损伤和破坏岩石的强度研究

根据单轴卸载试验,获得岩样相应的应力应变曲线和轴向应变-径向应变曲线,并得到不同程度的损伤岩样。与完整的峰前曲线相比较,推断不同损伤程度岩样的卸载点所处于的应力应变曲线的阶段。将损伤岩样和破坏形成的岩块浇注在混凝土中,通过剪切试验获得岩石的抗剪强度。剪切试验结果显示,在裂纹稳定发展阶段卸载,岩样的抗剪强度下降很小,可能强度的变化掩藏在个体差异中;在裂纹不稳定发展阶段卸载,岩样的抗剪强度明显下降,特别是卸载点靠近强度峰值时;单轴压缩破坏形成的岩块仍具有相当可观的材料强度。     

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。     

常规三轴压缩条件下茅口灰岩流固耦合破坏行为研究

采用瞬态法在MTS815岩石力学试验机上进行常规三轴压缩条件下岩石渗透性试验,得到不同围压,不同孔隙水压下茅口灰岩的全应力-应变曲线与渗透压差ΔP的变化曲线,根据试验曲线,分析全应力-应变下茅口灰岩的渗流、强度以及破坏特征。研究表明,岩石在全应力-应变过程中渗透压差ΔP表现为初始下降阶段I,缓慢变化阶段II,非稳定下降阶段III和急剧下降阶段IV共4个阶段,这4个阶段可预测出岩石在全应力-应变过程中渗透率先降低后增加,并在峰值时急剧上升的规律;分别研究了孔隙水压和围压对岩石的峰值强度与变形特性的影响,得到随围压或有效围压的增加,岩石的峰值强度、弹性模量均会增大,但岩石泊松比呈下降趋势的规律,而孔隙水压对岩石峰值强度、弹性模量和泊松比的作用与围压的作用相反。     

三轴压缩岩石应变软化及渗透率演化的试验和数值模拟

三轴压缩下岩石峰后应变软化行为及渗透率演化规律是岩石工程稳定性分析的基础。取新疆巴里坤砂岩样在室内开展了三轴压缩试验和三轴渗流试验,获得了不同围压下巴里坤砂岩的全程应力应变曲线、体积应变与渗透率关系曲线。试验结果表明：随着围压增加,岩石峰后残余强度增加,体积扩容和脆性减弱;随着轴向应变增加,岩石先发生弹性压缩,空隙空间减小,渗透率降低;当应力达到屈服强度,岩石内裂隙开始扩展,渗透率降低速率趋缓;在峰值应力后,岩样破坏,裂隙扩展加速,并伴有新裂隙的萌生,岩样渗透率开始快速增长,岩样的渗透率呈“V”型变化。提出了描述围压对岩石峰后脆性影响的新参数,即脆性模量系数,围压与脆性模量系数之间服从负指数关系。基于脆性模量系数、强度退化指数和扩容指数,建立了考虑围压影响的岩石应变软化模型。在分析体积应变与岩石渗透率之间关系基础上,建立了基于体积应变增透率的岩石渗透率演化模型。在FLAC下模拟了巴里坤砂岩不同围压下的应变软化行为和渗透率演化过程,结果表明：岩石应变软化模型能很好地模拟围压对岩石残余强度、体积扩容和峰后脆性的影响;所示模型能较好地模拟围压和剪胀对岩石渗透率的影响;岩样峰后内部出现了明显的剪切破坏带,剪切破坏带与大主应力的夹角随着围压的增加而增大。在剪切破坏带内单元的渗透率显著增长,最后形成了一个流动通道。     

围压对软岩力学性质影响的试验研究

利用XTR01-01型微机控制电液伺服岩石三轴试验仪,研究在不同围压下软岩强度的变化规律,对于岩石工程的设计和施工具有重要意义。文中就国内某大型露天煤矿开采过程中揭示的黑色炭质页岩设计了不同围压的三轴试验方案,并进行了三轴力学性质测试,描述了软岩在饱水时间为1个月的全应力—应变曲线特征,重点探讨了围压对软岩强度的影响规律,详细分析了围压对软岩强度变化的作用机理及特点。     

