压缩应力条件下花岗岩损伤演化特征及其对渗透性影响研究

基于岩石三轴压缩应力–应变全过程渗透特性试验,结合三维声发射监测信息,研究花岗岩在不同围压条件下力学损伤演化机制及其对岩石渗透特性影响规律。本研究对常规渗透试验方法进行改进,通过在试样两端加工渗透小孔,实现岩石不同破坏形式下渗透性变化规律的测量。试验结果表明,在压缩应力作用下,花岗岩的损伤演化始于微裂隙的产生和扩展,并在岩石破坏时和峰后阶段发展迅速。该损伤演化的阶段性特征与声发射监测数据一致,进一步说明了裂隙扩展是导致花岗岩力学特性劣化的根本原因。随着微裂隙的扩展,岩石渗透性不断增强,但在峰前加载阶段渗透性变化明显滞后于损伤演化过程。该结果表明,在裂隙贯通并产生宏观破坏面之前,裂隙扩展对花岗岩渗透性影响非常有限。在低围压条件下,岩石渗透性随围压增大迅速减小;当围压增大到一定程度后,该趋势逐渐减弱。结合声发射监测数据,对不同应力条件下损伤演化与渗透特性的相互关系进行分析,并提出花岗岩渗透率与损伤和围压的相关经验公式。     

压缩应力条件下花岗岩损伤演化特征及其对渗透性影响研究

 基于岩石三轴压缩应力–应变全过程渗透特性试验,结合三维声发射监测信息,研究花岗岩在不同围压条件下力学损伤演化机制及其对岩石渗透特性影响规律。本研究对常规渗透试验方法进行改进,通过在试样两端加工渗透小孔,实现岩石不同破坏形式下渗透性变化规律的测量。试验结果表明,在压缩应力作用下,花岗岩的损伤演化始于微裂隙的产生和扩展,并在岩石破坏时和峰后阶段发展迅速。该损伤演化的阶段性特征与声发射监测数据一致,进一步说明了裂隙扩展是导致花岗岩力学特性劣化的根本原因。随着微裂隙的扩展,岩石渗透性不断增强,但在峰前加载阶段渗透性变化明显滞后于损伤演化过程。该结果表明,在裂隙贯通并产生宏观破坏面之前,裂隙扩展对花岗岩渗透性影响非常有限。在低围压条件下,岩石渗透性随围压增大迅速减小;当围压增大到一定程度后,该趋势逐渐减弱。结合声发射监测数据,对不同应力条件下损伤演化与渗透特性的相互关系进行分析,并提出花岗岩渗透率与损伤和围压的相关经验公式。     

岩石损伤过程中的渗流特性

目前人们对岩石损伤后渗透性变化定性、定量方面的认识都存在不足,通过分析中国大量岩石全应力应变过程渗透性试验的成果,总结出目前岩石破损过程渗透性变化的4种类型.分析了岩石孔隙、裂隙、岩性等因素对于形成4种不同渗透性变化类型的影响,以及围压对渗透性发展演化的作用.峰值前一般渗透性随围压增加而减小,但峰后比较复杂,值得继续研...     

岩石应变软化及渗透率演化模型和试验验证

为预测承载岩石的应变软化和渗透率演化,基于Gebdykes白云岩的三轴试验结果,分析了围压对岩石弹性模量、破坏应变、峰值强度、强度退化过程、残余强度和剪胀扩容的影响规律。将岩石变形全过程简化为3阶段,使用强度退化指数、脆性模量系数和扩容指数改进FLAC中的SS模型,建立了考虑围压影响的岩石应变软化模型。基于淮南潘一矿煤、凝灰岩、巴里坤砂岩、山西安家岭泥岩的渗透率与体积应变实验数据,建立了基于体积应变增透率的岩石渗透率演化模型,与改进SS模型结合,建立了考虑围压影响的岩石应变软化和渗透率演化模型。利用本文模型分别模拟了安家岭泥岩和Gebdykes白云岩的三轴压缩、渗透率演化和体积扩容过程,结果表明:1体积应变渗透率演化模型能较好地描述体积应变与渗透率的关系;2本文模型能较好地模拟围压对岩石残余强度、峰后强度退化过程和剪胀扩容的影响,能较准确预测承载岩石的渗透率演化。     

