饱和砂岩在疲劳载荷作用下的黏弹性性质

 采用由法国引进的Metravib热机械分析仪,用正弦波加载方式,模拟地震波(行波)的传播,试验时固定静载为100 N,正弦波动载荷恒为60 N,将总载荷控制在屈服点以下;在温度为－50 ℃～125 ℃、升温速率保持在1 ℃/min、频率为5～90 Hz的条件下,对饱和泵油长石砂岩、彭山砂岩圆柱形样品进行单轴循环加载试验,求取饱和泵油长石砂岩和彭山砂岩波的能量衰减、虚模量、杨氏模量、弹性波速度与温度和频率的关系。以此研究饱和多孔岩石中行波的能量衰减和虚模量随温度的变化规律,取得行波随频率增高饱和多孔岩石的能量衰减峰和虚模量峰的峰位向高温方向移动、能量衰减峰和虚模量峰的强度增大的热激活弛豫规律,这种行波规律也是热激活弛豫机制引起。同时,获得饱和岩石的杨氏模量和弹性波速度对温度和频率的动态响应。杨氏模量和弹性波波速随温度升高而下降,随频率增高而增大,具有较明显的频散效应,随温度升高频散效应有减弱的趋势,取得与低频共振的驻波试验同样的热激活弛豫规律,说明热激活弛豫规律在饱和多孔岩石中具有一定的普适性。其结果是研究时温等效的试验和理论基础;同时该研究结果对岩石物理理论模型研究具有很好的指导意义,对现场地震波和声波测试结果和地震勘探资料的解释具有现实意义。     

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。     

砂岩在低频循环荷载作用下的疲劳和损伤特性试验研究

针对砂岩岩样,探讨围压作用时不同频率轴向循环荷载下的疲劳损伤特性,研究频率对砂岩岩样的疲劳力学性质的影响。采用的试验设备是MTS–815岩石和混凝土试验系统,试验围压分别为2,10和40 MPa,施加的循环荷载频率分别为0.1,1.0,3.0 Hz。岩样为汶川地区的干砂岩,试样平均直径为48.9 mm,高度与直径之比为2∶1。试验结果表明:(1)在相同围压作用下,频率对岩样的残余变形、疲劳刚度和破坏模式有很大影响,频率越高,破坏时的残余轴向应变越大,破坏次数越多,岩样的初始刚度越大;(2)提出的疲劳损伤变量D可以描述岩样在循环荷载作用下的疲劳损伤过程。     

低围压和疲劳载荷下砂岩的波速、模量及疲劳损伤(Ⅱ):岩石的力学特性

实验结果表明，岩石的弹性波速度Vp，Vs1，Vs2随压力的升高而上升，随温度的升高而下降：平均应变随循环数(时间)的变化类似于一条蠕变曲线。根据不同温区应变速率随时间的增长不同，将它分为3个蠕变阶段。随循环数的增加，温度不断上升，岩石标本的热损伤和疲劳损伤累积，使岩石标本内部的微观结构劣化，强度降低，最终促使标本宏观破坏。这对大型地下工程抗震、核仓库的设计是很有意义的。     

不同频率循环荷载作用下花岗岩细观疲劳损伤特征研究

 开展花岗岩细观疲劳损伤特征的试验研究对于理解花岗岩宏观力学疲劳特性具有重要的理论价值和实践意义。首先,基于RMT–150B多功能全自动刚性岩石伺服试验机,对花岗岩试样采用幅值为10 MPa,频率分别为0.01,0.02,0.05,0.10,0.20,0.50和1.00 Hz的正弦疲劳荷载进行单轴循环加卸载试验;然后,利用扫描电镜(SEM)获取大量花岗岩细观微结构信息,来研究不同频率循环荷载作用下花岗岩细观疲劳损伤特征。结果表明：在较低频率循环荷载作用时,沿晶裂纹是3类晶体主要损伤形式;当荷载频率较高时,石英和云母仍以沿晶裂纹为主要损伤形式,而长石则表现出以沿晶裂纹为主,穿晶裂纹和晶内裂纹为辅的损伤特征;沿晶裂纹和晶内裂纹的方位角表现出趋于循环荷载轴向方向的特征,而穿晶裂纹方位角则表现出明显的无规律性;沿晶裂纹是主要的损伤发展方式,穿晶裂纹次之,晶内裂纹对损伤发展基本没有贡献。     

