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。     

真三轴加卸载下含裂缝砂岩能量演化规律研究

为了探明真三轴循环加卸载过程中含裂缝砂岩能量演化规律,设计了真三轴循环加卸载试验,深入分析了循环加卸载过程中吸收总能量、弹性能、耗散能的演化规律与变化特征,进而探讨了能量耗散与岩石强度之间的关系。结果表明:(1)吸收总能量、弹性能和耗散能变化规律与砂岩试样裂缝角度无关,均随循环次数的增加而增加,且增幅越来越大,临近破坏时最大;(2)不同裂缝角度砂岩的吸收总能量、弹性能和耗散能与应力上限呈二次函数关系增长,吸收总能量、弹性能和耗散能能量增速依次减小,但前两者增速显著大于耗散能增速,且耗散能拟合曲线呈“凹”形;(3)定义了表征岩石储能能力和能量耗散能力的储能系数和能量耗散系数,对比发现岩石裂缝角度越大,储能能力越强,能量耗散能力越弱,岩石的峰值强度越大。     

不同应力路径下大理岩破坏过程的声发射特性

 对大理岩试样进行常规三轴和卸围压破坏过程的声发射参数测试,研究加荷和卸荷两种应力路径下大理岩破坏过程的声发射特性差异。结果表明,常规三轴试验中,声发射幅值随着围压的增加逐渐增大,岩样破坏前的声发射累计释放能量呈线性增加,最大振铃计数率和能量计数率不是出现在峰值,而是出现在峰后应力跌落阶段,峰值应力前的屈服阶段和残余强度前各存在一个平静期,振铃计数率的每个突增都与应力降相对应。卸围压试验中,岩样破坏后声发射幅值明显增大,卸荷开始后振铃计数率和能量计数率出现突增,声发射累计释放能量呈非线性迅速增加,根据声发射累计释放能量增速可以将岩样破坏过程分为3个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段和塑性阶段,在大规模声发射出现前期会出现平静期,两者会交替发生。与常规三轴试验相比,卸荷声发射振铃计数率更大,累计释放能量更高,说明大理岩卸荷破坏更加剧烈。     

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。     

大理岩加卸荷破坏过程的能量演化特征分析

 根据大理岩加荷破坏与卸荷破坏试验结果,研究大理岩不同应力路径下的破坏特征和能量演化规律。结果表明,常规三轴破坏岩样吸收总能量 高于单轴压缩吸收总能量,峰值强度后常规三轴弹性应变能释放比单轴缓慢,储能极限高于单轴压缩的储能极限。随着卸荷初始围压升高,岩样峰值强度和峰值应变增大,破坏形式由张拉–剪切破坏向剪切破坏过渡,岩样在峰值强度处吸收的总能量 和弹性能 增大,耗散能 却没有明显变化,围压对峰值强度处的 和 无明显影响。卸荷速度增大,岩样峰值强度和峰值应变减小,破坏形式由剪切破坏向张拉–剪切破坏过渡,岩样在峰值点处吸收的总能量 和弹性能 减小,耗散能 却没有明显变化,卸荷速度对 和 无明显影响。加荷与卸荷2种应力路径下,岩样在到达峰值强度时所吸收的总能量和储能极限都与峰值强度呈线性关系。     

高应力强卸荷条件下大理岩损伤破裂的应变能转化过程机制研究

基于高应力条件下大理岩峰前卸围压试验和能量原理,研究岩样吸收应变能、塑性变形及裂纹扩展耗散应变能、环向变形消耗应变能和弹性应变能储存及释放的能量转化全过程特征,揭示其损伤破裂演化的应变能转化机制。峰前储存的弹性应变能较耗散应变能多,耗散应变能仅在临近峰值强度点附近才明显增加。峰后应力快速跌落伴随着弹性应变能的迅速释放和快速的塑性变形及裂隙扩展所耗散应变能。峰前、峰后应变能转化速率均随卸荷速率的增大而明显增大,特别是峰后转化速率增大得更为剧烈。而初始围压对应变能转化速率的影响与卸荷速率密切相关,快速卸荷时应变能转化速率随初始围压的升高而明显增大,而较慢速卸荷时随围压变化相对不明显,但初始围压增大明显加强峰前弹性应变能储存。峰后弹性应变能释放速率远大于环向变形消耗应变能速率,而吸收的应变能约与耗散应变能基本相等,故高应力强卸荷条件下硬性岩石常表现为近垂直于卸荷方向的张性破裂或劈裂特征,甚至出现岩爆现象。高应力强卸荷条件下大理岩具有峰前快速储存较多弹性应变能和相对较少的损伤耗能,而峰后弹性应变能快速大量释放和耗散,并伴有相对较快速地向卸荷方向的张裂变形消耗应变能的释放与耗散机制。     