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。     

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。     

不同围压作用下煤-岩组合体破坏行为及强度特征

通过MTS815试验机对钱家营矿煤-岩组合体进行常规三轴压缩试验。研究表明:围压作用下煤-岩组合体压密阶段较短,具有明显的线弹性及塑性屈服阶段,且随着围压的增大,峰后延性特征明显;根据峰值应变、弹性模量、破断角、强度的变化规律,10~15 MPa为组合体变形减缓的临界区间;煤样破坏主要以单斜面剪切破坏为主,并且个别岩体部分产生与煤样一致的剪切面,破断角处于14.1°~38.8°,均值为26.84°与理论破断角28.31°相差不大;随着围压的增大,残余强度有增高趋势,岩石强度衰减系数与之相反。围压从0~5 MPa,强度衰减系数降幅最大,体现出对围压的敏感性,随后围压继续升高,强度衰减系数呈线性递减;利用Hoek-Brown和广义HoekBrown准则对煤-岩组合体强度进行分析,讨论了适用于煤-岩组合体的参数m,s值。     

不同堆置状态粗粒土剪切强度试验研究

为研究不同堆置条件下排土场粗粒土的力学响应规律, 开展了终排土体固结排水三轴压缩试验和在排土体快剪试验。研究结果表明, 土体固结排水三轴压缩应力-应变曲线呈现先弹性后屈服再弱硬化的规律, 体积-应变曲线有拐点, 低围压时先剪缩后剪胀, 高围压时以剪缩为主。在排土体快剪试验具有峰值强度, 100~400 kPa时, 峰值强度出现在剪切位移20%~30%之间, 且剪应力-位移曲线呈弱化趋势; 600~1 200 kPa时, 峰值强度出现在剪切位移30%~40%, 随剪切位移增加, 土体抗剪强度基本保持恒定或略有增大。不同堆置状态排土体抗剪强度参数取值各不相同。     

岩石压缩能量演化规律及非线性演化模型研究

为了研究岩石在不同围压作用下的压缩能量演化规律,采用MTS815.02试验机对阜新恒大煤矿砂岩进行不同围压下三轴压缩试验,通过能量法计算出不同条件下的弹性能变化曲线,分析不同围压作用下岩石压缩能量演化规律,以及在同一围压作用下弹性模量对弹性能变化规律的影响。基于广义虎克定律和能量守恒定律,并考虑弹性能与能量释放率的关系,引入微元强度的概念,建立一种新型的能量非线性演化模型。结果表明:随着围压增大,岩石的弹性能和总能量在峰值处的数值基本呈线性增大趋势,且常规三轴压缩时的能量远大于单轴压缩时的能量,说明围压可以有效提升岩石的储能能力;在峰前阶段,模型曲线与试验数据拟合程度较高,在峰后阶段,模型曲线也可以较好地描述弹性能与轴向应变之间的关系,模型曲线与试验曲线具有良好的拟合度。这表明该模型更加接近围岩实际的变形破坏演化规律,建立的模型可以较好地反映岩石弹性能-应变变化关系,且建立的模型中的参数都可以通过试验进行确定,引入的分布参数也具有明确的物理意义。模型曲线与峰后试验曲线虽然有较大的偏离,但该模型不仅能描述峰前阶段曲线变化规律,也对峰后曲线变化规律有所描述,弥补了原有能量模型不能描述峰后曲线变化规律的缺点。     

基于摩擦滑动的峰后断续灰岩力学特性的研究

利用MTS815 Flex Test GT电液伺服岩石力学试验系统对完整灰岩及断续(裂隙、断裂)灰岩进行三轴压缩试验,研究不同围压下完整灰岩及断续灰岩的强度及变形特征。基于试验结果建立断裂灰岩圣维南体力学模型模拟岩石破裂形成断续结构后失稳摩擦滑动,在此基础之上,采用单结构面理论研究限定其发展的条件。试验结果表明:完整灰岩及断续灰岩试样峰前弹性模量随围压的增大并没有产生明显的变化,且裂隙灰岩峰前弹性模量与完整灰岩基本一致;完整灰岩表现为低围压下的脆性向高围压下的塑性破坏转化的变形特征,而裂隙灰岩在不同围压条件下均表现为塑性破坏,断裂灰岩则表现为理想弹塑性变形;完整灰岩及断续灰岩峰值强度都随着围压的增大而增大,相同围压下裂隙灰岩强度低于完整灰岩强度,但相差不大,循环加载对断裂灰岩强度影响较小;灰岩破坏形成断裂结构后,破裂面间的摩擦决定断裂灰岩承载能力,当破裂面剪应力超过摩擦力时,将发生塑性滑移,通过增大围压可以增强破裂面间摩擦进而提高断裂灰岩承载能力,抑制塑性滑移。     

