岩石非线性阻尼滞后响应特性研究

通过储层岩样的多重和多级循环加载试验,结合理论分析,研究岩石的非线性阻尼滞后特性。试验结果表明:(1)卸载阶段,应变相位滞后于应力相位;而在加载阶段,应变相位可能超前、相等或滞后于应力相位。(2)多级循环加载过程中,应力–应变曲线的外部循环双向弹性模量、内部小循环单向弹性模量以及动态弹性模量是不同的,并表现出较强的非线性。(3)不同应力条件下,波形尤其是尾波波形会发生变化,为采用尾波干涉进行波速检测提供基础。(4)多级循环加载下相同应力段的小循环具有较好的一致性,而阻尼效应的存在使小循环回到大循环处存在跳跃,小循环应力加、卸载转换点不能很好地记忆。通过分析弛豫机制、黏性阻尼机制以及塑性变形效应,并结合PM模型,研究不同机制对于PM空间密度分布的影响,表明理论分析能够给出与试验结果吻合较好的结果,较好地解释了试验结果。岩石准静态循环加载条件下非线性阻尼滞后响应特性的研究对研究地震波的动态响应特性和探索响应机制是有益的。     

基于多级荷载试验的岩石损伤模量探讨

根据《工程岩体试验方法标准》(GP/T50266—1999)中建议的岩石单轴压缩试验加载速率,并结合天然气储库注气、采气循环过程的运营状态,利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统,以大理岩作为对比岩石,对作为天然气储库围岩的盐岩损伤卸载模量,进行单轴压缩加卸载试验和单轴压缩低周循环荷载试验研究;试验加载采用轴向荷载控制,每个试件均按7级不同应力幅值加卸载;低周循环荷载试验采用轴向荷载的正弦波控制加载,其频率为1.0 Hz,控制每级动荷载下的振动周次不低于30个循环。研究得到盐岩应力–应变滞回环均为条带状,在加卸载转折部位具有较大不可逆变形,对应弹性响应较慢;大理岩则均为尖叶状,在加卸载处对应弹性相应较快;盐岩的卸载模量测试得到的变化趋势在加卸载和低周循环荷载下相反,而大理岩测试结果则相同,并均随应力增加递减。测试结果表明,应力幅值的大小较循环周次的多少对盐岩不可逆变形增量的影响更加显著,研究得到储库运营中盐岩的损伤演化特征。     

黑色页岩力学特性及各向异性特性试验研究

为了研究黑色页岩的力学特性和各向异性特征,对下寒武统牛蹄塘组黑色页岩行地化参数分析,牛蹄塘组黑色页岩的脆性矿物成分高达79.01%;利用扫描电镜获得页岩的微观结构,牛蹄塘组黑色页岩具有明显的层状沉积特征和层状薄片矿物结构。利用东北大学和长春朝阳试验仪器有限公司联合研制的ROCKMAN207系统对不同层理角度的黑色页岩试样进行三轴压缩试验,获得黑色页岩试样的全应力–应变曲线和破坏模式,并对比分析围压和层理角度对黑色页岩力学行为和破坏模式的影响。结果表明:(1)黑色页岩应力–应变曲线无明显的孔隙、裂隙压密阶段,峰前应力–应变曲线近似为直线段。(2)黑色页岩的破坏模式与围压条件和层理面角度有关,低围压条件下,黑色页岩破裂后易形成较为复杂的裂隙网络;轴向加载方向与黑色页岩层理平行时,易形成复杂的裂隙网络。(3)黑色页岩具有波速和强度各向异性的特征,随着层理角度的增加,黑色页岩的波速呈现降低的趋势,黑色页岩各向异性强度特征曲线形状近似为U型;黑色页岩的强度各向异性系数随着围压的增加逐渐降低。     

