冻融–周期荷载下单裂隙类砂岩损伤及断裂演化试验分析

开展冻融–周期荷载下裂隙岩体损伤及断裂演化规律分析,首先通过对0°,45°,90°的单裂隙类砂岩试样开展0,10,20,30次冻融循环;而后对不同冻融次数后的试样进行每级10次加卸载试验,进而关注冻融–周期荷载联合作用下裂隙岩体损伤特征及端部断裂。取得的成果如下:(1)裂隙岩体在冻融–周期荷载联合作用下,其损伤特征与裂隙发育形态、冻融次数、周期荷载作用方式均存在关联,其中,冻融次数与周期荷载存在典型叠加效应;(2)因冻融作用的参与,疲劳破坏强度与裂隙倾角呈现正比关系,该规律明显有别于未冻融加卸载试验结论;(3)随着周期荷载强度提升,裂隙岩体回滞环形态趋于饱满,并依据裂隙倾角差异出现不同迁移方向;此外,回滞环饱满程度呈现"中央小于首尾"典型特征;(4)基于渐进损伤区"缺陷面积"表征累积性损伤,可较好体现冻融–周期荷载作用下裂隙端部三阶段局部化疲劳损伤效应。研究成果对不同形式周期荷载作用下裂隙岩体损伤及断裂演化认知具有一定参考价值。     

循环荷载下断续裂隙岩体的变形特性

断续裂隙岩体在地震、波浪冲击、动力机器运转等动力循环荷载作用下的疲劳特性是岩石力学的一个基础课题。采用预制断续裂隙类砂岩模型试样单轴动循环加载试验,借助测试到的荷载–位移曲线从不可逆变形与总变形随循环次数的演化规律入手探讨了含2、3条裂隙试样循环荷载下的疲劳变形规律,并对影响裂隙试样疲劳变形的加载频率、循环荷载水平及裂隙空间位置等因素进行了讨论分析。研究发现:断续裂隙岩体的疲劳变形演化规律与完整岩石、完全离散的节理化岩体一致,均可划分为3个阶段:初始变形阶段、等速变形阶段与加速变形阶段;其疲劳破坏时的变形量与周期荷载的上限荷载在静态荷载–位移曲线峰值后区对应的变形量相当;同时,断续裂隙岩体疲劳变形除受加载频率及荷载水平的影响之外,还受到裂隙空间位置的明显影响。     

冻融荷载耦合作用下单裂隙岩体损伤模型研究

针对寒区节理岩体工程结构中的冻融受荷岩体,采用在类岩石材料中预制裂隙的方法模拟节理岩体,通过冻融循环试验和单轴压缩试验,分析裂隙岩样的几何特征(裂隙长度、裂隙倾角)对岩体强度的影响;基于细观损伤理论和宏观统计损伤模型,建立冻融受荷裂隙岩石损伤劣化模型,探讨裂隙岩体在冻融和荷载耦合作用下的损伤劣化机制。研究结果表明：(1) 岩石反复冻融引起的损伤是一个疲劳破坏的过程,受荷损伤是岩石类非均质材料各组成成分对力的传递速率以及自身变形差异性引起应力场不均匀分布的过程;(2) 冻融和受荷以不同的力学机制促使岩石中裂纹的萌生和扩展,由此诱发的损伤相互耦合,其耦合作用会使总损伤有所劣化;(3) 裂隙长度以及冻融循环次数对总损伤的影响较大,而裂隙倾角对总损伤的影响相对较小;(4) 相同的冻融循环次数下,裂隙岩样较完整岩样的损伤劣化程度严重。     

