水力作用下砂岩三轴卸荷试验及破裂特性研究

高应力、高水压卸荷条件下岩石的非连续性微缺陷演化过程研究对揭示隧道围岩裂纹的起裂孕育、碎胀裂化和峰值破坏,分析围岩稳定性具有重要意义。利用MTS815型程控伺服刚性试验机开展了砂岩在固定围压、不同水压条件下的水力三轴卸荷试验。试验结果表明:岩石变形在卸荷前以压缩为主,变化微小;卸荷后不久开始快速扩容,直至损伤破裂。水力条件下应力–应变曲线上的各个特征应力值比无水压条件下的饱和试样有不同程度地提高,增加了应变能储备,从初始扩容到峰值强度的历时更短,曲线斜率更陡。随着水压的不断增大,各个特征应力值有所减小,表现在起裂条件降低,压缩极限减小,扩容时间提前,表明了砂岩在高水压条件下的脆性特性进一步增强,抵抗变形破坏的能力逐渐降低。通过扩容特征值与扩容点后的体应变关系,求得初始扩容点后的相对扩容应变与变形模量差,建立了多项式回归关系。研究结论揭示了水力作用下砂岩扩容变形行为的强烈性和突发性,可为水–力双场条件下的围岩变形预测及控制提供参考。     

灰岩单裂隙非饱和渗流–应力耦合特性试验研究

为研究不同应力条件下岩体裂隙非饱和渗流特性及其影响因素,基于自主研发的岩体裂隙非饱和渗流试验系统,对4组灰岩裂隙试样开展变饱和度和不同围压条件下的渗透试验。试验结果表明：(1)随着围压的增加,裂隙进气值增大,非饱和渗透系数–毛细压力关系曲线下降斜率及幅度均减小,在相同毛细压力下,高围压对应的裂隙非饱和渗透系数要高于低围压的情况;(2)通过对比毛细压力、围压这2个因素对非饱和渗透系数的影响发现,随着毛细压力的增加,围压对非饱和渗透系数的影响降低;同样,随着围压的增加,毛细压力对非饱和渗透系数的影响降低;(3)随着粗糙度的增大,裂隙饱和渗透系数降低,残余饱和度有小幅增长;(4)基于不同围压和毛细压力下的裂隙非饱和渗流试验数据,对裂隙非饱和渗透系数与毛细压力和围压的关系式进行拟合,从拟合曲面与试验实测数据的对比来看,拟合关系式可以较为准确地描述试验测得的裂隙非饱和渗透系数随毛细压力和围压的变化。本文对变应力条件下裂隙非饱和渗流过程及规律的研究成果可为降雨入渗条件下的工程岩体稳定分析提供依据。     

现场裂隙岩体水力耦合真三轴试验系统研制与应用EI北大核心CSCD

为突破能反映岩体特性、岩体结构、初始应力及应力路径等多因素交互影响的水岩作用机制试验研究瓶颈,研制HMTS–1200型裂隙岩体水力耦合真三轴试验系统。该试验系统由高水压密封试验舱系统、试验荷载加载与反力系统、耐高水压变形测量系统、高精度伺服控制系统等组成。该系统的先进性和创新性如下:(1)采用试样外封闭思想,构造直径为1.6m水压力密封试验舱,模拟裂隙岩体水压力环境,将岩体试样与力学试验装置整体置于试验舱内开展力学试验;(2)试样尺寸310 mm×310 mm×620 mm,试验轴向荷载12 000 kN,侧向荷载3 000kN;(3)实现高水压下岩体变形直接测量,变形传感器耐水压力3 MPa,测试分辨率0.001 mm,线性度小于0.05%。利用该系统开展玄武岩在不同荷载组合下的水力耦合试验。试验结果表明,水压力的力学效应与岩体试样的变形响应与岩体结构特征、初始应力状态和水力变化路径有关。水压力对试样的力学作用主要表现为两种形式的力学作用及其相互耦合,一种是作为附加面力施加于试样表面,压缩岩体;另一种是水渗入裂隙中产生渗透水压力,降低裂隙面的有效应力,引起裂隙剪切错动和岩样膨胀变形。该设备的成功研制可为高坝水库蓄水及运行引起的库岸岩体变形及诱发滑坡等复杂环境裂隙岩体水力耦合问题和工程应用研究提供新的试验手段。     

