卸荷条件下岩石破坏能量演化试验研究进展

岩石在变形破坏过程中不断与外界交换着物质和能量,是一个能量耗散的损伤演化过程,岩石破坏的实质是能量驱动下的状态失稳现象。综合介绍了在开挖瞬间,迅速增大的轴向应力随着时间增长逐渐趋于稳定和围压瞬间卸载的应力重分布情况,目前主要采用轴压升高、围压降低而轴压不变、围岩降低的室内试验方案。结果表明:岩石卸荷破坏具有明显的围压效应,总应变能、弹性应变能和耗散能与初始围压呈正相关关系;随着卸荷速率的增加,能量转化速率不断减小,岩石容易产生瞬间动态破坏;不同卸荷水平下能量演化存在明显的差异;碎屑岩块分形维数越大,扩容现象越明显,穿晶、沿晶裂纹越发育,消耗能量越多。基于现有的研究成果,提出完善试验系统、采用与工程实际相符合的应力路径、开展微细观裂纹研究、深入能量转化敏感阶段研究的发展趋势。     

白砂岩卸围压强度与损伤破坏特征

为了探讨白砂岩卸围压强度变形特征,利用RMT岩石力学试验系统进行了常规三轴、恒轴压卸围压应力路径试验,分析了白砂岩卸围压强度、变形、稳定时间和损伤破坏特征。获得以下主要结论:相同初始围压下,卸围压速率越大,屈服段越小,相同卸围压速率下初始围压越大屈服特性越明显;相同初始围压下,随着卸围压速率的减小,白砂岩破坏时的轴向变形增大,表明脆性减弱而延性增强,破坏时的内部损伤越严重;随着卸围压速率的减小,同一初始围压下破坏时围压增加,围压降减小而围压比增大;初始围压越大白砂岩稳定时间越长,但随着卸围压速率的增大稳定时间迅速减小,卸围压速率达到1 MPa/s时,初始围压对稳定时间的影响已很小,不同初始围压下单位围压稳定时间的减小规律基本一致,且受初始围压影响甚微;卸围压应力路径对白砂岩的黏聚力有弱化效应,而对内摩擦角有强化作用,卸围压速率越大内摩擦角越大,黏聚力越小;利用八面体剪应力,基于Mogi-Coulomb强度准则获得了白砂岩强度判别通式;卸围压应力过程中声发射振铃计数一直处于较低水平,在破坏之前没有渐进增长的变化过程,且最大声发射出现在应力峰值处,可知卸围压过程中岩样内部损伤发展缓慢,损伤的快速发展形成主控破裂面主要出现在峰值处,且破坏之前没有声发射渐增先兆,破坏突然;白砂岩发生典型单一破裂面的剪切破坏,且随着卸围压速率的增大,破裂角整体呈增大趋势。     

水—力耦合条件下灰岩渗透性试验研究

为了研究围压与渗透压差对灰岩渗透性影响,通过水—力耦合试验对不同条件下的岩石破坏过程的渗透性进行了测定。结果表明:在岩块破坏之前的压缩、变形阶段,岩石渗透率低,难以测出;在岩块达到峰值强度后,渗透率突增,在应变软化阶段渗透率最大;随着围压的增高渗透率减小,高围压状态下围压对灰岩渗透率的影响程度降低;随着渗透压差的增加,灰岩渗透率增大,高围压状态下,渗透压差对渗透率的影响程度较弱,试块的破坏位置集中在进水端位置附近。研究成果有助于深化对深部开采高地应力高水压条件下突水演化过程的认识。     

不同围压下黄砂岩力学特征与声发射特征

为研究不同围压下黄砂岩的力学特征、声发射特征和岩石破裂形态,采用ROCK 600-50型岩石三轴流变仪与声发射系统对黄砂岩进行常规三轴试验,研究不同围压下的黄砂岩的峰值应力、峰值应变、残余强度及破坏形态变化特征,讨论了黄砂岩破裂过程声发射计数演化规律。结果表明:黄砂岩试件的峰值应力、轴向峰值应变和残余强度均随围压的增加而增大,围压对径向峰值应变影响较弱,通过对声发射计数分析,黄砂岩破坏程度随围压增大更加剧烈,会出现二次或多次破坏,围压减少了黄砂岩破坏过程中主裂纹数目,并明显抑制了次生裂纹的产生。     

