深部软岩大型三轴压缩流变试验及本构模型研究

 岩体三向应力状态下的三轴流变试验是真实反映工程岩体流变特性的重要手段。详细介绍泥岩现场大型真三轴蠕变试验过程、方法和试验成果,深入分析蠕变变形随时间的变化规律,提出泥岩非线性经验幂函数型蠕变模型及其参数,该模型真实地反映了深部软岩不同应力水平下的流变特征。研究结果表明,泥岩的蠕变速率不仅与时间密切相关,还与应力水平相关。研究成果可用于软岩工程巷道的长期变形预估和支护设计,对软岩巷道的支护优化设计具有重要的参考价值。     

灰质泥岩常规三轴压缩试验与本构方程的研究

以宁夏固原地区城乡饮水安全水源工程灰质泥岩为例,使用TAW-2000型微机伺服岩石高低温三轴试验机对其在不同围压条件下的三轴压缩应力-应变全过程曲线进行系统的试验研究。分析岩石的屈服强度、峰值强度、残余强度与围压之间的关系,采用回归分析得出岩石峰值抗剪强度参数和残余抗剪强度参数。根据塑性力学的相关理论,建立考虑岩石应变软化的双线性弹性-线性软化-残余理想塑性四线性模型,得到灰质泥岩4个阶段的本构方程,并确定各阶段方程的相关参数,研究结果可为该地区地下岩土工程设计时岩石力学参数的选取提供参考依据。     

基于三轴压缩试验的岩石统计损伤本构模型

基于三轴压缩试验,结合统计强度理论和连续损伤理论建立了一种岩石统计损伤本构模型,并对建立的本构模型的数学意义和物理意义进行了讨论分析。由此可知,统计损伤本构方程实质是用对应于某一屈服准则的等效应力表示的连续损伤演化方程,能较好地描述材料的非线性力学行为,也能逼近材料的弹性应力-应变关系。统计损伤本构模型的统计参数均可以通过单轴或三轴压缩试验得到,在利用三轴压缩试验的轴向实测应力、实测应变时应当对损伤本构模型进行修正。对于单轴压缩试验的压密阶段,还给出了初始损伤的估计方法。引入对数正态分布和Mohr-Coulomb准则,通过理论曲线与若干岩石单轴、三轴压缩试验曲线的对比,验证了所提出的统计损伤本构方程及其参数确定方法以及模型修正的合理性,同时也肯定了对数正态分布和Mohr-Coulomb准则在统计损伤本构研究中的适用性。     

大理岩卸荷条件下弹黏塑性本构关系研究

 利用TLW–2000型岩石三轴蠕变试验机对锦屏大理岩进行恒轴压分级卸围压应力路径下的三轴流变试验,得到轴压恒定、不同围压下的应力–应变–时间曲线。根据卸荷应力路径下锦屏大理岩的流变变形特点,以Cristescu本构模型为基础,通过试验结果确定模型参数,并在模型参数的确定过程中考虑卸荷应力路径的影响。所建模型克服了三维元件组合模型不能考虑应力路径影响以及不能很好反映侧向流变变形规律的缺点。最后,用该模型对流变试验数据进行拟合,结果表明：该模型可以很好地描述卸荷应力路径下大理岩的整体变形随时间的变化规律。     

岩石在三轴加卸荷过程中的一种本构模型研究

岩石被视为包含有随机分布、无充填的椭球形微裂纹的各向同性体,岩石变形分解为岩石母体的线弹性变形和微裂纹的变形之和。基于压剪裂纹模型,推导了岩石在三轴卸荷过程中微裂纹的变形,从而建立了一种岩石三轴卸荷的本构模型。一组石膏模型的三轴实验结果显示,实验数据与理论计算结果能基本吻合。     

考虑塑性变形的岩石损伤本构模型初步研究

利用细观力学的Eshelby等效夹杂方法建立了考虑损伤和无损岩石塑性变形的Helmholtz自由比能函数，并用连续损伤介质力学方法推导出了考虑损伤和无损岩石塑性变形耦合的岩石弹塑性损伤本构关系，给出了损伤演化方程和塑性应变发展方程，该模型还反映了岩石损伤部分不能承受拉应力等力学特性。     