水化学溶液及冻融耦合作用下灰岩力学特性试验研究

 以洛阳龙门石窟灰岩为研究对象,考虑石窟区灰岩渗水溶液的侵蚀和冬季冻融损伤的影响,进行不同水化学溶液及冻融耦合作用下的力学试验,研究龙门石窟灰岩在水化学溶液及冻融耦合作用下的力学损伤特征。试验表明,水化学溶液及冻融耦合侵蚀作用下,随着冻融循环次数的增多,灰岩的损伤逐渐增大;与水化学溶液单一的侵蚀作用相比,水化学溶液及冻融耦合侵蚀作用对岩石的损伤程度要大,如在相同的冻融循环次数(90次)的情况下,在蒸馏水、龙门水、NaCl溶液与冻融耦合作用下,试件的强度比自然状态分别下降了50.73%,54.92%,57.67%,而仅受上述溶液作用没有经历冻融的试件强度则分别下降了21.58%,22.88%和28.72%。在试验研究范围内,龙门石窟灰岩的冻融劣化模式均为颗粒损失模式。分析指出,水化学溶液及冻融耦合侵蚀作用下,溶液中凝结核的丰度和溶液的pH值是影响灰岩损伤程度的重要因素。在对试验结果分析的基础上,建立水化学溶液及冻融耦合作用下龙门石窟灰岩的侵蚀损伤方程。研究结果将为石质文物及岩石工程的长期保护提供重要的理论基础,具有广泛的实际工程应用价值和应用前景。     

三轴压缩下含瓦斯煤样蠕变特性试验研究

 介绍自主研制的含瓦斯煤岩三轴蠕变试验系统。利用三轴蠕变试验系统对含瓦斯煤样进行一系列三轴蠕变试验,得到不同蠕变载荷、不同围压和不同瓦斯压力条件下的蠕变结果。试验结果显示,蠕变载荷、围压和瓦斯压力是影响含瓦斯煤样蠕变特性的重要因素;含瓦斯煤样的蠕变行为可以表现出衰减蠕变和非衰减蠕变2种形态;减速蠕变阶段是弹性后效的结果;稳态蠕变速率受蠕变载荷、围压和瓦斯压力的影响,并且随蠕变载荷和瓦斯压力的增大而增大,随围压的增大而减小;加速蠕变阶段是含瓦斯煤样破坏的开始。基于试验结果,详细分析含瓦斯煤样的减速蠕变和稳态蠕变阶段的蠕变速率,给出能分别描述减速和稳态蠕变阶段蠕变速率的幂函数和指数函数方程。利用规范化方法建立能反映稳态蠕变速率、蠕变载荷、围压和瓦斯压力之间关系的数学方程,利用该方程可以很容易地预测各种应力状态下稳态蠕变速率的大小。     

冻融荷载耦合作用下含开口裂隙砂岩宏细观损伤模型研究

开展宏细观尺度的岩石损伤演化规律是评价冻岩力学性质劣化过程的基础。以含开口裂隙砂岩为对象,从开口裂隙体积的角度,基于称重法提出宏观损伤变量的计算方法;结合长期冻融循环下岩样成分及物理力学性质变化特性,对张开孔隙率之差进行了合理修正,由此得到冻融作用下的细观损伤变量;考虑荷载作用下初始孔隙、裂隙压密的特点,采用统计损伤力学理论,建立荷载作用下细观损伤变量计算模型;并通过基于Lemaitre应变等效假设的宏细观总损伤计算方法,计算得到宏细观耦合总损伤;根据推广后的应变等价原理,构建了考虑初始压密段影响的总损伤本构模型。为了验证模型的合理性,采用预制的含0°,30°,45°,60°,90°倾角的裂隙砂岩岩样和完整砂岩岩样,开展多次冻融循环后的物理力学性质试验。研究结果表明：冻融循环次数较少时,冻融损伤变量增长较快,冻融损伤变量随循环次数的增加逐渐趋于稳定并缓慢增加;裂隙倾角对砂岩岩样内部微孔隙、微裂隙的扩展影响表现为损伤变量的增速不同,含45°倾角岩样的冻融损伤变量增速最大,冻胀力引起含45°倾角岩样的微孔隙、微裂隙扩展速率最快;细观总损伤模型和宏细观耦合总损伤模型曲线演化规律趋于一致,冻融...     

