大理岩岩体力学特性的水压-应力耦合试验研究

为研究裂隙水压力与应力条件对大理岩裂隙岩体力学特性的影响,利用MTS815 Flex Test GT 岩石力学试验系统,采用特殊的试样制备和地质过程模拟方法,制备成与试验机围压系统、渗压系统融为一体的大理岩裂隙岩体试件,并对其进行了不同水压、不同围压下的水压 应力耦合三轴压缩试验。试验结果表明：大理岩岩体强度性能与变形性能均具随水压升高而减小,随围压升高而增大的特征;水压从0到4 MPa的变化过程中,强度参数f 减小了20%左右,内聚力C大幅降低,变形模量E₀及E₅₀分别减小了7.7%和5.9%;围压从5 MPa到30 MPa的变化过程中,f 值略有降低,C值增大了2倍多,变形模量E₀及E₅₀分别增大了58%和50%。这些成果揭示了大理岩裂隙岩体力学特性的裂隙水压效应与围压效应,对实际工程问题的研究具有重要的参考价值。     

卸荷条件下砂岩变形模量弱化规律

卸荷作用将导致岩体的力学参数劣化,卸荷过程中岩体的力学参数是动态变化的。针对宜昌地区的砂岩进行了三轴加卸荷试验,研究升轴压卸围压条件下岩样变形模量的弱化规律。试验结果表明:卸围压过程中,岩样变形模量随围压的降低而加速减小;卸荷程度越高,相同围压卸荷量引起的变形模量减小比例越高,其弱化规律可定量分析;当岩样发生卸荷破坏后,岩样变形模量减小至三轴压缩破坏变形模量的24%~49%;卸荷速率对试验结果有明显影响,当初始围压值相同时,卸荷速率越大,相同围压卸荷量引起的岩样变形模量劣化程度越高;卸荷过程中岩样变形模量与围压卸荷量的关系曲线可用多项式很好地拟合。     

孔、围压作用下断续单裂隙岩石破坏数值模拟

采用岩石破裂过程分析系统,研究了围压、孔压对含不同单裂隙分布脆性岩石的破坏影响规律,分析了岩样的裂纹扩展特征。结果表明：断续单裂隙的岩石力学性能显著低于完整岩样,但降低程度与裂隙参数密切相关,随着裂隙长度增加,岩石力学参数均呈降低趋势,而随着裂隙倾角的增加,峰值强度以及峰值应变均呈先减小后增加的趋势,且这种规律不受围压与孔压的影响;围压对岩石峰值强度有强化作用,但同等围压时,孔压对岩石峰值强度有弱化作用;裂隙长度越小或裂隙倾角越大的岩样,其裂纹扩展特征越不明显,且扩展过程受围压与孔压影响显著。研究结论对于认识具有断续节理裂隙岩体的变形破坏机理具有参考价值。     

高围压高水压条件下大理岩卸围压变形破坏与能量特征

利用伺服机对大理岩进行高围压及高围压高水压岩石的卸荷力学试验。基于试验结果,研究岩样卸围压的变形破坏及其能量特征。结果表明:①大理岩峰前卸荷比峰后卸荷表现出更大的脆性;②孔隙水压力加速了岩石的脆性破裂,降低了岩石的强度;③高围压情况下卸荷比低围压情况下卸荷更容易使岩体发生破坏。     

某水电站英安岩加卸载力学特性试验研究

针对某水电站高地应力赋存环境,对开挖硐室中英安岩开展了3种不同应力路径下的单轴压缩试验、常规三轴压缩试验、卸围压升轴压试验。试验结果表明:(1)某水电站三叠系中统竹卡组下统英安岩为典型的硬脆性材料,且在卸荷应力路径条件下脆性特征更加明显;(2)在卸围压试验中,岩石的轴向应变仅为其侧向应变的15%~30%左右,其侧向变形较为显著;(3)在卸围压的过程中岩体的变形模量随着围压的减小而逐渐减小,泊松比随围压的降低而增大,且变化趋势相似;(4)与常规三轴压缩试验相比,卸围压试验下岩石的强度参数黏聚力c降低了24.2%左右,而岩石的内摩擦角增加了9.4%左右;(5)在无侧限作用下,岩石主要为张拉破坏,在加载试验中,岩石主要表现为剪切破坏,在卸围压试验中,岩石破坏形态总体上表现为由张性破坏逐渐向剪切破坏过渡。试验中围压从8 MPa到25 MPa,涵盖了大多数工程岩体的应力范围,对解决工程问题具有重要的参考价值。     

