软化模量对岩样全部变形特征的影响

采用FLAC内嵌语言编制了计算平面应变压缩岩样轴向、侧向、体积应变及泊松比的FISH函数。研究了软化模量对剪切带图案及岩样全部变形特征的影响。在峰值强度之前及之后,岩石的本构模型分别为线弹性模型及莫尔–库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。结果表明,随着软化模量(脆性)的增加,剪切带倾角由Arthur向Coulomb倾角转变,Coulomb、Roscoe及Arthur理论对此不能解释,可能是未考虑渐进破坏;剪切带宽度降低,这可采用基于梯度塑性理论且考虑剪胀的剪切带宽度的公式予以定性的解释;岩样可以达到的最小体积增加;岩样失稳破坏的前兆越来越明显;峰后的轴向应力–轴向应变曲线、轴向应力–侧向应变曲线、侧向应变–轴向应变曲线、泊松比–轴向应变曲线及体积应变–轴向应变曲线均有稍微变陡峭的趋势,可采用基于梯度塑性理论的单轴压缩岩样受到剪切破坏时的解析解对前2种曲线的数值解的合理性进行定性的解释。     

加载速度对随机缺陷岩样破坏过程的影响

在单轴平面应变压缩条件下,采用FLAC模拟加载速度对具有随机材料缺陷岩样破坏过程的影响。采用编写的FISH函数规定随机缺陷及统计发生破坏的单元数。密实岩石服从莫尔–库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化–理想塑性行为。缺陷破坏之后经历理想塑性行为。随着加载速度的提高,强度及其对应的应变提高,峰后应力–变形曲线变得平缓。在加载过程中,每10个时步内破坏单元数–轴向应变曲线中存在破坏单元数有显著增加的3个区段。随着加载速度的提高,该曲线的区段2及3变得开阔,区段2的峰值降低,区段3的峰值提高。在初始加载阶段和缺陷全部破坏之前,加载速度较高时的破坏单元总数–轴向应变曲线比较平缓,这是由于加载速度较高时试样内部的裂隙传播和应力转移不充分,当应变小于一定值时,在应变相同时,破坏单元数较少。破坏单元总数–应变曲线表明,随着加载速度的提高,试样最终遭受到更严重的破坏。     

岩样直剪应力-应变全程曲线研究

基于直剪试验机–岩样系统加载过程中各组成部件不同受力特点,运用功能原理,建立联合作用下的一维剪切实测应力–应变曲线全过程的参数方程,推导岩样失稳破坏判据和系统回跳条件,指出试验机–岩样系统弹性区段的存在是造成实测剪应力–剪应变曲线与岩样真实直剪本构曲线不一致和产生岩样失稳破坏、系统回跳现象的主要原因。通过算例分析剪切带宽度和试件高度对实测直剪应力–应变全程曲线的影响关系。分析结果表明,加载系统弹性受力区段越长,局部化剪切带宽度越小,实测软化段曲线就越陡,加载系统就越不稳定,越容易出现系统回跳现象,且在加载过程中岩样就会越早发生脆性破坏。     

基于应变局部化的双裂纹岩样贯通模式及强度试验研究

含裂隙岩体在外力作用下,内部裂纹会发生扩展,这会显著影响强度以及损伤特性。基于前期验证可靠的DIC系统,对含双裂纹的类岩石材料进行单轴压缩试验,捕获全过程的应变场演化云图以及岩桥区域应变局部化过程,研究发现:岩样呈现出显著的变形局部化渐进破坏特性;试验初期形成的应变局部化带基本确定了加载全程全局应变场的变化范围与变化趋势;基于试验研究,双裂纹岩样的贯通破坏模式可归总为4类:岩桥不贯通模式、裂纹内尖端贯通模式、裂纹内外尖端贯通模式以及裂纹外尖端贯通模式;岩桥角度及其空间排布在细观上影响了应变场局部化带的演化过程,宏观上决定了裂纹的扩展路径及岩样的破坏模式;岩桥贯通时应变局部化带的融合造成了应力–应变曲线的"峰前波动",使得岩样强度降低,并且融合越慢岩样强度越高。     