粗晶大理岩单轴压缩力学特性的静态加载速率效应及能量机制试验研究

 加载速率对岩石力学性质具有重要影响,影响的程度与岩石本身的微结构和加、卸载应力路径及状态等密切相关。基于静态加载速率范围内的9个不同等级应变率下粗晶大理岩单轴压缩试验,研究加载应变率对岩石的应力–应变曲线、破坏形态、强度、弹性模量及变形模量与应变能耗散及释放的影响规律,探讨岩石损伤演化的能量机制。根据总体积应变及裂纹体积应变与起裂及扩容应力的相关性,确定各应变率下岩石起裂及临界扩容应力。加载应变率大约以1×10－3 s－1为分界点,小于该值时应力–应变曲线峰值点附近仍存在一定的塑性屈服或流动段,超过该值后表现为“折线”型。随着加载应变率的增加,岩样破裂模式由张剪型逐渐过渡到张性劈裂甚至劈裂弹射。一般而言,起裂及临界扩容应力和峰值应力均随加载速率增大而增大,且起裂及临界扩容应力越接近峰值强度,但当应变率为1×10－4～1×10－3 s－1时,上述值均出现一个相对低值区间,这与粗晶大理岩的微结构特征相关。起裂应力、临界扩容应力、弹性模量及变形模量均与峰值强度线性相关。单轴压缩下峰前能量耗散量越多,强度越高,峰后可释放弹性应变能和释放速率越大,岩石的张性贯通破裂特性愈强,破裂块数越多。能量耗散使岩石损伤而强度丧失,而能量释放使岩石宏观破裂面贯通而整体破坏。     

岩体变形破坏过程的能量机制

 叙述岩体单元变形破坏过程中能量耗散与强度、能量释放与整体破坏等概念。在循环压缩载荷下,实测岩石的能量耗散及损伤,数据拟合表明,基于能量耗散分析建立的岩石损伤演化方程可以较好地描述岩石的损伤演化过程。在循环压缩载荷下同时实测不同加载速度及不同载荷水平下岩体内可释放应变能、耗散能、卸荷弹性模量及卸荷泊松比的变化规律,给出复杂应力条件下卸荷弹性模量的变化公式。基于可释放应变能建立岩体单元的整体破坏准则,该准则与大理岩的双压试验结果符合得比较好。对工程中常见的层状岩体,提出基于畸变能与广义体积膨胀势能而建立的层状岩体破坏准则,该准则与层状岩的双压试验也符合得比较好。     

不同应力路径下岩桥试验的声发射特征研究

 岩质边坡中岩桥贯通是导致边坡失稳的重要因素,通过开展不同岩桥长度岩样的常规三轴加荷、三轴卸荷以及三轴加卸荷试验,研究在不同应力路径下岩桥贯通破坏过程中的声发射特征,以及围压和岩桥长度对声发射特征的影响。结果表明：岩石压密阶段与线弹性变形阶段声发射事件较少,塑性阶段声发射事件明显增多,破坏阶段声发射计数率、累计能量以及幅值均达到峰值。声发射特征的明显变化可为紧接的岩样破坏提供预警作用,幅值变化较其他指标更为敏感,因此幅值的监测对于各阶段演化以及破坏预警更有效。本试验中,岩桥试样达到峰值强度后不会立即跌落至残余强度,而是出现2次应力跌落,应力跌落均对应声发射特征达到峰值,2次应力跌落中会出现“平静期”或“峰后回升”现象,其声发射特征与塑性阶段相似,但幅值、计数率与累计能量均大于塑性变形阶段,表明在这一阶段岩样裂纹仍以较快速率扩展,最终导致岩桥贯通破坏。不同应力路径下累计能量由大到小依次为：三轴加卸荷、三轴卸荷和常规三轴。随着岩桥长度与围压的增加,声发射计数率峰值和累计能量逐步增长,破坏程度更加剧烈。     

