高温作用下大理岩应力-应变全过程的试验研究

采用液压伺服刚性岩石力学试验系统,研究了大理岩在常温至800℃高温作用下的应力-应变全过程特性,比较系统地分析了高温作用对大理岩的刚度、峰值强度、峰后特性及残余强度等的影响.试验结果表明随着温度升高,岩石总体刚度、单轴强度降低表现出明显的软化特性,峰后特性及残余强度宏观上表现出由脆性向塑性的渐次演化.这些结果一定程度上反映了大理岩在温度作用下,其内部结构变化的基本规律,对今后高温岩体工程有一定的实用参考价值.     

高温和循环高温作用后大理岩力学性能试验研究与比较

采用MTS815．03电液伺服岩石试验系统，研究了深圳罗湖建成区F8断裂带大理岩在常温（20℃）至800℃高温下和在100℃～700℃循环高温下（8～9次循环）的应力-应变特性；系统地分析比较了高温和循环高温作用对大理岩的刚度、峰值强度及变形特性等的影响。试验结果表明：温度升高，岩石弹性模量降低，强度降低，出现峰值强度时的应变增加；当温度低于400℃的试样宏观上体现出脆性破坏的特征，而加温高于400℃的试样则渐渐体现出了延性破坏特征，峰值强度渐渐变的不明显。对两种试验比较可知：同温下，在循环加高温作用下试样的弹性模量、峰值强度等比只加一次高温要低，而且当加温温度越高时。峰值强度降低越明显。出现延性破坏特征也越明显。     

高温状态下大理岩力学性能实验研究

采用电液伺服材料力学试验系统对常温～800℃高温作用下大理岩的力学性能进行了研究,考察了大理岩的全应力 应变曲线、峰值应力σp、峰值应变εp、弹性模量E等量的变化特征。结果表明：随受热温度升高大理岩的峰值应力和弹性模量不同程度上渐次降低,尤其是在不同温度段岩石强度降低具有突变性,而峰值应变不同程度渐次增长。800℃时大理岩的延性明显增强,应力达到峰值后,应变仍表现出缓慢增加特性,但最终大理岩破坏方式仍以脆断为主。研究结果一定程度上反映了大理岩在温度作用下内部结构变化的特征,可为相关岩体工程设计与研究提供参考。     

高温后大理岩的冲击力学特性试验研究

 利用分离式霍普金森压杆设备对经历不同高温冷却后大理岩的冲击力学特性进行试验研究,得到不同高温作用后大理岩冲击压缩的应力–应变曲线,分析高温后大理岩纵波波速的变化及在冲击荷载作用下的峰值应力、峰值应变、弹性模量随温度的变化规律。研究结果表明,高温后大理岩的纵波波速随着温度的升高近似线性下降;在800 ℃之前,同一冲击加载速率作用下大理岩的峰值应力随着温度的提高变化并不明显,在800 ℃之后,峰值应力迅速减小;在600 ℃之前,同一冲击加载速率作用下大理岩的峰值应变随着温度的提高无明显变化,但在600 ℃之后,峰值应变随着温度的提高近似线性增加;总体上,弹性模量随着温度的升高呈现降低的趋势,且经历的温度越高,弹性模量下降的幅度越大。结合高温后岩石内部微观结构特征的变化,对大理岩冲击力学特性随温度的变化进行分析。     

温度损伤大理岩不同含水条件下的动态压缩特性研究

深部岩石工程围岩处于三高一扰动的复杂地质环境,岩石的力学性质表现出与浅部岩石不同的特征。因此研究温度损伤后岩石在不同含水条件下动态压缩特性在岩石工程中具有重要意义。研究选取均质的细颗粒房山大理岩,利用自主研发的50 mm直径的分离式霍普金森杆压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)系统,进行4种温度(25℃,105℃,450℃,700℃)损伤梯度下,干燥和饱水2种状态的单轴动态压缩加载试验;研究小孔隙率岩石温–水作用下的动态压缩特性。研究结果表明:随着温度的增加,大理岩的纵波波速均呈先上升后下降趋势,超过450℃时下降幅度明显;在试验所得加载率范围内,每级温度载荷下大理岩的动态压缩强度均有明显的率相关性,且和室温相比其他温度下岩石动态强度随着加载率的增加更加明显;当加载率一定时,温度损伤后干燥状态的岩石动态抗压强度随着温度的升高呈现明显的下降趋势,饱水状态的岩石呈现同样的变化趋势。经过105℃处理的损伤岩石,饱水和干燥状态下动态压缩强度近乎一致,而在450℃条件下,饱和岩石的动态压缩强度比干燥条件岩石的动态强度有所增加,压缩强度存在饱水强化现象,在700℃条件下,损伤岩石的饱水强化现象更加明显,并在高加载率下(加载率大于1500GPa/s),随着加载率的增加饱水大理岩动态强度增加较干燥大理岩更快。     

