不同卸围压速率下深埋大理岩卸荷力学特性试验研究

为了更准确认识卸荷速率对岩石力学性质的影响规律,进行不同卸荷速率的三轴卸围压试验,试验采用新的试验路径和加载方式,减少试验过程对试验结果的不利影响。针对锦屏二级水电站深埋大理岩,通过新提出的描述变量(应变围压柔量)重点分析卸围压速率在0.01～1.0MPa/s范围内围压卸荷对变形规律的影响,研究扩容过程的演化规律和强度特征的差异。研究结果表明,大理岩的轴向变形和扩容过程受卸围压速率的影响较为显著,影响规律主要由初始围压水平控制。卸围压试验扩容过程与常规三轴压缩试验峰前阶段的扩容演化规律存在显著差异。不同卸围压速率破坏时获得的极限承载强度均高于加载速率为0.5MPa/s时常规三轴压缩的峰值强度。随着卸围压速率的增大,极限承载强度不断提高,达到1.0MPa/s速率时极限承载强度可提高10%～15%。     

深埋大理岩脆性破裂细观特征分析

脆性材料的破裂过程与裂纹的扩展密切相关,其细观结构特征直接决定宏观力学行为表现,但目前受限于试验仪器,还无法完全把握脆性破裂的细观机制,必须将试验方法和数值方法有机结合。首先利用MTS完成大理岩的单轴和三轴压缩试验,并在试验过程中对声发射信号进行全程监测,利用获得的试验数据详细分析深埋大理岩破裂特征,明确内部裂纹的发展演化规律以及对大理岩宏观力学特性的影响。通过引入颗粒流程序(PFC),借助于已经完成的单轴和三轴试验成果获得PFC计算中的颗粒参数和颗粒胶结面参数,利用BPM模型模拟脆性岩石的破坏。结果表明,PFC能够从细观尺度准确地再现深埋大理岩试验过程中的裂纹扩展和破裂特征,并且能够展现在实际试验过程中无法监测和获得的有价值的细观破坏特征,为描述脆性岩石的破裂特征和复杂力学行为提供可以依赖的描述方法。     

不同初始损伤和卸荷路径下深埋大理岩卸荷力学特性试验研究

 在卸荷速率研究的基础上,较为系统地开展不同初始损伤程度和卸荷路径下深埋大理岩三轴卸围压试验研究。提出新的卸荷力学描述参量：应变围压增量比和统一围压降参数,并结合扩容参数和塑性内变量深入分析初始损伤程度和卸荷路径对深埋大理岩卸荷变形破坏规律的控制作用。通过直观的卸荷破坏概念模型解释卸荷破坏试验中规律的根源和机制。结合深埋隧洞工程,重点探讨初始损伤程度试验规律的重要工程指导意义,为高应力硬岩脆性破坏灾害(如岩爆)的防治提供理论依据。     

高地应力条件下卸荷速率对锦屏大理岩力学特性影响规律试验研究

 岩石所处的初始应力状态及开挖等工况诱发的卸荷速率大小对其力学特性具有明显的影响,通过室内三轴卸荷试验和破裂断口的SEM细观扫描分析,研究高应力环境中不同卸荷速率下锦屏一级水电站大理岩的变形破裂及强度特征。卸荷速率vu和初始围压 越大,岩石脆性及张性断裂特征愈明显,快速双向卸荷时甚至可在次卸荷方向产生张拉裂缝。张性破裂断口细观形态随vu和 的增大依次呈现“树枝形张裂状”、“千层饼形撕裂状”和“近光滑平面形弹射状”;卸荷过程中轴向压缩应变增量 随vu和 增大而减小,而侧向膨胀应变增量 却增大;不同的卸荷变形阶段卸荷速率vu对变形模量E的影响规律不同,峰前E随vu的增大而增大,而峰值E随vu增大先逐渐增大再迅速降低;卸荷过程中岩石的泊松比 逐渐增大,并随vu和 增大而显著,特别是从峰值点后;相对于加载试验,卸荷条件下岩体的黏聚力c大大减小,而内摩擦角j却有少量增大,vu越快,c减小得越多,j增大的较少。     

锦屏水电站大理岩在高应力条件下的卸荷力学特性研究

结合锦屏水电站深埋引水隧洞开挖工程,选取该区域典型大理岩,并以隧洞围岩实际应力环境为基础,开展卸围压破坏试验以及卸围压多级破坏试验.研究成果表明,锦屏大理岩在高应力条件下的卸荷力学性质主要表现为:(1)相同初始应力条件下,岩石达到卸荷破坏所需应力变化量比轴向压缩破坏时小,卸荷更容易导致岩石破坏;(2)岩石卸荷开始后侧向变形明显加快,且表现出显著扩容,如果忽略卸荷前岩样变形,则体积变形几乎按照侧向变形的规律增大;(3)卸围压过程中,泊松比近似按照多项式关系增长.变形模量初始变化不显著,屈服前微量围压减少引起变形模量急剧减小;(4)卸荷条件下抗剪强度参数c值比加载条件下低14%,而φ值比加载条件下高23%.这些结论揭示高应力条件下大理岩的卸荷力学特性,为深埋引水隧洞开挖稳定分析提供可靠依据.     