岩石分级加载蠕变的能量耗散与变形机制研究

通过对岩石加载–蠕变–卸载的能量转换与变形机制分析,利用RLW–2000型岩石三轴流变仪,对2组岩石进行单轴分级加载蠕变试验,分析岩石不同应变差值下能量的耗散过程,确定岩石不同加载水平(或循环次数)与变形模量的关系,研究加载蠕变与应力卸载的曲线路径。结果表明:岩石分级加载蠕变的能量转换可分为加载应变与蠕变应变2个部分,随着每一级载荷作用下应变差的增加,岩石塑性应变能与耗散能呈非线性增加趋势,且塑性应变能曲线与耗散能曲线的开口、应变差及岩石损耗能量也越大;在相同加载水平下,岩石塑性应变能大于耗散能,且应变差与塑性应变能、耗散能的关系可分别用二次多项式、乘幂函数进行描述;岩石变形模量随着加载水平(或循环次数)的增加而变大,表现为先突然增加较大到缓慢增加至趋于相对平缓,相同加载水平(或循环次数)下,高强度岩石变形模量大于低强度岩石变形模量;岩石加载蠕变应变与卸载应力松弛均随加载水平的提高而增大,相同加载水平下,高强度岩石蠕变应变小于低强度岩石蠕变应变,但高强度岩石应力松弛大于低强度岩石应力松弛,高强度岩石加载曲线穿越上一级载荷卸载后的应力松弛区,而低强度岩石加载曲线则穿越上一级加载水平后的蠕变应变区。     

水泥稳定碎石静态模量与动态模量比较

分析了静态模量和动态模量的定义及试验方法,并采用MTS(材料试验机)对3种水泥用量的水泥稳定碎石进行了不同荷载级位下的静态模量和动态模量试验.结果表明,动态模量试验方法更符合路面实际受力状况;水泥稳定碎石不是纯粹的弹性材料,其动态模量随水泥用量的增加而显著增加;静态模量和动态模量均随荷载的增加而增加;相同荷载级位下,水泥稳定碎石的动态模量比静态模量大,两者的比值约为1.2～1.6.     

多相岩石弹性特征的试验研究及其在地层评价中的一些应用

弹性特征是岩石的基本物理特征,是弹性波传播和岩石力学问题分析的基础.岩石是矿物的集合体,是典型的多相混合介质.岩石的性质不仅取决于构成岩石的固相和流体的特征,还与固-流两相的排列方式有关.本文将岩石视为多相体,从各组成相的弹性特征和组成相之间的相互作用来研究岩石的弹性特征.(1)开展了多相岩石固相体积模量的试验测试.利用"不套封”压缩试验测试了砂岩、花岗岩和熔融氧化硅的固相体积模量.测试表明,砂岩的固相体积模量可在38GPa左右发生较大变化,与岩石固相的组成成分和胶结物的构造位置等因素有关.(2)开展了岩石中流体弹性特征的试验研究.建立了流体PVT和波速测试系统,在不同温度、压力下,对41个原油样品(主要是含气原油)的密度、波速、压缩系数、热膨胀系数、体积模量以及它们之间的关系进行了试验研究.测试发现,原油的弹性特征取决于其组成成分(溶解油气比RS、原油重度API及气体重度)和热力学环境(温度T和压力P);溶解气对原油弹性特征有很大影响,气体溶于原油将大大降低原油的密度、模量和波速,并使温度、压力对流体弹性特征的影响更加显著;在测试数据范围内,密度随压力线性增大,波速随压力呈现拟线性增大,温度的作用与压力相反;原油的静态(PVT)与动态(波速)弹性参数间存在较强的相关关系,二者之间可以进行相互转换.通过回归分析,建立了原油密度、波速、等温压缩系数、等温体积模量、绝热体积模量和等压热膨胀系数经验关系式.(3)利用弹性波速研究了多相岩石弹性特征的变化规律.得出岩石波速和弹性模量均随有效应力的增大而增大,增大的梯度在低应力下较高,在高应力下趋于一常数值.干燥岩石对有效应力更加敏感,液体饱和可大大增加岩石的纵波波速和体积模量,但对横波波速和剪切模量影响很小.干燥岩石动态泊松比随应力增大而增大,而除了很低的应力下的数据外,饱和岩石动态泊松比几乎不随应力而变,且高于干燥岩石的动态泊松比.弹性波速、弹性模量均随孔隙度的增大而减小,动态泊松比随孔隙度的增大而增大.在三轴应力下,对岩石动静态弹性参数进行了同步测试,发现,岩石动静态弹性参数有所不同,一般岩石动态模量高于静态模量,测试样品的静、动态杨氏模量之比大多为0.6～0.8.动静态弹性参数差别的本征原因是岩石内部存在裂隙与孔隙流体,外部原因为载荷的应变幅值和频率的不同.Biot孔隙弹性系数也存在动静态的差别,静态值比动态值大,动静态Biot系数均随孔隙度的增大而增大,并随围压的增大而减小.(4)建立了多相岩石弹性特征经验关系式.利用多元非线性分析,对Han和Freund的室内弹性波速测试数据进行了回归,给出了有效应力对水饱和及干燥砂岩弹性波速影响的经验关系式.在临界孔隙度分析的基础上,提出了多相岩石弹性参数通用经验关系式,可用于预测模量、Biot系数、孔隙压缩系数等,也可用于预测强度参数.并利用该经验关系式,对Holbrook地层破裂压力经验关系式进行了修正.(5)将多相岩石弹性特征用于钻井地层评价中.提出了新的地应力计算经验关系式,分析了井眼周围地层中的应力分布以及井壁失稳的力学机理;分析了泥页岩水化膨胀基本规律;建立了固液耦合井壁稳定有限元分析模型;建立了利用测井资料进行钻井地层评价的方法和软件;结合SZ36-1油田进行了岩石弹性和强度特征、地应力和井壁稳定性评价.     

