循环荷载作用下岩石疲劳变形及特性试验研究

通过开展恒定加卸载速率,不同偏应力条件下的循环加卸载试验,研究了轴向应变、径向应变以及体积应该随循环次数的演化过程,得到了在不同偏应力条件下岩石的平均变形模量随循环次数与偏应力的变化关系,进而分析了循环荷载作用下岩石疲劳变形及特性。研究结果表明：（1）偏应力在50MPa之前,轴向应变、径向应变、体积应变以及变形模量随着循环次数的变化基本稳定,反之,表现出发散的趋势;（2）偏应力在80MPa作用下的平均变形模量较1IOMPa作用下的大,这是岩石内部裂隙增加和扩张的结果;（3）在不同偏应力条件下,平均变形模量随着偏应力的增大逐渐增大且趋于收敛。     

循环加、卸载孔隙水压力对砂岩变形特性影响实验研究

 利用MTS815岩石力学实验系统对饱和砂岩进行三轴等围压情况下的循环加、卸载孔隙水压力实验。结果表明：压密阶段的加、卸载曲线中出现了很多“Z”状的波动,这些小波的出现没有规律性,初始残余变形比较大,还没有形成明显的滞回曲线。在弹性耦合阶段稳定滞回曲线加载时,应变呈上凹“Z”状波动,在到达上限值前出现拐点,应变达最大值;卸载时,应变呈下凸“Z”状波动,在到达下限值前出现拐点,应变达最小值,该阶段形成稳定的滞回曲线,表现形式由疏变密,稳定滞回曲线包含弹性变形向塑性变形演化。在孔隙水压力的不同上限值和不同幅值区间的耗散能构成不对称“X”形。在加载段,随着孔隙水压力增大,耗散能逐渐减小;卸载段,随着孔隙水压力减小,耗散能逐渐减小。“X”形的交点出现的位置和夹角与不同上限值和不同幅值区间有关。在循环加、卸载孔隙水压力作用下,残余应变与循环次数的关系符合乘幂负指数关系。     

不同应力路径下花岗片麻岩渗透特性的试验研究

 采用全自动三轴伺服仪,对花岗片麻岩开展渗流应力耦合试验,研究常规三轴压缩和轴压循环加卸载2种应力路径下,渗透率与渗压、围压、有效围压、体积应变及应力路径等因素的关系。结果表明：(1) 在2种不同应力路径下,岩石渗透率演化规律有差异性和一致性,同种路径下变形各阶段渗透率随有效围压增大而减小,但渗透率曲线的形态保持不变;(2) 渗压和围压对渗透率的影响,通过对岩石变形过程中内部微裂纹和孔隙变化产生作用,有效应力系数发生改变,有效围压效应随之改变;(3) 循环加卸载试验中,卸载渗透率均明显大于相应加载渗透率,体积应变转折前,加载渗透率减小,卸载后渗透率增加,形成比较完整的渗透率回滞环,体积应变转折后,加载渗透率增大,卸载渗透率降低不能够完全恢复;(4) 体积应变较轴向应变更清楚和灵敏反映渗透率变化规律,可把体积转折应变或其对应应力作为岩石渗透率变化的一项指标。试验研究旨在为岩石工程渗流–应力耦合稳定性分析提供参考。     

