岩石的损伤、黏结和摩擦特性研究

收集文献上多种完好及损伤后岩石的常规三轴压缩强度,研究材料的损伤、黏结和摩擦特性及其对围压与强度之间关系的影响。围压增大使裂隙的摩擦承载能力增大,若达到附近材料或其他弱面承载能力后则不再直接影响试样的强度;材料局部损伤的影响随着围压增大降低,试样承载的主应力差以指数形式趋于极限,即最大剪切力等于材料的真实黏结力。大理岩塑性变形引起局部剪切屈服,但真实黏结力没有降低;加热600℃足够长时间后造成使晶界完全开裂则引起真实黏结力降低。岩石剪切破坏时强度与围压的关系可用指数准则描述;不过,花岗岩在围压20MPa之内可出现沿轴向劈裂破坏而强度随围压线性增加。     

正则抛物线准则及岩石初始损伤的估计

岩石内存在裂隙等缺陷引起试样强度的离散。随着围压增加,裂隙的摩擦承载与黏结力差异减小,即初始损伤对高围压下强度影响较小。正则抛物线准则可以准确描述砂岩等颗粒性岩石在高围压下的强度,拟合参数视为岩石的理想单轴压缩强度,其与试验值的差异表征试样初始损伤度。该参数可以为岩石损伤力学分析提供基础。     

围压对岩石试样强度的影响及离散性

 岩石是非均质性材料,试样差异引起试验结果离散,强度准则的拟合曲线仅表示围压对岩石强度影响的平均特性。围压100 MPa 以内的试验结果表明,试样内部裂隙引起的强度差异随围压增大而减小,指数强度准则表示围压对强度影响的2个参数与试样无关,而依据围压下强度可以确定试样应有的单轴压缩强度,并以其分布描述岩石的总体强度特征,从而应用于工程设计。花岗岩中石英、长石、云母的力学性质差异显著,小尺度试样内矿物的含量不同,将引起高围压下强度的显著离散;而较大压缩变形引起的端部摩擦效应也会影响试样的强度。     

考虑端部摩擦效应的岩石卸载强度准则

为分析端部摩擦对岩石力学参数的影响,采用RMT–150B岩石力学试验系统对砂岩试样进行不同端部摩擦因子和围压卸载速率下的三轴卸围压试验。结果表明:在相同端部摩擦因子和初始围压下,围压卸载速率越大,试样破坏围压越低,试样破坏差应力越大;在相同围压卸载速率和初始围压下,端部摩擦因子越大,试样破坏围压越低,试样破坏差应力也越大;在相同围压卸载速率下,试样内摩擦角φ和黏聚力c值整体上随端部摩擦因子增加近似直线增加;在相同端部摩擦因子下,试样内摩擦角φ和黏聚力c值整体上随围压卸载速率增大而增大,但增加速率逐渐降低。提出包含端部摩擦因子和围压卸载速率的end-friction(E-F)卸载强度准则,通过采用该准则对试样峰值强度和破坏围压的关系进行拟合分析,认为该准则能够较好地描述三轴卸围压破坏试样强度。若已知端部摩擦因子K值,可得到不同围压卸载速率v下岩石E-F卸载破坏强度包络线,进而获得不同围压卸载速率下岩石材料强度参数。     