热损伤大理岩三轴力学特性及强度模型

高温作用会引起岩石热损伤。对经历20℃(常温),200℃,400℃和600℃温度处理后的粗粒大理岩试样开展40 MPa围压范围内的常规三轴压缩试验,研究热损伤对孔隙率、纵波波速、裂纹发育的影响,分析高温处理和围压共同作用下大理岩的强度与变形特征,并采用GSI弱化方法,基于Hoek-Brown模型提出一种可以描述热损伤岩石强度规律的GSI弱化模型。结果表明:随热处理温度升高,热损伤微裂纹逐渐增多,孔隙率增大,纵波波速迅速下降,岩石的延性得到显著增强;热损伤作用会显著降低岩石的强度,而随着围压逐渐增大,不同温度处理后的岩石强度逐渐趋于一致,表明在高围压条件下围压是影响岩石强度的主要因素;通过试验数据和3组热损伤大理岩试验数据验证可以发现,提出的GSI弱化模型可以较好地反映热损伤岩石的强度随围压的变化规律,GSI指标的变化可以表征热损伤程度的大小。     

残余强度阶段大理岩流变特性试验研究

锦屏二级水电站引水隧洞埋深大、地应力水平高,高应力状态下的大理岩具有明显的时效特性,工程部分岩体处于残余强度阶段,其流变特性对围岩长期稳定性具有显著影响。利用三轴压缩全过程试验获得进入残余强度阶段的大理岩试件,以此来模拟工程塑性区岩体,并对残余强度阶段的岩石试件进行不同围压下的三轴蠕变试验,系统研究残余强度阶段大理岩的蠕变特性及其长期强度。试验表明:残余强度阶段的大理岩具有明显的瞬时变形、减速蠕变和稳定蠕变特性;受内部大量破裂网格的影响,残余强度阶段岩体的瞬时应变和蠕变量较完整岩块有很大程度的提高;残余强度阶段大理岩的总蠕变量及蠕变速率均随偏应力的增大而增大;长期强度小于其残余强度且随围压的增大而增大;试件长期抗剪强度不具有黏聚力,内摩擦角较残余内摩擦角有所提高。基于残余强度阶段大理岩的蠕变特性,采用Burgers模型模拟其蠕变过程,并对蠕变参数进行辨识,研究表明:Burgers模型模拟结果与蠕变试验具有很高的吻合度,能很好地反映残余强度阶段大理岩的流变特性;其流变参数中弹性模量EM和黏性系数ηM均随着偏应力的增大而减小,黏弹性剪切模量GK与黏弹性系数ηK随偏应力的增大先增大后减小。     

深部温度、压力条件及其对砂岩力学性质的影响

深部岩石处在一定的地质环境之中，其中温度和压力条件对岩石力学性质具有重要的影响。从温度和压力条件入手，研究塔里木盆地塔河油田石碳系和三叠系砂岩所处的地温和地压环境；在此基础上，采用三轴岩石力学测试系统研究砂岩的力学特性，剖析深部条件下不同温度和压力对砂岩力学性质的影响，建立砂岩力学性质与温度和压力之间的相关关系。研究结果表明，砂岩力学强度与其所处的地温环境和地应力环境密切相关，表现为岩石的刚度和强度均随温度的增大而降低，且砂岩破坏后其残余强度值也相对降低。而岩石的刚度和强度均随围压的增大而增大，其破坏机制也均随围压的增大而发生转化。     