不同卸荷路径对砂岩渗透性演化影响的试验研究

为了研究初始围压和卸荷速率对砂岩卸荷变形破坏过程中渗透性演化规律的影响,开展考虑不同初始围压(10,20,30 MPa)、不同卸荷速率(0.1,0.5,1.0,1.5 MPa/min)下的三轴卸荷渗流力学试验研究。研究结果表明:(1)砂岩卸荷破坏时表现为明显脆性特征,且随初始围压和卸荷速率的增大,砂岩侧向变形和体积扩容特性愈加明显。(2)砂岩卸荷破坏过程中渗透率演化规律与卸荷应力–应变关系密切相关,呈现阶段性变化特征,即弹性变形阶段渗透率增长缓慢;屈服变形阶段渗透率加速增长;达到卸荷峰值应力后,进入应力跌落阶段,此时渗透率急剧增长,并发生突跳现象;卸荷破坏后残余强度阶段,渗透率快速下降并趋于稳定。(3)不同初始围压和卸荷速率对砂岩卸荷变形破坏过程中渗透性演化影响明显,初始卸荷围压越高,卸荷破坏时的卸荷量越大,但卸荷量与初始围压比值越小;卸荷速率越大,砂岩卸荷破坏时产生的卸荷量越大,所处围压水平越低,渗透率峰值越高。研究成果可为深埋地下岩石工程围岩渗透性演化与安全评价提供参考。     

低渗透岩石流变过程渗透演化规律试验研究

以二长花岗岩为研究对象,采用分级加载方式,开展不同围压和渗压作用下渗流–应力耦合三轴流变试验,研究低渗透岩石在流变过程中渗透性演化规律。基于试验结果,分析二长花岗岩分级加载流变全过程中渗透率变化规律和演化机制,特别是在低应力水平和流变破坏应力水平下的渗透率演化;并探讨流变加速阶段渗透率和体积应变的关系。试验结果表明,岩石在较低应力水平作用下渗透率变化基本保持稳定趋势,而在破坏应力蠕变加速阶段,渗透率会发生明显的加速增长现象;同时,蠕变三阶段过程中的渗透率变化速率和流变速率演化规律基本一致,即衰减阶段逐渐减小,稳态阶段保持稳定,加速阶段迅速增长。     

循环冲击荷载作用下岩石损伤规律的试验研究

为研究岩石在循环冲击荷载作用下的损伤规律,设计了3组试验,考虑了围压、荷载冲量大小和冲击次数对岩石损伤程度的影响。通过对大理石试件在压力试验机上的模拟冲击加载,测试受冲击后试件轴向超声波波速,并用超声波波速变化量描述试件的损伤度,得出了大理石试件的冲击损伤度与围压大小、荷载冲量大小和冲击次数的相关性。结果表明:在围压相同的情况下,岩石的循环冲击损伤与冲击次数和荷载冲量有关;在荷载冲量相同时,岩石的循环冲击损伤与冲击次数和围压有关;围压的存在提高了岩石的冲击强度,降低了岩石的损伤演化速率;围压效应的显现与冲击荷载的等级有关。     

GSI围岩评级系统下围岩新型统计损伤模型

为了得到受采动干扰、具有一定结构面的巷道围岩的变形破坏机理,采用GSI围岩评级系统对Hoek-Brown准则进行修正来描述岩石微元的强度,通过组成岩石力学性能参数变量的随机性与复杂性,假设岩石材料的力学性能满足对数分布,结合统计损伤力学理论和有效应力原理,建立不同围压作用下的岩石新型统计损伤模型,对岩石的损伤演化规律和应力-应变关系进行研究。结果表明:通过GSI围岩评级系统改进后的破坏准则与试验数据有更好的一致性、更加符合实际;不同种类岩石在不同围压作用下的模型曲线与试验数据拟合程度较高,也说明该本构模型的合理性与正确性;不同围压作用下岩石的损伤演化规律基本呈现S形变化,可以与围岩应力-应变曲线各阶段的破坏变形进行较好地对应与划分,且描述岩石的损伤演化规律与实际围岩的破坏过程基本一致,对实际工程具有指导意义。     