不同卸荷速率下岩石强度变形特性

岩体工程的开挖本质上是岩体的卸荷过程,不同的卸荷速率会显著影响岩体的强度变形特性,开展相关研究对于岩体工程的安全稳定分析具有重要意义。针对岩石开挖卸荷中各种可能的应力路径,开展了普通三轴压缩试验以及恒主应力差卸围压、恒轴压卸围压、升轴压卸围压的3种卸荷试验,重点分析了不同卸荷速率对开挖卸荷岩体力学特性的影响规律。研究得出主要结论如下:（1）不同卸荷方案、不同卸荷速率的岩样,都具有典型的脆性破坏特征,当围压降低到一定程度时,岩样突然破坏,轴压陡降,环向应变显著增大。（2）当围压卸荷速率较高,岩样临近破坏时,变形模量随围压卸荷比的变化曲线几乎成90°直线下降,泊松比随围压卸荷比的变化曲线几乎成90°直线上升;而卸荷速率较低时,变形模量和泊松比下降/增长的趋势相对较缓。这说明围压卸荷速率越大,岩样脆性破坏特征越显著。（3）3种卸荷方案岩样在不同的卸荷速率下,破坏时的应力状态基本都位于普通三轴压缩Mogi-Coulomb强度包络线的下方,即围压卸荷时的岩样比普通三轴压缩状态的岩样更容易破坏。     

考虑围压效应的块状节理岩体变形破坏数值模拟

节理岩体变形模量是深部岩体工程设计及稳定性分析的重要设计参数,开展围压对节理岩体变形特征及破坏形态的研究具有重要意义。采用离散元数值模拟与室内试验测试相结合的研究方法,开展不同围压条件下含两组预制节理的块状节理岩体三轴压缩变形破坏数值模拟研究,主要结论如下:（1）块状节理岩体的变形模量随着围压的增大而增大,当围压超过4 MPa时,变形模量的变化趋于平缓;（2）块状节理岩体的破坏模式分为两种:一是产生沿着已有节理面的滑动破坏;二是产生穿过整个岩体的剪切破坏,且随着围压的增大,块状节理岩体的破坏模式由节理滑动破坏向岩块剪切破坏转变;（3）对于1+2、2+3、3+5和5+7块状节理岩体模型,发生破坏模式转变的围压分别为0.5、1.0、4.0和4.0 MPa。     

复杂应力路径下三峡库区砂岩力学特性分析

针对三峡库区中砂岩进行了三轴加载试验,及不同应力路径的三轴卸荷试验。试验结果表明:与加载破坏相比,卸荷破坏岩样表现出较强的脆性。卸荷作用引起了岩样变形模量、内摩擦角、黏聚力等力学参数的劣化,从而导致岩样质量的降低。卸荷路径不同时卸荷阶段应力-应变曲线形态有很大区别。按照轴压、围压等速率减小的路径卸载,卸荷阶段应力-应变曲线呈下凹形态且出现回弹变形,回弹变形占卸荷段总变形的比例随初始围压值的增大而减小。更多还原     

动力荷载下软硬互层岩体力学特征

针对动力荷载下软硬互层岩体破坏问题,以汶川水磨沟滑坡层状岩体为研究对象,依据相似理论,制作软硬互层岩质试块,开展单轴压缩及变上下限等幅值循环荷载试验,研究其动力特性及破坏过程。结果表明：随岩层倾角的增大,其破坏模式为贯通层面的张拉破坏(0°～30°)、沿层面的剪切破坏(45°～75°)及沿层面的劈裂破坏(90°),而试样的强度及应变先增后减。对于相同倾角的试样,强度随加载频率及围压增大而增大。应变随加载频率增大而减小,随围压增大而增大。加载频率的增大会导致竖向拉张裂缝贯通、破裂程度降低。     

