岩石分级加载蠕变的能量耗散与变形机制研究

通过对岩石加载–蠕变–卸载的能量转换与变形机制分析,利用RLW–2000型岩石三轴流变仪,对2组岩石进行单轴分级加载蠕变试验,分析岩石不同应变差值下能量的耗散过程,确定岩石不同加载水平(或循环次数)与变形模量的关系,研究加载蠕变与应力卸载的曲线路径。结果表明:岩石分级加载蠕变的能量转换可分为加载应变与蠕变应变2个部分,随着每一级载荷作用下应变差的增加,岩石塑性应变能与耗散能呈非线性增加趋势,且塑性应变能曲线与耗散能曲线的开口、应变差及岩石损耗能量也越大;在相同加载水平下,岩石塑性应变能大于耗散能,且应变差与塑性应变能、耗散能的关系可分别用二次多项式、乘幂函数进行描述;岩石变形模量随着加载水平(或循环次数)的增加而变大,表现为先突然增加较大到缓慢增加至趋于相对平缓,相同加载水平(或循环次数)下,高强度岩石变形模量大于低强度岩石变形模量;岩石加载蠕变应变与卸载应力松弛均随加载水平的提高而增大,相同加载水平下,高强度岩石蠕变应变小于低强度岩石蠕变应变,但高强度岩石应力松弛大于低强度岩石应力松弛,高强度岩石加载曲线穿越上一级载荷卸载后的应力松弛区,而低强度岩石加载曲线则穿越上一级加载水平后的蠕变应变区。     

循环荷载下花岗岩强度及变形特征试验研究

为研究循环加卸载作用下岩石的强度及变形特征,以隧道工程区域内的花岗岩为对象,采用室内岩石力学试验方法,得到了以下结论。(1)单轴循环荷载作用下花岗岩的最终破裂面明显多于单调加载,而三轴条件下,两种加载方式的破坏模式较为接近;(2)循环荷载作用下花岗岩的峰值强度显著降低;单调加载下的花岗岩表现为脆性破坏,而循环加载下花岗岩具有显著的延性破坏特征;(3)随着循环次数的增加,花岗岩第一次轴向塑性应变增量较大而后趋于稳定,受循环次数的影响较小;其变形模量随循环次数的增加而增大,随着疲劳损伤的累积,增长速度放缓,在试件接近破坏时,变形模量有下降的趋势;循环加载下花岗岩的黏聚力和内摩擦角较单调加载显著降低。     

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。     

循环载荷作用下盐岩力学特性响应研究

 通过模拟储气库运行围岩受载情况,对层状盐岩储气库围岩中常见盐岩及含夹层盐岩进行应力水平不断提高的反复加卸载试验研究。试验结果表明：与单调加载相比,循环载荷下芒硝试样强度明显降低;含钙质泥岩夹层芒硝的强度高于纯芒硝,但由于受夹层的影响,峰值点对应应变低于纯芒硝。与其他岩石明显不同,在初期阶段,盐岩试样循环加卸载曲线基本呈线性并重叠,随应力水平及循环次数的提高,滞回环现象有轻微表现,但面积很小。后期卸载过程中盐岩的杨氏模量略高于加载过程,除卸载过程弹性变形恢复滞后外,还受加载过程中耦合的塑性变形因素影响。由于钙质泥岩夹层的变形能力相对较弱,含夹层芒硝的杨氏模量稍高于芒硝,同时,在反复循环卸载过程中的变形恢复也大于纯盐岩。总体上看,盐岩在加卸载过程中杨氏模量基本不随应力水平及加卸载次数的变化而变化。同时,即使进入屈服破坏阶段,也没有出现一般岩土材料加卸载杨氏模量随屈服应力降低而降低的现象。根据能量观点分析,循环载荷作用下强度降低幅度与循环次数及累积滞回环面积相关。本次试验中,5个试样循环加卸载作用过程中,加卸载曲线几乎重合,滞回环很小,因而强度降幅也很小。据此推断,在储气库反复加卸载运行过程中,围岩强度基本不会受循环次数的影响;但大幅度的压力波动有可能产生能量累积,从而影响其强度与寿命。     

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...     

