不同围压下茅口灰岩渐进性破坏的试验研究

利用MTS815电液伺服控制刚性试验机进行不同围压下茅口灰岩三轴压缩试验,通过计算绘得相应裂隙体积应变图,分析得出裂纹起始应力、裂纹破坏应力。结果表明:随着围压的增大,应力门槛值均呈非线性增长态势,当围压超过17 MPa时,裂纹起始应力、裂纹破坏应力分别增加48.5%和20.1%,茅口灰岩延性开始增强;裂纹破坏应力为峰值强度的64%~75%,三轴压缩下茅口灰岩裂隙不稳定发展阶段较长;环向应变值随围压增大而增大,当轴力超过裂纹破坏应力进入裂隙不稳定发展阶段,环向应变增大2.7~3.2倍,用环向-轴向应力应变曲线图能较好的反映岩石应力门槛值。     

红黏土损伤特性及损伤演化规律试验

基于原状红黏土三轴不排水试验,得出桂林红黏土应力－应变关系,分析了原状红黏土结构损伤特性,确定损伤变量Ｄ,并对红黏土的损伤演化规律进行分析,验证其损伤本构关系。研究结果表明：桂林原状红黏土的应力－应变关系曲线表现出理想塑性的特点;不同围区条件下,轴向应变１.３６％处可视作红黏土应变的门槛阈值,对应的应力作为应力门槛阈值;初始弹性模量和割线模量有关的变量Ｄ可作为损伤变量;损伤变量随主应力差的增大而增大,基本呈线性关系,损伤变量与轴向应变基本呈指数函数关系,表明红黏土损伤过程是不可逆的特点;本文提出的损伤本构方程能够较好地拟合红黏土的应力－应变曲线关系,反映不同围压条件下的红黏土结构性损伤变化规律。     

基于破坏类型的本溪灰岩本构关系研究

根据单轴和三轴条件下本溪灰岩的压缩试验和峰后循环加载试验,总结本溪灰岩的强度、变形随围压的变化规律,研究不同围压下本溪灰岩的破坏过程和重复加载过程,分析不同应力条件下本溪灰岩破坏的方式.结果表明:本溪灰岩在应力刚过峰值且未完全进入残余强度阶段,其弹性模量与峰前相同,此阶段进行循环加载时,新的峰值应力低于卸载点应力;在残余强度阶段,残余强度不再随重复加载发生明显变化;采用比较峰值时的环向弹性应变值与环向应变值的方法来判别本溪灰岩的破坏类型是可行的;不同围压下,本溪灰岩的破坏方式有张性破坏和剪切破坏2种类型,这2种破坏方式下本构模型的控制参数是不同的.分别选取了环向应变和剪切应变作为控制参数建立了本构模型,该模型很好地描述了本溪灰岩峰后阶段的应力脆性跌落现象及应力与应变的关系.     

修正的盐岩扩容模型及扩容界限研究

偏应力持续增加将导致盐岩发生扩容,盐岩扩容分为瞬时扩容和蠕变扩容.对盐岩三轴压缩试验以及三轴分级加载流变损伤试验数据进行分析,发现压缩-扩容边界对瞬时扩容和蠕变扩容都有影响,即应力状态未超过压缩-扩容边界时,盐岩体积不断减小;应力状态超过压缩-扩容边界时,盐岩将发生扩容,即体积增大.通过研究盐岩试件体积应变随偏应力变化规律,提出了修正的增量形式扩容模型,该理论模型计算结果与实验数据吻合较好.改变围压进行计算,结果表明,随围压增加,扩容起始点偏应力增大,最大压缩量增大.压缩-扩容边界可以作为盐岩储库围岩破坏的警戒点.     