高围压条件下含充填裂隙类岩石水渗流试验研究

 进行高围压、高水压条件下的含充填裂隙类岩石的渗透性试验研究,根据配比试验,制作模拟砂岩的试样,并应用自主研发的三轴试验仪器进行试验研究。研究发现：(1) 不同充填裂隙试样的渗透系数不同,但不同围压下渗透系数均处于同一数量级;(2) 围压升高时,充填裂隙介质的渗透系数呈下降趋势;(3) 渗透结构面几何特征是影响试样渗透性的主要因素之一;(4) 试样渗透性规律应建立在试验的基础上。     

冻融循环作用下砂岩的力学特性及细观损伤本构模型研究

针对寒区岩体工程中岩石的冻融问题,选取砂岩为试样,通过进行室内冻融循环试验、扫描电子显微镜观测和三轴压缩试验对砂岩质量损失、微观结构和力学特性进行了分析。然后基于Lemaitre应变等效假设理论,通过引入能够反映岩石冻融破坏过程中的细观冻融损伤变量和力损伤变量来描述岩石材料的劣化程度及损伤演化规律,并采用连续损伤力学理论,建立了冻融与围压耦合作用下岩石的损伤演化方程及细观损伤本构模型。采用理论推导的方法得出所需的模型参数表达式,最后利用冻融岩石的三轴压缩试验数据对该模型的合理性和准确性进行了验证。将试验曲线的峰值点与模型理论曲线的峰值点进行对比,结果表明两者吻合度较好,该损伤本构模型能够较好地反映岩石三轴压缩过程的应力-应变峰值特性,验证了该模型及模型参数确定方法的合理性与可靠性。该模型拓展了岩石在冻融与围压耦合作用下的损伤模型,进一步的揭示了岩石在冻融与围压耦合作用下的损伤机制和破坏规律。     

受载岩石能量演化的围压效应研究

 能量演化贯穿于岩石变形破坏的全过程,为了探究围压对受载岩石能量演化特征的影响规律,对红砂岩试样进行6种固定围压下的轴向加、卸载试验,揭示岩石弹性能和耗散能演化及分配规律的围压效应,并探讨工程采动岩体的能量演化路径。研究结果如下：(1) 提出岩石储能极限、最大耗散能密度、残余弹性能密度3种特征能量参数,可分别表征岩石的能量积聚、耗散和释放行为特征;(2) 峰前主要表现为能量积聚,峰后主要表现为能量耗散和释放,但随着围压的增高,岩石储能极限大致呈幂指数增长,残余弹性能密度呈线性增加,最大耗散能密度呈幂指数增加,表明围压增大了能量输入的强度,减弱了能量释放的烈度;(3) 围压越大,弹性能比例在峰前阶段越大,在峰值破坏时下降幅度越小,在峰后阶段二次上升所达到数值越接近于峰前值,表明围压提高了能量积聚的效率,提升了岩石破裂重组后的储能能力;(4) 工程采动岩体失稳破坏的能量路径是增加储能水平和降低储能极限2条途径的组合,能量路径斜率越大,越容易因为围压的突然卸载而发生强能量释放行为。     

加载和卸围压条件下岩石力学特性的对比研究

为了研究岩石在加载和卸围压试验条件下的岩石力学特性,采用TAW-2000微机控制岩石伺服压力试验机,通过三轴加载和固定轴向应变卸围压的试验方法对辉绿岩进行了试验研究,分析了岩石在加载和卸围压条件下的岩石力学特性.并引入由Hoek-Brown屈服准则定义的主应力包络线切线,计算岩石峰值强度和残余强度时的粘聚力c和内摩擦角φ,获得了岩石在加载和卸围压条件下的岩石力学参数的变化特征.结果表明:在卸围压试验条件下,岩石在屈服破坏后,同样具有应变软化特性和破裂膨胀特性,但由于在卸围压条件下应变能的释放,岩石力学特性受围压的影响表现得更为突出.通过对加载和卸围压试验条件下的岩石力学参数进行比较分析,得到了岩石力学参数c、φ随围压的变化的规律.研究成果可为地下工程开挖过程中围岩受力变形特性研究提供参考.     