高温后粗砂岩常规三轴压缩变形与强度特征分析

通过对经历400℃~1 000℃高温后的粗砂岩进行常规三轴压缩试验,分析试样变形、强度和破坏特征与温度、围压的关系。结果表明:经历400℃高温后的试样围压高于20 MPa时,试样峰值强度附近出现明显屈服平台,经历超过600℃以上高温的试样均具有明显峰值点,随温度升高试样的塑性减弱脆性增强;400℃以内高温对试样的变形参数影响不大,经历超过400℃以上高温的试样的弹性模量、变形模量和极限应变随围压增加单调增加呈正相关性;试样的弹性模量和变形模量随温度升高单调降低,而峰值应变随温度升高单调增加。高温后试样峰值强度随围压增大而单调增加,符合Coulomb强度准则,综合围压影响系数为6.541;800℃以内高温对试样黏聚力、内摩擦角影响不明显,经历1 000℃高温后的试样黏聚力急剧降低,内摩擦角稍有增加;800℃以内高温对粗砂岩具有强化作用,扣除围压影响后试样材料强度与温度呈正相关,超过800℃以上高温使试样强度有所弱化,试样材料强度与温度呈负相关性;高温后试样的试验破坏角和理论破坏角基本一致,高温对试样破坏角影响较小,试验破坏角随围压增加而单调减小,围压对试样破坏角的影响大于温度的影响。     

不同应力路径下花岗岩三轴加卸载力学响应及其破坏特征

开展3种不同应力路径下的花岗岩三轴加卸载试验,得到花岗岩在不同加卸载路径下的应力–应变曲线,分析其破坏特征、变形特征及其强度特征。试验结果表明:(1)卸围压过程中岩石环向应变和体积应变与围压在初始阶段呈线性关系,而后呈明显的非线性关系,岩石轴向变形不明显,变形主要表现为环向变形,岩石扩容显著,脆性破坏特征明显。(2)卸荷试验中岩石变形模量随卸荷比的增大而减小,而泊松比随卸荷比的增大而增大,在卸荷初期岩石变形参数劣化不明显,而后呈指数型变化,且岩石加轴压卸围压试验较恒轴压卸围压试验对变形参数的影响更加明显。(3)在高应力卸荷条件下,Mogi-Coulomb强度准则较Mohr-Coulomb强度准则更能反映岩石的卸荷破坏强度特征;相对于常规三轴压缩试验,恒轴压卸围压试验试样黏聚力c降低24.21%,内摩擦角?增大16.71%,而加轴压卸围压试验试样黏聚力c增大10.25%,内摩擦角?减少6.64%,表明在恒轴压卸围压试验中试样抗破坏的主控因素为摩擦力,而在加轴压卸围压试验中为黏聚力。     

断续裂隙类岩石材料三轴压缩力学特性试验研究

研究三向应力作用下裂隙对岩石力学特性的影响对于确保裂隙岩体工程稳定具有重要的实践意义。通过配制含两条不平行张开贯穿型裂隙类砂岩试样,采用MTS815.02岩石力学伺服试验机进行不同围压下常规三轴压缩试验。基于试验结果,详细分析了完整及断续不平行双裂隙类岩石材料的应力–应变曲线、强度和变形参数以及破裂模式。研究结果表明:1断续裂隙岩样应力–应变曲线呈现多台阶式软化,部分曲线出现双峰值现象;2完整及断续裂隙岩样峰值强度、裂纹损伤阈值和峰值应变均随着围压的增大呈线性增大。完整岩样峰值强度对围压的敏感程度最高,而断续裂隙岩样中由倾角45°,30°和60°依次减小;3断续裂隙岩样宏观破裂模式受裂隙倾角和围压的共同作用。当围压较小时,破裂形态受裂隙倾角的影响较大;当围压增大到一定程度后,裂隙倾角的影响逐渐减弱,围压的作用开始显现,岩样最终呈剪切破坏模式。     

大理岩孔道试样的强度及变形特性的试验研究

利用中晶和细晶两种大理岩的不同内径孔道大理岩试样,在内孔压力为0时进行常规三轴压缩试验,分析试样内非均匀应力分布对试样承载能力和变形特性的影响。孔道试样的变形特征在轴向变形较小时与完整试样大致相同;在变形较大时孔壁附近材料因最小主应力较低而破坏,承载能力逐步下降。以线弹性力学分析孔道试样的应力状态,假设试样内材料同时达到承载极限,Coulomb准则给出的试样强度是一个偏低的估计,而不是偏高的估计。围压和轴向载荷在给定倾角剪切滑移面上的正压力和剪切力由整体力平衡确定,与孔道存在与否没有关系,孔道只是造成应力分布的不均匀,使试样的承载面积减小,引起围压对强度的贡献增加;另一方面,试样内部的破坏是逐步发生的,达到峰值承载能力时试样由黏结力构成的承载能力随围压、孔径的增大而减小。这两种不同趋势的变化决定孔道试样的强度特征。孔道对试样变形破坏的影响随大理岩结构特征而不同。     

