等幅循环加载岩石变形局部化带位移演化规律

岩石是一种非均质天然工程材料,在工程中往往处于一种循环往复加载状态之中,研究循环加载过程中岩石的变形局部化演化规律,为岩土工程结构的稳定性提供理论支持。将循环加载简化为等幅循环和分级等幅循环2种加载条件,开展红砂岩试件的2种循环加载方式下的实验研究,采用CCD(Charge-Coupled Device)相机对试验过程中试件的变形图像进行采集,基于数字散斑相关方法分析了等幅循环加载过程中试件变形局部化带位移演化规律。分析发现:循环加载全过程中,局部化带位移随加卸载应力呈现波动上升变化;相对于加载应力的变化,位移演化存在时间滞后性,且随着循环次数的增加位移存在明显的累积效应。循环加卸载过程中,局部化带位移顶点相对于加载应力顶点的滞后时间数值于循环前期呈平稳波动、循环后期呈上升波动;局部化带位移底点相对于卸载应力底点的滞后时间数值随循环次数的增加呈现平稳波动。整个循环过程中,当加载或卸载到同一应力水平时,局部化带的位移随着循环次数的增加而增大;每次循环过程中的同一应力水平下,卸载过程的位移数值大于加载过程的位移数值。随着循环次数的增加,局部化带位移存在明显的缓慢演化阶段和加速演化阶段。在试件破坏前,卸载底点处的局部化带位移值明显趋近于加载顶点处的局部化位移值,该局部化带位移演化特征可以作为循环加载过程中岩石试件或结构失稳破坏的一个前兆信息。研究可为循环荷载下的岩土工程材料或结构的失稳破坏提供新的特征力学监测量,即在某一特定应力环境中,当低应力状态的变形量值与相对高应力状态的变形量值都随时间发生增大且低应力对应的变形量值增加速率明显大于高应力对应的变形量值增加速率时,岩土材料或结构将会发生失稳破坏。     

单轴循环加卸载岩石非均匀变形演化特征

为了研究循环加卸载下岩石材料的力学响应机制,开展了花岗岩试件单轴循环加卸载非均匀变形演化试验研究。采用CCD相机对试验过程中试件的变形图像进行采集,基于数字散斑相关方法分析了循环加卸载过程中试件的非均匀变形、局部化影响特征参数演化规律。研究发现:随着循环次数的增加,非均匀变形现象越来越明显;非均匀变形统计指标S w随着加载应力的增大而增大,随着循环次数的增加而加剧;当试件出现局部化现象后,后续循环随着应力的增大及循环次数的增加,其挤压位移和局部化带影响宽度皆有所增大。     

循环加载保载卸载下泥质砂岩滞后破坏特性

采用TATW-2000电液伺服试验机对泥质砂岩试件进行单轴循环加载保载卸载破坏试验:首先对试件施加轴压至预定值,然后保持该压力值约115 s左右,以使泥质砂岩试件变形有足够时间达到一个相对稳定状态,以至于轴向变形速率小于0.005 mm/h;当试件在该压力作用下变形相对稳定后,再进行轴压卸载和下一个循环加载、保载、卸载过程;如此循环,直到试件在保载过程中发生破坏。本次试验研究结果表明,在循环加卸载试验中,无论是加载还是卸载过程,岩石变形都滞后于外部应力变化;在轴压加载至设定值并进入保载过程中的较短时间范围内,岩石变形并不立即停止而是随时间有一定程度的缓慢增长,即具有变形滞后特性;在循环加载、保载以及卸载条件下,岩石试件最终破坏前会产生大量的竖向裂纹;与常规单轴压缩试验相比,在单轴循环加载、保载、卸载条件下的泥质砂岩试件滞后破坏时的平均单轴抗压强度有所降低;在岩石恒载滞后破坏试验中,岩石滞后变形为试件达到破坏所需弹性能补充提供了供给途径。     

