砂岩孔道试样压拉应力下强度和破坏的研究

 为研究岩石压拉应力下的强度和破坏,对外径50 mm、孔道6～25 mm的孔道圆柱试样进行不同轴压下的内压致裂试验,对外径50 mm、孔道4.6～20.0 mm的圆环进行巴西劈裂试验。试验结果表明：轴向应力低于单轴压缩强度80%时孔道试样在内压下拉伸破裂,压力与轴向应力没有明显关系;试样承载的孔道内压随孔道直径的增加而减小,孔壁的最大拉应力也随孔道直径的增加而略有减小,试样承载的平均切向应力随孔道直径明显增加;孔道试样能够承受的拉应力远大于巴西劈裂强度,如内孔直径25 mm 的试样可以承载10 MPa的内压,切向拉应力在内壁为17 MPa左右、外侧面为7 MPa左右,而6个完整圆盘的巴西劈裂强度最大值仅为6.17 MPa。内孔直径小于20 mm 的试样,因内压增大孔壁处岩石拉伸变形增大到极限、引起裂纹扩展,最终破裂成2块;而内孔直径25 mm 的试样,在内孔压力达到破裂压力时,孔壁处材料没有达到断裂所需要的变形,因而只有试样外侧也达到屈服应力才能整体断裂。承载非均匀应力的岩石结构需要考虑载荷和变形2个破坏指标。     

深井巷道围岩主应力差演化规律物理模拟研究

以山东郓城煤矿深井破坏巷道为工程背景,在大尺度(1.0 m×1.0 m×1.0 m)真三轴模拟试验系统上再现其开挖卸荷效应的全过程,通过模型内部切片法获得深井巷道围岩无支护条件下的破坏模式和范围;借助自主研发的三维应力测试元件揭示深井巷道不同深度处围岩真实的加卸载应力路径与开挖前后应力状态,重点分析松动圈内外围岩主应力差的演化规律,并结合围岩破坏范围及模式对其机制进行探讨。     

乌东德层状岩体卸荷力学特性原位真三轴试验研究

针对乌东德水电站地下厂房尾水洞薄层大理岩化白云岩进行原位真三轴试验,研究工程岩体卸荷条件下的变形和强度特性。试样为方柱体,长50 cm、宽50 cm、高100 cm,包含20~30条层面,制备时预加压力以减小卸荷松弛。先实施地应力水平下的变形试验,然后模拟洞室开挖时围岩应力调整情况,先加载轴向压力、然后卸载垂直层面方向的围压至试样破坏。试验结果表明:(1)变形具有正交各向异性。垂直层面方向变形模量与平行层面方向变形模量的比值为0.34~0.69。平行层面加载时层面张开,侧胀系数为0.52,反之,垂直层面加载时层面压密,侧胀系数为0.25;(2)塑性变形较大。在一个加卸荷循环中,卸荷残余变形与加载变形的比值为0.4~0.8;(3)加载变形模量与侧压正相关,垂直层面方向的卸荷回弹模量与侧压负相关;(4)卸荷变形具有非线性,卸荷回弹模量与卸荷应力差的相关关系可用负指数式描述;(5)垂直层面方向应力卸荷时,试样破坏型式为沿层面的剪切破坏,体积变形未经历压缩,而是持续、加速扩容;(6)基于沿层面剪切破坏的破坏模式,得到层面Mohr-Coulomb强度参数;视试样为均质岩体,得到岩体Mohr-Coulomb强度参数和Drucker-Prager强度参数。分析各类强度参数的适用性。     

高渗压与循环加卸载环境下开挖卸荷岩体力学特性试验研究

探究高渗压与循环加卸载环境下深部开挖卸荷岩体力学特性的演化规律,有助于揭示复合荷载作用下工程开挖卸荷围岩的变形破坏机理。从区分开挖扰动强度与渗压量级入手,以高渗压环境下遭受开挖扰动的卸荷岩体为对象,开展了考虑特定孔压与循环荷载复合作用条件下的三轴加卸载试验。结果表明：(1)卸荷量级直接影响循环加卸载过程岩样的变形规律及其破坏强度,孔隙水压促进了岩样循环加卸载过程的拉剪破坏;(2)孔压增幅加剧了同量级卸荷岩样循环加卸载过程的延性变形及强度衰减,且卸荷岩样的轴向、环向与体积变形曲线均在2MPa孔压时产生波动;(3)伴随孔压增加,岩样卸荷量级为30%时的环向变形呈先增加后减小的趋势,而岩样卸荷量级为60%时的环向变形呈现先减小后增加的规律;(4)伴随卸荷量级与孔压增加,岩样破坏时端部裂隙的倾角逐渐增大,沿岩样轴向产生的拉剪破裂面愈加凸显。     

