不同围压下灰岩力学特性及破坏力学模型研究

为了研究围压对灰岩力学特性及破坏力学模型的影响,采用MTS815对完整灰岩岩样进行三轴压缩试验。基于岩样宏观破坏形式,建立张拉剪切破坏模型,构建峰值强度与围压关系表达式;讨论张拉剪切模型与纯剪切模型对岩石剪切强度参数值（粘聚力与内摩擦角）的影响。研究结果表明：岩样弹性模量、抗压强度及残余强度均随围压升高而增大,且残余强度与围压呈非线性相关;当岩样最终破坏时,环向应变与轴向应变比值随围压升高呈负指数降低;一定围压范围内,岩石抗压强度受剪切强度参数和抗拉强度影响;张拉剪切模型确定岩石剪切强度参数值随破裂角增大而增大,与纯剪切模型相比,数值均较小。因此,低围压时,考虑岩石破坏模型具有一定的实际意义。     

剪胀对岩样全部变形特征的影响

采用FLAC内嵌语言FISH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，研究了剪切扩容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取为线弹性及莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。分析表明，增加剪胀角使岩样由单一向共轭剪切破坏转变，并使接近Arthur倾角的剪切带倾角增加。剪切带宽度随剪胀角增加，可由基于梯度塑性理论且考虑剪胀后的剪切带宽度公式进行解释。剪胀角增加导致峰值强度及对应的轴向、侧向及体积应变增加。在峰后，由于剪胀引起剪切带条数及宽度增加，因而，轴向应力-轴向及侧向应变曲线软化段都变平缓。剪胀角较高时，岩样可获得更大的侧向变形量及泊松比，甚至是负的体积应变；岩样失稳破坏的前兆更加明显。     

含不同倾角天然软弱夹层的大理岩破坏试验

为研究不同倾角的天然软弱夹层对大理岩的影响规律,分别基于0°,30°,45°,60°和90°的天然软弱夹层岩样进行单、三轴压缩试验.试验结果表明夹层对岩石的强度具有"弱化效应":1)单轴压缩时,夹层岩样整体上表现为劈裂型破坏,但在倾斜夹层处会出现不同程度剪切滑移,产生拉剪复合型破坏.三轴压缩时,夹层岩样发生剪切破坏,其中60°夹层岩样的破裂面与夹层面完全重合.2)不同倾角的夹层对岩石的弱化作用不同,整体趋势为岩石的强度随夹层倾角的增加呈现出先减小、再增大的特点,当夹层角度为60°时,夹层对岩样的弱化效应最为显著.3)大理岩三轴压缩时沿夹层破坏的夹层倾角范围为51°~69°,理论与试验结果吻合较好.     

引江济淮试验工程中不同尺寸试样抗剪强度的试验对比研究

边坡岩土体的抗剪强度是评估边坡稳定性的关键参数,采用较小尺寸试样可能难以反映岩土体的结构性,导致测试结果偏离实际情况。为研究尺寸效应对不同岩土体抗剪强度参数取值的影响,选取引江济淮试验工程的4种典型岩土层,进行现场原位大型剪切试验与室内小尺寸试样的直剪试验。结果表明:受原位地质条件的影响,进行现场大型剪切试验时,岩土体应力-应变曲线的剪应力峰值更突出,达到峰值以后,经历1%~2%剪应变即达残余剪应力,不同岩土体应力-应变曲线表现出明显的差异性;影响岩土体尺寸效应的因素众多,仅从黏粒含量、膨胀性、取样扰动来分析现场与室内剪切试验的差异性是远远不够的,对于不同地质的实际工程,现场原位剪切试验仍然是获取合理强度参数的关键性试验。基于试验结果,给出了该地区采用室内直剪试验所得的强度参数的建议修正比率。     

