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。     

岩石变形劣化全过程细观试验与细观损伤力学模型研究

 采用细观试验探究岩石变形劣化全过程是了解岩石变形破坏机制的重要手段。选取四川锦屏二级水电站深埋(2 525 m)隧洞围岩(大理岩),利用岩石变形破坏全过程细观力学试验系统,进行大理岩试样单轴压缩变形破坏全程的数字化试验,在SEM图像数字化处理基础上,对微裂隙的萌生、扩展及贯通过程进行数字化定量分析,统计试样在受压过程中微裂纹的面积、方位角、长度、宽度和周长基本几何数据。利用内变量热力学理论和摩擦弯折裂纹模型,分析微裂纹不同阶段的演化规律,建立微裂纹引起的非弹性应变与应力之间的定量关系,得到大理岩应力–应变关系计算曲线,并与试验结果对比,验证了本文理论模型的可靠性,从试验和理论两方面探究岩石试样单轴压缩过程中的破坏机制。     

岩石变形破坏的数字散斑相关方法研究

 采用白光数字散斑相关方法作为实验的观察手段,对单轴压缩条件下岩石变形破坏进行实验研究。根据实验中数据采集方式的不同要求,将实验分成2组进行：一组是通过CCD相机记录岩石加载全程的试件表面散斑图像,进行岩石加载全程的变形演化实验研究,根据计算结果对岩石加载全程的变形演化和变形集中区域的位移演化进行研究;另一组是通过高速相机记录岩石破坏瞬态过程的试件表面散斑图像,进行岩石破坏瞬态过程的变形演化实验研究,采用不同时刻的散斑图像作为参考帧,分别进行塑性硬化到峰值阶段变形场演化特征、峰值到破坏阶段变形场演化特征的分析。同时,实验研究中还得到试件加载过程中局部化带内变形量值、带内变形最大值与最小值之比,带内最大值与带外平均值之比,以及试件表面裂纹扩展的平均速度等定量参数。     

基于矿物晶体模型非均质岩石单轴压缩力学特性研究

为研究岩石微观结构非均质性对宏观力学特性及裂纹扩展规律的影响,结合花岗岩室内单轴试验及矿物晶体模型(Grain-based model, GBM)对岩石的微观矿物结构进行离散元建模,研究了非均质岩石宏观应力-应变曲线、声发射及晶体尺度裂纹扩展规律。通过改变岩石微观结构进一步研究了不同矿物组成条件下岩石宏观力学特性及其变化原因。结果表明:GBM可在考虑岩石微结构及强度非均质的条件下,有效模拟岩石加载过程中宏观及微观力学特性;加载初期,岩石内部晶体尺度裂纹首先以晶间裂纹为主,随后转变为以晶内裂纹为主,且裂纹破坏主要为拉伸破坏,岩石破坏时拉伸裂纹及晶内裂纹与总裂纹占比分别约为93.87%,60.95%;加载过程中,岩石微裂纹首先随机分布在岩石内部,后开始聚集并造成宏观破裂面的出现,且宏观破裂面的形成主要与矿物晶体内裂纹的扩展及聚合有关;随岩石内长石矿物含量的增加,岩石峰值应力与损伤应力整体呈增加的变化趋势,且该变化规律可能与长石矿物内裂纹数增加及云母矿物内裂纹数减小有关;通过矿物晶体模型对岩石微观结构进行模拟并对非均质性所造成的力学特性变化进行微观尺度解释,有利于更好理解岩石非均质性与宏观力学特性的关系。     

盐湖岩盐变形破坏的试验研究与数学模拟

本文利用盐湖岩盐矿物成分单一、结构简单、盐晶透明以及正交偏光下具有应力双折射特性等便利条件,通过单轴压缩试验和微观观测,研究了盐晶和盐湖岩盐的变形破坏机理及弱面的影响。并且,由此探讨了岩石非线性本构关系的一种离散化方法,其中包括强调岩石的弱面效应,建立由实体元和弱面元组成的多晶随机弱面体的有限元模型,反演弱面的力学性状,以及模拟盐湖岩盐变形破坏的全过程。     

