基于卸围压试验的砂岩卸荷本构模型及其应用

鉴于岩体本构模型受岩样应力路径、加卸载状态等因素的影响,为研究卸荷条件下砂岩的本构模型,采用RMT-150C岩石力学试验系统对宜昌砂岩岩样进行了升轴压峰前卸围压、轴压和围压等量减小两种应力路径下的卸围压试验。结果表明,卸荷应力路径不同时,卸荷变形阶段的应力—应变曲线形态有很大差异,但岩样变形模量随围压降低而劣化的规律一致;岩样卸荷破坏强度特征可用Hoek-Brown准则拟合。由此推导出增量形式的卸荷弹脆塑型本构模型,并以算例分析验证了该模型的正确性。     

完整岩石的Hoek-Brown破坏准则适用条件及其与一种新的破坏准则对比

作为一种非线性经验强度模型,Hoek-Brown(H-B)破坏准则有一定的适用条件。基于H-B破坏准则的基本公式,建议将围压范围0σ30.5σc(σ3为岩石破坏时的最小主应力;σc为单轴抗压强度)作为其适用条件,在该条件下H-B破坏准则能较好地拟合岩石三轴压缩试验数据。进而采用一种新的完整岩石破坏准则与H-B破坏准则对几组岩石三轴压缩试验数据进行拟合,对比发现,在适用条件内,H-B破坏准则可较好地拟合岩石三轴压缩试验数据,然而将拟合延伸到高围压阶段会高估岩石强度,需引起注意;新模型可在较大围压范围内较好地拟合岩石三轴压缩试验数据,有更强的非线性能力和适用性。     

含张开单裂隙砂岩破裂过程围压效应的数值模拟

为研究不同倾角裂隙砂岩试样在压缩过程中的围压效应,以室内单轴压缩试验结果标定岩体细观参数,采用改进刚体弹簧元法对不同倾角裂隙试样在不同围压下的破坏过程进行模拟。基于模拟结果,研究了围压对岩样强度、破坏模式及微裂纹发育特征的影响。结果表明,裂隙砂岩试样在压缩过程中具有明显的围压效应,相同裂隙倾角试样,其峰值强度、残余强度、弹性模量和变形模量均表现出随围压增加而增加的规律;不同围压作用下,不同倾角裂隙试样内部微裂纹演化规律相似,且其最终破坏形态均表现出以剪切破坏为主的破裂方式。     

天然气水合物沉积物分解过程中本构关系研究

天然气水合物具有储量大、分布广泛、清洁燃烧等优点,近年来受到研究人员的广泛关注。为了实现天然气水合物资源的安全高效开采,对其沉积层的力学稳定性进行系统评估是十分必要的。本研究在实验室内重塑了40%孔隙度的天然气水合物沉积物试样,并基于力学实验设备,对其在不同围压条件下分解过程中的力学强度及变形进行了一系列测试,获取了相应的应力应变数据。研究结果表明,水合物分解会造成沉积层强度的降低。此外,基于实验数据,在借鉴土力学邓肯-张本构模型的基础上,考虑了围压及分解时间对沉积物力学特性的影响,本文构建了适用于不同围压条件下天然气水合物沉积物分解过程中的本构模型,研究结果表明,该模型可以较好地模拟沉积物试样在分解过程中的应力应变关系,可为实现天然气水合物的安全开采提供一定的理论依据。     

硫酸盐腐蚀作用下水工混凝土的细观损伤本构模型

水工混凝土的力学性能是影响水利工程设施稳定性的重要影响因素。采用力学试验与理论分析相结合的方法建立考虑硫酸盐腐蚀效应的细观损伤本构模型。结果表明，硫酸盐腐蚀提高了混凝土破坏后的损伤程度；随着腐蚀时间增加，抗压强度和弹性模量呈指数型衰减规律，破坏应变呈增大趋势；由试验结果求解了形状参数m和尺度参数ε₀,进而求解了考虑硫酸盐腐蚀影响的细观损伤本构模型；通过实测试验数据验证了采用理论模型预测应力—应变关系的合理性。提出的本构模型可为水工混凝土力学行为的预测提供参考。     