锦屏大理岩加、卸载应力路径下力学性质试验研究

 地下岩体开挖卸荷应力路径不同于加载应力路径,由此引起的岩体强度、变形特征和破坏机制也不尽相同。针对锦屏二级水电站引水隧洞群围岩赋存于高地应力环境的特点,对其中3# 引水隧洞大理岩开展单轴加、卸载以及三轴压缩和高应力条件下的峰前、峰后卸围压等4种不同应力路径力学试验,得到了的应力–应变全过程曲线、变形破坏特征和主要力学参数的变化规律。试验研究结果表明：(1) 建立在岩样单轴逐级等量加、卸载应力路径下的回滞环面积递减,尤以屈服阶段的卸载对应变影响最大;(2) 不同围压下岩样三轴压缩全过程试验结果表明,当围压达到40 MPa时,应变软化特性转化为理想塑性,可以认为该值为锦屏大理岩脆－延转化点;(3) 对比以上不同应力路径下的强度准则方程以及峰前、峰后黏聚力和内摩擦角,相同初始应力条件下,岩石卸载破坏所需应力变化量比三轴压缩破坏情况下对应的应力变化量小,说明岩石卸载更容易导致破坏;(4) 在变形破坏机制方面,由于峰后比峰前卸围压塑性变形大,岩样塑性变形已吸收较多的弹性变形能,其脆性特性受到抑制,因而不像峰前卸围压破坏具有突发性,岩样由张性破坏过渡到张剪性破坏;(5) 根据大理岩岩样加、卸载破坏断口SEM扫描结果,从细观角度验证了脆性岩石在不同路径下微观剪断裂破坏机制。总之,以上研究结果揭示了锦屏大理岩加、卸载应力路径下力学特性差异,对解决工程实际问题具有重要的参考价值。     

巷道开挖效应下围岩损伤演化规律及试验研究

为了研究巷道开挖卸荷引起的围岩损伤演化规律及力学响应机制,采用RMT-150试验机开展了白砂岩试件三轴加载-卸载-单轴再加载力学特性试验,建立了岩石三维损伤本构模型。根据损伤岩石单轴加载应力-应变曲线,分析其破坏模式,确定了单轴再加载强度、波速与初始轴压加载比的非线性关系。结果表明:(1)三轴应力作用下,岩石损伤演化过程分为5个阶段,即损伤稳定减小阶段、无损伤阶段、损伤稳定增长阶段、损伤加速增长阶段、损伤破坏阶段;(2)单轴再加载强度、波速与初始轴压加载比呈现3次非线性相关关系,从环向应变规律来看,损伤岩石表现出塑性硬化和塑性软化两种状态;(3)损伤岩石以张拉破坏为主,随着损伤变量值增加,破坏形式逐渐向剪切滑移破坏转化。通过对岩石损伤演化规律的研究,为工程围岩稳定性判别及预警提供理论依据。     

红砂岩卸载破坏强度特征试验研究

开挖卸载是地下岩石工程中常见的应力路径。具有较高初始应力的岩体在卸载应力路径下表现出与加载时不同的力学行为,往往导致大变形、岩爆等工程灾害。为揭示卸载条件对脆性硬岩破坏的影响规律,采用红砂岩立方体试件开展加、卸载试验,测定红砂岩在加载和不同卸载条件下的强度特征。试验表明:卸载完成后试样经过一段数秒的滞后期,先在靠近卸载自由面处发生板裂,之后整体破坏丧失承载力。在快速卸载条件下,红砂岩的破坏强度均比加载强度有不同程度的降低,下降幅度为8.4%~27.2%;初始侧向应力越大,卸载破坏强度下降幅度越大,初始侧向应力相同时,双面同时卸载工况较单面卸载工况的强度降幅更大。依据试验数据分析卸载破坏应力路径与加载破坏包络面的关系,并建立动力学模型分析卸载破坏的主要影响因素。试验揭示的卸载效应对岩石强度的不利影响,对于合理确定开挖卸载条件下的岩石强度参数具有重要参考意义。     

