岩石黏结摩擦特性及非线性强度的指数准则描述

 岩石具有黏结和摩擦特性,但两者在同一位置并不同时存在。裂隙摩擦力随围压增加,达到邻近完整岩石黏结力后将不再滑移引起材料破坏,影响试样强度的裂隙倾角范围随之减小,引起强度非线性增加。主控裂隙引起强度在低围压下线性变化,但不能以Coulomb准则直接确定岩石的内摩擦角。砂岩内存在多种倾角的自然裂隙,引起单轴压缩及低围压的强度离散,围压增高裂隙影响减小,强度随围压规则变化而以指数准则描述;轴向压缩塑性变形引起大理岩黏结力由低向高逐步丧失,而热力损伤引起黏结力整体降低;冻结使岩石黏结力提高而内摩擦角不变。若岩石具有宏观各向同性特征,则常规三轴强度可用指数准则描述,据其确定的初始围压影响系数可估计裂隙摩擦系数;进而理解裂隙对试样强度影响的非线性特征,评价岩石材料的真实黏结力和损伤。     

含充填物的厚壁圆筒砂岩的力学性质研究

基于单轴和常规三轴压缩试验,采用完整试样、空心及铝棒充填的厚壁圆筒试样,模拟研究支护对圆形巷道的强度、变形和破坏特征的影响。结果表明:充填试样和完整试样的单轴压缩强度和弹性模量大致相同,而厚壁圆筒试样的强度和弹性模量则偏低31.8%和22.4%;厚壁圆筒试样三轴压缩时出现沿圆周层状破坏,其剪切面积随着围压的增大而减少,围压40 MPa时出现明显塌孔;充填试样进入塑性屈服阶段后,充填物才会对试样的力学性质产生明显影响;充填物改变了孔道内部应力状态,使孔道内壁由原来的二维应力状态恢复到三维应力状态,抑制了孔道内壁的侧向变形,防止自由面岩石的脱落;岩石破坏并不代表承载能力消失,充填试样岩石破坏后失去黏结力,载荷主要通过充填物与岩石、岩石裂隙之间摩擦力共同承载。     

考虑端部摩擦效应的岩石卸载强度准则

为分析端部摩擦对岩石力学参数的影响,采用RMT–150B岩石力学试验系统对砂岩试样进行不同端部摩擦因子和围压卸载速率下的三轴卸围压试验。结果表明:在相同端部摩擦因子和初始围压下,围压卸载速率越大,试样破坏围压越低,试样破坏差应力越大;在相同围压卸载速率和初始围压下,端部摩擦因子越大,试样破坏围压越低,试样破坏差应力也越大;在相同围压卸载速率下,试样内摩擦角φ和黏聚力c值整体上随端部摩擦因子增加近似直线增加;在相同端部摩擦因子下,试样内摩擦角φ和黏聚力c值整体上随围压卸载速率增大而增大,但增加速率逐渐降低。提出包含端部摩擦因子和围压卸载速率的end-friction(E-F)卸载强度准则,通过采用该准则对试样峰值强度和破坏围压的关系进行拟合分析,认为该准则能够较好地描述三轴卸围压破坏试样强度。若已知端部摩擦因子K值,可得到不同围压卸载速率v下岩石E-F卸载破坏强度包络线,进而获得不同围压卸载速率下岩石材料强度参数。     

大理岩孔道试样的强度及变形特性的试验研究

利用中晶和细晶两种大理岩的不同内径孔道大理岩试样,在内孔压力为0时进行常规三轴压缩试验,分析试样内非均匀应力分布对试样承载能力和变形特性的影响。孔道试样的变形特征在轴向变形较小时与完整试样大致相同;在变形较大时孔壁附近材料因最小主应力较低而破坏,承载能力逐步下降。以线弹性力学分析孔道试样的应力状态,假设试样内材料同时达到承载极限,Coulomb准则给出的试样强度是一个偏低的估计,而不是偏高的估计。围压和轴向载荷在给定倾角剪切滑移面上的正压力和剪切力由整体力平衡确定,与孔道存在与否没有关系,孔道只是造成应力分布的不均匀,使试样的承载面积减小,引起围压对强度的贡献增加;另一方面,试样内部的破坏是逐步发生的,达到峰值承载能力时试样由黏结力构成的承载能力随围压、孔径的增大而减小。这两种不同趋势的变化决定孔道试样的强度特征。孔道对试样变形破坏的影响随大理岩结构特征而不同。     

损伤岩石试样的力学特性与纵波速度关系研究

讨论大理岩试样围压下压缩和砂岩试样经历不同温度烘烤后的力学特性与纵波速度的关系.岩石不是线弹性材料,纵波速度、杨氏模量和强度是岩石试样力学性质的不同宏观表现.大理岩块曾经历地质应力,局部的低强度材料可使其附近材料承受较小荷载,晶粒之间维持相对较好的接触状态,因而试样初始纵波速度和强度呈负相关性.围压下压缩时大理岩试样承载能力随着变形增大可以大致保持恒定,但内部材料产生损伤弱化,损伤特性与围压、轴向变形有关.损伤大理岩试样的纵波速度和单轴强度、杨氏模量之间具有相关性,但例外现象大量存在.粗砂岩主要由矿物颗粒和胶结物构成,试样烘烤后胶结物发生变化而刚度降低,因而纵波速度和初始切线模量随温度增加而降低;但岩石的热变形可以改善颗粒间接触状态,降温之后因摩擦作用等并不会消失,因而在500 ℃之内平均模量随温度增加变化不大,强度却有增大趋势;其后平均模量和强度才开始降低.     