饱和黄河岸滩粉土循环荷载后的变形强度特性

对黄河岸滩饱和粉土在固结不排水条件下进行了一系列单调加载、循环荷载后单调加载的三轴试验,研究了动应力幅值、围压及动孔压比对循环荷载后力学特性的影响,提出了可考虑围压及动孔压比影响的粉土循环荷载后单调加载应力应变关系的变形模式。试验结果表明:循环荷载作用完全液化时,动应力幅值变化对液化后力学特性的影响很小;循环荷载后单调加载的有效应力临界状态线与单调加载时相同,不受循环荷载作用历史的影响。与单调加载时相比,循环荷载后的不排水强度及初始切线模量皆产生衰化,衰化程度随动孔压比的增大而增大,初始切线模量的衰化程度更明显;不同围压下循环荷载后的不排水强度比、初始切线模量比及破坏比,皆与动孔压比之间有良好的归一化关系;粉土循环荷载后的应力应变关系可以用双曲线模型来描述,模型计算值与试验实测值基本吻合。     

软弱岩脉岩体力学特性空隙水压力效应试验

以某大型水电工程坝址煌斑岩脉软弱岩体为例,将采自现场的煌斑岩完整岩块制备成已含有结构面的岩体试件,利用MTS815Flex Test GT岩石力学试验系统,采用特殊的技术手段,对其进行了系列水岩耦合三轴试验研究。针对空隙水压力对煌斑岩体强度特性与变形特性的影响,以及围压对变形特性的影响进行了相关性分析,建立了相应的预测模型。结果表明岩体内聚力c与空隙水压力有密切的关系,随空隙水压力增大而迅速降低,甚至完全丧失;内摩擦角φ在空隙水压力作用下变化很小。整体上看,围压增加增大了变形模量与泊松比,而空隙水压力增加则减小了变形模量,增大了泊松比。     

Hoek-Brown强度准则在深部岩体力学参数估算中的应用研究

以H-B强度准则为基础的岩体力学参数估算方法综合考虑了岩体结构、岩块强度、应力状态等多种因素的影响,可更好地反映岩体的非线性破坏特征。以锦屏二级深埋大理岩为例,引入深部岩体完整性系数K_V改进深部岩体GSI值确定方法,在此基础上详细分析了这一估算方法对深部工程岩体的适用性。结果表明:H-B强度准则中4个参数互相独立,且与围压应力状态无关,应用于深部岩体力学参数的估算是可行的;深部岩体完整性系数K_V可反映岩体内部各种结构面的发育程度和岩体开挖受扰动程度,岩体完整性系数K_V的引入,使深部岩体GSI值的确定更加客观;采用室内常规三轴试验结果参数σ_ci和m_i的值是比较合适的。采用上述方法估算获得锦屏深埋大理岩的强度包络线表现出明显的非线性,在中高围压阶段 (15 MPa<σ₃<40 MPa),其内摩擦角降低了32%,但黏聚力则是低围压阶段的近3倍。     

节理倾角对砂岩强度及物理特征的影响

节理岩体广泛存在于实际工程中,深入研究节理倾角对岩体强度和物理特征的影响,对节理岩体工程稳定性研究具有重要的意义。通过完整及含不同节理倾角岩样在不同围压下的三轴加载破坏试验及声波测试试验,探讨了节理倾角对砂岩强度及物理特性的影响规律。试验结果表明①随着节理倾角的变化,岩样纵波波速衰减率有所不同,节理倾角为60°时岩样波速衰减率最大。②节理岩样的弹性模量随倾角大小的变化规律是E_完整>E _90°>E _30°> E _60°。③在同一节理倾角下,岩样峰值强度随着围压的增加而增大;在同一围压下,岩样峰值强度随着节理倾角的变化表现出明显的各向异性。④节理岩样的黏聚力随着节理倾角的变化呈现出U型的变化趋势,且在节理倾角为60°时黏聚力最小;同时内摩擦角随着节理倾角的增大而逐渐增大。由上述成果可知,节理倾角对砂岩强度和物理特性影响较大,节理倾角为60°时,影响程度最大。     

