岩石流变特性及长期强度的试验研究

研制重力驱动偏心轮式杠杆扩力加载式流变仪，其扩力比稳定在120，误差在4‰以内，可实现任意长时间的恒定加载，满足流变试验的要求。应用该流变仪，对红砂岩的蠕变特性进行单轴压缩蠕变试验研究，重点观察和分析岩石横向蠕变规律与轴向蠕变规律的差异，并根据试验结果对岩石长期强度的确定进行分析。试验结果表明，横向稳定蠕变阶段的应力闽值低于轴向稳定蠕变阶段的应力阈值；横向蠕变有明显的加速蠕变阶段，且比轴向加速蠕变阶段出现得早；轴向蠕变的第二阶段则不太明显，且一经出现试样随即破坏。根据试验结果，考虑岩石蠕变的“岩石的长期强度”应根据岩石进入横向稳定蠕变的阈值应力来确定，这样确定的“岩石长期强度”值要比根据岩石进入轴向稳定蠕变的阈值应力确定的“岩石长期强度”值小19％～35％。这一结论对考虑蠕变稳定性的岩土上程设计具有重要的指导意义。     

岩体大应变黏塑性模型及其在矿山工程中的应用

 将传统黏塑性模型扩展到能够考虑有限应变效应,并试图用该模型结合非局部化方法描述应变局部化问题。局部化等效塑性变量的非局部化通过与材料特征尺度相关的数值加权平均获得,从而将材料的微细观效应考虑在内。该模型遵循以下假设：变形梯度可用极分解表示,材料存在弹性变形域并遵循最大塑性耗散原理的黏塑性调节形式。该模型具有考虑各向同性和运动硬化、软化的功能。通过不同的精化网格,分析有限应变条件下单元尺寸对非局部的敏感性。数值实验包括模拟无围压约束的岩石压缩实验的变形局部化并与FLAC3D的模拟进行对比分析,模拟深部巷道开挖后出现的大变形流变效应,数值结果表明,该黏塑性模型基本上可以克服目前应变局部化模型中存在的一些弊端。     

岩石强度应变率阈值效应与局部二次破坏模拟探讨

在不同应变速率与不同侧限压力下晶硝凝灰岩强度及变形试验基础上，基于莫尔-库仑强度理论，建立了考虑应变率与侧限压力效应的二次局部破坏强度准则，讨论了模型参数意义及确定方法。该强度模型表明介质破坏是一个过程，反映了强度突变的应变率阈值效应与侧限压力下主破裂面上矿物颗粒团局部二次破坏的力学机制。     

云冈石窟立柱岩体长期强度研究

 基于分级加载单轴抗压蠕变试验,研究世界文化遗产云冈石窟9,10,12窟窟前立柱岩体的长期强度,并对其长期承载力学性能进行评价。研究结果表明：(1) 云冈石窟9,10,12窟窟前立柱岩体的岩性主要为砂岩,岩性单一,结构面不发育,属整体块状岩体结构类型,工程地质条件良好。(2) 立柱岩体中粗粒砂岩的长期强度低于中粒、中细粒砂岩的长期强度。其根本原因在于,中粗粒砂岩的胶结物类型是泥质胶结;其中含有微量的蒙脱石,在长期的风化过程中,与水作用后,易发生淋滤作用和溶蚀作用,次生裂隙相对较发育。(3) 高含水量状态下,中粗粒砂岩的长期强度为20.22 MPa,比其在低含水量状态下的长期强度降低44.31%。按云冈石窟立柱应力最大值出现在10窟西柱的上部(1.31 MPa)计,中粗粒砂岩立柱岩体的安全系数为15.4。因此,9,10,12窟窟前立柱岩体的长期承载力学性能良好。建议尽快修复和搭建窟檐,避免雨水对石窟的冲刷,同时还能调节窟内温度与湿度,减轻风化剥蚀。计算9,10,12窟窟前立柱最大可以承载的窟檐质量,供有关建筑设计和文物保护部门参考。这些研究结果和建议对于云冈石窟的保护具有一定的指导意义。     