岩石准静态条件下加载过程中的非平衡效应

岩石具有重要的不可忽略的黏滞特性,准静态条件下试样应力–应变曲线表现出明显的加载速率相关特性,宏观表现为试样加卸载过程中的弹性后效,弹性蠕变和松弛等非平衡态非线性效应。基于经典的PreisachMayergoyz空间理论模型,引入具有时间依赖性的滞弹细观单元,得到改进的PM空间理论模型。采用所提出的改进的PM空间模型,研究不同加载速率下试样应力–应变曲线关系特征,以及准静态条件下试样加载过程中的非平衡效应。最后,提出滞弹细观单元变形–时间曲线的试验获取方法以及改进PM空间的重构方式。研究结果表明,加载速率越小,试样滞回曲线所围成的面积越小;加载速率越大,试样达到平衡状态所需要的时间越长。     

复杂应力路径下饱和砂土静态液化失稳预测

饱和砂土应力–应变关系具有各向异性和状态相关特性,因此其静态液化的触发与应力路径密切相关。现有文献已提出多种静态液化判别准则,但其准确性往往仅在三轴应力路径下被进行校验。对于涉及主应力方向旋转和不同中主应力比的复杂应力路径,现有判别准则是否可以准确预测静态液化的触发有待进一步验证。为此,基于状态相关各向异性砂土本构模型,结合前人的空心圆柱扭剪单元体试验,比较了二阶功、弹塑性刚度矩阵对称部分和失稳模量3种准则对复杂应力路径下砂土静态液化失稳预测的效果。发现包括:基于弹塑性刚度矩阵对称部分的失稳触发表达式不依赖于加载路径,具有更好的通用性,其预测的失稳点早于或与实际失稳点吻合;失稳模量理论可预测实际液化失稳的位置,但判定表达式因加载条件不同而变化。获得了复杂应力路径下的失稳线,分析了静态液化触发前砂土可发挥峰值摩擦角受中主应力、主应力方向等因素的影响。     

路基静态与动态回弹模量转换关系研究

为解决路基工程中难以开展动态回弹模量测试的难题,文中采用承载板法测量路基的静态回弹模量,采用PWFD测量路基的动态回弹模量,通过线性回归拟合得到路基的静态和动态回弹模量的预估模型,并建立路基的静态和动态回弹模量的转换关系。     

峰前围压卸荷条件下岩石的应力–应变全过程分析和变形局部化研究

地下工程和边坡工程开挖一般处于卸荷条件。岩石在加载和卸荷条件下的力学特性不同,研究岩石在卸荷条件下的强度特性具有重要的理论和现实意义。根据损伤断裂力学知识建立了岩石处于卸荷条件下的全过程应力–应变关系,包括线弹性阶段、非线性强化阶段、应力跌落和应变软化阶段。理论和试验研究发现,岩石卸荷破坏所需要的应力比连续加载破坏时小,且卸荷破坏时的变形比连续加载时大,其主要原因是卸荷时存在裂纹张开,裂纹张开导致了无摩擦滑动和变形模量的减少,岩石的无摩擦滑动必定比摩擦滑动所需的应力小。通过和试验结果的比较验证了该理论的有效性和正确性,该理论对边坡工程和地下工程开挖具有重要的参考价值。     

