温度-孔隙水压耦合作用下砂岩卸荷损伤本构模型研究

为探讨多场耦合作用下砂岩的力学特性变化规律,以三峡库区典型砂岩为研究对象,利用TOP INDUSTRIE三轴流变仪开展了不同温度、不同孔隙水压作用下的砂岩卸荷力学特性试验研究。基于温度-孔隙水压耦合作用下的砂岩应力—应变曲线,根据Weibull统计分布理论及广义胡克定律,选取弹性能占比系数,推导基于最小能耗原理的温度-孔隙水压作用下砂岩卸荷损伤本构模型研究。对比分析发现,模型与试验符合度较好,能够反映出温度-孔隙水耦合作用对砂岩的损伤影响; Weibull分布参数F会随着温度升高而下降,而随着水压增大,Weibull分布参数m增大F减小,说明砂岩试样在此耦合作用下的强度减小。     

基于损伤演化的半均质砂岩本构模型研究

为了对受载岩体破坏过程的损伤演化规律进行探究,利用三轴试验仪对半均质砂岩进行三轴压缩试验,并布置声发射(AE)监测仪,对砂岩变形破坏全过程进行试验研究。分析了不同围压下砂岩三轴压缩各阶段的声发射特征,提出了基于AE事件点数的损伤变量,分别假设损伤演化方程服从韦伯分布和对数正态概率分布,建立了以AE事件点数为损伤变量的损伤演化模型,并引入修正系数对损伤变量D进行修正。结果表明围压越大,声发射活动越弱,围压能够抑制试样内部裂纹的产生和发展,增大试样强度,从而延缓其宏观破坏时间;砂岩的损伤发展主要经过4个阶段,即初始损伤阶段、损伤稳定发展、损伤加速阶段和破坏后损伤阶段。通过对韦伯分布和对数正态分布建立的声发射损伤模型进行比较,发现对数正态分布更适用于描述半均质砂岩的声发射现象。     

砂岩在热湿循环作用下的卸荷损伤本构模型研究

针对在夏季高温多雨季节库岸边坡岩体的强度和稳定性下降问题,较多学者对干燥—饱水两种极端状态的循环作用进行了研究,这与实际情况相差较大。以三峡库区重庆段某典型边坡砂岩为研究对象,采用烘干—浸泡循环作用方式模拟岩石热湿循环过程,在前期进行的热湿循环试验方案及数据分析的基础上,定量对砂岩的劣化程度进行划分,对热湿循环作用下砂岩的卸荷损伤本构模型进行研究。研究结果表明:热湿循环10次内砂岩各力学参数的劣化效应比较明显,10～50次逐渐减弱并趋于平缓;基于热湿循环和卸荷相互作用,建立了完整砂岩在不同热湿循环次数下的卸荷损伤模型并绘制模型曲线;经过验证,模型曲线与试验所得的三轴卸荷应力-应变曲线吻合度较高,认为该模型具有较好的适用性。     

干湿循环与动载耦合作用下煤矿砂岩损伤演化及本构模型研究

干湿循环和动载耦合作用会导致煤矿岩石物理力学性质的劣化,引起地下岩体工程结构的破坏,诱发煤矿地下工程地质灾害和工程事故。基于纵波波速变化和Weibull分布统计损伤理论,推导了干湿循环与动载耦合作用下煤矿砂岩的损伤演化方程,探讨了动弹性模量取值方法对损伤演化的影响,发现以动态应力-应变曲线30%与70%峰值应力连线的斜率作为动弹性模量更能反映出本次试验砂岩的损伤演化规律。在此基础上,分析了干湿循环次数对总损伤变量和总损伤率演化的影响,得出干湿循环与动载耦合作用后砂岩的总损伤变量随着干湿循环次数的增加而增大,总损伤率随应变增长先增加后减小;建立了干湿循环和动载耦合作用下砂岩的动态本构模型并对其进行了验证,以期为深部地下岩体工程稳定性分析提供依据。     

水压力作用下岩石统计损伤本构模型研究

为了探究水压力对岩石损伤的影响,在多孔材料弹性理论框架内,利用有效应力原理,结合连续损伤力学和统计理论把霍克-布朗(Hoek-Brown)准则作为微元体强度破坏准则,建立水压力作用下的岩石统计损伤本构模型;并根据残余强度和峰值强度的关系对损伤变量进行修正,使模型能够更好地反映岩石峰后阶段的软化特征。通过室内试验进行模型验证和参数分析,结果表明:建立的模型能够较好地反映水压作用下岩石的应力-应变关系;随着水压力的增大,模型参数n呈增大趋势,岩石的脆性度增高,参数F₀呈减小趋势,岩石的强度降低;峰值点法在确定模型参数时优于曲线拟合法。研究成果对于水压力作用下岩体工程的安全分析有一定的参考价值。     