具有沉积弱面试样的剪切拉伸破坏及强度分析

根据一组细砂岩试验结果发现:试样强度较低时,平均模量与强度成正比,表明岩样破坏时内部完好材料需要的弹性变形相同;而较高围压下裂隙闭合、承载能力增大之后,平均模量趋于常数。含有弱面的岩样可能是剪切破坏,也可能是剪切与拉伸组合的破坏,必须依据破裂形式分析试样的强度,分别确定完整岩石或弱面的黏聚力和内摩擦因数,而不能直接以强度与围压的关系回归Coulomb准则。     

正则抛物线准则及岩石初始损伤的估计

岩石内存在裂隙等缺陷引起试样强度的离散。随着围压增加,裂隙的摩擦承载与黏结力差异减小,即初始损伤对高围压下强度影响较小。正则抛物线准则可以准确描述砂岩等颗粒性岩石在高围压下的强度,拟合参数视为岩石的理想单轴压缩强度,其与试验值的差异表征试样初始损伤度。该参数可以为岩石损伤力学分析提供基础。     

围压对岩石试样强度的影响及离散性

 岩石是非均质性材料,试样差异引起试验结果离散,强度准则的拟合曲线仅表示围压对岩石强度影响的平均特性。围压100 MPa 以内的试验结果表明,试样内部裂隙引起的强度差异随围压增大而减小,指数强度准则表示围压对强度影响的2个参数与试样无关,而依据围压下强度可以确定试样应有的单轴压缩强度,并以其分布描述岩石的总体强度特征,从而应用于工程设计。花岗岩中石英、长石、云母的力学性质差异显著,小尺度试样内矿物的含量不同,将引起高围压下强度的显著离散;而较大压缩变形引起的端部摩擦效应也会影响试样的强度。     

石灰岩孔道试样压缩条件下变形与强度特征的试验研究

为了分析非均匀应力分布对石灰岩孔道试样变形、强度及破坏特征的影响,利用孔径为6~25 mm的石灰岩孔道试样,在RMT–150B岩石力学试验系统进行单轴和内孔压为0的常规三轴压缩试验。结果表明:(1)单轴压缩时,孔道试样的峰值强度、弹性模量与孔径没有明显关系,破坏特征以张剪性破坏为主,孔道没有出现坍塌迹象。(2)三轴压缩时,孔径对试样在屈服阶段以前变形特性的影响不明显,对峰值后的变形特征影响显著,孔道试样的弹性模量与孔道尺寸、围压的关系不大。(3)利用修正的Coulomb预测材料强度高出单轴压缩峰值强度11%左右,与完整试样试验回归结果大致相等,其值与孔径和围压没有直接关系;而以修正的双剪切强度准则预测材料强度受试样孔径、围压的影响较为复杂,孔径小于11 mm预测材料强度与孔径、围压的关系不明显,而孔径大于16 mm时预测材料强度随孔径、围压增加而降低。(4)三轴压缩时孔道试样的破坏特征受孔径、围压的双重影响,孔径较大时更有利于屈服破坏承载能力降低。     

基于Griffith强度理论的岩石裂纹起裂经验预测方法研究

 裂纹起裂强度是岩石破坏过程中的重要应力阈值,研究岩石起裂准则对于揭示其破坏机制及预测围岩工程性质有着重要意义。首先进行青砂岩试样的单轴及三轴压缩起裂试验,并基于多种应变响应分析其中的起裂机制及细观破坏特征,指出局部张拉应力集中是起裂破坏的主因,总结提出低围压条件下的张开型起裂模型及高围压条件下的滑动型起裂模型。然后基于Griffith强度理论分析压应力场中岩石缺陷端部的局部最大张拉应力,其大小随差应力 的升高而增大,同时在围压条件下受表面摩擦作用的影响较大。针对岩石细观起裂机制提出起裂预测经验准则,准则中引入起裂参数 作为围压影响系数以表征摩擦作用,从而适用于不同围压条件下的起裂破坏预测。利用3组起裂试验结果对经验准则进行验证,其准确性及实用性明显优于传统线性起裂准则。最后通过分析不同围压下岩石起裂强度与峰值强度之比 ,发现试样在围压60 MPa以下时其起裂破坏属于细观张拉破坏机制。     