增幅疲劳荷载作用下含双裂隙花岗岩空心圆柱破裂演化试验研究

为了揭示裂隙型空心圆柱体在中低应变率应力扰动作用下的破裂演化特征及细观力学机制,探究地下工程中常见的孔洞–裂隙组合型岩体的破裂和失稳物理过程,设计4种不同预制裂隙角度的空心圆柱体试样,采用GCTS-RTR 2000岩石力学试验系统,实时声发射监测和试验后CT扫描相结合的手段,研究预制裂隙方位对岩石在多阶段增幅疲劳荷载作用下的结构劣化特征及岩桥断裂模式。试验结果表明：(1)随着裂隙角度的增大,岩石的疲劳强度、体积变形以及疲劳寿命逐渐增大,且体积变形增长速率越来越快,基于不可逆轴向应变,提出一种描述岩石疲劳损伤的两阶段损伤演化模型。(2)岩石破裂过程中声发射振铃数及能量变化受裂隙角度影响,累计振铃计数与累计能量计数随着裂隙角度的增大而增加,岩石在应力幅值突然增加时刻的累积损伤要大于疲劳加载阶段。(3)试样疲劳力学试验后的工业CT扫描揭示了岩桥段破裂形成的不同缝网模式,且受裂隙角度影响较大,裂隙网络的复杂程度随着裂隙角度的增加而增大,表明裂隙角度越大,岩石越不容易发生疲劳破坏。试验结果有利于深入理解裂隙型孔洞岩体的疲劳破坏机制,可为应力扰动作用下裂隙岩体巷道开挖设计、围岩稳定性控制及岩体长期...     

低渗储层砂岩渗流–应力–损伤渐裂过程的渗透特性演化研究

低渗储层采收率的准确评价是制定合理开发方案的重要理论基础,有效揭示开采过程诱发岩体渐裂的渗透性演化机理至关重要。以低渗储层砂岩为研究对象,分析不同荷载组合下岩体裂纹的发展规律,研究渗流–应力–损伤破裂过程中渗透率与裂纹状态的关联特性。试验结果表明:加载初期由于岩石内部孔隙及微裂隙的压密,渗透率减小;随着环向裂纹应变增大,岩石内部裂纹开始稳定扩展,渗透率缓慢增大,随着荷载的增大,裂纹加速扩展导致渗透率快速增大;最后断裂面发生相对滑移,岩石碎屑堵塞原有的渗流通道,渗透率下降。基于试验结果,运用理论方法研究不同荷载下的岩体损伤特征,建立损伤变量与裂纹环向变形的关联性,推导岩体渗透率与损伤变量的关系式,描述岩体渗流–应力–损伤渐裂中的渗透特性,揭示低渗储层砂岩的渗透率演化机理。其研究成果可为低渗砂岩储层开发过程的优化及产能预测提供新的研究思路和技术手段,对确保石油工业的可持续发展具有重要的实践价值。     

下期内容预告

正下期《岩石力学与工程学报》主要发表下列内容的文章:(1)地震荷载作用下顺层岩体边坡动力放大效应和破坏机制的振动台试验研究;(2)温度–应力–渗流耦合条件下红砂岩渗流特性试验研究;(3)基于CRITIC-XGB算法的岩爆倾向等级预测模型;(4)岩石有效热导率精准测量及表征模型研究进展;(5)加锚岩体侧向冲击载荷下动力响应规律研究;     

下期内容预告EI北大核心CSCD

下期《岩石力学与工程学报》主要发表下列内容的文章:(1)层理和预制裂纹方向对煤断裂力学性质影响规律试验研究;(2) 3D打印裂隙岩体动态力学性能及能量耗散规律初探;(3)不同热处理作用下花岗岩纵波波速和导热能力的演化规律分析;(4)基于PFC3D-GBM的晶体–单元体尺寸比对花岗岩动态拉伸特性影响分析;(5)基于滑坡敏感性评价的库区水动力型滑坡区域综合预警研究;(6)幂率型裂隙分布煤层渗流场与变形应力场耦合模型及数值模拟     

裂隙介质静动应力条件下的破坏模式与局部化渐进破损模型研究

裂隙岩体动力稳定性问题相当突出。已有大量关于节理裂隙几何特征对岩体静变形、静强度性质影响的室内模型试验研究，然而对岩体动力特征的研究至今大都还是针对完整岩石样的室内试验进行的。针对岩体工程中最常见的非贯通裂隙岩体(而不是完整岩样)及岩体工程中特有的动荷特征，对静、动荷载作用下裂隙岩体代表性体元RVE的破坏模式与变形、强度特性开展了系统的室内模型试验研究，从细观上分析了其破坏机理，从宏观上提出了适用于工程实际的模型与公式。主要内容如下：     