锦屏一级地下厂房大理岩变形破裂细观演化规律

脆性大理岩的变形破裂与其内部微裂纹的扩展贯通密切相关,其宏观力学响应取决于细观结构构造;因岩石内部的封闭性,难以掌握其内部微裂纹的发育演化机制。基于三维颗粒流理论,通过引入 BPM 模型和超级单元clump技术,并依据锦屏一级地下厂房大理岩的SEM矿物成份检测结果,建立基于矿物形状的大理岩细观结构模型,在对细观力学参数敏感性分析的基础上,根据室内单轴和三轴压缩试验结果确定大理岩的细观力学参数,构建大理岩的细观力学数值模型,对不同应力状态和应力路径下大理岩的变形破裂演化及扩容孕育过程进行数值模拟分析。研究结果表明：大理岩细观力学数值模型所描述的宏观力学响应与室内试验结果具有很好的一致性;单轴或低围压时微裂纹呈缓慢-急增的指数型增长趋势,高围压时微裂纹呈缓慢-急增-缓慢的近似S型增长趋势;随着围压的增加,张拉裂纹所占比例逐渐减少,剪切裂纹所占比例逐渐增加;与相同初始围压时的加载应力路径相比,卸载应力路径下岩石峰值应力对应的轴向应变小,张拉裂纹所占比例高,且随卸载过程逐渐起主控作用,最终形成张性宏观破裂面,体现了大理岩卸荷扩容效应更为显著且脆性更强。在不同应力状态和应力路径下,张性裂纹扩展控制机制和剪切裂纹摩擦控制机制相互作用,此减彼增逐步过渡。研究结果从细观尺度上揭示锦屏一级大理岩扩容孕育机制,为正确认识和把握锦屏一级地下厂房洞室群施工期围岩大变形形成机制以及岩体卸荷破裂规律提供基础。     

板岩渐进剪切破坏各向异性及其数值模型研究

层理面是导致岩石试样在变形和力学特性上表现出各向异性的根本原因。为研究层理弱面影响下板岩的渐进破坏模式,揭示其各向异性的力学机制,选取贵州东部的层状板岩开展不同加载空间位置关系下的直剪试验。结果显示:剪切强度各向异性是由其破坏机制控制的,层理面与剪切面平行时,属于沿层理面的剪切滑移破坏;层理面与剪切面垂直且其交线与剪应力方向也垂直时,属于剪切作用下层理面的张拉和基质体的剪切破坏;层理面与剪切面垂直而其交线与剪应力方向平行时,垂直于层理面方向试样在泊松效应作用下产生拉伸破坏,剪应力方向试样发生基质体的剪切破坏,此时强度最大。基于层理结构的本构关系,构建层理体系的材料模型,并采用数值模拟研究层理结构对板岩破坏模式的影响,模拟结果与试验结果吻合较好,进一步解释了层状板岩破坏模式各向异性的产生机制。     

基于混合高阶非连续变形分析的刚性伺服数值试验方法EI北大核心CSCD

相对于传统的力学试验而言,数值试验具有成本低和灵活方便的优点,且不受试验机性能和岩石试样自身离散性等因素的影响;通过对岩石细观结构及其参数的敏感性分析可以方便地实现对其变形破坏细观机制的研究。作为宏观力学试验的有益补充,细观数值试验方法近年来逐渐发展成为研究岩石力学特性的重要手段。基于非连续变形分析方法,建立能够同时实现刚性试验机的理想刚性和电液伺服试验机的伺服控制机制的细观数值试验方法。在混合高阶非连续变形分析框架下,组成岩石试样部分的块体单元根据需要可采用常应变单元或高阶多项式位移模式,模拟加载框架部分的块体单元则采用刚体位移模式,从而实现加载系统的理想刚性。通过对加载速率及其量值的实时反馈控制实现了对电液伺服试验机闭路循环控制机制的数值模拟;"加载步回撤"和"二分法搜索"等计算策略的应用使得数值试验中的加载速率及其量值能够始终与岩石试样自身的承载能力相适应,从而能够得到更为接近真实的的峰后曲线。采用两块体简化模型对伺服数值模拟程序的有效性进行验证;之后,利用研发的程序开展了单轴压缩数值试验,获得应力–应变全过程曲线。基于混合高阶DDA的伺服数值试验方法为岩石基本力学特性的细观数值试验研究提供了全新的研究手段。     

