三轴加卸载下花岗岩脆性破坏及应力跌落规律

基于2种卸荷应力路径和常规三轴压缩试验,研究了加卸载条件下花岗岩的变形破坏及应力脆性跌落特征.卸荷条件下岩石变形主要是向卸荷(主)方向回弹或拉伸变形为主,而非或次卸荷方向的塑性变形很小,峰后应力应变曲线呈现明显的脆性特征.而加载条件下岩石以轴向压缩变形为主,且压缩塑性变形随围压增大而增大;卸荷条件下破坏岩石各种级别的张...     

锦屏水电站大理岩在高应力条件下的卸荷力学特性研究

结合锦屏水电站深埋引水隧洞开挖工程,选取该区域典型大理岩,并以隧洞围岩实际应力环境为基础,开展卸围压破坏试验以及卸围压多级破坏试验.研究成果表明,锦屏大理岩在高应力条件下的卸荷力学性质主要表现为:(1)相同初始应力条件下,岩石达到卸荷破坏所需应力变化量比轴向压缩破坏时小,卸荷更容易导致岩石破坏;(2)岩石卸荷开始后侧向变形明显加快,且表现出显著扩容,如果忽略卸荷前岩样变形,则体积变形几乎按照侧向变形的规律增大;(3)卸围压过程中,泊松比近似按照多项式关系增长.变形模量初始变化不显著,屈服前微量围压减少引起变形模量急剧减小;(4)卸荷条件下抗剪强度参数c值比加载条件下低14%,而φ值比加载条件下高23%.这些结论揭示高应力条件下大理岩的卸荷力学特性,为深埋引水隧洞开挖稳定分析提供可靠依据.     

卸荷岩体的变形破裂特征

在岩石试件卸荷试验的基础上，结合大型开挖工程，研究了岩体在卸荷状态下的变形破裂特征。研究表明，岩石在卸荷状态下的变形表现为沿卸荷方向的强烈扩容，其破裂以张性破裂为特征，并存有张剪性和剪性破裂；卸荷岩体除具有上述变形破裂特征外，其变形破裂程度及方式受岩体结构的控制，比岩石更易发生变形与破坏，特别是其破裂体系，很大程度上受岩体结构的控制。     

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。     

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。     

粉砂岩卸荷破坏全过程的试验研究

对粉砂岩试样进行了常规三轴加载后保持轴向变形不变的峰前、峰后卸围压试验，得到了峰前、峰后卸围压全过程曲线。在此过程中，试验机不再对岩样压缩做功，岩样的破坏是通过自身储存的变形能来实现的。对岩样破坏特征、强度和变形特性的分析结果表明：对于峰前卸围压，岩样表现出脆性剪切破坏的特征，而对于峰后卸围压，则表现出张剪破坏的特征，峰前卸围压破坏比峰后卸围压破坏更具有突发性；对于峰前、峰后卸围压，岩样都表现出明显的侧向扩容现象；岩样破坏时的轴向承载能力对围压都很敏感，这实际上是破裂块体之间的镶嵌组合，反映了试件沿破裂面摩擦滑动的结构效应。     

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。     

不同加、卸载条件下片岩的变形特性试验研究

对丹巴电站调压井围岩的片岩试样进行了加载试验和卸荷试验研究,分别分析了常规三轴试验及加轴压卸围压、以相同速率同时卸轴压与围压的3种加、卸载方式下的应力-应变关系及整个加、卸载过程中变形参数的变化规律,分析表明:片岩在卸荷条件下表现出明显的脆性破坏特征,而且有强烈的扩容现象,卸荷条件下岩石的破坏也是由于扩容所引起的;卸荷会造成岩体变形模量迅速减小、泊松比迅速增大;试验采取的两种卸荷方式与常规三轴相比较,岩石试样从受力至破坏的整个过程中其变形模量和泊松比的变化趋势有明显的不同,尤其是在相同速率同时卸轴压与围压的卸荷方式对岩石的变形参数影响很大。     

不同围压下卸荷速率对围岩变形与破坏的影响

研究相关因素对巷道/隧道围岩变形及破裂形态特征的影响作用,可以为巷道/隧道的支护设计提供理论支撑。在课题组已成功构建的围岩试件开挖卸荷模型试验系统基础上,对水泥砂浆围岩试件进行不同初始围压下不同卸荷速率的系列试验。试验结果表明:(1)开挖卸荷对围岩变形及破坏的影响不仅存在于卸荷阶段,卸荷效应会在卸荷结束之后继续对巷道围岩产生影响,并且随着初始围压的增大,对卸荷后围岩变形的影响更为明显。(2)卸荷阶段的切向、轴向应变率均呈现先增大后逐渐减小的变化趋势。快速卸荷应变率峰值出现较早,慢速卸荷应变率峰值出现较晚。(3)初始围压相同时,卸荷速度增大,卸荷阶段应变率加快,变形总量越小。卸荷速度相同时,初始围压增大,卸荷阶段应变率加快,变形总量越大。(4)慢速卸荷破坏时,试件外壁完整,内壁上靠近底端出现片状剥落;快速卸荷破坏时,试件外壁上出现环状贯通裂隙伴随少量竖向微裂隙,内径缩减明显,内壁上出现岩块掉落现象。试验结果有利于进一步研究其他相关因素对围岩变形及破裂形态的影响机制。     