分级循环加卸载作用下花岗岩变形破坏研究

以地下深部花岗岩为试验材料,利用GAW-2000微机控制电液伺服岩石单轴试验机进行分级循环加卸载试验,研究在同一递增荷载幅度条件下,试件的抗压强度、变形、破坏特征、残余应变以及弹性模量的变化趋势。结果表明：在单轴分级循环加卸载试验作用下,岩样的峰值强度随着每级循环次数的增加呈现递减趋势,且单调荷载应力-应变曲线包络住循环荷载应力-应变曲线；岩样破坏特征主要以剪切破坏为主,随着循环次数增加,破坏裂纹更加分散；岩样在加载过程中,岩体内部的结构在不断地调整,导致结构面变得密集与裂隙间更加闭合,卸载时回弹变形有滞后现象,加载起点与卸载终点不重合；轴向弹性、残余应变与环向弹性、残余应变随循环次数变化的规律具有相似性,岩样弹性模量曲线的趋势以“波浪形”的规律交替变化。     

基于变形场时空演化的煤冲击劈裂试验研究

采用霍普金森杆冲击加载装置,通过高速摄影机搭建实验的数据采集系统,以数字散斑相关方法作为实验的观测手段,对巴西圆盘煤试件在冲击载荷作用下的冲击劈裂变形场演化规律及裂隙扩展特征进行实验研究。试验结果表明:1从变形场演化特征分析,加载初期变形场相对均匀,随荷载增加变形局部化特征明显。变形场时空演化总体表现为两个阶段特征:峰前水平方向变形量值变化较快,垂直方向变形量值变化较慢;峰后由于裂隙演化,水平方向变形量值变化缓慢,垂直方向变形量值变化较快;2霍普金森杆加载过程中,在试件两端加载处出现了局部压碎区,加载过程中主裂纹从压碎区域萌生并沿径向加载方向扩展至另一端贯通破坏;3实验测得煤样在冲击载荷作用下峰前应力随应变呈线性增长,弹性模量与静荷载相比有较大提高,由于压碎区域存在,冲击加载实验得到的煤试件拉伸强度与实际相比偏小。     

循环加卸载下岩石力学性能的加载速率效应研究

矿山开采过程中存在岩石受周期性扰动影响,对岩石的力学性质产生显著影响。为了解不同循环加卸载方式下岩石的加载速率效应,对矽卡岩试样进行不同加载速率的恒下限循环加卸载和变下限循环加卸载试验,对比分析了不同加载速率两种循环加卸载方式下试样的变形特征、能量演化规律以及破坏特性。结果表明：试样的峰值强度和残余变形具有不同加速率效应,但其峰值强度相比于常规单轴压缩试验均有提升;随加载速率增大,试样各阶段的输入能、弹性能和耗散能均呈增长趋势,但表现形式有所差异;试样的破坏方式及形态均表现出加速率效应,随着加载速率的增大其破坏程度加剧。     

三轴多级循环加载下不同类型岩石的应力应变响应特性研究

岩石在动荷载作用下将表现出与在静荷载作用下显著不同的力学特性。采用MTS-815Flex Test GT岩石力学试验机对从某一地震滑坡区采集的两种岩石（白云岩和千枚岩）开展了三轴多级循环加卸载试验,旨在获得这两种岩石在循环荷载下的力学特性。试验采用的围压为10MPa,正弦波加载频率为2Hz,每级应力水平下的循环周次为60。基于试验获得的轴向应力—应变全过程曲线,着重分析了两种岩石的应力—应变曲线特征、累积残余应变特征和回滞环特征,并分析了循环周次和应力幅值对这些特征的影响。结果表明：1）两种岩石在一次循环加卸载过程中产生的应力应变回滞环具有相似的窄尖叶形状。在加载过程中,岩样以线弹性变形为主,应力—应变曲线为近似直线;在加载与卸载的过渡阶段,曲线迅速逆转,表明弹性应变迅速恢复;卸载过程中出现了相对于应力的小应变滞后现象,应力—应变曲线为上凹形;2）两种岩石的累积残余应变和回滞环特征参数随着循环周次和应力幅值增加呈现出三阶段变化规律,但此规律受岩石初始缺陷的影响很大。对于非均质化程度高的千枚岩样而言,上述规律性明显弱得多;3）在多级循环加载作用下,两种岩石均为剪切破坏,峰值强度都较静态峰...     

