岩石变形记忆效应:应用、试验与理论

基于岩石变形记忆效应DMEDRA法,为准确便捷测量初始地应力提供了全新的思路,国际上及中国台湾的一系列实践应用证明了其巨大的潜力。但是,岩石变形记忆效应的研究和工程应用在中国(除中国台湾外)刚起步,同时,试验及理论的系统性研究整体上落后于工程应用,成为制约DMEDRA法成熟和普及的瓶颈问题。因此,开展岩石变形记忆效应的应用、试验、理论的研究进展综述具有重要意义。首先给出岩石DMEDRA法的基本概念,然后给出在国际上的应用实践现状;从7个方面的内容对试验研究进展进行系统性评述:(1)岩石变形记忆DRA曲线特征;(2)岩石变形记忆效应的失忆性;(3)人工记忆与地应力记忆;(4)初始加载保持时间;(5)初始加载重复次数;(6)记忆存在应力区域;(7)三维应力记忆特征;详细探讨各方面成果及不足;探讨了岩石变形记忆效应形成机理的两种认识及相应的理论模型,深入剖析现有研究结论与进展揭示存在的挑战,最终给出研究方向与建议。为推动国内开始开展岩石变形记忆效应的研究与应用提供基础。     

不同加载方式下岩石变形及峰后能量演化特征研究

为探究不同加载方式下岩石变形及峰后能量演化特征,开展不同围压条件下砂岩峰前单向加载峰后循环加卸载、峰前峰后均循环加卸载的三轴压缩试验。研究结果表明:峰前同一应力水平,循环加卸载产生的变形略小于单向加载;相比单向加载,循环加卸载的岩样均出现从端部发育、终于主裂纹的不同长度和角度的非贯通细小裂纹,相同围压下形成的主裂纹角度较大;同一围压下,2种加载方式的峰后应力跌落形式近似相同,但循环荷载使跌落过程中岩石试样总输入能量W、损伤耗散能W_d、摩擦耗散能W_f较单向加载试验小,而可恢复弹性应变能W_e偏大;2种加载方式的峰后残余应力阶段均表现为理想塑性变形,残余强度均随循环荷载次数的增加而减小;循环加卸载试验残余应力阶段的残余强度及总输入能量W、损伤耗散能W_d、可恢复弹性应变能W_e、摩擦滑移过程中单位应变摩擦耗散能w_f均大于单向加载试验,2种加载方式下的w_f均具有围压效应。     

不同加载路径饱和岩石力学特征的试验研究

不同加载路径对岩石强度特征、变形特征和破坏特征存在影响。据此，探讨饱和岩石在排水、非排水、比例加载、侧向卸载、在不同偏应力状态下注水和非排水（但在不同偏应力状态下水压力卸载）等加载情况下以及在常规三轴试验和拥有循环加载的三轴试验等试验方式下，岩体的强度特征、各向异性变形特征和破坏特征。试验结果表明：循环加载、饱和岩石在不同偏应力状态下注水、非排水但在不同应力状态下水压力卸载、比例加载和侧向卸载等具有降低岩石强度、增加岩体变形以及水压力对岩石具有劈裂破坏作用等特征，这些力学特征对岩土工程具有现实意义。     

加载速率影响下含雁行裂纹–钻孔煤体变形破坏特征研究

为研究加载速率影响下瓦斯抽采钻孔孔周煤体变形破坏特征,开展不同加载速率下含雁行裂纹–钻孔复合缺陷煤样单轴压缩试验,结合数字图像相关技术,分析不同加载速率下复合缺陷煤样的力学特性、破坏模式与表面变形场演化规律。通过计算机视觉技术,进一步研究加载速率影响下钻孔破坏和雁行裂纹扩展特征,揭示含复合缺陷煤样变形破坏的加载速率效应。结果表明：(1)雁行裂隙–钻孔复合缺陷试样在不同加载速率作用时表现出低加载速率下高强度、高加载速率下低强度的特性,0.2 mm/min为试样的临界加载速率,在临界加载速率处试样的峰值应力、峰值应变、弹性模量的变化趋势发生改变。(2)不同加载速率下试样均呈现渐进性破坏特征,破坏形式以张拉剪切混合破坏为主,随着加载速率增加拉伸作用逐渐占到主导地位。在雁行裂隙诱导下,低加载速率时表现为沿着新生裂隙与雁行裂隙形成贯通面发生剪切错动破坏,高加载速率时表现为沿着新生裂隙水平张开发生拉伸破坏。(3)引入钻孔张缩量C来定量表征钻孔变形程度。在低加载速率下钻孔张开,C>1,随加载速率增加C逐渐降低,在高加载速率下钻孔先张开然后迅速塌缩,最终C<1。(4)雁行裂隙在加载作用下发...     