裂隙岩体加载和卸荷条件下应力强度因子

裂隙岩体在加载和卸荷条件下的力学特性有显著的区别。研究裂隙岩体在卸荷条件下的变形和强度特性具有重要的理论和现实意义。本文利用断裂力学知识 ,分析了单轴、三轴加载 ,单轴卸荷、围压卸荷和轴压卸荷各阶段的应力强度因子 ,给出了各种情况下应力强度因子的显式表达式 ,并研究了单轴、三轴加载和单轴卸荷、围压卸荷和轴压卸荷各阶段的应力强度因子的相同和不同点。对实际岩体工程具有重要的参考价值     

循环载荷下岩体能量特征及变形参数分析

 以RMT–150C岩石力学测试系统为平台,进行不同应力水平和加载速率条件下不同种类岩石材料的循环载荷试验。在对加、卸载应力–应变曲线进行分区的基础上,定义卸载过程中的能量消耗率,探讨岩石损伤破坏过程中能量的转化,同时定量分析弹性模量,泊松比和残余应变等变形参数的变化规律。研究结果表明：应力水平、加载频率越高,岩性越强,则滞回圈的面积,加载过程中做的功,卸载过程中释放的弹性能越大,岩石越软,能量消耗率越高;岩体未到达峰值抗压强度前,应力水平越高,弹性模量就越大,这说明在岩体抗压强度范围内,越高的载荷下,空隙和微缺陷被压密后,岩体相同载荷增量下的变形能力明显减弱。同时分析认为：频率升高到一定程度会导致疲劳强度的降低。整体而言,岩石轴向及横向相对残余应变均随着循环次数的增加而逐渐减小。     

不同应力路径大理岩声发射破坏前兆的试验研究

应力路径不同,岩石变形和破坏过程中伴随的声发射特征也不同,通过不同路径大理岩加、卸荷试验,结合分形维数原理,探讨声发射破坏前兆随应力路径的变化规律。试验结果表明:1岩样破坏处的声发射计数率和破坏前的累计计数率增长率由大变小的应力路径为加轴压卸围压、恒轴压卸围压、单轴、常规三轴路径。2常规三轴路径下岩样临近破坏时,声发射事件计数率存在明显的"低声发射期",围压越大,声发射前兆"低声发射期"越明显;同时累计振铃计数率增长速率降低的拐点出现后很短时间,岩样也会发生破坏。3低围压下恒轴压、卸围压路径岩样破坏时累计振铃计数率的增长速率近似为切线。加轴压、卸围压岩样破坏前一段相近计数率后存在声发射计数率的"平静期",围压增加,"平静期"持续时间增加,岩样破坏产生的计数率越高。4在低围压应力环境下应力比0.8、高围压应力环境下时间比0.4时声发射分维数降低的特征可以作为岩样的破坏前兆分析。     

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     

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。     

基于多级破坏方法确定岩石卸荷强度参数 的试验研究

 根据卸荷路径确定岩石卸荷强度参数时,为避免岩样本身离散性过大对强度的影响,采用了卸荷多级破坏试验方法。将卸荷应力路径与多级破坏方法有机结合,用单个岩样获取多个强度值,然后通过回归确定岩石卸荷强度参数。基于MTS 815.02岩石三轴试验机,研究荷载控制方式下多级破坏试验中峰值判断、破坏状态变形控制等几个问题,并提出相应的解决方案。最后成功开展了大理岩卸荷多级破坏试验,取得了与常规卸荷破坏试验较一致的结果。研究成果表明,卸荷应力路径中引入多级破坏的方法,既考虑了应力路径对强度的影响,又有效避免岩样离散性过大对强度的影响,是一种实用、有效的确定岩石卸荷强度参数方法。     

不同卸围压速率下深埋大理岩卸荷力学特性试验研究

为了更准确认识卸荷速率对岩石力学性质的影响规律,进行不同卸荷速率的三轴卸围压试验,试验采用新的试验路径和加载方式,减少试验过程对试验结果的不利影响。针对锦屏二级水电站深埋大理岩,通过新提出的描述变量(应变围压柔量)重点分析卸围压速率在0.01～1.0MPa/s范围内围压卸荷对变形规律的影响,研究扩容过程的演化规律和强度特征的差异。研究结果表明,大理岩的轴向变形和扩容过程受卸围压速率的影响较为显著,影响规律主要由初始围压水平控制。卸围压试验扩容过程与常规三轴压缩试验峰前阶段的扩容演化规律存在显著差异。不同卸围压速率破坏时获得的极限承载强度均高于加载速率为0.5MPa/s时常规三轴压缩的峰值强度。随着卸围压速率的增大,极限承载强度不断提高,达到1.0MPa/s速率时极限承载强度可提高10%～15%。     