三轴压缩分级卸荷条件下粉砂岩蠕变特性及蠕变模型

针对深井巷道开挖卸载围岩蠕变特性问题,以袁店二矿西风井马头门巷道粉砂岩为研究对象,基于巷道围岩开挖过程中应力的实际调整路径设定试验加载方式,开展三轴压缩分级卸荷蠕变试验,系统分析粉砂岩在不同围压下的蠕变特性,基于分数阶导数引入黏塑性蠕变启动元件,建立粉砂岩卸荷蠕变模型,并得到试验验证。研究表明：当应力水平低于粉砂岩准破坏应力时,其只呈现衰减和稳态2个蠕变阶段;高于粉砂岩准破坏应力时,则进入非线性加速蠕变阶段直至发生破坏;不同初始围压下粉砂岩发生蠕变破坏的总时长以及非线性加速蠕变破坏的启动时间均明显不同;粉砂岩试样轴向蠕变变形与初始围压正相关。研究提出的蠕变模型具有参数相对较少,易于引入数值分析软件等优点。对今后分析该类岩层井巷施工卸载后围岩稳定性具有一定的应用价值。     

主应力演化影响下的深部巷道围岩变形破坏特征试验研究

研究主应力变化对深部巷道围岩变形破坏特征的影响是巷道支护中非常必要的。以某矿处于深部高水平应力条件下的巷道围岩为工程背景,以大尺度三维相似材料模拟试验系统和制作的主方向应力传感器量测工具,采用"先加载后卸载"的开挖方式模拟主应力大小和方向演化影响下的有支护巷道围岩产生剪切滑移的变形破坏特征。研究表明,在高水平应力环境下巷道在掘进开挖过程中顶底板受挤压剪切作用产生变形破坏,破坏范围呈现"楔形"渐进发展;通过模型剖切面发现巷道围岩顶底板产生了不同数量的对称螺旋状剪切滑移裂缝,并向巷道两帮发展并交叉,将巷道围岩形成一定范围的剪切破坏区域;通过分析主应力大小及方向的演化可知,巷道围岩受高水平应力作用形成的剪切滑移裂缝破坏与主应力大小及方向演化存在必然联系,认为最小主应力的调整对剪切滑移裂缝的形成起到了重要作用。     

石灰岩孔道试样压缩条件下变形与强度特征的试验研究

为了分析非均匀应力分布对石灰岩孔道试样变形、强度及破坏特征的影响,利用孔径为6~25 mm的石灰岩孔道试样,在RMT–150B岩石力学试验系统进行单轴和内孔压为0的常规三轴压缩试验。结果表明:(1)单轴压缩时,孔道试样的峰值强度、弹性模量与孔径没有明显关系,破坏特征以张剪性破坏为主,孔道没有出现坍塌迹象。(2)三轴压缩时,孔径对试样在屈服阶段以前变形特性的影响不明显,对峰值后的变形特征影响显著,孔道试样的弹性模量与孔道尺寸、围压的关系不大。(3)利用修正的Coulomb预测材料强度高出单轴压缩峰值强度11%左右,与完整试样试验回归结果大致相等,其值与孔径和围压没有直接关系;而以修正的双剪切强度准则预测材料强度受试样孔径、围压的影响较为复杂,孔径小于11 mm预测材料强度与孔径、围压的关系不明显,而孔径大于16 mm时预测材料强度随孔径、围压增加而降低。(4)三轴压缩时孔道试样的破坏特征受孔径、围压的双重影响,孔径较大时更有利于屈服破坏承载能力降低。     

基于多级破坏方法确定岩石卸荷强度参数 的试验研究

 根据卸荷路径确定岩石卸荷强度参数时,为避免岩样本身离散性过大对强度的影响,采用了卸荷多级破坏试验方法。将卸荷应力路径与多级破坏方法有机结合,用单个岩样获取多个强度值,然后通过回归确定岩石卸荷强度参数。基于MTS 815.02岩石三轴试验机,研究荷载控制方式下多级破坏试验中峰值判断、破坏状态变形控制等几个问题,并提出相应的解决方案。最后成功开展了大理岩卸荷多级破坏试验,取得了与常规卸荷破坏试验较一致的结果。研究成果表明,卸荷应力路径中引入多级破坏的方法,既考虑了应力路径对强度的影响,又有效避免岩样离散性过大对强度的影响,是一种实用、有效的确定岩石卸荷强度参数方法。     