多孔岩石塑性压缩本构模型研究

白垩是一种典型的多孔岩石,三轴试验研究成果表明白垩具有2种塑性力学机理:塑性压缩(孔隙坍塌)和剪切破坏。孔隙度对白垩的塑性力学特征有重要影响,在描述白垩塑性行为的本构方程中,特别是描述塑性压缩(孔隙坍塌)的塑性力学机理,需要考虑孔隙的影响。基于对白垩力学机理的认识,建立了基于Gurson屈服准则的本构关系用来描述白垩的塑性压缩(孔隙坍塌)机理的本构模型,模拟结果与试验成果相一致。     

不规则柱状节理岩体常规三轴压缩力学各向异性试验研究

利用3D打印技术制备绿蜡不规则柱状节理网络模型,以白水泥浆作为类岩石模型材料,一次浇筑成型制备具有7种不同倾角的模拟不规则柱状节理岩体试件,通过对其进行常规三轴压缩试验,得到不规则柱状节理岩体强度和变形各向异性规律及其典型破坏模式。试验结果表明：不规则柱状节理岩体偏差应力峰值强度、变形模量和侧向应变比呈现中等～高各向异性,且围压对其各向异性显著程度影响较大;不规则柱状节理岩体典型破坏模式包括沿柱状节理面发生的“Y”型共轭剪切破坏、部分通过柱体,部分通过柱状节理面的劈裂破坏、沿柱状节理面的剪切滑移破坏和沿柱体的压裂破坏四种。在此基础上分析了3D打印绿蜡不规则柱状节理网络对不规则柱状节理岩体力学各向异性的影响。     

重塑软黏土固结排水三轴试验和本构模型研究

通过室内固结排水三轴剪切试验,分析了重塑饱和软黏土在固结排水条件下三轴剪切过程中的力学特性和变形特征。基于硬化参量与应力路径无关的基本假定,根据曲线积分中的格林公式,构建了新的屈服方程,并建立了一个适合于重塑饱和软黏土的本构模型。采用MATLAB软件编写计算程序,利用新建的重塑软黏土本构模型,对所采用的重塑软黏土和文献报道的Fujinomori黏土的固结排水三轴剪切试验进行理论计算。将试验结果和理论计算结果进行对比,可得出结论:新建的本构模型理论计算结果与重塑饱和软黏土的固结排水三轴试验结果较为吻合,可以较好地描述重塑软黏土在排水条件下的强度与变形特征。     

高温后粗砂岩常规三轴压缩条件下力学特性 试验研究

 通过在MTS815.03电液伺服岩石力学试验机上对焦作方庄煤矿煤层顶板粗砂岩进行高温后常规三轴压缩试验,基于试验结果研究不同温度作用后常规三向压缩条件下粗砂岩宏观力学特性,分析粗砂岩强度、平均模量、黏聚力、内摩擦角和极限应变与温度的关系;同时对粗砂岩强度、平均模量与围压关系进行探讨。研究结果表明,围压一定,温度为25 ℃～300 ℃时,随着温度的升高,试样的强度、平均模量、黏聚力、内摩擦角均逐渐增大,而变形模量有所降低。高温产生的热应力起到容纳变形和裂隙闭合作用,砂岩试件部分原生裂隙逐渐愈合,裂隙数量减少,密实程度提高,矿物颗粒间接触关系得到改善,摩擦特性得以增强;超过300 ℃ 以后,随着温度的升高,粗砂岩试样的强度、平均模量、黏聚力、内摩擦角均有所减小,而峰值变形逐渐增大,由高温引起的粗砂岩矿物颗粒的不同热膨胀率导致跨颗粒边界的热膨胀不协调,从而产生结构热应力使试样内部产生微裂隙,试样承载能力和抗变形能力减弱。而围压对粗砂岩的力学性质起到改善和强化作用,当温度一定时,随着围压的升高,粗砂岩试件强度、平均模量、黏聚力、内摩擦角均逐渐增大。     

泥板岩流变试验与粘弹性本构模型研究

某水电站泥板岩变形是该坝区地下洞室群和高边坡研究的主要问题，探讨泥板岩粘弹性本构模型有重要意义。选取泥板岩岩芯做成简支梁进行流变试验，在梁上取10个测点贴上应变片，在梁的中央施加集中荷载，用应变仪测定10个测点的应变片在各级长期荷载作用下随时间变化的应变量。根据所测定的应变量来反演泥板岩粘弹性本构模型，得到了符合泥板岩的粘弹性流变本构模型。     

