪切蠕变试验过程中的蠕变速率特性进行分析,结果显示结构面的剪切蠕变试验曲线表现出明显的3个阶段。在此基础上选用改进的Burger模型对结构面蠕变试验结果进行拟和分析,并讨论改进的Burger模型对于描述结构面剪切蠕变特性的适用性。     

边坡潜在滑移面关键单元岩体裂隙演化特征细观试验与滑移机理研究

 利用自行研制开发的剪切蠕变细观试验装置与软弱煤岩细观力学特性测控软件,对边坡潜在滑移面关键区红砂岩进行了系统的剪切蠕变试验研究,分析了红砂岩在不同载荷水平的剪切蠕变作用下细观裂纹扩展的时空演化规律及破坏后破裂面形态特征与剪切蠕变强度之间的关系,初步探讨了边坡的滑移机理。结果表明：剪切蠕变作用下,红砂岩宏观蠕变变形与细观裂隙扩展同步进行;红砂岩裂纹扩展方向与剪切应力方向具有一定偏差,且出现多次分岔;裂纹多为绕晶体边缘扩展,扩展路径的不规则性受到岩体晶体分布特征的影响;岩体不同成分之间的应力响应差异、变形不协调和微裂隙之间的相互作用促进了裂隙的萌生和扩展,裂隙多在张拉和剪切共同作用下形成;破裂面粗糙度与剪切蠕变强度呈非线性递增关系,曲率呈先增大后减小趋势。     

断续预制裂隙脆性大理岩变形破坏特性单轴压缩试验研究

 采用岩石力学伺服试验机,对断续预制裂隙脆性大理岩进行单轴压缩试验,基于全程变形曲线的试验结果,分析裂隙参数(岩桥倾角、裂隙间距、裂隙长度、裂隙数目与裂隙倾角)几何分布对大理岩变形破坏特征的影响规律。研究结果表明,与完整大理岩相比,断续预制裂隙大理岩变形呈现出局部化渐近破坏特征,其峰值强度、弹性模量及峰值轴向应变均明显降低,且降低幅度与预制裂隙参数分布形式密切相关;但变形模量除裂隙间距48 mm(降幅24.8%)、含119°岩桥倾角(降幅23.7%)以及含60°裂隙倾角(降幅43.8%)的岩样以外,其他含2条预制裂隙岩样的变形模量降幅均为－3.8%～7.8%,差异较小。裂隙长度越长、裂隙数目越多及裂隙倾角越大,其峰值强度、弹性模量及峰值轴向应变也越低;而岩桥倾角和裂隙间距与力学参数之间规律性不明显。岩样宏观贯通模式主要呈现出拉贯通、压贯通、剪贯通和混合贯通4种,且与预制裂隙的几何分布密切相关。完整岩样呈典型的轴向劈裂拉贯通模式。含较短裂隙长度(16 mm)及较小裂隙倾角(30°)的岩样呈现出拉贯通模式;而含较长裂隙长度(24 mm)和较大裂隙倾角(60°)的岩样呈现出拉剪混合贯通模式。裂隙间距越小以及裂隙数目越多,岩样的贯通模式趋于复杂,呈现出拉剪压混合贯通模式。     

考虑各向异性特征的三维岩体结构面峰值剪切强度研究

 由于岩体结构面形貌的复杂性,目前,所提出的峰值剪切强度模型不能够很好地体现其各向异性特征。鉴于此,综合考虑岩体结构面起伏角和起伏幅度,提出一个考虑各向异性特征的综合参数?表征岩体结构面粗糙度的新方法;?由某一方向的起伏角参数SRv和起伏幅度参数A表示;其中参数SRv表示结构面粗糙度的各向异性特征,用变异函数分析方法进行计算获得。然后,应用该法分析Barton十条标准轮廓线,拟合出JRC与参数SRv,A的关系表达式;结合Barton强度公式,给出考虑各向异性特征的岩体结构面峰值剪切强度模型。最后,基于ShapeMetriX3D三维形貌测量系统,在实验室开展类岩体结构面形貌的量测;并应用上述方法估算结构面4个方向上的峰值剪切强度。于此同时,开展该类岩体结构面各向异性的剪切力学试验,通过试验值与估测值的对比分析,验证了所提模型的正确性。研究结果为准确预测岩体结构面抗剪强度提供一种新方法。     

