基于围压因素的分级应力扰动下砂岩损伤破裂特性试验研究

受制于采掘活动的频繁应力扰动,地下工程围岩的稳定性问题日渐突出,严重制约了地下矿产资源的安全高效开采。为了探究不同埋深下岩体在应力扰动过程中的损伤破裂机制,以常规三轴试验为基础,开展4组围压下的分级应力扰动室内试验,基于力学分析、声发射分阶段定位及损伤评价指标演化特征,确定分级应力扰动下岩石力学的损伤劣化规律及细观裂纹发育特征,建立岩石损伤状态—微观裂纹发育特征—损伤评价指标变化三者之间的关联。结果表明：(1)分级应力扰动下,岩石峰值强度和峰值轴向应变随围压升高逐渐增大。应力扰动各阶段轴向应变增量均呈现初期小幅波动,中期缓慢增加,后期快速增加的趋势;平均弹性模量呈现初期小幅波动后快速降低的趋势。(2)围压通过限制裂纹扩展降低岩石损伤累积速率,高围压下岩石能承受更多级应力扰动,且恒压阶段蠕变特征更明显。(3)加载前期,岩石内部裂纹发育仅在既有损伤区域的重复压密破坏和临近区域少量微裂纹的发育,扰动后期随着轴力的升高会使得围压限制作用减弱造成裂纹快速扩展。(4)岩石内部在加载不同阶段微裂纹发育的数量、尺度的变化能有效的体现在声发射b值和ΔF值,与岩石损伤程度耦合度较高,可用来定量评估岩石损伤...     

岩石宏、细观损伤复合模型及裂纹扩展规律研究

通过假设微元具有破坏、损伤和无损3种状态,损伤和破坏可以用无损的程度表示;把细观损伤理论和宏观统计损伤模型结合,建立应力-应变与微裂纹密度变化的关系;分别运用Taylor方法、广义自洽法和Taylor介质法,通过计算实例分析岩石应力-应变过程中裂纹密度的发展变化规律,讨论特征点处的裂纹密度变化特点及计算方法的影响,尝试利用细观损伤理论确定岩石残余强度,得出岩石非线性性质是裂纹密度发展速度的宏观表现等结论.     

砂岩裂纹起裂损伤强度及脆性参数演化试验研究

岩石起裂强度σci及损伤强度σcd作为岩石重要的强度特征值,其研究对于分析岩石的渐进破坏过程及预测隧洞脆性破坏有着重要意义。首先采用应变分析及声发射监测方法,研究了两组硬质砂岩试样在单轴及三轴压缩过程中的裂纹演化特征。试验结果表明,试样的侧向膨胀变形及声发射计数值可以较好地反映其内部的裂纹演化情况,二者随着裂纹的萌生积累都表现出一致的阶段性变化规律。同时通过进一步分析应变及声发射曲线中的阶段性变化拐点,确定了砂岩试样的起裂强度及损伤强度值。其中青砂岩平均起裂强度约为其峰值强度的0.42倍,红砂岩平均起裂强度则约为其峰值强度的0.48倍。最后通过对比不同围压下的试验结果,发现两组砂岩试样起裂阶段内摩擦角均小于其峰值阶段,初始φ0约为终值的1/2。由此定义了可反映岩石脆性程度的起裂摩擦水平φ_0/φ,并建立考虑摩擦作用的线性起裂准则。     

Hoek-Brown强度准则的断裂力学理论研究

采用Griffith关于岩石内部微裂纹分布的假定,用一个角量 来表征三轴压力下岩石内微破裂密度,依据线弹性断裂力学中复合裂纹问题的有关准则,导出了 与外载的关系,进而以岩石受压过程中的细观现象为基础,选取 (即 对轴向应力的变化率)作为岩石在三轴压力下的破坏特征量,从理论上导出了与Hoek-Brown经验强度准则完全一致的强度公式。     

单轴压缩岩石损伤演化细观机理及其本构模型研究

利用作者已研制成功的CT机专用三轴加载试验设备,守成了单轴压缩荷载作用下岩石损伤CT实时细观试验。给出了CT图像中裂纹宽度的估算方法,确定了应力损伤门槛值,对CT试验结果进行了定量分析,得到了单轴压缩岩石损伤演化的初步规律。基于CT试验结果,对岩石应力-应变全过程曲线进行了分段,从工程应用出发,给出了峰前分段岩石损伤演化方程及本构关系。理论分析结果与试验结果较吻合。     

