循环荷载下层理岩石的弹性和衰减各向异性

对具有层理的砂岩进行单轴循环荷载实验，研究砂岩层理对其弹性模量和泊松比的影响。实验表明，垂直层理方向的弹性模量和泊松比小于平行层理方向的弹性模量和泊松比：衰减正好相反，垂直层理方向的衰减大于平行方向的衰减，而某个倾角层理的弹性模量在垂直层理和平行层理荷载的弹性模量之间，泊松比和衰减也是如此。从弹性系数的坐标变换出发，导出方向性模量和泊松比与岩石垂直层理、平行层理的弹性参数的关系，并用最小二乘法来进行拟合测量数据，以此关系来讨论层理砂岩弹性系数的各向异性程度。这种处理可减少计算得到的各向异性参数的误差，在泊松比计算误差较大的情况下也能得到比较理想的结果。计算表明，本实验砂岩泊松比的各向异性大于弹性模量的各向异性。     

高压水射流冲击作用下横观各向同性岩石破碎机制

 基于流体动力学与弹性力学基本理论,分析水射流冲击岩石过程中产生的水锤压力与滞止压力,推导不同压力阶段水射流截面上动压力径向分布函数,建立水射流以不同的夹角?冲击横观各向同性岩石的数学模型,选取? = 0°,45°,90°研究冲击夹角对岩石破碎规律的影响;选择具有良好横观各向同性的砂岩开展不同夹角的冲击实验。理论分析与实验研究表明：水锤压力导致横观各向同性岩石产生冲击破碎坑,滞止压力诱发岩石内部裂纹的产生与扩展;水射流以垂直于、倾斜于、平行于层理冲击横观各向同性岩石导致其分别产生横向裂纹、倾斜裂纹和劈裂裂纹。     

基于波速测量的龙马溪组页岩的各向异性研究

随页岩气开采大力发展,对页岩的认识也逐显重要。页岩作为明显的层状结构岩石,普遍表现出各向异性。为此,基于横观各向同性介质模型,通过测量岩样不同方向的纵波波速和快慢横波波速,计算了长宁区块龙马溪组岩样的刚度系数与弹性系数,并与静载荷试验测定的弹性参数做出对比。试验结果表明,页岩的纵波波速以及快慢横波波速均表现出各向异性,并且随围压升高,波速升高速率变缓。岩样的杨氏模量与泊松比亦表现出各向异性,水平方向上的杨氏模量始终高于垂直方向上的杨氏模量,而3个方向的泊松比不一致。动态加载测试值与静态加载测试值随围压变化趋势一致,并且随围压升高,由孔隙和微裂缝引起各向异性减弱。考虑页岩中微裂缝的存在,通过弥散损伤模型计算龙马溪组页岩的损伤参数,认为在围压作用下微裂缝主要存在于平行层理面方向,围压对垂直层理面的裂缝影响较小。     

大理岩阻尼参数与动弹性参数的动三轴试验研究

 首次利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统,在不同围压下对大理岩进行阻尼参数及动弹性参数的动三轴测试研究。波形为正弦波,频率3 Hz,振动循环30次,动应力上限与下限分别为相应围压下试样抗压强度的0.6倍和5.09 MPa。试验结果表明,大理岩阻尼比、阻尼系数随循环周次的增加而减小,随围压的增大而增大;动弹性模量随循环周次的增加而增大,随围压的增大而减小;各围压下动弹性模量均大于静弹性模量,动泊松比均小于静泊松比,且围压越大,二者差值越大;大理岩在30循环周次以内动荷载作用下,其力学性质会逐渐强化。     

利用纵波探头测定层状岩石的弹性常数

测量了2种岩块的垂直和平行于层理面两个方向的超声波速,数据表明平行于层理面方向及其法线方向具有很明显的波速各向异性,即平行于层理面方向的波速各方向数值近似相等且大于垂直于层理面方向波速。基于此,建立层状岩石的横观各向同性介质模型。根据横观各向同性介质波动理论,结合波速、波幅的变化规律分析,通过纵波探头平测法,测试了有较大平面的岩块横波在层理面内的偏振波速。在椭圆近似假设的基础上,即声波的横向的各向同性,其他方向各向异性以及纵横向之间按椭圆规律变化,简化了关于横向各向同性岩石动力参数的计算,得到了仅利用纵波探头测量4种波速即可近似地反演出横向各向同性岩石5个独立参数的结论。这对层状的岩体中的工程动力计算有其积极意义。     