复杂应力条件下岩石的拉剪变形及破坏准则研究

根据不同围压条件下的粉细砂岩三轴压缩全程试验,分析了围压对砂岩峰值强度和破坏方式的影响,研究了压缩过程中砂岩的拉、剪变形随围压的变化规律。结果表明:粉细砂岩峰值强度与围压的关系是一条有拐点的折线,围压低于拐点对应的临界围压σ3L时,粉细砂岩的破坏方式仍为剪切破坏,但其强度受到张拉变形影响而低于Coulomb准则的计算值,岩石破裂面与最小主应力夹角大于(45°+φ/2);围压高于σ3L时,粉细砂岩的破坏仅受剪切变形控制,张拉变形对强度的影响可以忽略,岩石进入完全剪切破坏状态,破裂面角度与(45°+φ/2)吻合。在此基础上,提出了反应砂岩破坏过程中张拉应变和剪切应变相互关系的指标值ft/fγ,并据此推导了砂岩在不同围压下的强度准则,与实际情况较为吻合。     

尺寸效应对结构面抗剪强度影响研究

岩体中存在的结构面对岩体的物理力学性质有着重要的影响,而尺寸效应是结构面的物理力学性质的重要影响因素。为研究尺寸效应对岩体结构面强度与变形的影响,对岩芯岩样进行扫描,根据数据建立模型,对不同尺寸岩样进行直剪试验的数值模拟,同时进行法向应力下的直剪试验,对结构面在剪切应力作用下的抗剪强度曲线以及不同尺寸结构面的剪切特性进行深入研究,得出结构面抗剪强度与结构面尺寸之间的关系,并建立抗剪强度经验公式。结果表明:随着结构面尺寸的增大,结构面抗剪强度也随之增大,当达到一定尺寸后,抗剪强度开始稳定,定义此临界尺寸为表征单元面,在确定结构面抗剪强度时,结构面尺寸不得低于表征单元面面积, 本文中岩样表征单元面面积为0.384 8 m2。       

静水压环境下岩石动态压剪耦合力学响应与本构模型

静水压环境是深部岩石的典型应力赋存状态,并且岩石内存在多尺度的结构面,易遭受压剪耦合的复杂动力扰动。因此,探究静水压环境下岩石动态压剪耦合力学响应及损伤本构模型对于深部岩石结构安全评估和动力灾害防控极为重要。本文应用霍普金森压杆试验装置,对倾斜砂岩试样进行动态压剪耦合试验,揭示静水围压、动态荷载压剪耦合比及加载率对岩石力学特性的影响规律;基于Drucker–Prager准则和Weibull分布,建立静水压环境下深部岩石动态压剪耦合损伤本构模型。结果表明：1）岩石动态强度及变形模量随着加载率及静水围压的增大呈增加趋势,强度的围压效应及加载率效应明显,动态荷载中的剪切分量能削减岩石承载能力并提升岩石的变形能力。2）随着动态荷载剪压比和静水围压的增加,岩石冲击破坏模式由拉伸主导的内部锥形破裂面及表面劈裂转变为剪切主导的单一平面破坏;动态荷载中的剪切分量对静水围压作用下岩石的动态破碎存在明显的限制作用。3）采用极值解析法推导了模型分布参数F0和m的解析表达式,探究了模型分布参数F0、m和损伤修正系数q的物理意义及其对本构模型的影响规律;同时,对比不同工况下试验和理论应力应变曲线,验证了该模型的...     

岩石材料局部化渐进剪切破坏特性及模型分析

为研究岩石材料局部化渐进剪切破坏过程和机制,利用RMT-150C岩石力学多功能试验机,对典型岩样进行三轴压缩试验,分析了岩石全应力应变过程,重点探讨应力软化、残余应力稳定2个峰后阶段,研究了岩石的破坏形式及机理.结果表明,应力在峰后阶段呈现渐进式跌落,并逐渐趋于稳定而达到残余强度.同时,基于局部化剪切带的形成过程,依据岩石应变软化机制,构建能模拟岩石渐进剪切破坏的力学模型.最后,对所建立的模型进行试验验证,模型计算与试验结果吻合较好,证明了该模型的合理性.     