基于颗粒离散元岩石模型的熵变规律研究

以岩石单轴压缩试验为基础,借助离散元软件PFC 2D建立岩石破坏的数值模型,将熵变曲线与试样的应力应变曲线、裂缝数量及能量曲线等进行对比分析,以便研究岩石破坏时的熵变规律。结果表明,岩石在破坏过程中,微裂隙的产生会造成熵值的下降;岩石在峰值应力点破坏时,熵值曲线会有明显的下降趋势;在不同围压条件下,高围压试样的初始熵值较高。因此,以熵变规律分析岩石的破坏过程,对岩石的破裂演化具有诊断评价和辅助判断的作用。     

单轴压缩下煤岩尺寸效应的试验及理论研究

为研究尺寸效应对煤岩力学性质的影响,以枣庄矿业集团付村煤矿的煤岩为例,利用RMT-150B岩石力学试验系统对9组不同高宽比的立方体煤岩岩样做了单轴压缩试验。通过对试验数据的拟合分析,得出煤岩岩样尺寸与抗压强度、弹性模量的定量关系式。同时基于应变等效假设,假定煤岩强度服从Weibull分布规律,提出煤岩考虑尺寸效应的损伤统计本构模型,与试验结果对比,发现该模型能较好地反映煤岩峰值强度前的应力应变关系,具有一定的合理性。     

卸荷损伤节理岩体加载条件下力学试验研究

岩体在卸荷作用下力学参数会发生劣化,导致承载力大幅减小。基于卸荷岩体力学理论,预制不同节理的砂岩岩样,在不同围压和卸荷量的条件下,对岩体的波速、应力应变特征、弹性模量、泊松比等参数进行试验测定。结果表明,节理岩体的波速与卸荷量关系呈阶段性变化。随着卸荷量的增加,波速衰减率明显增大;卸荷量越大,节理岩体的压密过程就越长;在卸荷量为0%和60%时,一定节理倾角的岩体,围压为5 MPa和10 MPa的弹性模量变化规律极为相似,并且弹性模量差值在10%以内,而围压为0 MPa和5 MPa的弹性模量相差在30%以上;在卸荷量和围压(都不为0)一定时,岩体的弹性模量与节理倾角呈类似正弦函数的变化规律;节理岩体的泊松比与卸荷量之间满足y=a+b(xc-1)关系。     

卸荷损伤节理岩体加载条件下力学试验研究

岩体在卸荷作用下力学参数会发生劣化，导致承载力大幅减小。基于卸荷岩体力学理论，预制不同节理的砂岩岩样，在不同围压和卸荷量的条件下，对岩体的波速、应力应变特征、弹性模量、泊松比等参数进行试验测定。结果表明，节理岩体的波速与卸荷量关系呈阶段性变化。随着卸荷量的增加，波速衰减率明显增大；卸荷量越大，节理岩体的压密过程就越长；在卸荷量为0%和60%时，一定节理倾角的岩体，围压为5 MPa和10 MPa的弹性模量变化规律极为相似，并且弹性模量差值在10%以内，而围压为0 MPa和5 MPa的弹性模量相差在30%以上；在卸荷量和围压（都不为0）一定时，岩体的弹性模量与节理倾角呈类似正弦函数的变化规律；节理岩体的泊松比与卸荷量之间满足y=a+b(xc-1)关系。     

汽轮机结构元件的损伤和寿命评估

提出了汽轮机转子在高应力疲劳与高温蠕变变互作用下的损伤本构模型与寿命评估方法,以及用于汽轮机转子结构分析的基本方程与变分原理,利用“间置加载”型荷载谱的特点,提出两个基本假设,并根据初始循环应力应变场对损过程中的循环应力应变场进行了有效描述,可对汽轮机转子结构寿命进行评估。     

