不同应力路径下花岗岩三轴加卸载力学响应及其破坏特征

开展3种不同应力路径下的花岗岩三轴加卸载试验,得到花岗岩在不同加卸载路径下的应力–应变曲线,分析其破坏特征、变形特征及其强度特征。试验结果表明:(1)卸围压过程中岩石环向应变和体积应变与围压在初始阶段呈线性关系,而后呈明显的非线性关系,岩石轴向变形不明显,变形主要表现为环向变形,岩石扩容显著,脆性破坏特征明显。(2)卸荷试验中岩石变形模量随卸荷比的增大而减小,而泊松比随卸荷比的增大而增大,在卸荷初期岩石变形参数劣化不明显,而后呈指数型变化,且岩石加轴压卸围压试验较恒轴压卸围压试验对变形参数的影响更加明显。(3)在高应力卸荷条件下,Mogi-Coulomb强度准则较Mohr-Coulomb强度准则更能反映岩石的卸荷破坏强度特征;相对于常规三轴压缩试验,恒轴压卸围压试验试样黏聚力c降低24.21%,内摩擦角?增大16.71%,而加轴压卸围压试验试样黏聚力c增大10.25%,内摩擦角?减少6.64%,表明在恒轴压卸围压试验中试样抗破坏的主控因素为摩擦力,而在加轴压卸围压试验中为黏聚力。     

高应力条件下错动带加卸荷力学特性试验研究

 针对白鹤滩地下厂房开挖过程中所揭露的力学响应行为十分复杂的错动带,为研究其在高应力条件下的加卸荷力学特性,开展一系列不同应力水平和应力路径下的不排水三轴常规加、卸荷试验。研究结果表明：(1) 卸荷过程中,错动带卸荷应力–应变曲线特征与初始围压相关性很大,错动带向卸荷方向回弹变形显著,从卸围压开始即表现出强烈的剪胀现象;卸轴压卸围压方案比增轴压卸围压方案的侧向扩展变形表现更为显著;且在试样表面都出现了张/张剪裂纹。(2) 卸荷应力路径下,错动带变形模量劣化效应十分明显,随围压的减小而逐渐降低,基本呈三次多项式递减;体积模量随体积应变的增加而减小,整体呈负指数形式降低;泊松比则随体积应变逐渐增加,整体呈近似抛物线形式递增。(3) 相同初始围压条件下,相较于加荷条件,卸荷条件下错动带的破坏应力有所降低,内摩擦角明显增大,而黏聚力则明显降低;卸轴压卸围压方案下的破坏应力劣化更显著。试验所采用的应力水平和应力路径基本涵盖和反映了错动带在洞室开挖过程中所经历的复杂的应力重分布过程,具有一定的代表性,地下厂房开挖后高边墙错动带黏聚力和内摩擦角取值基本可参考卸轴压卸围压应力路径下天然含水率错动带的试验结果,为后续进一步讨论错动带强度特征并建立错动带本构模型提供了有效依据。     

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。     

北山花岗岩在三轴压缩条件下的强度参数演化

 采用MTS815岩石力学试验机对北山新场深部花岗岩进行三轴循环加、卸载试验,研究岩石强度参数的演化特征。基于Mohr-Coulomb相关理论推导与分析,探讨岩石发生屈服后的强度变化规律。在分析不同围压条件下岩石全应力–应变曲线的基础上,以塑性剪切应变为塑性参数,建立北山花岗岩黏聚力、内摩擦角和剪胀角随塑性参数变化的数学模型。研究结果表明：(1) 在损伤应力点,岩石塑性剪切应变接近于0,损伤应力可作为北山花岗岩塑性参数的零点,其亦可作为岩石强度参数演化的起点。(2) 在损伤应力点后,岩石黏聚力随塑性参数的增加呈指数函数形式衰减并最终趋近于0;内摩擦角随塑性参数的增加以对数正态函数的形式表现出先增加后减小的趋势,且岩石残余内摩擦角值与起始内摩擦角值接近。(3) 损伤应力后的岩石剪胀行为与峰后剪胀行为相似,剪胀角随着塑性参数和围压的增加而不断减小,且对低围压条件更为敏感。(4) 将建立的模型嵌入到数值模拟工具中,通过模拟岩石三轴压缩试验,可证实模型的准确合理性。     