下期内容预告

正下期《岩石力学与工程学报》主要发表下列内容的文章:(1)海底隧道突水演化机制与过程控制方法;(2)温度与孔隙压力耦合作用下煤岩吸附–渗透率模型研究;(3)深部采场覆岩应力路径效应与失稳过程分析;(4)基于LBM方法的裂隙煤岩应力–应变过程中渗流特性研究;(5)温度和应力循环作用下花岗岩力学特性变化规律试验研究;(6)煤岩体在水中高压放电下致裂效果的定量评价;(7)滑坡运动冲击破碎物理模型试验研究;     

循环冲击载荷作用下岩石的力学特性分析

随着工程规模的不断扩大,深部岩体工程项目越来越多,深部岩体的开挖以爆破法为主。在岩体爆破开挖过程中,多数围岩在一定静载条件下承受循环冲击荷载作用。相关学者以SHPB系统为平台,以砂岩等作为分析研究对象,利用动静加载组合加载装置,开展常规冲击试验和循环冲击试验,分析总结砂岩在循环冲击载荷作用下的动态力学特性与破坏特征,分析岩石在循环冲击载荷下的损伤演化规律。     

静动载耦合作用下裂隙岩石损伤本构及演化特征

裂隙岩石在经过地震作用后,包括初始弹性模量在内的强度参数将发生改变,力学特性受到影响。基于MTS岩石力学试验平台,预制不同裂隙倾角、间距和连通率的试样,在进行单轴压缩试验之前,预先施加一定频率和幅值的动荷载,以模拟地震波的影响。基于宏观统计损伤模型,考虑动荷载作用造成的初始损伤与静荷载损伤的耦合作用,并根据最小耗能原理确定的损伤门槛值,建立修正的裂隙岩石试样损伤演化本构方程,并与试验结果对比,表明该方程能很好的描述试样峰前应力–应变关系。通过对损伤变量演化与裂隙岩石试样结构面特征关系的分析,表明裂隙的特征参数不影响试样的宏观本构关系。随着裂隙倾角增加,初始损伤量和临界损伤量均增加,损伤累积过程更显著;随着连通率增加,初始损伤量和临界损伤量均增加;随着裂隙间距增加,裂纹搭接、贯通程度增加,初始损伤量基本不变,临界损伤量减小。     

循环荷载下岩体结构面本构关系与积分算法研究

地下结构中广泛存在的各种不连续面是影响岩体工程力学特性的重要因素,研究结构面在循环荷载作用下的力学行为具有重要的工程意义。基于非关联塑性理论,同时定义加载剪胀段和反向剪缩段,建立了岩体结构面剪胀与塑性耦合本构关系;从结构面的基本损伤机制出发,基于拉、剪分离的思路,建立了一类基于能量原理的岩体结构面拉、剪损伤本构模型,该模型基于有效应力空间塑性力学基本原理,定义了岩体结构面拉、剪塑性Helmholtz自由能分量及损伤能释放率,建立了岩体结构面拉、剪损伤破坏准则。针对结构面在循环荷载作用下的强非线性问题,引入算子分解的思想,将弹塑性演化与损伤演化过程分开进行求解,提出了结构面弹塑性损伤本构关系的混合积分算法。分别进行了岩体结构面直剪和循环剪切试验的数值仿真,计算结果与模型试验基本一致,表明该模型在模拟非连续岩体复杂变形方面是合理有效的。     

压缩应力条件下花岗岩损伤演化特征及其对渗透性影响研究

基于岩石三轴压缩应力–应变全过程渗透特性试验,结合三维声发射监测信息,研究花岗岩在不同围压条件下力学损伤演化机制及其对岩石渗透特性影响规律。本研究对常规渗透试验方法进行改进,通过在试样两端加工渗透小孔,实现岩石不同破坏形式下渗透性变化规律的测量。试验结果表明,在压缩应力作用下,花岗岩的损伤演化始于微裂隙的产生和扩展,并在岩石破坏时和峰后阶段发展迅速。该损伤演化的阶段性特征与声发射监测数据一致,进一步说明了裂隙扩展是导致花岗岩力学特性劣化的根本原因。随着微裂隙的扩展,岩石渗透性不断增强,但在峰前加载阶段渗透性变化明显滞后于损伤演化过程。该结果表明,在裂隙贯通并产生宏观破坏面之前,裂隙扩展对花岗岩渗透性影响非常有限。在低围压条件下,岩石渗透性随围压增大迅速减小;当围压增大到一定程度后,该趋势逐渐减弱。结合声发射监测数据,对不同应力条件下损伤演化与渗透特性的相互关系进行分析,并提出花岗岩渗透率与损伤和围压的相关经验公式。     