循环荷载作用下岩石疲劳变形及特性试验研究

通过开展恒定加卸载速率,不同偏应力条件下的循环加卸载试验,研究了轴向应变、径向应变以及体积应该随循环次数的演化过程,得到了在不同偏应力条件下岩石的平均变形模量随循环次数与偏应力的变化关系,进而分析了循环荷载作用下岩石疲劳变形及特性。研究结果表明：（1）偏应力在50MPa之前,轴向应变、径向应变、体积应变以及变形模量随着循环次数的变化基本稳定,反之,表现出发散的趋势;（2）偏应力在80MPa作用下的平均变形模量较1IOMPa作用下的大,这是岩石内部裂隙增加和扩张的结果;（3）在不同偏应力条件下,平均变形模量随着偏应力的增大逐渐增大且趋于收敛。     

循环荷载作用下盐岩三轴变形和强度特性试验研究

 为研究三向应力状态下循环荷载作用对盐岩变形、强度及损伤特性的影响,利用TAW–2000 型微机伺服岩石三轴试验机进行不同荷载波形参数(上、下限应力、应力幅值和频率)和不同围压下的盐岩试样的循环加、卸载试验。试验得到盐岩轴向初始变形和稳态变形两阶段演化规律;通过提高循环荷载上限应力、降低下限应力、增大应力幅值或者降低载荷频率、减小围压等途径,均会加速盐岩试样不可逆变形的发展,提高盐岩循环稳态应变速率,减小稳态阶段在整个变形阶段的比例,从而加速试样变形破坏;荷载波形参数中上限应力和应力幅值对循环荷载作用下盐岩变形演化速率、试样损伤发展的影响最大。循环荷载作用下,盐岩弹性模量随循环次数或加载时间呈指数递减趋势,并在50～100个循环后其值接近常数;循环加载后二次压缩盐岩强化与否,取决于循环加载时所施加荷载水平是否造成盐岩内部损伤的累积,通过试验可间接推断盐岩三轴循环变形破坏的上限应力阈值为80%～89%。     

透水性基床级配碎石填料强度变形特性试验研究

空隙结构良好的级配碎石因其良好的渗透性而逐渐用作透(排)水性基床结构层,但合理地控制和优化其在交通荷载重复作用下的强度和累积变形特性是亟待解决的关键问题之一。采用基于颗粒堆积理论提出的石砂比(G/S)指标设计7种不同的透水性级配以及用于对比的常规级配,分别开展室内击实试验和单调加载三轴试验研究级配对压实和强度特性的影响;通过控制剪应力比(SSR)设计重复加载三轴试验的不同围压和循环偏应力组合,研究级配对回弹模量、阻尼比和累积塑性变形等的影响。试验结果表明：不同级配试样的峰值偏应力存在差异,围压越大差异越明显,抗剪强度主要受内摩擦角控制;随加载次数增加,回弹模量迅速增大,阻尼比迅速下降,两者均在1 000次左右趋于平缓;不同级配试样的初始阻尼比、回弹模量和轴向累积塑性应变随剪应力比的增大而增大,剪应力比较高(SSR≥0.7)时差异越大;G/S=1.6～1.8时透水性级配碎石处于稳定的骨架结构状态,干密度、抗剪强度、回弹模量、阻尼比和累积塑性变形等均最优。可为透水性基床级配碎石的高效利用和可持续推广提供理论依据和技术参考。     