天然裂隙性流纹岩三轴力学特性试验研究

 作为隧道裂隙性围岩开挖扰动滞后性破坏特性研究的基础,对含天然微裂隙的流纹岩进行三轴加卸围压试验和单轴预加载后再进行常规三轴压缩试验,在得到2种应力路径和不同裂隙发育流纹岩试样破裂特征和应力–应变曲线基础上,对流纹岩三轴试验下的破裂特征和力学参数进行分析,分析结果表明：(1) 天然裂隙性流纹岩表现出强烈的脆性特征,没有明显的屈服阶段;(2) 2种应力路径下,裂隙初始发育特征及优势方向对流纹岩力学性能影响表现为：初始优势发育方向近垂直于最大主应力方向的裂隙不易扩展贯通,试样的力学性能较好;(3) 初始优势发育方向与最大主应力方向夹角较小,并且初始连通或相互交叉搭接呈树枝状的裂隙极易贯通形成宏观拉裂面,显著削弱试样的力学性能;(4) 常规三轴压缩作用下,裂隙初始优势角为46°时,流纹岩的力学性能最差;(5) 单轴预加载使试样内部横向微裂隙闭合,再进行常规三轴压缩时,其强度、弹性模量和变形模量都增大,泊松比基本不变,而脆性特征更加明显。     

多轴应力作用下砂砾岩单裂隙渗流规律试验研究

用劈裂的方法在砂砾岩块上制造裂隙来模拟天然岩体的张性裂隙,在自行研制渗流-多轴应力耦合试验机上开展了一系列单裂隙渗流应力耦合试验,分别研究了垂直于裂隙面加载、平行于裂隙面加载对裂隙渗透能力的影响规律,对单裂隙岩体在多轴应力作用下的渗流规律作了探讨.成果表明,法向应力和侧向应力对裂隙的渗透系数有着明显的影响,共同决定着渗透系数的变化.     

含2条断续贯通预制裂隙岩样破坏特性的三轴压缩试验研究

通过在类岩石模型材料中预制特定倾角和尺寸的断续贯通2条裂隙试样,以MTS常规三轴压缩试验为手段,研究2条裂隙试样的破坏特性。主要研究成果:(1)2条裂隙岩样的宏观破裂迹线由次生共面裂纹、反翼裂纹和翼裂纹3种类型组成;(2)2条预制裂隙之间的贯通有拉伸贯通、剪切贯通、一预制裂隙共面扩展裂纹与另一预制裂隙的反翼裂纹扩展连接贯通及两预制裂隙无贯通4种形式;(3)2条裂隙岩样在三向受力条件时,反翼裂纹为主要裂纹形式,它影响着试样的最终破坏形式;(4)2条预制裂隙的排列形式和围压大小决定着试样的破坏模式;(5)2条裂隙试样的轴向应力–轴向应变曲线表现出多峰值的特点,变形特性为从低围压下的脆性向高围压下的延性转化;(6)2条裂隙试样在高围压状态时,裂隙岩石的扩容现象不明显甚至完全消失;(7)2条裂隙试样的轴向应力–轴向应变曲线与裂纹的萌生、扩展、贯通具有密切的关系。研究成果能为含节理或断层的地下工程开挖、支护设计及其稳定性分析提供理论参考。     

压剪应力作用下含瓦斯原煤细观裂隙演化特征试验研究

 利用自主研发的煤岩细观剪切加载试验装置,开展压剪应力作用下含瓦斯原煤细观裂隙动态演化特征试验研究,描述瓦斯运移通道的形成过程并分析影响细观裂隙形态特征的因素。研究结果表明：裂隙演化为瓦斯入渗煤体并在煤体中运移提供通道;在瓦斯压力及压剪应力的共同作用下,煤体表面破碎、脱落,破碎区更容易演化出新的裂隙。原生裂隙和坚硬颗粒都对细观裂隙演化产生影响：原生裂隙处更容易演化出新裂隙,从而在局部区域形成H型裂隙结构,且新裂隙与原生裂隙交汇时发生移动错位;坚硬颗粒则使得裂隙分叉并绕过自身演化,使得张拉和剪切共同作用形成细观裂隙,裂隙分叉角度为10°～100°,分叉角离散性大;原生裂隙与坚硬颗粒都使得压剪过程中瓦斯在煤体中运移的数目增多。随着法向应力的增大,加上初始损伤和坚硬颗粒的影响,裂隙分布率增大,煤体表面破碎越剧烈。     

含瓦斯突出煤三轴压缩下力学性质试验研究

以典型煤与瓦斯突出矿井松藻煤电集团打通一矿7#突出煤层制备的型煤试件为研究对象,利用岛津AG-250伺服材料试验机和自行研制的三轴渗透仪,对不同外界应力条件下含瓦斯突出煤的力学特性进行试验研究.结果表明:瓦斯压力固定的情况下,围压对含瓦斯煤的力学特性起到强化和改善的作用.随着围压的增加,突出煤样的三轴抗压强度、弹性模量和峰值应变均呈线性单调增加;围压大小一定情况下,瓦斯压力对含瓦斯煤的力学特性起到弱化的作用.随着瓦斯压力的增加,突出煤样的三轴抗压强度和弹性模量分别呈线性和对函数形式单调递减,而峰值应变则呈线性单调增加;有效应力对含瓦斯突出煤的力学性质具有强化和改善的作用,随着有效应力的增加,含瓦斯突出煤的弹性模量、三轴抗压强度和峰值应变均单调增加.研究成果对采动影响下煤层瓦斯抽放和煤与瓦斯突出防治及预测具有重要意义.     