岩石蠕变损伤扩展机理细观分析初探

利用已经研制成功的CT机配套的专用三轴加载实验设备,在国内外首次完成了单轴压缩岩石蠕变损伤扩展和持性CT实时分析实验,得到了岩石蠕变损伤演化全过程的细观机理,研究卫需变损伤深化过程中裂纹宽度,长度的变化规律,定义了CT数减小速度的概念来分析岩石蠕变损伤第三阶段的门槛值。     

不同围压下断续预制裂纹粗晶大理岩变形和强度特性的试验研究

通过在MTS815.03岩石力学伺服试验机上对断续预制裂纹粗晶大理岩进行常规三轴压缩试验,基于试验结果研究不同围压下断续预制裂纹粗晶大理岩的变形和强度特性。结果表明,随着围压的增加,完整岩样和断续预制裂纹岩样峰后表现从应变软化逐渐转化为理想塑性的变形特性;岩石峰值环向应变对围压的敏感程度高于峰值轴向应变;强度与围压之间的关系可采用Coulomb准则来表征,且残余强度对围压的敏感性显著高于峰值强度。粗晶大理岩晶粒尺度较大,完整岩样的杨氏模量随围压而增大,峰值应变与围压之间成正线性关系;而断续预制裂纹岩样的杨氏模量以及峰值应变和围压之间的关系较为复杂,且随裂纹倾角而变化。单轴压缩时,断续预制裂纹岩样峰值强度与裂纹倾角密切相关,其最大轴向承载能力取决于两条预制裂纹内部顶端的扩展模式以及晶粒间的摩擦滑移;较低围压(σ3≤10MPa)时,与完整岩样的峰值强度相比,断续预制裂纹岩样的峰值强度明显偏低,但残余强度相差不大;而较高围压(σ3>10MPa)时,岩样进入塑性流动阶段后,完整岩样和预制裂纹岩样的三轴强度(峰值强度和残余强度)相差很小,粗晶大理岩样的轴向承载极限与预制裂纹分布关系不大,晶粒间的摩擦承载决定粗晶大理岩的强度特性。     

基于正态分布的岩石软硬化损伤统计本构模型及其参数确定方法探讨

在现有新型岩石损伤模型研究基础上,首先,利用岩石微元强度服从正态分布的规律与岩石损伤的能量原理建立能反映特定围压下岩石应变软化或硬化变形全过程的损伤统计本构模型;其次,通过研究特定围压下岩石应力应变全曲线的特征及其在不同围压下特征参数(峰值点强度与应变)之间的关系,建立岩石损伤软硬化统计本构模型参数的确定方法,从而建立能充分反映不同围压下岩石应变软硬化变形全过程的统一损伤软硬化统计本构模型,该模型具有参数少、易于确定和能同时反映岩石应变软硬化特性的特点,并且模型参数确定方法揭示了模型参数的物理意义。理论与试验结果的比较分析表明了本文模型的合理性。     

不同围压下断续预制裂隙大理岩扩容特性试验研究

基于在伺服试验机上获得的不同围压下断续预制裂隙大理岩体积应变-轴向应变全程曲线,分析了围压对断续预制裂隙大理岩扩容特性的影响规律。结果表明,完整和断续预制裂隙大理岩裂纹损伤阈值随着围压的增加均近似呈线性增大,而且裂纹损伤阈值对围压的敏感性低于峰值强度;同等围压下,粒径较小的中晶大理岩具有较高的裂纹损伤阈值;完整或断续预制裂隙大理岩的长期内摩擦角均显著低于瞬时内摩擦角值,但长期黏聚力的降低幅度与裂隙分布密切相关;完整或断续预制裂隙大理岩的峰值强度越高,相应的裂纹损伤阈值也越大,且两者之间具有较好的线性关系。研究结论对于岩石工程设计和数值分析时断续节理裂隙岩体力学参数选取具有一定的参考价值。     

脆性岩石单轴循环加卸载试验及断裂损伤力学特性研究

 以向家坝砂岩单轴循环加卸载室内力学试验结果为基础,结合岩石内部微裂纹的细观力学分析,对脆性岩石单轴循环加卸载的应力–应变曲线特征、峰值强度及断裂损伤力学特性等进行研究。给出一种根据应力–应变曲线计算损伤变量的方法,损伤变量计算结果和声发射测试数据变化规律较为一致。试验结果表明,砂岩的循环加卸载强度要比单轴压缩强度要小很多,对于脆性岩石单轴循环加卸载的峰值强度来说,受到多种因素的影响。弹性常数计算结果表明,循环加卸载过程中泊松比逐渐增大,而弹性模量在第一次循环加卸载增大之后则缓慢减小。脆性岩石循环加卸载过程中,岩石损伤在逐渐累积,在微裂纹进入不稳定扩展阶段,岩石损伤会迅速增大,岩石宏观力学特性取决于内部微裂纹的细观力学响应。     