三轴循环荷载下页岩变形及破坏特征试验研究

前期工作已经研究了含裂隙页岩在单轴循环荷载下的变形及破裂特征,为进一步认清围压与循环荷载耦合作用下的变形及破坏特征,利用MTS815.03岩石刚性压力机展开了对含裂隙页岩的三轴循环加卸载试验研究。试验结果表明:在三轴循环荷载下,含裂隙页岩的破坏形式主要为混合破坏,呈现出拉剪贯通模式;随围压逐渐增大,页岩的峰值强度呈线性增大,完整页岩经11周加卸载循环后,峰值强度增大9.98%~25.03%;而含裂隙页岩经15周加卸载循环后,峰值强度增大1.47%~6.98%;含裂隙页岩在同一循环内的弹性模量大于变形模量,卸载弹性模量大于加载弹性模量,卸载变形模量大于加载变形模量,并且损伤面积系数F越大,卸载弹性模量与加载弹性模量的差值也越大;随循环加卸载次数逐渐增加,加载变形模量与卸载变形模量呈先增大后单调减小的规律,加载弹性模量与卸载弹性模量表现出先增大,后逐渐呈"波浪式"减小的规律,剧烈波动的弹性模量是内部结构不断发生局部调整的有效证据。该研究为揭示在围压与循环荷载耦合作用下含裂隙页岩破坏形成复杂裂缝网的发展机理提供了有益参考。     

不同应力路径下花岗岩三轴加卸载力学响应及其破坏特征

开展3种不同应力路径下的花岗岩三轴加卸载试验,得到花岗岩在不同加卸载路径下的应力–应变曲线,分析其破坏特征、变形特征及其强度特征。试验结果表明:(1)卸围压过程中岩石环向应变和体积应变与围压在初始阶段呈线性关系,而后呈明显的非线性关系,岩石轴向变形不明显,变形主要表现为环向变形,岩石扩容显著,脆性破坏特征明显。(2)卸荷试验中岩石变形模量随卸荷比的增大而减小,而泊松比随卸荷比的增大而增大,在卸荷初期岩石变形参数劣化不明显,而后呈指数型变化,且岩石加轴压卸围压试验较恒轴压卸围压试验对变形参数的影响更加明显。(3)在高应力卸荷条件下,Mogi-Coulomb强度准则较Mohr-Coulomb强度准则更能反映岩石的卸荷破坏强度特征;相对于常规三轴压缩试验,恒轴压卸围压试验试样黏聚力c降低24.21%,内摩擦角?增大16.71%,而加轴压卸围压试验试样黏聚力c增大10.25%,内摩擦角?减少6.64%,表明在恒轴压卸围压试验中试样抗破坏的主控因素为摩擦力,而在加轴压卸围压试验中为黏聚力。     

卸荷速率和孔隙水压力对砂岩卸荷特性影响研究

为了研究卸荷速率和孔隙水压力对砂岩卸荷力学特性的影响,设计进行了不同卸荷速率(0.005,0.02,0.05,0.1 MPa/s)和不同孔隙水压力(0,0.3,0.6,0.9,1.2 MPa)下的三轴卸荷试验。研究结果表明:(1)在加载阶段,随着孔隙水压力的增大,岩样的应力–应变曲线斜率逐渐降低;(2)在围压卸载阶段,卸荷速率越大,卸载阶段的应变围压柔量越小,岩样破坏时的围压越小,岩样强度相对较高,但破碎程度更严重,而且,在相同的卸荷速率情况下,孔隙水压力越大,岩样侧向扩容现象越明显,岩样越容易破坏;(3)在围压卸载阶段,岩样的变形模量出现了先缓后陡的劣化趋势,而且,卸荷速率越小、孔隙水压力越大,变形模量劣化幅度越大;(4)卸载过程中,卸荷速率越大,岩样脆性破坏特征越明显;孔隙水压力越大,岩样破坏时的近轴向的张性裂纹越多和追踪次生裂纹越多,孔隙水压力在岩样内部裂纹、裂隙尖端的应力集中是导致岩石变形破坏的主要原因。     