基于混合高阶非连续变形分析的刚性伺服数值试验方法

相对于传统的力学试验而言,数值试验具有成本低和灵活方便的优点,且不受试验机性能和岩石试样自身离散性等因素的影响;通过对岩石细观结构及其参数的敏感性分析可以方便地实现对其变形破坏细观机制的研究。作为宏观力学试验的有益补充,细观数值试验方法近年来逐渐发展成为研究岩石力学特性的重要手段。基于非连续变形分析方法,建立能够同时实现刚性试验机的理想刚性和电液伺服试验机的伺服控制机制的细观数值试验方法。在混合高阶非连续变形分析框架下,组成岩石试样部分的块体单元根据需要可采用常应变单元或高阶多项式位移模式,模拟加载框架部分的块体单元则采用刚体位移模式,从而实现加载系统的理想刚性。通过对加载速率及其量值的实时反馈控制实现了对电液伺服试验机闭路循环控制机制的数值模拟;"加载步回撤"和"二分法搜索"等计算策略的应用使得数值试验中的加载速率及其量值能够始终与岩石试样自身的承载能力相适应,从而能够得到更为接近真实的的峰后曲线。采用两块体简化模型对伺服数值模拟程序的有效性进行验证;之后,利用研发的程序开展了单轴压缩数值试验,获得应力–应变全过程曲线。基于混合高阶DDA的伺服数值试验方法为岩石基本力学特性的细观数值试验研究提供了全新的研究手段。     

含交叉裂隙岩石试样单轴力学特性与破坏机理

为系统性地研究节理岩体在单轴压缩试验条件下其力学特性及破坏机理,利用MTS-815岩石试验装置对完整岩石试样、不同构型单裂隙和交叉裂隙岩石试样进行单轴压缩试验,分析了各构型试样的力学参数及能量演化规律。与完整岩石试样力学参数相比,含单裂隙岩石试样的强度和弹性模量相对较小,含交叉裂隙岩石试样各项参数值最小。在加载过程中,含交叉裂隙岩石试样用于裂纹产生及发展的耗散能远大于完整岩石试样和含单裂隙岩石试样。一般地,含交叉裂隙岩石试样裂纹从预制交叉裂隙尖端起裂,首先贯通同侧预制裂隙形成反翼型裂纹,最终呈拉伸劈裂型破坏。     

岩石摩擦滑动位移场时空演化特征研究

采用双面剪切模型实验方法,对一种花岗岩试件进行岩石摩擦滑动实验研究。以CCD相机构建实验图像数据采集系统,利用数字散斑相关方法对岩石试件在摩擦滑动过程中的位移场、滑动面的滑动位移及变形能密度的演化特征进行研究。研究结果表明:(1)剪应力初始缓慢增长阶段,滑动岩块位移场空间非均匀分布是由试件自身随机缺陷和滑动接触面上随机分布的凹凸体的变形引起,位移主要为试件的弹性变形位移;剪应力线性增长阶段,试件局部区域处于滑动状态,试件位移场的空间分布受滑动面主导,试件整体位移场体现出较规则分布特点;剪应力非线性增长阶段,试件位移场空间演化上,滑动面分布有强段和弱段,滑动面弱段位移场等值线呈均匀分布,等值线近似直线且相互平行,滑动面强段的位移场等值线呈非均匀分布,位移场等值线呈曲线状;试件位移场时间演化上,强段和弱段区域随载荷增长呈动态变化。(2)影响滑动面强段分布的因素为凹凸体的阻碍性,凹凸体的阻碍性不仅与其自身强度有关,还与所在区域滑动面间的咬合程度有关;滑动面水平位移演化受滑动面强段摩擦滑动状态控制,水平位移曲线与加载曲线有较好的对应关系。(3)在剪应力非线性增长阶段,滑动面强段处于静摩擦和滑动的交替状态,滑动面滑动速度表现出突变现象,变形能密度在此阶段发生积累与释放的波动式演化特征。     