渗透压–应力耦合作用下砂岩渗透率与变形关联性三轴试验研究

 为了探讨渗透压–应力耦合作用下岩石渗透率与变形的关联性,采用岩石伺服三轴试验系统,在不同围压和渗透压条件下,利用稳态法对砂岩全应力–应变过程进行渗透率试验研究。根据试样渗透率变化与其破坏过程的对应关系,分析全应力–应变过程中试样渗透率随其脆性、延性变化的特点及渗透率–轴向应变和渗透率–体积应变之间的关联性。试验结果表明：(1) 在渗透压–应力耦合作用下,试样初始渗透率、峰值强度随着围压与渗透压的改变而改变。(2) 在渗流场–应力场耦合作用下连续加载的全应力–应变过程中,渗透率先随着轴向应变的增大而逐渐减小,进入弹塑性阶段后,渗透率变化曲线随围压变化呈现增大、持平及减小3个不同趋势。其中,渗透率曲线持平的现象为三轴渗透试验研究中的新现象。(3) 围压较高时,若形成局部压缩带,则试样进入弹塑性阶段后,渗透率的变化趋势是由岩石微裂隙的萌生、扩展与岩石骨架颗粒压碎这2个主要因素共同决定的。(4) 岩石微裂隙的萌生、扩展对渗透率增大起积极作用,岩石骨架颗粒压碎形成的压缩带对渗透率增大起抑制作用。(5) 岩石进入塑性阶段后,随围压增大,渗透率由上升趋势转变为下降趋势的现象先于脆–延转换的临界状态发生。(6) 岩石的体积应变对渗透率有一定影响,在脆–延转换阶段存在体积应变增大而渗透率减小的现象,这需要其他能够更精确地测量体积应变变化的试验进一步验证。     

微细裂隙软弱岩体橡皮囊三轴试验

本文介绍了橡皮囊围压三轴试验的方法和特点,研究了试验段岩体的工程地质力学性态,进一步揭示了工程所辖软岩段岩体的攀移位错破坏机理,并与其它三轴法试验进行了对比。     

含面层再生混凝土常规三轴试验研究

使用DYS-2500高温高压岩石三轴试验机对含面层再生混凝土圆柱体进行了单轴压、常规三轴压缩试验研究。试验结果表明,含面层再生混凝土在单轴压和三轴压缩下试验破坏形态有所差别;在围压作用下含面层再生混凝土应力-应变关系曲线发展趋势平缓丰满,没有明显的峰值点;围压有助于提高含面层再生混凝土的峰值应变和峰值应力;15MPa围压时的峰值应力约为单轴压下峰值应力4.4~4.7倍,取代率对峰值应力的影响甚微;围压15MPa时的峰值应变比围压0时的峰值应变增加了7%~13%;取代率对再生混凝土的峰值应变有一定影响,大体呈递减趋势,但不明显。     

三轴压缩载荷作用下单裂隙扩展的CT实时扫描试验

 为研究岩石裂隙在三轴加载作用下的扩展规律,精选出一种与岩石物理力学性质相似的陶瓷制作试件,并在试件中部预置一条圆币状裂隙,进行三轴加载过程中的CT实时扫描试验。采取3种不同区域划分方案,通过对不同层、不同阶段的CT数、CT方差、CT图像的对比分析,获得裂隙被压密、自相似扩展、翼裂纹扩展、微裂纹扩展、裂纹加速扩展直到试件破坏的整个裂隙扩展过程。试验结果表明,在三轴压缩荷载作用下,裂隙被压密较为明显,翼裂纹扩展缓慢,自相似扩展更大,而且翼裂纹的扩展是从自相似扩展后的边缘开始的。总之,预置裂隙的扩展受围压影响很大,扩展过程相当艰难,试件破坏类似于延性破坏。     