岩样单轴拉伸应变局部化及全程应力–应变曲线

基于梯度塑性理论,考虑了应变局部化,提出单轴拉伸条件下岩样全程应力–应变曲线解析解。沿试样长度方向的总应变的微分被认为由两部分构成:可恢复的弹性应变的微分和不可恢复的塑性应变的微分。根据虎克定律,弹性应变的微分依赖于应力的微分及弹性模量。塑性应变的微分与应力的微分、试样高度、软化模量及局部化带的厚度有关,局部化带的厚度由梯度塑性理论确定。根据总应变的微分等于弹性及塑性应变的微分之和这一假设,在峰后线性应变软化本构关系的情形下,得到全程应力–应变曲线的解析解。通过与De Borst及Muhlhaus基于梯度塑性理论得到的数值解对比,分别验证局部化带内部塑性应变分布解析解及内部长度对全程应力–应变曲线的影响。研究有关的本构参数(弹性模量及软化模量)及试样高度对全程应力–应变曲线的影响。     

不同尺寸裂隙岩石损伤破坏特性光弹性试验研究

为了充分认识试件尺寸与裂隙倾角对裂隙岩石损伤破坏的影响,开展了不同试件尺寸、不同裂隙倾角的光弹性单轴压缩试验。利用反射式光弹仪直观形象地记录试件损伤破坏全过程的彩色条纹变化,基于光学-应力定律计算得到裂隙岩石损伤破坏过程中试件表面的全场应力应变,分析岩石裂隙扩展失稳的尺寸效应及裂隙倾角对岩石强度及破坏模式的影响,研究裂隙岩石损伤—扩展—破坏的力学机制。试验结果表明:裂隙岩石单轴压缩的应力应变曲线可分为弹性阶段,塑性阶段,峰后软化阶段,残余阶段不明显;裂隙岩石峰前阶段的弹性模量随着试件高宽比的增加而增大,随着裂隙倾角的增加而减小;单轴抗压强度随着高宽比的增加呈减小趋势;峰后的软化阶段受试件尺寸与裂隙倾角的共同影响,裂隙倾角与高宽比越大,岩石的破坏越具有突然性,即脆性越明显;岩石损失破坏时最大应变与应力分布在预制裂纹中心,损伤首先从预制裂纹处发生。随着加载的不断进行,最大应变与应力的位置转变为裂纹的两端,逐渐向平行于轴向加载方向发展直至试件端部。岩石损失破坏时,最大应变与应力分布在预制裂纹中心,损伤首先从预制裂纹处发生。随着加载的不断进行,最大应变与应力的位置转变到裂纹的两端,裂纹逐渐向平行于轴向加载方向发展直至试件端部。     

循环单轴应力和循环温度作用下玄武岩力学性质初探

对玄武岩在循环单轴应力–温度作用下的力学性质进行初步的试验研究。开展应力上限为80%和65%单轴抗压强度、温度上限为60℃和90℃的循环单轴应力–温度试验以及循环后的单轴压缩试验。试验结果表明:循环应力和循环温度作用具有"叠加"效应;循环应力上限为80%单轴抗压强度时,玄武岩随循环次数增加逐渐损伤,在循环中破坏;应力上限65%抗压强度且温度上限60℃时,玄武岩随循环次数增加逐渐硬化,在循环中不会发生破坏;损伤岩样峰值应变经历初始阶段、等速阶段和加速阶段,残余应变具有较大波动性;损伤岩样峰值割线模量先迅速降低,后缓慢降低,在临近破坏时急剧减小,应力上限大时峰值割线模量的降低程度大;应力上限相同,温度上限大的损伤岩样破坏循环数小;硬化岩样峰值应变和残余应变随循环次数增加而减小,峰值割线模量、割线弹性模量和卸载模量随循环次数增加而增大,温度上限大时岩样模量增加幅度小;硬化岩样受循环作用后,抗压强度较初始强度提高;岩石破坏时峰值应力与峰值割线模量定义的损伤因子线性相关程度高。     

