砂岩巴西劈裂疲劳破坏过程中变形与强度特征的试验研究

 利用RMT–150B岩石力学多功能系统,对砂岩巴西劈裂疲劳破坏过程中的变形与强度特征进行试验研究。试验结果表明：常规劈裂试验峰值前的变形与单轴压缩的变形特征大致相同,可分为压密、弹性、屈服和破坏4个阶段;疲劳破坏完全受到常规劈裂全过程曲线的控制,破坏时的变形量与上限载荷(应力)在常规劈裂全过程曲线峰后对应的变形量相当;疲劳试验过程中的变形量(变形速率)与时间曲线类似蠕变特征曲线,可分为初期加速、等速和加速3个阶段;疲劳上限载荷(应力)比、抗拉疲劳强度与循环次数呈负相关,疲劳上限载荷(应力)比是影响岩石疲劳寿命主控因数,试样内部原微裂纹等缺陷分布特征对劈裂疲劳寿命影响显著;疲劳上限载荷(应力)比增加导致疲劳寿命降低,而破坏时拉伸变形基本保持不变。     

周期荷载作用下岩石疲劳变形特性试验研究

利用RMT—150B岩石力学多功能试验机完成了单轴压缩状态下砂岩、大理岩和花岗岩试件疲劳破坏变形及机理的较为系统的试验研究．试验结果表明，岩石的疲劳破坏受到静态应力．应变全过程曲线的控制，疲劳破坏时的变形量与周期荷载的上限应力在静态应力-应变全过程曲线后区对应的变形量相当．将岩石轴向不可逆变形发展划分为初始变形阶段、等速变形阶段和加速变形阶段3个阶段，3个阶段变形的累积将导致岩石的最终破坏．影响岩石疲劳寿命的主要因素是周期荷载的上限应力和幅值．     

周期荷载作用下黄砂岩疲劳破坏变形特性试验研究

为研究周期荷载对工程岩体长期稳定性的影响作用,利用Rockman207岩石力学试验系统对黄砂岩试件进行了单轴条件下不同上限应力和应力幅值的周期荷载疲劳试验。试验结果表明:黄砂岩的疲劳破坏受到静态应力–应变全过程曲线轴向、环向以及体积变形量的控制,在控制曲线的峰值强度或峰值强度之后,疲劳试验过程中会出现"初始破坏";黄砂岩疲劳破坏轴向和环形不可逆变形的3阶段发展规律的本质影响因素是产生的应变速率不同,黄砂岩的疲劳破坏过程是轴向和环向不可逆变形不断累积的过程;在一定条件下,黄砂岩的循环次数–上限应力曲线(N–S曲线)可以用来预测岩石的疲劳寿命。     

基于数字图像的非均质岩土工程材料的数值分析方法

提出了一种基于数字图像的非均质岩土工程结构的二维数值分析方法。以花岗岩为例,先将岩石的表面图像导入计算机中;然后采用基于彩色空间的数字图像技术将组成花岗岩的几种主要材料:长石、石英和黑云母一一分辨出来并再现岩石的细观结构;再通过一个简单的线性转换,将图像细观结构转换为矢量细观结构;最后,岩石的矢量细观结构可以与数值计算方法--有限元法或有限差分法结合,从而实现非均质岩石材料的力学分析。采用有限差分法FLAC程序来分析岩石的破坏过程。传统室内试验数值模拟表明材料的细观结构对应力分布和破坏模式有着明显的影响,基于数字图像的数值分析方法可以真实地实现岩土工程材料的非均质分析。     

周期荷载作用下红砂岩三轴疲劳变形特性试验研究

为了解三向应力状态下周期荷载作用时红砂岩的疲劳变形特性，利用RMT-150B岩石力学多功能试验机，对红砂岩试什进行不同围压时静态应力-应变全过程试验和疲劳试验。试验结果表明：三轴周划荷载作用下红砂岩疲劳破坏时的变形量与应力上限（б1-б3）水平线任相应围压下的静态应力-应变全过程曲线峰后犀对应的变形量相当；轴向小可逆变形发展呈现三阶段规律；三轴周期荷载的上限应力和幅值对疲劳破坏特性有显著影响。     