煤样三轴压缩下变形和强度分析

基于在伺服试验机对煤样的常规三轴压缩和三轴卸围压试验,分析了煤样在不同应力条件下的强度和变形特征。煤样在围压作用下裂隙闭合后利用摩擦仍可以承载,并且所有煤样峰前变形特性基本一致。三轴卸围压试验峰值处出现屈服平台,与常规三轴相比峰后塑性明显增强,煤样破坏时的轴向应变量受常规三轴压缩全程应力–应变曲线控制。常规三轴压缩和三轴卸围压试验的峰值强度与围压均成线性关系,围压影响系数基本相同,内摩擦角能够表征材料力学性质,与加载方式没有关系,但相同围压下三轴卸围压时试样的承载能力比常规三轴加载时明显偏低,表明煤样经历较高轴向载荷作用后存在局部损伤。     

大理岩等围压三轴压缩全过程研究Ⅱ:剪切断裂能分析

通过对等围压三轴压缩和峰前峰后卸围压过程岩石试样的不同破裂形态和宏观破坏角的对比分析，结合大理岩应力-应变全过程中的分叉行为，提出剪切断裂能的计算方法，分析了剪切断裂能的发展过程，揭示了峰前卸围压破裂强烈的原因。     

韧性岩石常规三轴压缩试验及变形与损伤演化规律研究

 利用岩石全自动三轴伺服仪,对向家坝水电站坝基挤压带强风化砂岩进行不同围压下的常规三轴压缩试验,并对岩石变形和破坏机制进行研究。试验结果表明：该强风化砂岩表现出显著的非线性变形和延性破坏特征,属于韧性岩石。在偏压作用下,岩石轴向和侧向应变分别为5%和4%,体积膨胀量为4%以上。岩石变形力学参数随荷载的变化而变化,随偏应力的增大,岩石弹性模量减小,泊松比增大。围压可提高岩石抵抗变形和破坏的能力,围压越大,岩石发生扩容的起始偏应力越大。基于密度方法研究岩石损伤演化规律。加载初期,岩石被压密,处于无损阶段;当偏应力超过一定水平时,岩石出现损伤,且损伤量与等效应变呈线性关系,密度损伤阈值低于0.12。试验结果对向家坝水电站坝基稳定性分析有重要参考价值。     

岩石损伤变量及本构方程的新探讨

提出了基准损伤、负损伤、正损伤的概念，基于岩石损伤的CT试验结果，拓展了基于CT数损伤变量的内涵，推广了应变等价原理并给出单轴压缩状态下的损伤本构方程及其算例，最后把所提出的损伤末构方程和一些传统的损伤本构方程进行了分析比较。     

压缩试验本构关系的大变形表述法

基于连续介质力学有限变形理论,采用完全拉格朗日描述法导出压缩试验本构关系的大变形法表述形式.首先根据压缩试验特点建立大、小变形法应力张量和应变张量之间的转换式,得到一般意义上的大变形法压缩本构关系.然后在小变形法双曲线模型基础上,得到其对应的大变形法本构方程,并提出简化形式的大变形法双曲线模型.工程实例和参数分析的结果均表明,大变形法双曲线模型可较好地模拟土体的大变形压缩试验本构关系.大、小变形法的双曲线参数在定义和数值上均不相同,但两者服从一定的变化规律.     

常规三轴试验固结阶段的理论研究及试验验证

常规三轴试验的固结阶段属于球应力作用下的三维压缩而渗流只发生在竖向的特殊过程,与Terzaghi一维固结过程既有区别又有一定的共同点,因此不能直接用Terzaghi一维固结理论解决该问题。基于有效应力原理、Darcy定律和线性材料假设,建立常规三轴试验固结阶段的水压力消散理论方程,并进一步给出其分离变量法的幂级数解和有限元解答。算例分析表明,幂级数解在固结初期收敛性较差,只有当固结度稍大时才表现出良好的稳定性。将理论方程的计算结果与双压力室WF有效应力路径三轴试验结果比对后发现,理论方程能够揭示三轴试验固结阶段的主要特点。理论分析表明,其差异性主要在于理想假设与真实土样性质不完全相同这一客观存在。