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。     

红砂岩三轴压缩变形与强度特征的试验研究

利用RMT–150B型岩石力学试验系统对红砂岩进行单轴、常规三轴压缩和巴西劈裂试验,分析红砂岩的变形、强度与破坏特征,以拟合偏差的绝对值之和最小为目标确定5种强度准则中待定参数,比较拟合偏差及单轴抗压强度、抗拉强度和破裂角的预测值与试验值的差异。结果表明:直线型的Mohr-Coulomb强度准则的拟合偏差较大,高估了低围压和高围压时的岩石强度;Hoek-Brown准则、广义Hoek-Brown准则、Rocker准则和指数强度准则对单轴抗压强度的预测值与试验值(68.0 MPa)基本一致,但对抗拉强度均给出偏高的估计;广义Hoek-Brown强度准则预测的抗拉强度接近于试验值,整体拟合效果较好;红砂岩的破裂角为52.5°~66.6°,与围压呈负相关。Mohr-Coulomb强度准则预测破裂角为65°,与实际破裂角相差较大,其余4种强度准则预测的破裂角与围压均呈负相关,与实际破坏角的差距有所减小。     

基于能量耗散与释放原理的岩石强度与整体破坏准则

讨论了岩石变形破坏过程中能量耗散、能量释放与岩石强度和整体破坏的内在联系。指出岩石变形破坏是能量耗散与能量释放的综合结果。能量耗散使岩石产生损伤,并导致岩性劣化和强度丧失;能量释放则是引发岩石整体突然破坏的内在原因。定义了单元耗散能、可释放应变能、强度丧失和整体破坏的概念。给出了基于能量耗散的强度丧失准则和基于可释放应变能的整体破坏准则,分析了各种应力状态下岩石单元整体破坏的临界应力。并应用上述准则讨论了隧洞围岩发生整体破坏的临界条件。     

单轴压缩岩石中缺陷的演化规律及岩石强度

利用自主开发的岩土工程计算机辅助分析系统GeoCAAS,采用混合的Mohr-Coulomb剪切破坏准则与拉应力破坏准则,考虑材料塑性屈服后的软化特性,研究单轴压缩条件下含缺陷岩石的变形特性与强度,探讨缺陷的演化规律及其对岩石宏观力学强度的影响.对于含单个缺陷的岩样,缺陷位置的不同对岩石强度影响较大.边界上的缺陷不但能够决定岩石的最终剪切破坏带的分布,而且还极大地影响岩石的强度;岩石内部的单个缺陷对剪切破坏面的分布影响较大,而对岩石强度却影响较小.对于含多个随机缺陷的岩石,研究了缺陷体积含量与岩石强度的关系.将岩石中缺陷的体积含量近似为岩石的孔隙度,通过不同孔隙度的砂岩的室内单轴压缩试验对上述研究成果进行验证.研究成果在一定程度上可以为室内岩石试验和岩土工程提供参考.     

基于Griffith强度理论的岩石裂纹起裂经验预测方法研究

 裂纹起裂强度是岩石破坏过程中的重要应力阈值,研究岩石起裂准则对于揭示其破坏机制及预测围岩工程性质有着重要意义。首先进行青砂岩试样的单轴及三轴压缩起裂试验,并基于多种应变响应分析其中的起裂机制及细观破坏特征,指出局部张拉应力集中是起裂破坏的主因,总结提出低围压条件下的张开型起裂模型及高围压条件下的滑动型起裂模型。然后基于Griffith强度理论分析压应力场中岩石缺陷端部的局部最大张拉应力,其大小随差应力 的升高而增大,同时在围压条件下受表面摩擦作用的影响较大。针对岩石细观起裂机制提出起裂预测经验准则,准则中引入起裂参数 作为围压影响系数以表征摩擦作用,从而适用于不同围压条件下的起裂破坏预测。利用3组起裂试验结果对经验准则进行验证,其准确性及实用性明显优于传统线性起裂准则。最后通过分析不同围压下岩石起裂强度与峰值强度之比 ,发现试样在围压60 MPa以下时其起裂破坏属于细观张拉破坏机制。     

