基于脆性模量系数的岩石应变软化及渗透率演化模型

岩石峰后应变软化力学行为及渗透率演化规律是岩石工程稳定性和安全性分析的基础。在三轴实验基础上分析了围压对岩石峰后应变软化力学行为的影响规律,提出了描述围压对岩石峰后脆性影响的新参数,即脆性模量和脆性模量系数,分析了脆性模量的物理意义和脆性模量系数方法的应用范围。基于脆性模量系数,结合强度退化指数、扩容指数、FLAC中的SS模型和体积应变增透率,建立了考虑围压影响的岩石应变软化模型和渗透率演化模型。利用本文模型较好地模拟再现了不同围压下Gebdykes白云岩变形和巴里坤砂岩渗透率的演化过程,验证了本文模型的合理性。将本文模型应用于某煤层开采过程中围岩变形和渗透率的动态演化预测,结果表明随着煤层开采,采动应力引起围岩变形、破坏,其渗透率也随之动态变化,本文模型能较好地再现煤层开采过程中围岩的渗透率动态演化规律。     

饱水孔道砂岩力学特性试验

针对南方广泛存在矿山岩体含水层中的砂岩,利用MTS815试验机进行不同围压下三轴压缩试验,利用RMT-150C试验机进行单轴压缩试验,结果表明:(1)单轴压缩条件下,岩样的全应力-应变曲线明显分为4个阶段:孔隙裂隙压密阶段、弹性变形至裂隙发展阶段、非稳定破裂发展阶段、峰后破坏阶段.(2)单轴压缩条件下峰后应力-应变曲线表现出悬崖式下降趋势的特征;三轴压缩条件下无明显的压密阶段,峰后应力-应变曲线表现出由弹脆性向弹塑性转化趋势的特征.(3)随着围压的增大,除泊松比表现出减小的趋势之外,其余力学参数均有增大的趋势,对峰值强度和峰值应变的影响最为显著,峰值应变逐渐增大,岩样的塑性不断增加,表现出延性破坏的特征.(4)单轴压缩条件下岩样主要以X型裂纹的剪切破裂为主,单一斜平面的剪切破裂为辅;三轴压缩条件下岩样主要以单一裂纹的剪切破裂为主.     

深部软弱地层TBM围岩力学行为试验研究

为揭示TBM深部软弱围岩变形破坏力学特性,开展了反映深埋隧道TBM机械开挖卸荷本质——高初始围压下缓慢准静态卸荷这一卸荷特征的砂质泥岩三轴卸围压试验,研究结果表明:缓慢卸荷条件下的岩石峰前应力-应变曲线接近于常规三轴压缩峰前应力-应变曲线,卸荷屈服阶段产生损伤扩容,侧向变形加速增长,从体积压缩开始转向扩容;应力达到峰值强度后,岩石首先发生1~2级脆性跌落,随着围压继续缓慢卸荷,岩石沿一条斜率较小的近似斜直线发生伴随有多级次生微破裂的线性应变软化;岩石变形全过程由弹性变形段、峰前卸荷损伤扩容段、峰后脆性跌落段、含有多级微破裂的线性应变软化段以及残余强度阶段组成;岩石缓慢卸荷发生宏观张剪复合破坏,并伴有轴向劈裂裂纹,破裂断面为由许多劈裂裂纹相互贯通形成具有一定宽度的剪切带,剪切带内劈裂的岩片在轴向挤压力和沿破裂面的剪切力共同作用下被挤压和摩擦成许多细颗粒和岩粉。     

围压下岩石破坏过程的离散元模拟

采用离散元软件PFC2D对模拟岩样进行了双轴压缩模拟,从细观角度观察和分析了围压对岩石强度特征、变形特征和破坏形态的影响。研究结果表明:随围压增加,岩样的抗压强度呈线性增强,且符合库伦强度准则;岩样的初始破裂应力和裂损应力均随围压增大而线性增大,但与峰值抗压强度的比值接近常数;岩样的弹性模量亦随围压增大而增大,但在较高围压时趋于平稳;压缩过程岩样轴向峰值应变和径向峰值应变均随围压增大呈线性增大,轴向峰值应变的增加幅度更大,且在模拟围压范围内均出现了体积扩容现象;围压下岩样以剪切破坏为主,且随围压增大,岩样破坏模式由脆性向延性转变,但围压对破坏角的影响较小,符合库伦准则。     

