冻融循环后砂岩三轴卸围压力学特性试验研究EI北大核心CSCD

为探讨寒区边坡工程岩体受冻融循环和开挖卸荷双重作用的影响规律,对经历不同冻融循环次数的砂岩进行单轴、三轴压缩及峰前卸围压3种力学试验,重点研究冻融循环后砂岩在卸荷应力路径下的力学性能和破坏特征。试验结果表明:(1)冻融循环次数增加导致岩样峰值强度和弹性模量逐渐减小。(2)相同围压降低量下,岩样径向应变与体应变变化较大,轴向应变变化相对较小。(3)冻融损伤越大,径向应变和体应变对围压降低越敏感。(4)岩样变形模量在卸围压过程中逐渐降低,冻融循环次数越高降低速率越小,且初始变形模量越低。(5)泊松比在卸围压过程中逐渐增大,冻融循环次数越高增速越低,泊松比增长初期与体应变大致呈线性关系。(6)不同冻融循环次数下岩样单轴压缩破坏模式均为劈裂破坏;常规三轴压缩破坏模式均为剪切破坏,剪切带大致沿端面对角开展,并伴随局部岩块掉落;峰前卸围压破坏模式为介于单轴和常规三轴间的混合模式。     

岩石试样的三轴卸围压试验

介绍了模拟地下岩体破坏的三轴卸围压试验，从新的角度考察了岩石强度、围压与试样弱化破坏间的关系，以塑性变形量和本征强度统一研究了三轴压缩和卸围压两种力学过程，提出了材料参数弱化模量来描述岩样的本征强度降低，讨论了循环加卸围压过程。     

煤样三轴压缩下变形和强度分析

基于在伺服试验机对煤样的常规三轴压缩和三轴卸围压试验,分析了煤样在不同应力条件下的强度和变形特征。煤样在围压作用下裂隙闭合后利用摩擦仍可以承载,并且所有煤样峰前变形特性基本一致。三轴卸围压试验峰值处出现屈服平台,与常规三轴相比峰后塑性明显增强,煤样破坏时的轴向应变量受常规三轴压缩全程应力–应变曲线控制。常规三轴压缩和三轴卸围压试验的峰值强度与围压均成线性关系,围压影响系数基本相同,内摩擦角能够表征材料力学性质,与加载方式没有关系,但相同围压下三轴卸围压时试样的承载能力比常规三轴加载时明显偏低,表明煤样经历较高轴向载荷作用后存在局部损伤。     

不同应力路径下大理岩破坏过程的声发射特性

 对大理岩试样进行常规三轴和卸围压破坏过程的声发射参数测试,研究加荷和卸荷两种应力路径下大理岩破坏过程的声发射特性差异。结果表明,常规三轴试验中,声发射幅值随着围压的增加逐渐增大,岩样破坏前的声发射累计释放能量呈线性增加,最大振铃计数率和能量计数率不是出现在峰值,而是出现在峰后应力跌落阶段,峰值应力前的屈服阶段和残余强度前各存在一个平静期,振铃计数率的每个突增都与应力降相对应。卸围压试验中,岩样破坏后声发射幅值明显增大,卸荷开始后振铃计数率和能量计数率出现突增,声发射累计释放能量呈非线性迅速增加,根据声发射累计释放能量增速可以将岩样破坏过程分为3个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段和塑性阶段,在大规模声发射出现前期会出现平静期,两者会交替发生。与常规三轴试验相比,卸荷声发射振铃计数率更大,累计释放能量更高,说明大理岩卸荷破坏更加剧烈。     

含节理大理岩变形和强度特性的试验研究

 锦屏二级水电站处于高地应力区域,引水隧洞开挖后岩体变形和稳定问题十分突出。从辅助洞取样制备含节理试件,采用MTS815.03岩石三轴试验机,开展了含天然节理大理岩试件的常规三轴压缩试验。试验中,节理面与最大主应力夹角θ为29.3°～56.0°,围压为5～40 MPa。通过试验结果分析,主要得到如下结论：(1) 试件共有两类破坏形式：穿切节理面破坏和沿节理面滑移。试件破坏形式主要取决于节理面与最大主应力夹角大小。在试验围压范围内,围压高低对试件破坏形式没有影响。(2) 试件变形特征取决于节理面与最大主应力夹角的大小,并受围压高低影响。(3) 试件轴向变形曲线均具有较好的线性段,但其轴向等效弹性模量均显著低于完整岩石弹性模量。(4) 试件强度首先取决于θ的大小,θ＞40.0°的试件破坏强度与完整岩石相当;θ＜40.0°的试件破坏强度较完整岩石有显著降低,不同节理强度差异是导致不同试件破坏强度差异的主要原因。     

