分级加载下岩石蠕变特性研究

根据统一蠕变模型和该模型导出的蠕变方程，研究了分级加载条件下的岩石蠕变特性，并且通过曲线拟合得出了相应的蠕变参数。     

分级加载下薄层状岩石蠕变特性研究

为研究丹巴水电站薄层状岩石二云石英片岩的蠕变特性,在RLW–2000微机控制岩石三轴蠕变试验机上对试样进行加载方向分别为平行片理面(0)°、垂直片理面(90)°及与片理面成30°夹角3个方向的单轴蠕变试验。基于试验结果,研究不同加载方向的蠕变规律;分析片理面对二云石英片岩蠕变的影响。根据蠕变曲线的特征,采用改进的西原模型对二云石英片岩蠕变进行辨识,并根据试样的蠕变试验数据拟合出改进的西原模型参数,拟合结果与试验数据比较吻合。同时,试验结果还表明,3种加载方向的长期强度为对应单轴抗压强度的0.6～0.7倍,这些结论对今后丹巴水电站二云石英片岩的研究具有重要的指导意义。     

渗流水压力分级加载岩石蠕变特性研究

采用RLW-2000M微机控制煤岩流变仪,以细粒砂岩为研究对象,对三轴压缩条件下岩石渗流水压力分级加载蠕变试验进行了蠕变特性研究。重点分析了渗流水压力分级加载时蠕变条件下岩石的应变、渗流体积(体积速率)演化曲线,同时对不同渗流水压力分级加载条件下的岩石蠕变与渗透系数演化曲线进行了分析和对比。试验结果表明:分级加载渗流水压力作用下细粒砂岩的蠕变曲线符合蠕变演化三阶段特征;随着渗流水压的逐级加载,瞬时轴向、横向应变和瞬时泊松比呈增大的趋势;随着应变的累积,横向应变量大于轴向应变量呈扩容效应,直至发生蠕变破坏;分级加载渗流水压力作用下渗流体积曲线呈线性演化。研究认为:渗透系数先瞬时减小后增大,初始渗透系数都具有记忆性,即岩石孔隙通道具有记忆特征,孔隙通道经过变形→闭合→冲蚀→形成新通道过程。     

岩石变形破坏过程中的能量耗散分析

岩石作为一种复杂的非均质地质材料，其力学响应表现出明显的非线性和各向异性特点。岩石在变形破坏过程中始终不断地与外界交换着物质和能量，是一个能量耗散的损伤演化过程。采用损伤演化方程可以从宏观上描述损伤变量以及与其相伴的广义热力学力——损伤能量释放率的变化规律。进一步通过细观损伤力学的研究，可以揭示岩石变形破坏过程中能量耗散的内在机制。围绕这一基于能量耗散的岩石力学研究思路及其相关进展，最终将建立基于损伤演化及能量耗散的宏．细．微观多层次耦合的岩石力学体系，这有助于更准确地解决岩石工程领域中更多的力学分析问题。     

节理岩石的应力波动与能量耗散

应用SHPB试验和分形方法研究节理岩石的应力波动与能量耗散关系，分析节理面不规则结构对应力波穿越节理时的波动性质、非弹性变形和能量耗散的影响。研究结果表明：节理面不规则结构明显地影响应力波的传播性质。在相同入射波条件下，粗糙节理岩样的应力波衰减程度大于平直光滑节理岩样的衰减程度，粗糙节理的实际变形大于平直节理的变形。节理岩石的能量耗散比WJ/WI随节理面分维值D增大而增加，两者呈非线性关系；但当分维值小于临界值时，粗糙节理岩样的能量耗散比WJ/W与平直节理面的能量耗散比基本相同，并给出节理岩石能量耗散随节理面分维值D变化的表达式。     

