石灰岩孔道试样孔内卸压条件下破坏特征的研究

 为了研究复杂应力环境下岩体工程开挖的影响,设计内压加卸载试验装置,利用内径20 mm、外径49.84 mm的厚壁圆筒石灰岩试样,在RMT–150C岩石力学试验系统进行不同内压条件下的加卸载试验,重点分析了孔内卸压条件下试样的破坏形式产生机制。结果表明：(1) 固定孔压加载时,由于试样孔道内外存在应力差,不能进入延性变形阶段,高围压时有孔压试样的强度明显高于无孔压试样的强度;(2) 孔压卸载对试样造成的损伤较大,卸载孔压后重新加载的试样,其强度低于常规三轴压缩时的孔道试样;卸载破坏时试样内外压差越大,其强度越小,表明围岩发生破坏的根源在于巷道开挖卸载后引起应力差的增加;(3) 固定孔压时,试样多呈现单一的剪切面滑移破坏,而卸载孔压时试样破坏形式都为张拉破坏或者压拉组合破坏,应力路径对孔道试样破坏形式影响较大。研究结果为揭示深埋巷道围岩破坏失稳现象的产生机制提供参考。     

加轴压卸围压条件下北山花岗岩破坏特征

为了研究开挖扰动对花岗岩的破坏机理,对北山花岗岩进行了加轴压卸围压的三轴试验,试验中设置0.1,0.5,1.0,1.5,2.0 MPa/min五种卸围压速率,轴压加载速率是卸载速率的10倍,每一种卸载速率设置5,10,15,20,30 MPa五个围压,并在试验过程中记录声发射事件。分析了声发射事件数随卸载速率的变化规律,使用层次聚类的方法将声发射事件分为张拉破坏和剪切破坏,研究了卸载速率、围压和卸载时间对张剪比(张拉破坏与剪切破坏的比值)的影响,研究表明:(1)随着卸载速率的增加,声发射事件数呈幂函数下降,且围压越高,声发射事件数下降越明显;(2)裂纹的张剪比随着卸载速率的增加而增加,随着围压的增加减小,随着卸载时间增加降低;(3)围压卸载速率增加,岩石声发射b值降低,初始围压升高,对应的b值增加,且卸载速率和围压对张拉b值的影响比对剪切b值影响更明显;(4)基于Maxwell模型分析岩石内局部应力状态,并进一步研究了岩石破坏过程中张剪比变化的力学机理。     

Research on unloading nonlinear mechanical characteristics of jointed rock masses

Geological environments of rock mass projects are always very complicated, and further investigations on rock mechanical characteristics are needed. There are considerable distinctions in rock mechanical characteristics under unloading and loading conditions. A series of tests are conducted to study the stress-strain relationship of rock masses under loading and unloading conditions. Also, the anisotropy, the size effect, and the rheological property of unloading rock mass are investigated. The tests presented in the paper include model test and granite rheological test, which are conducted considering geological condition, rock mass structure, in-situ stress field of the permanent shiplock of the Three Gorges Project. The main differences between loading and unloading rock masses are stress paths, yield criteria, deformation and strength parameters, etc.. Different structural plane directions affect unloading rock mass evidently. With increasing size, the tensile strength, the compressive strength, the deformation modulus, the Poisson’s ratio and the anisotropy of rock mass all decrease. For sandstone samples with parallel bedding planes, the cohesion c increases but the internal friction angle ? decreases under unloading condition when compared with the values under loading condition. While for samples with vertical bedding planes, the trend is adverse. The rheological property of rocks has close relationship with the tensile stresses of rock masses. When the sandstone samples are tested under high stress condition, their rheological properties are very obvious with the unloading of confining pressure, and three typical rheological stages are shown. Rheological rate changes with the variations in axial stress and confining pressure.     