岩土材料屈服与破坏及边(滑)坡稳定分析方法研讨——“三峡库区地质灾害专题研讨会”交流讨论综述

在中国力学学会岩土力学专委会主办的“三峡库区地质灾害专题研讨会”上,与会专家以边（滑）坡引发的地质灾害为背景,集中讨论边（滑）坡工程治理中的力学问题。第一个中心议题关系到岩土材料的屈服与破坏准则,指出屈服与破坏的不同、屈服准则的不同形式,尤其是提出岩土材料统一强度理论、摩擦能的概念与岩土能量屈服准则以及基于三剪强度理论的智能岩土屈服准则;探讨岩土材料破坏准则及其可以表述的各种形式,提出应变表述的破坏准则,并研究砂土剪切带形成与渐进破坏进程;介绍我国应用能量原理研究岩石破坏机制及岩体水力劈裂机制的进展。第二个中心议题重点讨论边（滑）坡稳定分析方法中的有关问题,如边（滑）坡安全系数定义的分析与选用,提出c,？的双安全系数（双折减系数）的定义及其计算方法;讨论边（滑）坡传统稳定分析方法与数值方法的进展,提出多种新的解法,并进行相互比较。在传统稳定分析方法中给出简化Bishop法的解析解、边坡三维分析准严格极限平衡法以及用滑移线对边坡滑动区划分单元的运动单元法,并用于分析研究边坡在干湿循环条件下的长期稳定性,进一步扩展边坡传统分析方法。数值分析方法中,除应用有限元、离散元、有限差分等方法外,土体渗流分析与有限元强度折减法结合的边坡稳定分析方法正在迅速发展,并在边坡稳定分析中从经典弹塑性力学扩展到非平衡态弹塑性力学,从岩体变形理论扩展到岩体变形控制与加固理论。这表明数值分析在边坡稳定分析与边坡加固中将逐渐起主导作用。肯定有限元强度折减法的可行性、优越性与实用性,提出在其应用中需要解决的一些问题及应用中的一些经验,并把强度折减法应用到离散元法与岩石破裂过程分析方法中。研究讨论有限元强度折减法中岩土结构失稳破坏的判据,提出多种判据,主要有滑面上塑性应变或位移出现突变、有限元数值计算不收敛及从坡角到坡顶塑性区贯通等。但至今尚无一致的意见,认为各种判据的结果相差不大,与传统方法接近。最后,提出边坡三维分析的准严格传统方法与基于强度折减的数值分析方法,向三维分析迈进一大步。     

周期荷载作用下白砂岩的疲劳特性研究

 利用RMT–150B岩石力学试验系统,分别采用固定下限应力改变上限应力和固定上限应力改变下限应力的试验方法,进行不同加载条件下白砂岩的疲劳试验,研究周期荷载作用下白砂岩疲劳破坏过程中的疲劳特性、轴向应变的累积规律和轴向不可逆变形的发展规律和应变速率与循环次数的关系。研究结果表明,周期荷载作用下白砂岩的破坏过程宏观上是轴向不可逆变形的逐步发展累积,直到其破坏的过程,且其轴向不可逆变形发展过程表现出不依赖于应力比的三阶段发展规律;且疲劳破坏过程受静态应力–应变全过程曲线的控制,周期荷载的上限应力和振幅是影响白砂岩疲劳破坏过程和疲劳寿命的主要因素。     

单轴压缩下岩石破坏后区的扰动状态概念分析

岩石的应力一应变全过程曲线以峰值应力为界，通常分为破坏前区和破坏后区两个部分。岩石的破坏后区一般处于非稳定状态，其力学响应难以用经典强度理论来描述。由于岩石破坏后区的力学特性对诸多岩石工程，如地下巷道、矿柱和岩爆等具有重要的工程意义，因此，此方面的研究已受到理论界和工程界的重视。基于扰动状态概念理论，通过定义相对完整状态、完全调整状态和扰动函数，建立了能反映岩石材料破坏后区特性的本构模型。采用RMT-150B型岩石力学试验系统，对5种岩石试样(湖北大悟的红花岗岩、四川雅安的大理岩、江西贵溪的红砂岩、河南焦作的砂岩和花岗岩)进行了单轴压缩破坏试验，得到了各种岩石的应力-应变全过程曲线；利用扰动状态概念分析了各岩样变形和破坏的力学机理。在提出的岩石材料扰动状态本构模型的基础上，对上述几种岩石破坏后区的应力-应变关系进行了数值计算，计算结果与试验结果较为一致。因此，建立的本构模型在一定程度上能描述岩石破坏后区的力学特性。     