高应力下石英砂与不同结构接触面抗剪强度的试验研究

高应力下土与结构接触面抗剪强度研究是当前井壁破裂理论研究的关键之一．通过在DRS.1型微机高压直残剪试验系统上所进行的标准石英砂与不同基底的界面剪切特性试验研究表明,高应力作用下不同结构接触面的峰值强度与正应力以及残余强度与正应力之间的关系符合库仑强度准则．咬合强度C和界面摩擦角δ取决于基底材料的刚度,刚度越大,C值越小,δ值越大．高应力作用下不同结构界面剪切过程中土体都呈现出剪缩性,体积应变随剪切位移的增大而增大,体积应变受接触面的刚度和正应力共同影响．     

岩石节理面剪切流变的试验研究

通过对龙滩水电站岩石节理样本进行快剪和剪切流变试验的比较研究，分析了节理面流变对剪切强度的影响及剪切蠕变机理，确定了节理面的长期抗剪强度，并从岩石理论模型出发，对试验数据进行了回归分析，建立了不同正应力作用下的剪切蠕变经验公式，以便于了解岩石材料在给定条件下的蠕变特性。     

Numerical modeling of permeability evolution based on degradation approach during progressive failure of brittle rocks

The permeability evolution of rock during the progressive failure process is described.In combination with the strength degradation index,the degradation formulas of s and a,which are dependent on the plastic confining strain component,the material constants of Hoek–Brown failure criterion are presented,and a modified elemental scale elastic–brittle–plastic constitutive model of rock is established.The relationship between volumetric strain and permeability through tri-axial compression is investigated.Based on the above,a permeability evolution model is established.The model incorporates confining pressuredependent degradation of strength,dilatancy and corresponding permeability evolution.The model is implemented in FLAC by the FISH function method.The permeability evolution behavior of rock is investigated during the progressive failure process in a numerical case.The results show that the model is capable of reproducing,and allowing visualization of a range of hydro-mechanical responses of rock.The effects of confining pressure on degradation of strength,dilatancy and permeability evolution are also reflected.     

岩石卸荷破坏的试验研究

对岩样进行了常规三轴加载后保持轴向变形不变的卸围压试验,得到了峰前、峰后卸围压全过程曲线。对岩样破坏特征和试验结果的分析表明:峰前卸围压岩样表现出脆性剪切破坏的特征,而峰后卸围压表现出张剪破坏的特征,峰前卸围压破坏比峰后卸围压破坏更具有突发性;峰前、峰后卸围压岩样都表现出明显的侧向扩容现象;岩样破坏时的轴向承载能力对围压都很敏感,反应了试件沿破裂面摩擦滑动的结构效应。     

压力水-岩耦合作用下砂岩断口微观破坏机理

为了研究流固耦合作用下岩石的损伤劣化机理,以砂岩岩样为研究对象,采用流固耦合力学实验系统开展轴压水压耦合作用下单轴压缩、三轴压缩及三轴蠕变实验,借助扫描电子显微镜对岩样破裂断口的微观结构特征进行分析。结果表明:单轴饱水岩样破裂断口表面比干燥岩样出现更多的裂纹核,且断口形貌以沿晶断裂为主,穿晶断裂为辅;随着水压增大,三轴压缩岩样破裂断口表面裂纹核逐渐变少,剪切平行裂纹逐渐增多,岩样的宏观破坏形式从以张拉破坏为主逐渐向以剪切破坏为主转变;与三轴压缩岩样断口相比,三轴蠕变岩样破裂断口表面平整度和光滑度较差,晶体间联结更加紧密,剪切裂纹密度和深度增加。     

水泥石膏材料相似模拟节理岩体有限元分析

水泥石膏材料（Cement Plaster）是模拟岩体的一种新型材料,其既保留了水泥砂浆流动性好的优点,又大幅度地提高了砂浆的抗压强度和抗剪强度,且破坏形式与实际岩体十分接近,是一种较好的相似材料。本文利用这种水泥石膏材料模拟单节理岩体,进行有限元分析,分别建立了不同节理倾角的三维岩体模型,进而讨论了其抗压强度的变化规律。研究验证了水泥石膏材料模拟岩体的可靠性,为进一步开展岩体的尺寸效应、分形节理岩体的力学性能等研究工作奠定了基础。     