考虑围压的混凝土损伤特性试验研究

为了研究水饱和状态混凝土在不同围压下(0、2、5、10 MPa)的损伤特性,对直径150mm、高300mm的圆柱体混凝土试件进行了三轴压缩试验,并定义损伤变量D,选用Weibull-Lognormal损伤本构模型分析了常三轴下不同水围压对混凝土损伤特性的影响。结果表明,0 MPa饱和水环境与干燥无水压下混凝土的损伤变量走势大致相同;应变为4×10-3时,损伤变化差值达到峰值;应变为7×10-3时,损伤达到同一水平为0.81;应变到达4×10-3之前,损伤变量的增长速率逐渐增大;应变在4×10-3~7×10-3之间时,损伤变量增长速率较大并基本恒定不变;应变超过7×10-3时,损伤变量增长速率逐渐减小。     

冻融循环作用下英安岩力学及损伤特性研究

为研究冻融循环作用下硬性岩的力学及损伤特性,以某拟建水电站坝区英安岩为例,开展了室内饱水状态下岩石的冻融循环、电镜扫描、单轴压缩、三轴压缩等试验,建立了冻融荷载耦合作用下较为真实的岩体损伤本构模型,分析了高寒山区冻融英安岩的力学性质及损伤特性。结果表明,冻融循环使岩样发生了裂隙扩展和颗粒析出;单轴压缩条件下,岩样破坏以单轴压缩产生的受荷损伤为主,有限的冻融循坏对英安岩(硬性岩)造成的损伤有限;三轴压缩条件下,随着循环次数的增加岩样损伤增加,随着围压增加岩样损伤有所减弱,且英安岩对围压的敏感性大于冻融循环。     

静三轴试验中固化疏浚泥的力学特性研究

为正确理解固化疏浚泥的力学性质,通过对固化疏浚泥进行固结不排水静三轴压缩试验,研究了围压和固化剂掺量对固化疏浚泥的破坏形式、应力—应变关系及抗剪强度参数的影响。试验结果表明,随着固化剂掺量的增加,固化疏浚泥的应力—应变关系由应变硬化型变为应变软化型;破坏形式由塑性破坏向脆性破坏过渡,而围压对其破坏形式无影响;固化疏浚泥的强度和抗变形能力均随着围压和掺量的增加而增大,但当围压小于土体内结构体的屈服强度时,围压对抗变形能力的影响可忽略;粘聚力和内摩擦角随固化剂掺量分别呈对数型和线性规律增长。     

砂岩蠕变力学特性及流变模型研究

水利枢纽工程中库岸高边坡流变现象显著,是工程长期稳定性的潜在隐患。以某大型水利枢纽工程近坝库岸高边坡石英砂岩为例,采用RLW-2000岩石三轴流变试验系统进行不同应力状态下的蠕变力学试验。结果表明,岩石瞬时应变、蠕应变随围压的增加而逐渐增大,初始、稳态和极限加速蠕变速率随围压的提升而递增;围压促进砂岩蠕变变形发展,高围压下的初始蠕变速率可能大于低围压下的极限加速蠕变速率;砂岩在围压5、10、15MPa下的长期强度分别为24.8、32.3、39.7MPa,长期强度随围压的增强而逐渐增大。结合试验成果,分析砂岩的流变性态为粘性-粘弹性-粘塑性,基于统一流变力学模型理论,确定H-H|N-N-N|S模型结构。由于传统元件模型难以辨识不同加速蠕变阶段曲线形态,引入SN和SP非线性元件改进传统模型,得到一个新的非线性蠕变力学模型,并将其拓展到三维情形。辨识蠕变试验数据,对比预测曲线和试验数据,证明了所建模型的可行性和合理性。研究成果可为水利枢纽工程的长期稳定性分析提供参考。     

某区域岩石力学参数试验研究

通过对松辽盆地龙西地区代表性岩样进行力学性质试验研究.得到岩石的弹性模量、泊松比、抗压强度、内聚力及内摩擦角等主要力学参数.试验结果显示,最初围压不断增大,岩石的强度极限也明显增大.但随着围压的增加,强度增量幅度变得越来越小,虽然岩石弹性模量有增大趋势,但不完全呈正比关系,而泊松比的变化规律却不明显.分析单轴与三轴抗压强度与弹性模量的线性关系,以及围压对岩石三轴抗压强度、弹性模量的影响,发现单轴和三轴抗压强度随弹性模量的增加而增大,且三轴抗压强度随弹性模量的变化比单轴的变化幅度大.试验可得出不同井的弹性模量、泊松比及抗压强度的比例关系,从而根据不同围压下三轴压缩强度试验,得出龙西地区几种代表性岩心的内聚力及内摩擦角.为后续的地应力测试实验提供初期数据,并为射孔完井得相关参数优化提供参考.     