干湿循环泥质白云岩扩容特性及本构模型

为探究干湿循环作用下岩石性能劣化效应,以泥质白云岩为研究对象,针对其实际赋存环境开展干湿循环试验。研究了不同干湿循环作用下泥质白云岩的扩容特性及力学参数;并基于Mohr-Coulomb强度准则建立泥质白云岩统计损伤本构模型。结果表明:岩样的最大体积应变随围压的增大而增大;扩容应力与峰值应力之比随围压呈线性递增关系;扩容应力随围压的增大而线性增大,但其增长速率随干湿循环次数的增大而减小;随着干湿循环作用增强,峰值点的粘聚力降低,内摩擦角增大;扩容点的粘聚力与内摩擦角变化幅度均大于峰值点处,表现为扩容点受干湿循环的影响效应比峰值点处更为敏感;基于Mohr-Coulomb强度准则建立的统计损伤本构模型能描述泥质白云岩三轴压缩的应力–应变关系。     

三轴卸荷条件下大理岩扩容与能量特征分析

扩容现象是岩石变形破坏过程中的重要特征。基于MTS815 Flex Test GT岩石力学试验平台,采用室内三轴卸荷试验和塑性力学理论分析,揭示了大理岩在卸荷条件下的扩容特征及能量变化特征。结果表明,随着围压的增大,岩样的各特征应力随之增大,其扩容特征随之减弱;岩样的扩容参数——扩容指标以及剪胀角均具有围压效应,即扩容指标与围压呈良好的指数型分布,剪胀角与应力比呈线性分布;岩样的卸荷破坏过程中能量特征为初始时以可释放应变能为主到破坏时的耗散能为主,其间的转折点为初始损伤扩容点,同时卸荷条件下的特征能量值与围压具有良好的指数类型关系;在峰值点与残余点处,岩样的能量损伤值与剪胀角以及能量特征值与扩容指标均存在着较好的指数类型关系。     

不同围压下断续预制裂隙大理岩扩容特性试验研究

基于在伺服试验机上获得的不同围压下断续预制裂隙大理岩体积应变-轴向应变全程曲线,分析了围压对断续预制裂隙大理岩扩容特性的影响规律。结果表明,完整和断续预制裂隙大理岩裂纹损伤阈值随着围压的增加均近似呈线性增大,而且裂纹损伤阈值对围压的敏感性低于峰值强度;同等围压下,粒径较小的中晶大理岩具有较高的裂纹损伤阈值;完整或断续预制裂隙大理岩的长期内摩擦角均显著低于瞬时内摩擦角值,但长期黏聚力的降低幅度与裂隙分布密切相关;完整或断续预制裂隙大理岩的峰值强度越高,相应的裂纹损伤阈值也越大,且两者之间具有较好的线性关系。研究结论对于岩石工程设计和数值分析时断续节理裂隙岩体力学参数选取具有一定的参考价值。     

残余强度阶段大理岩流变特性试验研究

锦屏二级水电站引水隧洞埋深大、地应力水平高,高应力状态下的大理岩具有明显的时效特性,工程部分岩体处于残余强度阶段,其流变特性对围岩长期稳定性具有显著影响。利用三轴压缩全过程试验获得进入残余强度阶段的大理岩试件,以此来模拟工程塑性区岩体,并对残余强度阶段的岩石试件进行不同围压下的三轴蠕变试验,系统研究残余强度阶段大理岩的蠕变特性及其长期强度。试验表明:残余强度阶段的大理岩具有明显的瞬时变形、减速蠕变和稳定蠕变特性;受内部大量破裂网格的影响,残余强度阶段岩体的瞬时应变和蠕变量较完整岩块有很大程度的提高;残余强度阶段大理岩的总蠕变量及蠕变速率均随偏应力的增大而增大;长期强度小于其残余强度且随围压的增大而增大;试件长期抗剪强度不具有黏聚力,内摩擦角较残余内摩擦角有所提高。基于残余强度阶段大理岩的蠕变特性,采用Burgers模型模拟其蠕变过程,并对蠕变参数进行辨识,研究表明:Burgers模型模拟结果与蠕变试验具有很高的吻合度,能很好地反映残余强度阶段大理岩的流变特性;其流变参数中弹性模量EM和黏性系数ηM均随着偏应力的增大而减小,黏弹性剪切模量GK与黏弹性系数ηK随偏应力的增大先增大后减小。     