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。     

不同应力路径下大理岩破坏过程的声发射特性

 对大理岩试样进行常规三轴和卸围压破坏过程的声发射参数测试,研究加荷和卸荷两种应力路径下大理岩破坏过程的声发射特性差异。结果表明,常规三轴试验中,声发射幅值随着围压的增加逐渐增大,岩样破坏前的声发射累计释放能量呈线性增加,最大振铃计数率和能量计数率不是出现在峰值,而是出现在峰后应力跌落阶段,峰值应力前的屈服阶段和残余强度前各存在一个平静期,振铃计数率的每个突增都与应力降相对应。卸围压试验中,岩样破坏后声发射幅值明显增大,卸荷开始后振铃计数率和能量计数率出现突增,声发射累计释放能量呈非线性迅速增加,根据声发射累计释放能量增速可以将岩样破坏过程分为3个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段和塑性阶段,在大规模声发射出现前期会出现平静期,两者会交替发生。与常规三轴试验相比,卸荷声发射振铃计数率更大,累计释放能量更高,说明大理岩卸荷破坏更加剧烈。     

卸荷速率和孔隙水压力对砂岩卸荷特性影响研究

为了研究卸荷速率和孔隙水压力对砂岩卸荷力学特性的影响,设计进行了不同卸荷速率(0.005,0.02,0.05,0.1 MPa/s)和不同孔隙水压力(0,0.3,0.6,0.9,1.2 MPa)下的三轴卸荷试验。研究结果表明:(1)在加载阶段,随着孔隙水压力的增大,岩样的应力–应变曲线斜率逐渐降低;(2)在围压卸载阶段,卸荷速率越大,卸载阶段的应变围压柔量越小,岩样破坏时的围压越小,岩样强度相对较高,但破碎程度更严重,而且,在相同的卸荷速率情况下,孔隙水压力越大,岩样侧向扩容现象越明显,岩样越容易破坏;(3)在围压卸载阶段,岩样的变形模量出现了先缓后陡的劣化趋势,而且,卸荷速率越小、孔隙水压力越大,变形模量劣化幅度越大;(4)卸载过程中,卸荷速率越大,岩样脆性破坏特征越明显;孔隙水压力越大,岩样破坏时的近轴向的张性裂纹越多和追踪次生裂纹越多,孔隙水压力在岩样内部裂纹、裂隙尖端的应力集中是导致岩石变形破坏的主要原因。     

应变速率对大理岩力学特性影响的试验研究

 利用RMT–150B岩石力学试验系统,对细晶大理岩试样在应变速率2×10－5～5×10－3 s－1范围内进行了6级应变速率下的单轴压缩试验,分析应变速率对大理岩应力速率、峰值强度、弹性模量、弱化模量、峰值应变、泊松比、积聚能、释放能以及破裂形式等力学性质的影响。研究结果表明,不同应变速率下单轴压缩过程均经历压密、弹性、屈服和破坏4个阶段。应力速率与应变速率的对数可以用指数形式描述;大理岩的峰值强度与应变速率呈正相关,可采用二次多项式进行描述;大理岩的弹性模量、弱化模量和峰值应变受应变速率影响不大,泊松比与应变速率呈指数关系;试验过程中试样峰值前积聚能量、峰值后释放能量与应变率呈正相关,表明应变率越高微裂纹扩展越严重。在应变速率低于5×10－4 s－1时,试样以剪切破坏为主,随着应变速率的增加,试样破坏模式从局部剪切失稳破坏向全面剪胀失稳破坏转变,在高应变速率下更容易形成锥形破坏。研究结果能够对岩爆防治和工程抗震设计提供一定参考。     

