脆性岩石起裂应力水平与脆性指标关系探讨

 脆性指标与起裂应力作为岩石力学性质的内在体现,均反映岩石的非均质性和结构上的差异,二者存在一种必然的联系,通过理论研究和算例分析来探讨起裂应力水平与基于单轴抗压、抗拉强度比值的脆性指标的关系。首先,归纳总结基于压拉比、全应力–应变特征及硬度或坚固性的28种基本脆性测试方法。然后,研究硬脆性岩石单轴压缩起裂机制,讨论基于裂纹体积应变拐点的起裂应力确定方法,并定义起裂应力水平指标K。最后,结合具体工程算例探讨岩石起裂应力与基于压拉比的脆性指标的函数关系,深入验证起裂应力水平和脆性指标间内在联系的必然性。得出以下结论：(1) 以岩石单轴抗压、抗拉强度为纽带,建立起裂应力水平和脆性指标间的函数关系,根据单轴压缩起裂应力与单轴抗拉强度的关系,进一步验证脆性指标与起裂应力水平存在内在联系的必然性。(2) 岩石起裂应力水平与脆性指标B5和B6存在明显的函数关系,起裂应力水平与B5呈幂函数关系,与B6呈线性函数关系,相关系数均大于85%。(3) 采用起裂应力水平指标重新定义脆性指标,通过岩石的室内单轴压缩试验,由起裂应力水平可以快速得到岩石的脆性指标。通过这一研究,丰富了岩石起裂应力与脆性指标的关系,为脆性指标的计算提供了一条新思路。     

岩石单轴压缩条件下裂纹扩展试验研究——以片状岩石为例

 为研究片状岩石渐进性破坏,首先对其应力门槛值：裂纹起始应力 、裂纹破坏应力 、单轴抗压峰值强度 及相互间的关系进行系统的总结和论述。基于片状岩石--丹巴二云英片岩单轴压缩试验轴向应力–轴向/ 径向应变曲线,首次将岩石渐进性破坏过程应力门槛值分析应用于片状岩石,得出加载方向与片理面方向平行、垂直和成30°夹角3种加载条件下的应力门槛值,并将其与其他岩石种类的应力门槛值研究结果进行比较。结果表明裂纹扩展过程与岩石种类有关,不同岩石矿物颗粒、胶结状况、片理面发育情况等因素都会影响岩石的渐进性破坏过程,从而对应不同的应力门槛值范围。二云英片岩的试验结果直接表明,由于片理面的发育,片状单轴压缩条件下的裂纹扩展过程存在显著的各向异性,这一特点显著区别于其他种类岩石,在地下工程开挖中应对其进行具体的量化分析,以指导开挖设计和支护加固。     

单轴加载条件下花岗岩声发射及波传播特性研究

 采用声波、声发射一体化装置,研究单轴压缩下花岗岩波速与声发射演化规律,通过宏细观方法确定各应力门槛值,研究裂纹扩展不同阶段声发射演化及波传播规律。结果表明：细观裂纹的演化与宏观变形直接对应,由于微裂纹主要沿轴向扩展,导致轴向刚度对裂纹起裂及贯通的敏感度弱于非线性增长的侧向变形,瞬时泊松比曲线斜率变化点与应力门槛值对应,声发射测试确定的起裂应力比宏观应变法偏小,但反映了微裂纹的初始萌生;采用实测波速变化分析声发射震源的时空及幅值演化分布,较好地描绘了裂纹的扩展过程,由于不同阶段声发射信号的幅值及能量存在差异,导致声发射特征参数演化规律差异较大(尤其在损伤应力之后),AE能量在破坏前呈突发性增长,可作为灾害性破坏的前兆;加载初始阶段,由于微裂隙的闭合,波速及波幅均随应力逐渐增大,但增加速率逐渐下降,侧向波速在闭合应力附近基本达到峰值,此后一定阶段基本保持不变,但其他方向波速则继续增大,随着波传播方向与径向夹角的增大,波速增加幅度及波速下降点对应的应力(损伤应力前、后)逐渐增大,峰值应力附近对应波速下降幅度减小;波速受损伤演化的影响要滞后于声发射事件。     