不同成岩作用程度砂岩物理力学性质三轴试验研究

采用三轴岩石力学测试系统分析了不同侧压条件下砂岩岩石的孔渗性和力学特性及变形破坏机制 ,建立了砂岩岩石物理力学性质与侧压之间的相关关系。研究表明 ,砂岩的孔隙度和渗透率均随侧压的增大而减小 ,且服从对数函数变化规律。砂岩的刚度和强度均随侧压的增大而增大 ,具有明显的压硬性。岩石破坏后的残余强度随着侧压的增加下降梯度减小 ,而残余强度值相对提高。不同侧压下岩石的破坏机制表现出随着侧压的增大 ,成岩作用程度较弱的岩石应力 -应变曲线由应变软化性态向近似应变硬化性态过渡 ;而成岩作用程度相对较强的岩石在单轴压缩条件下表现为脆性张破坏 ,随着侧压的增加 ,便进入剪切破坏 ,岩石应力 -应变曲线表现出明显的脆性和应变软化特性     

高温下大理岩受压破坏的细观结构分析

探究高温对岩石的作用机制,对于解决高温岩石工程问题具有重要意义。利用日本日立公司制造S–3000 N扫描电子显微镜对在20 ℃,200 ℃,400 ℃,600 ℃,800 ℃高温作用下以及经历400 ℃,600 ℃和800 ℃高温作用冷却后受单轴压缩破坏的徐州大理岩进行表面元素分布测定、表面形貌观察和超微结构分析,以期在细观层次上对大理岩的受压变形、强度及破坏特性等做出机制性的解释。研究结果表明：常温下徐州大理岩的颗粒较为粗大,为典型解理开裂且部分颗粒内及颗粒间存在裂纹,温度升高至800 ℃时,岩样端口表面碎裂明显、颗粒变小且形态较为规整、部分区域内存在细长裂纹;高温下和高温后受压破坏的大理岩细观结构差异较大;800 ℃之前大理岩总体的质量百分比没有明显变化,温度达到800 ℃时大理岩各元素的质量百分比发生较大的变化,Ca元素的质量百分比急剧下降而Si元素的质量百分比迅速上升,说明其结构可能发生由晶态向非晶态的相转变,致使大理岩的力学指标骤降。     

高温下大理岩力学性质的试验研究

 对徐州大理岩在常温至800 ℃下的力学性质进行试验研究,详细分析高温下及高温后大理岩的峰值应力、峰值应变、弹性模量以及应力–应变全过程曲线等随温度的变化情况,并通过扫描电镜对不同温度状态下大理岩的细观特征进行初步探讨。研究表明,随温度的上升大理岩的体积增大,而其质量及密度下降;低于400 ℃,大理岩的力学性质变化不大;高于400 ℃,大理岩的峰值应力和弹性模量均有不同幅度的降低,峰值应变随温度的升高而大幅增加;经800 ℃高温作用后大理岩的结构整体发生转变导致其力学性质发生突变;大理岩高温后的强度指标(峰值应力、弹性模量)低于其高温下的强度指标,同时,大理岩高温后的峰值应变低于其高温下的值。200 ℃以下大理岩断面微裂纹主要为张性裂纹,600 ℃以上大理岩出现缩聚裂纹和剪性裂纹且逐渐增多;高温后大理岩微裂纹的扩展、贯通比高温下更为明显。     

单向荷载作用下岩石损伤模型及其力学特性研究

从唯象学角度出发并根据Ｗｅｉｂｕｌｌ统计分布理论，推导出岩石在单向荷载作用下的损伤模型，确定了岩石材料在单向荷载作用下测定损伤的方法；揭示了临界损伤值与材料固有力学特性之间的关系。指出峰荷应力下的损伤参量类似材料弹性模量、强度和峰荷应变一样，也是材料固有的力学特性之一，并且是三者的综合表现。本文的损伤模型可确定纯压、纯拉和纯弯等单向荷截作用下的临界损伤值，可用于非刚性试验机或非伺服试验机上岩石损伤的测定。该方法同样适用于其它工程材料损伤的测定。另外，还建议性地提出了确定岩石压缩应力－应变全过程曲线上线弹性极限强度、准弹性强度、屈服强度以及残余强度的数学表达式，与有关试验结果对比分析表明，这些表达式具有较好的精度。     

