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。     

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。     

不同卸围压速率对岩石破坏过程能量演化的影响研究

为探究不同试验能量转化与释放的差异,研究卸围压速率对能量转化与释放的影响,对常规三轴试验和恒轴压卸围压试验结果进行能量分析.结论表明:总能量受卸荷速率的影响较小;弹性应变能随卸荷速率的增大先降后升,影响岩石的储能极限;卸荷速率越大,弹性应变能释放越缓慢,耗散应变能越小,岩石裂纹扩展需要消耗的能量越少.     

不同应力路径大理岩物理力学参数变化规律

基于大理岩常规三轴加荷与卸荷试验结果,分析加卸荷应力路径下大理岩各阶段特征应力、黏聚力c、内摩擦角φ在变形破坏中的变化规律。试验结果表明,相同卸荷速率条件下,压密应力对应的环向应变、体积应变随围压的增大而减小,起裂应力及扩容应力随围压增大而增大,加卸荷应力路径下扩容应力对应的环向应变均稳定在(-0.000 4±0.000 1)范围内。大理岩卸荷破坏的初始屈服面和后继屈服面均符合Mogi-Coulomb函数形式,峰值强度前黏聚力c随塑性参数ε^ps的增大而减小,内摩擦角φ随塑性参数ε^ps的增大而增大。     

高围压卸荷条件下横观各向同性岩体变形破坏与能量特征研究

 为揭示石英云母片岩变形及能量特征,针对平行片理和垂直片理方向的试件,基于MTS815岩石力学试验平台开展不同围压下的卸荷试验,分别从体积变形系数、能量比、能量变化率、能量应力增量比等方面系统研究高围压卸荷条件下石英云母片岩变形破坏特征及能量演化规律。结果表明：平行组试件径向变形发育能力及各特征应力量值均高于垂直组;其能量演化规律具有显著的围压效应,2组试件能量特性差异明显;与垂直组相比,平行组试件峰前、峰后应变能变化率较低且高围压下裂隙发育及塑性变形程度更高;提出能量应力增量比以表征试件能量变化对卸荷程度的敏感性,2组试件峰前能量应力增量比均随围压的增加而增加,但峰后弹性能应力增量比几乎不受初始围压的影响,垂直组峰前、峰后弹性能应力增量比和耗散能应力增量比量值均大于平行组。     

加载速率和围压对煤能量演化影响试验研究

借助TAW-2000型电液伺服岩石力学试验系统进行了不同加载速率和不同围压下煤样的单轴压缩和三轴压缩试验,研究了加载速率和围压对煤样能量耗散特征的影响规律,探讨了煤样耗散应变能转化速率随加载速率和围压的变化规律。研究表明:单轴压缩试验第Ⅰ阶段试件的弹性应变能随加载速率的增加呈现先增大后减小的特点,耗散应变能转化速率均处于较低水平,且与加载速率呈负相关,第Ⅱ阶段耗散应变能随加载速率的增加也呈先增大后减小的趋势,各煤样耗散应变能转化速率的最大值均出现在峰值点或峰后轴向应力陡然跌落点。耗散应变能转化速率对围压十分敏感,围压越大,耗散应变能的转化速率也越大,煤样变形损伤越快。     

大理岩三轴压缩破坏的能量特征分析

岩石材料的变形和破坏与能量的变化密切相关。利用刚性伺服系统对大理岩岩样进行了系列三轴压缩试验,基于试验结果,对大理岩在加载过程中各阶段能量变化的具体数值进行了计算和整理,研究了能量变化在加载破坏各阶段分别与围压、应力、应变的内在联系。结果表明,初始围压的增大能够相当程度上提高岩样的破坏应变能。在既定围压下,岩样在弹性变形阶段的能量变化与偏应力和应变均成正线性关系。随着初始围压的增大,岩样所吸收的能量随偏应力变化的增长速率降低,随应变变化的增长速率加快。在三轴压缩过程中,岩样在弹性变形阶段所吸收的能量占总能量的比重较小,绝大部分能量耗散于岩样的屈服变形阶段;并且随着初始围压的增大,屈服变形阶段所吸收的能量占总能量的比重提高。     