周期荷载作用下白砂岩的疲劳特性研究

 利用RMT–150B岩石力学试验系统,分别采用固定下限应力改变上限应力和固定上限应力改变下限应力的试验方法,进行不同加载条件下白砂岩的疲劳试验,研究周期荷载作用下白砂岩疲劳破坏过程中的疲劳特性、轴向应变的累积规律和轴向不可逆变形的发展规律和应变速率与循环次数的关系。研究结果表明,周期荷载作用下白砂岩的破坏过程宏观上是轴向不可逆变形的逐步发展累积,直到其破坏的过程,且其轴向不可逆变形发展过程表现出不依赖于应力比的三阶段发展规律;且疲劳破坏过程受静态应力–应变全过程曲线的控制,周期荷载的上限应力和振幅是影响白砂岩疲劳破坏过程和疲劳寿命的主要因素。     

三轴应力作用下水对岩石应力松弛特性影响作用试验研究

 采用RLJW–2000岩石三轴流变伺服仪,在相同试验条件下分别对干燥与饱水状态下的粉砂质泥岩进行室内三轴压缩应力松弛试验。依据试验结果,分析了松弛稳定后水对岩石总应力松弛量、总应力松弛度、松弛稳定时间、平均应力松弛速率的影响作用,并且分析了松弛过程中随时间的增加水对岩石应力松弛量、应力松弛度、应力松弛速率影响作用的变化趋势。考虑粉砂质泥岩流变参数的损伤劣化效应,以Hooke-Kelvin模型为基础,引入损伤变量对模型进行改进,建立了岩石的非线性应力松弛损伤模型。应用Levenberg-Marquardt算法,辨识得出干燥与饱水岩石的应力松弛损伤模型参数。基于辨识结果,研究了水对岩石非线性应力松弛损伤模型参数的影响作用。研究结果表明：(1) 由于水的影响作用,松弛稳定后粉砂质泥岩的总应力松弛量减少、总应力松弛度增大、松弛达到稳定的时间增长;松弛过程中,随时间的增加,水对粉砂质泥岩应力松弛量与应力松弛度的影响作用减弱。(2) 由于水的影响作用,粉砂质泥岩的平均应力松弛速率减小,各时刻岩石的应力松弛速率降低;松弛过程中,随时间的增加,水对粉砂质泥岩应力松弛速率衰减的影响作用增强。(3) 粉砂质泥岩应力松弛过程中,水对岩石的黏性力学特性影响作用较大,而对岩石的瞬时弹性和黏弹性力学特性影响作用相对较小。(4) 粉砂质泥岩的应力松弛损伤受应变水平、时间以及水3种因素的共同影响,而非线性应力松弛损伤模型可以有效地反映3种因素对岩石应力松弛参数的综合损伤弱化作用。(5) 水对粉砂质泥岩应力松弛特性的影响作用是极其显著的,水极大地增强了岩石的时效特征,改变了粉砂质泥岩的应力松弛特性。因此,在重大工程设计和施工中,不能忽视水对岩石应力松弛特性的影响作用。     

岩体在冲击载荷作用下的各向异性损伤模型及其应用

建立了一个各向异性的损伤模型，用于描述岩土工程中预留岩体在冲击载荷下的损伤演化特征。以二阶张量为损伤变量，推导了依赖于损伤变量的弹性模量表达式，利用一个等价状态，建立损伤岩体的本构关系。为了反映冲击载荷下岩石材料的应变率敏感性，对损伤的门槛值进行粘性调整。研究结果表明，该损伤模型能够模拟岩石材料在冲击载荷下的损伤特征，可以为岩土工程中经历过冲击扰动作用的岩体的稳定性分析提供理论依据。     