循环加卸载下岩石浆体力学特性试验研究

为研究循环加卸载下岩石浆体力学特性,利用RMT-150B岩石力学试验机对岩石浆体进行恒定围压下的循环加卸载轴压的岩石力学试验,对岩石浆体的强度和变形特征进行了分析。结果表明:岩石浆体随着下一级加载轴压的提高,塑性滞回环面积增加;低应力状态下的循环会使岩石浆体更加致密,岩石浆体在加卸载下的强度高于常规三轴,超过临界强度时就会发生破坏,强度随岩石粒径增加而降低;在循环加卸载下,岩石浆体以剪切破坏为主,低围压和粗粒径更易形成明显的剪切带。基于研究成果,提出了增高锚杆预应力和增强注浆效果的软岩注浆加固关键技术。     

白云岩三维动静组合加载力学特性试验研究

为研究白云岩的力学特性和破坏模式,利用改进的三维SHPB动静组合加载试验装置,对白云岩进行三维加载、轴向冲击试验,分析轴压、围压和应变率对白云岩强度、变形模量、能量吸收等的影响,探讨岩石动静组合加载的应变率效应。试验结果表明：当围压一定时,白云岩的抗压强度随着轴压的增大呈现出先增大后减小的趋势,变形模量随着轴压的增大而减小;白云岩单位体积吸收能会随着轴压的增大而先增加后降低。轴压固定时,白云岩的抗压强度和变形模量随着围压的增加而增大,白云岩强度增长因子有显著的应变率效应;白云岩单位体积吸收能会随着围压的增大先升高而后降低,随平均应变率的增大而增大。在三维动静组合加载下,岩石的破坏模式为压剪破坏。     

循环加卸载下花岗岩能量演化及分配规律

为探究岩石损伤破坏过程中的能量演化及分配规律,以焦家矿区花岗岩为研究对象,利用ZTR-276三轴应力试验系统进行三轴循环加卸载试验,。研究结果表明：循环加卸载试验过程中,花岗岩的应力峰值和轴向应变量随着围压增加逐渐增大,表现出明显的围压效应;循环加卸载试验下,总能量密度,弹性能密度和耗散能密度在峰前阶段均与轴向应变呈正相关关系;随着围压增大,岩石储能效率增加,最大弹性能占比增大,最大耗散能占比却随着围压的增大而降低。研究结果可为循环扰动条件下深部巷道围岩损伤破坏失稳提供理论指导意义。     

煤岩加卸载不同应力途径变形破坏力学参数的研究

分析煤岩轴向应力恒定条件下卸围压破坏时的力学参数,运用卸载破坏围压差的概念,反应不同初始卸载围压煤岩破坏的难易程度,通过不同初始卸荷速率时煤岩试件变形破坏参数的对比试验,研究开挖卸荷速率对地下工程的影响。将卸载试验与常规三轴加载试验的极限强度、破坏方式等力学参数进行对比,试验结论丰富了卸载岩石力学内容。     

岩石加荷破坏弹性能和耗散能演化特性

开展大理岩、灰岩和砂岩的常规三轴试验,研究岩石变形过程的能量非线性演化特征。结果表明:岩样屈服前外力功大部分转化为弹性应变能存储于岩样内部,耗散能增加的很少,屈服点后耗散能快速增加,弹性能增速变缓。岩石的极限存储能具有围压效应,随着围压增加,岩石破坏时的极限存储能逐渐增加。极限存储能还与岩石本身的性质有关,岩石的强度越高,脆性越强,极限存储能愈大。灰岩极限存储能最大,大理岩极限存储能次之,砂岩极限存储能最小。根据弹性能和耗散能的演化规律,构建了岩石变形破坏过程中弹性应变能的非线性演化模型,理论模型与3种岩石的试验结果吻合较好。     