含充填物的大理岩裂隙扩展过程及破坏特性

为了进一步了解非直裂隙的破坏机理,以天然粗粒大理岩及含不同充填物的大理岩为研究对象,采用全自动化雕刻设备进行裂隙试件制作,然后分别对"/"型裂隙试件和"S"型裂隙试件进行单轴压缩试验.试验结果表明:1)在压缩试验中,"/"型和"S"型裂隙试件均发生剪切破坏,其破坏迹线基本一致;2)在同样外荷载作用下,含充填岩体破坏损伤度明显小于无充填岩体,充填物不仅影响前期强度还影响峰后残余强度的提高,其充填试件峰后应变增幅达到18.75%;3)不同的充填物对岩体抵抗开裂的能力不同,水泥浆的黏结力和强度比石膏好,故水泥浆具有良好的加固效果.试验探讨了非直裂隙("S"型)及充填材料对裂隙岩体破坏的影响,总结了充填材料作用下裂隙的扩展模式,为实际工程裂隙化岩体提供实验依据和参考.     

Mechanical properties of deep-buried marble material under loading and unloading tests

The mechanical properties are essentially different when rock material is subjected to loading or unloading conditions. In this study, loading and unloading tests with various confining pressures are conducted to investigate the mechanical properties of marble material samples taken from the deep diversion tunnels of Jinping II Hydropower Station. The stress-strain relationship, failure characteristics and strength criterion are compared and analyzed based on the experiment results. The results show: in the loading and unloading test, peak strength, lateral strain, axial strain and plastic deformation increase significantly as the confining pressure increases. Lateral strain increased significantly and obvious lateral dilatancy can be observed to the change of confining pressure; The fracture mode is mainly the single shear fracture for the triaxial compression test and post-peak test, angle between the failure surface and the ends of the rock material becomes smaller as the confining pressure increases. Hoek-Brown strength criterion reflects the strength characteristics of marble material under two different unloading conditions, and has some supplementary effects to the rock material of mechanical field.     

考虑骨料粒径影响的BFRP筋混凝土梁剪切破坏及尺寸效应

粗骨料是混凝土材料的组成之一,其粒径变化会影响混凝土梁中骨料咬合作用对抗剪承载力的贡献。为了系统地考虑最大粗骨料粒径对玄武岩纤维增强聚合物（Basalt Fiber Reinforced Polymer,BFRP）筋无腹筋混凝土梁剪切破坏的影响,采用细观尺度数值模拟方法,建立BFRP筋无腹筋混凝土梁数值模型,模拟分析构件尺寸和粗骨料粒径对BFRP筋混凝土梁剪切破坏模式和抗剪强度的影响规律。结果表明：BFRP筋无腹筋混凝土梁的抗剪强度存在尺寸效应,同时,随着最大粗骨料粒径的增大,BFRP筋混凝土梁的抗剪承载力提高,梁的剪切尺寸效应被削弱。根据最大粗骨料粒径的影响机制与规律,结合断裂力学尺寸效应律,建立了BFRP筋混凝土梁抗剪强度尺寸效应理论公式,并与模拟结果和试验数据进行对比,验证了公式的准确性和合理性。     

基于对数正态分布的岩石损伤统计分析方法研究

以Mohr强度理论为基础,利用岩石微元强度服从对数正态随机分布的特点,得到了三轴压缩条件下的岩石损伤统计本构模型,并根据试验曲线采用最小二乘法确定出模型参数．与试验结果比较,该模型可以很好地模拟岩石破裂过程的全应力应变关系,真实反映了岩石软化特性、岩石强度随围压变化等特性．在此基础上,讨论了对数正态参数R0,S0对岩石应力应变全过程曲线的影响．结果表明,参数R值的变化对岩石的强度有影响;参数S0值的变化对岩石的脆性有影响．