不同加载方式下岩石变形及峰后能量演化特征研究

为探究不同加载方式下岩石变形及峰后能量演化特征,开展不同围压条件下砂岩峰前单向加载峰后循环加卸载、峰前峰后均循环加卸载的三轴压缩试验。研究结果表明:峰前同一应力水平,循环加卸载产生的变形略小于单向加载;相比单向加载,循环加卸载的岩样均出现从端部发育、终于主裂纹的不同长度和角度的非贯通细小裂纹,相同围压下形成的主裂纹角度较大;同一围压下,2种加载方式的峰后应力跌落形式近似相同,但循环荷载使跌落过程中岩石试样总输入能量W、损伤耗散能W_d、摩擦耗散能W_f较单向加载试验小,而可恢复弹性应变能W_e偏大;2种加载方式的峰后残余应力阶段均表现为理想塑性变形,残余强度均随循环荷载次数的增加而减小;循环加卸载试验残余应力阶段的残余强度及总输入能量W、损伤耗散能W_d、可恢复弹性应变能W_e、摩擦滑移过程中单位应变摩擦耗散能w_f均大于单向加载试验,2种加载方式下的w_f均具有围压效应。     

动静组合加载含水煤样能量耗散特征分析

为探讨静载煤样受动力扰动作用下失稳破坏的能量耗散特征,利用改进SHPB试验系统对不同饱水状态煤样进行动静组合加载试验,分析含水煤样在冲击过程中能量耗散特征,得到试样的破碎块度、分维与能耗密度的关系。研究结果表明:3种饱水状态煤样的入射能与能耗密度均呈正相关;耗散率与透射率随着饱水时间的增加均呈逐渐降低,反射率随饱水时间增加而增加;试样破坏能耗密度随着饱水时间增长逐渐减小,动态强度降低,呈现饱水对煤样强度有弱化效应;相同能耗密度条件下,自然状态煤样的平均粒度大于饱水3,7 d,能耗密度与破碎粒度呈负相关,二者具有良好线性关系;饱水3和7 d煤样的能耗密度与破碎粒度拟合曲线明显偏低,表现含水对煤样破碎粒径影响显著;煤样破碎分形维数为1.67~2.25,自然状态煤样平均分形维数小于饱水3,7 d,煤样的分维数随着能耗密度的增加而提高,试样能耗密度与分形维数增幅均呈正相关,二者具有良好线性关系。     

分级加载条件下岩石流变特性的试验研究

以红砂岩为例,采用重力加载式流变仪,在分级加载条件下对岩石的蠕变特性进行了单轴压缩蠕变试验研究,重点观察和分析了蠕变条件下岩石的弹性模量和泊松比的变形效应,同时对其他时效变形特点进行了分析。试验结果表明,侧向稳定蠕变阶段的应力门槛值低于轴向稳定蠕变的应力门槛值;侧向蠕变有明显的加速蠕变阶段,且比轴向加速蠕变阶段出现得早,而轴向蠕变的第三阶段则不太明显,一经出现试样随即破坏。在单体分级加载条件下,受蠕变的影响,随应力水平和变形量的增加,岩石的瞬时弹性模量有明显的增大,泊松比的变化则更为显著。     

二水石膏围压下轴向加载速率效应及能量耗散机制

开展不同加载速率下石膏力学特性演化试验研究,对探讨石膏矿山采空区失稳破坏和精细化处理有着重要理论研究意义。在围压10MPa下,进行不同加载速率的三轴压缩试验,研究不同加载速率下对二水石膏物理力学性质影响,深入分析加载速率对能量积累的影响及能量演化规律。结果表明:石膏试样破坏形式为剪切破坏,随着加载速率的增加,石膏试样的峰值强度和弹性模量都呈增大趋势;试样在加载后期并没有发生明显应力跌落现象,而是保持一定应力值不变;当加载速率大于0.04mm/min时,到达峰值出现应力屈服,应力表现出增–减–稳的变化趋势,说明石膏试样在高加载速率下通过内部结构调整,释放应变能,试样内部的损伤加剧;塑性阶段,石膏试样耗散能逐渐超过弹性能,峰值过后,耗散能迅速增加,总能量主要转化为耗散能成为主要分配方式,峰值后压力机产生的总能量主要被试样剪切面之间的摩擦吸收;轴向应变ε=0.01时,随着加载速率的增加总能量和耗散能有增加的趋势,弹性能减小;加载速率越高,石膏试样滑移面的剪切角度越大,破坏程度越高,与其对应的耗散能量呈正相关关系,峰后耗散能大小是决定石膏试样剪切破坏程度的本质因素。     

