高围压高水压条件下大理岩卸围压变形破坏与能量特征

利用伺服机对大理岩进行高围压及高围压高水压岩石的卸荷力学试验。基于试验结果,研究岩样卸围压的变形破坏及其能量特征。结果表明:①大理岩峰前卸荷比峰后卸荷表现出更大的脆性;②孔隙水压力加速了岩石的脆性破裂,降低了岩石的强度;③高围压情况下卸荷比低围压情况下卸荷更容易使岩体发生破坏。     

节理软岩卸荷流变力学特性试验研究

为了解节理软岩的卸荷流变力学特性,采用RLW-2000岩石三轴流变试验系统进行了恒轴压一次卸围压的流变试验,详细分析了相同轴压不同围压以及相同围压不同轴压条件下试样轴向及侧向流变随时间的变化规律。同时分析了试样流变速率随时间的变化规律及试验后试样的破坏形态。通过试验研究掌握了一些节理软岩的卸荷流变规律,为节理岩体的本构模型的进一步研究建立了基础。     

奥陶系灰岩卸荷力学特性试验研究

摘要岩石在卸荷状态下的力学特性与其在加载状态下有着明显区别,对奥陶系灰岩进行了常规三轴与卸荷三轴的对比试验分析。试验结果表明,卸荷状态下岩石的变形以侧向变形为主,且扩容显著;卸荷状态下岩样没有出现明显的塑性阶段,峰后出现了明显的应力跌落,表明灰岩的脆性特征在卸荷状态下相对明显。相对于加载,卸荷岩石的黏聚力c和内摩擦角φ均有所减小;卸荷状态下峰值抗压强度和残余抗压强度明显减小,并且随围压增加其减小的幅度也减小。     

加卸荷条件下大理岩变形特征及能量演化

为揭示深埋大理岩在不同应力路径下的变形特征和能量演化特征,基于大理岩的常规三轴试验和卸荷三轴试验,分析了大理岩变形破坏过程中变形和能量演化的围压效应和应力路径影响。结果表明:大理岩在加卸荷条件下均表现出显著的围压效应;卸荷条件下大理岩的损伤扩容应力阈值和峰值强度较加载条件下的低;加载应力路径下能量耗散阶段占比更大,卸荷应力路径下能量聚集阶段占比更大;加卸荷条件下损伤扩容点对应的总能量和弹性应变能与围压具有良好的线性关系;针对峰值应力对应的总能量、弹性应变能及耗散能,加载应力路径下其均与围压具有正线性关系,而卸荷应力路径下均与围压成指数关系。基于以上结论,提出了确定大理岩破坏点的定量方法,结合应力-应变关系曲线,有效地解决了高围压作用下大理岩破坏点难以确定的问题,为深埋洞室围岩的稳定性分析提供依据。     

卸荷条件下砂岩变形模量弱化规律

卸荷作用将导致岩体的力学参数劣化,卸荷过程中岩体的力学参数是动态变化的。针对宜昌地区的砂岩进行了三轴加卸荷试验,研究升轴压卸围压条件下岩样变形模量的弱化规律。试验结果表明:卸围压过程中,岩样变形模量随围压的降低而加速减小;卸荷程度越高,相同围压卸荷量引起的变形模量减小比例越高,其弱化规律可定量分析;当岩样发生卸荷破坏后,岩样变形模量减小至三轴压缩破坏变形模量的24%~49%;卸荷速率对试验结果有明显影响,当初始围压值相同时,卸荷速率越大,相同围压卸荷量引起的岩样变形模量劣化程度越高;卸荷过程中岩样变形模量与围压卸荷量的关系曲线可用多项式很好地拟合。     

基于分叉理论的轴对称条件下岩石变形带分析

引入变形带描述轴对称状态下岩石应变局部化现象.采用通用形式的本构模型,基于分叉理论探讨了剪切带、压缩带和膨胀带3种变形带的出现条件,详细分析了轴对称状态下临界硬化模量和变形带方向角随本构参数的变化特性,发现现有的分叉理论分析不能预测压缩带和膨胀带是受所选用的本构模型的限制;同时在轴对称条件下,不管是采用关联还是非关联流动法则,预测到压缩带或膨胀带只能在软化阶段才能产生;而当采用非关联流动法则时,在特定范围内,预测到剪切带可以在硬化阶段产生.最后采用高孔隙岩石本构模型,分析了高孔隙岩石变形带角度随围压的变化规律,结果表明:岩石变形带的角度随围压的增大而减小;高孔隙岩石脆延转化是以压缩带的形成作为过渡,低围压下表现为脆性剪切带破坏,当围压达到临界围压后,随着围压继续增加,压缩带将会变得难以形成,宏观上表现为延性破坏.最后与已知试验结果进行对比,结果表明本文理论能合理描述岩石的应变局部化现象,预测结果与试验观察结果相符.     