岩石材料变形的稳定性分析及破坏形式的分叉分析

材料的非稳定性分析及局部化剪切带分叉分析是当前固体力学研究的前沿课题.本文试图将二者引入到岩石力学研究中,从理论上解决两个问题第一是岩石材料在峰值点后的变形稳定性问题;第二是岩石材料在单轴压缩及常规三轴压缩应力状态下的破坏形式问题.为此,首先建立了岩石材料的应变软化损伤模型,用于这两个问题的分析;其次运用经典稳定性问题的能量准则分析了获得岩石材料应力-应变全过程曲线的条件及岩石材料在峰值点后的损伤变形稳定性问题;最后,采用弹塑性材料的不连续分叉准则分析了岩石材料在单轴压缩及常规三轴压缩应力状态下的破坏形式.根据上述内容,全文分为3个部分,各个部分的主要工作及成果如下第一部分分析了岩石的基本变形性质,引用Frantziskonis和Desai损伤模型的概念,建立了能够反映岩石材料基本变形性质尤其是应变软化特征的损伤本构模型,并与实验结果进行了对比,证明该模型是适用的.第二部分介绍了结构及材料的稳定性问题的基本概念及基本理论和岩石力学中的稳定性问题及其研究现状.运用稳定性的能量准则,分析了获得岩石材料应力-应变全过程曲线的条件.除了在刚性压力机上,采用位移控制的加载方式,获得岩石材料的应力-应变全过程曲线外,在普通压力机上,如果采取适当的措施,无论是何种加载方式,均能获得岩石材料的应力-应变全过程曲线.运用稳定性的能量准则,分析了岩石材料在峰值点后的变形稳定性问题.证明了岩石材料的峰值点仅是一个分叉点而非失稳点,并提出了分叉点和失稳点的判别方法.模拟计算结果说明上述结论是正确的.第三部分介绍了岩石材料脆性破坏的基本特征及在单轴压缩和三轴压缩应力状态下的破坏形式和弹塑性材料分叉研究的基本理论以及岩土材料分叉研究的现状.采用不连续分叉理论,对岩石材料轴对称问题进行了局部化剪切带分叉分析.结果表明,单轴压缩应力状态下的岩石材料的脆性破坏形式是张破裂的;而常规三轴应力状态下岩石材料的脆性破坏形式是剪切破裂的,不存在张破裂的形式,剪切带方位角随围压的增加而降低.模拟计算结果表明在单轴压缩及低围压三轴压缩状态下,岩石材料的局部化剪切带发生于峰值应力之后,峰值应力点附近.但随着围压的增加,局部化剪切带分叉点将逐步远离峰值点,岩石材料的破坏逐步呈现塑性破坏的特征;当围压增加到一定值时,局部化剪切带将不会发生,此时岩石材料的破坏为塑性破坏形式.     

基于Hoek-Brown准则的板岩强度特征研究

 建立在岩体各向同性基础上的Hoek-Brown经验强度准则被广泛地应用于地下和边坡工程的设计与安全评估。但Hoek-Brown准则不能直接用来处理层(片)状岩体如板岩或页岩以及含有1或2组优势结构面岩体的强度问题,因为这类岩体往往沿层(片)理或优势结构面破坏,必须对准则加以改进。基于对Hoek-Brown经验破坏准则的深入研究,通过对层状岩体完整岩石试件定义的改进,提出用Hoek-Brown准则的一个很重要的参数,即完整岩石试件的单轴抗压强度 来表征层状岩体强度随层面倾角的变化规律以及应用Hoek-Brown准则来分析层状岩体强度的方法。按照该方法对南水北调西线工程场区不同层面倾角板岩岩石试件进行单轴、三轴压缩试验。根据对试验结果的统计分析,确定不同层面倾角板岩岩体的Hoek-Brown经验破坏准则的相关参数,建立不同层面倾角板岩岩体的Hoek-Brown强度准则。此外,还获得完整岩石试件的单轴抗压强度 随层面倾角的变化规律,建立南水北调西线工程场区板岩岩体的Hoek-Brown经验破坏准则的统一表达式,并预测围压为10,15,20和25 MPa下南水北调西线工程场区板岩岩体的三轴强度随层面倾角的变化规律。本文的工作可以为类似工程提供借鉴。     

岩盐力学特性的试验研究

针对岩盐这一特殊性质的岩石，进行了基本的力学特性试验，包括单轴压缩、间接拉伸及变角剪切。通过试验，发现无水芒硝岩盐是一种软岩，强度较低，变形较大。在单轴压缩变形破坏过程中，具有与普通岩石试件不同的四阶段性特征。另外，由变角剪切试验结果分别获得了无水芒硝和钙质芒硝岩盐的强度曲线方程。     

页岩卸荷能量演化特征试验研究

隧道、硐室和矿井等地下空间,应力卸荷是导致岩体破坏的主要原因之一。因此,为研究卸荷条件下的岩石破坏行为,以页岩为研究对象,开展恒定轴压卸围压三轴压缩试验。基于能量耗散与释放原理,分析试验不同阶段能量演化规律及临界围压对试样吸收的总能量和耗散能的影响,探讨卸荷条件下岩石破坏条件。研究结果表明,卸荷试验能量变化主要分为能量聚集阶段、能量耗散阶段和能量释放3个阶段:(1)外力对试样做的功主要以弹性能形式存在;(2)外力所做的功主要耗散于微裂纹形成、扩展,岩石强度降低,此阶段耗散能迅速增加而弹性能基本保持不变;(3)当岩石强度降低到一定程度时,弹性能瞬间释放,岩石破坏。     