不同倾角岩体结构面在循环动力扰动下的力学特性

为了研究大型硐室或边坡中不同倾角岩体结构面在动力扰动下的变形特征和破坏机理,采用微控电液伺服疲劳试验机对不同倾角结构面岩石进行不同振幅的周期性动力扰动力学试验,实验结果表明:动力扰动下结构面岩石试件发生破坏时产生大量的沿着轴向发展的竖向裂纹,随后结构面岩石试件碎裂成相对较薄的片状或条状碎屑,在宏观上表现出沿着结构面倾向膨胀;每次加、卸载的应力应变曲线都会形成一条封闭的滞后环曲线,且该曲线总体呈现出疏—密—疏3个阶段的特征;在结构面岩体倾角一定时,滞后环曲线的面积及岩体的变形模量随着扰动应力幅值的增大而增大,表明扰动振幅增加使得扰动岩石在每个循环周期中内部积聚更多可消耗的能量,用于矿物颗粒之间的黏滑消耗以及原有微裂纹的增生和新裂纹的产生,导致岩石达到破坏所需的累积不可逆变形总量会降低,劣化试件的抗载性能;当扰动应力幅值一定时,滞后环曲线的变化幅度随着结构面岩体倾角的逐渐增大而增大,岩体的变形模量随之减小,岩石的阻尼比呈现先减小,然后稳定,再增大的趋势,反映了岩石中裂隙从初始变形(空隙压密)到等速变形(微破裂稳定发展)到加速变形(裂隙贯通)后整体破坏的过程;结构面岩石试件发生破坏的扰动应力...     

循环加载岩石界面滑移位移演化特征试验研究

在岩土工程实践中,岩石界面摩擦滑移会引起工程失稳问题,严重威胁着人们的生命财产安全;岩石界面的滑移问题往往处于一种往复加载状态,目前大多数学者对于岩石界面滑移问题的研究往往是在单一的加载状态下进行的,而对于往复加载状态研究较少;为了研究循环加卸载作用下界面滑移位移场演化特征,设计并开展了花岗岩试件恒定围压下的双剪模型试验研究。利用CCD相机采集界面滑移过程中的散斑图像,并利用白光数值散斑相关方法对该组花岗岩试件在实验过程中的位移场、摩擦滑移位移在循环加卸载情况下的演化特征进行研究分析。试验结果表明:①在循环加卸载作用下,随着循环次数的增加,位移场会发生明显的摩擦滑移,且当循环到一定次数,试件会发生整体黏滑现象;②随着循环次数的增加,位移场随着循环加卸载发生明显的时空演化特征,空间上存在明显的剪切位移增大和减小区域,同时随着循环次数的增加位移存在明显的累积,表现为位移演化的分区性及剪切位移场累积效应。时间上存在剪切位移演化相对于剪切应力的滞后性;③相同剪应力水平下,随着循环次数的增加,垂直位移整体趋势有所降低,界面咬合程度增加,水平滑动位移有所增加,界面分区滑动机制改变,加载端和自由端存在明显的黏滑现象;④在试件发生整体黏滑前后,剪切位移随着循环次数的增加发生不同的变化;黏滑前,随着循环次数的增加,剪切位移缓慢增大,黏滑后,随着循环次数的增加剪切位移明显增大;即黏滑前后,界面滑移速率由小变大。     