基于改进Harris函数的砂岩损伤本构模型研究

岩石损伤量在岩石损伤的过程中是个动态变化量,通过改进Harris函数,建立了在三维应力作用下岩石损伤本构模型,并通过砂岩的三轴试验确定了模型参数,定性分析了围压、临界损伤值、峰值应变三者间的关系。研究结果表明:①基于改进的Harris函数所建立的砂岩损伤本构模型曲线与实测曲线拟合较好,有良好的适用性;②同一种岩石在不同围压下,临界损伤值不是固定值,它从侧面反映出岩石自身的力学性能与岩石所处的三维应力状态有关;③围压增大,临界损伤值也相应地增大,证明围压对岩石的破坏有抑制作用。分析结果对研究三维应力状态下岩石的损伤破坏机理有一定借鉴意义。     

饱和非饱和岩石损伤软化统计本构模型

基于概率论和损伤力学讨论了岩石在荷载作用下的破坏、损伤和变形等特征．在混合物理论基础上，建立了饱和和非饱和岩石损伤软化统计本构模型．该模型能反映岩石在单轴抗压试验中初始加载阶段全应力应变由线稍向上凹曲的特征，以及在岩石受力过程中损伤和空隙(或孔隙)中流体对应力应变关系所起的作用．     

损伤接触面本构模型研究

通过接触面试验研究,结合损伤理论,建立了损伤接触面本构模型。该接触面模型可以反映接触面剪应力随着剪切位移变化的规律,并可反映法向压力对剪切应力的影响以及接触面剪切位移变化而产生的损伤。接触面数值计算结果与试验结果基本吻合,验证了该本构模型的合理性和有效性。     

一种新的岩石损伤软化本构模型

结合岩石微元强度提出了损伤变量的新形式,据此建立了新的岩石损伤软化本构模型.根据岩石三轴试验,可确定该模型中表述损伤变量的双参数.算例表明,该岩石损伤本构模型能反映岩石应变软化性状.     

循环加卸载下大理岩损伤与能量演化特征

基于常规三轴循环加卸载压缩试验,分析了大理岩压缩变形过程中的变形特征、能量耗散及损伤演化规律。基于试验结果进行了大理岩弹塑性应变分离,试验结果表明随着轴向偏应力的增加,大理岩轴向弹性应变近似呈线性增加,而侧向弹性应变呈非线性增长。基于变泊松比的假定,建立了大理岩非线性弹性应力-应变本构关系,并据此分离辨识得到大理岩轴向和侧向塑性应变。采用等效应变理论,定义了大理岩损伤变量D,相应得到了大理岩三轴压缩变形破坏过程中的损伤演化特征,根据岩石损伤演化曲线可将大理岩三轴压缩变形过程分为3个阶段;分析了大理岩三轴压缩变形过程中的应变能特征,计算得到了大理岩压缩变形过程中的弹性应变能及耗散能,结果表明大理岩岩体单元耗散能与损伤变量增量ΔD之间呈较好的线性关系,二者均可用于描述大理岩压缩变形过程中的损伤破坏特征。     

干湿循环作用下砂岩的劣化及破坏特性研究

针对干湿循环作用下消落带砂岩岩体强度衰减易导致砂岩边坡失稳的问题,以三峡库区秭归县沙镇溪典型库岸边坡砂岩试样为研究对象,采用浸泡—烘干处理方式模拟岩石干湿循环过程,将试样分组进行单轴压缩试验和直接剪切试验研究,并通过数值模拟,从变形的角度分析破坏过程。结果表明:干湿循环对砂岩的劣化作用在初期表现强烈,随着循环次数增加,作用逐渐减弱;在相同循环条件下,砂岩的极限抗剪强度随法向应力的增大而增加,相同法向应力作用下砂岩极限抗剪强度随干湿循环次数的增加而减小;粘聚力和内摩擦角随着干湿循环次数的增加而逐渐减小,总劣化度逐渐增大。试验结果对水库砂岩边坡稳定性分析具有较强的参考价值。     

酸侵蚀区白砂岩冻融损伤的影响因素研究

通过循环冻融试验,探究酸侵蚀地区白砂岩冻融损伤的影响因素。研究对三组白砂岩分别作不浸泡、水浸泡、酸浸泡的处理后进行不同次数的冻融循环,再进行单轴压缩试验。并从纵波波速、峰值应力、应力-应变曲线、相对杨氏模量、损伤变量等方面分析不同处理方式的影响。研究表明:水的浸泡是白砂岩冻融损伤的主要原因,酸侵蚀能在一定程度上加快白砂岩的冻融损伤,但本实验中影响不大。研究成果对寒区及酸侵蚀区的建设及工程具有一定的参考价值。     