不同应力路径下砂岩分段变速连续卸荷变形特性研究

为研究高陡边坡岩体开挖卸荷过程中的变形问题,结合实际高陡边坡岩体开挖应力变化特征,分别开展了室内三轴加载试验及卸围压卸轴压、卸围压恒轴压、卸围压增轴压3种应力路径下的分段变速卸荷试验.结果 表明,在每种应力路径下,岩样分段变速卸荷的变形模量都随初始围压的升高而增大,变形模量随卸荷当量的增加而减小.卸荷当量为0 ～ 60...     

基于工程混合物理论的饱和裂隙岩体组合本构模型

为了从理论和数值上分析饱和岩体工程的变形和稳定,需要创建饱和裂隙岩体本构模型。根据工程混合物理论,把饱和多孔介质应变分解为骨架应变、固相基质应变和流体基质应变。通过均匀化响应原理建立了饱和多孔介质的势函数本构理论,提出Terzaghi有效应力决定骨架应变、固相基质应力决定固相基质应变和裂隙孔压决定流相基质体应变等本构规律。根据经典岩体力学理论,把饱和裂隙岩体视为由裂隙构成孔隙的饱和多孔介质,建立了饱和裂隙岩体的组合本构模型。算例分析表明:根据本文理论建立的饱和裂隙岩体组合模型能够合理考虑裂隙流体的浮托力,具有较小的孔压系数和各向异性的受力特性。饱和裂隙岩体组合模型可用于海底隧道裂隙围岩在开挖过程中的流固耦合工程特性分析。     

钻孔常规压水和高压压水试验成果研究

为了确定岩体在不同压力作用下渗透特性的变化规律,琼中抽水蓄能电站针对高压岔管区岩体做了一系列钻孔常规压水和高压压水试验。通过对试验结果进行对比分析,常规压水和高压压水两种不同条件下钻孔压水试验结果的差异性。研究结果表明,裂隙岩体在高压作用下的渗透系数远远大于常规压力作用下的渗透系数。同时结合钻孔声波录像资料分析,结果表明岩体渗透特性的变化规律与岩体裂隙分布以及裂隙连通性、裂隙开度等密切相关。     

应力作用下裂隙岩体渗流特性的试验研究

 对在应力作用下接触型岩体裂隙的渗流基本规律作了研究。通过由天然大理石板人工构成的裂隙模型(仿真模型)进行的试验研究，探索了接触型岩体裂隙在大应力及高水头耦合作用下渗流的基本规律，除试验研究外，并做了数值模型分析，以此与试验结果相互验证。     

裂隙岩体水力劈裂临界水压力试验研究

许多水工建筑物建于基岩上,天然岩体大多存在节理裂隙,在高水压力作用下易发生水力劈裂破坏。为研究裂隙岩体的水力劈裂特性,以水泥砂浆代替岩石、制作预制裂缝试样,研制了高压水密封装置和水压力加载系统,开展了不同缝长和缝宽的砂浆试件水力劈裂试验研究,测定了预制裂缝起裂临界水压力、水力劈裂临界水压力,分析了两者关系,提出了预测表达式。试验结果表明,试件水力劈裂临界水压力为0.441~1.542 MPa,相同条件下,试件水力劈裂临界水压力与初始缝长及缝宽呈负相关关系;预制裂缝起裂临界水压力与水力劈裂临界水压力比值为61.57%~64.17%,与预制裂缝初始缝长和缝宽无关。应用应力强度因子计算公式,综合试验结果,分析得到了考虑预制裂缝宽度影响的裂缝起裂临界水压力和试件水力劈裂临界水压力的计算表达式。