软硬互层岩体卸荷蠕变力学特性试验研究

 利用岩石全自动三轴蠕变仪对锦屏二级水电站辅助交通洞典型灰白色细晶大理岩与绿片岩软硬互层岩样开展卸荷蠕变试验,得到岩样轴向、侧向典型的蠕变全程曲线。蠕变试验结果表明：围压较高时,试样的轴向与侧向变形随时间的推移变化不大,蠕变现象不明显;随着围压逐渐减小,试样的蠕变变形越来越显著,在最后一级出现了典型的蠕变3个阶段并发生了非线性加速蠕变现象直至试样破坏。软硬互层岩样三轴卸荷蠕变破裂形式主要以剪切破坏为主,局部伴随着一定程度的张拉破坏,主裂纹与水平面大致呈45°角,剪切破裂面较为单一平整,且破坏面基本是沿着强度较低的绿片岩层理内部并平行于层理面产生和扩展贯通而形成的。在加速蠕变阶段之前,其侧向蠕变变形比轴向蠕变变形小,但试样处于加速蠕变阶段时,侧向蠕变变形量与蠕变速率均要高于轴向蠕变;这表明随着时间的增长和围压的降低,岩样的侧向蠕变比轴向蠕变更为灵敏,而且体积扩容效应显著。卸荷条件下,蠕变力学参数表现出较为显著的非定常性规律,当外荷载小于岩样长期强度时,岩石卸荷蠕变力学参数与卸荷量有关,随着卸荷量的增大逐渐弱化;当外荷载大于岩样长期强度时,岩石卸荷蠕变力学参数不仅与卸荷量有关,而且还与蠕变时间有关。     

地应力场中煤岩卸围压过程力学特性试验研究及瓦斯渗透特性分析

应用MTS815力学试验机,对典型煤与瓦斯突出矿井松藻矿务局打通一矿突出煤层原煤制备的型煤试件进行型卸围压试验研究。研究结果表明:(1)位移控制方式卸围压将导致试件的扩容损伤,力控制方式卸围压将导致试件的破坏。(2)用位移控制卸围压时,在某一初始围压下,试件的轴向应力随围压的降低而减小,轴压减小的速率越来越大,屈服阶段卸围压曲线比弹性阶段卸围压曲线更加非线性;随初始围压的加大,屈服阶段卸围压曲线的非线形特征更加明显。(3)用力控制方式卸围压时,在某一初始围压下,试件的轴向应变随围压的降低而增大,轴向应变增大的速率越来越大,屈服阶段卸围压时轴向应变的增大比弹性阶段卸围压时更为迅速;随初始围压的增大,屈服阶段卸围压时试件加速破坏的趋势更加明显;通过轴向应变可计算分析卸围压过程中试验机对试件作的功。根据试验结果,结合全应力-应变过程煤岩瓦斯渗透特性的试验结果,推导出卸围压过程瓦斯渗透特性曲线。根据以上结果,应用损伤理论和Mohr-Coulomb强度理论推导含瓦斯煤岩卸围压过程中试件的损伤和强度的计算公式。研究结果对预测预报瓦斯涌出和预测卸围压过程中煤岩的破坏具有现实指导意义。     

