高温状态下大理岩力学性能实验研究

采用电液伺服材料力学试验系统对常温～800℃高温作用下大理岩的力学性能进行了研究,考察了大理岩的全应力 应变曲线、峰值应力σp、峰值应变εp、弹性模量E等量的变化特征。结果表明：随受热温度升高大理岩的峰值应力和弹性模量不同程度上渐次降低,尤其是在不同温度段岩石强度降低具有突变性,而峰值应变不同程度渐次增长。800℃时大理岩的延性明显增强,应力达到峰值后,应变仍表现出缓慢增加特性,但最终大理岩破坏方式仍以脆断为主。研究结果一定程度上反映了大理岩在温度作用下内部结构变化的特征,可为相关岩体工程设计与研究提供参考。     

裂隙岩体等效渗透系数张量数值法研究

由于核废料地质储存、地热开采、深部油气开采的工程需求,裂隙岩体渗透性及其随着应力、温度的影响受到广泛关注。通过温度-渗流-应力耦合三轴仪对大理岩人工裂隙渗透率随应力及温度变化规律进行了试验研究,获得了大理岩闭合裂隙渗透率随应力、温度的变化趋势及受影响程度。在试验基础上,通过数值方法研究了裂隙岩体等效渗透系数的尺寸效应及各向异性,获得了该裂隙岩体的等效渗透系数REV及渗透张量。     

高温作用下大理岩应力-应变全过程的试验研究

采用液压伺服刚性岩石力学试验系统,研究了大理岩在常温至800℃高温作用下的应力-应变全过程特性,比较系统地分析了高温作用对大理岩的刚度、峰值强度、峰后特性及残余强度等的影响.试验结果表明随着温度升高,岩石总体刚度、单轴强度降低表现出明显的软化特性,峰后特性及残余强度宏观上表现出由脆性向塑性的渐次演化.这些结果一定程度上反映了大理岩在温度作用下,其内部结构变化的基本规律,对今后高温岩体工程有一定的实用参考价值.     

高温下大理岩力学性质的试验研究

 对徐州大理岩在常温至800 ℃下的力学性质进行试验研究,详细分析高温下及高温后大理岩的峰值应力、峰值应变、弹性模量以及应力–应变全过程曲线等随温度的变化情况,并通过扫描电镜对不同温度状态下大理岩的细观特征进行初步探讨。研究表明,随温度的上升大理岩的体积增大,而其质量及密度下降;低于400 ℃,大理岩的力学性质变化不大;高于400 ℃,大理岩的峰值应力和弹性模量均有不同幅度的降低,峰值应变随温度的升高而大幅增加;经800 ℃高温作用后大理岩的结构整体发生转变导致其力学性质发生突变;大理岩高温后的强度指标(峰值应力、弹性模量)低于其高温下的强度指标,同时,大理岩高温后的峰值应变低于其高温下的值。200 ℃以下大理岩断面微裂纹主要为张性裂纹,600 ℃以上大理岩出现缩聚裂纹和剪性裂纹且逐渐增多;高温后大理岩微裂纹的扩展、贯通比高温下更为明显。     

高温后大理岩的冲击力学特性试验研究

 利用分离式霍普金森压杆设备对经历不同高温冷却后大理岩的冲击力学特性进行试验研究,得到不同高温作用后大理岩冲击压缩的应力–应变曲线,分析高温后大理岩纵波波速的变化及在冲击荷载作用下的峰值应力、峰值应变、弹性模量随温度的变化规律。研究结果表明,高温后大理岩的纵波波速随着温度的升高近似线性下降;在800 ℃之前,同一冲击加载速率作用下大理岩的峰值应力随着温度的提高变化并不明显,在800 ℃之后,峰值应力迅速减小;在600 ℃之前,同一冲击加载速率作用下大理岩的峰值应变随着温度的提高无明显变化,但在600 ℃之后,峰值应变随着温度的提高近似线性增加;总体上,弹性模量随着温度的升高呈现降低的趋势,且经历的温度越高,弹性模量下降的幅度越大。结合高温后岩石内部微观结构特征的变化,对大理岩冲击力学特性随温度的变化进行分析。     