不同卸荷速率下岩石强度变形特性

岩体工程的开挖本质上是岩体的卸荷过程,不同的卸荷速率会显著影响岩体的强度变形特性,开展相关研究对于岩体工程的安全稳定分析具有重要意义。针对岩石开挖卸荷中各种可能的应力路径,开展了普通三轴压缩试验以及恒主应力差卸围压、恒轴压卸围压、升轴压卸围压的3种卸荷试验,重点分析了不同卸荷速率对开挖卸荷岩体力学特性的影响规律。研究得出主要结论如下:（1）不同卸荷方案、不同卸荷速率的岩样,都具有典型的脆性破坏特征,当围压降低到一定程度时,岩样突然破坏,轴压陡降,环向应变显著增大。（2）当围压卸荷速率较高,岩样临近破坏时,变形模量随围压卸荷比的变化曲线几乎成90°直线下降,泊松比随围压卸荷比的变化曲线几乎成90°直线上升;而卸荷速率较低时,变形模量和泊松比下降/增长的趋势相对较缓。这说明围压卸荷速率越大,岩样脆性破坏特征越显著。（3）3种卸荷方案岩样在不同的卸荷速率下,破坏时的应力状态基本都位于普通三轴压缩Mogi-Coulomb强度包络线的下方,即围压卸荷时的岩样比普通三轴压缩状态的岩样更容易破坏。     

单轴压缩下砂岩断裂试验及细观统计损伤模型

岩石是典型的非均匀性材料,含有裂纹、颗粒胶结面等缺陷,建立三维岩石损伤破裂本构模型,真实模拟岩石宏细观力学特性,是岩石损伤力学中的首要问题之一。通过赋予损伤后细观单元一定的承压能力,使其成为"接触单元",模拟压缩状态下的物质接触愈合作用,建立考虑细观单元残余强度的统计损伤本构模型,给出损伤变量的演化规律,采用Weibull双参数分布模拟岩体细观参数的非均匀性和随机性,编制程序实现了三维模型的单轴压缩计算。开展圆柱形砂岩单轴压缩物理试验,将基于细观统计损伤模型的计算结果与物理试验结果对比。结果表明,数值模拟结果与砂岩单轴压缩试验中宏观弹性模量及单轴抗压强度一致,应力应变曲线相吻合。基于考虑细观单元残余强度的本构模型可以准确模拟砂岩试样逐渐从细观损伤累积到集聚成核断裂扩展直至破坏的全过程,数值模拟最终破坏形态特征与物理试验一致。验证了模型的有效性,为进一步采用本构开展不同荷载条件及岩体工程分析应用奠定了基础。     

复杂应力路径下三峡库区砂岩力学特性分析

针对三峡库区中砂岩进行了三轴加载试验,及不同应力路径的三轴卸荷试验。试验结果表明:与加载破坏相比,卸荷破坏岩样表现出较强的脆性。卸荷作用引起了岩样变形模量、内摩擦角、黏聚力等力学参数的劣化,从而导致岩样质量的降低。卸荷路径不同时卸荷阶段应力-应变曲线形态有很大区别。按照轴压、围压等速率减小的路径卸载,卸荷阶段应力-应变曲线呈下凹形态且出现回弹变形,回弹变形占卸荷段总变形的比例随初始围压值的增大而减小。更多还原     

冰体力学本构模型的构建

为建立不同条件(温度、加载速率、围压)下冰的力学本构模型,采用理论分析和试验研究相结合的方法,通过比较冰的单轴压缩试验和比例加载条件下三轴压缩试验的应力-应变曲线特征,确定选用幂强化力学本构模型来描述冰体受力时的应力-应变关系;根据三轴压缩试验数据,采用最小二乘法曲线拟合,建立了两种试验条件下冰的力学本构模型;误差分析结果表明,所建立的冰体力学本构模型是比较准确的。     