岩石压剪耦合破坏过程的实时监测研究

将实时激光全息干涉光路布置与岩石力学压剪加载装置组构成光学-力学最优匹配测量系统，通过数据图像采集系统，实时动态捕获了压剪应力作用下花岗岩岩样压剪耦合破坏全过程的实时全息干涉图；根据全息干涉条纹解释原理和图像处理计算，试样表面动态干涉条纹的分布与移动规律高精度直观地揭示了岩石压剪耦合破坏过程中局部变形场分布、微破裂微裂纹的演化路径与速率以及岩石失稳破裂的力学性状。结果表明，该方法能够为岩石损伤与断裂力学问题的研究提供有效的试验技术支持。     

岩石破坏过程中试件表面应变场演化特征研究

 分析了2种岩石试件(一种大理岩方柱试件和一种含圆孔大理岩平板试件)在单轴压缩下试件表面的应变场演化过程,得到了最大剪应变场的特征统计量(方差S)随加载的演化规律：S值在试件的均匀变形阶段较小且变化缓慢,在试件的非均匀变形段急剧上升。根据S值的变化趋势,将2个试件的变形破坏过程划分为5个不同的阶段,并给出了5个阶段的代表应变场,总结了各阶段的变形特征。应变局部化是其中一个重要阶段,是联系岩石均匀变形和非均匀变形的“桥梁”。实验结果表明,2个试件的应变局部化开始于加载曲线峰值前非常接近峰值的时刻(方柱试件为99.2%峰值应力处,含圆孔平板试件为92.2%最大载荷处),结束于峰值点。峰值后岩石试件的变形主要表现为弱化带和宏观裂纹的活动。     

循环荷载下断续裂隙岩体的变形特性

断续裂隙岩体在地震、波浪冲击、动力机器运转等动力循环荷载作用下的疲劳特性是岩石力学的一个基础课题。采用预制断续裂隙类砂岩模型试样单轴动循环加载试验,借助测试到的荷载–位移曲线从不可逆变形与总变形随循环次数的演化规律入手探讨了含2、3条裂隙试样循环荷载下的疲劳变形规律,并对影响裂隙试样疲劳变形的加载频率、循环荷载水平及裂隙空间位置等因素进行了讨论分析。研究发现:断续裂隙岩体的疲劳变形演化规律与完整岩石、完全离散的节理化岩体一致,均可划分为3个阶段:初始变形阶段、等速变形阶段与加速变形阶段;其疲劳破坏时的变形量与周期荷载的上限荷载在静态荷载–位移曲线峰值后区对应的变形量相当;同时,断续裂隙岩体疲劳变形除受加载频率及荷载水平的影响之外,还受到裂隙空间位置的明显影响。     

大理岩破坏过程的三维细观弹塑性损伤模拟研究

为了考虑岩石细观局部塑性变形,基于应变空间理论导出细观弹塑性损伤模型,采用有限元计算方法实现岩石三维破裂过程的数值模拟。提出细观破坏单元网格消去法,利用位移加载来实现岩石逐渐破裂过程;模拟二维、三维大理岩三点弯曲梁弹塑性损伤破坏试验,得到岩石非线性应力–应变曲线和不同载荷阶段弹塑性损伤破裂演化系列图像;分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响。试验研究表明,三维破裂比二维破裂更为复杂,本文所建模型可以有效地模拟岩体的三维破坏过程。     