高温作用下大理岩应力—应变全过程的试验研究

采用液压伺服刚性岩石力学试验系统，研究了大理岩在常温至800℃高温作用下的应力－应变全过程特性，比较系统地分析了高温作用对大理岩的刚度、峰值强度、峰后特性及残余强度等的影响。试验结果表明：随着温度升高，岩石总体刚度、单轴强度降低表现出明显的软化特性，峰后特性及残余强度宏观上表现出由脆性向塑性的渐次演化。这些结果一定程度上反映了大理岩在温度作用下，其内部结构变化的基本规律，对今后高温岩体工程有一定的实用参考价值。     

温度饱和水下的裂隙岩体力学特性研究*

在理论上，利用O‘Connell的饱和水裂隙岩体等效弹性模量与岩石模量的关系式，并由式中的裂隙密度概念意义，建立了温度作用下的裂隙密度与Oda提出的裂隙张量之间的关系式；在试验的基础上，给出了温度、饱和水下的单裂隙岩体应力－应变、抗压强度回归拟合关系表达式。并通过试验与拟合结果对以加以验证，其裂隙岩体力学模型可为裂隙岩体THM耦合分析提供合理的依据。     

核废料贮存裂隙岩体水热耦合迁移及其与应力的耦合分析

 博士学位论文摘要　核废料深层地质贮存的安全性分析, 一个重要指标就是要充分体现在贮库裂隙围岩介质中地下水流动、附加应力和热载耦合作用下的岩体性能稳定。为了达到这一耦合过程对岩体行为的全面理解, 试从各自耦合过程特征出发, 把裂隙岩体视为等效连续介质, 对裂隙岩体介质THM 耦合参数特性进行分析, 从而建立描述裂隙岩体介质THM 耦合的数学模型。概括起来, 从以下几方面来完成这项研究。在裂隙岩体力学模型方面, 利用O ′Connell 建立的干(或饱和水) 裂隙岩体等效弹性模量与岩石模量的关系式, 并由式中的裂隙密度概念意义, 建立了温度作用下的裂隙密度与O da 提出的裂隙张量之间的关系式。在裂隙岩体渗透模型方面, 利用O da提出的描述裂隙岩体渗透特性的附加裂隙张量, 并以裂隙结构面的开度、岩体裂隙数(包括受温度影响开通裂隙数)、裂隙连通率、附加应力、剪切膨胀和化学成份为研究对象, 建立了具有THM 耦合特性的渗流系数张量。在理论分析方面, 建立了THM三方面满足的本构方程式和描述核废料贮库裂隙岩体介质热2液2力耗散过程的定解方程。在实验基础上, 给出了温度、饱和水下的单裂隙岩体应力2应变、抗压强度回归拟合关系表达式以及岩体裂隙结构面的温度2应力2水力耦合本构关系式。在数值分析方面, 利用加权残数法理论, 导出了求解所建立的THM 耦合数学模型的有限元计算公式, 并编制了二维有限元计算程序。用BM T1 问题的算例, 获得了较满意的计算结果, 从而显示了其数值模拟的成功性。     

卸荷应力状态下裂隙岩体的变形和强度特性

通过裂隙岩体模型的卸荷破坏试验，从应力－应变关系、变形及强度特性等方面，对裂隙岩体在卸荷条件下的变形破坏特性进行了分析。     

多裂隙岩体的损伤断裂分析及工程应用

本文通过对裂隙岩体内的应力、应变的体积平均,提出了适合于多裂隙岩体特性的等效连续模型。综合运用损伤力学和断裂力学理论,定义了岩体损伤张量、有效应力张量、损伤应变等;建立了损伤演化方程和多裂隙岩体的本构关系。利用所建立的模型,对一座水电站地下厂房的分步开挖进行了数值模拟。     