循环孔隙水压力作用下砂岩变形损伤的能量演化规律

 从能量的角度出发,分析砂岩在循环孔隙水压力作用下的变形损伤过程,并探讨在这一变形损伤过程中的能量吸收与释放的演化规律,结果表明：单个循环过程中岩石的滞回曲线分为4个阶段,同时单个循环过程中能量吸收与释放也分为4个阶段。在加载段,单位体积吸收能和单位体积释放能均随着循环次数的增加而减小且逐渐趋向于稳定,孔隙水压力循环下限值越大,单位体积吸收能和单位体积释放能均越大;能量吸收与释放分界点对应的轴向有效应力随着循环次数的增大而增大。在卸载段,单位体积释放能随着循环次数的增大而减小,而单位体积吸收能随着循环次数的增加而增大且孔隙水压力循环下限值越大,单位体积吸收能越小;能量吸收和释放分界点对应的轴向有效应力随着循环次数变化有逐渐下降的趋势。单位体积塑性能随着循环次数的增加而逐渐减小,即随着循环次数的增加,岩石在单个循环孔隙水压力后的损伤变形逐渐减小;在循环初期阶段,孔隙水压力循环上限值相同的情况下,下限值越大,单位体积塑性能越小。     

岩石分级加载蠕变的能量耗散与变形机制研究

通过对岩石加载–蠕变–卸载的能量转换与变形机制分析,利用RLW–2000型岩石三轴流变仪,对2组岩石进行单轴分级加载蠕变试验,分析岩石不同应变差值下能量的耗散过程,确定岩石不同加载水平(或循环次数)与变形模量的关系,研究加载蠕变与应力卸载的曲线路径。结果表明:岩石分级加载蠕变的能量转换可分为加载应变与蠕变应变2个部分,随着每一级载荷作用下应变差的增加,岩石塑性应变能与耗散能呈非线性增加趋势,且塑性应变能曲线与耗散能曲线的开口、应变差及岩石损耗能量也越大;在相同加载水平下,岩石塑性应变能大于耗散能,且应变差与塑性应变能、耗散能的关系可分别用二次多项式、乘幂函数进行描述;岩石变形模量随着加载水平(或循环次数)的增加而变大,表现为先突然增加较大到缓慢增加至趋于相对平缓,相同加载水平(或循环次数)下,高强度岩石变形模量大于低强度岩石变形模量;岩石加载蠕变应变与卸载应力松弛均随加载水平的提高而增大,相同加载水平下,高强度岩石蠕变应变小于低强度岩石蠕变应变,但高强度岩石应力松弛大于低强度岩石应力松弛,高强度岩石加载曲线穿越上一级载荷卸载后的应力松弛区,而低强度岩石加载曲线则穿越上一级加载水平后的蠕变应变区。     

不同循环加卸载路径下红砂岩声发射与应变场演化规律研究

为研究不同循环加卸载路径下红砂岩的损伤演化规律,基于MTS815岩石力学试验系统对红砂岩开展恒下限和变下限循环加卸载试验,同步进行声发射和数字图像相关技术(DIC)监测。结果表明：相较于单轴压缩试验,恒下限循环加卸载下岩石平均抗压强度提高了6.5%,变下限循环加卸载提高不显著。恒下限循环加卸载下Felicity比平均值随应力增大而持续减小,而变下限循环加卸载后期的Felicity比基本保持不变。表观应变场演化趋势与声发射变化特征一致,恒下限循环加卸载下岩石破坏前损伤变形逐渐增大,呈缓增型特点;而变下限循环加卸载下加卸载前期损伤应变较分散,直至应力超过峰值强度66%时,岩石较大表观应变点才由分散快速集中,局部区域变形急剧增大,呈突变型特点,试样表现为剧烈的脆性破坏,实际工程中应予以重视。     