三轴卸荷条件下大理岩扩容与能量特征分析

扩容现象是岩石变形破坏过程中的重要特征。基于MTS815 Flex Test GT岩石力学试验平台,采用室内三轴卸荷试验和塑性力学理论分析,揭示了大理岩在卸荷条件下的扩容特征及能量变化特征。结果表明,随着围压的增大,岩样的各特征应力随之增大,其扩容特征随之减弱;岩样的扩容参数——扩容指标以及剪胀角均具有围压效应,即扩容指标与围压呈良好的指数型分布,剪胀角与应力比呈线性分布;岩样的卸荷破坏过程中能量特征为初始时以可释放应变能为主到破坏时的耗散能为主,其间的转折点为初始损伤扩容点,同时卸荷条件下的特征能量值与围压具有良好的指数类型关系;在峰值点与残余点处,岩样的能量损伤值与剪胀角以及能量特征值与扩容指标均存在着较好的指数类型关系。     

大理岩三轴压缩破坏的能量特征分析

岩石材料的变形和破坏与能量的变化密切相关。利用刚性伺服系统对大理岩岩样进行了系列三轴压缩试验,基于试验结果,对大理岩在加载过程中各阶段能量变化的具体数值进行了计算和整理,研究了能量变化在加载破坏各阶段分别与围压、应力、应变的内在联系。结果表明,初始围压的增大能够相当程度上提高岩样的破坏应变能。在既定围压下,岩样在弹性变形阶段的能量变化与偏应力和应变均成正线性关系。随着初始围压的增大,岩样所吸收的能量随偏应力变化的增长速率降低,随应变变化的增长速率加快。在三轴压缩过程中,岩样在弹性变形阶段所吸收的能量占总能量的比重较小,绝大部分能量耗散于岩样的屈服变形阶段;并且随着初始围压的增大,屈服变形阶段所吸收的能量占总能量的比重提高。     

不同加载速率下冻结黏土的强度及破坏特性

冻土在不同加载速率下的强度和变形特性,是改进冻土机械开挖方法和设备所需的重要参数。通过对冻结黏土进行单轴压缩试验,研究了不同温度和加载速率条件下冻结黏土的强度特性、模量特性和破坏特性。通过分析试验,得到以下结论:(1)冻结黏土的抗压强度和起始屈服应力均随温度的降低和加载速率的增大而增大,且起始屈服应力与抗压强度有很好的线性关系。(2)温度和加载速率对起始屈服模量和切线模量影响很大,不同温度条件下切线模量与加载速率存在对数函数关系。(3)在不同温度条件下,破坏应变和破坏时间均随加载速率的增大而减小。(4)在较大加载速率条件下,温度对冻结黏土的破坏应变和破坏时间影响不明显。     

不同初始卸荷水平和水压下砂岩卸荷力学特性试验研究

深部岩石所处的不同初始卸荷水平状态及水压环境对其力学特性影响明显,基于对砂岩进行常规三轴加载试验、不同初始卸荷水平及水压条件的卸荷试验,研究了卸荷条件下砂岩的极限强度、变形特征、变形损伤以及卸荷抗剪强度。研究结果表明:初始卸荷水平n一定时,随着水压p的增加,卸荷极限强度的降低呈现先快后慢的规律,岩样更容易发生破坏,脆性特征更明显,损伤变量ω也呈增加趋势;当水压p一定时,随着n的增大,卸荷极限强度线性增大,统一围压降参数η线性降低,损伤变量ω也减少,且n从0.9到1.0的过程中,ω降低更明显。综合初始卸荷水平n和水压p的影响,对摩擦角和黏聚力进行了二元函数拟合,利用该拟合公式可以预测不同n,p条件下的黏聚力和摩擦角,具有一定工程意义。并基于对试验数据的拟合,对不同n,p作用下的砂岩Mohr–Coulomb准则表达式进行了修正。     

热损伤花岗岩三轴卸围压力学特性试验研究

利用岩石伺服试验系统,对经历25℃~900℃作用后的花岗岩试样进行三轴卸围压试验,研究高温后花岗岩在卸荷路径下的变形特性、参数特征及破坏形态。结果表明:经历300℃后的岩样围压卸荷量最少,最容易发生破坏。基于应变围压增量比,定量揭示了卸荷破坏是由强烈的径向变形和体积扩容所致。随着温度上升,各应变围压增量比均先增大后减小,在300℃时达到最大。卸荷过程中岩样的变形模量逐渐减小,25℃~900℃之间,减小33.20%~59.11%,且温度越高减小越多,与体积应变均呈二次多项式相关;泊松比逐渐增大,25℃~900℃之间,增大164.96%~274.03%,且温度越高增加越多,与体积应变均呈线性相关。高温后的岩样在单轴压缩下均呈轴向劈裂破坏,并存在多个贯通裂纹;在三轴压缩下为宏观单一的贯通剪切破坏形态;三轴卸围压下破坏形态则比较复杂,常温时为高角度的局部剪切破坏,随温度升高,岩样变为贯通剪切破坏,到900℃时又变为局部剪切破坏。     