深埋大理岩三轴压缩渐近破坏裂纹扩展特征研究

为深入研究深埋大理岩渐进变形破坏过程中裂纹扩展特征,基于常规三轴室内试验完成数值模拟参数标定,利用PFC_3D^{颗粒流模型对深埋大理岩开展}25MPa、50MPa、80MPa三种不同围压下的裂纹扩展数值模拟试验,根据大理岩加载过程中微裂纹演化状态参数,定义三种特征应力,并据此展开深埋大理岩渐进破坏过中的宏、细观破坏特征及其对应裂纹扩展特征的规律研究。结果表明：(1)。室内试验与数值模拟的应力应变曲线相吻合,峰值应力相差较小,破坏形式与室内试验一致,故数值模拟参数标定合理。低围压下应力应变曲线出现的应力降最为明显,高围压下出现的应力降最小。(2)依据总裂纹、张拉裂纹和剪切裂纹扩展数量演化曲线斜率变化规律,将深埋大理岩渐进破坏过程划分为弹性压缩阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹加速扩展阶段和峰后残余阶段四个阶段,根据裂纹数量定义三个特征应力点。(3)随着围压的增加,深埋大理岩达到起裂应力σ_ci时裂纹从两端开始萌发,加载至损伤应力σ_cd点时向中间扩展,达到峰值应力σ_c点时在宏观破坏面附近扩展、增生,加载至峰值点后70%峰值应力点时最终形成以剪切破坏为主的贯通宏观破坏面。(4)随着围压的增加,裂纹出现的范围更广,贯通性减弱,峰值应力σ_c点处产生的裂纹对宏观破坏产生的影响更为剧烈,峰后残余阶段张拉裂纹发育更明显。     

多孔弱胶结岩石破裂的围压影响机制及压密-损伤本构模型

通过开展粉砂岩单轴、三轴压缩试验,研究不同围压下岩石的力学性质及声发射活动规律,揭示了围压对多孔弱胶结岩石破裂的影响机制;根据声发射能量计数建立损伤变量,并提出了表征岩石损伤分布程度的损伤度;采用粉砂岩空隙体积应变建立岩石的空隙压密度,验证岩石空隙压密-损伤破裂本构模型并进行了参数分析.研究表明：1)施加围压阶段产生的体积压缩量最高,占据岩石最大体积压缩量的65%;泊松比随围压增大而减小,与致密硬岩恰好相反.2)围压限制了岩石的微裂纹扩展,粉砂岩单轴压缩时的声发射振铃计数率最大值为三轴压缩的十几倍;围压越大,声发射空间分形维数越小,微裂纹分布越集中.3)多孔弱胶结岩石的破坏是岩石内部短时间内产生大量小尺度剪切微破裂并迅速汇集—兼并形成大尺度宏观裂纹的过程;低围压可以有效地抑制小尺度微裂纹的扩展,而高围压对大尺度微裂纹的约束效果更明显.4)空隙压密-损伤破裂本构模型的理论参数物理意义清晰,能够准确反映围压对粉砂岩压密及破坏的影响机制,对于描述三轴压缩下多孔弱胶结岩石变形破坏规律具有较好的适用性.     

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拉裂缝较多,张裂面一般垂直于卸荷主方向,高初始围压时双向卸荷甚至在次卸荷方向也可产生环形张拉裂缝。破坏围压较高时破裂面剪性特征相对明显,但剪性裂面一般追踪张性破裂面发展而成,并在剪切面两侧发育较多微张裂缝。而相对较高围压下常规三轴压缩岩石一般为剪切破坏,张性裂缝很少;常规三轴压缩岩石的应力脆性跌落系数随围压的增大而增大,而在卸荷条件下却随初始围压的增大而减小。相同初始围压时,卸荷条件下比加载时的应力脆性跌落系数小得多,方案Ⅱ在初始围压达到30 MPa时甚至出现负值,应力脆性跌落系数R依次为：RⅢ〉RⅠ〉RⅡ。     