深部灰岩力学性质及残余强度试验研究

在MTS试验系统上对采自凡口铅锌矿深部的灰岩进行了准静态单、三轴压缩试验,获得了不同围压下灰岩峰值强度前后的应力－应变关系曲线。根据试验结果,分析了岩石在不同围压下的受力变形特征,岩石的峰值强度前弹性模量、峰值强度与围压之间的特性,给出了峰值强度、峰值应变与围压、应力之间的量化关系。研究了岩石峰值强度后的应变软化特点和残余强度,并建立了残余强度、初始残余应变与围压之间的量化关系,得出在准静态加载条件下大多数岩样峰后产生弹脆性“跌落式”软化的重要特点,为该矿深部岩体工程应用研究中的岩石本构模型理论研究提供依据。     

贯通节理砂岩峰后变形试验研究及其在隧道支护中的应用

深部资源开发中地下硐室围岩稳定控制必须面对峰后碎裂岩体的变形和破坏问题,但目前对峰值强度后的变形特征和强度特性研究不足,认识不充分,常导致大体积塌方、大变形等重大工程事故。采用RLW-1000型岩石三轴伺服刚性机对不同围压贯穿裂隙圆柱体标准试件进行常规三轴压缩试验,分析裂隙岩体在不同围压下裂隙岩体的峰后强度和变形特性。试验结果表明:裂隙试件的峰值强度,残余强度和峰值应变基本上是随着围压的增大而增大;围压越小,裂隙岩石峰后扩容现象越明显,岩石扩容随围压增大而减小,且岩石可塑性和围压共同影响岩石扩容。结合试验结果分析发现将峰后非连续体变形控制在残余强度的初始阶段,能以相对较低的支护阻力有效控制过高的破裂膨胀变形发生,保证隧道围岩的稳定。     

三轴压缩下茅口灰岩围压效应的试验研究

针对南方广泛存在的茅口灰岩,利用MTS815电液伺服控制刚性试验机进行不同围压下三轴压缩试验,通过拟合分析,结果表明:(1)三轴抗压强度随着围压的增大,且呈线性增长;低围压条件下,茅口灰岩弹性模量随围压增大而增大,围压超过17 MPa,弹性模量趋于稳定;泊松比随围压增加成二次非线性增长趋势.(2)低围压条件下,岩样扩容率较小时即发生脆性破坏,体积应变扩容率随着围压的增大而提高;围压为12 MPa,岩样由脆性向延性转化,围压加至17 MPa,岩样表现为延性流动.3)随着围压的逐渐增加,岩样破坏方式趋于简单,由侧向剪切破坏逐渐转为对角剪切破坏,破坏角增大.     

基于三轴试验与数值模拟的大理岩破坏特征研究

为了研究深部围岩在不同围压下的力学性质与破坏特征, 对不同围压下大理岩开展了三轴压缩试验; 利用RFPA^2D数值模拟软件对大理岩开展了不同围压下应力-应变特征、强度与声发射特征等研究。结果表明, 岩样峰值应力与围压有关, 随着围压增大, 岩样逐渐由脆性破坏转为延性破坏; 岩石弹性模量随着围压增大表现出非线性增大规律; 数值模拟结果也表明, 岩样声发射现象在单轴压缩时反应强烈, 伴随围压增大, 岩样声发射特征参数逐渐趋于稳定, 围压对岩石横向应变有明显束缚作用, 降低了岩石能量释放与破坏程度。RFPA^2D数值模拟可呈现大理岩试样在不同围压下裂纹萌生、发育、汇合至试样破坏的全过程, 其模拟结果与室内试验结果吻合度较高, 验证了结论的可靠性, 可为矿山深部开采提供理论依据和现实指导。     

砂岩力学特性与本构方程

采用MTS815岩石力学测试系统和CT机对高围压下砂岩的变形规律和断裂特征进行了试验研究,得到岩石应力应变全过程曲线。研究表明,岩石变形规律分为初始压密、弹性变形、应变硬化、应变软化4个阶段;随围压的增高,岩石的强度和残余强度增大,峰值应力点对应的轴向应变、横向应变增大,弹性变形阶段增长,岩石呈脆性-塑性-延性转变;三轴压缩试验试件破坏形式为剪切破坏,且破裂面与水平方向的夹角随围压的增高而减小。根据岩石的变形规律,对邓肯-张(Duncan-Chang)本构方程进行了改进,改进的本构方程能更好地描述岩石的变形特性。     