干湿循环泥质白云岩扩容特性及本构模型

为探究干湿循环作用下岩石性能劣化效应,以泥质白云岩为研究对象,针对其实际赋存环境开展干湿循环试验。研究了不同干湿循环作用下泥质白云岩的扩容特性及力学参数;并基于Mohr-Coulomb强度准则建立泥质白云岩统计损伤本构模型。结果表明:岩样的最大体积应变随围压的增大而增大;扩容应力与峰值应力之比随围压呈线性递增关系;扩容应力随围压的增大而线性增大,但其增长速率随干湿循环次数的增大而减小;随着干湿循环作用增强,峰值点的粘聚力降低,内摩擦角增大;扩容点的粘聚力与内摩擦角变化幅度均大于峰值点处,表现为扩容点受干湿循环的影响效应比峰值点处更为敏感;基于Mohr-Coulomb强度准则建立的统计损伤本构模型能描述泥质白云岩三轴压缩的应力–应变关系。     

高应力下岩石非线性强度特性的试验验证

 深埋工程岩体开挖后围岩的强度特性表现出明显的非线性特征。基于室内岩石三轴加载及卸荷力学试验成果,对高应力下岩石的非线性强度特性予以验证,并开展高应力下应力路径对强度参数影响规律研究。采用已有的二次抛物线型、双曲线型、幂函数型等型式的包络线来研究强度特征的非线性,结果表明,幂函数型Mohr准则能够作为在高应力加载和卸荷应力路径下的岩石破坏的强度判据。在低围压下(＜10 MPa),三轴卸围压破坏强度要小于常规三轴强度;而在高围压下,前者略高于后者。内摩擦角的正切值与等效法向应力的函数关系表明岩样的实际内摩擦角并不是一个不变值,具有幂函数关系的非线性特征,在低应力下卸载破坏内摩擦角要比常规三轴压缩剪切内摩擦角略大,在高应力下则相反;根据Mohr准则中内摩擦角与理论破裂角之间的关系,随着应力增加它们的破裂角均呈非线性衰减并趋向π/4。     

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。     

高围压、高水压条件下岩石卸荷力学性质试验研究

 为探悉某深埋长引水隧洞围岩在高地应力、高水压力条件下的稳定性,对隧洞的主要岩体大理岩、砂岩和板岩进行常规三轴压缩试验、峰前峰后卸围压试验以及高水压力下的卸荷试验,对此过程中的强度和变形特征进行较为系统的对比分析研究。研究结果表明：卸围压对岩石的强度影响很大。卸荷后,岩石的黏聚力和内摩擦角均有较大幅度的降低,特别是有水压时,降低更是明显;卸荷对黏聚力的影响比对内摩擦角的影响大。卸荷后,黏聚力的降低幅度比内摩擦角要大;峰前卸荷对岩石强度的影响比峰后卸荷要大。峰前卸荷,岩石破坏时围压比峰后卸荷高;有水压卸荷对岩石强度的影响比无水压卸荷要大。有水压时卸荷,由于水压的存在,削弱围压对岩石的影响,使岩石在比无水压卸荷时更高的围压下即发生破坏。     

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。     

具有沉积弱面试样的剪切拉伸破坏及强度分析

根据一组细砂岩试验结果发现:试样强度较低时,平均模量与强度成正比,表明岩样破坏时内部完好材料需要的弹性变形相同;而较高围压下裂隙闭合、承载能力增大之后,平均模量趋于常数。含有弱面的岩样可能是剪切破坏,也可能是剪切与拉伸组合的破坏,必须依据破裂形式分析试样的强度,分别确定完整岩石或弱面的黏聚力和内摩擦因数,而不能直接以强度与围压的关系回归Coulomb准则。     