花岗岩单轴压缩力学特性试验及数值模拟

采用电液伺服试验机对花岗岩进行单轴压缩试验,利用RFPA模拟岩石破裂过程,详细分析了单轴压缩下花岗岩各特征应力大小、损伤过程、破坏模式及裂纹扩展规律。结果表明：花岗岩在单轴压缩下裂纹闭合应力、裂纹起始应力、损伤应力分别占峰值应力的41.1%、 58.7%、 88.3%;在损伤变量的基础上提出损伤变量临界值,以应变值为基础建立花岗岩损伤与裂隙演化之间的联系,定量分析了花岗岩裂隙演化4个阶段下损伤变量的变化;花岗岩单轴压缩下破坏模式与主裂隙方向有关,当主裂隙方向和轴向压应力方向平行时,花岗岩发生竖向劈裂破坏,当主裂隙方向与轴向压应力方向存在夹角时,花岗岩发生竖向劈裂与剪切组合破坏;根据RFPA 2D模拟得到花岗岩破裂结果,发现当加载应力达到峰值应力的46.9%时,花岗岩内部出现局部的微损伤,当加载应力达到峰值应力的63.3%时,花岗岩内部的微损伤累积引起局部的微裂纹,当加载应力达到峰值应力的88.3%时,花岗岩内部的微裂纹汇聚形成显裂纹,在显裂纹区域出现应力集中现象,使得显裂纹相互贯通,最终导致花岗岩的宏观破坏。     

高围压卸荷条件下大理岩变形破坏及能量特征研究

能量的耗散与释放是岩石变形破坏的本质。基于MTS815 Flex Test GT岩石力学试验平台,通过室内三轴卸荷试验和数学物理分析方法,揭示了大理岩在高围压三轴卸荷条件下的应力应变关系及能量变化特征。结果表明,初始围压的增大将显著提升岩样峰值强度时的可释放应变能以及最终总能量;随着围压的增大,岩样所吸收的能量变化的快慢程度随着偏应力变化而有所减缓;峰值强度时岩样可释放应变能占总能量的比例随着围压的增大而急剧增大,而残余强度时所吸收的总能量几乎全部转化为耗散能;大理岩能量指标存在明显的围压效应,即峰值总能量和残余总能量随着围压增大而显著提高,且具有良好的线性关系。     

岩石塑性应变损伤模型的建立及应用

岩石塑性变形和损伤变量的微观机制都是岩石中微裂纹的萌生和发育,塑性变形与损伤在岩石材料中是同时出现的,它们的演化规律是相互耦合的.本文采用基于塑性应变的损伤变量,定义岩石在破坏过程中塑性应变增量与损伤增量成正比关系,并把极限塑性应变归一于岩石的临界损伤值,建立了岩石塑性应变损伤模型和本构模型.实验曲线与利用所建立的塑性应变损伤模型计算的应力-应变曲线吻合较好,岩石塑性应变损伤模型能较好地描述岩石整个加载过程中的损伤与应力、应变的关系.并根据岩石塑性应变损伤模型,分析了单轴压缩荷载作用下岩石的应力和应变与损伤的演化规律.     

Mechanical and damage evolution properties of sandstone under triaxial compression

To study the mechanical and damage evolution properties of sandstone under triaxial compression,we analyzed the stress strain curve characteristics,deformation and strength properties,and failure process and characteristics of sandstone samples under different stress states.The experimental results reveal that peak strength,residual strength,elasticity modulus and deformation modulus increase linearly with confining pressure,and failure models transform from fragile failure under low confining pressure to ductility failure under high confining pressure.Macroscopic failure forms of samples under uniaxial compression were split failure parallel to the axis of samples,while macroscopic failure forms under uniaxial compression were shear failure,the shear failure angle of which decreased linearly with confining pressure.There were significant volume dilatation properties in the loading process of sandstone under different confining pressures,and we analyzed the damage evolution properties of samples based on acoustic emission damage and volumetric dilatation damage,and established damage constitutive model,realizing the real-time quantitative evaluation of samples damage state in loading process.     