下期内容预告

正下期《岩石力学与工程学报》主要发表下列内容的文章:(1)高位远程滑坡动力侵蚀犁切计算模型研究;(2)真三轴加卸载条件下组合煤岩冲击破坏特征研究;(3)损伤与破裂岩样力学特性试验研究;(4)岩石梯度应力加载试验装置研制及初步试验研究;(5)拉林铁路变坡面倾角崩塌落石对桥梁结构破坏作用的模拟分析与试验研究;(6)基于混合高阶非连续变形分析的刚性伺服数值试验方法;     

压缩应力条件下花岗岩损伤演化特征及其对渗透性影响研究

 基于岩石三轴压缩应力–应变全过程渗透特性试验,结合三维声发射监测信息,研究花岗岩在不同围压条件下力学损伤演化机制及其对岩石渗透特性影响规律。本研究对常规渗透试验方法进行改进,通过在试样两端加工渗透小孔,实现岩石不同破坏形式下渗透性变化规律的测量。试验结果表明,在压缩应力作用下,花岗岩的损伤演化始于微裂隙的产生和扩展,并在岩石破坏时和峰后阶段发展迅速。该损伤演化的阶段性特征与声发射监测数据一致,进一步说明了裂隙扩展是导致花岗岩力学特性劣化的根本原因。随着微裂隙的扩展,岩石渗透性不断增强,但在峰前加载阶段渗透性变化明显滞后于损伤演化过程。该结果表明,在裂隙贯通并产生宏观破坏面之前,裂隙扩展对花岗岩渗透性影响非常有限。在低围压条件下,岩石渗透性随围压增大迅速减小;当围压增大到一定程度后,该趋势逐渐减弱。结合声发射监测数据,对不同应力条件下损伤演化与渗透特性的相互关系进行分析,并提出花岗岩渗透率与损伤和围压的相关经验公式。     

复杂应力条件下裂隙网络扩展机制试验研究

裂隙岩体是工程最普遍的施工对象之一,工程扰动下裂隙的萌生、扩展和贯通均对岩体变形及强度特性产生显著影响。利用RMT–150C试验机及侧向加压设备,对含不同形式预制裂隙类岩石试样开展单轴及双轴压缩试验。结合不同加载条件下岩体裂隙扩展路径、破坏模式及声发射能量特征分析,并根据声发射定位事件特征,研究岩体裂隙网络在复杂应力条件下的扩展机制。分析结果表明:(1)侧向压力作用下,应力–应变曲线延性逐渐增强;(2)新生裂隙均自初始裂隙尖端产生并扩展,且侧压使得裂隙扩展路径会发生明显偏转;(3)声发射事件空间定位与宏观裂隙扩展过程具有较好的对应关系;(4)典型试样裂隙扩展前声发射定位事件占总定位事件比值均在80%以上,表明宏观裂隙扩展源自微裂隙的损伤累积。研究成果对于更加真实地分析模拟工程岩体失稳过程具有重要指导意义。     

基于能量耗散机制的片麻状花岗岩损伤与剪胀演化规律

为探讨岩石损伤破坏过程中能量耗散过程与剪胀变形间的关系,以南疆某水电站引水隧洞片麻状花岗岩为研究对象,设计并开展岩石不同围压下(0~50 MPa)遍布全过程应力–应变曲线的递增循环加卸载三轴试验。取得的主要研究成果有:(1)从能量耗散观点定义损伤变量,对循环载荷施加过程中的能量耗散参数、主应变与损伤变量之间的关系进行深入地分析,探讨围压对各个参数和变量的影响规律;(2)基于试验曲线获取不同围压下每级载荷下残余体应变(塑性体应变)与轴向残余应变之间曲线关系,为研究其剪胀特性提供了数据基础;(3)根据岩石损伤演化与残余剪应变(塑性剪应变)之间的函数关系,从而得到能量耗散率与剪胀角间的变化规律。研究表明,开展基于能量耗散机制的岩石损伤与剪胀演化规律研究为岩体破坏过程中的能量机制与膨胀扩容特性研究之间架起了桥梁。     