Three independent parameters to describe conventional triaxial compressive strength of intact rocks

The strengths of 12 rocks cited from literatures increase in a nonlinear way with increasing confining pressure against the Coulomb criterion. The criteria with power forms like the generalized Hoek-Brown criterion are not available for describing the strength properties in the whole test range for Indiana limestone, Yamaguchi marble and Vosges sandstone, of which the differential stresses are approximately constant at high confining pressures. The exponential criterion with three parameters fits the test data of those 12 rocks well with a low misfit. The three parameters are independent of the uniaxial compressive strength (UCS), the initial increasing rate of strength with confining pressure, and the limitation of differential stress.     

考虑围压效应的深埋大理岩强度变形特性研究

高地应力是深部岩体的重要特性之一,是岩体强度和变形特性的重要影响因素。针对锦屏Ⅱ级水电站深部大理岩的高地应力特点,利用MTS伺服机开展三轴压缩试验,研究不同围压下深部大理岩强度变形特性,结果表明:深部岩体的强度、弹性模量、变形模量均具有明显的围压效应,随着围压的增加,大理岩模量及各特征点强度增加;岩体赋存的初始地应力影响着岩体的变形规律,围压低于初始地应力时,深部大理岩以弹性变形为主,破坏模式主要为脆性破坏,围压高于初始地应力时,大理岩延性特征明显,扩容点前移,大理岩从脆性破坏向延性转化;基于三轴压缩试验数据求解出的深部大理岩黏聚力为54.53 MPa,内摩擦角为38.06°。这些研究成果揭示了高地应力环境下深部岩体的强度变形特性,可为深埋工程的开挖、支护设计提供理论参考。     

单一试样确定大理岩和砂岩强度参数的方法

确定岩石的强度参数是室内试验的主要工作之一，但有时试样数量偏少，或离散性较大时会出现围压增大、三轴强度降低的现象，难以确定内摩擦角等参数。基于伺服试验机加载过程的实时控制，对大理岩和砂岩分别提出单一岩样确定强度参数的方法。大理岩在围压较高时具有明显的屈服平台，通过对同一试样逐级提高围压的加载方法，就可以得到不同围压下试样的强度，据此可以回归Coulomb强度曲线。而砂岩在高围压下轴向压缩破坏之后，保持试样轴向压缩变形恒定降低围压，其轴向承载能力随围压下降而线性降低，比例系数与围压对峰值强度的影响系数大致相同，利用岩样的三轴强度和该比例系数就可以确定Coulomb强度曲线。     

软硬互层岩体力学及变形特性的离散元模拟

采用离散元软件PFC2D模拟软硬互层岩体渐进破裂过程,研究倾角、软硬层厚比和围压对其力学特性及变形特性的影响。研究结果表明：(1)软硬互层岩体抗压强度、黏聚力、内摩擦角和弹性模量随岩层倾角的增加先减小后增大,随围压的增加逐渐增大,随软层厚度的增加逐渐减小;(2)软硬互层岩体强度与其单结构面理论强度分布规律大致相同,但实际强度没有保持不变的倾角范围,且在最不利破坏倾角α=π/4+φ_j/2附近的变化幅度也没有单结构面理论强度明显;(3)硬层中生成贯穿层理面裂隙所需应变随软层厚度增大,增大岩体裂隙数量发展速度随岩体倾角的增加先增加后减小,在45°或60°时达到峰值,围压增大,岩体裂隙发展越充分;(4)软硬互层岩体在岩层倾角0°时为贯穿层理面的张剪破坏,在30°～60°时为沿层理面的剪切滑移破坏,90°时为沿层理面和局部贯穿层理面的复合张剪破坏;(5)围压的增大会诱发岩体发生剪切破坏,而软层厚度的增加可增强岩体破坏时的完整性。