含孔洞硬岩破坏过程的离散元分析

基于颗粒离散元理论,采用数值试验模拟含孔洞凝灰质砂岩在单轴、双轴和三轴压缩条件下的破坏过程,并从峰值强度、微裂纹数目和能量等角度分析不同加载方式的影响。研究结果表明：无论采用何种加载方式,试样破坏均是从孔洞周边开始的;单轴压缩的孔洞变形与双轴及三轴压缩不同,且在试样侧面中间形成一条明显的贯通拉裂缝;三轴压缩对试样承载能力的提高明显大于双轴压缩,且围压越大,两者对试样承载能力的提高幅度之差越大;双轴压缩条件下试样的起裂应力随着围压的增大而减小,而三轴压缩条件下试样的起裂应力随着围压的增大而增大;应变能的变化过程可以反映试样的破坏过程,其峰值主要受围压影响;耗散能的变化过程可以体现试样破坏过程中细观颗粒的滑移、摩擦程度,其变化规律与加载方式和围压均有关。     

深部煤岩单体及组合体的破坏机制与力学特性研究

 采用MTS815试验机对钱家营岩样、煤样和煤岩组合体进行单轴和三轴压缩试验,获得不同应力条件下煤岩单体及组合体的破坏模式和力学行为,并比较异同。单轴条件下钱家营砂岩的破坏以剪切、劈裂及混合破坏模式为主,并且砂岩的峰值强度、弹性模量和波速近似成正比关系;在一定条件下砂岩能产生II类曲线,但需采用环向位移控制加载,且砂岩需具有高强度和低非均质度,但煤和煤岩组合体几乎不发生II类曲线破坏。单轴条件下煤样以劈裂破坏机制为主,但煤样的峰值强度与弹性模量、波速的关系基本不明显。对于不同围压下煤岩组合体的破坏主要发生在煤体内部：单轴条件下煤岩组合体的破坏以劈裂破坏为主,而煤体内部发生的破坏由于裂纹的高速扩展有可能贯通到岩石中去,从而导致岩石的破坏,并且煤岩组合体破坏后几乎完全丧失承载能力;而三轴试验中,煤岩组合体的破坏以剪切破坏为主,但破坏后还有残余强度。随着围压升高煤岩组合体弹性模量总体趋势是初始缓慢增加,当围压超过15 MPa后弹性模量迅速增加;组合体的峰值强度与围压基本成线性关系。     

高围压卸荷条件下大理岩破碎块度分形特征及其与能量相关性研究

 高应力条件下,岩石卸荷的力学响应特征及发生机制是高地应力地区岩体工程开挖稳定性评价及控制的关键问题。基于不同卸荷速率和初始围压条件下三轴高应力大理岩卸围压试验,结合分形理论和能量原理,研究高应力卸荷条件下岩石破裂块度分布规律及其与能量耗散和释放的相关性。高应力条件下三轴卸围压大理岩试样碎块分形性质具有较强的局部性,仅在小于某一特征尺度(分形特征尺寸阈值)范围内表现出较好的分形性质,其碎块分维数均大于2,分维数随卸荷速率增大而单调减小,但初始围压对分维数的影响与卸荷速率密切相关。相对常规三轴压缩岩样,高围压下卸荷岩样虽然峰值点附近耗散和储存应变相对少得多,但其峰值前、后应变能转化速率相对大得多,特别是峰后的弹性应变能释放速率和环向膨胀消耗应变能速率。高应力卸荷条件下卸荷速率越快、初始围压越高,峰前损伤和峰后破裂贯通历时越短,峰值点处耗散应变能和储存弹性应变能越大,峰前、峰后应变能转化速率越快,破碎岩样的分形特征尺寸阈值越大,分维数越小,张性破裂程度和性质越强。     

加载速率和围压对煤能量演化影响试验研究

借助TAW-2000型电液伺服岩石力学试验系统进行了不同加载速率和不同围压下煤样的单轴压缩和三轴压缩试验,研究了加载速率和围压对煤样能量耗散特征的影响规律,探讨了煤样耗散应变能转化速率随加载速率和围压的变化规律。研究表明:单轴压缩试验第Ⅰ阶段试件的弹性应变能随加载速率的增加呈现先增大后减小的特点,耗散应变能转化速率均处于较低水平,且与加载速率呈负相关,第Ⅱ阶段耗散应变能随加载速率的增加也呈先增大后减小的趋势,各煤样耗散应变能转化速率的最大值均出现在峰值点或峰后轴向应力陡然跌落点。耗散应变能转化速率对围压十分敏感,围压越大,耗散应变能的转化速率也越大,煤样变形损伤越快。     