脆性岩石起裂应力水平与脆性指标关系探讨

脆性指标与起裂应力作为岩石力学性质的内在体现,均反映岩石的非均质性和结构上的差异,二者存在一种必然的联系,通过理论研究和算例分析来探讨起裂应力水平与基于单轴抗压、抗拉强度比值的脆性指标的关系。首先,归纳总结基于压拉比、全应力–应变特征及硬度或坚固性的28种基本脆性测试方法。然后,研究硬脆性岩石单轴压缩起裂机制,讨论基于裂纹体积应变拐点的起裂应力确定方法,并定义起裂应力水平指标K。最后,结合具体工程算例探讨岩石起裂应力与基于压拉比的脆性指标的函数关系,深入验证起裂应力水平和脆性指标间内在联系的必然性。得出以下结论:(1)以岩石单轴抗压、抗拉强度为纽带,建立起裂应力水平和脆性指标间的函数关系,根据单轴压缩起裂应力与单轴抗拉强度的关系,进一步验证脆性指标与起裂应力水平存在内在联系的必然性。(2)岩石起裂应力水平与脆性指标B5和B6存在明显的函数关系,起裂应力水平与B5呈幂函数关系,与B6呈线性函数关系,相关系数均大于85%。(3)采用起裂应力水平指标重新定义脆性指标,通过岩石的室内单轴压缩试验,由起裂应力水平可以快速得到岩石的脆性指标。通过这一研究,丰富了岩石起裂应力与脆性指标的关系,为脆性指标的计算提供了一条新思路。     

饱和岩石的应变率效应和各向异性的机理探讨

在MTS上对南京砂岩和大理大理岩进行了应变率为l0^-5～l0^-2/s的单轴压缩试验，试验结果得出砂岩、大理岩具有各向异性，相对来说大理岩的各向异性要弱一些。同时，大理岩和砂岩随应变率的增加强度增大，具有明显的应变率效应．对饱和岩石的应变率效应和各向异性作了分析得出饱和液体起到了促进各向异性和应变率效应的作用。     

单轴压缩条件下柱状节理岩体变形和强度各向异性模型试验研究

 柱状节理岩体作为一种典型的结构岩体,由于柱状节理构造的存在,其变形和强度表现出显著的各向异性特性。为研究柱状节理岩体的力学各向异性,采用模型试验方法,以石膏、水泥和水的混合物为模型材料,制作具有不同柱体倾角(? = 0°～90°)的圆柱形柱状节理岩体试件,通过单轴压缩试验得到柱状节理岩体在不同柱体倾角?下的变形模量和单轴抗压强度。在此基础上绘制出变形和强度随柱体倾角变化的各向异性曲线,分析柱状节理岩体变形和强度的各向异性特性：柱状节理岩体变形和强度各向异性曲线都呈现近似“U”型,单轴抗压强度在? = 30°时取得最小值,在? = 90°时取得最大值,强度各向异性比达到1.5,表现出较显著的各向异性;变形模量在? = 30°～60°范围内取得较小值,侧向应变比大于0.5。同时,根据试验结果,总结柱状节理岩体在单轴压缩应力条件下的4种典型破坏模式,并对其破坏机制进行分析。     

节理倾角及连通率对岩体强度、变形影响的单轴压缩试验研究

 利用含一组张开预置裂隙石膏试件的单轴压缩试验,系统地研究节理组的产状和节理连通率的连续变化对张开断续节理岩体单轴压缩强度和弹性模量及应力–应变曲线的影响。试验研究发现：(1) 随着节理连通率的增大,应力–应变曲线的延性增强,由单峰曲线变为多峰曲线;(2) 在节理倾角不变时,随着节理连通率的增大,岩体的峰值强度和弹性模量都逐渐降低,且二者变化规律不完全相同,可采用不同幂函数的倒数来表示,其系数与节理倾角有关;(3) 当节理连通率不是很大时,岩体的峰值强度和弹性模量随节理倾角的变化规律大致相同,节理倾角为90°时岩体峰值强度和弹性模量最高,节理倾角为30°和60°时岩体的峰值强度和弹性模量最低,出现2个极小值。当节理连通率较大时,节理倾角为90°时岩体的峰值强度和弹性模量最高,节理倾角为45°时岩体的峰值强度最低,节理倾角为0°～60°时岩体的弹性模量都很低。对试件破坏过程的进一步分析表明,上述岩体宏观力学特性随节理倾角和连通率的变化规律,与预制节理的闭合摩擦、岩桥内拉伸和剪切裂纹产生及与预制节理组合形成宏观组合破坏面等细观损伤力学机制密切相关。     

