岩体结构面法向循环加载本构关系研究

对岩体结构面在法向循环加载下的受力变形关系进行了理论研究。试验表明,加卸载应力–变形曲线均可表示为双曲线函数,并且呈现不断硬化的特性,伴随产生法向残余位移。对已有双曲线型式的本构关系加以拓展,引入新的模型参数,假定卸载和重加载曲线均以结构面最大压缩位移为渐近线,曲线在法向力时为0的起始刚度由前一次循环过程的加载和卸载曲线起始刚度决定,从而完全确定循环加载本构方程。新参数体现结构面法向循环加载曲线的收敛速度和所产生的残余位移等受力变形特性,取决于岩石类型、结构面几何特征和填充物特性。通过设定参数的不同取值,这一模型分别等价于已有的不同模型。与无充填岩石裂隙和有厚度岩石夹层在法向循环加载下的试验结果对比表明,模型能较好描述岩体结构面的本构关系。     

法向循环加卸载条件下节理力学特征研究

将节理法向循环加卸载试验所得的法向应力–闭合量曲线分别采用半对数、双曲线本构方程进行拟合,得到2种类型节理法向刚度表达式,并将其引入持续屈服节理模型中,同时编写节理法向循环加卸载程序,首次实现节理非线性本构循环加卸载数值模拟分析。研究结果表明:建立的节理法向非线性本构循环加卸载数值试验方法行之有效;由双曲线方程得到的节理法向刚度值较由半对数方程得到的法向刚度值略有不同,但2种方法得到的节理法向应力–闭合量曲线数值模拟结果均与室内试验十分接近,均可有效表征节理法向循环加卸载力学特征。研究成果可为后续节理岩体动力学性质研究,边坡动力响应分析以及边坡稳定性、安全性评价等奠定基础。     

循环加、卸载条件下岩石类材料变形特性的实验研究

从不同位移速率、不同载荷水平和不同岩石孔隙性(如坚硬致密的细粒砂岩和软弱多孔的混凝土加气砖等)3个角度对岩石类材料在循环加、卸载条件下所形成的封闭塑性滞回环的演化规律进行探讨。通过对其实验结果的分析发现:(1)岩石类材料在循环加、卸载条件下的卸载曲线与加载曲线不重合,确实将形成一封闭的塑性滞回环;(2)循环加、卸载条件下,加载曲线段的位移变化量在第1次循环期间变化较大,但从第2次循环开始,其位移变化量的变化并不明显,而卸载曲线段的位移变化量在整个循环加、卸载过程中的变化似乎都不明显;(3)一般而言,位移速率越大纵向载荷–纵向位移曲线的斜率就越大,载荷水平越高第1次循环中载荷卸载至零时所残余的位移量也越大;(4)从第2次循环开始,在每次循环加、卸载完成之后,加载曲线段的起点与卸载曲线段的终点几乎是重合的,即从第2次循环实验开始几乎不再产生新的残余位移量;(5)针对具有不同孔隙性的岩石,在不同位移速率和不同载荷水平时其循环加、卸载条件下的变形响应程度将有所不同。     

多级加载下岩石裂隙渗流分段特性试验研究

利用自行研制的岩石裂隙辐射型渗流系统,试验研究室温下粗晶大理岩、中砂岩、灰岩和细晶大理岩4个岩石张裂隙在法向闭合过程中的渗流分段特性及加载历史的影响。根据闭合裂隙的接触状态及流域分布特征,裂隙渗流可分为群岛流、过渡流、沟槽流3个阶段;单位水头流量与法向应力呈指数函数关系,随法向应力增加而降低,后次加载中相同法向应力下单位水头流量明显较低;单位水头流量与力学隙宽呈幂函数关系,幂指数范围为1.93～2.60,可认为接触型粗糙岩石裂隙渗流量与力学隙宽呈次立方关系;后次加载时,相同力学隙宽下单位水头流量也明显较低;水力等效隙宽与力学隙宽呈分段的线性关系,修正的立方定律在相应分段内成立。研究结果对岩体裂隙渗流计算有一定的理论意义。     

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。     

循环加卸载下柱状节理材料渗透率和孔隙度演化规律研究

 为了研究柱状节理岩体在多次围压循环加卸载下渗透率与孔隙度的演化规律,利用致密岩石惰性气体渗透测试装置,对柱状节理岩体相似材料进行3次围压循环加卸载模型试验,测量柱状节理岩体相似材料在3次围压循环加卸载下渗透率与孔隙度的变化过程,研究渗透率、孔隙度与围压之间的变化关系以及对应力的敏感性。试验结果表明：在第一次围压加载阶段,柱状节理材料渗透率和孔隙度变化较大,且围压卸载后不能恢复初始状态,在此后的围压循环加卸载阶段,围压变化对柱状节理岩体渗透率和孔隙度的影响较小;加载阶段,渗透率和孔隙度与围压均成幂函数关系;卸载阶段,渗透率与围压成幂函数关系,孔隙度与围压成指数函数关系;随围压增大,渗透率和孔隙度对围压变化的敏感性均减少,围压卸载后,渗透率和孔隙度对围压变化的敏感性可以恢复;在每个围压循环加卸载阶段,渗透率对围压变化的敏感性与柱体倾角的关系曲线均呈双峰形,且第一个峰值总是大于第二个峰值;围压加载阶段孔隙度与渗透率成幂函数关系,围压卸载阶段孔隙度与渗透率成指数函数关系;柱状节理材料的孔隙度越大,渗透率对孔隙度变化的敏感性越强;柱状节理材料渗透率对孔隙度变化的敏感性与柱体倾角的关系曲线呈双峰形,且第一个峰值大于第二个峰值。     