韧性岩石常规三轴压缩试验及变形与损伤演化规律研究

 利用岩石全自动三轴伺服仪,对向家坝水电站坝基挤压带强风化砂岩进行不同围压下的常规三轴压缩试验,并对岩石变形和破坏机制进行研究。试验结果表明：该强风化砂岩表现出显著的非线性变形和延性破坏特征,属于韧性岩石。在偏压作用下,岩石轴向和侧向应变分别为5%和4%,体积膨胀量为4%以上。岩石变形力学参数随荷载的变化而变化,随偏应力的增大,岩石弹性模量减小,泊松比增大。围压可提高岩石抵抗变形和破坏的能力,围压越大,岩石发生扩容的起始偏应力越大。基于密度方法研究岩石损伤演化规律。加载初期,岩石被压密,处于无损阶段;当偏应力超过一定水平时,岩石出现损伤,且损伤量与等效应变呈线性关系,密度损伤阈值低于0.12。试验结果对向家坝水电站坝基稳定性分析有重要参考价值。     

单参数的正则抛物线准则

 线性的Coulomb 准则并不能完全描述岩石强度特征,有多种改进形式。剪切破坏的Mohr准则表现为应力圆的包络线,其待定参数难以从常规三轴压缩试验结果直接确定而研究较少。主应力形式的强度准则可分为显式和隐式,后者常以最大剪应力和平均主应力构造,且具有较高的相关系数和较小的拟合偏差。实际上显式和隐式准则的力学背景相同,可通过坐标系旋转互换。砂岩、大理岩等强度源于颗粒间黏结和摩擦,单参数的正则抛物线准则拟合强度与围压关系的精度优于两参数的Coulomb准则,而与Hoek-Brown准则相当。以正则抛物线准则拟合高围压下强度能够得到完整岩石的理想单轴压缩强度,进而与实际数值对比可确定岩石的初始损伤。     

层状砂岩各向异性力学特性试验研究

岩体的各向异性力学特性对工程安全稳定具有至关重要的影响。针对工程中常见的层状砂岩,设计进行0°,15°,30°,45°,60°,75°和90°等7种层理角度的单轴和三轴压缩试验,详细分析层理角度对岩体力学特性和破坏模式的影响。研究结果表明:(1)不同层理角度岩样的应力–应变曲线形态基本一致,均包括压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段,随着层理角度的增加,应力–应变曲线的压密阶段逐渐变短;(2)在单轴和三轴压缩状态下,层状砂岩各向异性特性明显,层理角度从0°增大到90°,弹性模量逐渐增大,而变形模量、抗压强度、黏聚力和摩擦角先减小后增大,呈U型分布,在0°或90°时达到最大值,60°左右时达到最小值;(3)随着围压的增大,其对层理弱面开裂滑动的限制作用逐渐增强,层理弱面对岩样的破坏模式影响效应逐渐减弱,不同层理角度岩样的力学参数差别逐渐减小,岩样的各向异性特性逐渐减弱;(4)层状砂岩的破坏模式与层理角度和围压的关系密切,可以归纳为3种类型:劈裂张拉破坏、顺层理弱面的剪切滑移破坏、局部顺层理弱面和局部穿越基质、层理弱面的复合剪切破坏。研究结论可为层状砂岩相关的工程变形稳定分析提供参考。     

基于数值实验的岩石试样最佳长径比研究

 通过颗粒流虚拟实现岩石单轴和三轴压缩试验,对不同设计长径比0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,4.0的岩石试样进行不同围压下的数值压缩试验,分析长径比和围压对岩石试样破坏过程、破坏形态、应力–应变曲线和破坏过程中能量转移的影响。分析结果表明：利用力学指标研究岩石最佳长径比的试验数据离散性较大;利用能量研究最佳长径比,则试验数据离散性小。相对于力学指标研究方法,能量法的试验结果规律稳定。基于此研究认为,岩石试样的最佳长径比为3.0。     

冻融循环条件下岩石-喷射混凝土组合试样的力学特性试验研究

选取2008年极端冰雪受灾地区灰色砂岩,制作岩石与C20喷射混凝土组合试样,通过冻融循环试验、单轴压缩试验、中/低不同围压三轴压缩试验、中/低不同轴压直剪试验及微观扫描试验系统研究岩石-喷射混凝土组合试样的宏观物理力学性质及微观破坏机制。试验结果揭示研究对象在不同含水状态(干燥或饱和)、不同冻融循环次数条件下的损伤模式、破坏准则及强度指标变化规律。在此基础上,建立冻融前后组合试样的损伤软化统计本构模型。经与三轴压缩试验曲线对比,该本构模型能较真实地反映破坏的全过程,可靠性较高。