基于应变局部化的岩样单轴压缩本构模型研究

应变局部化是加载过程岩样内部变形自组织的结果。基于岩样变形局部化的客观存在性,提出以变形局部化带的力学行为描述加载过程,并用参数方程表示岩样单轴压缩本构关系的方法。根据能量守恒原理,建立变形局部化过程的准静态增量平衡方程,推导峰值前后应力–应变曲线的参数方程、变形局部化与峰值应力及应变关系、II类岩石变形行为存在条件以及岩石失稳破坏判据。根据系统失稳临界条件,导出系统应力跌落量的表达式。研究结果表明,若应变局部化带的本构关系软化段曲线存在拐点,则系统发生应力跌落现象,否则发生脆性破坏。基于模型理论,证明II类岩石的破坏是不稳定的或是自持续的,以及常应变率下伺服式加载系统不能得到II类岩石软化段曲线的试验事实。通过对模型中力学参数的对比研究表明,岩石变形破坏不但在软化段具有尺寸效应和II类变形行为,而且硬化段也存在尺寸效应,表现出峰值对应的应变随着试件的增长而变小的规律。     

大理岩三轴压缩的塑性变形与能量特征分析

利用伺服试验机对大理岩岩样在不同围压下轴向压缩屈服之后完全卸载,再对损伤岩样进行的单轴压缩试验,研究岩样不同围压下三轴压缩的塑性变形量、能耗与损伤岩样单轴压缩时的强度、平均模量、能耗特征的变化规律.研究结果表明,大理岩具有明显的脆性-延性转化特征,围压较高时应力-应变曲线出现屈服平台,岩样塑性变形持续增加,而裂隙通过摩擦力使岩样承载能力基本保持不变.岩样三轴压缩过程中屈服前能量消耗较少,塑性变形过程需要消耗更多的能量,塑性变形与耗能具有良好的线性特征,高围压下要使岩样完全破坏需要消耗较多能量.损伤岩样单轴压缩时的强度、平均模量与三轴压缩的塑性变形大致线性降低,低围压下产生的塑性变形对强度、平均模量的影响显著.峰后屈服弱化阶段岩样承载能力的降低与塑性变形的增加近似成线性关系,弱化模量与强度没有明显关系,表现出损伤岩样明显局部化破坏特征.     

损伤岩样强度衰减规律及其尺寸效应研究

 损伤岩样的强度衰减规律是岩石力学领域的重要课题。采用一种新的方法预制损伤岩样,对其分别进行单轴和三轴压缩试验,并将结果与近似均质的完整岩样试验结果对比。结果表明,单轴压缩下,损伤岩样除劈裂破坏外还伴随有斜向断裂破坏;随围压的增大,损伤岩样容易在胶结面处出现一种新的近水平破坏。损伤岩样较完整岩样的强度衰减值,随围压的增大而增大,但增长幅度逐渐减小。根据室内试验的结果,借助于PFC数值软件,对损伤岩样单轴强度衰减的尺寸效应进行探究。研究发现,随岩样高径比的增大,单轴强度的衰减值不断减小,但减小的趋势逐渐平缓。提出单轴强度衰减的理论模型 (其中, 为任意损伤岩样的单轴强度衰减值, 为标准损伤岩样的单轴强度衰减值, 为圆柱体岩样的高径比,a和b均为材料参数),所得的理论曲线与试验值吻合得很好。计算得出损伤岩样尺寸为无穷大时,单轴强度衰减的无限趋近值 。     