锦屏二级水电站大理岩不同应力路径下加卸载试验研究

 针对锦屏二级水电站引水隧洞赋存于高地应力环境的特点,对隧洞内的大理岩开展常规三轴压缩试验及峰前、峰后卸围压试验,通过试验数据对比分析,研究大理岩的强度变形特征及破裂机制。主要研究成果：(1) 大理岩峰值强度与实时围压关系密切,应力路径不同、实时围压相同时,峰值强度相同。(2) 围压效应明显,峰值强度随初始围压增加而增加;相比三轴加载试验,峰前卸围压试验峰值强度降低约19.5%,峰后卸围压试验规律不明显,而峰后卸围压试验达到峰值强度时的围压值约占初始围压值的 97.2%,峰前卸围压试验结果较离散。(3) 相比三轴加载试验,峰前卸围压试验c值降低约27.5%, 值提高约22.6%,而与此相反,峰后卸围压试验c值增加约13.7%, 值降低约6.5%,表明大理岩抗破裂的主控因素峰前卸围压试验由摩擦力控制,峰后卸围压试验由黏聚力控制。(4) 峰后卸围压试验自卸荷点开始出现明显的应变平台,表现为理想塑性变形。(5) 峰前卸围压试验的体积应变自卸荷点开始出现明显的转折点。(6) 三轴压缩试验和峰后卸围压试验,大理岩的破坏模式主要为单一剪切破坏,随着围压增加,剪切破裂面端口的粗糙程度降低;峰前卸围压试验的破坏模式为：低围压时的劈裂破坏～中等围压时的“X”型共轭剪切破坏～高围压时的单一剪切破坏。这些研究结论揭示了锦屏大理岩加、卸载应力路径下的力学特性差异,可为西部深埋引水隧洞的开挖、支护设计及稳定性分析提供理论参考。     

热损伤花岗岩三轴卸围压力学特性试验研究

利用岩石伺服试验系统,对经历25℃~900℃作用后的花岗岩试样进行三轴卸围压试验,研究高温后花岗岩在卸荷路径下的变形特性、参数特征及破坏形态。结果表明:经历300℃后的岩样围压卸荷量最少,最容易发生破坏。基于应变围压增量比,定量揭示了卸荷破坏是由强烈的径向变形和体积扩容所致。随着温度上升,各应变围压增量比均先增大后减小,在300℃时达到最大。卸荷过程中岩样的变形模量逐渐减小,25℃~900℃之间,减小33.20%~59.11%,且温度越高减小越多,与体积应变均呈二次多项式相关;泊松比逐渐增大,25℃~900℃之间,增大164.96%~274.03%,且温度越高增加越多,与体积应变均呈线性相关。高温后的岩样在单轴压缩下均呈轴向劈裂破坏,并存在多个贯通裂纹;在三轴压缩下为宏观单一的贯通剪切破坏形态;三轴卸围压下破坏形态则比较复杂,常温时为高角度的局部剪切破坏,随温度升高,岩样变为贯通剪切破坏,到900℃时又变为局部剪切破坏。     

砂岩三轴卸荷力学特性试验研究

基于三轴卸荷破坏试验,分析研究砂岩在卸荷应力状态下的应力-应变及破坏特征。试验结果表明:岩体卸荷破坏时脆性特征非常明显,相比于加载破坏,卸荷破坏更加突然和剧烈,岩体破碎程度更高;卸荷过程中轴向变形随围压降低不断增加,在开始卸荷阶段增加较慢,当卸荷量达到一定值后,变形突然增大,很小的卸荷量就会引起较大的变形。根据卸荷过程中岩体应力-应变曲线变化特征,将卸荷量作为重要参量,假定岩体在卸荷损伤屈服阶段符合Griffith屈服准则,接近极限破坏强度时符合Hoek-Brown屈服准则,认为卸荷造成岩体屈服发生塑性变形后,岩体卸荷条件下的屈服函数随卸荷量在Griffith准则和Hoek-Brown准则间呈线性变化,推导考虑卸荷应力状态的弹脆塑性力学模型。     

峰前围压卸荷条件下岩石的应力–应变全过程分析和变形局部化研究

地下工程和边坡工程开挖一般处于卸荷条件。岩石在加载和卸荷条件下的力学特性不同,研究岩石在卸荷条件下的强度特性具有重要的理论和现实意义。根据损伤断裂力学知识建立了岩石处于卸荷条件下的全过程应力–应变关系,包括线弹性阶段、非线性强化阶段、应力跌落和应变软化阶段。理论和试验研究发现,岩石卸荷破坏所需要的应力比连续加载破坏时小,且卸荷破坏时的变形比连续加载时大,其主要原因是卸荷时存在裂纹张开,裂纹张开导致了无摩擦滑动和变形模量的减少,岩石的无摩擦滑动必定比摩擦滑动所需的应力小。通过和试验结果的比较验证了该理论的有效性和正确性,该理论对边坡工程和地下工程开挖具有重要的参考价值。     

峰前围压卸荷条件下岩石的应力-应变全过程分析和变形局部化研究

地下工程和边坡工程开挖一般处于卸荷条件。岩石在加载和卸荷条件下的力学特性不同，研究岩石在卸荷条件下的强度特性具有重要的理论和现实意义。根据损伤断裂力学知识建立了岩石处于卸荷条件下的全过程应力-应变关系，包括线弹性阶段、非线性强化阶段、应力跌落和应变软化阶段。理论和试验研究发现，岩石卸荷破坏所需要的应力比连续加载破坏时小，且卸荷破坏时的变形比连续加载时大，其主要原因是卸荷时存在裂纹张开，裂纹张开导致了无摩擦滑动和变形模量的减少，岩石的无摩擦滑动必定比摩擦滑动所需的应力小。通过和试验结果的比较验证了该理论的有效性和正确性，该理论对边坡工程和地下工程开挖具有重要的参考价值。     