深部高应力圆形隧洞内部卸荷条件下岩爆模拟试验和强度弱化效应研究

为了模拟深部高应力圆形隧洞在内部卸荷条件下洞壁发生岩爆的过程,以具有中等岩爆倾向性的红砂岩作为试验材料,利用TRW–3000岩石真三轴电液伺服诱变试验系统,对100 mm×100 mm×100 mm立方体红砂岩试样开展了先加载后钻孔卸荷条件下的岩爆模拟试验。试验模拟500 m深度的二维应力状态,首先对试样加载至设定的初始应力状态,然后利用自主研发的岩石钻孔卸荷试验装置进行岩石内部钻孔卸荷(孔洞直径为25mm),之后在竖直方向加载至洞壁发生破坏,达到模拟效果后主动卸载。试验过程中,利用微型摄像机监控并记录洞壁的整个破坏过程。为了对比卸荷作用的影响,对预先贯穿孔洞(孔洞直径为25mm)的同尺寸红砂岩试样开展了先开孔后加载条件下的岩爆模拟试验。试验结果表明,2种试验条件下均可实现岩爆过程的模拟,整个试验过程均可以划分为平静阶段、颗粒弹射阶段、岩片剥落阶段,最终在洞壁两侧形成V型槽。与先开孔后加载试验相比,先加载后开孔试验中洞壁的初始破坏应力较低,洞壁更容易发生破坏,并且洞壁发生岩爆破坏的严重程度较强,产生的岩片尺寸较大,洞壁剥落岩片的总质量较高,形成的V型槽深度较深,破坏范围较广。试验对比结果表明,高应力岩石内部卸荷会对围岩造成一定程度和范围的损伤,诱发围岩产生明显的强度弱化效应。     

高围压卸荷条件下横观各向同性岩体变形破坏与能量特征研究

 为揭示石英云母片岩变形及能量特征,针对平行片理和垂直片理方向的试件,基于MTS815岩石力学试验平台开展不同围压下的卸荷试验,分别从体积变形系数、能量比、能量变化率、能量应力增量比等方面系统研究高围压卸荷条件下石英云母片岩变形破坏特征及能量演化规律。结果表明：平行组试件径向变形发育能力及各特征应力量值均高于垂直组;其能量演化规律具有显著的围压效应,2组试件能量特性差异明显;与垂直组相比,平行组试件峰前、峰后应变能变化率较低且高围压下裂隙发育及塑性变形程度更高;提出能量应力增量比以表征试件能量变化对卸荷程度的敏感性,2组试件峰前能量应力增量比均随围压的增加而增加,但峰后弹性能应力增量比几乎不受初始围压的影响,垂直组峰前、峰后弹性能应力增量比和耗散能应力增量比量值均大于平行组。     

Triaxial unloading test of rocks and its implication for rock burst

 The behaviour of rock deformation and its failure characteristics under loading and unloading conditions are substantially different. In this paper, triaxial unloading tests have been designed to simulate the unloading process during tunnel excavation in three kinds of rock (granite, migmatitic granite and limestone). The results show that elastic moduli obtained under unloading conditions are generally less than under loading conditions. The strength of the rock samples also decreases with an increasing rate of unloading. This study reveals that rock bursts during tunnelling in a high in-situ stress area could be controlled or reduced by lowering the excavation speed or applying precautionary measures to control the displacement of surrounding rocks. Received: 25 February 1999 · Accepted: 20 June 2000     

裂隙岩体卸荷渗透规律试验研究

边坡开挖等岩体工程使得岩体形成卸荷作用,同时引起岩体中地下水性态的改变。水库蓄、放水使库岸边坡产生加载、卸荷效应,库岸边坡的稳定性受到影响。这都涉及到有关卸荷-渗流问题,因此研究裂隙岩体卸荷渗透规律具有重要意义。文章通过裂隙岩体的卸荷-渗流试验,探讨了裂隙岩体的渗透系数在卸荷过程中的变化规律,不仅揭示了裂隙岩体渗透系数与卸荷量的近似双曲线关系,还验证了裂隙岩体在加载、卸荷过程中渗透系数的迟滞现象。同时从理论上推导了裂隙岩体卸荷量与渗透系数之间的关系式,并对式中的试验系数进行了优化计算,其计算结果与试验结果吻合较好。     

单轴受荷条件下岩石的声学特性模型与实验研究

从岩石的变形特性出发,通过等效裂纹模型的建立,给出了岩石在单轴加载、卸载和重加载过程中岩石声学特性的理论模型;对大理岩、灰岩和玄武岩三种岩石进行了单轴循环加载过程中的超声波测试实验,实验结果与理论计算基本吻合。     

不同卸荷速率下大理岩破裂时效特性与机理研究

巷道开挖过程中卸荷速率对岩体破裂特性有显著影响,且破裂特性表现出明显的时间效应。针对岩体在卸荷条件下的受力特征,利用颗粒流程序,对脆性大理岩进行围压卸载数值模拟,研究不同卸荷速率下卸荷结束瞬间和卸荷后持续点的岩石试样破裂特性和机理。结果表明:围压卸载过程中,卸荷变形率△ε_i随卸荷速率的增大而减小,且侧向变形比轴向变形更敏感;在卸荷结束瞬间,微裂纹主要集中在试样上下端部并形成剪切破裂带,其中张拉裂纹数目是剪切裂纹的3~6倍,试样的破裂程度S_1随卸荷速率的增大呈指数递减规律变化;在卸荷后持续点,卸荷速率较慢的情况下岩石试样破坏形式为宏观剪切破裂面,卸荷速率较快的情况下岩石试样破坏形式为块体剥落及上下端部颗粒(块体)弹射,试样的破裂程度S_2随卸荷速率的增大呈指数递增规律发展;卸荷速率越快,达到卸荷后持续点时,试样累计释放的颗粒动能越大,岩爆程度越大。     

