中低应变率范围内单轴压缩下花岗岩断口细–微观特征研究

岩石宏观破裂状态及其细–微观形貌是表征岩石破坏机制的重要特征,而断口形貌则由岩石破裂过程中的能量特征确定。花岗岩在中低应变率加载条件下宏观上均成剪切破裂模式。利用扫描电镜(SEM)和3D激光扫描仪,研究不同应变率加载条件下花岗岩断口的细微观形貌特征;采用分形原理,对岩石破裂表面的粗糙程度进行定量表征。结果表明:随着应变率的增高,花岗岩细微观断裂模式变化规律为沿晶断裂→沿晶断裂和解理断裂→穿晶断裂(路径弯折)→穿晶断裂(路径较平直)。应变率的不同导致岩石破裂过程中吸收能量的差异,进而影响裂纹扩展的难易程度以及参与扩展裂纹的数量,最终导致岩石强度随应变率的增加而增加。     

考虑应变率效应的混凝土材料单轴压缩特性尺寸效应研究

为了研究尺寸效应和应变速率对混凝土力学性能和变形能力的影响,对3种尺寸(70、100、150 mm)228个混凝土立方体试块分别在4种应变速率下(10^-5、10^-4、10^-3、10^-2/s),进行了试验研究。试验结果表明:同一应变率下,混凝土峰值应力随着尺寸的增大而减小,混凝土峰值应变随着尺寸增大而逐渐增大,并分析得出应变速率较大时,峰值应变由骨料弹性变形决定;应变速率较小时,峰值应变由水泥凝胶体黏性流动和混凝土裂缝扩展决定。同一尺寸下,混凝土峰值应力随着应变速率的增大而增大;混凝土弹性模量随应变速率的增大也呈现逐渐增大的趋势。指出动态加载下,混凝土弹性模量变化幅值不是一个确定的值,用静态下的弹性模量简单乘以一个放大或折减系数,不能满足计算动态加载下弹性模量的要求。通过线性回归分析,发现混凝土动态弹性模量和应变速率的对数成线性增长关系,对两者关系进行拟合,发现混凝土弹性模量与应变速率的关系曲线与试验结果吻合较好。     

高温–水冷却花岗岩动态压缩力学特性的应变率效应研究

为探究高温–水冷却花岗岩的应变率效应,使用MXQ1700箱式气氛炉制备200℃,400℃,600℃,800℃和1 000℃共5种高温花岗岩试样并用水冷却,随后利用分离式霍普金森压杆系统对常温试样和高温–水冷却花岗岩试样进行4种不同冲击速率的动态压缩试验(冲击气压分别为0.30,0.40,0.50和0.60MPa)。此外,还通过压汞和扫描电镜试验获得高温–水冷却花岗岩试样的孔径分布、孔隙率和微观形貌。微观结果表明：试样内部损伤以400℃为界可分为两个阶段,400℃之前,高温–水冷却花岗岩试样内部以微孔和小孔为主,孔隙率低于2.20%,损伤较小,当温度超过400℃后,内部中孔比例快速增加,孔隙率上升,损伤随温度升高而加剧。应变率效应方面：在相同温度条件下,高温–水冷却花岗岩试样的动态峰值应力和峰值应变均随应变率的增加而增大,而弹性模量的应变率效应不明显;花岗岩试样破碎程度随损伤的增加而加剧,且分形维数随着应变率的增大而增加;分析内部损伤和外界冲击速度对花岗岩试样应变率的影响,并获得应变率随内部损伤和冲击速度变化的拟合公式。     

二长花岗岩三轴压缩下声发射特征围压效应的试验研究

 岩石材料在受载情况下,发生变形和内部破裂,储存的部分能量以应力波的形式释放出来,产生声发射现象。采用三轴压缩试验和声发射试验,研究玲珑金矿二长花岗岩声发射特征与力学参数之间的关系。结果表明：(1) 岩石试样在三轴试验条件下,其声发射特征基本符合岩石加载破坏过程中的4个阶段,其中压密阶段在围压对岩石材料的压实作用下没有明显体现出来。(2) 通过分析围压对岩石记忆效应的影响得出,在相对低围压水平时,Kaiser效应显著性会随轴向应力水平提高而降低,Felicity效应显著增大;随着围压水平的提高,Kaiser效应显著增大,Felicity效应显著降低。(3) 在声发射法测量地应力过程中采用三轴试验更为适合,三轴试验可消除应力环境不同和高应力水平Kaiser效应模糊所引起的误差,使测量值更接近实际岩体所处的应力状态。(4) 随着围压水平的提高,岩石的抗压强度随之提高,岩石破裂前夕声发射特征参数呈现突发性特征,表现为突然激发出高能量振铃计数率、能量累积迅猛增加,并且伴随没有峰后曲线的岩石突然破裂现象。     