Numerical modeling of permeability evolution based on degradation approach during progressive failure of brittle rocks

The permeability evolution of rock during the progressive failure process is described.In combination with the strength degradation index,the degradation formulas of s and a,which are dependent on the plastic confining strain component,the material constants of Hoek–Brown failure criterion are presented,and a modified elemental scale elastic–brittle–plastic constitutive model of rock is established.The relationship between volumetric strain and permeability through tri-axial compression is investigated.Based on the above,a permeability evolution model is established.The model incorporates confining pressuredependent degradation of strength,dilatancy and corresponding permeability evolution.The model is implemented in FLAC by the FISH function method.The permeability evolution behavior of rock is investigated during the progressive failure process in a numerical case.The results show that the model is capable of reproducing,and allowing visualization of a range of hydro-mechanical responses of rock.The effects of confining pressure on degradation of strength,dilatancy and permeability evolution are also reflected.     

粉砂质泥岩蠕变特性与非线性黏弹塑性本构模型

针对边坡、隧道工程中粉砂质泥岩长期稳定性问题,采用DZSZ-150型多场耦合岩石三轴压力试验机,利用粉砂质泥岩相似材料试样,开展不同围压下粉砂质泥岩蠕变试验。根据蠕变试验结果建立可描述粉砂质泥岩蠕变全过程的非线性黏弹塑性本构模型,以7 MPa围压下蠕变试验结果为例,对所提出的蠕变本构模型进行合理性和可行性验证。结果表明：试样的稳态蠕变速率与偏应力大小有关,随着偏应力的增加,试样稳态蠕变速率与偏应力之间符合指数函数关系;在加速蠕变阶段的蠕变速率相对低偏应力水平下减速蠕变和稳态蠕变速率明显要增大很多,且非常短时间内就发生了蠕变破坏;提出一种描述粉砂质泥岩全蠕变过程的非线性黏弹塑性本构模型,该模型能描述粉砂质泥岩蠕变-破坏全过程的蠕变变形规律,反映了粉砂质泥岩在不同偏应力水平作用下的蠕变特性,克服了经典模型中无法准确描述加速蠕变过程的难题。     

平均应力及塑性体积变形敏感材料全量型本构关系及其应用

对拉压性能相同的全量理论加以推广，使其成为能够反映具有塑性体积变形及平均应力敏感特点的拉压性能不同材料的本构模型，并用该本构模型进行了平面应变条件下厚壁圆筒的应力分析，由分析可凶，对于拉压性能不同材料，考虑到平均应力及塑性体积变形敏感时，是不能将其简化为拉压性能相同，体积不可压缩的理想材料的。     

基于Voigt与Reuss模型的岩土二元介质破损规律

在破损力学的理论框架下,非均质岩土材料被抽象为由胶结元和摩擦元组成的二元介质。本文基于Voigt和Reuss模型推导出满足变形协调和应力连续条件的岩土破损力学本构方程,通过算例分析三轴复杂应力状态下岩土二元介质的破损规律、荷载及变形的分担情况。结果表明:岩土二元介质的破损行为与胶结元、摩擦元的物理力学特性、围压和应力水平等有关,随着应力水平的增大,胶结元在抵抗轴向压力中发挥的作用逐渐减小,而在抵抗轴向变形中发挥的作用则先减小后增大;随着围压的增大,胶结元在抵抗轴向压力和剪切力中发挥的作用均逐渐减小,而在抵抗轴向变形和剪切变形中发挥的作用均逐渐增大。     

Cyclic constitutive equations of rock with coupled damage induced by compaction and crackingOA

In this paper, the cyclic constitutive equations were proposed to describe the constitutive behavior of cyclic loading and unloading. Firstly, a coupled damage variable was derived, which contains two parts,i.e., the compaction-induced damage and the cracking-induced damage. The compaction-induced damage variable was derived from a nonlinear stress–strain relation of the initial compaction stage, and the cracking-induced damage variable was established based on the statistical damage theory.Seco...     