不同围压下断续预制裂纹粗晶大理岩变形和强度特性的试验研究

通过在MTS815.03岩石力学伺服试验机上对断续预制裂纹粗晶大理岩进行常规三轴压缩试验,基于试验结果研究不同围压下断续预制裂纹粗晶大理岩的变形和强度特性。结果表明,随着围压的增加,完整岩样和断续预制裂纹岩样峰后表现从应变软化逐渐转化为理想塑性的变形特性;岩石峰值环向应变对围压的敏感程度高于峰值轴向应变;强度与围压之间的关系可采用Coulomb准则来表征,且残余强度对围压的敏感性显著高于峰值强度。粗晶大理岩晶粒尺度较大,完整岩样的杨氏模量随围压而增大,峰值应变与围压之间成正线性关系;而断续预制裂纹岩样的杨氏模量以及峰值应变和围压之间的关系较为复杂,且随裂纹倾角而变化。单轴压缩时,断续预制裂纹岩样峰值强度与裂纹倾角密切相关,其最大轴向承载能力取决于两条预制裂纹内部顶端的扩展模式以及晶粒间的摩擦滑移;较低围压(σ3≤10MPa)时,与完整岩样的峰值强度相比,断续预制裂纹岩样的峰值强度明显偏低,但残余强度相差不大;而较高围压(σ3>10MPa)时,岩样进入塑性流动阶段后,完整岩样和预制裂纹岩样的三轴强度(峰值强度和残余强度)相差很小,粗晶大理岩样的轴向承载极限与预制裂纹分布关系不大,晶粒间的摩擦承载决定粗晶大理岩的强度特性。     

高温变温环境下喷射混凝土–岩石界面剪切特性及温度损伤模型研究

高岩温隧道修建过程中,喷射混凝土结构实际上是在高温变温环境下水化成型并发挥支护作用。基于隧道内实测环境参数及初支混凝土温度数据,开展混凝土–岩石界面剪切力学特性试验。根据试验结果,探明隧道内初期支护混凝土的温变周期,对比分析试样剪切破坏模式、界面剪切强度、位移在不同变温条件下的发展特征。通过讨论剪切变形曲线特点,建立考虑温度损伤效应的岩石–混凝土界面剪切本构模型。结果表明:初支混凝土在5～7 d可降至洞内环境温度。随着初始养护温度的升高,剪切曲线峰前弹性增长,压密硬化及峰后弹性软化规律明显。剪切破坏模式主要为胶结面及混合剪切破坏2种。峰值剪切应力与养护温度呈负增长函数关系,峰值剪切位移与养护温度呈正增长函数关系,且法向应力水平的增加对于温度引起的力学特性损伤有一定的削弱作用。基于室内剪切力学特性试验成果,建立考虑温度损伤及法向应力修正的岩石–混凝土界面剪切本构模型。通过计算曲线与试验曲线的对比验证,表明两者拟合度较高,该本构模型可以适用于分析不同程度高温损伤下的混凝土–岩石界面剪切力学特性。研究结论可以为受高温影响的隧道及地下工程支护设计和分析提供一定理论支撑。     

三轴压缩下水影响绿泥石片岩力学性质试验研究

为了解西安黑河水利工程坝肩绿泥石片岩的力学特性,利用RMT-150C岩石力学多功能试验机,分别对干燥和饱水状态的绿泥石片岩进行三轴压缩试验.基于试验结果,比较试样在不同围压作用下的力学性质,详细讨论水对试样强度和变形特性的影响规律,重点研究峰值强度、残余强度、软化系数、峰残差、峰残强降率、弹性模量及变形模量等强度变形指标的围压效应,最后分析三轴压缩状态下岩石的破坏类型及机制.结果表明,绿泥石片岩属于水敏型岩石,水对各个强度和变形特性的影响是显著的,并随着围压呈一定规律的变化.     