不同温度养护后胶结充填体三轴卸围压力学特性试验研究EI北大核心CSCD

为研究胶结充填体在煤矿深部的高地温环境下发生卸荷的力学特性,采用RTX–4000型岩石动态三轴仪,对不同温度(20℃,35℃和50℃)养护后的胶结充填体进行不同初始卸荷围压下的常规三轴卸围压试验,得到胶结充填体三轴卸荷全过程的偏应力–应变曲线,分析其变形、破坏特征及强度准则。研究结果表明:50℃养护后的胶结充填体内部产生的有害热应力易使胶结充填体卸荷的应力–应变曲线在峰后阶段出现微破裂现象,进而使得变形模量在随围压卸载的过程中也出现突降和逆向增长。胶结充填体卸荷破坏形式主要为局部张拉裂纹、剪切裂纹以及由热损伤和力学损伤共同造成的错位裂纹。Mogi-Coulomb强度准则能更好地表征胶结充填体在增轴压卸围压条件下的卸荷破坏强度特征;随养护温度的升高,胶结充填体的黏聚力先减小后增大,内摩擦角先增大后减小,黏聚力的变化同卸荷峰值强度的变化规律一致,黏聚力越大,卸荷峰值强度越高,表明黏聚力为影响胶结充填体卸荷峰值强度的主要因素。     

高地应力条件下卸荷速率对锦屏大理岩力学特性影响规律试验研究

 岩石所处的初始应力状态及开挖等工况诱发的卸荷速率大小对其力学特性具有明显的影响,通过室内三轴卸荷试验和破裂断口的SEM细观扫描分析,研究高应力环境中不同卸荷速率下锦屏一级水电站大理岩的变形破裂及强度特征。卸荷速率vu和初始围压 越大,岩石脆性及张性断裂特征愈明显,快速双向卸荷时甚至可在次卸荷方向产生张拉裂缝。张性破裂断口细观形态随vu和 的增大依次呈现“树枝形张裂状”、“千层饼形撕裂状”和“近光滑平面形弹射状”;卸荷过程中轴向压缩应变增量 随vu和 增大而减小,而侧向膨胀应变增量 却增大;不同的卸荷变形阶段卸荷速率vu对变形模量E的影响规律不同,峰前E随vu的增大而增大,而峰值E随vu增大先逐渐增大再迅速降低;卸荷过程中岩石的泊松比 逐渐增大,并随vu和 增大而显著,特别是从峰值点后;相对于加载试验,卸荷条件下岩体的黏聚力c大大减小,而内摩擦角j却有少量增大,vu越快,c减小得越多,j增大的较少。     

基于大型直剪试验的高炉矿渣粉煤灰混合料力学特性研究

依托包钢新体系2 250 mm热轧车间的地基处理工程对混合料的力学特性进行研究;借助大型直剪仪对不同围压和含水率的混合料进行直剪试验,分析了混合料在不同条件下的抗剪强度、力学参数以及从混合料剪切“翻滚 跳跃”现象的角度对相应的剪应力 剪切位移关系曲线上下波动情况进行分析;通过线性回归分析得到含水率与粘结力和内摩擦角的关系曲线。结果表明:当含水率相同时,随着法向应力的增加,混合料的抗剪强度峰值逐渐增大;相同法向应力作用下,随着含水率的增加,混合料的抗剪强度逐渐降低;随着含水率的增加,粘结力和内摩擦角逐渐降低,并且含水率的变化对粘结力的影响程度较内摩擦角大;当剪切位移处于试样长度的1/60~1/10时,剪切“翻滚 跳跃”现象最为明显,相应的剪应力 剪切位移曲线所出现的上下波动幅度也最大。     