循环载荷作用下岩石材料变形场演化试验研究

 将岩石在动载荷作用下破坏过程的应力场直观地表现出来,从变形场演化的角度研究岩石试件的破坏规律是岩石力学变形观测领域一个有重要意义的课题。采用岩石材料破坏过程变形场监测(Geo-DSCM)系统,观测循环载荷作用下岩石材料破坏过程中的变形场演化。岩石试件采用大理岩加工而成,对岩石试件加载的循环载荷为正弦波,其下、上限载荷分别为10,130 kN,频率为0.04 Hz。通过对多个岩石试件的变形破坏过程的观测,从变形场演化的角度总结岩石材料在循环载荷下的破坏规律。试验结果表明：循环载荷作用下岩石的变形经历3个阶段,即均匀阶段、局部化阶段和破坏阶段。岩石在破坏过程中其变形场演化表现出一个规律,即在破坏前夕发生严重的变形局部化现象,形成变形局部化带;变形局部化带中的变形进一步集中,形成宏观裂纹,导致试件破坏。从而可用一种描述变形场局部化特征的统计量(如变形场的方差)来表征变形场演化过程,岩石破坏前发生变形局部化,此统计量会发生突跳。因此,此统计量可用以指示岩石结构的破坏,如果设计现场观测系统,应用此方法有望实现灾害监测与预报。     

循环载荷下饱和砂岩的滞弹性衰减与损伤研究

为研究饱和砂岩在弹性范围内的滞弹性衰减与损伤的关系,在0.01～1 000 Hz频率范围和-60℃～190℃温度范围内开展受迫共振和单轴循环加载实验。实验结果显示岩石的响应曲线出现弛豫衰减峰,岩石中频散效应随温度和频率的升高愈发明显。研究表明：应力诱导下岩石内部的微损伤产生运动并相互作用;振动频率的提高促进岩石微裂纹增长;温升和激活能偏小助力微裂纹的萌生和扩展;循环应力也会在岩石内部微观结构不均匀处产生新的疲劳微损伤。虽然导致岩石品质下降的滞弹性微损伤发生在弹性范围内,但在动态和高频载荷作用下其累积效应会加速发展,值得关注。     

盐岩应变硬化自弱化现象研究

 为探究盐岩的应变硬化自弱化现象及机制,拟通过单轴压缩卸载、静置、二次加载试验来研究盐岩自弱化后强度指标和变形指标的变化规律。并基于位错理论,对自弱化的微观机制进行阐述。研究结果表明：(1) 盐岩自弱化后的强度和弹性模量随静置时间(弱化时间)的变长而呈现弱化趋势;且4 h之前弱化趋势明显,之后趋势特征不明显。(2) 盐岩弱化后的泊松比和等容变形率在4 h前后有台阶特征。泊松比的前台阶值小于后台阶值,等容变形率的前台阶值大于后台阶值。(3) 盐岩自弱化现象是应变硬化后位错在内部残余应力(摩擦力和位错弹性力)的作用下逐渐远离集中区,均匀化的结果。     

周期荷载作用下岩石疲劳变形特性试验研究

利用RMT—150B岩石力学多功能试验机完成了单轴压缩状态下砂岩、大理岩和花岗岩试件疲劳破坏变形及机理的较为系统的试验研究．试验结果表明，岩石的疲劳破坏受到静态应力．应变全过程曲线的控制，疲劳破坏时的变形量与周期荷载的上限应力在静态应力-应变全过程曲线后区对应的变形量相当．将岩石轴向不可逆变形发展划分为初始变形阶段、等速变形阶段和加速变形阶段3个阶段，3个阶段变形的累积将导致岩石的最终破坏．影响岩石疲劳寿命的主要因素是周期荷载的上限应力和幅值．     

循环荷载作用下饱和软粘土应变软化研究

通过对杭州市正常固结饱和软粘土进行应力控制的循环三轴试验,从应变的角度出发研究了循环荷载作用下土体的软化情况.通过研究不同循环应力比、不同超固结比、不同频率下轴向周期应变的软化情况分析了土体的软化,同时建立了一个合理反映土体应变软化的数学模型并确定了参数.     