岩石动态强度及其应变率灵敏性的尺寸效应研究

采用波长与岩石试件长度成比例的半正弦应力波加载方式,对长径比为0.5、直径分别为22,36,75 mm的花岗岩、砂岩和石灰岩试件进行不同应变率条件下的SHPB试验.试验结果表明:岩石动态强度随着应变率的增高近似以乘幂关系增大,呈现较强的率依赖性;试件尺寸越大,岩石动态强度对应变率依赖的灵敏性越显著,所测得的岩石动态强度离散性越小;在相同的应变率加载条件下,岩石动态强度随试件尺寸的增大而增加,与静载条件下岩石强度的尺寸效应相反;岩石动态强度的尺寸效应随着应变率的降低而减弱,并由此推断存在一个临界应变率对应着岩石尺寸效应的消失.低于临界应变率时,静载的尺寸效应占主导地位;高于临界应变率时,动态的尺寸效应占主导地位.     

加载条件对不同尺寸岩石单轴压缩破裂过程的 影响研究

 针对岩石单轴压缩试验中存在的加载条件敏感性的问题,采用自行开发的二维弹塑性细胞自动机模拟系统EPCA2D,对不同尺寸的非均质岩石试样进行单轴压缩破裂过程模拟,研究不同的加载条件对岩石宏观变形行为和破裂模式的影响。结果表明,均质性相同的岩石试样在单轴压缩破裂过程中所表现的尺寸效应和形状效应现象与岩石本身的非均质性关系不大,加载垫板与试样之间力学性质的差异是造成岩样单轴压缩破裂过程尺寸效应和形状效应的根本原因,模拟结果再现了典型的试验现象。通过研究加载垫板与试样端部之间不同的摩擦情况,结果表明,即使试样端部存在较小的摩擦,仍然会造成岩样单轴强度和变形特性的离散性。因此,通过减小试样端部的摩擦来提高岩石单轴压缩试验质量是不可靠的。     

盐岩力学特性应变率效应的试验研究

 以层状盐岩体矿床中的NaCl岩盐与无水芒硝盐岩为研究对象,在实验室内进行10－5～10－3 s－1范围内单轴压缩强度与变形特性的应变率效应研究。研究结果表明：在上述应变率范围内,NaCl岩盐与无水芒硝盐岩的单轴抗压强度与弹性模量基本不随加载应变速率而变化;同一应变速率条件下,无水芒硝盐岩强度略高于NaCl岩盐;两类盐岩的泊松比均随加载应变速率的增大而减小;随加载应变速率的增大,试件在峰值应力点处的应变减小,其变形模量与加载应变速率呈对数关系;试件破裂方式不随加载应变速率而变,NaCl岩盐试件破裂为柱状劈裂或楔型剪切,而无水芒硝盐岩则表现为单斜剪切。对扩容应力与极限强度之比统计结果表明,盐岩扩容应力与极限强度之比(平均值)为87.3%～91.0%,表明盐岩在扩容之前均具有很强的变形能力。由试验结果可知,在其他安全稳定条件满足的前提下,盐岩溶腔储气库运营中、腔壁应变率在10－5～10－3 s－1范围之内,可以保证储气库腔体的安全稳定运营。     

冻结裂隙砂岩单轴压缩损伤特性CT试验

对含有预制双裂纹的冻结裂隙砂岩试样单轴压缩细观损伤破坏机理进行了CT动态试验，得到了裂纹萌生、发展、宏观裂纹形成和破坏等不同阶段的岩石损伤CT图像和CT数。研究结果表明，与无预制裂隙的冻结岩石试样相比，已有预制裂纹对冻结裂隙岩石中新裂纹的起裂侮置及贯通性宏观破坏裂纹的形成具有重要影响。预制裂纹的存在导致冻结裂隙砂岩试样的扩容量大于完整冻结试样破坏时的扩容量。     

海岸带强风化花岗岩强度及应力应变特性的尺寸效应研究

近年来,随着我国海洋经济的快速发展,越来越多的工程建设涉及到海洋地质。在海洋工程建设的前期勘察中,首要任务是精确测定各土层的强度参数。为探讨不同试样尺寸对海洋土体的强度及应力应变特性的影响,针对福建平潭综合试验区某海岸的强风化花岗岩,开展了试样直径分别为39.1mm、61.8mm和101mm的常规三轴固结不排水剪切试验,研究了强风化花岗岩应力—应变以及强度特性的尺寸效应。研究表明:对于三轴固结不排水剪切试验,强风化花岗岩剪应力峰值强度随试样直径增大而减小;其抗剪强度指标也随着试样直径的增大而减小;试样尺寸效应客观存在于三轴试验,实际工程的土工试验应注意选择合适的试样尺寸。     