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。     

砂岩卸围压变形过程中渗透特性与声发射试验研究

 利用岩石伺服试验系统,对江西红砂岩岩样进行气体渗透三轴试验及声发射监测,研究在常规加载、峰前卸围压和峰后卸围压3种应力路径下,岩样变形破坏过程中的渗透规律和声发射特征。试验结果表明：(1) 随着有效围压的增大,岩石岩样的应力峰值逐渐增大,岩样的应力峰值对有效围压很敏感。(2) 常规加载时,渗透率在岩石屈服前呈现略微下降的趋势,屈服后迅速增长,峰后应变软化阶段有小幅回落;峰前和峰后卸围压时,在卸载之前渗透规律与常规加载时相同,卸载后渗透率均呈急剧增长的趋势,增幅也较大,其中峰前卸围压后渗透率增幅最大。(3) 在相同加载方式下,围压的增大不影响渗透率曲线的发展趋势,只影响渗透率在各阶段量值的大小。(4) 常规加载时,岩石声发射活动在屈服前比较平静,屈服后声发射活动非常活跃,峰后应变软化阶段声发射活动再次趋于平静;峰前卸围压不久后,声发射活动异常活跃、密集,能量数相对值较大并有明显峰值;峰后卸围压过程与常规加载过程中声发射规律相似。(5) 岩样的破坏过程中,随围压增大,脆性减弱、延性增强,在同一围压水平下,峰前卸围压破碎程度最高,脆性最强。(6) 岩石扩容点与渗透率最小值所对应的轴向应变值十分接近,体应变和渗透率随轴向应变的变化趋势对应较好,声发射活动的密集阶段均发生在体积膨胀之后,渗透率、声发射、应力及(体)应变之间存在一定对应关系。     

三峡花岗岩峰后力学特性及应变软化模型研究 张 帆，盛 谦，朱泽奇，张勇慧

 通过对三峡花岗岩进行常规三轴压缩试验,得到不同围压下的应力–应变全过程曲线。基于弹塑性理论,通过试验数据拟合屈服面,分析研究花岗岩强度参数与峰后应变软化参量的关系,得出在花岗岩的应变软化过程中,黏聚力c随应变软化参量的增大而快速减小,而内摩擦角j在应变软化的过程中几乎保持不变的结论。在此基础上建立花岗岩峰后应变软化模型,利用FLAC3D程序对花岗岩三轴压缩试验进行了数值模拟,其结果与试验数据比较吻合。     

簇平行黏结模型中微观参数对宏观参数影响的量纲研究

 首先分别采用传统加载程序和新加载程序,对利用簇平行黏结模型所建立的颗粒流试样的力学特性进行研究。同时采用新加载程序,分析加载速率和冻结期时步对颗粒流试样力学特性的影响。随后利用量纲分析法研究簇平行黏结模型中微观参数对宏观参数的影响,建立岩石材料宏观参数(弹性模量、泊松比、单轴抗压强度和单轴抗拉强度)与簇平行黏结模型中微观参数间的半定量关系。相关模拟结果表明：(1) 利用传统加载程序计算得出的岩石应力–应变曲线是不准确的,它高估了单轴抗压强度、单轴抗拉强度和弹性模量,且不能真实再现岩石峰后脆性特征;2种加载程序得出的岩石破坏形态差异很大。(2) 结合新加载程序,簇平行黏结模型能得到合理的单轴抗压强度和单轴抗拉强度比值(UCS/TS)。在准静态范围内,加载速率与强度值没有相关性,这与试验结果吻合,加载速率对岩石应力–应变曲线的影响主要在峰后阶段。(3) 弹性模量主要与颗粒接触模量和颗粒接触刚度比相关,而泊松比主要与接触刚度比相关。为得到相同的泊松比值,簇平行黏结模型中的接触刚度比应大于平行黏结模型中的接触刚度比。单轴抗压强度和单轴抗拉强度主要受平行黏结强度比控制,另外单轴抗压强度受簇中颗粒数影响较大。     