分级加载条件下红层软岩蠕变特性试验研究

 岩石的蠕变特性是岩石类材料的重要力学性质之一,很大程度上控制着岩体工程的稳定性。本文采用CSS–44100型电子伺服万能试验机在分级加载条件下对甘肃引洮输水工程7#试验平硐红层软岩进行了一系列单轴压缩蠕变试验。通过对试验数据的整理与分析,发现红层软岩存在显著的蠕变特性,符合伯格斯模型(Burgers model),并求取了不同应力水平下的蠕变参数。通过测定试样含水率,研究含水率对红层软岩强度和蠕变特性的影响。发现含水率越高,抗压强度越低,蠕变量越大,蠕变率也越大,达到稳定的时间也越长。试验结果表明,红层软岩蠕变试验曲线与理论曲线基本吻合,伯格斯模型(Burgers model)能较好的描述红层软岩的蠕变特性。     

基于能量耗散的岩石损伤破坏数值模拟

从能量角度出发,研究岩石的逐步损伤以至于破坏的过程,并基于能量耗散原理建立岩石单元的损伤破坏模型,利用FLAC中的fish语言开发计算程序,模拟了岩石的巴西劈裂实验,得出了一些有价值的结论。     

冲击载荷作用下岩石损伤的能量耗散

利用一级轻气炮进行平面撞击实验，测量砂岩试件组成的靶板中的应力-时间历程曲线；基于RaIlkinc-Hugoniot守恒方程，计算得到不同冲击荷载下岩石试件中的损伤能量耗散密度，为建立新的岩石动态损伤模型创造了条件。     

岩石变形破坏次声异常的能量特征研究

采用室内试验方法,对8组砂岩试件进行了压缩破坏试验,同步记录岩石变形破坏过程中的次声信号,采用小波分析方法对异常信号的能量特征进行了分析研究。结果表明:岩石变形破坏次声异常信号能量主要集中在3.91~7.81 Hz的中频段和7.81~15.62 Hz的高频段两个频率范围内,其中中频段能量大于高频段能量,同时在低频段0~3.19Hz内也存在一定的能量分布,通过不同频段能量分布对比,可对信号进行识别;随着岩石变形破坏程度的增加,次声异常信号的中低频段能量在相对减少,而高频段能量相对增加,在岩石临近破坏前,次声信号的中低频段能量与高频段能量的比值接近1。以上几个方面特征的发现,为岩石变形破坏的次声异常信号识别及破坏前兆预警提供了重要的依据。     

分级加载下深部粉砂岩单轴压缩蠕变试验研究

为研究深部硬岩的蠕变特性,采用分级加载方式对深部粉砂岩进行了单轴压缩蠕变试验。试验结果表明,分级加载作用下深部粉砂岩产生瞬时的轴向应变和侧向应变后随即进入蠕变阶段,深部粉砂岩的侧向蠕变发展较轴向蠕变快;在蠕变过程中存在一个应力阈值,其中轴向蠕变的应力阈值比侧向蠕变的大。随轴向分级荷载的提高,岩石的瞬时弹性模量呈先增加后减小的变化趋势,瞬时泊松比呈上凹型增长,轴向蠕变应变先减小后增大,侧向蠕变应变呈前期增长平缓的上凹型增长;根据试验过程中的等时应力-应变曲线的变化趋势,可以看出深部粉砂岩蠕变过程具有非线性特征,且侧向蠕变较轴向蠕变更明显。     