循环载荷作用下饱水灰岩力学性能及能量演化规律研究

为了探究水力耦合作用下煤层底板石灰岩的力学特性及变形规律,预防因工程扰动而产生的底板失稳破坏,利用岩石微机伺服多场耦合试验系统,开展了不同围压下饱水灰岩的常规三轴压缩试验及循环加卸载试验。通过经典岩石力学理论划分了岩石全应力-应变曲线的各个阶段,从能量耗散及累积损伤的角度,对循环载荷作用下的岩石破坏机理进行研究。研究发现：(1)在围压不变的条件下,循环加卸载试验下岩样的峰值强度较常规三轴压缩试验有所降低,整体应变量随卸荷水平的增加而变大,扩容现象逐渐显著;(2)在围压及循环载荷作用条件下,饱水灰岩的破坏形式主要为剪切破坏,当围压增大后,逐渐出现了以横向、纵向为主的张拉破坏;(3)随着循环等级的增加,弹性应变能的占比相应降低,耗散能的占比逐渐增大,同一循环等级下,随着循环次数的增加,耗散能占比呈小幅降低趋势;(4)扩大卸荷水平,岩石损伤行为越发活跃,但同等级循环内岩石损伤出现小幅度降低,与耗散能的演化规律及机理基本一致。     

不同围压下花岗岩破裂机制及形状效应的离散元研究

在花岗岩地层中开挖隧道时会引起围岩的变形破坏,多表现为岩爆、板裂、塌方等形式,通过室内单轴和三轴压缩试验能得到花岗岩的宏观力学参数及其渐进破坏机制。室内岩石试验可以从宏观角度分析花岗岩的破坏本质,而通过PFC2D离散元软件模拟室内单轴及三轴试验,则可以从微观方向研究分析花岗岩的破坏过程。本文以港珠澳大桥连接线南湾隧道工程为背景,综合采用室内岩石力学试验和离散元数值模拟方法,从宏观、微观两种角度对不同围压条件下花岗岩的宏细观力学参数、破裂机制及其形状效应进行了对比分析,全面的研究分析了花岗岩的变形破坏本质。研究结果表明:①数值模拟与室内试验所得的结果,无论是宏观力学参数还是最终破坏形态均较为接近;随着围压的增大,岩石的峰值强度增加、弹性模量基本不变;随着试件长径比L/D增大,岩石峰值强度减小、弹性模量增大。②采用基于相对轴向应变和单位面积裂隙数量的统计方法,能更加合理分析岩石微观渐进破裂机制;随着试件长径比L/D增大,岩石最终破坏形态逐渐从张拉破坏转变为剪切破坏;当L/D=1.0时单位面积内最终裂纹数量最大,当L/D=2.0时剪切裂纹所占比例最大。③随着岩石试件长径比L/D的增大,其峰值强度有所减小且受围压影响明显,弹性模量也明显的增大但与围压的关系不显著。④通过分析裂隙数量与应变关系可知,在不同围压条件下,岩石内部裂隙数量随着轴向变形的增加呈现"S"型曲线增长,当轴向变形接近峰值应变时裂隙出现突变增长,且仅当围压较小时最终裂隙数量趋于收敛。⑤随着试件长径比L/D的增大,岩石破坏时单位面积内裂隙数量逐渐减少,且减小速度增快。总的来说,岩石试样的形状改变对花岗岩的整体峰值强度和弹性模量有着明显的影响,因此,室内试验中应合理设计岩石试样的形状,以获取准确的岩石强度和力学参数。     

不同应力路径下岩石峰前卸荷破坏能量特征分析

基于岩石能量交换原理和3种不同卸荷路径下试验,研究了卸荷条件下岩石轴向吸收应变能、环向扩容消耗应变能、弹性应变能以及耗散能的演化特征与演化速率。研究结果表明:3个方案中,岩石轴向吸收的应变能主要转化为环向扩容消耗应变能,扩容程度方案III方案I方案II,而转化为耗散能较少,只有在临近破坏时耗散能才明显增加。初始围压对轴向应变能、环向扩容消耗应变能及弹性应变能的影响程度明显大于卸载路径,且都随着初始围压的增大呈近似线性增加。同一初始围压下,岩样临近破坏时存储的弹性应变能大小方案II方案I方案III,岩石发生破坏时,方案II发生岩爆的可能性最大。卸载路径和初始围压对耗散能有显著的影响。3个方案中应变能的演化速率均随着初始围压的增大而增加,初始围压对应变能演化速率的影响与卸载路径有关。     