承载围岩渗透率演化模型及数值分析

为反映承载围岩变形破坏过程中渗透率的变化,将岩石变形破坏过程视作弹-脆-塑过程,分析了岩石全程应力-应变-渗透率关系,建立岩石渗透率演化数学模型。模型中岩石单元的渗透率演化包括如下阶段:①岩石单元破坏前,渗透率为孔隙率的函数;②若岩石单元发生剪切破坏,假设岩石单元剪胀扩容在单元体内引起两条斜交裂隙;③若岩石单元发生拉破坏,体积膨胀在单元体内引起两条正交的裂隙。基于平行板的渗透率立方体定律计算破坏岩石单元的渗透率,进而建立了承载岩石弹性变形、脆性破坏全过程的岩石渗透率演化模型。在FLAC软件下利用Fish函数方法实现了该模型。数值算例研究了不同围压下加载立方体岩样的渗透率演化过程,结果表明:建立的模型可以较合理地反映承载岩石弹性变形和破坏引起的渗透率变化,也可以较合理地反映围压对岩石渗透率的影响。     

基于退化角的岩石峰后应变软化模型

反映围压对岩石峰后脆性的影响,提出了描述岩石峰后软化行为的新参数,即退化角。对山西含碳泥岩三轴试验数据拟合表明,退化角与围压呈线性关系。推导了岩石峰后软化中等效塑性剪切应变与退化角之间的关系式,提出了基于退化角的岩石峰后应变软化模型。在FLAC环境下,利用Fish函数方法开发了相应的数值计算程序。数值算例研究了山西含碳泥岩在不同围压下的应变软化过程,模拟结果与试验数据规律基本一致,表明：退化角能较好地描述围压对岩石峰后脆性的影响;建立的峰后应变软化模型合理而可靠,为岩石峰后软化过程模拟提供了新的思路。     

TBM掘进围岩挤压大变形机理与本构模型

通过对反映了TBM卸荷特征的砂质泥岩三轴卸围压试验结果分析,揭示了深部软弱地层TBM掘进围岩挤压大变形机理：挤压大变形主要由TBM开挖卸荷瞬时产生的峰前卸荷损伤扩容和峰后破裂碎胀造成的体积扩容组成,峰前岩石内部原生裂隙扩展和新裂隙萌生、扩展导致扩容变形,以及峰后裂隙汇聚贯通成宏观破裂面和多级次生破裂形成,破裂后块体间发生错动或翻转等相对运动引起峰后碎胀大变形,其中峰后的碎胀变形是构成大变形最主要的部分。获取了各特征应力（损伤扩容应力σ1cd、极限承载强度σ1m和线性应变软化应力σ1l）与围压σ3的相关关系,建立了各变形破坏阶段的临界准则;建立了卸荷损伤扩容阶段的损伤演化方程;基于三轴卸围压试验成果建立了弹性-卸荷屈服损伤扩容-峰后脆性跌落-线性应变软化-残余理想塑性5阶段挤压大变形本构关系。对挤压大变形本构模型在FLAC3D进行了数值实现,并验证了模型的合理性和数值实现程序的正确性。     

全尾砂胶结充填体弹塑性本构模型实验研究

针对4种灰砂比、5种料浆浓度的全尾砂胶结充填体进行了单轴压缩实验,得出了其在单轴压缩条 件下的物理力学特性。根据充填体单轴抗压强度分别选取灰砂比1∶6、1∶8,料浆浓度65%、70%的充填试块进行了4组不同围压下的三轴压缩实验,得到了 充填体全应力-应变曲线及其物理力学参数。根据实验结果建立了充填体线弹-弹塑-塑性软化-理 想塑性的本构模型,将充填体峰后应变软化阶段分为2种情况：在围压较小时,表现出明显应变 软化,应力脆性跌落;在围压较高时,应变软化不明显,峰后直接进入塑性流动状态,残余强度 与峰值强度差值减小。研究结果为充填体强度设计提供了理论依据。     