岩石剪切破坏全应力-应变性状

The investigation of complete stress-strain behavior andcompressive failure behavior of some Hong Kong rocks are carried out. A large number of tests have been conducted to study the deformation and failure features of rocks. Some interesting test results have been obtained. These results show that localized deformation and failure strongly affect the deformation and failure process of the specimens just prior to the peak stress and in the post-peak stage. The two types of failure modes, namely exfoliation and shear failure have been investigated in detail. For the exfoliation failure mode, an experiment method has been proposed to observe the exfoliating process. A proposed model has been used to explain the influence of exfoliation on the gross stress-strain curve. It is found that the exfoliation during loading may be one of the reasons that a granite specimen exhibits Class Ⅱ behavior. The influences of machine stiffness control modes, end constraints, loading rate and confining pressure on the test results have been discussed and investigated. A new classification method of rock failure has been proposed. Special attention has been devoted to the investigation of the localized deformation and failure process of intact rock in the shear failure mode. A test method is proposed to detect the process. It is found that the deformation of rock material may be divided into three stages: namely uniform stage, pre-peak bifurcation stage and post-peak bifurcation stage. This phenomenon has been explained by a proposed qualitative analysis. It is further found that this localized process will significantly influence the shape of stress-strain curves, that is, the localized deformation is one of reasons that rock displays the effect of length to diameter ratio. A constitutive model is proposed to simulate the localized deformation and failure process. It can simulate the strain softening, strain localization, effect of length to diameter(L/D) ratio, unloading-reloading respons, and elastic modulus degradation, etc. Based on the model, a new strength criterion expressed by the relative shear displacement is proposed. This criterion captures the complex features of peak strength of rock such as the size effect.     

主应力轴连续旋转下软黏土软化特性试验研究

利用GDS空心圆柱扭剪系统对原状软黏土进行大周次循环扭剪试验,分析了在主应力轴旋转条件下不同有效围压和不同循环应力比下软黏土的软化特性.结果表明:不同循环次数下土体的剪切应力-应变滞回曲线有明显的差异,随着循环次数的增加,土体的剪切模量减小;在相同有效围压条件下,随着循环应力比的增大,土体轴向模量和剪切模量的软化指数降低;在相同循环应力比下,随着有效围压的增大,土体受到的侧向约束增大,轴向模量和剪切模量的软化指数减小.     

软弱岩石峰后应变软化力学特性研究

 软弱岩石给采矿工程中巷道支护和维护带来一系列棘手的问题,深入研究软弱岩石受力变形、破坏的机制和规律,对于保证巷道围岩的安全和稳定具有十分重要的意义。通过对软弱泥岩进行常规三轴压缩试验,得到不同围压下的全应力–应变关系曲线,然后依据峰后岩石任意一点应力状态均满足Mohr-Coulomb极限破坏条件的假设,建立以广义黏聚力 和广义内摩擦角 两个状态参数来表征的软弱岩石后继屈服面模型。在此基础上,利用试验数据绘制岩石峰后不同软化状态时的几组莫尔应力圆,通过“切线法”得出莫尔强度包络线的拟合方程,进而确定出不同围压条件下的 和 值,并借助Matlab软件对广义黏聚力 、广义内摩擦角 与等效塑性剪切应变、围压之间的关系进行最小二乘曲面拟合,得出软弱岩石峰后力学参数的软化规律,结果表明：随着围压的增加,广义黏聚力 值呈快速增加的趋势,而广义内摩擦角 值则显著减小;广义黏聚力 受岩石软化程度的影响也十分明显,从岩石峰值状态到残余状态 值迅速降低,平均降低53.88%,而广义内摩擦角 值在该软化过程中则基本保持稳定。最后,将得到的广义黏聚力 和广义内摩擦角 的拟合方程嵌入到FLAC内置应变软化本构关系中,并利用FLAC3D软件对模型的正确性进行数值模拟验证,结果表明数值模拟曲线与试验曲线比较吻合。     