三轴卸荷条件下大理岩扩容与能量特征分析

扩容现象是岩石变形破坏过程中的重要特征。基于MTS815 Flex Test GT岩石力学试验平台,采用室内三轴卸荷试验和塑性力学理论分析,揭示了大理岩在卸荷条件下的扩容特征及能量变化特征。结果表明,随着围压的增大,岩样的各特征应力随之增大,其扩容特征随之减弱;岩样的扩容参数——扩容指标以及剪胀角均具有围压效应,即扩容指标与围压呈良好的指数型分布,剪胀角与应力比呈线性分布;岩样的卸荷破坏过程中能量特征为初始时以可释放应变能为主到破坏时的耗散能为主,其间的转折点为初始损伤扩容点,同时卸荷条件下的特征能量值与围压具有良好的指数类型关系;在峰值点与残余点处,岩样的能量损伤值与剪胀角以及能量特征值与扩容指标均存在着较好的指数类型关系。     

不同初始卸荷水平和水压下砂岩卸荷力学特性试验研究

深部岩石所处的不同初始卸荷水平状态及水压环境对其力学特性影响明显,基于对砂岩进行常规三轴加载试验、不同初始卸荷水平及水压条件的卸荷试验,研究了卸荷条件下砂岩的极限强度、变形特征、变形损伤以及卸荷抗剪强度。研究结果表明:初始卸荷水平n一定时,随着水压p的增加,卸荷极限强度的降低呈现先快后慢的规律,岩样更容易发生破坏,脆性特征更明显,损伤变量ω也呈增加趋势;当水压p一定时,随着n的增大,卸荷极限强度线性增大,统一围压降参数η线性降低,损伤变量ω也减少,且n从0.9到1.0的过程中,ω降低更明显。综合初始卸荷水平n和水压p的影响,对摩擦角和黏聚力进行了二元函数拟合,利用该拟合公式可以预测不同n,p条件下的黏聚力和摩擦角,具有一定工程意义。并基于对试验数据的拟合,对不同n,p作用下的砂岩Mohr–Coulomb准则表达式进行了修正。     

加卸荷条件下辉绿岩岩体力学参数特性研究

基于三轴加、卸荷破坏试验,分析研究辉绿岩卸荷应力状态下的应力、应变及破坏特征。试验结果表明:岩体卸荷破坏时岩石发生回弹变形,脆性特征明显,相比于加载破坏,卸荷破坏更加突然和剧烈;在卸荷过程中,峰值强度随中间主应力的增加有所提高,峰值强度的提高值随中间主应力的提高逐渐减小;在常规三轴压缩试验过程中,岩样破坏峰前的体积变形持续处于压缩状态,表现出的屈服扩容非常小,进入卸荷阶段后,岩石表现出来的扩容现象十分明显,且初始围压越高,卸荷时的扩容量也越大,在接近破坏点时扩容加剧。     

岩体工程与岩体力学仿真分析——各向异性开挖卸荷岩体力学研究

概述了岩体工程与岩体力学研究现状 ,讨论了现理论研究成果与岩体工程实际监测资料不相吻合的问题。分析其主要原因 ,是现岩体力学研究理论模型与岩体工程实际力学模型不相吻合所致。故应严格根据岩体工程实际力学动态相应进行岩体力学仿真分析 ,方可得到正确的分析成果。笔者曾提出“卸荷岩体力学”的概念 ,以归纳开挖卸荷岩体力学研究内容 ,已经高边坡和地下工程实例所验证 ,开挖卸荷岩体力学研究是岩体工程及其力学仿真分析的重要组成部分。     

斜梁式卸煤沟的破坏机理及简化模型

采用1/10缩尺比例的钢筋混凝土模型,对卸煤沟在运行荷载和结构从开裂到破坏的全过程进行了试验.结果表明主梁的斜向布置对侧壁和底板影响较小,斜梁具有弯扭耦合的特性.在此基础上提出用带抗扭约束的简支斜梁和平面刚架分别模拟斜梁和沟槽的简化设计模型,与规范正交卸煤沟的设计方法相统一且计算结果偏于安全.     

