基于能量耗散与释放原理的岩石强度与整体破坏准则

讨论了岩石变形破坏过程中能量耗散、能量释放与岩石强度和整体破坏的内在联系。指出岩石变形破坏是能量耗散与能量释放的综合结果。能量耗散使岩石产生损伤,并导致岩性劣化和强度丧失;能量释放则是引发岩石整体突然破坏的内在原因。定义了单元耗散能、可释放应变能、强度丧失和整体破坏的概念。给出了基于能量耗散的强度丧失准则和基于可释放应变能的整体破坏准则,分析了各种应力状态下岩石单元整体破坏的临界应力。并应用上述准则讨论了隧洞围岩发生整体破坏的临界条件。     

页岩卸荷能量演化特征试验研究

隧道、硐室和矿井等地下空间,应力卸荷是导致岩体破坏的主要原因之一。因此,为研究卸荷条件下的岩石破坏行为,以页岩为研究对象,开展恒定轴压卸围压三轴压缩试验。基于能量耗散与释放原理,分析试验不同阶段能量演化规律及临界围压对试样吸收的总能量和耗散能的影响,探讨卸荷条件下岩石破坏条件。研究结果表明,卸荷试验能量变化主要分为能量聚集阶段、能量耗散阶段和能量释放3个阶段:(1)外力对试样做的功主要以弹性能形式存在;(2)外力所做的功主要耗散于微裂纹形成、扩展,岩石强度降低,此阶段耗散能迅速增加而弹性能基本保持不变;(3)当岩石强度降低到一定程度时,弹性能瞬间释放,岩石破坏。     

高围压卸荷条件下大理岩破碎块度分形特征及其与能量相关性研究

高应力条件下,岩石卸荷的力学响应特征及发生机制是高地应力地区岩体工程开挖稳定性评价及控制的关键问题。基于不同卸荷速率和初始围压条件下三轴高应力大理岩卸围压试验,结合分形理论和能量原理,研究高应力卸荷条件下岩石破裂块度分布规律及其与能量耗散和释放的相关性。高应力条件下三轴卸围压大理岩试样碎块分形性质具有较强的局部性,仅在小于某一特征尺度(分形特征尺寸阈值)范围内表现出较好的分形性质,其碎块分维数均大于2,分维数随卸荷速率增大而单调减小,但初始围压对分维数的影响与卸荷速率密切相关。相对常规三轴压缩岩样,高围压下卸荷岩样虽然峰值点附近耗散和储存应变相对少得多,但其峰值前、后应变能转化速率相对大得多,特别是峰后的弹性应变能释放速率和环向膨胀消耗应变能速率。高应力卸荷条件下卸荷速率越快、初始围压越高,峰前损伤和峰后破裂贯通历时越短,峰值点处耗散应变能和储存弹性应变能越大,峰前、峰后应变能转化速率越快,破碎岩样的分形特征尺寸阈值越大,分维数越小,张性破裂程度和性质越强。     

高应力强卸荷条件下大理岩损伤破裂的应变能转化过程机制研究

基于高应力条件下大理岩峰前卸围压试验和能量原理,研究岩样吸收应变能、塑性变形及裂纹扩展耗散应变能、环向变形消耗应变能和弹性应变能储存及释放的能量转化全过程特征,揭示其损伤破裂演化的应变能转化机制。峰前储存的弹性应变能较耗散应变能多,耗散应变能仅在临近峰值强度点附近才明显增加。峰后应力快速跌落伴随着弹性应变能的迅速释放和快速的塑性变形及裂隙扩展所耗散应变能。峰前、峰后应变能转化速率均随卸荷速率的增大而明显增大,特别是峰后转化速率增大得更为剧烈。而初始围压对应变能转化速率的影响与卸荷速率密切相关,快速卸荷时应变能转化速率随初始围压的升高而明显增大,而较慢速卸荷时随围压变化相对不明显,但初始围压增大明显加强峰前弹性应变能储存。峰后弹性应变能释放速率远大于环向变形消耗应变能速率,而吸收的应变能约与耗散应变能基本相等,故高应力强卸荷条件下硬性岩石常表现为近垂直于卸荷方向的张性破裂或劈裂特征,甚至出现岩爆现象。高应力强卸荷条件下大理岩具有峰前快速储存较多弹性应变能和相对较少的损伤耗能,而峰后弹性应变能快速大量释放和耗散,并伴有相对较快速地向卸荷方向的张裂变形消耗应变能的释放与耗散机制。     