在围压下岩石弹性波速的研究

本文介绍在单轴和三轴压缩下岩石的纵波波速、横波波速、动弹性模量、动剪切模量和动泊松比及强度等物理力学参数的变化规律及其与力学特性的关系,同时综述一定围压下温度对岩石弹性波速的影响。     

不同层理方位影响下板岩各向异性巴西圆盘劈裂试验研究

 通过电镜扫描试验,发现板岩具有明显的变余层理构造和板劈理构造,因而可采用巴西圆盘劈裂试验揭示其力学特征。对7种不同层理角度? 下的圆盘进行劈裂试验,得到圆盘的3种破坏形式：?＜45°为纯拉伸破坏,? = 45°～75°为剪切拉伸破坏,?＞75°为剪切破坏。同时,板岩受内部层理构造的影响,其抗拉强度随?值从0°变化到90°而逐渐降低;垂直于各向同性面的弹性模量和泊松比受层理角度影响不大,且前者比各向同性面的弹性模量值略小。     

横观各向同性土——半封闭隧道衬砌相互作用分析

土体在沉积过程中存在各向异性,将土体视为各向异性体更为合理。考虑土体和衬砌的相互作用,基于饱和多孔介质理论和弹性理论,在频率域内研究了简谐荷载作用下横观各向同性土——半封闭圆形隧道衬砌简谐耦合振动。通过衬砌内边界应力连续以及土体和衬砌界面处应力和位移协调,得到了饱和横观各向同性土和衬砌的位移、应力和孔压解析表达式。利用衬砌中流体速度和土体中流体速度相等,建立了隧道部分透水边界条件,得到了待定系数的具体表达式。数值算例分析了土体和衬砌物性和几何参数的影响,表明：横观各向同性面内的弹性模量对系统动力响应影响较大,而垂直于各向同性面内的弹性模量对系统动力响应影响较小。另外,相对渗透系数和衬砌厚度对响应幅值有很大影响,而衬砌泊松比对响应幅值影响较小。     

横观各向同性岩石弹塑性本构模型与参数求解方法研究

地层中普遍存在层理状岩石,这些岩石细观结构具有显著的方向性,从而引起了其变形与强度具有横观各向同性。采用弹性力学与广义塑性力学基本理论,建立了岩石横观各向同性弹塑性本构模型:弹性部分采用广义胡克定律描述,塑性部分采用基于广义八面体剪应力的屈服准则和势函数、非关联流动法则和应变硬化准则描述。该模型屈服面为外凸的非等截距椭圆截面角锥体,在各向同性条件下可退化为米塞斯屈服准则。提出了模型参数求解方法:弹性参数采用三轴压缩和扭转试验联合求解;塑性参数采用不同层理方向试样的三轴压缩试验求解。以炭质板岩为例,验证了所提出的横观各向同性弹塑性模型和参数求解方法,验证结果表明所提模型较好地反映了岩石的横观各向同性,参数求解方法简单有效。此外,还根据试验数据分析了炭质板岩塑性势方向性和弹塑性参数耦合特征。研究成果将为丰富岩石力学基本理论和解决相关工程问题提供理论基础。     

非共面双裂隙红砂岩宏细观力学行为颗粒流模拟

通过颗粒流程序(PFC)细观参数敏感性分析与完整红砂岩在常规三轴压缩下的试验结果,获得一组能够真实反映完整红砂岩宏观力学行为的细观参数。在此基础上,对断续双裂隙红砂岩在不同围压作用下进行颗粒流模拟,分析围压以及岩桥倾角对断续双裂隙红砂岩强度破坏特征的影响规律,揭示断续双裂隙红砂岩在不同围压作用下裂纹扩展的细观力学响应机制。研究结果表明：与完整红砂岩相比,断续双裂隙红砂岩峰值强度参数显著降低,且降幅与岩桥倾角?密切相关,黏聚力和内摩擦角均随着岩桥倾角?的增大呈非线性变化。当断续双裂隙红砂岩?= 0°和30°时,两者裂纹扩展模式相近,裂隙①和②之间无贯通;当?= 60°和90°时,两者裂纹扩展模式相近,裂隙①和②之间出现一处贯通;当?= 120°时,在低围压下裂隙①和②之间出现两处贯通,在高围压下只有一处贯通。当应力增大到一定程度之后,颗粒之间黏结断裂,微裂纹不断产生、汇集和贯通,最终形成宏观裂纹,使得试样发生失稳破坏。围压的增加在细观上提高了颗粒之间的接触力,在宏观上表现为强度增大。高围压的存在限制了微裂纹的扩展速率。     