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。     

大理岩加卸荷破坏过程的能量演化特征分析

 根据大理岩加荷破坏与卸荷破坏试验结果,研究大理岩不同应力路径下的破坏特征和能量演化规律。结果表明,常规三轴破坏岩样吸收总能量 高于单轴压缩吸收总能量,峰值强度后常规三轴弹性应变能释放比单轴缓慢,储能极限高于单轴压缩的储能极限。随着卸荷初始围压升高,岩样峰值强度和峰值应变增大,破坏形式由张拉–剪切破坏向剪切破坏过渡,岩样在峰值强度处吸收的总能量 和弹性能 增大,耗散能 却没有明显变化,围压对峰值强度处的 和 无明显影响。卸荷速度增大,岩样峰值强度和峰值应变减小,破坏形式由剪切破坏向张拉–剪切破坏过渡,岩样在峰值点处吸收的总能量 和弹性能 减小,耗散能 却没有明显变化,卸荷速度对 和 无明显影响。加荷与卸荷2种应力路径下,岩样在到达峰值强度时所吸收的总能量和储能极限都与峰值强度呈线性关系。     

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eU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eU/U逐渐下降,峰后eU释放率随围压增加而逐步下降,整体上饱水试样的eU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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

Effect of fatigue loading-confining stress unloading rate on marble mechanical behaviors: An insight into fracture evolution analyses

Rocks in underground works usually experience rather complex stress disturbance. For this, their fracture mechanism is significantly different from rocks subjected to conventional triaxial compression conditions. The effects of stress disturbances on rock geomechanical behaviors under fatigue loading conditions and triaxial unloading conditions have been reported in previous studies. However, little is known about the dependence of the unloading rate on fatigue loading and confining stress unloading (FL-CSU) conditions that influence rock failure. In this paper, we aimed at investigating the fracture behaviors of marble under FL-CSU conditions using the post-test X-ray computed tomography (CT) scanning technique and the GCTS RTR 2000 rock mechanics system. Results show that damage accumulation at the fatigue stage can influence the final fracture behaviors of marble. The stored elastic energy for rock samples under FL-CSU tests is relatively larger compared to those under conventional triaxial tests, and the dissipated energy used to drive damage evolution and crack propagation is larger for FL-CSU tests. In FL-CSU tests, as the unloading rate increases, the dissipated energy grows and elastic energy reduces. CT scanning after the test reveals the impacts of the unloading rate on the crack pattern and a fracture degree index is therein defined in this context to represent the crack dimension. It shows that the crack pattern after FL-CSU tests depends on the unloading rate, and the fracture degree is in agreement with the analysis of both the energy dissipation and the amount of energy released. The effect of unloading rate on fracture evolution characteristics of marble is revealed by a series of FL-CSU tests.     

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。     

不同初始损伤和卸荷路径下深埋大理岩卸荷力学特性试验研究

 在卸荷速率研究的基础上,较为系统地开展不同初始损伤程度和卸荷路径下深埋大理岩三轴卸围压试验研究。提出新的卸荷力学描述参量：应变围压增量比和统一围压降参数,并结合扩容参数和塑性内变量深入分析初始损伤程度和卸荷路径对深埋大理岩卸荷变形破坏规律的控制作用。通过直观的卸荷破坏概念模型解释卸荷破坏试验中规律的根源和机制。结合深埋隧洞工程,重点探讨初始损伤程度试验规律的重要工程指导意义,为高应力硬岩脆性破坏灾害(如岩爆)的防治提供理论依据。     

不同应力路径下大理岩破坏过程的声发射特性

 对大理岩试样进行常规三轴和卸围压破坏过程的声发射参数测试,研究加荷和卸荷两种应力路径下大理岩破坏过程的声发射特性差异。结果表明,常规三轴试验中,声发射幅值随着围压的增加逐渐增大,岩样破坏前的声发射累计释放能量呈线性增加,最大振铃计数率和能量计数率不是出现在峰值,而是出现在峰后应力跌落阶段,峰值应力前的屈服阶段和残余强度前各存在一个平静期,振铃计数率的每个突增都与应力降相对应。卸围压试验中,岩样破坏后声发射幅值明显增大,卸荷开始后振铃计数率和能量计数率出现突增,声发射累计释放能量呈非线性迅速增加,根据声发射累计释放能量增速可以将岩样破坏过程分为3个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段和塑性阶段,在大规模声发射出现前期会出现平静期,两者会交替发生。与常规三轴试验相比,卸荷声发射振铃计数率更大,累计释放能量更高,说明大理岩卸荷破坏更加剧烈。