干湿循环作用下泥质白云岩能量机制试验研究

为研究干湿循环作用下泥质白云岩力学特性和能量机制,利用MTS851.03岩石力学试验系统分别对干湿循环0次、40次及60次试样进行三轴压缩试验,分析了3种状态下泥质白云岩损伤破坏过程中的能量演化规律,并以可释放弹性应变能为统计分布变量,基于Weibull分布建立泥质白云岩的损伤统计本构模型。结果表明:3种状态下试样峰值强度与围压的回归关系符合主应力表达的Mohr-Coulomb准则特征;泥质白云岩试样能量实时演化过程具有阶段性;干湿循环作用使泥质白云岩的内部损伤和塑性变形加强;峰值点处试样各应变能随围压线性增大,储能极限随干湿循环次数逐步减小;以可释放弹性应变能为统计分布变量建立的损伤统计本构模型能较好模拟试样三维条件下的应力-应变关系。     

大理岩卸荷破坏变形及能量特征研究

对大理岩试样进行恒轴压条件下峰前、峰后卸围压破坏试验,研究岩石的变形破坏特征及破坏过程能量演化规律,得到以下结论:恒轴压条件下环向变形随卸荷速率增大而减小,而轴向变形变化很小,轴向变形没有明显的速率变化效应;峰前、峰后卸荷都为典型的剪切破坏,而峰后卸荷有明显的共轭剪切带;卸荷破坏过程能量转化大致分为能量积聚、能量耗散和能量释放3个阶段;卸荷速率越快,弹性应变能释放得越快、越剧烈;耗散能变化率随卸荷速率的增加也变大;耗散能变化率比弹性应变能变化率大一个数量级,能量快速耗散是大理岩卸荷破坏过程的主要特征。     

基于能量耗散机制的片麻状花岗岩损伤与剪胀演化规律

为探讨岩石损伤破坏过程中能量耗散过程与剪胀变形间的关系,以南疆某水电站引水隧洞片麻状花岗岩为研究对象,设计并开展岩石不同围压下(0~50 MPa)遍布全过程应力–应变曲线的递增循环加卸载三轴试验。取得的主要研究成果有:(1)从能量耗散观点定义损伤变量,对循环载荷施加过程中的能量耗散参数、主应变与损伤变量之间的关系进行深入地分析,探讨围压对各个参数和变量的影响规律;(2)基于试验曲线获取不同围压下每级载荷下残余体应变(塑性体应变)与轴向残余应变之间曲线关系,为研究其剪胀特性提供了数据基础;(3)根据岩石损伤演化与残余剪应变(塑性剪应变)之间的函数关系,从而得到能量耗散率与剪胀角间的变化规律。研究表明,开展基于能量耗散机制的岩石损伤与剪胀演化规律研究为岩体破坏过程中的能量机制与膨胀扩容特性研究之间架起了桥梁。     

单轴压缩下非贯通节理岩体损伤破坏能量演化机制研究

能量的积聚与释放伴随发生在节理岩体受荷变形全过程。为探寻加载过程中节理岩体能量演化规律,基于单轴压缩试验及岩石能量原理,研究非贯通节理岩体变形破坏过程中总能量U、弹性应变能U~e及耗散能U~d的转化特征,揭示节理岩体损伤破坏能量演化机制,建立了基于弹性能耗比变化率(dK/dε)的非贯通节理岩体裂缝扩展及强度失效准则。研究表明:节理存在对岩体中能量的存储具有明显的削弱作用,峰值点总能量与弹性应变能随节理数量的增加逐渐减小;节理岩体的弹性应变能U~e及耗散能U~d变化曲线存在"阶梯状"突减或突增,双节理岩样弹性应变能和耗散能突增或突减的数值明显小于单节理岩样;峰前与峰后阶段弹性能耗比变化率发生连续突变(dK/dε正负交替变换)与突变(dK/dε保持为正无穷)作为节理岩体裂缝扩展及强度失效判据。     