不同加载模式下煤样损伤与变形声发射特征 对比分析

 煤样损伤、变形与动态失稳之间具有内在的相关性,大尺寸煤样破坏试验成为分析采空区围岩动力失稳孕育过程的基础手段。西部的华亭煤矿曾发生过严重矿震,通过深入调查并精心选取不同尺寸煤样品,在圆柱体小煤样单轴压缩试验基础上,完成2个大尺寸(195 mm×110 mm×206 mm,195.0 mm×195.0 mm×11.5 mm)且结构与均匀程度不同(平行与垂直层理)的立方体煤样试件损伤、变形与破坏的声发射(acoustic emission,AE)特征试验,获得丰富的损伤演化信息,利用统计物理学且对连续场进行描述的态矢量原理定量地描述煤介质破坏的进程及其破坏程度,定义了损伤程度百分比,将其作为定量指标反映煤样局部损伤与破裂密集程度,对不同加载模式下煤介质损伤变形应力–应变与AE特征进行对比分析,为理论分析、数值模拟及提高动力失稳及采矿安全预报的时、空、强精度提供必要的条件。     

岩石冻胀变形特征及寒区隧道冻胀变形模拟

运用应变片法测试低温环境下饱和及干燥岩样的低温应变特征,研究岩样冻胀融缩效应,给出严格的岩石冻胀变形规律。试验结果表明：一个冻融循环内,干燥岩样变形表现为线弹性特征,而饱水岩样的变形大致经历冷缩、冻胀、融缩、热胀等阶段,并产生残余应变。依据试验结论,运用理论分析方法研究岩石冻胀应变,并将其运用于工程实例,模拟寒区隧道冻胀变形特征,并得出一定冻结条件下围岩未冻区、正冻区和已冻区的分布状况。     

分级加载下薄层状岩石蠕变特性研究

为研究丹巴水电站薄层状岩石二云石英片岩的蠕变特性,在RLW–2000微机控制岩石三轴蠕变试验机上对试样进行加载方向分别为平行片理面(0)°、垂直片理面(90)°及与片理面成30°夹角3个方向的单轴蠕变试验。基于试验结果,研究不同加载方向的蠕变规律;分析片理面对二云石英片岩蠕变的影响。根据蠕变曲线的特征,采用改进的西原模型对二云石英片岩蠕变进行辨识,并根据试样的蠕变试验数据拟合出改进的西原模型参数,拟合结果与试验数据比较吻合。同时,试验结果还表明,3种加载方向的长期强度为对应单轴抗压强度的0.6～0.7倍,这些结论对今后丹巴水电站二云石英片岩的研究具有重要的指导意义。     

岩石裂隙法向循环加载本构关系试验研究

法向变形对岩石裂隙渗流及应力波传播都有重要影响。在分析岩石裂隙法向变形机制的基础上,结合试验曲线循环滞后及其形状特点,探讨岩石裂隙在法向循环加载下的本构关系。试验得到粗晶及细晶大理岩裂隙岩样的15个循环加、卸载法向应力–闭合曲线。第一循环加载曲线与其他加、卸载曲线明显不同,其拟合曲线单独产生。平移其余加、卸载曲线使其低应力端点通过原点后,采用四参数双曲线–幂函数方程拟合所有曲线。加载累计闭合量和卸载残余闭合量与循环次数存在较好的指数函数关系,可确定循环加、卸载拟合曲线的2个端点;通过初次拟合得到加、卸载曲线幂函数项指数与循环次数的关系,再假定各加、卸载拟合曲线通过循环加、卸载拟合曲线的2个端点,获得幂函数系数的表达式;最后通过2次拟合,先后确定加、卸载曲线最大隙宽及初始刚度与循环次数的关系式。将各循环加、卸载曲线的3个参数拟合值代入双曲线–幂函数表达式,并平移各拟合曲线使其通过加卸载拟合曲线的2个端点,可得到拟合精度较好的连续拟合曲线。研究结果对循环加载下岩石裂隙法向闭合的数值模拟具有一定的实用价值。     

围岩变形的时效特征与预测的研究

在假设围岩地层的性态服从三元件粘弹性模型的基础上,结合对宜兴抽水蓄能电站地下厂房试验洞位移量测数据的分析,提出一种确定地层时效特征参数和预报地层变形的方法。内容包括在考虑试验洞开挖面空间效应影响的前提下对现埋孔的位移量进行修正。根据位移–时间关系曲线的回归方程建立任意时刻围岩地层等效弹性模量间的关系式,给出确定三元件粘弹性模型参数值及对洞周地层的变形进行预报的方法。研究表明:位移量的预报值与回归值可较好吻合,表明这一方法可供同类工程采用。     