高地应力条件下卸荷速率对锦屏大理岩力学特性影响规律试验研究

 岩石所处的初始应力状态及开挖等工况诱发的卸荷速率大小对其力学特性具有明显的影响,通过室内三轴卸荷试验和破裂断口的SEM细观扫描分析,研究高应力环境中不同卸荷速率下锦屏一级水电站大理岩的变形破裂及强度特征。卸荷速率vu和初始围压 越大,岩石脆性及张性断裂特征愈明显,快速双向卸荷时甚至可在次卸荷方向产生张拉裂缝。张性破裂断口细观形态随vu和 的增大依次呈现“树枝形张裂状”、“千层饼形撕裂状”和“近光滑平面形弹射状”;卸荷过程中轴向压缩应变增量 随vu和 增大而减小,而侧向膨胀应变增量 却增大;不同的卸荷变形阶段卸荷速率vu对变形模量E的影响规律不同,峰前E随vu的增大而增大,而峰值E随vu增大先逐渐增大再迅速降低;卸荷过程中岩石的泊松比 逐渐增大,并随vu和 增大而显著,特别是从峰值点后;相对于加载试验,卸荷条件下岩体的黏聚力c大大减小,而内摩擦角j却有少量增大,vu越快,c减小得越多,j增大的较少。     

锦屏大理岩加、卸载应力路径下力学性质试验研究

 地下岩体开挖卸荷应力路径不同于加载应力路径,由此引起的岩体强度、变形特征和破坏机制也不尽相同。针对锦屏二级水电站引水隧洞群围岩赋存于高地应力环境的特点,对其中3# 引水隧洞大理岩开展单轴加、卸载以及三轴压缩和高应力条件下的峰前、峰后卸围压等4种不同应力路径力学试验,得到了的应力–应变全过程曲线、变形破坏特征和主要力学参数的变化规律。试验研究结果表明：(1) 建立在岩样单轴逐级等量加、卸载应力路径下的回滞环面积递减,尤以屈服阶段的卸载对应变影响最大;(2) 不同围压下岩样三轴压缩全过程试验结果表明,当围压达到40 MPa时,应变软化特性转化为理想塑性,可以认为该值为锦屏大理岩脆－延转化点;(3) 对比以上不同应力路径下的强度准则方程以及峰前、峰后黏聚力和内摩擦角,相同初始应力条件下,岩石卸载破坏所需应力变化量比三轴压缩破坏情况下对应的应力变化量小,说明岩石卸载更容易导致破坏;(4) 在变形破坏机制方面,由于峰后比峰前卸围压塑性变形大,岩样塑性变形已吸收较多的弹性变形能,其脆性特性受到抑制,因而不像峰前卸围压破坏具有突发性,岩样由张性破坏过渡到张剪性破坏;(5) 根据大理岩岩样加、卸载破坏断口SEM扫描结果,从细观角度验证了脆性岩石在不同路径下微观剪断裂破坏机制。总之,以上研究结果揭示了锦屏大理岩加、卸载应力路径下力学特性差异,对解决工程实际问题具有重要的参考价值。     

高围压卸荷条件下大理岩破碎块度分形特征及其与能量相关性研究

 高应力条件下,岩石卸荷的力学响应特征及发生机制是高地应力地区岩体工程开挖稳定性评价及控制的关键问题。基于不同卸荷速率和初始围压条件下三轴高应力大理岩卸围压试验,结合分形理论和能量原理,研究高应力卸荷条件下岩石破裂块度分布规律及其与能量耗散和释放的相关性。高应力条件下三轴卸围压大理岩试样碎块分形性质具有较强的局部性,仅在小于某一特征尺度(分形特征尺寸阈值)范围内表现出较好的分形性质,其碎块分维数均大于2,分维数随卸荷速率增大而单调减小,但初始围压对分维数的影响与卸荷速率密切相关。相对常规三轴压缩岩样,高围压下卸荷岩样虽然峰值点附近耗散和储存应变相对少得多,但其峰值前、后应变能转化速率相对大得多,特别是峰后的弹性应变能释放速率和环向膨胀消耗应变能速率。高应力卸荷条件下卸荷速率越快、初始围压越高,峰前损伤和峰后破裂贯通历时越短,峰值点处耗散应变能和储存弹性应变能越大,峰前、峰后应变能转化速率越快,破碎岩样的分形特征尺寸阈值越大,分维数越小,张性破裂程度和性质越强。