考虑第三偏应力不变量的岩石局部化变形预测模型

 现有岩石局部化变形带发生条件与带角预测模型均只考虑2个应力不变量,预测结果与实验观测结果关联度不好,最近的研究表明第三应力不变量在局部化变形中起重要的作用。在Rudnicki与Rice单屈服面和Issen双屈服面模型的基础上,通过相似角表征第三偏应力不变量,得到第三偏应力不变量相关性模型判断岩石局部化变形发生条件和预测变形带角,利用Mogi的Dunham白云岩轴对称拉伸和压缩状态以及Haimson的Westly花岗岩轴对称拉伸实验的变形带角属性作为边界条件,计算得到模型中的弹塑性参数,最后预测得到其他一般应力状态的变形带角,相较于二应力不变量模型,提高局部化变形带角的预测精度。     

可用于确定水平地应力分量和围岩弹性模量的TBA位移反分析法

地应力、围岩弹性模量等参数的测定是岩石力学和工程地质学的重要研究课题之一。虽然已有许多有效的测定方法，但并非都能满足工程设计的要求。因此，一种有别于传统地应力量测方法的TBA位移反分析法被提出，并对相应的基本原理和方法进行讨论。为说明TBA法的实用性，给出了在“引大入秦”和三峡船闸边坡等工程中的应用实例。     

岩石剪胀角模型与验证

Mohr-Coulomb模型和基于Mohr-Coulomb的应变软化模型均通常假设剪胀角为恒定值,然而这种假设不能正确表达岩石在破坏变形过程中的非线性体积变化行为。根据7种岩石类型在不同围压条件下的体积应变测量数据,结合塑性力学理论,采用非线性拟合方法建立能同时考虑围压和塑性剪切应变影响的剪胀角模型。分析模型的响应并结合岩石内部颗粒尺寸以及单轴抗压强度,将该模型划分为4种岩石类型:粗粒径硬岩、中粒径硬岩、中–细粒径软岩和细粒径软岩。根据FLAC应变软化模型中非关联塑性流动法则的计算原理,推导剪胀角模型中的塑性剪切应变与应变软化模型中塑性参数的关系,将剪胀角模型嵌入应变软化模型中,构建剪胀角模型模块。最后,采用建立的剪胀角模型预测Moura煤岩在三轴压缩条件下的体积应变–轴向应变关系曲线。研究结果表明,数值模拟与试验结果具有很好的一致性。     

三峡永久船闸边坡岩体在复杂应力路径下的变形特性

三峡永久船闸边坡开挖后,岩体应力调整,且其变化路径复杂。为研究三峡永久船闸边坡岩体在此状态下的变形特性,在边坡勘探平洞进行复杂应力路径下的原位岩体真三轴试验,试验荷载模拟边坡初始地应力场及其在边坡开挖过程中的变化情况,按3种路径施加:σ1卸载时,σ2和σ3保持不变;σ1加载时,σ2保持不变,而σ3同步卸载;σ1卸载时,σ2保持不变,而σ3同步加载。根据试验结果,建立此3种应力路径下岩体切线弹性模量Et与主应力差间的经验关系式,分析边坡岩体的变形特性。研究结果表明:在一个主应力减小(卸荷)、另一主应力增加(加载)的应力路径下,岩体变形具有非线性和各向异性;在卸荷方向,切线弹性模量随有效主应力差(负值)的减小而加速减小;在加载方向,切线弹性模量基本保持稳定。     