Analysis of mechanical behavior of soft rocks and stability control in deep tunnels

Due to the weakness in mechanical properties of chlorite schist and the high in situ stress in Jinping II hydropower station, the rock mass surrounding the diversion tunnels located in chlorite schist was observed with extremely large deformations. This may significantly increase the risk of tunnel instability during excavation. In order to assess the stability of the diversion tunnels laboratory tests were carried out in association with the petrophysical properties, mechanical behaviors and waterlweakening properties of chlorite schist. The continuous deformation of surrounding rock mass, the destruction of the support structure and a large-scale collapse induced by the weak chlorite schist and high in situ stress were analyzed. The distributions of compressive deformation in the excavation zone with large deformations were also studied. In this regard, two reinforcement schemes for the excavation of diversion tunnel bottom section were proposed accordingly. This study could offer theoretical basis for deed tunnel construction in similar geological condition~     

围压卸载速度对岩石动力强度与破碎特性的影响

利用带轴向静压和围压装置的霍普金森压杆设备,对砂岩在不同围压卸载条件下的动态力学性能进行试验研究,即保持轴压和冲击条件不变,改变围压卸载速度的动静组合冲击试验,着重研究了围压卸载速率对岩石动态强度及损伤的影响。实验结果表明：在仅改变围压卸载速度条件下,当卸载速度在 0.5 ～ 10 MPa/s 范围内变化时,砂岩动态抗压强度、能耗密度随围压卸载速度增大而降低;破坏块度分维数则呈现出随围压卸载速度增大而增大。但当卸载速度增大到 200 MPa/s 时,其动态抗压强度、能耗密度反而增加,而破坏块度分维数则降低。     

岩石劈裂与岩石破坏性质的不稳定性

 岩石劈裂是裂纹受轴向主压缩荷载引起的裂纹尖端开裂所致,这种开裂与Griffith理论的分析结果不同,它是一种与岩石压缩剪切破坏不同的压缩张拉破坏。基于Griffith裂纹分析方法,证明了裂纹尖端存在小拉应力极值,结合岩石破坏的渐进性特点,说明岩石在压缩过程中可以形成张拉破坏(劈裂破坏),这一破坏形式是修正的Griffith强度理论以外的另一种破坏形式。给出了岩石劈裂破坏的条件,即裂纹纵向荷载高且侧压力很小或为0,且没有后续荷载的进一步作用或荷载时间短,并通过岩石厚壁圆筒卸荷试验验证了该岩石劈裂破坏条件的合理性。基于能量原理,分析岩石卸荷在无外功条件下张拉破坏与压缩破坏的能量耗散特征,给出岩石破坏时的能量关系式;从能量的积聚与耗散角度,揭示了煤岩体动力冲击、巷道围岩突然破坏等动力破坏现象产生的机制。     

岩石加卸载变形特性及力学参数试验研究

通过加载和卸载两种力学状态的全过程应力-应变试验 ,揭示了岩体在加卸载时变形特性的差异 ,并结合试验结果 ,引入损伤力学概念 ,推导不同岩性岩石的损伤演化方程。     

水力作用下砂岩三轴卸荷试验及破裂特性研究

高应力、高水压卸荷条件下岩石的非连续性微缺陷演化过程研究对揭示隧道围岩裂纹的起裂孕育、碎胀裂化和峰值破坏,分析围岩稳定性具有重要意义。利用MTS815型程控伺服刚性试验机开展了砂岩在固定围压、不同水压条件下的水力三轴卸荷试验。试验结果表明:岩石变形在卸荷前以压缩为主,变化微小;卸荷后不久开始快速扩容,直至损伤破裂。水力条件下应力–应变曲线上的各个特征应力值比无水压条件下的饱和试样有不同程度地提高,增加了应变能储备,从初始扩容到峰值强度的历时更短,曲线斜率更陡。随着水压的不断增大,各个特征应力值有所减小,表现在起裂条件降低,压缩极限减小,扩容时间提前,表明了砂岩在高水压条件下的脆性特性进一步增强,抵抗变形破坏的能力逐渐降低。通过扩容特征值与扩容点后的体应变关系,求得初始扩容点后的相对扩容应变与变形模量差,建立了多项式回归关系。研究结论揭示了水力作用下砂岩扩容变形行为的强烈性和突发性,可为水–力双场条件下的围岩变形预测及控制提供参考。