不同含水状态凝灰岩损伤演化试验研究

为探究矿井巷道、隧道开挖过程中岩石含水状态对围岩变形稳定的影响,开展干燥、自然及饱水状态下凝灰岩三轴压缩试验.基于三维数字图像相关技术研究了含水状态与岩石全应力-应变曲线、表面变形场、变形局部化及损伤演化特征的对应关系.结果表明:从干燥到饱水状态试件各特征应力阈值显著降低,弹性模量与泊松比显著降低;破坏阶段全应力-应变曲线跌落趋势趋于平缓,软化特征明显.从干燥到饱水状态试件表面变形非均匀程度增加,变形局部化现象提前启动,变形局部化带宽度明显增加.从干燥到饱水状态试件局部化轴向、径向启动应力水平显著降低,且与含水率保持良好的线性关系.基于变形场数据统计分析提出表征岩石表面损伤大小的损伤因子,干燥及自然状态损伤因子呈突发式增长现象,而饱水状态下呈缓慢增长趋势;不同含水状态损伤因子演化曲线均存在"突变点",统计结果表明随着含水率增加,损伤突变点对应应力水平值显著降低.     

双节理贯通岩石锚固机理试验研究

锚杆支护在矿山采动巷道裂隙围岩中应用范围不断扩大,揭示节理岩石锚固控制机理有利于提出科学合理的参数设计。采用声发射和数字散斑相关方法对45°倾角双节理岩石单轴压缩试验过程中的声发射数和变形场进行监测,建立了应力-应变曲线与声发射信号的对应关系,研究了曲线的变化特征以及声发射信号的分布规律,并分析了锚固作用对双节理岩石强度及变形特性影响。基于不同加载阶段双节理岩石表面散斑位移场分布特征和演化过程,总结了锚杆对节理岩石变形破坏模式和形态的影响规律。通过分析双节理岩石在不同阶段的变形演化特征与声发射数据活跃点位置及数据的对应关系,对试件破坏过程进行了划分。结合锚杆的变形形态,建立了压剪状态下锚固节理岩石力学模型,对其在不同加载阶段下进行受力分析,分析了双节理岩石破坏模式以及锚杆抗压剪、抑滑移锚固作用机理。结果表明:(1)锚固双节理岩石可以承受较大的轴向变形而不发生失稳破坏,其起裂强度、弹性模量、峰值应变比无锚试件分别提高了30.7%,45.0%,109.9%,而泊松比仅为无锚试件的50%;(2)锚固双节理岩石的破坏模式主要为断裂失稳,断裂失稳过程分为节理填充物滑动、节理面错动致裂、底部岩石起...     

单轴循环荷载作用下砂岩变形特性与能量特征

为了研究单轴循环荷载下砂岩的变形与能量特性,利用WDT-1500多功能材料试验机,对砂岩进行不同应力振幅条件下循环加载试验,研究了循环加载过程变形3阶段的变形特性、循环软化与循环硬化及能耗特征,并且建立了耗散能随循环次数变化的演化方程。研究结果表明：① 循环荷载上限高于或者低于砂岩屈服应力时,在循环加载过程中的初始阶段和等速阶段砂岩的环向和轴向变形表现出不同的变形特性;② 单轴压缩条件下的屈服应力是砂岩在循环加载过程中循环硬化和软化特性出现变化的分界点;③ 在循环加载过程中的不同阶段能量耗散特征及其演化规律是不同的,其演化曲线呈现U形或者L形;④ 提出基于Lazan材料阻尼理论的耗散能演化方程,试验数据与计算结果对比显示该方程能够较好地反映砂岩循环加载过程中的能量耗散特征。     

砂岩真三轴分级加载声发射特性与损伤演化研究

深部矿井、隧道等深地工程岩体处于三向高应力状态,受采掘影响围岩在竖向常受到明显的分级加载作用。针对岩石真三轴分级加载声发射特性的研究,对于深地工程围岩变形破坏灾变监测预警具有重要意义。为此,开展了砂岩真三轴分级加载声发射监测试验,分析了砂岩在真三轴分级加载过程中的声发射信号特征,揭示了基于声发射窗口波形数的岩石损伤演化规律。结果表明:砂岩在真三轴条件下,随着最大主应力不断提高,破坏形式逐渐由拉伸破坏向剪切破坏转化。声发射窗口波形数对于砂岩内部应力变化具有良好响应,能够直观反映岩石内部损伤演化,因此提出了基于累计窗口波形数的损伤变量和损伤演化模型。砂岩损伤—应变关系可以分为4个阶段:初始损伤阶段,三向同时加载导致岩石内部缺陷压密闭合引起轻微损伤;损伤平稳发展阶段,损伤缓慢增加,损伤—应变关系接近线性;损伤快速发展阶段,岩石应变不随应力升高而增加,损伤迅速增长;破坏失稳阶段,岩石应变不断增加,内部裂隙扩展、贯通形成宏观破裂面直至岩石失稳破坏。     