互层状岩体黏弹塑性流变特性的数值分析

 对锦屏II级水电站辅助交通洞的绿片岩进行单轴压缩蠕变特性试验,并以绿片岩和大理岩互层的层状岩体为研究对象,采用FLAC3D对互层状岩体进行单轴压缩蠕变试验的数值分析。试验和数值分析结果表明：当大理岩夹层倾角小于60°时,互层状岩体的破坏强度随着夹层倾角的增大而减小,但当夹层倾角大于60°时,互层状岩体的破坏强度反而随着夹层倾角的增大而增大;当大理岩与绿片岩之间的破坏强度比值较小时,采用Reuss模型和Voigt模型预测复合层状岩体的破坏强度是合适的。     

Effects of inelastic volume increase on fractured rock behaviour

This study investigated the correlation between inelastic volumetric deformation and the bearing capacity of fractured rock. Triaxial compression tests on marble specimens have been performed under constant and controlled deformation rates using a servocontrolled loading machine supported by an electro-hydraulic volume-measuring unit connected to a data acquisition system. The triaxial compression tests were carried out on two different marble samples under constant confining pressures ranging from 1–12.5 MPa. The results indicate that stress–inelastic volumetric strain curves are generally linear through the initial part of the post-failure curve where fractured rock behaviour is dominant. It was found that brittle rock loses its strength in the post-failure region depending on volumetric deformation; the slopes of post-failure curves change with an increase in confining pressure. As a result it is concluded that there is a relationship between strength and volumetric strain of fissured rock. Electronic Publication     

卸荷条件下岩体裂隙扩展贯通及能量演化机制

采用颗粒流软件PFC模拟了单轴压缩、双轴压缩和卸围压条件下裂隙倾角和岩桥倾角分别对含单裂隙和双裂隙岩体的裂纹扩展贯通的影响,对比分析了不同应力路径下裂隙岩体破裂演化过程,总结了裂纹扩展贯通模式,揭示了裂纹扩展贯通的细观力学机制和裂隙岩体损伤破裂的能量机制。研究表明:卸围压条件下岩样张性破坏略弱于单轴压缩条件但远强于双轴压缩条件,而剪性破坏远强于单轴压缩条件但略弱于双轴压缩条件;裂隙尖端应力集中导致岩体开裂,随后张性翼裂纹受拉应力场驱使沿拉应力释放区与压应力区边界延伸扩展,剪切裂纹受压应力场驱使,其扩展路径处压应力释放;裂隙岩体发生卸荷破坏时,内部损伤和贯通裂隙的产生会导致耗散能的急剧增加。     

锦屏水电站大理岩加卸荷本构模型研究

以锦屏水电站深埋引水隧洞开挖稳定分析为背景,开展大理岩加卸荷变形特性试验,发现无论加载还是卸荷破坏,大理岩试件破坏前都经历显著的体积膨胀过程.从描述岩石体积变形规律的角度出发,在对Weng模型改进的基础上,建立锦屏大理岩加、卸荷本构模型.研究结果表明:模型计算结果与试验结果具有较好的一致性,能较好地描述大理岩加、卸荷体积变形特征.模型可以考虑岩石加卸荷强度特性的差异,能够描述从轴向压缩状态开始卸荷的情况,具有较为广泛的适用性.     

页岩变形过程中表面红外辐射演化规律探究

为探寻含裂隙岩体变形失稳过程中表面红外辐射演化规律,对沉积类岩石油页岩内部原生孔隙裂隙进行CT扫描定位,以单轴压缩过程中红外监测实验为例证,探究其表面红外辐射温度演化规律,并以表面辐射最高温度、平均温度及变异系数三个统计量为指标进行分析。结果表明:(1)不同于花岗岩、大理岩、砂岩等完整岩石单轴压缩过程中表面温度随应力增加表现为上升现象,含孔隙、裂隙岩石油页岩表面温度随应力增加则表现为下降;但临近试件发生破坏,二者均会产生温度陡然升高的现象;(2)平均温度与最高温度曲线具有共性特征,随载荷增加,二者表现出明显的阶段性,即快速下降阶段-缓慢下降阶段-快速上升阶段,且最高温度曲线临近破坏具有更高的敏感性;(3)变异系数曲线可以较好地反应试件表面辐射温度离散程度,随应力增加,首先表现为快速增长,随后进入相对稳定期,临近破坏时刻再次出现快速增长;稳定期后变异系数曲线的快速增长预示岩石破坏;(4)油页岩变形失稳过程中表面温度下降与其内部气体逸出及孔隙、裂隙坍塌破坏相关。原生裂隙在加载初期表现为温度降低,临近破坏时该区域则转变为升温区。该研究为预测沉积类岩体特别是含有天然裂隙岩体变形失稳过程中表面红外辐射变化规律提供了新的内容。     