煤矿高浓度胶结充填体能量演化特征试验研究

为了研究煤矿高浓度胶结充填体的能量演化特征,借助RTR-2000高压岩石三轴动态测试系统开展了高浓度胶结充填体不同围压下的常规三轴压缩试验,分析了试件变形破坏过程中的应变能演化规律及围压效应。研究结果表明:(1)对于围压不为0的试件,峰值强度对应的耗散应变能占吸收应变能的比例超过70 %,试件在达到峰值强度前已经发生剧烈的塑性变形和破坏;(2)试件变形破坏过程中,吸收应变能快速增加,弹性应变能先积累后释放,峰值强度时达到储能极限,耗散应变能自屈服变形阶段开始快速增长;(3)相同轴向应变条件下,围压越大,试件的吸收应变能、弹性应变能越大,高围压试件的耗散应变能随轴向应变的增加将超过低围压试件的耗散应变能,围压可以大幅改善试件的应力水平,限制试件的径向变形,提高试件的储能能力,抑制试件的变形破坏。     

井内液柱压力对井壁稳定性的影响

为探究液柱压力对井壁稳定性的影响，研究井壁围岩在井内液柱压力及地应力作用下的受力特征及裂纹扩展模式，采用三轴围压水压试验的方法，改变围压以及井内水压的方式对细砂岩进行室内试验，并通过CT扫描的方法进行内部裂纹观察。研究表明：（1）围压一定时，细砂岩的偏应力-应变曲线的各阶段变化趋势受孔内水压的影响较大，且峰值强度、残余强度、轴向峰值应变与围压、孔内水压均呈正相关。孔内水压的作用延缓了细砂岩的压缩屈服阶段受力破坏的过程，增加了细砂岩的延性破裂程度。（2）CT扫描发现一定围压作用下，细砂岩的主剪切破裂面与轴向的夹角呈现出随着水压的增大而减小的规律，且剪切裂纹轨迹由岩样外侧逐渐向中心孔壁靠近偏转；（3）随着水压的增加，孔内岩块塌落方式由集中塌落转变为零散塌落；水压越大，孔内的岩块塌落面积和塌落度越小。提升水压到合适强度，可以提升井壁稳定性，减小井壁失稳发生的可能。     

梅林庙矿负温饱水红砂岩加卸载力学特性研究

为研究冻结岩石在卸围压条件下强度特性、变形特性以及宏观破坏形态,以鄂尔多斯梅林庙矿风井冻结施工500~600 m处饱水红砂岩为研究对象,分别对其进行不同温度(10,-5,-10,-15℃)、不同围压(4,8,12 MPa)条件下的三轴压缩试验和三轴峰前、峰后卸围压试验。结果表明:1)饱水红砂岩峰前卸围压峰值强度大于单轴压缩强度,小于三轴压缩强度;峰后卸围压峰值强度近似等于三轴压缩强度,其值受人为因素和试验方案影响显著。2)峰前卸围压时,温度越低,试件变形对围压越不敏感,抗扰动性越强;初始围压越大,试件变形对围压越不敏感,抗扰动性越差;峰后卸围压时,温度对试件强度影响甚微,峰后强度大小取决于实时围压值。3)峰前卸围压破坏不同于三轴加载破坏和峰后卸围压破坏;峰前卸围压破坏实质为拉破坏,破坏形态取决于卸围压过程中裂隙的发育状态,峰后卸围压破坏形态取决于前期加载历程,与卸围压无关。     

不同应力环境下岩石力学属性及破坏模式研究

为了研究岩石力学属性及破坏模式的表现规律,在某矿山4个地应力测点处采集岩石样品,结合原岩应力数据,开展了不同应力条件下的室内岩石力学试验。研究表明,单轴受压的软弱岩石通常表现为X型剪切破坏,硬岩则以拉张破坏为主。随着围压增加,岩石均向斜切型剪切破坏模式靠拢,峰值强度和残余强度显著增加,尤其是残余强度增长最快。结合现场应力条件和力学试验得知,五矿1测点处巷道围岩发生岩爆的可能性最大。     