沥青混合料铺装层现场模量探究-以钢桥面铺装为例

沥青混合料铺装层在荷载作用下的力学响应为铺装体系的设计提供必要的指导,在铺装层力学响应的计算中,各层模量是一个重要的输入参数。过往研究中,研究人员主要通过室内试验的方法确定铺装层混合料的模量值,但忽略了混合料的室内试验模量值与其现场模量值可能存在的偏差。针对以上问题,文章以一处钢桥面铺装工程为例,介绍一种确定沥青混合料铺装层现场模量主曲线的方法：基于不同加载工况下铺装层底部的应变实测数据,利用有限元模型对铺装层混合料的现场模量进行反算,拟合得到相应的混合料现场模量主曲线并验证其适用性。此外,将反算得到的混合料现场模量与其室内试验模量进行对比,分析两类模量之间的差异性。研究结果表明,反算得到的铺装层混合料的现场模量在不同加载工况下变化显著,其数值随加载温度的增加而减小,随加载频率的增加而增大,表现出黏弹性的特征;利用不同加载工况下的混合料现场模量值可以较好地拟合得到混合料的现场模量主曲线,且该模量主曲线经过验证后证明有效。对比铺装层混合料的单轴压缩试验模量与现场模量发现：混合料的室内模量值与现场模量值在不同加载工况下并不完全匹配,其现场模量值普遍要小于对应的室内压缩模量值;两类模量对应的模量主曲线之间也有较大偏差,在加载频率较高或较低时,主曲线间的偏差更为显著;可采用幂函数对两类混合料的室内模量进行修正,使修正后的室内模量能够反映铺装层混合料的现场模量特征。     

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。     

循环荷载作用下岩石疲劳变形及特性试验研究

通过开展恒定加卸载速率,不同偏应力条件下的循环加卸载试验,研究了轴向应变、径向应变以及体积应该随循环次数的演化过程,得到了在不同偏应力条件下岩石的平均变形模量随循环次数与偏应力的变化关系,进而分析了循环荷载作用下岩石疲劳变形及特性。研究结果表明：（1）偏应力在50MPa之前,轴向应变、径向应变、体积应变以及变形模量随着循环次数的变化基本稳定,反之,表现出发散的趋势;（2）偏应力在80MPa作用下的平均变形模量较1IOMPa作用下的大,这是岩石内部裂隙增加和扩张的结果;（3）在不同偏应力条件下,平均变形模量随着偏应力的增大逐渐增大且趋于收敛。     

高围压下岩石卸荷的扩容性质及其本构模型研究

通过岩石试样高围压下的卸荷试验,研究卸荷条件下岩石的扩容性质。研究结果表明:初始扩容点即最大压缩体应变对应的变形模量可作为弹性阶段的弹性模量。根据试验研究,将岩石卸荷试验应力–应变全过程曲线分为弹性、应力屈服、峰后脆性及残余理想塑性4个阶段,并根据各阶段特征得到相应段的本构方程,最后得到卸荷岩体全过程的本构模型。用数据拟合的方法,得到不同卸荷试验下模型曲线,并验证模型曲线可以较好地模拟卸荷的应力–应变曲线。     

损伤岩石受拉变形模量的理论计算方法

岩石受拉破坏过程本质是微裂纹扩展过程,假设均匀损伤的岩样由很多单裂纹岩石单元组成,受拉条件下含裂纹岩石单元的应变包括裂纹张开引起的岩石弹性应变,非弹性应变,岩石基质的弹性应变。采用COD理论计算裂纹尖端的最大张开位移,根据裂纹张开位移计算单裂纹单元的应变增量,计算出岩样受拉破坏时的应变与初始裂纹密度和裂纹最小间距的关系,最后建立了受拉条件下损伤岩样的体积变形模量计算方法。本方法能同时有效描述初始裂纹数量和裂纹长度对岩石变形的影响,更符合实际情况。结合算例分析显示:岩石裂纹张开引起的应变(包括弹性部分和塑性部分)是损伤岩石变形的重要组成部分,与初始损伤系数和内在抗拉强度成正比,与岩石基质弹性模量成反比。岩石的变形模量随着岩石的初始损伤增加而减小,随着裂纹长度损伤因子的增大而减小。并且初始损伤系数与初始裂纹密度以及裂纹最大半长的平方均成正比。     