岩石单轴抗压强度与破裂特征的化学腐蚀效应

通过对几种岩性岩石在化学腐蚀下单轴压缩破裂过程的细观力学试验，探讨了不同化学溶液对几种岩性岩石单轴抗压强度的腐蚀效应，获得了裂纹扩展过程的显微与全场图像，分析了在化学腐蚀下岩石的细观破裂特征和腐蚀机理，从而为岩石化学损伤力学模型的建立和岩体工程的长期稳定性评价提供了科学依据。     

断续预制裂隙脆性大理岩变形破坏特性单轴压缩试验研究

 采用岩石力学伺服试验机,对断续预制裂隙脆性大理岩进行单轴压缩试验,基于全程变形曲线的试验结果,分析裂隙参数(岩桥倾角、裂隙间距、裂隙长度、裂隙数目与裂隙倾角)几何分布对大理岩变形破坏特征的影响规律。研究结果表明,与完整大理岩相比,断续预制裂隙大理岩变形呈现出局部化渐近破坏特征,其峰值强度、弹性模量及峰值轴向应变均明显降低,且降低幅度与预制裂隙参数分布形式密切相关;但变形模量除裂隙间距48 mm(降幅24.8%)、含119°岩桥倾角(降幅23.7%)以及含60°裂隙倾角(降幅43.8%)的岩样以外,其他含2条预制裂隙岩样的变形模量降幅均为－3.8%～7.8%,差异较小。裂隙长度越长、裂隙数目越多及裂隙倾角越大,其峰值强度、弹性模量及峰值轴向应变也越低;而岩桥倾角和裂隙间距与力学参数之间规律性不明显。岩样宏观贯通模式主要呈现出拉贯通、压贯通、剪贯通和混合贯通4种,且与预制裂隙的几何分布密切相关。完整岩样呈典型的轴向劈裂拉贯通模式。含较短裂隙长度(16 mm)及较小裂隙倾角(30°)的岩样呈现出拉贯通模式;而含较长裂隙长度(24 mm)和较大裂隙倾角(60°)的岩样呈现出拉剪混合贯通模式。裂隙间距越小以及裂隙数目越多,岩样的贯通模式趋于复杂,呈现出拉剪压混合贯通模式。     

辽西花岗岩水–岩耦合力学特性试验研究

为了研究水–岩耦合作用对辽西花岗岩力学性质的影响,采用MTS–815岩石力学试验系统,通过对花岗岩试样施加不同的围压和孔隙水压力,对其变形破坏过程进行试验研究,分析水–岩耦合作用下辽西花岗岩的有效峰值强度、扩容现象、残余强度、峰后强度及其参数的演化规律。研究结果表明,有效峰值强度折减系数随孔隙水压力增大近似呈线性增长,但变化斜率随着围压增大而逐渐减小。在围压较小时孔隙水压对有效强度折减系数有明显的影响,在围压较大而孔隙水压较小时,施加应力压缩孔隙喉道抑制了孔隙水压对试样的作用。扩容起点是致密岩体水岩耦合作用增强的特征点,围压使得试样的扩容起点发生滞后,而孔隙水压力使得扩容起点提前发生,扩容现象与水岩耦合作用相互促进。水–岩耦合作用下试样的残余强度为对应状态峰值强度的21%~35%,Hoek-Brown常数随着围压的增大呈非线性增长,其值为3.5~5.0。峰后段试样的似内摩擦角变化不大,似黏聚力随着应变软化参数的增加有逐渐减小的趋势,而相同应变软化参数对应的似黏聚力则随着孔隙水压力的增大而减小,且似黏聚力、孔隙水压和应变软化参数间的关系可用3次样条曲面进行描述。     

真单轴压应力场下岩石的力学性质

岩石的材料力学属性和结构力学属性是两个不同的力学概念。讨论了单轴压缩条件下岩石全应力—应变曲线各个阶段的物理含义；提出了岩石类材料的峰前曲线基本上反映岩石的材料力学属性、而峰后曲线实际上反映岩石的结构力学属性的观点；介绍了承受均布外压的中壁圆筒测定岩石材料的应力—应变关系和强度的新方法及其结果。     