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。     

深部人工冻土抗变形特性研究

本文通过模拟深部人工冻结土体固结、冻结、受力的实际过程,研究了反映冻土变形特性的割线弹性模量在应变不超过0.5%时随应变变化的趋势,讨论了两种不同土质、加载卸载、冻结温度和初始围压对深部冻土割线弹性模量的影响以及对冻土屈服后割线弹性模量衰减速率的影响,得出以下结论:深部冻土应力-应变曲线的弹性变形范围约为0.05%左右,且不受土质类型、加载卸载、冻结温度和初始围压的影响;但深部冻土的抗变形能力、冻土屈服后其抵抗变形能力的衰减速率强烈的依赖于土质类型、加载卸载、冻结温度和初始围压的高低,研究表明屈服前提高冻土抗变形能力的诸因素在冻土发生屈服后,都将加快冻土抗变形能力衰减的速率。     

A simple model for stress-induced anisotropic softening of weak sandstones

Weak sandstones possess deformational behavior different from hard rocks; these phenomena include shear dilation and softening of the deformational moduli. It has been found previously that under hydrostatic loading, the bulk modulus increases as confining pressure arises; and that under shear loading, the weak sandstone may transform from its original isotropy to a stress-induced anisotropic material, and the deformational modulus can accordingly be softened as well. These phenomena contribute to the increase of crown settlements during tunnel excavations, and account for several cases of tunnel squeezing. Consequently, a model capable of simulating major deformational characteristics of weak sandstones is needed for engineering purposes. A simple yet innovative constitutive model is accordingly proposed. This proposed model is characterized during the simulation as having: (1) non-linear volumetric deformation under hydrostatic loading; (2) significant shear dilation prior to the failure state; (3) isotropic stiffening of deformational moduli under hydrostatic loading; and (4) anisotropic softening of deformational moduli under shearing condition.The proposed model was formulated based on the linear elastic model, and it accounts for the variations of moduli E and G through different loading conditions. It was found that the proposed model is able to closely simulate the actual deformational characteristics of weak sandstones. In addition, the proposed model only needs six material parameters, and all these parameters can be easily obtained from experiments. This model was then incorporated into a finite element program and was used to analyze a squeezing tunnel case.     

层状大理岩卸荷力学特性试验研究

 以锦屏一级水电站地下厂房实际应力环境为基础,利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统,对该厂房区域典型层状大理岩开展常规三轴加、卸荷破坏试验研究。研究成果表明：平行层理面压缩时,卸荷试验得到的抗剪断、抗剪强度参数较加载试验得到的c,j 值低,残余内摩擦角jr值却较高;相同卸荷条件下,垂直层理面压缩得到的抗剪断、抗剪强度参数较平行层理面压缩得到的c,j 高,jr值却较低;卸荷条件下岩样的破坏是其向卸荷方向的强烈扩容所致,峰值强度后继续卸荷对岩石峰后承载力有显著的弱化作用;试验得到的各组弹性模量大致随围压增加而增加,而峰值应力对应的变形模量则反之,单个岩样在卸荷试验中,变形模量大致随围压卸荷而降低,垂直层理面压缩得到的变形模量较平行层理面压缩的高20%～51%,侧胀系数m 的变化规律则反之,前者较后者的低3%～12%;在相同卸荷条件下,平行层理面压缩时,岩石更易发生破坏,而垂直层理面压缩时,大理岩的脆性变形特征更显著。这些结论揭示了层状大理岩的卸荷力学特性,对解决工程实际问题有重要的参考价值。     

灰岩在三轴变围压循环压缩中的变形特征研究

 岩石在周期荷载作用下的力学性能是影响岩体工程长期稳定性的重要因素之一,需研究循环荷载作用下岩石的特性及演化规律。首先采用声波纵、横波波速测量方法,对岩样进行筛选。设计灰岩在施加不同围压和恒定循环上限应力作用下,三轴变围压循环加卸载下岩石变形特征测试方案。三轴变围压循环试验在GCTS–1000型岩石力学测试系统上进行,通过对试验结果的分析表明：(1) 灰岩在变、恒围压加、卸载循环中,形成一封闭的塑性滞回环。在轴向变形上滞回环面积逐次缩小;而变围压循环在径向变形上滞回环面积逐次增大,而恒围压循环在径向变形上滞回环面积几乎相等。(2) 在三轴变围压循环压缩试验中,围压增加和循环上限应力不变,残余变形量随着循环次数的增加而呈现出一个递减的趋势,轴向应变和径向应变的发展趋势是相反的。(3) 在整个循环加卸载过程中,各个加卸载阶段变形模量值不同,卸载阶段变形模量高于加载阶段变形模量。(4) 变围压循环加、卸载阶段变形模量的值大于恒围压循环加、卸载阶段下变形模量的值。通过试验,揭示灰岩在三轴变围压循环下,加载和卸载2种力学状态时变形特性的差异。同时分析变围压循环和恒围压循环状态下岩石弹性参数的差异性。     