岩石应变局部化的二维应变梯度塑性解析分析

通过在屈服函数中引入材料的内部长度，建立了小应变弹性变形下的塑性增量本构关系，给出了岩石材料在单轴压缩条件及二维平面应力条件下等效应变的解析表达式。导出了在Mises屈服准则下平面应力情况的岩石村料应变局部化带的带宽与其倾角的关系式，讨论了应变局部化带宽度的分布范围，并给出带宽最大值和最小值形成的条件。讨论了岩石材料破坏Ⅰ，Ⅱ类变形的条件，并推出了破坏的临界角度，对岩石材料Ⅰ类变形进行了详细分析；讨论了在不同泊松比、不同的E/λ条件下材料应变局部化带的倾角的变化范围。最后，利用梯度塑性理论得到的结论同材料破坏的库仑准则进行了对比研究，对内摩擦系数给予了合理的解释。     

锦屏绿片岩力学特性及长期强度特性研究

 对锦屏二级水电站的绿片岩试样进行常规力学试验研究,包括单轴压缩变形试验和三轴压缩变形试验等,在常规试验数据分析的基础上,进行绿片岩单轴及三轴流变试验,并对试验过程及试验结果进行分析。通过过渡蠕变法结合试验成果对绿片岩试样的长期强度特性进行研究,得到本次绿片岩试样长期强度基本为瞬时强度的80%左右。另外,还通过分析过渡蠕变法的不足,并结合蠕变试验成果,提出一种新的长期强度定量分析方法,将其应用到本次长期强度分析中,提出有意义的观点。     

岩石黏弹塑性应变分离的流变试验与蠕变损伤模型

 基于目前未能对岩石蠕应变的内涵进行分类研究,提出岩石黏弹塑性应变分离的蠕变试验方法和数据处理技巧。以金川二矿区的二辉橄榄岩为例,探讨该类岩石的三轴黏弹塑性变形特性。岩石的瞬时应变分离为瞬弹性和瞬塑性应变,二辉橄榄岩的瞬弹性响应近线性,而瞬塑性模量随偏应力水平的增加而增大;蠕应变分离为黏弹性和黏塑性应变,岩石黏弹性应变曲线呈现衰减蠕变的特性,而黏塑性应变曲线呈现出衰减蠕变,稳定蠕变,甚至加速蠕变的特性,黏弹性应变、黏塑性应变和定常蠕变率与受载偏应力水平之间表现为非线性关系;侧向黏弹塑性应变特性与轴向相似,在未破坏级偏应力下侧向蠕变应变为轴向蠕变应变的25%～30%。将Burgers模型和非线性M-C塑性元件串联组合建立新的BNMC蠕变损伤模型,该模型认为加速蠕变是岩石强度迅速降低和黏塑性变形高度发展,塑性失稳的阶段。依据FLAC3D所提供的二次开发程序接口,采用VC++编程方法实现BNMC蠕变损伤本构模型的二次开发,提出BNMC蠕变损伤本构模型参数的辩识方法。     

饱和岩石的应变率效应和各向异性的机理探讨

在MTS上对南京砂岩和大理大理岩进行了应变率为l0^-5～l0^-2/s的单轴压缩试验，试验结果得出砂岩、大理岩具有各向异性，相对来说大理岩的各向异性要弱一些。同时，大理岩和砂岩随应变率的增加强度增大，具有明显的应变率效应．对饱和岩石的应变率效应和各向异性作了分析得出饱和液体起到了促进各向异性和应变率效应的作用。     