单轴压缩条件下花岗岩变形与破坏特征试验研究

为准确得到甘肃北山核废料地质处置区花岗岩围岩强度与变形特征。在MTS815岩石电液伺服机上对花岗岩进行了单轴压缩试验,并对试验结果进行了系统的分析。结果表明:北山花岗岩在单轴压缩条件下形成了平行于轴压方向上的张拉裂纹,而在达到峰值强度后裂纹迅速扩展,并纵向贯通,将岩石分为竖向块体,呈现出脆性破坏特征;将花岗岩石峰前应力应变曲线分为四个阶段,初始压密、弹性变形、裂纹稳定扩展和裂纹非稳定扩展阶段。应用裂纹体积应变模型求得各阶段终止时分别对应岩石的四个特征应力值:起裂应力、弹性应力、损伤应力和峰值应力;依据裂纹体积应变概念,将轴向应变与径向应变分为裂纹应变与弹性应变,提出可以通过比较轴向与径向裂纹应变间的大小来确定其起裂方向。     

灰岩强度特性的试验分析与数学模拟

以某电站所提供的灰岩岩芯为例 ,对该电站的岩芯的强度特性进行了研究 ,依据单轴压缩试验结果分别提出了风干状态下岩石的单轴抗压强度与高径比 ,自然状态、饱和状态下岩石的单轴抗压强度与横截面积之间的非线形关系式 ,该式可以很方便地在有关工程中为相似岩石估算其强度值提供参考、借鉴。天然状态下的岩石处于三向压缩状态 ,室内三轴压缩试验是岩石应力状态较为真实的反映。针对灰岩的三轴压缩试验结果 ,对其应力应变关系曲线进行了分析与比较 ,并进行了曲线拟合。结果表明 ,岩石的变形可以分为四个不同的阶段 ,围压对岩石的应力应变关系有一定影响 ,用多项式函数拟合应力应变关系曲线是比较理想的。     

灰岩强度特性的试验分析与数学模拟

以某电站所提供的灰岩岩芯为例,对该电站的岩芯的强度特性进行了研究,依据单轴压缩试验结果分别提出了风干状态下岩石的单轴抗压强度与高径比,自然状态、饱和状态下岩石的单轴抗压强度与横截面积之间的非线性关系式,该式可以很方便地在有关工程中为相似岩石估算其强度值提供参考、借鉴。天然状态下的岩石处于三向压缩状态,室内三轴压缩试验是岩石应力状态较为真实的反映。针对灰岩的三轴压缩试验结果,对其应力应变关系曲线进行了分析与比较,并进行了曲线拟合。结果表明,岩石的变形可以分为四个不同的阶段,围压对岩石的应力应变关系有一定影响,用多项式函数拟合应力应变关系曲线是比较理想的。     

单参数的正则抛物线准则

 线性的Coulomb 准则并不能完全描述岩石强度特征,有多种改进形式。剪切破坏的Mohr准则表现为应力圆的包络线,其待定参数难以从常规三轴压缩试验结果直接确定而研究较少。主应力形式的强度准则可分为显式和隐式,后者常以最大剪应力和平均主应力构造,且具有较高的相关系数和较小的拟合偏差。实际上显式和隐式准则的力学背景相同,可通过坐标系旋转互换。砂岩、大理岩等强度源于颗粒间黏结和摩擦,单参数的正则抛物线准则拟合强度与围压关系的精度优于两参数的Coulomb准则,而与Hoek-Brown准则相当。以正则抛物线准则拟合高围压下强度能够得到完整岩石的理想单轴压缩强度,进而与实际数值对比可确定岩石的初始损伤。     