圆形隧洞爆破荷载与瞬态卸荷作用围岩应变能效应研究

深部岩体开挖过程中,能量的释放与耗散是导致围岩发生损伤破坏的重要诱因。针对深埋圆形隧洞爆破开挖,采用理论模型研究微差段间爆破荷载与地应力瞬态卸荷重复扰动及耦合作用下围岩应变能的变化规律,并基于弹性应变能判别准则计算围岩损伤范围。研究结果表明:在爆破荷载作用下,围岩应变能经历了先增大再减小最终趋于稳定的动态变化过程;在地应力的瞬态卸荷作用下,围岩应变能经历了先减小再增大最终趋于稳定的过程;二者耦合作用会进一步加剧围岩应变能动态调整过程,并且体现出更加明显的微差段间重复扰动效应,以开挖轮廓附近起爆的两圈崩落孔及周边孔最为明显。爆破荷载主要引起围岩张拉破坏,而地应力瞬态卸荷主要导致围岩压剪破坏,在二者耦合作用下地应力的存在会抑制爆破荷载引起的围岩张拉破坏,从而减小围岩的损伤范围。最后,采用锦屏二级水电站引水隧洞实测围岩损伤范围对理论计算方法的正确性进行了验证。     

自然与饱水状态下岩溶灰岩力学性质及能量机制试验研究

 为研究饱水对岩溶灰岩力学性质和能量机制的影响,利用RMT–150B岩石力学试验系统分别对自然和饱水状态试样进行单轴压缩和常规三轴压缩试验。试验结果表明：饱水对岩溶灰岩的强度和变形特征影响显著,2种状态下试样峰值强度与围压的回归关系可用以主应力表达的Coulomb强度准则表征;岩溶灰岩试样的似软化系数及其降低速率均随围压增加而减小。从能量角度对2种状态试样损伤破坏过程中的能量特征进行试验研究,结果表明：饱水状态试样吸收的总应变能U,峰前储存的可释放应变能 及二者随轴向应变的增加速率均小于自然状态的对应值;随含水量增加 逐渐下降,峰后 释放率随围压增加而逐步下降,整体上饱水试样的 释放率较大;峰值应力处试样各应变能随围压线性递增,2种状态下耗散能差值随围压的变化是试样破坏形式差异的内在原因;岩溶灰岩试样全过程能量实时演化过程具有阶段性,2种状态下压密和弹性变形阶段耗散能差别细微,但进入屈服阶段后,饱水状态试样耗散能增加更快。     

循环载荷下岩体能量特征及变形参数分析

 以RMT–150C岩石力学测试系统为平台,进行不同应力水平和加载速率条件下不同种类岩石材料的循环载荷试验。在对加、卸载应力–应变曲线进行分区的基础上,定义卸载过程中的能量消耗率,探讨岩石损伤破坏过程中能量的转化,同时定量分析弹性模量,泊松比和残余应变等变形参数的变化规律。研究结果表明：应力水平、加载频率越高,岩性越强,则滞回圈的面积,加载过程中做的功,卸载过程中释放的弹性能越大,岩石越软,能量消耗率越高;岩体未到达峰值抗压强度前,应力水平越高,弹性模量就越大,这说明在岩体抗压强度范围内,越高的载荷下,空隙和微缺陷被压密后,岩体相同载荷增量下的变形能力明显减弱。同时分析认为：频率升高到一定程度会导致疲劳强度的降低。整体而言,岩石轴向及横向相对残余应变均随着循环次数的增加而逐渐减小。     