高温下大理岩受压破坏的细观结构分析

探究高温对岩石的作用机制,对于解决高温岩石工程问题具有重要意义。利用日本日立公司制造S–3000 N扫描电子显微镜对在20 ℃,200 ℃,400 ℃,600 ℃,800 ℃高温作用下以及经历400 ℃,600 ℃和800 ℃高温作用冷却后受单轴压缩破坏的徐州大理岩进行表面元素分布测定、表面形貌观察和超微结构分析,以期在细观层次上对大理岩的受压变形、强度及破坏特性等做出机制性的解释。研究结果表明：常温下徐州大理岩的颗粒较为粗大,为典型解理开裂且部分颗粒内及颗粒间存在裂纹,温度升高至800 ℃时,岩样端口表面碎裂明显、颗粒变小且形态较为规整、部分区域内存在细长裂纹;高温下和高温后受压破坏的大理岩细观结构差异较大;800 ℃之前大理岩总体的质量百分比没有明显变化,温度达到800 ℃时大理岩各元素的质量百分比发生较大的变化,Ca元素的质量百分比急剧下降而Si元素的质量百分比迅速上升,说明其结构可能发生由晶态向非晶态的相转变,致使大理岩的力学指标骤降。     

岩体蠕变结构效应的数值模拟研究

采用数值模拟试验方法对岩体结构的蠕变力学效应进行研究。通过对均质岩体、不同分布产状和数量的结构面试件进行单轴、三轴压缩蠕变试验的计算机仿真,探讨岩体蠕变的结构效应、围压效应以及不同结构条件下岩体的蠕变变形规律与破坏特征等。结果显示,结构面产状对岩体流变性态的影响十分显著,它不仅明显改变岩体的蠕变强度、位移形态,而且控制着岩体的破坏模式及破坏条件。大多数试件的蠕变曲线与实验室或现场得到的岩石单轴、三轴压缩蠕变曲线特征基本相似;各试件之间由于结构面产状、侧向应力水平等的不同其蠕变曲线型式在高应力状态下有所差异。     

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。     

岩板中混合裂纹扩展过程的数值模拟

应用自行研究开发的材料破坏过程分析软件MFPA2D,对带有预裂纹的大理岩以及大理岩 -砂岩的拼接岩板的单轴压缩实验进行了数值模拟。模拟内容有 :单一岩板中的单条裂纹、单一岩板中顺向雁形裂纹以及两拼接岩板中单一裂纹的扩展过程模拟。模拟结果与相应的实验结果较为一致。     

柱状节理岩体压缩破坏过程模拟及机制分析

 将柱状节理岩体整体考虑为一种广义宏观复合材料是一种行之有效的研究方法,为此建立复合型多弱面软化模型,采用VC++语言成功开发并嵌入FLAC3D程序。以白鹤滩水电站的地质条件为研究背景,对柱状节理岩体进行单轴压缩和三轴压缩的模拟计算,分析不同节理面倾角和倾向的试块破坏过程,得出各种情况下破裂面分布和破坏形态,并总结具有普遍意义的破坏规律。通过三轴试验还得到在处于合适的地应力条件时,柱状节理岩体整体强度及节理面之间的咬合力均较高的结论,与现场勘测结果一致。同时,研究压缩破坏过程中外载和变形的规律、塑性破坏区的产生、破裂区的分布和发展以及能量的耗散等,从多方面对柱状节理岩体的破坏机制进行探讨,以便更好了解该类岩体的力学特性。