基于应变软化的软弱夹层边坡渐进破坏

含软弱夹层的顺层岩质滑坡是常见的地质灾害,研究其渐进破坏过程对于滑坡防治具有重要意义。基于软弱夹层的应变软化特性,推导了开挖工况下含软弱夹层的顺层岩质边坡渐进破坏的微分方程,并理论分析了渐进破坏的过程和阶段;对比摩尔-库伦本构模型下的数值计算结果,证明了应变软化摩尔-库伦本构模型能更准确地反映边坡软弱夹层的渐进破坏过程,并以实际工程案例进行了检验。研究结果表明:含软弱夹层的顺层岩质边坡的渐进破坏过程可分为初始、等速与加速变形3个阶段;在开挖工况下,破坏首先产生自坡脚,而后剪切破坏区不断扩展,沿软弱夹层延伸至坡顶,并在坡顶产生拉张破坏,边坡的整体破坏模式表现为滑移-拉裂式。     

膨胀岩渠坡变形和破坏特征研究

膨胀岩的边坡稳定主要受地层岩性、地质结构和构造、膨胀等级、地下水环境等因素控制,由于岩和土的生成历史不同,导致它们的矿物成分、胶结强度也有所不同。根据南水北调中线工程新乡潞王坟膨胀岩现场试验段裸坡试验区的人工降雨试验,分析了膨胀岩渠坡的变形和滑动特征。试验成果显示：膨胀岩渠坡的变形和破坏特征主要表现为雨淋沟、坡面隆起和局部浅层滑动;造成破坏的主要外在因素是施工卸荷、干旱 半干旱气候和降雨。研究成果为膨胀岩渠坡设计和破坏机理的分析提供了基础。     

砂质板岩加卸载力学特性的试验研究

利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统,对雪峰山隧道围岩中的砂质板岩开展三轴加卸载试验,研究这种具微面理砂质板岩的变形特性、强度特性及破坏规律,结果表明：平行面理试件(微面理平行最大主应力)加、卸载条件下峰值强度相近;垂直面理试件(微面理垂直最大主应力)卸载条件峰值强度低于加载条件约20%,残余强度低于加载条件25%。平行面理时砂质板岩表现为弹脆性特征,且卸载条件下的脆裂破坏特征比加载条件下更强。平行面理试件破坏面基本沿试样中的微面理面方向发育,破坏是横向强烈扩容引起的张性破坏。垂直面理时,加载条件下破裂面呈现对角线贯通性剪切破坏特征,卸载条件下破坏面从试件两端的剪切屈服面向中部扩展,中部在剪张作用下破裂,与加载条件下单个贯通剪切面有显著差别。     

基于畸变能理论的岩石损伤本构模型研究

加-卸载岩石损伤本构模型是预测压气储能硐室长期稳定性的关键,气压对围岩的作用力是反复变化的,目前能适用的本构模型较少,因此,提出一种能够描述分等级加-卸载的岩石损伤本构模型。根据岩石微元强度服从畸变能理论和Weibull 随机分布,建立了一种能够描述分等级加-卸载的岩石损伤本构模型。 通过试验对本构模型进行验证,并结合岩石单轴分等级加-卸载试验数据, 对分等级加-卸载的岩石损伤本构参数进行敏感性分析,确定参数的具体物理意义及参数演化与分等级加-卸载的关系。分等级加-卸载的岩石损伤本构模型参数物理意义明确,便于拟合,能够较好地符合工程实际情况。     

开挖卸荷土体本构模型研究方法

我国土木、水利、交通和矿山工程建设中广泛存在着由于开挖卸荷引起的土体位移及稳定问题,传统的极限平衡方法不能考虑土体应力应变关系和应力历史等因素,安全系数的计算与工程实际存在偏差。以变形量为失稳判据的有限元强度折减法,考虑了土体应力应变关系,一定程度上可以弥补传统方法的缺陷,但目前针对开挖卸荷应力路径条件下土体应力应变规律研究偏少,限制了有限元强度折减法的作用,导致开挖卸荷相关问题不能很好地解决。因此本文针对卸荷土体应力应变规律研究工作给出了相应的思路和方法:采用室内卸荷应力路径试验,寻找合适的土体卸荷本构模型,在探索采用常规试验获取模型计算参数的实用方法和取用原则的同时,对开挖土体应力变形进行分析,进而结合有限元轻度折减法对实际开挖工程进行有限元数值模拟,与现场监测结果相比较,对模型和参数确定方法进行修正。应用这种方法,可以得到反映开挖卸荷实际的土体本构模型及其参数确定方法。     