潜江超深盐矿盐岩力学特性的试验研究

对取自潜江白垩系地层2000 m的盐岩试样,进行了一系列的力学特性试验。包括单三轴压缩试验,巴西劈裂试验,直接剪切试验。研究了盐岩的单轴抗压强度,弹性模量等,并与国内外其他地区盐岩相比较,得出潜江盐岩单轴抗压强度,弹性模量都偏小;研究了三轴压缩强度特性,着重研究了模拟地层温度和高围压条件下,温度和高围压对盐岩力学特性的影响机理,研究表明:温度对盐岩的力学特性影响明显,盐岩塑性变形能力非常强,围压对弹性模量的影响非常小,高围压下盐岩没有明显的破坏面,不再是单纯的剪切破坏;同时对盐岩的抗拉强度,抗剪强度参数进行了研究,得到潜江盐岩的抗拉强度为1.041 MPa,抗剪强度参数c,φ值分别为2.46 MPa和41.36°     

基于PMC模型的破坏模式转化型强度准则

进入深部后,受高应力、强扰动影响,岩石岩体中拉断、剪切及压密屈服等破坏模式共生的现象凸显,深部岩石表现出明显地非线性行为,岩石破坏在多种破坏机制中转化。深部岩体强度理论需考虑中间主应力的影响,本文基于Paul-Mohr-Coulomb(PMC)准则,考虑多孔岩石破坏模式间的转化和高围压下裂隙坍塌的特征,提出了在高围压应力情况下,表征压剪屈服的Back-Paul-Mohr-Coulomb(BPMC)模型;推导了BPMC模型摩擦角包络线的表示方法,根据分段线性原则,在p-q平面中获得12边形BPMC线性破坏准则;基于应力不变量在p-q平面的转换关系,利用最小二乘法拟合获得了模型的特征参数。为了验证PMCBPMC准则及对应破坏模式转化理论的合理性,本文拟合了PMCBPMC模型,将拟合破坏面与试验数据进行对比;选用四川黄砂岩和金川大理岩,进行多组室内三轴压缩试验,研究不同围压下岩石破坏特征和强度特征,实验采用自主研发的便携式自密封岩石三轴试验高压舱加压系统。对试验数据进行拟合,获得的破坏包络线与实验数据拟合度较好;四川黄砂岩在围压达到90 MPa后出现剪应力峰值拐点,产生了孔隙坍塌型破坏,为压屈服破坏。结果表明:PMCBPMC模型能预测孔隙岩石的帽子屈服面,拟合岩石破坏模式从剪切破坏到压剪破坏的过渡,可预测不同围压下的破坏强度及对应破坏模式。     

不同围压条件下榆横矿区砂岩力学特性和本构关系

对取自榆横矿区小纪汗煤矿煤层顶板砂岩开展细观结构研究,表明该砂岩石为弱胶结砂岩。采用TAW-2000岩石压力机对弱胶结砂岩进行了不同围压下三轴压缩实验,结果表明该类砂岩在初始受压阶段表现出明显压密现象,且随围压增大压密段长度减小,当进入塑性阶段,随着围压增大,其由弹性向塑性转变的趋势更加明显。利用双应变胡克模型(Two-parts Hook’s Model,TPHM)和统计损伤模型分别对屈服点前和屈服点后的受压变化情况进行了描述与分析,发现模型曲线与实验曲线吻合较好。表明TPHM模型能够准确表达岩石损伤前的非线性弹性变形及弹性变形过程;统计损伤模型则对岩石的损伤后变形进行较好表征。     