大理岩应力脆性跌落系数的试验研究

岩石的应力-应变全过程曲线以峰值应力为界，通常分为破坏前区和破坏后区2个部分。由于岩石破坏后区的力学特性对诸多岩石类工程，如地下巷道、矿柱和岩爆等，具有重要的工程意义。因此，此方面的研究已受到理论界和工程界的重视。岩石的破坏后区一般处于非稳定状态，其力学响应难以用经典的应变软化模型来加以描述，而应采用脆塑性模型。使用RMT-150B型岩石力学试验系统，在轴向应变率保持为常数的条件下，对雅安大理岩进行常规三轴压缩破坏试验，得到不同围压下岩石的应力-应变全过程曲线。利用试验得到的应力-应变全过程曲线，获得大理岩的应力脆性跌落系数与围压的关系表达式，为采用非理想脆塑性模型对大理岩介质及其中的构筑物进行数值分析提供依据。     

煤层顶板砂岩高温状态下力学特征试验研究

对44块鹤壁六矿煤层顶板砂岩试件在高温下和高温后的力学性质进行试验研究,揭示砂岩的强度和变形特征随温度的变化规律。试验结果表明:随温度升高,高温下和高温后的砂岩的弹性参数(峰值强度、弹性模量、变形模量)均逐渐降低,但总体变化趋势相似,个别试件的弹性参数在400℃前高于常温状态;两者相比,高温后砂岩的峰值强度、弹性模量和变形模量有所提高,两者受温度影响均以脆性破坏为主。这为研究煤炭地下气化时热作用下燃空区的围岩稳定及应力场和位移场的变化规律提供试验依据。     

裂隙岩体动态损伤演化与体积扩容方程

 与时间相关的岩石扩容现象源于岩体内部大量微裂纹的张性扩展。从断裂力学的裂纹研究出发,探讨不均匀加卸载过程中,岩体内部微裂纹在应力集中源附近的局部拉应力作用下,裂隙萌生和扩展的动态过程,并利用散布损伤力学手段描述裂纹体系的动力行为,建立起微观断裂与宏观扩容之间的联系。试验结果分析表明：本文所建立的扩容方程能够有效地描述加卸载过程中裂隙岩体的动态损伤演化和体积扩容全过程,与已有的形变方程一同构成深部岩体变形破坏动态本构模型的完备方程组。     

压剪应力作用下断续节理岩体的破坏分析

节理岩体的力学特性主要受控于节理，节理间的相互作用及其贯通是岩体工程的重要问题。利用Dugdalc-Barcnblatt模型揭示了多节理贯通力学机理——主要受外部荷载、节理间的相互作用二因素的影响。利用裂纹尖端的应力强度因子、损伤局部化区的长度确定了节理扩展和贯通的力学条件。通过实验验证了模型的正确性和可行性。其结论对岩体工程的稳定性分析具有重要理论和现实意义。     

节理剪切应力–位移本构模型及剪胀现象分析

 在法向与切向荷载的共同作用下,节理剪切应力–位移曲线宏观表现为峰前呈剪切硬化、峰后呈剪切软化现象：当微凸体爬坡效应占主导地位时,宏观表现为剪切硬化;当微凸体在剪切过程中磨损累积到一定程度时,宏观表现为剪切软化。剪胀硬化、磨损软化共同控制节理的剪切力学行为。在详细分析已有的剪切应力–位移本构模型的局限性的基础上,提出硬化–软化全剪切本构模型,采用单个函数反映节理剪切位移曲线的变化特征,其优点为：(1) 避免分段讨论剪切位移曲线特征、分段求取拟合参数的麻烦;(2) 在整个讨论区域内存在一个峰值且峰值处斜率为0;(3) 当剪切位移足够大时,强度趋于残余值,体现出节理面材料的力学特征。对不同类型的剪切位移曲线进行分析,该模型均表现出较强的适应性。同时分析现有的剪胀模型,其主要缺陷是不能反映初始剪缩现象与体现真正的剪胀起始点。在分析典型剪胀曲线基本特征的基础上,采用分段函数考虑剪胀特征,能较好地拟合剪胀曲线。