循环加卸载作用下不同粗糙度结构面的变形破坏门槛值试验研究

岩石的应力“门槛值”是预测是否发生变形破坏的重要参数。为研究应力“门槛值”的变化规律及其对岩石变形特征的影响，利用CSS-1950岩石双轴流变试验机对不同粗糙度的Barton曲线结构面的水泥砂浆试块展开分级循环加-卸载试验。通过分析各法向应力下不同结构面试样的变形特征，总结“门槛值”的求解方法。基于“门槛值”的计算结果，分析了“门槛值”与岩石节理粗糙度系数(JRC)和法向应力的关系，探讨了JRC和法向应力对结构面变形特征的影响。研究表明：随着剪切荷载等级的提高，结构面循环加载后的位移先呈现线性增长，而后进入非线性发展阶段，两者转折点所对应的水平应力值即为结构面的“门槛值”;随着JRC或法向应力的增大，结构面的“门槛值”增大，“门槛值比率”却发生了下降。     

循环加卸载下塑性混凝土强度及变形特性

通过塑性混凝土在单调和循环加卸载下的试验,对不同加卸载作用下塑性混凝土的强度和变形性能进行研究。结果表明,经过循环加载后塑性混凝土的强度与单调直接加载相比有所降低,变化幅度均在10%以内;当循环加卸载最大荷载为单轴强度的60%时,塑性混凝土峰值应力大于其余循环水平下的峰值应力。塑性混凝土在循环荷载作用下的加载曲线与卸载曲线不重合,卸载曲线总是滞后于加载曲线,加载曲线和卸载曲线形成了封闭的塑性滞回环。滞回环面积的大小与循环加载最大荷载密切相关,与循环加卸载的次数无关,随着循环加卸载最大荷载的增大,滞回环面积相应增大,但滞回环的斜率保持不变,即变形模量保持不变。循环加卸载影响了塑性混凝土峰值应变,单调直接加载峰值应变大于循环加卸载作用后峰值应变。     

循环荷载作用下岩石阻尼特性的试验研究

对2组红层泥质粉砂岩在MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统上进行单轴4级循环加卸载试验.试验加载波形采用正弦波,频率3 Hz,循环应力幅值小于其平均抗压强度,单级应力幅值为30个振动循环,得到动弹性模量和阻尼比随动应变的变化规律.通过试验发现,泥质粉砂岩在循环荷载作用下的加卸载应力-应变曲线并不重合,而是形成一个封闭的滞回环,动应变相位始终滞后于动应力相位;滞回环在荷载反转处并非椭圆形,而是尖叶状,在该处岩石的塑性变形小,弹性变形响应迅速.随动应力幅值增加,泥质粉砂岩的动应变增加,动弹性模量随动应变增加线性递减,而阻尼比则线性递增.得到2组泥质粉砂岩的平均动弹性模量和阻尼比与动应变的相关表达式,其相关系数的平方R2均超过98%.岩石的不可逆塑性变形随动应变增加而增大,同时由循环荷载引起的损伤变形也逐渐增加.     

不同加载路径饱和岩石力学特征的试验研究

不同加载路径对岩石强度特征、变形特征和破坏特征存在影响。据此，探讨饱和岩石在排水、非排水、比例加载、侧向卸载、在不同偏应力状态下注水和非排水（但在不同偏应力状态下水压力卸载）等加载情况下以及在常规三轴试验和拥有循环加载的三轴试验等试验方式下，岩体的强度特征、各向异性变形特征和破坏特征。试验结果表明：循环加载、饱和岩石在不同偏应力状态下注水、非排水但在不同应力状态下水压力卸载、比例加载和侧向卸载等具有降低岩石强度、增加岩体变形以及水压力对岩石具有劈裂破坏作用等特征，这些力学特征对岩土工程具有现实意义。     