含两组交叉节理砂岩强度及破坏特征离散元分析

为研究含两组交叉节理岩体强度及破坏特征,采用一组经室内试验标定的砂岩细观参数,建立含两组交叉节理岩体颗粒流模型,进行单轴压缩和三轴压缩模拟。基于模拟结果,分析了节理数量、节理倾角和围压对含两组交叉节理岩体强度及破坏特征的影响。结果表明：① 与完整岩石相比,节理岩体强度明显降低。峰值强度随着节理数量的增加近似线性减小,随着节理倾角的增大呈先减小后增大非线性变化趋势,而随着围压的增大而提高;② 节理岩体表现为张性破坏、沿节理滑移破坏、穿节理剪切破坏、张性滑移破坏及剪切滑移破坏等5种破裂模式;③ 节理数量增加会加剧试样破坏程度,但不改变其破裂模式。单轴压缩下,当节理倾角较小时主要发生张性破坏,随着倾角的增大,表现为张性剪切或沿节理面滑移破坏。在围压作用下,试样表现为剪切破坏或剪切滑移破坏。最后从细观层面探讨了节理岩体宏观裂纹的细观位移场分布特征。     

贯通节理砂岩峰后变形试验研究及其在隧道支护中的应用

深部资源开发中地下硐室围岩稳定控制必须面对峰后碎裂岩体的变形和破坏问题,但目前对峰值强度后的变形特征和强度特性研究不足,认识不充分,常导致大体积塌方、大变形等重大工程事故。采用RLW-1000型岩石三轴伺服刚性机对不同围压贯穿裂隙圆柱体标准试件进行常规三轴压缩试验,分析裂隙岩体在不同围压下裂隙岩体的峰后强度和变形特性。试验结果表明:裂隙试件的峰值强度,残余强度和峰值应变基本上是随着围压的增大而增大;围压越小,裂隙岩石峰后扩容现象越明显,岩石扩容随围压增大而减小,且岩石可塑性和围压共同影响岩石扩容。结合试验结果分析发现将峰后非连续体变形控制在残余强度的初始阶段,能以相对较低的支护阻力有效控制过高的破裂膨胀变形发生,保证隧道围岩的稳定。     

Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹对脆性岩石受压破坏的影响

脆性岩石内部的细观裂纹是导致其失稳破坏的重要因素之一,基于细观机制研究岩石受载后微裂纹的扩展、贯通有着重要的意义。脆性岩石内部主要存在Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹,目前该复合裂纹的扩展、贯通对岩石受压产生失稳破坏的影响研究相对较少。依据最大周向拉应力准则,结合拉剪复合作用下的Ⅱ型裂纹强度因子将Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹的强度因子表达式作了变换,得到了受裂纹参数影响的Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹的强度因子表达式,并通过裂纹强度因子与裂纹扩展之间的关系式得到了受Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹参数影响的应力与裂纹扩展长度的关系式,再结合损伤—应变关系推导出受其裂纹参数影响的应力—应变关系式。通过对比大理岩的常规三轴实验结果,发现二者比较吻合,充分验证了该模型的合理性。结果表明,岩石的承载力随着岩石内部初始损伤、裂纹尺寸以及翼型裂纹长度的增大而减小,随着裂纹间摩擦系数的增大而增大。并且在相同轴压的情况下,随着围压的增大,裂纹扩展长度减小,说明围压有效地遏制了岩石内部裂纹的扩展、贯通。本文从细观力学的角度解释了Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹参数对岩石承载能力的影响,并将裂纹开裂角考虑到了其中,为从细观机制方面研究岩石的受压破坏提供了一定的参考。     

混合岩变形及损伤演化试验研究

利用SAM-2000型岩石伺服试验系统和DS2声发射监测仪，对混合岩进行三轴压缩声发射试验，利用声发射参数，分析三轴压缩条件下岩石的损伤演化特征。试验结果表明：轴应变随着围压的变化呈现线性正相关关系；混合岩岩样每出现裂缝时，累计声发射振铃计数数值将发生骤增，且随着围压的增大，岩石破裂前夕声发射特征参数呈现突发性特征；建立了混合岩体应变损伤演化模型，该混合岩体应变损伤演化模型描述混合岩损伤过程分为初始损伤阶段、损伤稳定发展阶段、损伤加速发展阶段及损伤破坏阶段；低围压下混合岩主要发生弹脆性破坏，随着围压的增大，混合岩由弹脆性到延性的转换，混合岩在20MPa围压压缩过程中发生由延性状态转化为塑性状态。该结果合理地反映由低围压到高围压，混合岩由弹脆性到弹延性再到弹塑性的转化。