灰岩单轴压缩实验室尺度效应研究

尺度效应广泛存在于缺陷材料中,尺度效应根源于材料的非均匀性。而目前尺度效应研究大都沿用混凝土材料强度负幂率尺度效应研究成果。通过细观结构分析发现,岩石材料和混凝土材料存在较大差别。以灰岩为试验材料,通过单轴压缩试验,获得岩石材料的单轴抗压强度与应力–应变曲线等试验数据,进而分析研究岩石材料的尺度效应及其影响因素,得到与混凝土材料不同的尺度效应规律。研究结果表明：灰岩材料内部的缺陷层次直接决定岩样的强度、变形破坏方式等力学性质;每种非均匀岩石材料都存在一个明显的特征尺度,它与岩石材料内部微缺陷的构造层次(微缺陷自身尺度大小及其相对于岩样尺度的大小)密切相关;岩石材料的尺度效应根源于材料的非均匀性,而并非试件与加载端头之间的端部摩擦效应所造成。     

盐岩单轴应变率效应与声发射特征试验研究

 为了建立声发射参数与盐岩力学破坏机制的关系,进一步揭示盐岩在不同应变率条件下的损伤演化规律,利用声发射技术对加载应变率分别为2×10－3,2×10－4,2×10－5 s－1下的盐岩损伤演化及声发射参数特征进行试验研究。试验发现：(1) 3种应变率加载条件下盐岩的应力–应变曲线变化趋势接近。随着加载应变率的增加,盐岩弹性极限强度略有增加,峰值强度及其对应的应变值略有变化,达到峰值强度所需的时间呈线性减少。(2) 加载速率越慢,岩石破碎越松散,产生的裂纹越多,出现的累计声发射信号数越多。(3) 加载速率越快,声发射频率越高,脆性破坏特征越明显。声发射信号频率变化幅度反映了盐岩在不同应变率条件下裂纹的生成速度和损伤演化过程,而声发射信号累计振铃数则较好地反映盐岩达到峰值强度前应力–应变曲线关系。盐岩自身透光性的变化在一定程度上反映出损伤分布区域和损伤程度。建立基于声发射信号累计振铃数的盐岩损伤演化方程,较好地反映低应变率盐岩损伤演化过程。     

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。     

卸荷岩体的尺寸效应研究

讨论了岩体尺寸效应研究的现状。根据三峡工程永久船闸高边坡岩体的物理仿真卸荷试验,研究了卸荷岩体的尺寸效应问题,即应力-应变关系、抗压强度、抗拉强度、变形模量、泊松比、各向异性等物理特性,得到了几点有意义的结论,并推荐了相应的力学参数。     

单轴压缩下含预制孔洞板状花岗岩试样力学响应的试验和数值研究

 利用挪威Iddefjord花岗岩试样加工制备含双侧预制方形孔洞的板状试样,并在Instron液压伺服控制试验机上开展单轴压缩试验,监测试样的应力、应变、声发射信号特征及试样破坏过程。研究发现,随着轴向应力的增大,试样在平行于孔洞竖直方向的位置相继出现劈裂裂纹并逐渐贯通,孔洞周边岩体出现块体弹射、片帮等应变型岩爆特征。试验研究表明,含孔洞花岗岩试样在单轴压缩下总是从孔洞周边的劈裂破坏开始,试样的声发射曲线比完整岩样存在更多的跳跃突变点。在此基础上,利用FLAC3D对室内试验进行数值模拟,通过线弹性模型分析含孔洞岩石材料的应力分布特性,通过应变软化莫尔–库仑准则模拟岩样的破坏过程,监测各计算时步下单元拉伸和剪切破坏特性;发现单轴压缩下含孔洞岩样的塑形破坏单元以拉伸破坏为主,拉伸破坏单元沿孔洞竖向边界贯通形成劈裂破坏面,这和室内试验观测结果是一致的。研究结果在一定程度上揭示了深部硬岩洞室开挖后,在高地应力作用下总是产生平行于洞室开挖边界面的板裂、片帮破坏现象。     

单轴压缩下岩石能量演化的非线性特性研究

 岩石在变形直至破坏失稳中的能量转化是一个动态的过程,大致分为能量输入、能量积聚、能量耗散和能量释放4个过程。通过对不同能量转化机制的非线性关系分析,建立受载岩石能量转化随轴向应力的自我抑制演化模型,并由红砂岩能量演化试验对其进行验证,所建模型适用于岩石变形破坏峰前阶段。研究表明,随应力演化的能量密度值序列遵循标准Logistic映射,能量演化具有分叉和混沌特征,当轴向应力达到约92%峰值应力时,岩石系统进入倍周期分叉区,达到约97.5%峰值应力时,进入混沌区。定义能量迭代增长因子μ,其随应力单调递增,并初步提出岩石破坏预警判据μ = 3。