基于多级荷载试验的岩石损伤模量探讨

根据《工程岩体试验方法标准》(GP/T50266—1999)中建议的岩石单轴压缩试验加载速率,并结合天然气储库注气、采气循环过程的运营状态,利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统,以大理岩作为对比岩石,对作为天然气储库围岩的盐岩损伤卸载模量,进行单轴压缩加卸载试验和单轴压缩低周循环荷载试验研究;试验加载采用轴向荷载控制,每个试件均按7级不同应力幅值加卸载;低周循环荷载试验采用轴向荷载的正弦波控制加载,其频率为1.0 Hz,控制每级动荷载下的振动周次不低于30个循环。研究得到盐岩应力–应变滞回环均为条带状,在加卸载转折部位具有较大不可逆变形,对应弹性响应较慢;大理岩则均为尖叶状,在加卸载处对应弹性相应较快;盐岩的卸载模量测试得到的变化趋势在加卸载和低周循环荷载下相反,而大理岩测试结果则相同,并均随应力增加递减。测试结果表明,应力幅值的大小较循环周次的多少对盐岩不可逆变形增量的影响更加显著,研究得到储库运营中盐岩的损伤演化特征。     

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。     

循环单轴应力和循环温度作用下玄武岩力学性质初探

对玄武岩在循环单轴应力–温度作用下的力学性质进行初步的试验研究。开展应力上限为80%和65%单轴抗压强度、温度上限为60℃和90℃的循环单轴应力–温度试验以及循环后的单轴压缩试验。试验结果表明:循环应力和循环温度作用具有"叠加"效应;循环应力上限为80%单轴抗压强度时,玄武岩随循环次数增加逐渐损伤,在循环中破坏;应力上限65%抗压强度且温度上限60℃时,玄武岩随循环次数增加逐渐硬化,在循环中不会发生破坏;损伤岩样峰值应变经历初始阶段、等速阶段和加速阶段,残余应变具有较大波动性;损伤岩样峰值割线模量先迅速降低,后缓慢降低,在临近破坏时急剧减小,应力上限大时峰值割线模量的降低程度大;应力上限相同,温度上限大的损伤岩样破坏循环数小;硬化岩样峰值应变和残余应变随循环次数增加而减小,峰值割线模量、割线弹性模量和卸载模量随循环次数增加而增大,温度上限大时岩样模量增加幅度小;硬化岩样受循环作用后,抗压强度较初始强度提高;岩石破坏时峰值应力与峰值割线模量定义的损伤因子线性相关程度高。     

原状黄土的平面应变剪切、屈服性状的试验研究

黄土工程中有许多平面应变问题。模拟黄土原位沉积方向,通过开展均压固结竖向加载和侧向卸载的平面应变试验,揭示剪切变形特性和屈服、破坏强度变化规律。表明黄土竖向柱状结构抵抗压缩作用,结构屈服前侧胀变形很小,结构屈服后侧胀变形发展明显,存在明显的屈服特征,剪切过程呈剪缩硬化性,屈服强度不同于破坏强度;侧向卸载条件下侧胀变形发展明显,结构屈服前竖向压缩变形增长较小,结构屈服后竖向压缩变形增长较大,也存在明显的屈服特征,剪切过程呈剪胀理想塑性,屈服强度与破坏强度近似一致;黄土的竖向加载强度线和侧向卸载强度线服从同一变化规律。不同含水率黄土竖向加载与侧向卸载的剪切变形特性和强度变化规律相似,同一含水率黄土的平面应变强度线近似呈同一线性变化规律。随着含水率的增大,黄土的屈服强度线和破坏强度线依次降低。     

循环加卸载作用下不同高度煤样渗透性试验研究

为获取循环荷载作用下不同高度煤样渗透率的变化规律,应用煤岩三轴加载渗流试验装置,对直径相同高度不同的煤样进行循环加卸载轴压渗透性试验。研究结果表明:加载阶段,渗透率随轴压增加而降低;卸载阶段,渗透率随轴压降低而增加;渗透率与轴压呈负指数函数关系,渗透率应力敏感性随循环次数增加而降低;加载阶段与卸载阶段渗透率产生明显差值,其差值随循环次数增加而降低,渗透率损失量主要发生在初期加卸载阶段。不同高度煤样应力敏感性存在显著差异,应力敏感性随煤样高径比增加而降低;在加载与卸载阶段,无因次渗透率损失量随高径比增加而增大;经历循环加卸载作用后,渗透率损失率随高径比增加而增大,渗透率恢复率随高径比增加而降低。     