基于Hoek Brown准则的砂岩卸荷强度损伤试验研究

为研究卸荷效应对岩体强度变化的影响,以三峡地区砂岩为样本,通过三轴加载和卸荷试验,运用Hoek Brown岩体破坏准则,探讨砂岩在不同卸荷速率条件下的强度损伤规律,并提出采用卸荷强度损伤因子来表征卸荷造成的强度变化。结果表明,卸荷条件下砂岩强度损伤明显,且与围压密切相关;随着围压的增大,卸荷效应造成的强度损伤量增大,最终趋于稳定。最后,基于工程设计最不利原则,修正了Hoek Brown卸荷强度准则公式,为工程应用提供了建议和参考。     

红层河谷区泥岩水化损伤特性试验及本构模型研究

红层地区河谷附近的深基坑开挖后在降雨和地下水作用下极易发生坍塌或局部滑塌,为了研究水对红层泥岩力学特性的影响,采用基坑内部钻芯取得的原状岩体,制备不同含水率的试样,通过开展室内扫描电镜及三轴压缩力学试验,对岩体的细观结构及力学参数随含水率的变化规律进行分析。研究结果表明,富水条件下泥岩微观结构疏松,裂缝发育明显。随着含水率的增大,泥岩内摩擦角小幅降低,而粘聚力大幅下降,且含水率与抗压强度及弹性模量均呈负相关。含水率较高条件下,岩样的应力-应变曲线表现为压密阶段区间增大,屈服阶段更为明显。基于微观特性及宏观力学试验结果,提出了考虑红层泥岩水-岩劣化效应的分段式损伤本构模型,并对该模型进行了验证。研究结论可为红层区受水-岩作用影响明显的岩土工程设计提供支撑。     

基于SHPB的船用橡胶减振器冲击动力学特性研究

为研究橡胶减振器的冲击力学特性,基于超-粘弹性本构理论建立了应变率相关的橡胶材料冲击本构模型,在霍普金森压杆（SHPB）装置上开展了速度范围为3~12 m/s的8组冲击试验,获得了应变率范围为1 500 ~6 000/s的应力-应变关系,建立了3阶冲击应变率修正模型。以某型船用动力设备橡胶减振器为研究对象,在ABAQUS软件中开展了减振器跌落冲击仿真分析,并进行了试验验证,研究了减振器跌落高度与结构参数对橡胶减振器冲击特性的影响。结果表明：橡胶减振器仿真冲击刚度与试验冲击刚度的误差为16.49%,处于工程应用可接受范围内,说明采用应变率修正的冲击本构模型能够合理表征橡胶的冲击力学特性;冲击刚度与减振器跌落高度及橡胶倾角和中径长呈单调递增,与橡胶厚度呈单调递减,其中倾角对刚度的影响最大     

金沙江向家坝水电站坝基砂岩蠕变特性研究

选取了金沙江向家坝水电站坝基的典型砂岩试样,采用三轴压缩试验对砂岩蠕变特性进行研究,分析了流变失稳破坏时的特征及砂岩的轴向、侧向和体积应变的全过程蠕变曲线异同点,对砂岩的长期强度进行预测分析。试验结果表明,砂岩存在一个起始蠕变应力阈值,每级荷载下的蠕变曲线之前都存在一个瞬时应变且随着围压的增大和偏应力的增大幅度越来越小,轴向瞬时应变与偏应力具有很好的线性关系;侧向和体积变形则存在明显的蠕变三阶段,加速阶段要比轴向快且两者的蠕变曲线形状相似,在同一围压和同一级偏应力下侧向蠕变量比轴向及体积的大,其蠕变发展最快;砂岩的长期强度可用等时偏应力应变曲线簇来进行确定,采用体积偏应力应变曲线簇更适宜,在已有的流变模型中伯格斯模型能较好的反映砂岩蠕变特性。