粗晶大理岩单轴压缩力学特性的静态加载速率效应及能量机制试验研究

加载速率对岩石力学性质具有重要影响,影响的程度与岩石本身的微结构和加、卸载应力路径及状态等密切相关。基于静态加载速率范围内的9个不同等级应变率下粗晶大理岩单轴压缩试验,研究加载应变率对岩石的应力–应变曲线、破坏形态、强度、弹性模量及变形模量与应变能耗散及释放的影响规律,探讨岩石损伤演化的能量机制。根据总体积应变及裂纹体积应变与起裂及扩容应力的相关性,确定各应变率下岩石起裂及临界扩容应力。加载应变率大约以1×10－3 s－1为分界点,小于该值时应力–应变曲线峰值点附近仍存在一定的塑性屈服或流动段,超过该值后表现为“折线”型。随着加载应变率的增加,岩样破裂模式由张剪型逐渐过渡到张性劈裂甚至劈裂弹射。一般而言,起裂及临界扩容应力和峰值应力均随加载速率增大而增大,且起裂及临界扩容应力越接近峰值强度,但当应变率为1×10－4～1×10－3 s－1时,上述值均出现一个相对低值区间,这与粗晶大理岩的微结构特征相关。起裂应力、临界扩容应力、弹性模量及变形模量均与峰值强度线性相关。单轴压缩下峰前能量耗散量越多,强度越高,峰后可释放弹性应变能和释放速率越大,岩石的张性贯通破裂特性愈强,破裂块数越多。能量耗散使岩石损伤而强度丧失,而能量释放使岩石宏观破裂面贯通而整体破坏。     

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。     

大岗山水电站坝区岩体的刚性承压板试验研究

 压板试验是承一种应用广泛的测定岩体变形参数的现场试验方法，根据中国水电顾问集团成都勘测设计研究院在大岗山水电站坝区现场进行的直径达1 m的刚性承压板变形试验资料，详细介绍试验点岩体的加卸载变形关系曲线，根据推导的深部岩体压缩变形公式，计算出了坝址区左右岸试验点岩体的弹性模量、变形模量和等价变形模量等变形参数。通过回归分析，获得坝区试验点岩体的声波波速与变形模量的回归经验方程和高度显著的回归拟合曲线。现场承压板试验的计算分析结果表明：坝区左右岸辉绿岩脉地层的变形参数较小，岩体的压缩变形主要集中在辉绿岩脉软弱夹层上，右岸试验点岩体的变形参数总体小于左岸。这些试验分析结果为有效揭示坝区岩体力学参数的变化规律提供了重要依据。     

煤系岩石的成分、结构与其冲击倾向性关系

煤岩体的冲击倾向性是发生冲击地压的固有属性和必要条件,且影响煤岩体冲击倾向性的因素很多;而煤岩体的物质成分、岩性组构是煤岩体的内在属性,是决定煤岩冲击倾向性的内在因素。从煤岩的微观结构出发,研究煤岩的受力情况、强度特征、变形破坏过程,构建煤岩的微观组构与煤岩的宏观力学性质之间的关系模型;分析煤岩蓄能和耗能的作用机理,从而构建煤岩体的物质成分、岩性组构与煤岩的冲击倾向性大小之间的定性、定量关系。试验研究与理论分析结果表明,随着碎屑颗粒(石英)含量的增加,岩石的强度和刚性增强,受载过程中积蓄的弹性应变能增大而耗散的永久变形能减少,发生应变型冲击地压的可能性增加。随着碎屑颗粒粒径的减小,粗粒的粒柱状矿物(石英、长石等)逐渐减少,而细粒的片状矿物(云母、绿泥石、蒙脱石和高岭石等)增多,岩石的刚性减弱,在集中应力作用下,产生塑性变形所耗散的永久变形能增加,发生脆性破坏的可能性减小,岩石的冲击倾向性减小。     

含水率对层状砂岩劈裂抗拉强度影响研究

为了研究含水率对层状岩体劈裂抗拉强度的影响,特选取层理显著的砂岩为研究对象,考虑5种含水率,进行顺层理弱面的劈裂抗拉强度试验,结合岩样劈裂破坏面的微观形貌特征和能量参数变化规律进行综合分析。研究结果表明:(1)随着含水率的增加,层状砂岩的抗拉强度逐渐减小,总体呈现先陡后缓的降低趋势,在饱水度低于80%左右时,抗拉强度降低幅度明显较大,而后抗拉强度降低趋势逐渐趋于缓慢;(2)岩样劈裂破坏面的高度参数和纹理参数都随着饱水度的增加而逐渐增大,呈先陡后缓的增长趋势,岩样抗拉强度与劈裂面微观形貌参数存在较好的线性相关性;(3)随着含水率的增加,加载过程中岩样吸收的总能量、弹性应变能逐渐减小,呈现与抗拉强度类似变化趋势,弹性应变能占总能量的比值逐渐减小,耗散能占总能量的比值逐渐增大;(4)层理弱面既是层状岩体结构的薄弱面,也是水分吸收和运移的主要空间和通道,含水率增加,首先是影响岩样层理弱面力学性状和孔隙水的分布,改变岩样加载过程中的裂纹扩展规律,进而影响加载过程中的弹性应变能和耗散能的分配比例,从而导致岩样劈裂破坏面形态趋于复杂,抗拉强度降低,水对岩样抗拉强度的影响是一个从微观结构变化导致宏观力学特性劣化的过程。     

