海砂力学特性的黏粒效应和围压效应试验分析

利用GDS标准应力路径三轴试验系统,对钦州港海砂开展不同有效围压、黏粒含量下固结排水三轴剪切试验,分析有效围压、黏粒含量对钦州港海砂强度、变形特性的影响。结果表明：同一有效围压下,随着黏粒含量的增加,含黏粒海砂应力-应变曲线由应变软化型曲线向应变硬化型曲线过渡,峰值强度、应力相对软化系数及体积应变不断减小,而峰值应变增加。同一黏粒含量下,试样峰值强度随有效围压的增加逐渐增大,纯砂试样有效围压为300 kPa时的峰值强度相比于有效围压为100 kPa时提高了1.517倍,峰值强度与有效围压之间呈现良好的线性关系;而应力相对软化系数、体积应变则随有效围压的增大而减小。最后,建立了黏粒含量在0%～20%的应力相对软化系数与有效围压、黏粒含量之间的联系。     

孔隙水压力作用下热处理北山花岗岩变形特性试验研究

为研究热-水-力耦合作用对岩石变形特性的影响,利用岩石THM耦合试验系统,对高温热处理后的岩石试样开展高孔隙水压力作用下三轴压缩试验,研究了热处理北山花岗岩在水-力耦合作用下的应力-应变曲线、力学特性、破坏特征以及损伤演化过程。研究结果表明,不同孔隙水压力作用下的s_1-e_1曲线在微裂隙压密和线弹性变形阶段基本重合,轴压增大到裂纹扩展阶段s_1-e_1曲线开始明显偏离,孔隙水压力越大,s_1-e_1曲线向1e轴偏离得越快,试样的峰值强度越低,峰值轴向应变越小,剪切破坏面倾角越陡,损伤演化的速度越快。研究成果表明:孔隙水压力对岩石损伤破坏的影响主要表现在加速岩石从裂纹不稳定扩展到宏观失稳的过程。     

不同温度模式下软黏土孔隙水压力变化规律与应力–应变特性研究EI北大核心CSCD

温度对软黏土孔隙水压力和应力–应变关系特性具有重要影响。通过自主研发的温控三轴仪,研究恒温、升温和降温3种不同温度模式下软黏土孔隙水压力变化规律和应力–应变特性,升温和降温模式下重点研究不同时间间隔和不同围压对软黏土孔隙水压力的消散、应力–应变关系模式、剪切强度和弹性模量的影响。结果表明:在恒温模式下,温度从10℃增加至70℃,孔隙水压力消散速率变大消散量明显增加。在升温和降温模式下,孔隙水压力呈现波动性下降,时间间隔和围压的增大均能促进孔隙水压力的消散;在恒温模式下,随温度升高应力–应变模式由应变硬化转化为应变软化,剪切强度明显提高,弹性模量整体上呈现出先下降后上升的趋势。在升温模式和降温模式下,土体的应力–应变模式均呈现应变硬化,时间间隔和围压对提高土体的剪切强度和弹性模量具有明显影响。     

软岩的应变速率效应研究

对硅藻质软岩试样进行了不同围压和不同加载速率的应变和应力控制式固结不排水三轴试验,试验结果表明,硅藻质软岩具有明显的应变速率效应,加载速率对软岩的强度变形特性有较大的影响。在试验研究的基础上,应用三维弹粘塑性模型,考虑硅藻质软岩的应力–应变关系的时间依存性,模拟了软岩的应变速率效应。数值分析中所采用的参数均由试验确定,对不同应变速率下固结不排水试验的应力–应变关系和有效应力路径的数值计算结果,反映出不同应变速率下软岩的峰值强度和残留强度均随着应变速率的增大而不断提高,与试验结果相吻合;计算结果还反映出与试验结果一致的孔隙水压力变化和应变软化趋势。通过对比分析表明,三维弹粘塑性模型可以较好地描述软岩的应变速率效应。     

高孔隙水压力作用下岩体软弱结构面(带)力学特性的试验研究

为研究岩体中的软弱结构面(带)在高应力与高孔隙水压力作用下的强度和变形特性,利用MTS815 Flex Test GT 岩石力学试验系统,对一大型水电工程的2个软弱结构面(带)进行水岩耦合三轴压缩试验。试验结果表明：软弱结构面(带)的强度参数f随孔隙水压力的升降变化甚微,c则随孔隙水压力升高迅速降低,在大于2 MPa的孔隙水压力下,c值可能完全丧失;软弱结构面(带)的抗剪强度随孔隙水压力升高逐渐减小,在10 MPa应力条件下,4 MPa孔隙水压力可使抗剪强度降低30%以上。软弱结构面(带)的变形性能随孔隙水压的升高急剧减弱,在10 MPa围压条件下,4 MPa孔隙水压力可使变形模量E降低达34.2%。研究成果表明,工程建设中,岩体中的软弱结构面(带)的力学特性参数取值不能忽视工程建成后的孔隙水压效应,对于一般工程,软弱结构面(带)强度参数的水压效应可采用有效应力原理进行预测,但对于高水头的重大工程,则应采用原样试验的方法加以确定。     