岩石渐进性破坏过程中变形和能量分析

岩石的破坏是一个渐进的损伤演化过程,对于岩石渐进破坏过程的探讨有益于进一步加深对其破坏机理的认识。通过对江持安山岩进行不同围压的三轴压缩试验,分析了岩石整个破坏过程中应变场的演化规律和不同围压条件下的应力、应变及能量变化特征,获得如下结论:岩石在应变软化阶段由应变局部化区域演化为较窄的应变局部化带贯穿试件形成宏观的破裂面,岩石残余强度变形阶段应变主要集中在局部化带内,局部化带外的变形较为均匀,表现为沿宏观破裂面的剪切滑移;各应力阈值对应的轴向应变、径向应变、总应变能、弹性应变能均随围压呈线性递增;峰值强度之前岩石中吸收和存储的能量随围压的增加而增大,总应变能和弹性应变能的增长速率随围压的增加而增大。     

分级循环加卸载煤体变形破坏特征试验研究

瓦斯抽采钻孔在采动影响下所处的应力状态比较复杂,随着工作面的推进,经历复杂的加载和卸载共同作用,易导致抽采钻孔失稳破坏。为深入研究采动影响下煤体钻孔的变形破坏特征,通过开展单调加载及分级循环加卸载试验,分析不同加载路径下试样的强度特征,并结合数字散斑技术(XTDIC)分析试样单轴压缩过程中裂纹扩展及孔周位移演化规律,通过布置"虚拟引伸计"分析试样局部化带位移演化特征。结果表明:与单调加载路径相比,分级循环加卸载路径下试样的抗压强度减小,减小幅度为4.59%;分级循环加卸载路径下,含钻孔试样的最终破坏是由远场裂纹与钻孔两侧的剪切裂纹贯通形成宏观破裂带导致的,不同加载路径下试样破坏模式均为拉剪复合破坏,破坏形态呈"X"状;试样加载顶点与卸载低点的张拉、错动位移随着循环次数增加逐渐增大,呈波动上升趋势,并且在时间上滞后于应力变化;孔周位移测点层位越高,试样加载至相同时刻的位移越大;分级循环加卸载路径下,试样卸载阶段的测点位移有轻微恢复现象,最大恢复量为0.149 mm,位移随时间增长表现为"台阶式"递增现象。     

不同循环加卸载速率下砂岩的力学特性研究

隧道开挖、矿山开采等工程中均涉及有岩石应力周期性压缩和拉伸现象,施工条件产生的力学效应对岩石结构影响显著。为研究不同加卸载速率下岩石的变形破坏特征,设计了砂岩在单轴条件下非等同加卸载速率循环荷载试验,基于应力-应变曲线、滞回环、残余应变及弹性模量等角度深入分析了砂岩岩体在循环荷载下的损伤、失稳劣化演化规律。结果表明：横幅循环荷载残余应变与循环次数呈对数函数相关,分级循环荷载中每一级的上限应力对应变的改变量要大于下限应力对应变的改变量;残余应变与循环次数拟合结果为同一斜率的线性相关函数;加载方式对岩样弹性模量大小有一定影响,且加卸载速率一致时对其影响最大。     