灰岩岩样等幅和分级循环加卸载过程中电阻率响应规律研究

为研究受载过程中特别是循环加卸载作用下岩石电阻率变化规律,对单轴等幅循环加卸载和分级循环加卸载条件下岩石破坏过程中的电阻率响应特征进行研究。试验结果表明,岩石电阻率变化与荷载变化或试件内微裂隙发展密切相关。等幅循环加卸载过程中,加载时随着荷载的增加,岩石的电阻率总体上呈下降的变化趋势;第1次加载循环与其他4次加载循环明显不同,在加载初期存在快速下降阶段;卸载时,试样电阻率会逐渐恢复;5次加载循环中,完全卸载(载荷0 k N)和完全加载(载荷40 k N)时,不同循环电阻率不同,第一次最大,以后逐次减小。分级循环加卸载与等幅循环加卸载存在一些相同的规律,不同之处在于:5次加载循环中,完全卸载(载荷0 k N)和完全加载(载荷取第一级完全加载时荷载35 k N)时,不同循环电阻率也不同,前3次循环电阻率依次减小,后2次循环逐次略有增加;破坏加载时,加载初期也存在快速下降阶段。对2种循环加卸载过程中电阻率变化规律采用循环加载下微裂隙闭合机制进行了解释。试验研究表明,电阻率变化可以较好地表征单轴等幅循环加卸载和分级循环加卸载过程中试件内微裂隙发展情况。     

循环加、卸载条件下北山深部花岗岩损伤与扩容特性

采用MTS815岩石力学试验机和声发射监测系统,研究我国高放废物地质处置库北山预选区深部花岗岩在三轴循环加、卸载条件下的损伤和扩容特性。基于试验结果,分析岩石全应力–应变曲线与累计声发射撞击数和事件数的时空分布关系,进而揭示其破裂演化机制。通过构建岩石在循环加、卸载过程中的塑性应变轨迹,获得峰后剪胀角随塑性剪切应变的变化规律,探讨岩石扩容对塑性剪切应变和围压的依赖性。研究结果表明:(1)声发射事件增量最大值出现在应变软化阶段,在该阶段的反复加载是加剧其内部损伤和裂隙宏观贯通的主导因素,残余变形阶段的裂隙行为主要表现为宏观断裂面间的摩擦、滑移,岩石扩容率趋于恒定;(2)卸载过程对于裂隙发展的影响远小于加载过程,由于裂隙的发展状态不同,在裂隙损伤应力(σcd)之前和之后卸载导致的声发射特征具有显著的差异性;(3)峰后剪胀角随塑性剪切应变的增加而减小,并随围压增加其衰减梯度不断减小,采用指数函数建立围压和塑性剪切应变为影响因素的剪胀角模型,可合理描述北山花岗岩的扩容特性。     

深部斜长角闪岩流变试验及模型研究

以采自金川Ⅱ矿区深部斜长角闪岩为研究对象,采用分级增量加载方式进行松弛试验,并与分级增量循环加、卸载方式蠕变试验进行比较分析。岩石蠕变试验主要反映介质长期强度,而应力松弛试验可证明岩石破裂后具有残余强度。松弛曲线中存在连续型应力松弛和非连续阶梯型应力松弛,非连续阶梯型应力松弛规律与岩石试样中的微裂隙萌生、原有裂隙的扩展有着密切联系。对数据进行深入分析后,利用西原模型研究深部斜长角闪岩的黏弹塑性流变特性。分析拟合曲线与拟合参数的结果可知,西原模型的理论曲线与试验所得的松弛曲线和蠕变曲线都能较好地吻合。该模型可以较好地反映金川Ⅱ矿区深部岩石的流变特性。     

循环载荷作用下盐岩力学特性响应研究

 通过模拟储气库运行围岩受载情况,对层状盐岩储气库围岩中常见盐岩及含夹层盐岩进行应力水平不断提高的反复加卸载试验研究。试验结果表明：与单调加载相比,循环载荷下芒硝试样强度明显降低;含钙质泥岩夹层芒硝的强度高于纯芒硝,但由于受夹层的影响,峰值点对应应变低于纯芒硝。与其他岩石明显不同,在初期阶段,盐岩试样循环加卸载曲线基本呈线性并重叠,随应力水平及循环次数的提高,滞回环现象有轻微表现,但面积很小。后期卸载过程中盐岩的杨氏模量略高于加载过程,除卸载过程弹性变形恢复滞后外,还受加载过程中耦合的塑性变形因素影响。由于钙质泥岩夹层的变形能力相对较弱,含夹层芒硝的杨氏模量稍高于芒硝,同时,在反复循环卸载过程中的变形恢复也大于纯盐岩。总体上看,盐岩在加卸载过程中杨氏模量基本不随应力水平及加卸载次数的变化而变化。同时,即使进入屈服破坏阶段,也没有出现一般岩土材料加卸载杨氏模量随屈服应力降低而降低的现象。根据能量观点分析,循环载荷作用下强度降低幅度与循环次数及累积滞回环面积相关。本次试验中,5个试样循环加卸载作用过程中,加卸载曲线几乎重合,滞回环很小,因而强度降幅也很小。据此推断,在储气库反复加卸载运行过程中,围岩强度基本不会受循环次数的影响;但大幅度的压力波动有可能产生能量累积,从而影响其强度与寿命。