循环荷载作用下岩石损伤变形与能量特征分析

针对不同围压作用下的岩石损伤变形与能量特征,开展了循环加卸载试验研究。基于原有损伤变量原理,进行修正,探讨了岩石在不同的偏应力量级下,每次循环的耗散能、损伤变量、塑性变形等与循环次数、应力之间的相互关系;进而,得到了岩石损伤破坏过程中能量的转化规律,从能量损耗的角度定量分析了岩石疲劳破坏的门槛值。试验研究结果表明：①应力水平越高、损伤变量与塑性变形越大,一次循环的能耗值越大,滞回圈的面积也就越大;②在门槛值前后,耗散能、损伤变量与塑性应变随着循环次数的增加变化趋势明显不同,并且在破坏前也呈疏00097;密00097;疏的发展过程;③不同的围压下,岩石疲劳破坏时所处的损伤状态不同,但破坏前循环一次的能耗值与损伤变量近似成线性关系,进而基于循环能耗值与损伤变量建立了能量破坏方程。     

含节理岩石试件的卸荷变形特性研究

 开展含节理岩石试件在主应力差卸载路径下的变形特性试验,试验发现：(1) 恒定s3减小s1卸载主应力差过程中,完整岩石卸载变形曲线与加载变形曲线基本重合,但节理试件加卸载变形曲线表现出较大差异,且卸载后试件轴向和环向均出现较大残余应变;(2) 按照2种不同路径卸载主应力差时,含节理试件变形特征存在很大差异。为从理论上研究含节理试件变形特征并解释上述试验现象,建立节理加卸载本构模型,并提出确定模型参数的方法。研究表明：用节理面加载与卸载变形特征的差异,从理论和试验结果两方面能很好地解释含节理岩石试件加卸载变形特性的差异以及在不同卸荷应力路径下的变形差异。研究成果可以反映含单组节理岩体的加卸载变形特性。     

三轴循环荷载下页岩变形及破坏特征试验研究

前期工作已经研究了含裂隙页岩在单轴循环荷载下的变形及破裂特征,为进一步认清围压与循环荷载耦合作用下的变形及破坏特征,利用MTS815.03岩石刚性压力机展开了对含裂隙页岩的三轴循环加卸载试验研究。试验结果表明:在三轴循环荷载下,含裂隙页岩的破坏形式主要为混合破坏,呈现出拉剪贯通模式;随围压逐渐增大,页岩的峰值强度呈线性增大,完整页岩经11周加卸载循环后,峰值强度增大9.98%~25.03%;而含裂隙页岩经15周加卸载循环后,峰值强度增大1.47%~6.98%;含裂隙页岩在同一循环内的弹性模量大于变形模量,卸载弹性模量大于加载弹性模量,卸载变形模量大于加载变形模量,并且损伤面积系数F越大,卸载弹性模量与加载弹性模量的差值也越大;随循环加卸载次数逐渐增加,加载变形模量与卸载变形模量呈先增大后单调减小的规律,加载弹性模量与卸载弹性模量表现出先增大,后逐渐呈"波浪式"减小的规律,剧烈波动的弹性模量是内部结构不断发生局部调整的有效证据。该研究为揭示在围压与循环荷载耦合作用下含裂隙页岩破坏形成复杂裂缝网的发展机理提供了有益参考。     

单轴压缩下红砂岩能量演化试验研究

 岩石在变形至破坏过程中,伴随着能量的耗散和释放。为寻找加载过程中能量的演化规律,对红砂岩试件进行4种加载速率下单轴不断增加荷载循环加、卸载试验,得到弹性能和耗散能随应力的演化及分配规律。研究结果表明：(1) 破坏之前,试件吸收总能量、积聚弹性能、耗散能皆随应力的增大而增大,吸收总能量增加最快,弹性能次之,耗散能最慢。(2) 弹性能随轴向应力呈现非线性增长,在24%极限强度前增长速率较小,随后慢慢增大,临近破坏时又增长放缓;耗散能起初增长较缓慢,在即将破坏阶段显著大幅增加,增幅可达85%左右。(3) 整个加载过程弹性能所占比例约从60%增长到82%,增长速率逐渐变慢,而临近破坏时有小幅下降;耗散能所占比例的变化规律相反。(4) 在准静态加载范围内,大体上加载速率越小,耗散能越大;而加载速率对弹性能演化基本无影响。(5) 试件的弹性能密度–应力曲线无离散性,能够反映材料本身的固有性质。