黄土节理抗剪强度特性试验研究

试验得出表面形态、干密度和含水量对黄土节理的强度特性的影响,揭示出黄土节理表面形态对抗剪强度参数c、φ值的影响规律。在相同含水量和干密度的情况下,粗糙表面的节理粘聚力c值较平整表面节理的大,而节理的摩擦角φ值相差较小,说明黄土节理形态特征对节理粘聚力c值有较大影响,而对摩擦角φ值影响较小。干密度对黄土节理粘聚力c值的影响较大,而对内摩擦角φ值的影响较小。当试样含水量在一定范围之内,黄土节理的摩擦角随含水量的增加呈二次曲线变化。但当试样含水量较大时,测得试样抗剪强度稍有增大,是因为节理表面部分土体在法向压力作用下发生重塑,破坏面已不是原有节理面,重塑土体自身的抗剪强度发生作用,引起试验所测抗剪强度的增大。     

不同改良材料对膨胀土工程性能影响的对比试验

以石灰、水泥、粉煤灰、风化砂四种材料改良同一种膨胀土,掺入不同的比例后,进行室内试验研究。试验表明:四种材料的掺入均能改善膨胀土的抗剪强度,其中掺水泥能大幅度提高膨胀土的黏聚力和内摩擦角;其次,掺石灰也能显著提高膨胀土的抗剪强度指标;掺入风化砂和粉煤灰后,膨胀土的黏聚力会有所下降,内摩擦角会随着掺量的增加,先逐渐增大后缓慢降低。掺入这四种材料均能有效改善膨胀土的膨胀特性,从对有荷膨胀率的影响效果来看,掺石灰对抑制膨胀效果最好,其次是水泥,而后是粉煤灰和风化砂。     

矩形断面巷道冲击地压机理研究

基于顶板剪切梁模型研究矩形巷道冲击地压发生问题,得到矩形断面巷道发生冲击地压的临界塑性软化区深度和临界载荷,分析巷道宽度、巷道高度或煤层厚度、顶板厚度等几何因素,以及煤层与顶板刚度比、煤的模量比、煤的强度参数、侧压力系数和水平应力分布指数等煤岩力学性质因素对临界条件的影响规律。结果表明:巷道顶板岩层以剪切变形破坏为主,当临界塑性区深度与临界载荷较小时,易于发生冲击地压,其发生频度较高,强度较小,破坏性较小;反之,冲击地压不易发生,其发生频度较低,一旦发生其强度会较大,破坏性较大。临界塑性区深度与巷道宽高比、初始黏聚力的大小无关,随顶板厚度、刚度比、模量比、水平应力分布指数的增加而增大,随煤层塑性软化刚度、内摩擦角、侧压力系数的增加而减小。临界载荷随巷道宽高比、煤层塑性软化刚度、水平应力分布指数的增加而降低,随顶板厚度、刚度比、模量比、初始黏聚力、内摩擦角、侧压力系数的增加而增大。     

振动荷载对厦门地区红黏土抗剪强度影响的试验与分析

以厦门某建筑工地红黏土为试样,进行振动荷载作用前、后三轴剪切对比试验。通过对试验数据的分析,对振动荷载对试样的黏聚力、内摩擦角、抗剪强度方程、抵抗侧向变形能力等的影响特性进行研究。研究结果显示,在其他试验条件相同的情况下,经振动荷载作用后的红黏土试样黏聚力降低51.72%,内摩擦角减少50%,抗剪强度线向下显著偏移,表明振动荷载不利于红黏土的稳定和承载。研究结论对防治岩土工程和地质灾害等具有一定的理论和现实意义。     

粘性土剪切带破坏研究

压实粘性土是静水压力和应变率相关性材料,在低围压下表现出软化现象,在高围压下表现出硬化现象.在同一含水率,不同围压下粘性土随周围压力的增大,同一轴向应变所对应的偏应力也越大;压实度一定时,含水率越高,粘聚力越大,而摩擦角越小,粘性土的抗剪强度越弱;含水率一定时,压实度越高,粘聚力越大,而摩擦角越小,抗剪强度也越大.利用TSZ10-1.0型应变控制式三轴仪,对四川绵阳地区粘性土进行了常规三轴压缩试验,研究了不同围压和含水率下粘性土的应力-应变关系、抗剪强度指标,并对粘性土的剪切带破坏进行了拟合分析.     