高围压下深部大理岩变形特性与能量演化试验研究

岩石材料受力变形破坏与能量的演化密切相关。采用GCTS RTX-4000高温高压动态岩石三轴仪对大理岩进行了单轴、三轴压缩试验,研究了围压效应对大理岩力学变形、破坏模式及能量演化规律。结果表明,围压增大导致大理岩在变形方面表现出“脆-延-塑”转化特征;在破坏形式方面由轴向劈裂破坏逐渐向斜剪拉裂破坏发展;在能量演化方面表现出总能量、弹性能和耗散能与围压具有正增长关系;在损伤方面,基于耗散能计算损伤变量,发现随围压的增加,大理岩损伤变量数值逐渐增大,二者表现出正相关关系,并且损伤变量与轴向应变呈四次多项式增长规律。     

饱和状态下硬岩三轴流变变形与破裂机制研究

利用岩石全自动流变伺服仪对饱和状态下坚硬大理岩和绿片岩进行了三轴压缩流变试验,基于得到的硬岩三轴流变试验结果,研究了硬岩在不同围压作用下的轴向应变以及侧向应变随时间的变化规律,从而为岩石工程流变数值分析时参数的辨识提供了可靠的试验依据。然后研究了硬岩轴向变形与侧向变形之间的关系,探讨了围压与粒径对岩石轴向以及侧向变形特性的影响规律,分析了岩石三轴流变过程中的塑性变形特性,讨论了流变应力水平对岩石侧向-轴向变形特性的影响规律。最后对不同围压作用下岩石流变破裂断口微细观特征进行了分析。     

压缩带形成过程中渗透性变化试验研究

 压缩带的形成能够较大地降低岩石渗透性,存在潜在的经济价值。为研究岩石在压缩带形成过程中的渗透性变化特征、卸载围压时渗透性变化、体积应变与渗透性变化的关系,利用风化的高孔隙率岩石进行三轴试验,同时测量渗透性。试验中得到discrete压缩带、高角度剪切带、以及discrete压缩带、diffuse压缩带和高角度剪切带中2种的混合形式。试验中观察到3种不同类型的渗透性变化曲线。渗透性一般随轴向应变的增加而降低,在形成第一个局部化结构过程中渗透性突然大幅度降低。渗透性降低一般在2个数量级以内,大部分在1个量级以内。这比其他2～3个量级渗透性降低的结果小,但与试验中岩石颗粒破碎不严重相符合。在加载的后期,试件体积膨胀,而渗透性降低。因此,可能存在孔隙率增加而渗透性降低的现象。卸载围压过程中渗透性存在不同类型：有的渗透性随围压降低一直增加,而且增加越来越快;有的渗透性随围压降低先降低,而后增加。     

韧性岩石常规三轴压缩试验及变形与损伤演化规律研究

 利用岩石全自动三轴伺服仪,对向家坝水电站坝基挤压带强风化砂岩进行不同围压下的常规三轴压缩试验,并对岩石变形和破坏机制进行研究。试验结果表明：该强风化砂岩表现出显著的非线性变形和延性破坏特征,属于韧性岩石。在偏压作用下,岩石轴向和侧向应变分别为5%和4%,体积膨胀量为4%以上。岩石变形力学参数随荷载的变化而变化,随偏应力的增大,岩石弹性模量减小,泊松比增大。围压可提高岩石抵抗变形和破坏的能力,围压越大,岩石发生扩容的起始偏应力越大。基于密度方法研究岩石损伤演化规律。加载初期,岩石被压密,处于无损阶段;当偏应力超过一定水平时,岩石出现损伤,且损伤量与等效应变呈线性关系,密度损伤阈值低于0.12。试验结果对向家坝水电站坝基稳定性分析有重要参考价值。     