一种基于统计损伤本构关系的岩石脆性评价新方法

脆性评价对岩石（尤其是深部岩石）的可压裂、开挖损伤及岩爆等特性的研究具有重要意义.为此,总结国内外岩石脆性评价方法,基于现有脆性指数在定量表征岩石脆性程度中的局限性,考虑能够模拟岩石应力-应变全过程曲线的统计损伤本构模型,分析岩石的损伤演化特征,提出一种基于统计损伤本构关系的岩石脆性特征评价新方法,建立脆性指数B_D定量表征岩石的脆性程度,通过模型理论论证和室内三轴压缩试验验证脆性指数的合理性.结果表明:脆性指数B_D能很好地表征岩石的脆性特征,基于统计损伤本构关系的岩石脆性评价方法具有较好的适用性;通过大理岩、花岗岩以及塔木素黏土岩不同围压下的物理实验,验证脆性指数B_D的正确性及相比其他方法的优越性;随着围压的增大,塔木素黏土岩表现出明显的脆性破坏向塑性破坏转变的特征.     

Creep properties and a creep equation of delay outburst coal and its adjacent mudstone

The study of the creep properties of coal and its adjacent mudstone is very important for understanding the mechanism of delay outburst coal. The samples of delay outburst coal and its adjacent mudstone collected from Yongshanqiao mine were used to carry out triaxial creep tests. The influence of confining pressure and axial compression on the creep test was analyzed. An accelerated creep model was constructed in parallel with a nonlinear viscous component and plastic component. It is connected with the traditional Burges creep model in series. A creep model which can describe the nonlinear viscoelastic-plastic creep model of rock was established and the corresponding creep equation was derived.According to the results of the creep test, the related parameters of the equation were fitted. The results show that, under the same confining pressure, instantaneous creep strain, creep strain of deceleration phase and constant rate creep of the coal and its adjacent mudstone are increased with an increase in the deviatoric stress. But at the same axial pressure, all of the above decrease with an increase of confining pressure. The duration time of the deceleration creep phase increases with the increase in the deviatoric stress. The theoretical values of the creep equation are in good agreement with the experimental results. It indicates that the creep properties of the delayed outburst coal and its adjacent mudstone can be well described by the creep model established in this paper.     

粉砂质泥岩的三轴蠕变试验研究

为了揭示分布于北天山中西部的志留系上统紫红色粉砂质泥岩的蠕变特性,为拟建于此的某深埋越岭特长隧洞的设计、施工,以及长期稳定问题评价提供依据,通过钻孔取样进行了三轴蠕变试验研究。试验在5台岩石三轴蠕变试验机上进行,围压分别为0、5、10、20、30 MPa。试验取得以下主要成果：1）揭示了这类黏土岩的蠕变特性可用西原模型加以描述,并由此建立了蠕变本构方程;2）采用曲线求参法求解了各流变参数;3）采用叠加原理与等时曲线法获得了岩石的长期强度;4）各蠕变参数随围压的升高而增大,长期强度较瞬时强度降低的幅度亦随围     

卸围压条件下花岗岩强度特性及三维裂隙演化规律

为研究卸围压条件下花岗岩强度特性和三维裂隙演化规律,对花岗岩开展了常规三轴压缩、卸围压-加轴压和分级卸围压-加轴压循环加卸载3种不同应力路径力学试验,获得对应的轴、径向应力-应变曲线;采用CT扫描三维重构技术获得岩石卸围压过程中和破坏后内部裂隙分布三维图像.结果表明:相对于常规三轴压缩试验,试件在卸荷条件下脆性破坏特征更加显著,分级卸围压-加轴压循环加卸载会增大花岗岩的峰后延性,降低破坏轴压和破坏剧烈程度;两种卸围压方案都会使花岗岩的承载能力降低30%左右;卸荷作用下花岗岩宏观破裂为拉剪组合状,拉剪过渡不明显,表观裂隙是内部裂隙向外扩展的结果;花岗岩在卸荷作用下峰前产生的裂隙量较少,大量裂隙在峰后产生,破裂具有突发性和瞬时性,围压较低时宏观裂隙首先在试件边缘产生,围压较高时宏观裂隙首先在试件中部产生.