锦屏二级水电站大理岩不同应力路径下加卸载试验研究

 针对锦屏二级水电站引水隧洞赋存于高地应力环境的特点,对隧洞内的大理岩开展常规三轴压缩试验及峰前、峰后卸围压试验,通过试验数据对比分析,研究大理岩的强度变形特征及破裂机制。主要研究成果：(1) 大理岩峰值强度与实时围压关系密切,应力路径不同、实时围压相同时,峰值强度相同。(2) 围压效应明显,峰值强度随初始围压增加而增加;相比三轴加载试验,峰前卸围压试验峰值强度降低约19.5%,峰后卸围压试验规律不明显,而峰后卸围压试验达到峰值强度时的围压值约占初始围压值的 97.2%,峰前卸围压试验结果较离散。(3) 相比三轴加载试验,峰前卸围压试验c值降低约27.5%, 值提高约22.6%,而与此相反,峰后卸围压试验c值增加约13.7%, 值降低约6.5%,表明大理岩抗破裂的主控因素峰前卸围压试验由摩擦力控制,峰后卸围压试验由黏聚力控制。(4) 峰后卸围压试验自卸荷点开始出现明显的应变平台,表现为理想塑性变形。(5) 峰前卸围压试验的体积应变自卸荷点开始出现明显的转折点。(6) 三轴压缩试验和峰后卸围压试验,大理岩的破坏模式主要为单一剪切破坏,随着围压增加,剪切破裂面端口的粗糙程度降低;峰前卸围压试验的破坏模式为：低围压时的劈裂破坏～中等围压时的“X”型共轭剪切破坏～高围压时的单一剪切破坏。这些研究结论揭示了锦屏大理岩加、卸载应力路径下的力学特性差异,可为西部深埋引水隧洞的开挖、支护设计及稳定性分析提供理论参考。     

深部软弱岩体峰后等效力学模型及数值计算研究

软弱岩体给深部开采工程中的巷道支护等带来一系列棘手的问题,深入研究深部软弱岩体峰后非线性破坏行为,对于保证深部巷道围岩的安全稳定性具有十分重要的意义。基于连续介质理论及量化GSI围岩评级系统,依据Hoek-Brown强度准则,通过理论分析并结合前人的研究成果详细论证了等效节理岩体应变软化模型在深部岩体力学理论上的科学性与可行性。采用程序语言在FLAC^3D中编写等效节理岩体应变软化模型,分别采用常规弹塑性模型与应变软化模型对比分析深部围岩开挖面空间效应曲线;结合深部竖井支护工程设计及现场应用等进行了算例验证。得出结论如下：等效节理岩体应变软化模型所体现软弱岩体峰后强度参数衰减规律表明：岩体峰后行为受岩体质量等级和围压的影响较大,围岩在峰后卸载过程中软化参数并不是恒定值,而是随着围压的大小而变化;通过对深部软弱围岩开挖面空间约束效应曲线的计算可知,基于Mohr-Coulomb和Hoek-Brown强度准则的理想弹塑性模型计算结果基本一致,弹塑性模型与应变软化模型的计算结果相差较大,主要体现在中等地质指标范围;现场实际应用表明,等效节理岩体应变软化模型能够较为真实的反映深部软弱岩体的峰后力学行为,并在围岩地质强度指标与岩体连续介质理论之间建立联系,便于工程应用,并可为类似工程提供借鉴。     

围压影响的盐岩压缩力学特性及非线性本构模型

为了更准确地描述盐岩的力学特性,对盐岩开展多组单轴、三轴压缩试验。根据试验结果,多组试验数据得到的莫尔包络线具有非线性特征,并且盐岩力学特征对围压有很强的相关性。单轴及低于5 MPa围压时盐岩应力应变关系曲线表现弹性、应变硬化、软化3个过程,而当高于5MPa围压时盐岩延性特征显著,应力应变曲线硬化阶段比例加大,扩容点前移,而软化过程有一定程度的减弱。基于Hoek-Brown准则的软化模型将应力应变曲线峰前阶段改进为弹性非线性弹性模型,得到一种新的非线性本构模型。结果表明这种非线性本构模型可以很好地吻合不同围压作用的盐岩应力应变曲线。