等效晶质模型及岩石力学特征细观研究

 基于颗粒流理论与颗粒流程序,采用颗粒体模型与光滑节理模型,构建具有岩石矿物细观结构特征的等效晶质模型。通过室内试验与计算结果的对比分析,验证等效晶质模型在岩石力学特征研究中的适宜性与可靠性;同时,从细观角度深入揭示岩石在加载条件下的破裂机制与强度特性。主要研究结果如下：(1) 在单轴拉伸条件下,岩石近似与加载轴向相垂直的宏观断裂面,主要由相邻晶质体边界上的黏结张拉破坏构成;(2) 在单轴压缩或低围压三轴压缩条件下,岩石近似与加载轴向相平行的宏观断裂面,主要以相邻晶质体边界上黏结张拉破坏为主,导致岩石产生宏观劈裂破坏;(3) 在高围压三轴压缩条件下,与加载轴向呈一定夹角贯通岩石内部的宏观断裂面,主要以晶质体内张拉破坏以及相邻晶质体边界上黏结张拉、剪切破坏构成,导致岩石产生宏观剪切破坏;(4) 对于类似于花岗岩的硬脆性岩石而言,采用等效晶质模型可再现岩石较低的单轴抗拉与单轴抗压强度比值,且其强度特性采用Hoek-Brown强度准则描述更为合理。     

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。     

岩石冻融破坏机理分析及冻融力学试验研究

岩石的冻融破坏是寒区岩石工程中常遇到的主要病害之一。深入系统地分析了岩石受冻融循环影响的冻融破坏过程、影响因素,研究了其冻融破坏机理;通过试验研究了2种岩石的冻融破坏过程,发现了岩石的2种基本冻融破坏模式:片落模式和裂纹模式;并通过在室温下(20℃)对2种饱和岩石经历不同冻融循环次数后的单轴压缩试验,得到岩石的单轴压缩强度、弹性模量分别与冻融循环次数的拟合关系表达式,为今后岩石冻融损伤及冻融断裂研究提供了可靠的试验依据。     

单轴压缩下非贯通节理岩体损伤破坏能量演化机制研究

能量的积聚与释放伴随发生在节理岩体受荷变形全过程。为探寻加载过程中节理岩体能量演化规律,基于单轴压缩试验及岩石能量原理,研究非贯通节理岩体变形破坏过程中总能量U、弹性应变能U~e及耗散能U~d的转化特征,揭示节理岩体损伤破坏能量演化机制,建立了基于弹性能耗比变化率(dK/dε)的非贯通节理岩体裂缝扩展及强度失效准则。研究表明:节理存在对岩体中能量的存储具有明显的削弱作用,峰值点总能量与弹性应变能随节理数量的增加逐渐减小;节理岩体的弹性应变能U~e及耗散能U~d变化曲线存在"阶梯状"突减或突增,双节理岩样弹性应变能和耗散能突增或突减的数值明显小于单节理岩样;峰前与峰后阶段弹性能耗比变化率发生连续突变(dK/dε正负交替变换)与突变(dK/dε保持为正无穷)作为节理岩体裂缝扩展及强度失效判据。     

冻融循环条件下岩石-喷射混凝土组合试样的力学特性试验研究

选取2008年极端冰雪受灾地区灰色砂岩,制作岩石与C20喷射混凝土组合试样,通过冻融循环试验、单轴压缩试验、中/低不同围压三轴压缩试验、中/低不同轴压直剪试验及微观扫描试验系统研究岩石-喷射混凝土组合试样的宏观物理力学性质及微观破坏机制。试验结果揭示研究对象在不同含水状态(干燥或饱和)、不同冻融循环次数条件下的损伤模式、破坏准则及强度指标变化规律。在此基础上,建立冻融前后组合试样的损伤软化统计本构模型。经与三轴压缩试验曲线对比,该本构模型能较真实地反映破坏的全过程,可靠性较高。     

基于一种应力不变量组合的岩石强度准则

针对深部高地应力条件下岩石的破坏机制,建立起一个基于一种应力不变量组合的岩石非线性强度准则。这个应力不变量组合将任意应力状态分解成三个部分:一部分表示最大剪切状态,另一部分代表静水压力状态,最后一部分补充中间主应力的影响。它能解释粘性和塑性介质不可回复变形模型中能量耗散(弥散)的物理机理。该强度准则考虑岩石的拉伸破坏,可同时描述岩体的剪胀或剪缩破坏,其破坏面可以是闭合的也可以是张开的,其子午线能反映高应力状态下的岩石非线性。与两种典型应力状态的试验数据进行了比较,符合较好。     

一种新的岩爆倾向性指标

从岩石的变形和破坏过程中的能量储存和能量耗散出发，指出岩石的单轴抗压强度与单轴抗拉强度之比值可以表征结构较完整岩石的弹性变形能的储存能力以及峰值前后的应变量之比值可以表征岩石的能量储存与耗散之间的相对大小，提出用这两种比值的乘积作为岩爆倾向性指标。采用铜陵有色金属公司冬瓜山深部矿床的典型矿岩进行试验，对这种新的岩爆倾向性指标与现有的岩爆倾向性指标进行对比分析，结合该矿床实际的岩爆调查，说明新指标可以较好地表征岩石的岩爆倾向性，并提出了这种新指标判据的初步建议。