岩石热黏弹塑性模型研究

 温度作用下岩石的本构行为研究对于深部资源开采、核废料地下处置、地热资源开发以及地下军事防护设施建设等岩石工程问题具有重要意义。以西原体模型为基础,引入热膨胀系数、黏性衰减系数和损伤变量,综合考虑温度对岩石弹性变形、黏性流动以及结构损伤的共同影响,建立岩石热黏弹塑性本构模型,推导考虑温度效应的岩石蠕变方程和卸载方程。研究结果表明,在应力低于屈服极限的情况下,模型初始变形较快,然后趋于稳定蠕变,卸载曲线存在瞬时弹性变形、弹性后效和由温度引起的黏性流动;在应力高于屈服极限的情况下,变形逐渐转化为不稳定蠕变,卸载曲线存在瞬时弹性变形、弹性后效和由温度和应力共同引起的黏性流动。该模型较全面反映了岩石在温度作用下的黏弹塑性和损伤性质,适用于温度和载荷作用下岩石流变与稳定性分析。     

岩石静态和准动态加载应变率的界限值研究

 为研究岩石材料静态和准动态加载试验的应变率界限值,以若干硬岩试件在不同应变率加载条件下的试验数据为基础,借助统计学理论与方法,定量分析岩石动态抗压强度与静态抗压强度之比值 与应变率的相关性大小,得到硬岩试件的强度参数与应变率之间的规律性关系,进而得到岩石材料静态和准动态加载试验的应变率界限值,即加载应变率 ＜5×10－4 s－1时为静态试验,此时 均保持在1.00附近,近似为常数,岩石强度与应变率无相关性;5×10－4 s－1＜ ＜102 s－1时为准动态试验,此时 与应变率为幂函数关系,岩石强度与应变率表现出较强或显著相关的特性。     

软岩的应变速率效应研究

对硅藻质软岩试样进行了不同围压和不同加载速率的应变和应力控制式固结不排水三轴试验,试验结果表明,硅藻质软岩具有明显的应变速率效应,加载速率对软岩的强度变形特性有较大的影响。在试验研究的基础上,应用三维弹粘塑性模型,考虑硅藻质软岩的应力–应变关系的时间依存性,模拟了软岩的应变速率效应。数值分析中所采用的参数均由试验确定,对不同应变速率下固结不排水试验的应力–应变关系和有效应力路径的数值计算结果,反映出不同应变速率下软岩的峰值强度和残留强度均随着应变速率的增大而不断提高,与试验结果相吻合;计算结果还反映出与试验结果一致的孔隙水压力变化和应变软化趋势。通过对比分析表明,三维弹粘塑性模型可以较好地描述软岩的应变速率效应。     

第一拐点法确定结构面长期强度的研究

在岩石双轴流变试验机上进行了圆柱体标准试件单轴抗压强度试验、结构面常规剪切试验以及结构面剪切蠕变试验,利用蠕变曲线第一拐点法确定了不同粗糙度结构面试件在不同法向应力条件下的长期强度,并将其与结构面的瞬时强度进行了对比。     

盐岩力学特性应变率效应的试验研究

 以层状盐岩体矿床中的NaCl岩盐与无水芒硝盐岩为研究对象,在实验室内进行10－5～10－3 s－1范围内单轴压缩强度与变形特性的应变率效应研究。研究结果表明：在上述应变率范围内,NaCl岩盐与无水芒硝盐岩的单轴抗压强度与弹性模量基本不随加载应变速率而变化;同一应变速率条件下,无水芒硝盐岩强度略高于NaCl岩盐;两类盐岩的泊松比均随加载应变速率的增大而减小;随加载应变速率的增大,试件在峰值应力点处的应变减小,其变形模量与加载应变速率呈对数关系;试件破裂方式不随加载应变速率而变,NaCl岩盐试件破裂为柱状劈裂或楔型剪切,而无水芒硝盐岩则表现为单斜剪切。对扩容应力与极限强度之比统计结果表明,盐岩扩容应力与极限强度之比(平均值)为87.3%～91.0%,表明盐岩在扩容之前均具有很强的变形能力。由试验结果可知,在其他安全稳定条件满足的前提下,盐岩溶腔储气库运营中、腔壁应变率在10－5～10－3 s－1范围之内,可以保证储气库腔体的安全稳定运营。     