保持加载下岩石变形记忆效应时效特征规律研究

作为岩石基本属性的变形记忆效应(deformation memory effect,DME)具有时效特性,加载保持时间(T_c)对岩石DME的影响是其时效特性之一。选用砂岩及2种花岗岩材料,开展不同T_c下的物理试验,对记忆信息形成精度及应变差幅值等进行分析,并基于岩石内部多微结构面间的黏弹性摩擦滑动理论,采用岩石三元件构建基本记忆单元理论模型,进行不同T_c下DME力学理论研究,结果表明:(1)随T_c增加,2种花岗岩和砂岩的记忆信息形成精度明显提高,应变差幅值逐渐减小;(2)记忆理论模型的记忆信息形成精度和应变差幅值的变化规律和物理试验保持一致,即基于多微结构面的记忆理论模型能够描述不同T_c下的岩石DME宏观行为;(3) T_c增加到一定幅度时,记忆信息形成精度和应变差幅值趋于不变,并提出当应变差幅值稳定时,此时为最佳T_c。结论给出了保持加载下岩石DME时效特性变化规律,为岩石DME时效性研究提供了试验及理论基础。     

岩石卸围压破坏过程的能量耗散分析

 在分析试验机与岩样之间能量交换的基础上,综合分析岩样卸围压破坏过程的能量耗散规律,以及能量与岩样变形、围压之间的关系。研究结果表明,在卸围压破坏过程中,能量耗散与岩样的破坏特征及施加围压有较大关系;延性破坏的能量耗散大于脆性破坏,同一种破坏模式下,岩样的能量耗散随施加围压的增大而增大。2种卸围压试验均表明,能量耗散与时间呈非线性关系,与侧向变形呈线性关系,且在相同侧胀水平下,施加围压越大,能量耗散越大,岩样更具脆性破坏特征。     

不同加载路径对岩石变形特性的影响

以往在研究岩石的力学特性时，大都采用持续加载的方法进行试验。三向压缩试验也不例外。就绝大多数工程而言，所遇到的却是在某种应力状态下由于开挖而产生一个方向应力减小、其他几个方向应力增大的现象。根据工程对岩体稳定性评价的要求，应该模拟不同加载路径的应力状态下的试验条件，以便掌握在该试验条件下岩石所作出的力学响应。通过对红砂岩在不同加载路径条件下的三轴试验。分析了不同加载路径所得到的应力，应变曲线及其对岩石的变形影响，得出了在不同加载路径条件下，岩石变形表现与常规试验有较大差异，有着较明显的非线性特性的结论。     

基于能量耗散与释放原理的岩石强度与整体破坏准则

讨论了岩石变形破坏过程中能量耗散、能量释放与岩石强度和整体破坏的内在联系。指出岩石变形破坏是能量耗散与能量释放的综合结果。能量耗散使岩石产生损伤,并导致岩性劣化和强度丧失;能量释放则是引发岩石整体突然破坏的内在原因。定义了单元耗散能、可释放应变能、强度丧失和整体破坏的概念。给出了基于能量耗散的强度丧失准则和基于可释放应变能的整体破坏准则,分析了各种应力状态下岩石单元整体破坏的临界应力。并应用上述准则讨论了隧洞围岩发生整体破坏的临界条件。     

岩石变形破坏过程的能量演化研究进展

能量演化贯穿于岩石变形破坏全过程,基于能量角度的岩石强度与变形特性的研究,深入揭示其物理力学本质,并合理搭建理论分析至实际工程应用的桥梁.本文系统总结数十年来国内外对于不同应力状态、不同应力路径和不同加载速率下岩石的静动态能量演化规律和分配关系及尺寸、含水率、孔隙率等因素对其的影响;归纳了基于能量原理的岩石强度准则、损...     

岩石直接拉伸破坏中的能量耗散及损伤特征

采用新近发展起来的拉伸式Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ冲击装置（ＳＨＴＢ），成功地实现了对岩石试样的动态直接拉伸加载。利用圆柱形拉伸强度试样和切口圆柱拉伸断裂试样，并结合静态拉伸实验设备ＭＴＳ材料试验机，进行了岩石的动态拉伸强度、动态拉伸断裂、静态拉伸强度、静态拉伸断裂共４种情况下的拉伸破坏实验，并将这４种实验条件下的拉伸破坏试样沿其纵剖面剖开，利用光学显微镜观察岩石在其纵剖面上的破坏特征。观察表明，岩石拉伸破坏所消耗的能量与岩石破坏时所形成的内部损伤有着十分密切的联系。