基于率效应的岩石材料次加载面动态模型在岩体工程中的初步应用

为较准确反映岩体工程在地震荷载下的响应,结合Drucker-Prager屈服准则和次加载面理论,初步构建基于Drucker-Prager准则的次加载面应力路径模型,在此基础上,除计算弹性模量的率效应之外,还在Drucker-Prager准则上考虑强度的率效应,提出岩石材料的动态模型,并把该模型运用到滇中引水香炉山隧洞中。计算结果表明,相对于Drucker-Prager准则,应力路径模型能较好地描述玄武岩在循环荷载下体现的曼辛效应和棘轮效应,由于没有考虑率效应,表现出应力–应变曲线的斜率没有试验曲线大,且累计应变也比试验曲线大;在岩石循环加卸载过程中,动态模型得出的模量上比次加载面应力路径模型模拟的要大,同时变形量也较次加载面应力路径模型要小,因此该模型能较好地反映岩石的动态力学性质和变形性质;相比于Drucker-Prager准则下,采用动态模型得出隧洞的左侧监测点和右侧监测点的瞬时相对变形峰值增大了0.67 cm,同样底部和顶部以及左右两侧的永久相对变形也分别增大了0.19和0.77 cm,说明动态模型可以较好地反映围岩残余大变形;岩石动态模型相对于Drucker-Prager准则和线弹性本构,更具有滤掉高频的功能。说明该模型能很好地运用到岩石动力学中,同时也为准确分析岩体工程在地震作用下的响应奠定了一个很好的基础。     

COx黏土岩三轴压缩蠕变特性及速率阈值试验研究

 黏土岩具有低渗性和自我裂缝修复能力等优点,被用于高放废物地质处置的候选基岩。出于高放废物处置库的长期性及高安全性要求,研究黏土岩的蠕变破坏特征显得极其重要。通过一系列黏土岩的单级三轴压缩蠕变试验,获得Callovo-Oxfordian(COx)黏土岩较为精确的蠕变速率阈值范围。试验结果表明,发生蠕变破坏的蠕变速率阈值与黏土岩的湿度及所处围压等因素有关。总体上,当轴向蠕变速率低于2.5 µε/h,该类黏土岩很难发生蠕变破坏;但若高于58 µε/h,则黏土岩极易发生加速蠕变破坏;而处于两者之间的速率值,目前试验尚无明确结论。该阈值可用于在稳定蠕变阶段判断黏土岩是否会出现加速蠕变破坏。     

蠕变围岩隧道的二衬支护时间研究

采用粘弹性方法对隧道施工过程中的力学动态进行了时间效应分析,探讨了二衬支护时间对围岩位移、初衬应力、二衬应力的影响,得出了Ⅴ级围岩隧道的二衬在开挖完60 d内施作较为合理的结论。     

渗流水压力分级加载岩石蠕变特性研究

采用RLW-2000M微机控制煤岩流变仪,以细粒砂岩为研究对象,对三轴压缩条件下岩石渗流水压力分级加载蠕变试验进行了蠕变特性研究。重点分析了渗流水压力分级加载时蠕变条件下岩石的应变、渗流体积(体积速率)演化曲线,同时对不同渗流水压力分级加载条件下的岩石蠕变与渗透系数演化曲线进行了分析和对比。试验结果表明:分级加载渗流水压力作用下细粒砂岩的蠕变曲线符合蠕变演化三阶段特征;随着渗流水压的逐级加载,瞬时轴向、横向应变和瞬时泊松比呈增大的趋势;随着应变的累积,横向应变量大于轴向应变量呈扩容效应,直至发生蠕变破坏;分级加载渗流水压力作用下渗流体积曲线呈线性演化。研究认为:渗透系数先瞬时减小后增大,初始渗透系数都具有记忆性,即岩石孔隙通道具有记忆特征,孔隙通道经过变形→闭合→冲蚀→形成新通道过程。     

周期荷载作用下黄砂岩疲劳破坏变形特性试验研究

为研究周期荷载对工程岩体长期稳定性的影响作用,利用Rockman207岩石力学试验系统对黄砂岩试件进行了单轴条件下不同上限应力和应力幅值的周期荷载疲劳试验。试验结果表明:黄砂岩的疲劳破坏受到静态应力–应变全过程曲线轴向、环向以及体积变形量的控制,在控制曲线的峰值强度或峰值强度之后,疲劳试验过程中会出现"初始破坏";黄砂岩疲劳破坏轴向和环形不可逆变形的3阶段发展规律的本质影响因素是产生的应变速率不同,黄砂岩的疲劳破坏过程是轴向和环向不可逆变形不断累积的过程;在一定条件下,黄砂岩的循环次数–上限应力曲线(N–S曲线)可以用来预测岩石的疲劳寿命。     