高应力下原煤三轴压缩力学特性研究

 基于取自淮南矿区－780 m标高B10煤层的原煤的试件,通过MTS815.04电液伺服试验系统进行高应力下原煤的常规三轴压缩试验,研究煤岩的变形、强度、参数及破坏特征。研究结果表明：(1) 煤岩偏应力–轴向应变曲线主要由弹性、屈服、峰后脆性破坏阶段或应变软化段构成。其中,弹性段明显较长,且围压越大,曲线越陡,弹性模量越大;屈服段则总体较短。(2) 煤岩在单轴或低围压条件下,峰后脆性破坏特征明显;随着围压升高,峰后开始呈现延性特征,且围压越高,延性特征越明显。当围压达到50 MPa时,峰后轴向应变几乎呈现塑性流动状态。(3) 随着围压的增加,峰值轴向应变呈抛物线趋势增加,峰值侧向应变则呈线性增加趋势。(4) 煤岩偏应力–体积应变曲线,在低围压条件下表现出扩容机制,且围压越低扩容特征越明显;在高围压下,从峰前越至峰后,则始终向右延展,呈现出不断收缩的状态;而峰值体应变随围压的增加呈抛物线形式增加,收缩特征明显。(5) 煤岩强度随围压增加呈线性趋势增加,且强度参数c,φ值分别为12.72 MPa,24.12°。(6) 煤样的破坏模式主要以剪切破坏为主,破断角大小为23°～35°,且随着围压的增加,以抛物线趋势增加。采用Mohr强度理论可以较好地解释这一变化。     

超声波法测定冻土动弹性力学参数试验研究

运用UVM -2型声速测定仪 ,测定了不同含水率的冻结砂土、冻结黄土和冻结黏土在不同温度下的超声波波速 (纵波波速和横波波速 ) ;根据弹性理论 ,利用所测得的超声波波速 ,计算了被测冻土试样的动弹性力学参数 (动弹性模量E、动剪切模量G和泊松比 μ)。计算结果表明 :冻土的动弹性模量和动剪切模量随着温度的降低而增加 ,它们之间的规律可用一个统一的方程来描述 ;冻土的动泊松比随着温度的降低而减小 ;在低含水率范围内的冻结黄土 ,其动弹性模量和动剪切模量随含水率的增加而增加 ,在高含水率范围内的冻结黏土 ,它们则随含水率的增加而减少 ;冻土的动泊松比随含水率的增加而增加。     

A methodology to determine the elastic properties of anisotropic rocks from a single uniaxial compression test

This paper introduces a new methodology to measure the elastic constants of transversely isotropic rocks from a single uniaxial compression test. We first give the mathematical proof that a uniaxial compression test provides only four independent strain equations. As a result, the exact determination of all five independent elastic constants from only one test is not possible. An approximate determination of the Young's moduli and the Poisson's ratios is however practical and efficient when adding the Saint–Venant relation as the fifth equation. Explicit formulae are then developed to calculate both secant and tangent definitions of the five elastic constants from a minimum of four strain measurements. The results of this new methodology applied on three granitic samples demonstrate a significant stress-induced nonlinear behavior, where the tangent moduli increase by a factor of three to four when the rock is loaded up to 20 MPa. The static elastic constants obtained from the uniaxial compression test are also found to be significantly smaller than the dynamic ones obtained from the ultrasonic measurements.     

温度对非饱和膨胀土抗剪强度和变形特性的影响

共进行了4组12个控制温度、净围压和基质吸力的膨胀土三轴排水剪切试验,分析了温度对重塑非饱和膨胀土抗剪强度和变形特性的影响。试验结果表明,随温度的升高,非饱和土的抗剪强度增加,初始切线杨氏模量增大。根据试验结果建立了考虑温度影响的非饱和土抗剪强度公式和切线杨氏模量公式。