锦屏深部大理岩蠕变特性及分数阶蠕变模型

为保障锦屏地下实验室(CJPL)硐室群的长期稳定性,开展2 400 m深埋大理岩蠕变特性的研究,在常规三轴压缩试验的基础上进行分级加载蠕变试验,系统分析了大理岩蠕变过程中的轴向与环向变形规律及不同围压(5 MPa和64 MPa)下大理岩蠕变特征差异,采用等时应力-应变曲线法确定了大理岩的长期强度,并基于分数阶导数改进了大理岩蠕变模型。研究表明:13,27 MPa围压下,大理岩轴向应力应变曲线达到峰值应力后快速跌落,40,53,64 MPa围压下,峰值应力附近的应变曲线呈现明显的平台段,表明CJPL深部大理岩变形行为随着围压的增加具有由脆性向延性转化的趋势;无论是低围压还是高围压,相比于低应力水平,高应力水平下大理岩更容易发生蠕变变形且环向蠕变现象更加显著,蠕变过程中的扩容现象也更加明显,试样破坏时64 MPa围压条件下的体积蠕变变形为5 MPa围压下的16. 3倍;在蠕变加载过程中,大理岩变形模量均为先增加后减小。变形模量增加阶段,高围压下增加幅度较低围压小,64 MPa围压下试样变形模量增加的幅值为1. 8 GPa,小于5 MPa围压下的3. 6 GPa,表明试样受高围压作用已经部分压密。随着应力水平的增大,变形模量减小,高围压下减小幅度较低围压更大,围压64 MPa下试样变形模量减小幅值为9. 4 GPa,约为峰值变形模量的22%,围压5 MPa下试样减小幅值仅为1. 8 GPa,约为峰值变形模量的4%,表明高围压试样在破坏前裂纹的产生和扩展更为剧烈,岩石劣化程度更大;相同偏应力条件下,围压越大的试样蠕变速率越小,但破坏时变形更大且扩容现象显著,表明相同外荷载条件下,深部围岩赋存环境应力水平较高,变形难以收敛,易发生时效大变形破坏;围压为5,64 MPa时,采用等时应力-应变曲线法确定大理岩长期强度分别为170,290 MPa,为相应围压三轴压缩强度的82%,73%;基于分数阶导数,改进了大理岩黏弹塑性损伤蠕变模型,该模型具有形式简单同时能够很好的描述大理岩蠕变过程中的非线性加速特征的特点。     

破碎磷矿体力学特性及等效损伤规律研究

针对宜昌地区磷矿体破碎、节理裂隙发育等特点,进行多围压三轴压缩试验,建立三轴压缩等效耦合损伤变量模型,研究不同围压作用下破碎岩体压缩变形特性和损伤规律,揭示破碎岩体节理裂隙、围压大小、损伤特性、力学强度的相互影响关系。研究表明:围压的增加,可有效提高破碎岩体力学强度,并减小岩体损伤变量的谷值。在高围压作用下,破碎岩体应力应变曲线峰值处近似"折线状",峰值处呈脆性破坏,破坏后峰值强度迅速衰减;低围压作用下,峰值处岩石试样呈现弹塑性破坏,峰值强度衰减缓慢。     

煤岩轴向应力恒定卸围压条件下力学参数的研究

分析了煤岩轴向应力恒定卸围压破坏时极限强度、峰值应变和破坏方式等力学参数，运用卸载破坏围压差的概念，反应不同初始卸载围压煤岩破坏的难易程度。通过对不同初始卸荷速率煤岩试件变形破坏力学参数的对比，研究开挖卸荷速率对地下工程的影响。     

Effect of confining pressure on deformation and failure of rock at higher strain rate

Influence of confining pressure from 0 to 28 MPa, which acts on the two lateral edges of rock specimen in plane strain compression, on the shear failure processes and patterns as well as on the macroscopically mechanical responses were numerically modeled by use of FLAC. A material imperfection with lower strength in comparison with the intact rock, which is close to the lower-left corner of the specimen, was prescribed. In elastic stage, the adopted constitutive relation of rock was linear elastic; in strain-softening stage, a composite Mohr-Coulomb criterion with tension cut-off and a post-peak linear constitutive relation were adopted. The numerical results show that with an increase of confining pressure the peak strength of axial stress-axial strain curve and the corresponding axial strain linearly increase; the residual strength and the stress drop from the peak strength to the residual strength increase; the failure modes of rock transform form the multiple shear bands close to the loading end of the specimen （confining pressure=0-0.1 MPa）, to the conjugate shear bands （0.5-2.0 MPa）, and then to the single shear band （4-28 MPa）. Once the tip of the band reaches the loading end of the specimen, the direction of the band changes so that the reflection of the band occurs. At higher confining pressure, the new-formed shear band does not intersect the imperfection, bringing extreme difficulties in prediction of the failure of rock structure, such as rock burst. The present results enhance the understanding of the shear failure processes and patterns of rock specimen in higher confining pressure and higher loading strain rate.