不同围压加载方式下土石混合体变形破坏机制颗粒流模拟研究

土石混合体是一种非连续、非均质的混合多相介质材料,在轴向荷载作用下,由于内部变形的不均匀性,其变形破坏受围压加载方式影响显著。考虑刚性和柔性两种围压加载方式,采用颗粒流程序(PFC2D)开展了不同含石量和块石空间分布下土石混合体的双轴试验研究,从宏细观上探究了土石混合体在不同加载方式下的变形破坏规律。数值模拟研究表明:在不同围压加载方式下,受侧向变形约束不同的影响,土石混合体在峰后表现出了不同的力学特性,且在刚性加载下,其峰值偏应力较柔性加载下的高;同时,土石混合体在不同围压加载方式下局部化剪切带的形成演化过程也是不同的,其破坏型式不仅取决于围压加载方式,同时也决于块石含量和空间分布,在刚性加载下,多表现为复杂的多叉型破坏,在柔性加载下,多表现为非对称单叉型鼓胀破坏,而且随着含石量增加,破坏型式由简单的单叉型向复杂的多叉型转变,即使在相同含石量下,块石空间分布不同,破坏型式也不一样;土石混合体在不同加载方式下表现出了不同峰后力学行为的根本原因是由于内部土石颗粒间接触力的传递演化规律的不同所致,而且其应力应变关系是内部颗粒间切向接触力的外在宏观表现。     

大理岩破坏过程的三维细观弹塑性损伤模拟研究

为了考虑岩石细观局部塑性变形,基于应变空间理论导出细观弹塑性损伤模型,采用有限元计算方法实现岩石三维破裂过程的数值模拟。提出细观破坏单元网格消去法,利用位移加载来实现岩石逐渐破裂过程;模拟二维、三维大理岩三点弯曲梁弹塑性损伤破坏试验,得到岩石非线性应力–应变曲线和不同载荷阶段弹塑性损伤破裂演化系列图像;分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响。试验研究表明,三维破裂比二维破裂更为复杂,本文所建模型可以有效地模拟岩体的三维破坏过程。     

加轴压卸围压条件下北山花岗岩破坏特征

为了研究开挖扰动对花岗岩的破坏机理,对北山花岗岩进行了加轴压卸围压的三轴试验,试验中设置0.1,0.5,1.0,1.5,2.0 MPa/min五种卸围压速率,轴压加载速率是卸载速率的10倍,每一种卸载速率设置5,10,15,20,30 MPa五个围压,并在试验过程中记录声发射事件。分析了声发射事件数随卸载速率的变化规律,使用层次聚类的方法将声发射事件分为张拉破坏和剪切破坏,研究了卸载速率、围压和卸载时间对张剪比(张拉破坏与剪切破坏的比值)的影响,研究表明:(1)随着卸载速率的增加,声发射事件数呈幂函数下降,且围压越高,声发射事件数下降越明显;(2)裂纹的张剪比随着卸载速率的增加而增加,随着围压的增加减小,随着卸载时间增加降低;(3)围压卸载速率增加,岩石声发射b值降低,初始围压升高,对应的b值增加,且卸载速率和围压对张拉b值的影响比对剪切b值影响更明显;(4)基于Maxwell模型分析岩石内局部应力状态,并进一步研究了岩石破坏过程中张剪比变化的力学机理。     

含预制裂隙大理岩SHPB动态力学破坏特性试验研究

为了研究端部裂隙形态对岩石动态力学特性以及裂纹扩展的影响,利用50 mm×50 mm圆柱形大理岩加工含不同裂隙倾角的试样,在50 mm杆径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验平台上进行冲击加载试验,并使用高速摄影仪实时记录裂纹扩展以及动态破坏全过程。研究表明,大理岩的动态抗压强度、峰值应变、动态弹性模量等力学参数随预制裂隙倾角增大整体呈先减小后增大的趋势;裂纹大多是从裂隙尖端或附近起裂,起裂裂纹为II型剪切裂纹或I–II型复合裂纹(拉剪复合裂纹),起裂角和起裂应力随着预制裂隙角度的增大分别呈M和W型变化,完整和90°裂隙试样最终呈劈裂拉伸破坏,45°裂隙试样呈拉剪复合型破坏,30°和60°裂隙试样呈剪切破坏,存在一个临界角度,临界角两侧裂纹扩展特性表现出较好的对称性;随着预制裂隙角度的增大,岩石的能量吸收率先增大后减小,当端部裂隙与端面成适当角度,会使能量吸收率最大,可以有效提高破岩效率。