单参数的正则抛物线准则

 线性的Coulomb 准则并不能完全描述岩石强度特征,有多种改进形式。剪切破坏的Mohr准则表现为应力圆的包络线,其待定参数难以从常规三轴压缩试验结果直接确定而研究较少。主应力形式的强度准则可分为显式和隐式,后者常以最大剪应力和平均主应力构造,且具有较高的相关系数和较小的拟合偏差。实际上显式和隐式准则的力学背景相同,可通过坐标系旋转互换。砂岩、大理岩等强度源于颗粒间黏结和摩擦,单参数的正则抛物线准则拟合强度与围压关系的精度优于两参数的Coulomb准则,而与Hoek-Brown准则相当。以正则抛物线准则拟合高围压下强度能够得到完整岩石的理想单轴压缩强度,进而与实际数值对比可确定岩石的初始损伤。     

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。     

单一试样确定大理岩和砂岩强度参数的方法

确定岩石的强度参数是室内试验的主要工作之一，但有时试样数量偏少，或离散性较大时会出现围压增大、三轴强度降低的现象，难以确定内摩擦角等参数。基于伺服试验机加载过程的实时控制，对大理岩和砂岩分别提出单一岩样确定强度参数的方法。大理岩在围压较高时具有明显的屈服平台，通过对同一试样逐级提高围压的加载方法，就可以得到不同围压下试样的强度，据此可以回归Coulomb强度曲线。而砂岩在高围压下轴向压缩破坏之后，保持试样轴向压缩变形恒定降低围压，其轴向承载能力随围压下降而线性降低，比例系数与围压对峰值强度的影响系数大致相同，利用岩样的三轴强度和该比例系数就可以确定Coulomb强度曲线。     

考虑围压效应的深埋大理岩强度变形特性研究

高地应力是深部岩体的重要特性之一,是岩体强度和变形特性的重要影响因素。针对锦屏Ⅱ级水电站深部大理岩的高地应力特点,利用MTS伺服机开展三轴压缩试验,研究不同围压下深部大理岩强度变形特性,结果表明:深部岩体的强度、弹性模量、变形模量均具有明显的围压效应,随着围压的增加,大理岩模量及各特征点强度增加;岩体赋存的初始地应力影响着岩体的变形规律,围压低于初始地应力时,深部大理岩以弹性变形为主,破坏模式主要为脆性破坏,围压高于初始地应力时,大理岩延性特征明显,扩容点前移,大理岩从脆性破坏向延性转化;基于三轴压缩试验数据求解出的深部大理岩黏聚力为54.53 MPa,内摩擦角为38.06°。这些研究成果揭示了高地应力环境下深部岩体的强度变形特性,可为深埋工程的开挖、支护设计提供理论参考。     

Strength and damage of marble in ductile failure

To study the effects of loading paths and stress states on rock strength and deformation, marble specimens were axially compressed to various displacements under a confining pressure (CP) firstly, and then the damaged specimens were recompressed under another CP. The bearing capacity of a marble specimen depends merely on CP at the stage of ductile deformation, and it has no relation with the loading history when CP keeps constant or increases. However, the damaged specimen turns into brittle when it is rec...     

锦屏二级水电站大理岩不同应力路径下加卸载试验研究

 针对锦屏二级水电站引水隧洞赋存于高地应力环境的特点,对隧洞内的大理岩开展常规三轴压缩试验及峰前、峰后卸围压试验,通过试验数据对比分析,研究大理岩的强度变形特征及破裂机制。主要研究成果：(1) 大理岩峰值强度与实时围压关系密切,应力路径不同、实时围压相同时,峰值强度相同。(2) 围压效应明显,峰值强度随初始围压增加而增加;相比三轴加载试验,峰前卸围压试验峰值强度降低约19.5%,峰后卸围压试验规律不明显,而峰后卸围压试验达到峰值强度时的围压值约占初始围压值的 97.2%,峰前卸围压试验结果较离散。(3) 相比三轴加载试验,峰前卸围压试验c值降低约27.5%, 值提高约22.6%,而与此相反,峰后卸围压试验c值增加约13.7%, 值降低约6.5%,表明大理岩抗破裂的主控因素峰前卸围压试验由摩擦力控制,峰后卸围压试验由黏聚力控制。(4) 峰后卸围压试验自卸荷点开始出现明显的应变平台,表现为理想塑性变形。(5) 峰前卸围压试验的体积应变自卸荷点开始出现明显的转折点。(6) 三轴压缩试验和峰后卸围压试验,大理岩的破坏模式主要为单一剪切破坏,随着围压增加,剪切破裂面端口的粗糙程度降低;峰前卸围压试验的破坏模式为：低围压时的劈裂破坏～中等围压时的“X”型共轭剪切破坏～高围压时的单一剪切破坏。这些研究结论揭示了锦屏大理岩加、卸载应力路径下的力学特性差异,可为西部深埋引水隧洞的开挖、支护设计及稳定性分析提供理论参考。