温度-应力耦合条件下膏岩渗透性试验研究

为研究深地环境下能源储库膏岩盖层气密性,利用基于四川大学MTS815岩石力学试验系统改进的THM多场耦合三轴渗流测试平台,国内首次展开不同温度、不同围压条件下膏岩加载变形破坏全过程气体渗透性试验。试验结果表明:(1)天然状态下膏岩的渗透率处于10-17～10-15 m2,属于致密低渗岩体介质。(2)相同温度下,随围压增大,膏岩破坏应力–应变曲线具有脆–延性转变特征,且膏岩峰值应力不断提高;相同围压下,随温度升高,膏岩表现出热损伤及热软化效应,峰值应力逐渐降低,塑性变形能力增强。(3)膏岩初始渗透率随围压增大而降低,呈指数型递减关系,5 MPa围压下膏岩初始渗透率为4.13×10-17 m2,15,25,35 MPa围压下初始渗透率分别降低37.23%,65.86%,75.79%。(4)不同温度–应力耦合条件下膏岩渗透性均表现出先降低后升高的演化规律,岩石整体渗透率水平随温度及围压的升高不断降低。     

卸围压深埋大理岩扩容特征与裂纹演化规律

深埋硬脆岩石开挖卸围压破裂过程与裂纹的扩展密切相关,利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验平台,对锦屏二级2 400 m深埋大理岩展开25、50、80 MPa三种不同初始围压的三轴卸围压试验,依据卸围压过程中扩容变形与能量转换过程,深入探究不同卸围压状态下深埋大理岩变形破坏过程中的裂纹演化规律。研究结果表明：深埋大理岩卸围压变形破坏过程阶段性明显,通过横向应变差法与体积应变极大值点确定起裂应力与扩容损伤应力,基于此对体积变形过程进行了阶段性划分,并发现其中屈服扩容阶段可进一步划分为稳定扩容和加速扩容两阶段;初始围压对大理岩扩容变形影响显著,随着初始围压增大,其扩容特性减弱且承受扩容变形能力增强。裂纹的扩展伴随着能量的耗散,为明确卸围压深埋大理岩扩容破坏机理,综合塑性应变与能量耗散特征,获得其变形破坏过程中的裂纹演化规律,发现：初始围压控制裂纹类型与发育程度,初始围压增大,裂纹总体发育愈充分,剪切裂纹占比增加,其破坏模式由张剪破坏向剪切破坏转变;提出横向裂纹应变比率POC₃以表征深埋大理岩卸围压阶段裂纹演化趋势,POC₃曲线转折...     

岩石强度的时间依存性及围压影响效应的若干研究进展及展望

为了对地下岩石结构长期稳定性进行评估,掌握岩石的时间依存性特征非常重要。单轴压缩应力条件下岩石的载荷速率依存性特征、蠕变及松弛特性等研究取得了丰富的研究成果,但围压的影响效应仍然研究较少。对近期的岩石性质的时间相依性特征进行了总结分析,重点关注了围压的影响效应。首先,对比分析围压和单轴作用下岩石性质的时间依存性特征的不同,讨论围压的影响规律。借助于前人的研究成果和数据,对岩石的荷载速率依存性、蠕变及其之间的关系进行研究。从理论上解释了岩石时间依存性特征与岩石性质和尺寸效应的概率分布之间的密切关系。最后,围压作用下岩石时间依存性特征研究的装备和试验方法进行了介绍。     

北山深部花岗岩弹塑性损伤模型研究

 基于力学特性试验和三维声发射监测技术,研究北山花岗岩在压应力条件下的力学行为特征和损伤演化机制,并构建岩石的力学损伤模型。试验结果表明,在低围压条件下岩石主要发生的是脆性破坏;随围压增大,岩石力学行为逐渐向延性转化,表现出剪胀、塑性变形等非线性行为。结合微裂隙产生和扩展规律,对岩石在外力作用下的损伤演化过程和破坏机制进行分析,认为北山花岗岩的破坏及非线性行为是损伤和塑性变形共同作用的结果。基于这一认识,在热动力学框架下提出北山花岗岩准唯象弹塑性损伤模型。模型引入非关联的塑性流动方程,以反映岩石在压应力作用下体积变形从压缩到膨胀的转化过程。基于已有的损伤理论建立损伤演化方程,并通过在塑性屈服面中引入独立损伤变量,建立塑性和损伤发展的耦合关系。数值模拟和试验数据的对比表明,模型可以很好地描述北山花岗岩在不同应力水平下的损伤演化规律和力学行为,特别是随围压增大岩石力学行为从脆性到延性的转化过程以及岩石峰前塑性硬化和峰后应力软化等行为特征。