考虑应变软化和扩容的圆形巷道围岩强度准则效应

为了研究强度准则效应对圆形巷道围岩稳定性的影响,首先对Mohr-Coulomb(MC)准则、Drucker-Prager(DP)准则、统一强度理论和Mogi-Coulomb(MO)准则等4种岩石材料常用的强度准则进行归纳总结,得到了平面应变条件下统一形式的屈服方程;然后将巷道围岩划分为破碎区、塑性软化区和弹性区,同时引入强度参数软化模量和扩容系数,考虑中间主应力效应、岩石峰后应变软化和扩容特性,推导了巷道围岩应力、位移和塑性区半径统一解,并对新解的各影响因素进行了对比分析。分析结果表明:本文所提出的新解不仅形式简洁,而且可以灵活匹配不同的岩石强度准则;不考虑中间主应力效应的强度准则相对偏于保守,考虑中间主应力效应时,MO准则和权系数<0.5的统一强度理论计算得到的塑性区半径和位移处于中间水平,而外接圆DP准则和权系数>0.5的统一强度理论对中间主应力效应考虑较多,选用时需谨慎;应变软化会使塑性区内围岩的性质得到进一步劣化,出现更大范围的破碎区,提高破碎区残余强度是一种有效的支护方法;巷道围岩的扩容特性不仅与剪胀角有关,而且还与塑性势函数有关,不考虑扩容将会低估围岩的真实变形。研究结果可为巷道围岩稳定性评价和支护设计提供重要理论参考依据。     

水—力耦合条件下灰岩渗透性试验研究

为了研究围压与渗透压差对灰岩渗透性影响,通过水—力耦合试验对不同条件下的岩石破坏过程的渗透性进行了测定。结果表明:在岩块破坏之前的压缩、变形阶段,岩石渗透率低,难以测出;在岩块达到峰值强度后,渗透率突增,在应变软化阶段渗透率最大;随着围压的增高渗透率减小,高围压状态下围压对灰岩渗透率的影响程度降低;随着渗透压差的增加,灰岩渗透率增大,高围压状态下,渗透压差对渗透率的影响程度较弱,试块的破坏位置集中在进水端位置附近。研究成果有助于深化对深部开采高地应力高水压条件下突水演化过程的认识。     

煤岩组合体峰后渐进破坏特征与非线性模型

利用煤岩组合体的单轴和三轴压缩试验结果,基于轴向裂纹应变,分析了其峰后渐进破坏特征。在此基础上,通过将峰后阶段的煤岩组合体概念化为裂纹体和基体两部分,建立了考虑自然应变的裂纹体在峰后裂纹贯通阶段的本构模型,然后考虑基体的弹性变形,最终得到煤岩组合体峰后阶段的非线性应力-应变关系。实例验证表明,该模型能较好地反映煤岩组合体峰后应变软化行为和残余强度。对模型的2个参数进行分析,结果表明:轴向裂纹扩展应变极值在单轴压缩时取得最大值,围压存在时远小于最大值;等效非弹性柔度与轴向裂纹扩展应变极值存在负相关关系,与能量跌落系数大致存在线性相关关系,表明等效非弹性柔度可间接评价煤岩组合体峰后破坏的脆性程度;等效非弹性柔度比轴向裂纹扩展应变极值对煤岩组合体峰后破坏行为的影响更明显。     

考虑围岩峰后破坏的全锚锚杆受力特性

基于中性点理论,考虑围岩峰后剪胀效应及破坏形式,推导了瞬时稳态下全长锚固锚杆轴向正应力和剪应力表达式,系统性地分析了孔口处锚杆端头轴力和残余黏聚力、剪胀系数和应变软化系数对锚杆杆体轴向正应力、剪应力以及中性点位置的影响。研究结果表明:锚杆轴向正应力沿杆体内端点至外端点呈现出先增大后减小的变化特征,且应力曲线在弹性区与峰后破坏区呈现出明显的差异性;锚杆剪应力沿杆体内端点至外端点呈现先减小后增大的变化特征,且在弹塑性交界处的连续与否与围岩剪胀系数和剪切刚度密切相关;锚杆轴向正应力和剪应力均随着残余黏聚力的增大而减小,随着剪胀系数与应变软化系数的增大而增大;同时,锚杆杆体轴向正应力和外端点侧剪应力均随着孔口处锚杆端头轴力的增大而增大,内端点侧剪应力随着端头轴力的增大而减小。中性点位置随着残余黏聚力的增大呈现出先增大后减小的变化特征,当残余黏聚力大于某一临界值时中性点位于弹性区,反之,位于峰后破坏区;此外,中性点位置也随着剪胀系数、应变软化系数的增大而减小。