应变速率对粘土不排水抗剪强度的影响

由于流变特性的影响，饱和粘土的不排水抗剪强度与加载速率有关。应变速率对粘土不排水抗剪强度的影响程度通常采用应变率参数（应变速率增长10倍下不排水抗剪强度的增长率）来反映。国外大量的试验结果表明这个参数为8％～20％，而大部分在12％左右，并且超固结比、固结状态、试验类型对应变率参数P的影响并不明显。介绍了一个用来研究应变率参数P的各向异性弹粘塑性本构模型，在这个本构模型的基础上推导得出了应变率参数P的理论表达式。实际上，只要是采用滞后变形理论构建的流变本构模型，都可以推导得出这个公式。这个公式从理论上证明了应变率参数与固结状态、试验类型的无关性。众多试验结果表明，对于大多数粘土，压缩指数与次压缩指数的比值大都为0．03～0．05，代入公式中ρ的计算结果为7．2％～12．2％。试验中所得到的高达20％的数值与灵敏性土在结构破损明显阶段所具有较高的压缩指数与次压缩指数的比值有关。计算结果与一些试验结果的对比表明了这个表达式的可靠性。     

基于蠕变试验的结构面长期强度确定方法

 选取巴顿提出的10条标准剖面线中的第1,10条作为人工模拟结构面的表面形态,并用水泥砂浆浇注成试件,在岩石双轴流变仪上,进行不同法向应力水平下的室内剪切蠕变试验。根据试验结果,利用过渡蠕变法、等时曲线法、蠕变曲线第一拐点法确定结构面试件在剪切状态下的长期强度,分析对比由该3种方法得出的长期强度的差异性,并基于本次试验结果讨论3种方法确定结构面长期强度各自在理论上与试验上的合理之处,同时也探讨3种方法的不足。该研究成果对于岩体长期强度试验方法的理论及其应用都是一次有益的探索。     

盐岩短期强度和变形特性试验研究

分别选定湖北应城盐矿和江苏金坛盐矿为示范工程,通过盐岩单轴压缩试验、三轴压缩试验及巴西劈裂试验,对两盐矿的盐岩试样的短期强度和变形特征进行分析,获得盐岩的短期强度和变形的力学参数。分析表明,两盐矿的盐岩表现出许多共同的力学特性,但在量值上却有差异。利用试验结果绘制莫尔包络线,分别得到两盐岩的强度参数,结果表明,两地盐岩的强度均符合Mohr-Coulomb破坏准则。试样弹塑性变形能力和扩容变形能力的分析表明,盐岩具有一定的塑性变形和扩容变形能力,高围压下还表现出明显的应变硬化特征。本研究成果可为盐岩地下工程稳定性分析及能源深部地下储存及选址提供一定的参考。     

盐岩单轴应变率效应与声发射特征试验研究

 为了建立声发射参数与盐岩力学破坏机制的关系,进一步揭示盐岩在不同应变率条件下的损伤演化规律,利用声发射技术对加载应变率分别为2×10－3,2×10－4,2×10－5 s－1下的盐岩损伤演化及声发射参数特征进行试验研究。试验发现：(1) 3种应变率加载条件下盐岩的应力–应变曲线变化趋势接近。随着加载应变率的增加,盐岩弹性极限强度略有增加,峰值强度及其对应的应变值略有变化,达到峰值强度所需的时间呈线性减少。(2) 加载速率越慢,岩石破碎越松散,产生的裂纹越多,出现的累计声发射信号数越多。(3) 加载速率越快,声发射频率越高,脆性破坏特征越明显。声发射信号频率变化幅度反映了盐岩在不同应变率条件下裂纹的生成速度和损伤演化过程,而声发射信号累计振铃数则较好地反映盐岩达到峰值强度前应力–应变曲线关系。盐岩自身透光性的变化在一定程度上反映出损伤分布区域和损伤程度。建立基于声发射信号累计振铃数的盐岩损伤演化方程,较好地反映低应变率盐岩损伤演化过程。