灰岩在三轴变围压循环压缩中的变形特征研究

 岩石在周期荷载作用下的力学性能是影响岩体工程长期稳定性的重要因素之一,需研究循环荷载作用下岩石的特性及演化规律。首先采用声波纵、横波波速测量方法,对岩样进行筛选。设计灰岩在施加不同围压和恒定循环上限应力作用下,三轴变围压循环加卸载下岩石变形特征测试方案。三轴变围压循环试验在GCTS–1000型岩石力学测试系统上进行,通过对试验结果的分析表明：(1) 灰岩在变、恒围压加、卸载循环中,形成一封闭的塑性滞回环。在轴向变形上滞回环面积逐次缩小;而变围压循环在径向变形上滞回环面积逐次增大,而恒围压循环在径向变形上滞回环面积几乎相等。(2) 在三轴变围压循环压缩试验中,围压增加和循环上限应力不变,残余变形量随着循环次数的增加而呈现出一个递减的趋势,轴向应变和径向应变的发展趋势是相反的。(3) 在整个循环加卸载过程中,各个加卸载阶段变形模量值不同,卸载阶段变形模量高于加载阶段变形模量。(4) 变围压循环加、卸载阶段变形模量的值大于恒围压循环加、卸载阶段下变形模量的值。通过试验,揭示灰岩在三轴变围压循环下,加载和卸载2种力学状态时变形特性的差异。同时分析变围压循环和恒围压循环状态下岩石弹性参数的差异性。     

不同加、卸载条件下片岩的变形特性试验研究

对丹巴电站调压井围岩的片岩试样进行了加载试验和卸荷试验研究,分别分析了常规三轴试验及加轴压卸围压、以相同速率同时卸轴压与围压的3种加、卸载方式下的应力-应变关系及整个加、卸载过程中变形参数的变化规律,分析表明:片岩在卸荷条件下表现出明显的脆性破坏特征,而且有强烈的扩容现象,卸荷条件下岩石的破坏也是由于扩容所引起的;卸荷会造成岩体变形模量迅速减小、泊松比迅速增大;试验采取的两种卸荷方式与常规三轴相比较,岩石试样从受力至破坏的整个过程中其变形模量和泊松比的变化趋势有明显的不同,尤其是在相同速率同时卸轴压与围压的卸荷方式对岩石的变形参数影响很大。     

高孔隙水压力对岩石蠕变特性的影响

设计3种加载方式,其中一种施加高孔隙水压力,分别进行分级加载蠕变试验,用于研究分析高孔隙水压对岩石蠕变特性的影响。首先,利用大理石加工的标准圆柱试件,按3种加载方式分别进行蠕变试验,得到轴向、横向的蠕变变形过程曲线,以及岩石破坏时的破坏形态;然后,对3种加载方式下的岩石轴向应变、横向应变、剪应变、体积应变以及破坏形态等进行比较分析;最后,在比较分析的基础上,总结高孔隙水压力对于岩石蠕变及破坏的影响。研究表明:孔隙水压力作用明显,但不是完全作用,即孔隙水压力作用系数接近于1;在高孔隙水压力作用下,岩石的强度大大降低,承载时间大大缩短,破坏时的应变也降低;虽然3种加载情况都是以剪切破坏为主,但在有高孔隙水压力作用下,岩石的破坏更具有突然性;可能不存在一个统一的等效应变阈值,使在不同的加载情况下,应变超过该阈值后即产生加速蠕变破坏;在加速破坏前,除瞬时加载产生的体积应变外,在蠕变过程中,岩石体积应变几乎不变。该成果对于进一步研究考虑孔隙水压力影响的非线性蠕变模型具有指导意义,也可对高孔隙水压力作用下的岩石结构工程处理措施提供指导。     