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。     

加载路径对重塑黄土一维蠕变特性的影响

黄土因具有蠕变特性,在荷载v??不变的情况下,蠕变时间t的增长也能引起土体孔隙比的减小,假设蠕变时间的增长也为一种加载,为探求重塑黄土变形量的v??-t加载次序相关性,进行了4种加载路径的试验,试验结果表明:重塑黄土变形量的v??-t加载次序相关性显著,虽然各试样的最终荷载相同,加载过程中的蠕变时间也相同,但是,在一级加载过程中,先蠕变的试样比先施加荷载的试样变形量小,在分级加载过程中,按照"荷载—蠕变—荷载"施加次序的试样比"荷载—荷载—蠕变"施加次序的试样变形量小,此结论可为工期较长的高填方工程的施工计划安排提供一定参考。姚仰平等提出的一维蠕变公式能较好反映重塑黄土变形量的蠕变时间和荷载的加载次序相关性,公式所需5个参数均能简单获得。     

蠕变作用后大理岩强度与变形特性试验研究

为研究蠕变行为对岩石力学性质的影响,分别在裂隙压密阶段、弹性阶段、裂隙稳定扩展阶段和非稳定扩展阶段,对大理岩进行不同应力水平和时间的蠕变预处理,卸载后再进行单轴压缩破坏试验,分析不同条件蠕变作用后大理岩强度与变形特性的变化规律,同时提出采用体变速率进行岩石变形阶段划分的新方法。结果表明:(1)裂隙压密和弹性阶段蠕变对大理岩力学性能起强化作用,随蠕变时间增长,强度和弹性模量增大,泊松比减小,且弹性阶段蠕变的强化程度大于压密阶段。裂隙稳定扩展阶段蠕变呈现相反的变化规律,起劣化作用,而岩样在非稳定扩展阶段蠕变预处理时快速破坏;(2)依据扩容速率可将岩石变形过程分为3个阶段,分别为平稳压缩阶段、加速扩容阶段及减速扩容阶段;(3)裂隙压密和弹性阶段蠕变后,大理岩峰值扩容速率随蠕变时间增长略有减小,裂隙稳定扩展阶段蠕变后则随蠕变时间增长显著增大;(4)原始岩样和蠕变作用0 h后岩样的单轴压缩破坏形态以单一剪切面破坏为主。随蠕变时间增长,裂隙压密和弹性阶段蠕变后岩样破坏形态转为沿轴向劈裂破坏,裂隙稳定扩展阶段蠕变后转为剪切、劈裂组合破坏,除几条主裂隙外,还伴随众多次生裂隙。     

岩石单轴压缩变形场演化的声发射特征研究

 对单轴压缩条件下一种红砂岩试件变形场演化过程中声发射特征进行研究。以数字散斑相关方法进行试件加载全过程的变形场演化观测,利用声发射系统采集试件加载全过程的声发射信号,对岩石变形演化过程中的变形局部化演化、变形局部化带拉伸以及变形局部化带错动对应的声发射特征进行研究,研究结果表明：(1) 由加载曲线与声发射振铃计数、声发射能量演化对应关系可知,应力突降时声发射振铃计数和声发射能量出现激增,但振铃计数激增和声发射能量激增,应力不一定突降;(2) 加载应力与声发射振铃累计计数在演化趋势上具有较好的对应关系,但声发射振铃累计计数增幅与对应的应力降低量值无关;(3) 声发射峰前“平静期”并不代表岩石变形场演化处于平静阶段,此阶段变形局部化带的宽度、长度以及变形量值在不断增加;(4) 变形局部化带的宽度、长度以及变形量值的演化对声发射振铃计数及声发射能量影响很小,变形局部化带的拉伸速率及变形局部化带的滑动速率变化对声发射振铃计数和声发射能量影响较大,其中变形局部化带滑动影响最大。     

分级加载条件下岩石流变特性的试验研究

以红砂岩为例,采用重力加载式流变仪,在分级加载条件下对岩石的蠕变特性进行了单轴压缩蠕变试验研究,重点观察和分析了蠕变条件下岩石的弹性模量和泊松比的变形效应,同时对其他时效变形特点进行了分析。试验结果表明,侧向稳定蠕变阶段的应力门槛值低于轴向稳定蠕变的应力门槛值;侧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,而轴向蠕变的第三阶段则不太明显,一经出现试样随即破坏。在单体分级加载条件下,受蠕变的影响,随应力水平和变形量的增加,岩石的瞬时弹性模量有明显的增大,泊松比的变化则更为显著。