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。     

复杂应力路径下糯扎渡堆石料应力–应变特征研究

 通过对云南澜沧江糯扎渡水电站坝体I区筑坝堆石料在拟定应力路径下的三轴固结排水剪切试验数据分析,获取了堆石料的应力–应变参数。通过研究复杂应力路径下堆石料的应力–应变特征,得出了堆石料应力–应变特征将严格受控于应力路径,且试验实测应力路径与拟定应力路径相一致、不同应力状态下筑坝堆石料变形模量存在较大差异的结论。通过计算获得了复杂应力路径下堆石料的强度参数和等应力比加载条件下堆石料的变形模量。针对应力状态这一影响堆石料强度的主要因素,深入研究了其与堆石料强度之间的关系,得出了应力状态、黏聚力和内摩擦角三者之间的关系,对糯扎渡水电站大坝本构模型的建立和稳定性计算有一定意义。     

中高应变率下花岗岩动力特性三轴试验研究

利用改进的霍普金森压杆对不同围压、不同应变率下的岩样进行了试验研究,分析了其在中高应变率下的冲击响应特征与破坏模式。基于试验结果发现在围压一定情况下,岩石的动态抗压强度和峰值应变随应变率的增大而增大,其中抗压强度随应变率呈对数增长;弹性模量对围压和应变率不敏感,且应变率越大岩石破碎现象越严重。其次,在应变率相近情况下,花岗岩的动态抗压强度随围压呈增大趋势,其破坏模式由低围压下的轴向劈裂转向高围压下的压剪破坏;高围压下花岗岩应力–应变曲线出现屈服平台,具有明显的脆—延性转化特征。最后,检验了莫尔–库仑准则和霍克–布朗准则的适用性,指出此花岗岩更符合莫尔–库仑准则,其动态强度增大主要由黏聚力的应变率效应引起。     

路基土动态回弹模量的试验研究

为明确路基土动态回弹模量的影响因素及其规律、解决其参数取值问题,采用三轴反复加载试验方法,对粉土和粘土进行一系列回弹模量测试。研究表明,回弹模量随围压和压实度的提高而增大,随循环偏应力和含水量的增大而减小;粘土回弹模量受应力状况、含水量等因素的影响较粉土更为显著。在全面分析现有回弹模量本构预估模型的基础上,采用三参数复合模型对试验结果进行拟合,获得不同压实度和含水量条件下粉土、粘土的回弹模量预估模型。通过与试验数据的对比,验证了该模型的正确性与可靠性。     

动荷载与地应力对岩石响应特性的影响试验研究

地下岩体工程爆破开挖施工过程中,距爆源不同距离处地应力和动荷载大小不同,导致岩石具有不同的响应特性。为研究不同大小动荷载与地应力对岩石动态强度和变形特性的影响,利用改进的SHPB试验装置,设置5个冲击速度和轴向静应力等级,分别模拟不同大小的动荷载和地应力,对红砂岩进行三维动态压缩试验。分别分析不同冲击速度和静应力工况下红砂岩平均应变率、动态峰值应力(或动态压缩强度)、极限应变、动态变形模量的变化规律,分别构建红砂岩动态响应参数的演化经验模型,表征岩石动态响应特性。研究结果表明:(1)红砂岩应变率受冲击速度和静应力的影响较大,平均应变率随轴向静应力的增加先减小后增大,随冲击速度的增加呈幂函数增长。(2)相同三维静应力下,随着冲击速度的增加,红砂岩峰值应力和极限应变都呈幂函数增加。(3)相同冲击速度下,随着轴向静应力的增加,红砂岩峰值应力先增大后减小,极限应变先减小后增大。(4)随着轴向静应力的增加,红砂岩临界冲击速度与动态压缩强度均先增大后减小。研究结果有益于岩石动力学理论的完善,也有助于根据工程爆破炸药类型和用量预测围岩体的响应特性及稳定性。