考虑空隙压密阶段特征的岩石应变软化统计损伤模拟方法

为建立能很好地反映岩石变形破坏全过程模拟方法,针对现有岩石统计损伤本构模型难以反映初始压密阶段变形非线性的局限性与不足,首先,在充分探讨空隙岩石变形机理基础上,采用宏观与微观相结合的分析方法,将空隙岩石抽象为岩石骨架和空隙两部分组成,建立空隙岩石变形分析模型;然后,在探讨空隙部分变形机理基础上,考虑空隙压密引起变形的不可恢复性特征,建立空隙部分变形分析方法,同时,引入统计损伤理论,建立岩石骨架变形分析方法,进而建立模拟空隙岩石变形破坏全过程的统计损伤本构模型,并给出了其参数确定方法。该模型不仅能反映空隙岩石的应变软化特征,而且,还能较好地反映空隙岩石在初始压密阶段的变形非线性特点。最后,通过试验曲线、本文及现有同类模型理论分析曲线的比较,表明了该模型与方法的合理性与优越性。     

芙蓉江大桥拱座混凝土–基岩抗滑稳定性研究

 通过对混凝土–岩石胶结面剪切破坏过程中剪应力–位移曲线的分析,假设混凝土–岩石胶结面剪应力由混凝土与岩石之间的胶结作用和摩擦效应共同承担,从而建立考虑峰后胶结损伤的胶结面力学模型。室内混凝土–岩石剪切试验结果的反演分析表明,该模型可以很好地反映胶结面剪切破坏过程。利用建立的混凝土–岩石胶结面力学模型,对拟建的芙蓉江大桥拱座抗滑稳定性进行三维计算分析,结果表明：桥梁荷载下拱座–基岩胶结面剪切应力小于其抗剪强度,胶结面变形以弹性变形为主,量值较小,拱座–基岩胶结面不会产生剪切破坏。     

层状砂岩各向异性力学特性试验研究

岩体的各向异性力学特性对工程安全稳定具有至关重要的影响。针对工程中常见的层状砂岩,设计进行0°,15°,30°,45°,60°,75°和90°等7种层理角度的单轴和三轴压缩试验,详细分析层理角度对岩体力学特性和破坏模式的影响。研究结果表明:(1)不同层理角度岩样的应力–应变曲线形态基本一致,均包括压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段,随着层理角度的增加,应力–应变曲线的压密阶段逐渐变短;(2)在单轴和三轴压缩状态下,层状砂岩各向异性特性明显,层理角度从0°增大到90°,弹性模量逐渐增大,而变形模量、抗压强度、黏聚力和摩擦角先减小后增大,呈U型分布,在0°或90°时达到最大值,60°左右时达到最小值;(3)随着围压的增大,其对层理弱面开裂滑动的限制作用逐渐增强,层理弱面对岩样的破坏模式影响效应逐渐减弱,不同层理角度岩样的力学参数差别逐渐减小,岩样的各向异性特性逐渐减弱;(4)层状砂岩的破坏模式与层理角度和围压的关系密切,可以归纳为3种类型:劈裂张拉破坏、顺层理弱面的剪切滑移破坏、局部顺层理弱面和局部穿越基质、层理弱面的复合剪切破坏。研究结论可为层状砂岩相关的工程变形稳定分析提供参考。     

边坡和坝基抗滑稳定分析的三维矢量和法及其工程应用

 在二维矢量和法的基础上提出三维矢量和法中整体下滑趋势方向的确定方法,需首先计算整体下滑方向的初值,然后进行投影计算得到其整体下滑趋势方向及矢量和法安全系数。运用该方法对几个三维边坡算例进行分析,结果表明矢量和法安全系数与三维极限平衡法结果基本一致,且对于滑移面单元尺寸不敏感。最后,以三峡大坝26#坝段抗滑稳定性分析为工程实例,针对通过详细勘察而指定的4种滑移面进行平面矢量和分析及三维矢量和分析,结果表明三维矢量和分析结果均较二维矢量和结果要大,且深层滑移面得到的安全系数比浅层滑移面稍大,其抗滑安全系数远大于1.0,说明坝基是安全的。该方法具有明确的物理和力学意义,只需一次弹性或弹塑性数值计算,不需过多的人为假设,即可得到三维矢量和法安全系数。该方法具有三维极限平衡法及强度折减法无法相比的优势,计算过程简单,便于在工程实践中运用。     