基于能量原理的卸围压试验与岩爆判据研究

 岩爆是高地应力区地下工程开挖卸荷产生的地质灾害现象。按照地下硐室开挖过程中围岩的实际受力状态,开展脆性花岗岩常规三轴、不同控制方式、不同卸载速率条件下峰前、峰后卸围压试验,研究岩石破坏的全过程,从能量的原理探讨岩石破坏过程能量积聚–释放的全过程,研究岩石的变形破坏特征、能量集聚–耗散–释放特征和基于能量原理的岩爆判据。试验结果表明：无论是峰前还是峰后卸围压,岩样都表现脆性破坏的特征,峰前卸围压时岩样破坏表现出的脆性比峰后卸围压更为强烈;且无论是加载还是不同控制方式卸围压条件下,岩石在破坏前所能够储存的最大应变能受围压和卸载速率的控制。从能量的观点和工程应用的角度出发,提出一种新的能量判别指标：岩体实际储存能量与极限能量之比为U/U0,该指标真实合理地反映地下工程开挖卸荷过程中围岩的能量变化过程,围岩能量的积聚程度以及岩爆的发生程度,通过数值仿真计算可以更合理地定量预测高应力下地下工程开挖过程中岩爆发生的强度和位置。     

使用小型围岩试件模拟与再现巷道围岩开挖卸荷过程的试验系统

 为了实现在实验室进行巷道(隧道)开挖卸荷过程的模拟,获得对围岩试件进行开挖卸荷试验的创新性监测方法与成套试验技术,研制了一套可以使用小型围岩试件模拟与再现巷道围岩开挖卸荷路径的试验系统。该系统主要由3个独立的子系统组成：(1) 系统I：SAM–3000型微机控制电液伺服岩石三轴试验系统;(2) 系统II：小型巷道围岩试件加、卸载腔;(3) 系统III：声波–声发射一体化测试系统。通过对3个子系统进行软、硬件集成与调试,获得了小型巷道围岩试件级别(高290 mm,外径200 mm,内径100～150 mm)的开挖卸荷过程的室内模拟与再现。使用小型巷道围岩试件进行了初步的开挖卸荷试验研究,结果表明,所构建的试验系统可以有效地模拟：巷道围岩的开挖卸荷条件;巷道围岩在开挖卸荷条件下的变形规律、应力分布特征和破坏机制等。     

深部高应力圆形隧洞内部卸荷条件下岩爆模拟试验和强度弱化效应研究

为了模拟深部高应力圆形隧洞在内部卸荷条件下洞壁发生岩爆的过程,以具有中等岩爆倾向性的红砂岩作为试验材料,利用TRW–3000岩石真三轴电液伺服诱变试验系统,对100 mm×100 mm×100 mm立方体红砂岩试样开展了先加载后钻孔卸荷条件下的岩爆模拟试验。试验模拟500 m深度的二维应力状态,首先对试样加载至设定的初始应力状态,然后利用自主研发的岩石钻孔卸荷试验装置进行岩石内部钻孔卸荷(孔洞直径为25mm),之后在竖直方向加载至洞壁发生破坏,达到模拟效果后主动卸载。试验过程中,利用微型摄像机监控并记录洞壁的整个破坏过程。为了对比卸荷作用的影响,对预先贯穿孔洞(孔洞直径为25mm)的同尺寸红砂岩试样开展了先开孔后加载条件下的岩爆模拟试验。试验结果表明,2种试验条件下均可实现岩爆过程的模拟,整个试验过程均可以划分为平静阶段、颗粒弹射阶段、岩片剥落阶段,最终在洞壁两侧形成V型槽。与先开孔后加载试验相比,先加载后开孔试验中洞壁的初始破坏应力较低,洞壁更容易发生破坏,并且洞壁发生岩爆破坏的严重程度较强,产生的岩片尺寸较大,洞壁剥落岩片的总质量较高,形成的V型槽深度较深,破坏范围较广。试验对比结果表明,高应力岩石内部卸荷会对围岩造成一定程度和范围的损伤,诱发围岩产生明显的强度弱化效应。     