中应变率下动静组合加载岩石的本构模型

阐述动静组合加载岩石的本构模型研究意义，并对国内外关于岩石动态本构模犁的研究方法进行分类。采用组合模型研究方法，将统计损伤模型和黏弹性模型相结合，分别建立中应变率下二维和三维受静载荷作用岩行在动载荷作用下的本构模型（动静组合加载本构模型）。对一维动静组合加载本构模掣用不同静应力的相关试验进行验证，其结果表明，利用该模型计算得到的本构曲线与试验结果具有较好的一致性。对于三维动静组合加载本构模型，采用动力三轴试验机加围压时对应的岩石动载本构关系进行验证。     

循环荷载下岩石阻尼参数测试的试验研究

 对岩石阻尼参数测试进行理论分析,利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统,对细砂岩和粉砂质泥岩进行单轴压缩循环荷载下的试验研究。试验加载波形为正弦波,频率3 Hz,加卸载振动循环30次,动应力范围1.0～6.5 MPa(即2～12 kN)。利用循环加卸载试验方法对岩石阻尼参数进行测试,得到岩石密度与加卸载循环塑性变形、滞回环面积、阻尼比、阻尼系数等的变化特征。在相同测试条件下,岩石密度越大,循环加卸载得到滞回环间的塑性变形则越小,相互滞回环间距为紧密型;反之则塑性变形大,滞回环间距为稀疏型;岩石密度越大,滞回环面积则越小,岩石发生的能量耗散则越小,反之则滞回环面积大,能量耗散也大;阻尼比随密度增加而减小,阻尼系数则大致增加,故可通过岩石密度初步定性判断其阻尼参数特征。     

非线性硬化与软化的巷道围岩应力分布与工况研究

采用摄动法得到接近岩体实际的弹性、应变非线性硬化和软化3段光滑连接的本构模型，求得静水压力下圆形巷（隧）道围岩塑性硬化区和软化区的应力分布规律。给出围岩平衡方程、地应力-硐室位移关系和围岩特征方程。分析中可自然导出围岩自承地应力上限概念。根据围岩平衡方程写出围岩弹性区、硬化区和软化区分担地应力的表达式。计算表明，围岩硬化区承载力ph大于弹性区承载力pe，软化区也有相当的承载能力。特别是所求得的切向应力σθ/p0-r/α曲线光滑连接，没有尖峰向上的应力集中，此结果与其他学者在巷（隧）道模拟试验中测得的σθ-r曲线形状一致，从理论上证明基于理想弹塑性本构模型的Kastener解在围岩软化区半径处的σθ-r曲线有尖峰向上的应力集中与实际不符。     

静力循环加载与动力重复冲击下岩石破坏全过程对比试验研究

 采用岩石刚性试验机和分离式霍普金森压杆分别对岩石试件进行静力循环加载和动力重复冲击试验,获得2种载荷下的应力–应变关系曲线,特别是得到难以获取的动力重复冲击下破坏全过程的应力–应变关系曲线。对比2种载荷作用下的应力–应变曲线,除应变率效应外,两者有诸多相似之处：破坏过程均是渐进的,经历了屈服、开裂、粉碎等阶段;在应力–应变关系上大致都可分为弹性、强化、软化和残余等几个部分;过极限承载点后承载能力和模量都逐渐降低。对比试验研究表明,可通过岩石的静力循环加载试验结果来大致推算动力重复冲击下的基本力学特性。