冲击荷载作用下岩石动态力学特性及破裂特征研究

采用分离式霍布金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验系统对灰岩,白云岩和砂岩3类岩石进行动态冲击试验,得到岩石的动强度因子,耗散能密度及破碎尺寸与应变率的变化关系。在此基础上结合晶体离散元方法,采用高分辨率扫描和图像处理技术建立了晶体尺度试样模型,研究岩石材料高应变率力学特性和损伤特征。通过与室内SHPB试验对比,验证数值模拟的准确性。结果表明:岩石材料的动态屈服强度具有明显的率相关性,但弹性模量没有随应变率的增加而显著增加;在高应变率下,材料的动强度因子与应变率更符合Ханукаев公式;随着应变率的增加,岩石的破坏形态出现完整型→劈裂破坏→粉碎性破坏转化,这是由细观裂纹的激活数目以及裂纹间的相互作用关系所决定的。裂纹密度的变化和扩展路径的选择是材料动断裂机制,其宏观表现为材料的率效应和破碎成形。     

受载岩石能量演化的围压效应研究

能量演化贯穿于岩石变形破坏的全过程,为了探究围压对受载岩石能量演化特征的影响规律,对红砂岩试样进行6种固定围压下的轴向加、卸载试验,揭示岩石弹性能和耗散能演化及分配规律的围压效应,并探讨工程采动岩体的能量演化路径。研究结果如下:(1)提出岩石储能极限、最大耗散能密度、残余弹性能密度3种特征能量参数,可分别表征岩石的能量积聚、耗散和释放行为特征;(2)峰前主要表现为能量积聚,峰后主要表现为能量耗散和释放,但随着围压的增高,岩石储能极限大致呈幂指数增长,残余弹性能密度呈线性增加,最大耗散能密度呈幂指数增加,表明围压增大了能量输入的强度,减弱了能量释放的烈度;(3)围压越大,弹性能比例在峰前阶段越大,在峰值破坏时下降幅度越小,在峰后阶段二次上升所达到数值越接近于峰前值,表明围压提高了能量积聚的效率,提升了岩石破裂重组后的储能能力;(4)工程采动岩体失稳破坏的能量路径是增加储能水平和降低储能极限2条途径的组合,能量路径斜率越大,越容易因为围压的突然卸载而发生强能量释放行为。     

应变加载速率对盐岩力学性能的影响

 对盐岩进行不同围压下变应变加载速率的三轴压缩强度与变形特性的室内测试,分析应变加载速率对盐岩三轴强度、轴向应变及侧向应变以及破裂形式等物理力学性质的影响。在所测试的应变加载速率范围内,加载速率对盐岩三轴强度的影响可分为3个阶段：无明显影响的弹性阶段、强度差异形成的塑性阶段初期、强度差异保持的应变硬化阶段,最终的结果是抗压强度随着加载速率的提高而增大。对试验后岩样的破坏形式进行细观分析可知,高应变加载速率对盐岩内部结构造成的破坏更明显,裂纹长度大且外观明显,与低应变率下的裂纹破裂形式有显著的差异。对三轴试验后的岩样进行单轴压缩测试,发现三轴试验时的应变率较大,试验后岩样的弹性模量越小,表明高应变率导致盐岩的结构破坏更严重,对盐岩的内部损伤越大。对比不同围压下的试验数据并结合其他单轴试验下的研究结果,得出围压是加载速率对盐岩性质有无影响的先决条件,并且围压越高加载速率对盐岩力学性质的影响越明显的结论。以本次试验研究所得成果出发,结合实际工程中盐岩溶腔的各种用途以及建造、运营的各个阶段内不同的盐岩应变率进行分析,提出对工程有益的建议。