动静组合载荷下卸荷岩石力学特性分析

为研究深部地下工程围岩开挖卸载后又受到动力扰动的力学行为,利用动静组合加载SHPB试验系统对砂岩试件进行静载荷加卸载后再冲击试验。试验过程中,先对岩石试件施加不同的三轴载荷,围压按2,4,6,8 MPa加载,轴向载荷加载到对应三轴静载抗压强度的95%左右,再分别卸载至对应三轴静载抗压强度的20%,30%,60%,70%,80%和90%,然后沿轴向进行同一幅值的冲击载荷试验。试验结果表明：当岩石加卸载到对应三轴静载抗压强度的90%左右,岩石均匀化假设不太适用;动静组合载荷下岩石试件抗压强度随围压增大而增大,当围压不变时,随轴向静压增大出现先增大后减小的趋势;岩石破坏吸收的冲击能随轴向静压的增大逐渐减少,随围压增大而增加。     

不同应力路径大理岩声发射破坏前兆的试验研究

应力路径不同,岩石变形和破坏过程中伴随的声发射特征也不同,通过不同路径大理岩加、卸荷试验,结合分形维数原理,探讨声发射破坏前兆随应力路径的变化规律。试验结果表明:1岩样破坏处的声发射计数率和破坏前的累计计数率增长率由大变小的应力路径为加轴压卸围压、恒轴压卸围压、单轴、常规三轴路径。2常规三轴路径下岩样临近破坏时,声发射事件计数率存在明显的"低声发射期",围压越大,声发射前兆"低声发射期"越明显;同时累计振铃计数率增长速率降低的拐点出现后很短时间,岩样也会发生破坏。3低围压下恒轴压、卸围压路径岩样破坏时累计振铃计数率的增长速率近似为切线。加轴压、卸围压岩样破坏前一段相近计数率后存在声发射计数率的"平静期",围压增加,"平静期"持续时间增加,岩样破坏产生的计数率越高。4在低围压应力环境下应力比0.8、高围压应力环境下时间比0.4时声发射分维数降低的特征可以作为岩样的破坏前兆分析。     

卸荷条件下岩爆机理的试验研究

岩体卸荷和加荷条件下的力学特性有本质区别，高地应力地区地下工程开挖过程中发生的岩爆是一种典型的开挖卸荷现象。对粉砂岩试样进行了保持轴向变形不变的卸围压试验，在试验结果分析研究的基础上，对卸荷导致的岩爆进行了研究。研究表明。处于三轴应力状态下的岩体，如果某一方向的应力突然降低造成的岩石在较低应力水平下破坏，那么原岩储存的弹性应变能会对外释放，释放的能量将转换为破裂岩块的动能，进而町能引起岩爆。采用提前钻孔释放能量的方法。将工作面前方围岩中的能量提前释放，在即将开挖的围岩四周形成一个低应力的保护壳，能够减缓或降低岩爆的发生。     

不同加载路径下砂岩破坏模式试验研究

 鉴于以往对岩石不同加载路径下破坏模式综合研究的成果较少,采用MTS815刚性伺服试验机,对砂岩岩样分别进行单轴压缩、常规三轴压缩和三轴峰前、峰后卸围压4种不同加载路径下的试验,研究砂岩岩样在不同加载路径下的破坏模式,并对砂岩岩样破坏前、后各能量指标进行计算,采用能量耗散分析的方法探讨不同加载路径下砂岩岩样存在多种破坏模式的原因。研究结果表明,在单轴压缩试验中,砂岩岩样的破坏模式以劈裂破坏为主,单剪破坏为辅。常规三轴压缩和峰后卸围压试验,围压较低时砂岩岩样多发生单一剪切或劈裂破坏;围压较高时,砂岩岩样多发生二者组合破坏。三轴峰前卸围压,围压相对较低时,砂岩岩样多发生剪切与横向剪切组合破坏;围压相对较高时,砂岩岩样多发生劈裂与剪切组合破坏。随着围压的增加,常规三轴压缩试验中,砂岩岩样更易发生剪切破坏;而对于三轴峰前、峰后卸围压试验,砂岩岩样发生剪切破坏呈先增加后降低的趋势。不同加载路径下岩样破坏模式与岩样破坏前、后能量指标数值存在一定的对应关系,各能量指标数值较小时,岩样多发生单一破坏模式,且破坏后形成的块体相对较完整;各能量指标数值较大时,岩样多发生组合破坏模式,且破坏后形成的块体相对较破碎。