干湿循环对深部粉砂岩蠕变特性影响的试验研究

为探究围岩含水率变化对深部岩体长期稳定性的影响,以朱集东煤矿-906 m处粉砂岩为研究对象,借助ZYSS2000型岩石高温高压蠕变仪,采用分级加载方式,对不同干湿循环次数粉砂岩试件开展单轴压缩蠕变试验。试验结果表明,随干湿循环次数增多,粉砂岩轴向蠕变应变和轴向稳态蠕变速率呈非线性增大,瞬时变形模量呈对数降低,且轴向蠕变应变和轴向稳态蠕变速率在1次干湿循环后出现较大增幅,瞬时变形模量在干湿循环0~1次阶段劣化度最大,为10.06%;不同干湿循环作用后的粉砂岩试件在最后一级应力作用下发生蠕变破坏的规律基本一致,且在相同的破坏应力下,随干湿循环次数的增多,粉砂岩试件蠕变破坏全程历时逐渐减小,减速蠕变段和加速蠕变段占全程历时的比例逐渐升高;粉砂岩的长期强度随干湿循环次数的增多逐渐降低,且在1次循环以后出现较大的降幅;粉砂岩的蠕变破坏特征随干湿循环次数增多呈现出由张拉破坏向剪切破坏转化。     

液化循环流动土体动剪切特性试验研究

循环流动特性是剪胀性砂土液化变形的典型特征,为研究液化循环流动土体的动力剪切特性,在骨架相对密实度分别为35%、50%和80%的砂土中添加不同含量的细颗粒,以改变液化流动土体的重度,通过循环扭剪试验研究不同骨架密度、具有不同细粒含量的液化流动土体在大变形阶段的剪切模量及阻尼比的变化规律。试验结果表明：液化循环流动土体在流动大变形阶段仍具有一定的模量,模量随着应变的增大而逐渐减小;流动变形阶段的模量大小与液化土体的重度基本无关;强度恢复阶段模量与细粒含量及骨架相对密实度密切相关;液化大变形阶段卸载模量趋于稳定,其稳定值约为初始卸载模量的35%;阻尼比随剪应变的增大而先增大,当土体达到初始液化以后,阻尼比随剪应变的发展呈减小的变化趋势;对于相同骨架密度的土体,相变角随着细粒含量的增加而减小,临界状态线的斜率随着细粒含量的而增加而增大。     

红砂岩卸载破坏强度特征试验研究

开挖卸载是地下岩石工程中常见的应力路径。具有较高初始应力的岩体在卸载应力路径下表现出与加载时不同的力学行为,往往导致大变形、岩爆等工程灾害。为揭示卸载条件对脆性硬岩破坏的影响规律,采用红砂岩立方体试件开展加、卸载试验,测定红砂岩在加载和不同卸载条件下的强度特征。试验表明:卸载完成后试样经过一段数秒的滞后期,先在靠近卸载自由面处发生板裂,之后整体破坏丧失承载力。在快速卸载条件下,红砂岩的破坏强度均比加载强度有不同程度的降低,下降幅度为8.4%~27.2%;初始侧向应力越大,卸载破坏强度下降幅度越大,初始侧向应力相同时,双面同时卸载工况较单面卸载工况的强度降幅更大。依据试验数据分析卸载破坏应力路径与加载破坏包络面的关系,并建立动力学模型分析卸载破坏的主要影响因素。试验揭示的卸载效应对岩石强度的不利影响,对于合理确定开挖卸载条件下的岩石强度参数具有重要参考意义。