岩石节理峰前循环直剪试验颗粒流宏细观分析

利用二维颗粒流(PFC2D)程序较为完善地实现了考虑二阶起伏体岩石节理的峰前循环数值直剪试验,并分别从宏观和细观角度分析了节理峰前循环直剪试验中节理累积损伤特征与抗剪强度的变化规律。对比分析已有的室内试验成果,验证了计算方法的可靠性。研究表明:①随着岩石节理一阶起伏角、法向压力的增大,节理的破坏模式按爬坡—爬坡啃断—啃断趋势发展,且抗剪强度随着一阶起伏角、法向压力的增大总体上呈增大趋势。②低幅值的循环荷载对节理剪切强度的影响极为有限,甚至可以忽略,但随着循环加载幅值的增加,节理起伏体上裂纹的扩展贯通程度、裂纹的数量均显著增多,表明循环加载幅值的大小是决定节理起伏体累积损伤速度的关键因素。③节理裂纹数量随循环加载次数的增大而增加,且有增速的趋势,在循环加载次数增加到某个量级时,裂纹出现激增的现象,表明节理疲劳裂纹的扩展贯通有累积后突变的演变特征;不同破坏模式下,节理的峰值抗剪强度均随着循环加载次数的增加呈现出先增后减的变化趋势,表明有限次数的循环加载有利于增大节理的峰值抗剪强度,但循环加载最终会因节理的累积损伤造成其抗剪强度的劣化。研究结果丰富了室内试验成果,有助于进一步认识岩石节理在微震频发作用下的累积损伤与强度劣化规律。     

岩石在不同应力幅值下受低频循环扰动的力学特性试验

设计3种不同类型的岩石在不同应力幅值下的循环扰动试验。试验结果表明:当扰动应力幅值较小时,岩石在循环加载下出现弹性模量强化效应,不同类型的岩石弹性模量强化程度不同;循环动力扰动加载试验存在应力上限门槛值,只有大于应力上限门槛值,试样才会发生破坏;扰动应力幅值对岩石的破坏影响显著,在高应力幅值下,循环次数迅速减少;在低应力幅值下,试件破坏形态为剪切破坏,在高应力幅值下,破坏形态复杂,出现板裂化破坏和碎块弹射。建立了循环扰动作用下的应变损伤模型,通过分析不同应力幅值下损伤变量的变化规律,得出如下结论:岩石损伤可划分为迅速增长阶段、平稳发展阶段、快速增大阶段,且随着扰动应力幅值的增加,平稳发展阶段的循环数显著减少;当应力幅值提高,损伤变量变化率显著提高,应变迅速增加,岩石破坏。     

煤岩材料变形过程位移场演化研究

为了更为直观地研究煤岩材料变形破坏过程中表面位移场演化的规律,利用VIC-3D(非接触应变测量系统)观测系统研究单轴压缩状态下煤岩试件破坏的全过程,得到了煤岩试件变形破坏过程中表面位移场的演化特征,直观地反应了试件表面的压缩、剥离、膨胀及剥落的过程。研究结果表明:VIC-3D所表现的数字图像技术在煤岩试件的单轴压缩试验过程中具有明显的优势;可以直观地观测煤岩试件破坏过程的位移场、应变场等演化过程。通过VIC-3D分析软件得到了煤岩试件表面压缩、剥离、膨胀具体演化过程的全场位移云图及试验过程中试件表面位移场的变化曲线,并分析了不同应力阶段位移曲线的变化形式。     

岩石试件SHPB劈裂拉伸试验中能量耗散分析

利用直径50 mm变截面分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,对厚径比0.5的煤矿砂岩巴西圆盘试件进行对径加载,采取改变驱动气压的方法实施不同加载速率的动态劈裂拉伸试验。研究了砂岩试件动态劈裂拉伸破坏过程中的能量构成和耗散特征;尝试从能量角度出发,对砂岩试件动态劈裂拉伸破坏形态、平均应变率效应和动态拉伸应力强度进行能耗分析;发现试件吸收能量绝大部分耗散于岩石的损伤演化和变形破坏,可以较好地反映砂岩试件在冲击载荷作用下的抗拉性能变化。结果表明：砂岩试件拉伸应力强度与吸收能量随平均应变率增加近似对数关系增加,表现出显著的应变率相关性。研究成果可为岩石类脆性材料动态拉伸力学性能研究提供参考。