灰岩单轴压缩损伤演化试验研究

利用单轴压缩试验,研究了裂纹应变随加载速率的变化规律,得到了不同加载速率下黄龙灰岩的起裂应力。黄龙灰岩的起裂应力约为峰值强度的95%以上,裂纹起裂应力随加载速率增加而增加,而且加载速率越高,破坏后的岩石碎块的尺寸越小。根据岩石黄龙灰岩单轴压缩过程的声发射特征,得到了岩石内部微裂纹演化特征。随着裂纹的不断扩展,岩样出现了明显的损伤局部化现象。最后,利用滑移裂纹模型,分析了黄龙灰岩动态损伤演化机制,得到了加载速率与裂纹起裂应力的关系,同时获得了临界裂纹长度与加载速率的关系。     

深部灰岩单轴蠕变特性试验研究

采用MTS815液压伺服岩石试验系统和DISP-2声发射监测系统,对重庆市某煤矿深部灰岩进行了单轴蠕变压缩实验,对单轴蠕变实验过程中伴随的声发射特征进行了研究,认为岩石的声发射特征能很好的表征岩石整个蠕变变形过程,包括岩石微观结构如晶格缺陷的扩散、孔隙裂隙的张合、粒间协调变形及微观破裂的产生、扩散贯通等岩石蠕变特征。同时对实验曲线进行了不同的模型参数的反演,认为用对数函数型及指数函数型模型均能很好的表征该类灰岩蠕变变形性能,且二类模型中对数模型为最佳模型。     

全应力–应变过程中裂隙灰岩的水–力耦合特性试验研究

为研究裂隙灰岩在全应力–应变过程中的力学特性和渗透性特点,对裂隙灰岩进行不同渗透压和围压组合下的水–力耦合试验,研究水–力耦合作用下裂隙灰岩的强度和变形特性,并定义全应力–应变过程中6个关键的渗透率值。试验结果表明:渗透压对裂隙灰岩的力学特性有较大影响,渗透压的存在降低了裂隙灰岩的强度和变形模量,加剧其侧向变形,水–力耦合作用下裂隙灰岩的强度特性可用莫尔–库仑屈服准则来表征;全应力–应变过程中,裂隙灰岩渗透率经历缓慢下降–缓慢增加–快速增长–小幅度下降4个阶段,这大致对应于全应力–应变过程中体积压缩阶段,近线性变形阶段,峰值点附近的破裂阶段和峰后残余强度阶段。在较低渗透压(2 MPa左右)下,上述相应关系吻合情况良好,而在较高渗透压(8 MPa以上)下,上述相应吻合关系存在偏差,渗透率下降阶段要短于体积压缩阶段;在较低渗透压(2 MPa左右)下体积压缩阶段的渗透率与体积应变之间的关系可用负指数函数来描述,而在较高渗透压(8 MPa以上)作用下,在体积压缩阶段的渗透率和体积应变之间的关系可用三次多项式来描述。     

水力耦合下岩石的声发射特征试验研究

在单轴压缩条件下，分别讨论了4种岩石在考虑渗流和不考虑渗流条件下的声发射特征。研究表明：在低应力阶段，岩石几乎没有声发射活动，淳流对声发射活动无影响：一般在达到其强度的60％～80％左右、临近破坏时，声发射活动才显著增加；加渗流和卸渗流的瞬间均产生较大的声发射事件，从稳定渗流到卸渗流一般接收不到明显的声发射信号；岩体破坏的声发射过程分为4个部分，即初始区、剧烈区、下降区和沉寂区；在破坏时，声发射信号的主频分布较宽，其中不加渗流时低频成分所占的比例超过了50％，坚硬岩石主频的最大值较破坏前、后急剧增大；加渗流或长期浸泡（130h左右）时低频成分所占的比例超过了60％～80％，软化岩石土频的最大值较破坏前后变化不大；岩石的声发射主频与岩石的强度有关，强度越高，主频也越宽；随着应力的增加，有些岩石的声发射主频最大值有增大的趋势。     

三轴压缩下含瓦斯煤岩弹塑性损伤耦合本构模型

通过引入与塑性屈服准则相关联的各向异性损伤因子和损伤准则来描述含瓦斯煤岩的塑性变形及损伤演化过程。在多孔介质有效应力原理中引入瓦斯吸附的膨胀应力,得出了适用于含瓦斯煤岩的有效应力计算公式。利用不可逆热力学原理,对含瓦斯煤岩的损伤演化规律及塑性变形与损伤之间的耦合效应进行了有效描述。根据实验结果,采用非关联塑性流动法则,建立了能反映含瓦斯煤岩在各种应力条件下力学行为的弹塑性损伤耦合本构模型,并给出了本构模型的参数确定方法。通过理论与实验的比较可知:所提出的弹塑性损伤耦合本构模型能真实有效地描述含瓦斯煤岩在不同应力条件下的力学特性。