孔洞形状对大理岩渐进破坏力学特性影响研究

为研究孔洞形状对岩石破坏特性的影响,对含不同形状孔洞大理岩进行单轴压缩实验,利用高速摄像仪记录孔洞周边裂纹的萌生、扩展和贯通直至试样破坏的过程,分析孔洞形状对大理岩力学特性、破坏模式、裂纹扩展特性的影响规律,以及试样所储存的能量与岩石变形破坏的关系。研究发现,孔洞形状对大理岩的力学特性有明显影响,且不同边界类型的孔洞有不同的裂纹扩展特性。另外,试样的宏观破坏是由远场裂纹迅速扩展的结果,而初始裂纹对材料破坏没起到关键作用。从能量的角度提出一个可判别岩石脆性破坏的能量跌落系数,还发现岩块弹射烈度与单位体积吸收能量的大小有关。通过FLAC^3D对不同孔洞形状大理岩进行数值模拟,得到不同孔洞形状大理岩的应力分布和应力集中系数特征,其应力分布特征较好地反映了室内试验的破坏特征。     

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.     

绿片岩软弱结构面的剪切蠕变特性研究

 针对锦屏II级水电站引水隧洞超埋深、高地应力的特点,选取边坡和地下洞室围岩中含有绿片岩软弱结构面的灰白色大理岩为研究对象,对含有软弱结构面的大理岩试样进行分级加载剪切流变试验,并对试验结果进行分析,探讨软弱结构面的蠕变特性。通过对不同法向应力条件下岩体结构面的蠕变力学特性及其规律的研究,以及对结构面剪切蠕变试验过程中的蠕变速率特性进行分析,结果显示结构面的剪切蠕变试验曲线表现出明显的3个阶段。在此基础上选用改进的Burger模型对结构面蠕变试验结果进行拟和分析,并讨论改进的Burger模型对于描述结构面剪切蠕变特性的适用性。     

锦屏水电站大理岩在高应力条件下的卸荷力学特性研究

结合锦屏水电站深埋引水隧洞开挖工程,选取该区域典型大理岩,并以隧洞围岩实际应力环境为基础,开展卸围压破坏试验以及卸围压多级破坏试验.研究成果表明,锦屏大理岩在高应力条件下的卸荷力学性质主要表现为:(1)相同初始应力条件下,岩石达到卸荷破坏所需应力变化量比轴向压缩破坏时小,卸荷更容易导致岩石破坏;(2)岩石卸荷开始后侧向变形明显加快,且表现出显著扩容,如果忽略卸荷前岩样变形,则体积变形几乎按照侧向变形的规律增大;(3)卸围压过程中,泊松比近似按照多项式关系增长.变形模量初始变化不显著,屈服前微量围压减少引起变形模量急剧减小;(4)卸荷条件下抗剪强度参数c值比加载条件下低14%,而φ值比加载条件下高23%.这些结论揭示高应力条件下大理岩的卸荷力学特性,为深埋引水隧洞开挖稳定分析提供可靠依据.     

芙蓉江大桥拱座混凝土–基岩抗滑稳定性研究

 通过对混凝土–岩石胶结面剪切破坏过程中剪应力–位移曲线的分析,假设混凝土–岩石胶结面剪应力由混凝土与岩石之间的胶结作用和摩擦效应共同承担,从而建立考虑峰后胶结损伤的胶结面力学模型。室内混凝土–岩石剪切试验结果的反演分析表明,该模型可以很好地反映胶结面剪切破坏过程。利用建立的混凝土–岩石胶结面力学模型,对拟建的芙蓉江大桥拱座抗滑稳定性进行三维计算分析,结果表明：桥梁荷载下拱座–基岩胶结面剪切应力小于其抗剪强度,胶结面变形以弹性变形为主,量值较小,拱座–基岩胶结面不会产生剪切破坏。