含裂隙岩石渗流力学特性研究

岩体中裂隙的存在严重影响着岩体的渗流特性。为了解不同载荷作用对含裂隙岩体渗流性能的影响规律,利用高精度渗流应力耦合三轴试验系统,对含裂隙砂岩和粉砂岩加载及卸载作用下的渗流特性进行试验研究。试验结果表明:(1)加载试验过程中,随着载荷的增大,试样裂隙隙宽逐渐减小,渗透率随之逐渐减小,渗透率与有效围压呈负指数关系;(2)卸载过程中,随着载荷的减小,岩石渗透率逐渐回升,但回升路径明显低于原始路径,路径不重合表明试样中裂隙的变形具有塑性变形的特征。根据试验结果,建立渗透率与有效围压的关系式,并确定关系式中的待定参数。在试验及理论研究的基础上,通过数值模拟分析试样裂隙面渗透率及渗流速度的变化规律。     

深部单裂隙岩体结构面效应的三轴试验研究与力学分析

 通过在类岩石材料中人工预制单裂隙,以常规三轴压缩试验为手段,研究深部单裂隙岩体的强度特征及破坏特性;用断裂力学原理分析单裂隙岩体沿结构面剪切破坏的影响因素,探讨裂隙岩体沿结构面滑动破坏的条件。研究结果表明：(1) 单裂隙试样强度不仅具有明显围压效应,而且与裂隙倾角和尺寸关系密切;(2) 裂隙是试件损伤的外在集中表现,裂隙试样的弹性模量和变形模量与围压、倾角及尺寸相关,裂隙尺寸对模量的影响最大,随着尺寸增加模量显著下降,而围压和倾角对模量的影响较轻微;(3) 预制单裂隙试样的破坏形式既有沿结构面的滑动剪切破坏,也有试样自身的剪切破坏,而当裂隙尺寸较小时,还将产生裂隙重置后沿新结构面的剪切破坏;(4) 单裂隙试样在理想II型剪切破坏时,断裂力学理论与莫尔–库仑强度准则达到较好统一;(5) 单裂隙试样沿结构面滑动破坏不仅取决于结构面倾角,而且与裂隙尺寸及围压大小关系密切,裂隙倾角适当,尺寸较小,围压较高时,试样才能产生沿结构面的滑动破坏,尺寸较大时,沿结构面滑动破坏对围压不敏感;(6) 单裂隙三轴压缩试验中,既有I和II型裂纹产生,也有III型裂纹的扩展。研究成果能为含裂隙或断层的地下工程开挖、支护设计及其稳定性分析提供理论参考。     

非贯通裂隙岩体三维复合损伤本构模型

针对非贯通裂隙岩体工程结构中的受荷岩体,提出受荷细观损伤与裂隙宏观损伤的概念。以完整岩石的初始损伤状态作为基准损伤状态,综合考虑裂隙宏观缺陷的存在,微裂纹细观缺陷在受荷下的损伤扩展,以及宏细观缺陷在受荷过程中的耦合,基于Lemaitre应变等效假设,推导考虑宏细观缺陷耦合的复合损伤变量(张量)。给出宏观损伤变量(张量)的计算公式,建立基于宏细观缺陷耦合的非贯通裂隙岩体在荷载作用下的三维复合损伤本构模型,利用试验数据对模型合理性进行验证,讨论不同围压下宏细观缺陷对裂隙岩体力学特性的影响规律。研究结果表明:1工程结构中的受荷岩体,其力学性能由宏观缺陷、细观缺陷以及所处应力状态所决定。单轴应力状态下,岩石力学性质具有明显的脆性,受裂隙几何分布影响较大,具有明显的各向异性。围压状态下,岩石力学性质具有明显延性特征。随围压增加,裂隙岩样的各向异性得到弱化,并趋于各向同性。2裂隙岩样常规三轴压缩试验时,若考虑岩石的压密过程,初始轴向应变在高围压时不能忽略。