粉土—混凝土界面与粉土剪切对比试验研究

采用自制的大型直剪仪开展不同含水量条件下黄泛区粉土-混凝土界面剪切及粉土直剪试验,研究不同含水量下粉土-混凝土界面及粉土剪切力学特性。试验结果表明:粉土-混凝土界面和粉土直剪的剪切应力-剪切位移曲线均为应变硬化型;粉土直剪的剪缩变形明显大于界面剪切结果;相同条件下,粉土-混凝土界面的剪切强度大于粉土的直剪强度,随着含水量的增大,粉土-混凝土界面与粉土剪切强度的差异逐渐减小,粉土趋近饱和时,两者强度基本相同;粉土直剪破坏时的剪切位移大于界面剪切破坏时的剪切位移;粉土直剪的黏聚力和界面黏聚力、摩擦角随含水量的增大均近似呈线性减小趋势,粉土直剪的内摩擦角随含水量增加呈现先缓慢后加速减小的变化趋势。     

松香基相似材料抗剪强度指标试验研究

采用松香作为胶结剂的相似材料是地质力学模型试验中常用的一种相似材料。为研究松香基相似材料骨料组成、松香用量、石蜡用量等影响因素对其抗剪强度指标的影响,设计了三因素四水平的正交试验。制作了16组不同配比的试样,通过直剪试验测得其黏聚力和内摩擦角,并对试验结果进行了极差分析。结果表明,松香基相似材料的黏聚力受松香用量的影响最大,随着松香用量的增加,黏聚力有大幅增长;内摩擦角受骨料组成影响最大,粗骨料比例越高,内摩擦角越大。通过调节配比,可使黏聚力在68 kPa~270 kPa之间波动,内摩擦角在29°~58°之间波动。该研究成果可为地质力学模型试验中相似材料的制备提供参考。     

线性吸力下非饱和土条形地基临界荷载三剪统一解

基于非饱和土抗剪强度三剪统一解,该解充分考虑了中间主应力效应、材料拉压不等特性和强度准则差异对非饱和土抗剪强度的影响,严密推导了基质吸力线性分布下条形地基临界荷载三剪统一解,讨论了中间主应力、有效黏聚力、有效内摩擦角和强度非线性等参数对临界荷载的影响。研究结果表明:在基质吸力均匀分布和线性分布下,临界荷载随着中间主应力的增大呈现线性增大,中间主应力效应对临界荷载具有显著影响;临界荷载随着有效黏聚力的增大呈现线性增大;临界荷载随着有效内摩擦角的增大呈现非线性增大;处理非饱和土强度非线性采用双曲线吸力角的方法二精确但复杂,高基质吸力下基质吸力对强度提高的影响大于对吸力角使强度降低的影响。非饱和土临界荷载三剪统一解包含了多种屈服准则下的计算公式,具有较广泛的适用性,可为实际工程提供一定的参考。     

基于温度变化的路基盐渍土动强度参数试验研究

基于英国GDS动三轴试验系统,对青海西部地区的路基盐渍土进行动三轴试验,在温度变化条件下探讨其破坏动应力、动黏聚力及动内摩擦角等相关参数随围压、频率的变化规律,建立了不同动载频率下破坏动应力-围压-温度关系曲面,得到了与温度相关的曲面拟合方程。试验结果表明：土-冰-盐的胶结作用对温度变化极其敏感,随着温度降低,盐渍土的破坏动应力明显增大;动黏聚力和动内摩擦角随温度的降低而增大。