高应力条件下错动带加卸荷力学特性试验研究

 针对白鹤滩地下厂房开挖过程中所揭露的力学响应行为十分复杂的错动带,为研究其在高应力条件下的加卸荷力学特性,开展一系列不同应力水平和应力路径下的不排水三轴常规加、卸荷试验。研究结果表明：(1) 卸荷过程中,错动带卸荷应力–应变曲线特征与初始围压相关性很大,错动带向卸荷方向回弹变形显著,从卸围压开始即表现出强烈的剪胀现象;卸轴压卸围压方案比增轴压卸围压方案的侧向扩展变形表现更为显著;且在试样表面都出现了张/张剪裂纹。(2) 卸荷应力路径下,错动带变形模量劣化效应十分明显,随围压的减小而逐渐降低,基本呈三次多项式递减;体积模量随体积应变的增加而减小,整体呈负指数形式降低;泊松比则随体积应变逐渐增加,整体呈近似抛物线形式递增。(3) 相同初始围压条件下,相较于加荷条件,卸荷条件下错动带的破坏应力有所降低,内摩擦角明显增大,而黏聚力则明显降低;卸轴压卸围压方案下的破坏应力劣化更显著。试验所采用的应力水平和应力路径基本涵盖和反映了错动带在洞室开挖过程中所经历的复杂的应力重分布过程,具有一定的代表性,地下厂房开挖后高边墙错动带黏聚力和内摩擦角取值基本可参考卸轴压卸围压应力路径下天然含水率错动带的试验结果,为后续进一步讨论错动带强度特征并建立错动带本构模型提供了有效依据。     

卸荷应力状态下玄武岩变形破坏特征的试验研究

本文采用卸荷三轴试验．在实验室研究了玄武岩在卸荷状态下的变形和破坏特征．     

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。     

多次酸化砂岩在三轴循环压缩中的变形特征分析

 通过对同一岩样进行多次注酸酸化处理后再进行多次三轴循环加、卸载试验,由试验中得到的结果,分析酸化对岩石变形特征的影响。试验结果表明：注酸酸化处理及注酸量的大小对岩石变形影响很大,第一次注酸酸化处理对岩石变形特性的影响尤为显著,岩石在加、卸载过程中弹性模量和泊松比均呈现快速下降趋势。随着注酸酸化处理的继续,岩石中可溶解、易溶解部分的量逐渐减少,岩石变形受注酸的影响逐渐变小,随着多次注酸酸化处理及注酸量的增大,弹性模量在加、卸载过程中呈缓慢下行,泊松比在加载过程中同样缓慢下行,前期弹性模量和泊松比变化大,后期弹性模量和泊松比的变化趋向平缓,而泊松比在卸载过程中规律性不强。当达到循环上限应力时,随着对岩石注酸量的增加,岩石的轴向变形逐渐增大。因此,酸是影响砂岩力学特性不可忽视的重要因素之一,在油气工业中,当岩石用酸进行处理后,应充分重视酸作用对岩石承载能力的改变及这种改变对后期工程作业可能带来的不利影响。     

Effect of the volume of the drainage system on the measurement of undrained thermo-poro-elastic parameters

For evaluation of the undrained thermo-poro-elastic properties of saturated porous materials in conventional triaxial cells, it is important to take into account the effect of the dead volume of the drainage system. The compressibility and the thermal expansion of the drainage system, along with the dead volume of the fluid filling this system, influence the measured pore pressure and volumetric strain during an undrained thermal or mechanical loading in a triaxial cell. The correction methods previously presented by Wissa [Pore pressure measurement in saturated stiff soils. ASCE J Soil Mech Found Div 1969;95(SM 4):1063–73], Bishop [Influence of system compressibility on observed pore pressure response to an undrained change in stress in saturated rock. Geotechnique 1976;26(2):371–5] and Ghabezloo and Sulem [Stress dependent thermal pressurization of a fluid-saturated rock. Rock Mech Rock Eng 2009;42(1):1–24], only permit one to correct the measured pore pressures during an undrained isotropic compression test or an undrained heating test. An extension of these methods is presented in this paper to correct the measured volumetric strain, and consequently the measured undrained bulk compressibility and undrained thermal expansion coefficients, during these tests. Two examples of application of the proposed correction method are presented for an undrained isotropic compression test and an undrained heating test performed on a fluid-saturated granular rock. A parametric study has demonstrated that the porosity and the drained compressibility of the tested material, and the ratio of the volume of the drainage system to the one of the tested sample, are the key parameters that most influence the error induced by the drainage system.