基于Lade-Duncan和SMP两种强度准则的岩石残余应力研究

 首先利用平面强度理论推导出基于Lade-Duncan和SMP两种准则的强度统一表达式,并结合岩石材料峰后应变软化的力学特性,以峰后内摩擦角?为中间变量,用残余应变 ? 来表示峰后非线性弹性模量E,最后建立岩石峰后残余应力的统一非线性本构方程(即峰后本构模型)。结合小官庄铁矿东区典型破裂岩闪长玢石的三轴试验,对该试验结果进行不同围岩下峰后应力–应变关系的模拟计算。结果表明,建立的峰后本构关系能较好地模拟试验结果,从而验证该模型的合理性,为研究岩石峰后力学规律提供新的途径。     

基于强度理论的岩石脆延转化统计损伤本构模型

岩石脆延特性转化过程模拟是现有统计损伤本构模型理论研究的重要内容之一。首先，基于三轴压缩试验资料，分析了围压水平变化对岩石应力特征值及其脆性指标的影响规律，针对M-C强度准则仅能够预测低围压水平岩石应力特征值，提出能够适用于预测围压水平大区间变化条件下新型岩石强度准则；然后，结合统计损伤理论，建立基于强度理论的岩石统计损伤演化模型，进而在考虑残余强度特征的损伤模型基础上，建立岩石脆延转化统计损伤本构模型，并给出参数的确定方法；最后，通过大理岩试验资料分析表明，本文强度准则能够很好地预测大理岩应力特征值的变化规律，本文模型能够很好地模拟大理岩脆延特性转化过程，揭示出现有统计损伤模型无法模拟脆延特性转化的关键因素在于它缺乏适用于围压水平大区间变化条件下岩石强度准则并忽视了应力特征值的预测值偏离程度对模型曲线产生的影响，拓宽了现有统计损伤本构模型理论的应力水平适用性范围。     

高围压高水压条件下大理岩断口微观机理分析与试验研究

为了探讨高围压高水压对大理岩变形、强度、脆–塑转化特性及破坏断裂损伤劣化的影响,取锦屏二级水电站引水隧洞大理岩分别进行高水压、高围压、低围压作用下全应力–应变过程三轴压缩对比试验,然后,对大理岩破坏断裂断口进行微观电镜扫描试验,分析不同工况条件下大理岩断口微观形貌特征。试验结果表明,在低围压作用下莫尔强度包络线近似为线性的,在高围压作用下莫尔强度包络线是非线性的。高水压力的存在抑制岩石脆性向塑性的发展,降低岩石的强度,同时对软化区裂纹的扩展、贯通起到加剧作用。通过微观数字图像试验分析发现,高围压条件下大理岩断口裂纹长度小、密度大、分布相对均匀,给出高水压高围压作用下岩石破裂产生的微观损伤力学机理,为进一步分析高围压高内外水压条件下非圆形洞室围岩失稳破坏机理提供了可靠的试验依据。     

岩石的高温动态统计损伤本构模型研究

结合连续强度理论和随机统计分布假设,在常温统计损伤演化方程的基础之上引入温度影响因素,推导了大理岩的高温统计损伤演化方程;采用组合建模的方法,以损伤力学为基础,将统计损伤体引入到粘弹性本构模型中,构建了能够反映温度影响效应的大理岩高温动态统计损伤本构模型。利用带高温装置的分离式霍普金森压杆试验系统进行了大理岩在不同高温与不同加载速率共同作用下的动态力学试验,基于试验结果,确定大理岩高温动态统计损伤本构模型的参数,并对理论模型进行验证,拟合程度较好,可为岩石类脆性材料动态本构关系的进一步研究和工程应用提供参考依据。     

深埋大理岩破裂扩展时间效应的颗粒流模拟

 由于颗粒流程序(PFC)对岩石基本力学特性的描述是从颗粒间接触状态及其变化特征入手,因此PFC能够克服由于岩石本身细观特性所造成的描述上的困难,实现在岩石模型中对细观结构的模拟,而这些都是传统断裂力学理论无法解决的。针对锦屏深埋大理岩在破裂过程中表现出的时间效应,通过在平行黏结模型中引入损伤速率概念形成平行黏结应力腐蚀模型(PSC),结合室内大理岩静态疲劳破坏试验,确定PSC模型中的相关细观力学参数。利用PSC模型对锦屏深埋大理岩破裂扩展的时间效应的模拟,分析在不同驱动应力比作用下大理岩的变形特征、裂纹特征和破裂特征。研究结果表明,利用PFC能够展现出与岩石破裂过程相符的细观特征,而这些细观表现有利于更好地理解脆性岩石强度的时间效应。