基于分数阶微积分的岩石蠕变损伤本构模型

为了反映岩石蠕变特性,采用YSJ-01-00岩石三轴流变试验机进行砂岩三轴压缩蠕变试验,基于岩石蠕变的阶段特征,提出通过弹性体、基于分数阶微积分的软体元件和黏塑性体分别描述岩石蠕变的弹性应变、黏弹性应变和黏塑性应变。依据连续损伤理论对弹性体和分数阶黏塑性体进行改进,通过SN元件改进分数阶软体。利用综合改进后的考虑时效损伤的弹性体和基于分数阶微积分的非定常黏滞体和非定常黏塑性体,构建了新的三元件蠕变损伤本构模型,并用遗传算法得到了模型参数。对比试验曲线和模型拟合曲线,表明所建模型具有合理性和适用性,可为红层边坡流变特性的研究提供一定参考。     

基于强度参数演化的胶凝砂砾石材料本构关系研究

胶凝砂砾石材料应力-应变关系具有明显的弹塑性和应变软化特性,当前其本构关系推导较为复杂。针对这一问题,本文借鉴岩石材料峰后强度参数演化行为,基于摩尔-库伦强度准则,采用最大主应变ε₁作为应变软化参数,将凝聚力c、内摩擦角φ看作ε₁的分段线性函数,较为简便的推导胶凝砂砾石材料的本构关系。由本构关系式拟合得到不同围压时胶凝砂砾石材料应力-应变关系曲线变化趋势与三轴试验数据吻合良好,说明该方法得到的本构关系可以反映胶凝砂砾石材料的应力-应变特征。     

三轴压缩下石英云母片岩能量特征及其本构模型研究

为了研究某水电站引水隧洞石英云母片岩物理特性,利用MTS815岩石力学试验平台,分析其三轴压缩试验数据,揭示了石英云母片岩常规三轴压缩条件下能量特征并引入了能量损伤D,基于Hooker定理建立了石英云母片岩的能量损伤本构模型。研究结果表明:相同围压下,平行组试件的可释放弹性应变能增长速率大于垂直组,平行组试件峰值应变能大于垂直组;垂直组试件的耗散能增长速率大于平行组。相同围压和轴向应变下,垂直组的耗散能大于平行组。随着围压的增大,平行组和垂直组峰值点和残余点可释放应变能均增大,两者表现出较好的线性关系且相关系数均大于98%。定义弹性应变能存储比,数值在未超过阀值应力σs时,保持在1左右,而在超过阀值应力σs后,与轴向应变呈现良好的指数关系且相关系数均达到97%。该模型能很好的描述石英云母片岩三轴压缩的应变软化和硬化过程。研究成果能够为工程设计提供合理的力学参数,并且对于各向异性岩石的物理特性研究具有参考价值。     

化学溶液和冻融循环作用后白砂岩三轴压缩力学性能试验研究

研究了不同溶液(H2O和HNO3溶液)浸泡与干燥状态下经冻融循环作用后白砂岩的力学性能。根据试验结果分析了白砂岩基本力学性能的变化规律;从微观方面出发,探讨了不同溶液浸泡和冻融循环对白砂岩的损伤破坏作用。研究表明:经过酸浸泡-冻融、水浸泡-冻融和只经冻融处理后的白砂岩峰值应力均有不同程度的降低,经过酸浸泡-冻融组的白砂岩峰值应力降幅最大,水浸泡-冻融组降幅次之,说明溶液浸泡和冻融循环对白砂岩均有损伤劣化作用。只考虑溶液影响时,硝酸溶液对白砂岩的损伤程度最大。前期处理条件相同的情况下,随着围压的增加,白砂岩的抗压强度和塑性变形随之增大。相同围压条件下,白砂岩达到峰值应力时的变形和弹性模量的损失率随前期处理对白砂岩的损伤程度增加而增大。     

不同饱水强度灰岩应变特性及劣化损伤本构模型研究

为研究饱水强度作用下灰岩的物理力学特性,对不同饱水强度的灰岩试样进行单轴压缩试验,分析其典型的应力-应变特征,并基于损伤力学理论建立损伤本构模型。结果表明,饱水强度加剧了灰岩的软化效应,高强度饱水灰岩的压密阶段相对延长,而弹性变形阶段相对缩短;随着饱水强度的增加,灰岩峰值强度呈线性降低,但饱水作用未对灰岩的破坏类型造成较大影响,仍以剪切破坏为主;损伤本构模型曲线和试验曲线高度吻合,说明建立的损伤本构模型是可靠的;随着饱水强度的增加,灰岩脆性和强度弱化,参数m和F₀分别呈二次函数和三次函数降低。     

冻融循环中低应力水平加卸载作用下砂岩物理特性研究

采用无损检测技术,对冻融过程中预加载损伤和无加载损伤的砂岩岩样进行检测,检测内容包括每次冻结、融化、低温烘干后各个岩样的质量、纵波波速、电阻率及浸润面积。通过试验数据分析得到了在不同冻融循环周期条件下,砂岩在不同上限应力循环加卸载作用下的物理特性变化规律及评价岩样敏感程度的最佳参数,为水利水电相关的岩质工程,如岩质的隧洞口、水工边坡等在冻融循环荷载次序作用下的一些稳定性分析提供了参考,也为相关试验优选测试指标提供了依据。