巷道开挖效应下围岩损伤演化规律及试验研究

为了研究巷道开挖卸荷引起的围岩损伤演化规律及力学响应机制,采用RMT-150试验机开展了白砂岩试件三轴加载-卸载-单轴再加载力学特性试验,建立了岩石三维损伤本构模型。根据损伤岩石单轴加载应力-应变曲线,分析其破坏模式,确定了单轴再加载强度、波速与初始轴压加载比的非线性关系。结果表明:(1)三轴应力作用下,岩石损伤演化过程分为5个阶段,即损伤稳定减小阶段、无损伤阶段、损伤稳定增长阶段、损伤加速增长阶段、损伤破坏阶段;(2)单轴再加载强度、波速与初始轴压加载比呈现3次非线性相关关系,从环向应变规律来看,损伤岩石表现出塑性硬化和塑性软化两种状态;(3)损伤岩石以张拉破坏为主,随着损伤变量值增加,破坏形式逐渐向剪切滑移破坏转化。通过对岩石损伤演化规律的研究,为工程围岩稳定性判别及预警提供理论依据。     

不同破坏类型岩石的声发射及分形特征研究

为了研究在单轴压缩下不同破坏类型岩石的声发射及分形特征,利用声发射监测仪和岩石力学伺服试验系统对砂岩和泥岩试样进行了实验研究。并且对砂岩、泥岩的力学特性、声发射计数和累计计数以及声发射序列的分形特征进行了对比研究。研究结果表明:砂岩发生的是脆性破坏,泥岩发生的是塑性破坏。脆性破坏岩石的应力-应变过程可分为三个阶段:初始压密阶段、线弹性阶段和塑性破坏阶段,塑性破坏岩石可分为四个阶段:初始压密阶段、线弹性阶段、塑性破坏阶段和残余应力阶段。在初始压密阶段、线弹性阶段和塑性破坏阶段中脆性破坏岩石的声发射累计计数平均增长率要比塑性破坏的高。脆性破坏和塑性破坏岩石的声发射序列都具有分形特征,分形维值在岩石破坏前会出现突降现象,但是塑性破坏岩石出现突降现象的时间要比脆性破坏的长很多。     

北皂海域煤矿顶板软岩试样渗透性试验研究

针对北皂海域煤矿顶板岩层的隔水性问题,进行了顶板岩样的渗透性试验。根据岩样渗透率变化与其破坏过程的对应关系,分析了全应力–应变过程中岩样渗透性随其变形变化的特点及渗透率–应变和渗透率–应力之间的关联性。结果表明,北皂海域煤矿顶板为典型的软岩,可分为砂岩、泥岩和含粗砾砂岩 3 组,全应力–应变过程岩样渗透率变化过程可划分为压密–弹性段、峰前屈服段、峰后段 3 个区间;砂岩与含砾粗砂岩、泥岩相比,其变形破坏曲线更为均匀;用临界抗渗强度与峰值强度的比值或临界抗渗应变与最大渗透率应变的比值能较好反映软岩渗透率变化规律。     

不同围压下砂岩孔渗规律试验研究

采用三轴岩石力学试验系统分析了砂岩储层岩石在全应力—应变过程中渗透率的变化规律和不同围压下岩石的孔渗性，建立了砂岩岩石应力—应变与渗透率之间的定性定量关系。研究表明；岩石在全应力—应变过程中，渗透率的变化的总体规律是在弹性阶段渗透率随应力的增大而略有降低，进入弹塑性阶段后随着新生裂隙的扩展、贯穿，岩石的渗透率先是缓慢增加然后急剧增大，在峰前或峰后达到极大值，残余流动阶段原有裂隙开始压密闭合，渗透率开始降低。砂岩的孔渗性与其所承受的有效侧压大小密切相关，表现为岩石的孔隙度和渗透率均随侧压的增大而减小，且服从对数函数变化规律；成岩作用不同的砂岩孔隙度和渗透率减小的速度和程度不同，表现为在侧压的作用下，成岩作用程度较弱的砂岩储层的孔隙度或渗透率减小的速度和程度明显地高于成岩作用程度较强的砂岩。