脆性岩体破裂扩展时间效应对引水隧洞长期稳定性影响研究

 对于锦屏二级引水隧洞,脆性岩体破裂损伤发展的时间效应已从现场围岩破坏情况及多种监测仪器长期监测数据中得到反映,成为影响引水隧洞长期稳定性的控制因素。为系统研究这一问题,针对锦屏二级引水隧洞沿线所占比例最大的岩层之一--白山组大理岩,在论述岩体破裂扩展时间效应的现场体现的基础上,进行破裂时效室内试验,得到破裂时效拟合式和临界驱动应力比;继而采用CPM模型建立可以考虑脆–延–塑转换特征的白山组大理岩数值试样,标定其微观参数,并进行室内破裂扩展试验的PFC模拟;最后,首次对工程尺度的引水隧洞进行破裂扩展时效的PFC模拟,研究不同岩性、不同埋深下,在100 a运行期内引水隧洞围岩的破裂情况。结果表明,室内试验中破坏时间的增加和荷载的降低呈现出较明显的指数非线性关系,且亚临界裂纹开始扩展,具有一个门槛值(定义为临界驱动应力比),对于白山组大理岩此应力比为0.492。采用CPM模型标定的PFC短期细观参数可较好反映锦屏白山组大理岩试样的三轴压缩应力–应变曲线及屈服破坏特征表现出的明显围压相关性,低围压下裂纹数目随围压增加明显,高围压下增加速度减缓,且拉裂纹在高围压下数目不再随围压增高而增加。数值试验中发现轴向应变和裂纹数目发展均表现出明显的蠕变三阶段特征。随着驱动应力比减少,由蠕变产生的应变量值是增加的。侵蚀裂纹的发展也符合蠕变三阶段特征,驱动应力比越小,侵蚀裂纹数目基本线性增加,但侵蚀裂纹发展速率呈指数减少。在开挖完成100 a后,II类大理岩岩体中引水隧洞的破裂区最大范围为2.1～3.1 m,III类大理岩为3.3～4.5 m,引水隧洞的长期稳定性可以得到较好保障。     

基于三维形态空间分析和仿真试验的岩体结构面剪切强度参数研究

 获取结构面可靠的强度指标是研究岩体强度的重要基础。因不同结构面样本的巨大差异,以及剪切测试难以重复进行的实际情况,直接通过试验获取剪切参数通常难度较大且结果不理想。以具有定向变形特征的岩体剪切结构面为研究对象,探索性提出采用结构面剪切测试–结构面表面形态三维空间分析–数值仿真试验相结合方法,获取真实可靠的结构面强度参数。该方法优势表现为：岩体结构面摩擦角的2个组成部分即基本摩擦角和爬坡角完全分离,且能考虑结构面形态三维特性及剪切变形方向特征;同时,力学测试和数值试验结合,克服了单纯依靠剪切测试无法重复的重大难题。     

分级卸荷条件下锦屏大理岩流变规律研究

 结合锦屏水电站引水隧洞的工程实际,采用恒轴压分级卸围压的应力路径对锦屏大理岩开展了室内三轴压缩蠕变试验。首先,详细介绍卸围压蠕变试验的过程,并针对轴向和侧向蠕变规律的差异进行对比分析。然后,研究卸荷应力路径下应力状态与岩石蠕变变形的关系,研究结果表明,应力差是决定试样蠕变量的主要因素。最后,以Burgurs模型作为理论模型,在综合考虑试样整体变形的情况下,采用相关试验结果直接确定三维本构方程的模型参数。通过对锦屏大理岩轴向和侧向蠕变变形规律的对比分析,认为2个方向的蠕变变形规律存在明显差异,仅根据轴向蠕变变形规律确定的三维流变本构不能反映侧向的蠕变变形规律。因此,建议在建立三维本构时,必须考虑试样的整体变形特性。