冻融循环条件下岩石加卸荷力学特性研究

为了探究冻融损伤后岩石加卸荷力学特性,以砂岩为研究对象,对经历不同冻融循环次数的2种含水率砂岩进行加卸荷试验。研究结果表明:冻融作用后,砂岩受到损伤,在加卸荷作用下,裂纹的扩展方向改变,发育程度加剧,且在饱和组砂岩中表现明显;从裂纹的扩展方向和破裂面角度来看,加载状态下砂岩以剪切破坏为主,卸载状态下以张拉和剪切破坏为主;加载条件下,冻融作用对砂岩造成的损伤反映出砂岩的峰值强度损失和弹性模量损失逐渐增大,且饱和砂岩较天然砂岩略大;卸荷条件下,各循环次数砂岩卸荷变形模量与卸荷当量之间的变化规律基本一致,当卸荷当量约为80%时,变性模量下降显著,而卸荷当量保持一定时,卸荷变形模量随冻融循环次数增加而减小。另外设计的卸荷速率都较小,对变形模量影响不明显。试验结果可为寒区岩质边坡开挖工程提供借鉴。     

韧性剪切带和蚀变岩体对坡体卸荷特征影响分析

岸坡异常卸荷是西南深切河谷地区进行大规模水电工程建设过程中常遇到的典型工程问题之一。根据野外详细地质调查,得出研究区坡体卸荷特征,再以是否考虑韧性剪切带和蚀变带为变量建立3个二维离散元模型,模拟河谷5次下切后坡体的变形情况,对比分析韧性剪切带和蚀变带对坡体卸荷特征的影响。研究结果表明:研究区卸荷异常主要与韧性剪切带和蚀变岩体的发育有关;韧性剪切带和蚀变带质软,其软弱基座效应和弱抗风化能力加剧了坡体变形程度,同时构成软硬相间的坡体结构,使得沿缓倾坡外结构面的差异剪切错动更为明显。相关成果可供从事高边坡坡体卸荷研究人员参考。     

岩质隧道开挖稳定性脆弹塑性损伤分析

岩质隧道的施工过程是典型的卸载力学过程.由于岩体在加载和卸载条件下应力路径的不同,仅采用加载条件下所建立的力学模型来研究隧道的开挖稳定性问题是不适合的.笔者从隧道围岩的力学性能及破坏机理出发,引入损伤力学理论,建立三维非线性脆弹塑性损伤有限元模型,研究在加、卸载条件作用下隧道施工全过程的围岩稳定性,为实际工程提供理论指导作用.     

基于场应变的充填体与围岩组合模型循环加卸载试验研究

为模拟研究充填采场围岩破裂演变机理,设计了充填体与围岩组合模型,采用RLW-3000微机控制剪切蠕变试验机对不同种类岩石模型试样进行了不同侧压力条件下的循环加卸载试验;通过VIC-3D非接触全场应变系统同步监测模型试样损伤破坏过程,基于试验过程中应变场的演变,对组合模型破裂机理进行了分析。研究表明:充填体能够增强围岩的完整性及强度;组合模型的破裂经历了一个扩容的过程;不同侧压下循环加卸载应力-应变曲线形成多塑性滞回环,岩性越软滞回现象越显著;应变场在低循环荷载时近似均匀场,高荷载时在加载非均匀场与卸载均匀场之间变换,渐呈应变局部化特征;张拉应变区首先出现在强度比较低的充填体区域,并随荷载增大逐渐向两侧的围岩移动,充填体与围岩变形具有时空非同步性与破坏形式差异;不同种类围岩破坏形式不同,强度较低的呈剪切破坏,强度较高的则为拉伸破坏。结果表明场应变演变可较好地表征充填采场围岩破裂过程。