大理岩加卸荷破坏过程的能量演化特征分析

 根据大理岩加荷破坏与卸荷破坏试验结果,研究大理岩不同应力路径下的破坏特征和能量演化规律。结果表明,常规三轴破坏岩样吸收总能量 高于单轴压缩吸收总能量,峰值强度后常规三轴弹性应变能释放比单轴缓慢,储能极限高于单轴压缩的储能极限。随着卸荷初始围压升高,岩样峰值强度和峰值应变增大,破坏形式由张拉–剪切破坏向剪切破坏过渡,岩样在峰值强度处吸收的总能量 和弹性能 增大,耗散能 却没有明显变化,围压对峰值强度处的 和 无明显影响。卸荷速度增大,岩样峰值强度和峰值应变减小,破坏形式由剪切破坏向张拉–剪切破坏过渡,岩样在峰值点处吸收的总能量 和弹性能 减小,耗散能 却没有明显变化,卸荷速度对 和 无明显影响。加荷与卸荷2种应力路径下,岩样在到达峰值强度时所吸收的总能量和储能极限都与峰值强度呈线性关系。     

粉砂岩卸荷破坏全过程的试验研究

对粉砂岩试样进行了常规三轴加载后保持轴向变形不变的峰前、峰后卸围压试验，得到了峰前、峰后卸围压全过程曲线。在此过程中，试验机不再对岩样压缩做功，岩样的破坏是通过自身储存的变形能来实现的。对岩样破坏特征、强度和变形特性的分析结果表明：对于峰前卸围压，岩样表现出脆性剪切破坏的特征，而对于峰后卸围压，则表现出张剪破坏的特征，峰前卸围压破坏比峰后卸围压破坏更具有突发性；对于峰前、峰后卸围压，岩样都表现出明显的侧向扩容现象；岩样破坏时的轴向承载能力对围压都很敏感，这实际上是破裂块体之间的镶嵌组合，反映了试件沿破裂面摩擦滑动的结构效应。     

不同应力路径下岩桥试验的声发射特征研究

 岩质边坡中岩桥贯通是导致边坡失稳的重要因素,通过开展不同岩桥长度岩样的常规三轴加荷、三轴卸荷以及三轴加卸荷试验,研究在不同应力路径下岩桥贯通破坏过程中的声发射特征,以及围压和岩桥长度对声发射特征的影响。结果表明：岩石压密阶段与线弹性变形阶段声发射事件较少,塑性阶段声发射事件明显增多,破坏阶段声发射计数率、累计能量以及幅值均达到峰值。声发射特征的明显变化可为紧接的岩样破坏提供预警作用,幅值变化较其他指标更为敏感,因此幅值的监测对于各阶段演化以及破坏预警更有效。本试验中,岩桥试样达到峰值强度后不会立即跌落至残余强度,而是出现2次应力跌落,应力跌落均对应声发射特征达到峰值,2次应力跌落中会出现“平静期”或“峰后回升”现象,其声发射特征与塑性阶段相似,但幅值、计数率与累计能量均大于塑性变形阶段,表明在这一阶段岩样裂纹仍以较快速率扩展,最终导致岩桥贯通破坏。不同应力路径下累计能量由大到小依次为：三轴加卸荷、三轴卸荷和常规三轴。随着岩桥长度与围压的增加,声发射计数率峰值和累计能量逐步增长,破坏程度更加剧烈。     

含天然贯通弱面石灰岩试样的力学性质研究

 为研究天然弱面对岩石力学特性的影响,对40个完整和含有53°～90°倾角的天然贯通弱面石灰岩试样进行纵波速度测试、单轴和常规三轴压缩试验。试验结果表明：纵波速度与弱面倾角和单轴抗压强度并没有明确的关系。试样破坏有沿弱面滑移、穿切弱面和复合破坏3种形式：弱面倾角为65°～80°时易沿弱面滑移破坏,强度明显偏低;弱面倾角小于65°或大于80°时出现穿切弱面破坏,强度和破裂角大致满足Coulomb 强度准则;有2个试样发生复合破坏,强度介于两者之间。石灰岩充填弱面的材料与主体类似,因而与完整试样具有相同的内摩擦因数 0.944;据此可以从三轴压缩强度扣除围压影响,得到40个试样材料强度为30.3～177.1 MPa,平均值为121.3 MPa,标准差为32.6 MPa,大致服从正态分布规律。因最弱断面的方向随试样而不同,其黏聚力也存在显著差异,引起试样三轴压缩的强度和破坏方式的显著不同。     

节理面对千枚岩物理力学性状的影响

节理面对岩体物理力学性状具有显著影响。以千枚岩为例,开展常规三轴压缩试验,讨论节理面与最大主应力夹角、围压对岩石破坏模式的影响。结果表明:1)节理面与最大主应力夹角在5°~45°,破坏模式有张拉-剪切复合型破坏、横交节理面剪切与沿节理面滑动的复合型破坏以及沿节理面间的剪切滑动破坏三种;2)随节理面与最大主应力夹角增大,峰值强度逐渐降低,破坏模式发生由复合型向单一型的转变;3)千枚岩变形、强度参数具有明显"夹角效应",节理面与最大主应力夹角对弹性模量和黏聚力影响较为显著;4)围压增大会降低岩石节理面的力学效应。