孔隙水压循环作用下围压卸荷速率对砂岩力学特性的影响

针对三峡库区消落带边坡岩体的开挖,通过室内三轴卸荷试验,研究在不同孔隙水压循环次数和围压不同卸荷速率下砂岩的力学特性。结果表明:1)水岩作用对砂岩的偏应力峰值强度和变形模量均产生显著影响,随着孔隙水压升降循环次数的增加,偏应力峰值强度和变形模量逐渐减小;随着围压卸载速率的加快,偏应力峰值强度和变形模量增大; 2)随着围压卸荷速率的加快和孔压循环次数的增加,砂岩破坏时的轴向和环向应变围压柔量及峰值围压均不断降低,对环向应变围压柔量的影响比对轴向应变柔量更大; 3)在0.3 MPa的孔隙水压循环作用下,砂岩破坏时的破裂角与卸荷速率没有明显的线性关系。     

初始剪应力与加荷速率耦合作用下饱和软黏土 强度特性试验研究

 对杭州饱和软黏土的不排水三轴压缩试验的静力特性进行研究。重点分析加荷速率与初始剪应力的耦合作用对杭州软黏土静力特性的影响。研究结果表明：随着初始剪应力的增加,土样的总强度增加,但抗剪强度减少;初始剪应力为60 kPa时,衰减幅度可达60%;土样的孔隙水压力表现为降低的趋势,初始剪应力为60 kPa时,衰减幅度可达50%。随着加荷速率的增加,土样的强度有所提高;孔隙水压力随之降低。当不存在初始剪应力时,应力–应变关系表现为硬化型曲线;当存在初始剪应力时,随着初始剪应力的增加,应力–应变关系曲线向软化型曲线发展。通过引入量纲一的峰值剪应力参数s与峰值孔隙水压力参数 对加荷速率与初始剪应力耦合作用下土体的峰值强度与孔隙水压力变化规律进行描述。该参数综合反映了初始剪应力与有效围压的影响。归一化后的结果表明：随着量纲一的应变率增加,s增加, 减少。在半对数坐标下,s, 分别与量纲一的应变率呈直线关系,并且随着初始剪应力的增加,s与 变化并不显著。     

孔隙水压力-围压作用下砂岩力学特性的试验研究

利用MTS815岩石力学测试系统进行两类三轴压缩对比试验:一类是非充水条件下不同围压时的三轴压缩试验;一类是充水条件且围压保持恒定时不同孔隙水压力作用下的三轴压缩试验。基于莫尔-库仑准则,分析非充水条件下,不同围压σ3作用对细砂岩的峰值破坏强度σ1max及其对应的轴向应变ε1max、剪切强度τ和正应力σ等参数的影响;充水条件下,围压σ3恒定时不同孔隙水压力P作用对细砂岩的峰值破坏强度σ1max及其对应的轴向应变ε1max、有效峰值破坏强度σ1′max、有效围压3σ′、有效剪切强度τ′和有效正应力σ′等参数的影响。研究结果表明:(1)充水条件下,随着有效围压σ3′的增加,有效峰值破坏强度σ1′max呈增大的趋势,但在相同围压条件下随孔隙水压力P的增加有效峰值破坏强度σ1′max呈逐渐减小的趋势;(2)非充水条件下的τ-σ曲线和充水条件下的τ′-σ′曲线既可采用一元二次方程拟合,也可采用线性方程拟合,其相应强度曲线均能较好地符合莫尔-库仑准则;(3)有效剪切强度折减系数K可以较好地表征孔隙水压力P对有效剪切强度τ′的影响。     

热–水–力耦合条件下深部砂岩冲击动力学特性试验研究

为探究"三高一扰动"特殊环境下切顶卸压无煤柱自成巷顶板砂岩切缝的动态力学性能,利用自主设计的岩土体动态冲击力学试验系统,对粉砂岩进行不同热–水–力耦合条件下的冲击压缩试验,研究动态应力–应变特征、动变形模量与加载率关系、以及加载率、轴压、围压、渗透水压、温度、吸收能与峰值应力和峰值应变的动态力学性能,利用扫描电镜(Scanning Electron Microscopy,SEM)研究粉砂岩试样断口面微观结构。研究结果表明:(1)在不同的动荷载作用下,粉砂岩试样的峰值应力和峰值应变均随轴压、围压、渗透水压、温度的升高而不断增大,脆性逐渐减弱而延性逐渐增强,变形破坏总体分为压密、弹性变形、塑性变形和破坏4个阶段;(2)动变形模量随着加载率的增大呈现出先增大后减小的发展趋势,动变形模量136GPa左右为一个临界阈值;(3)轴压、围压、水和温度对砂岩在热–水–力耦合特定环境下的动态冲击力学性能具有一定的增强效应;(4)随着峰值应变的增加,粉砂岩试样的吸收能呈线性增加趋势,其破碎变形与吸收能呈正相关。     

水–力耦合作用下页岩力学特性及其损伤本构模型研究

通过开展不同渗透水压力与三轴压缩作用下的页岩试验，分析页岩的变形、强度和破坏特征，建立考虑渗透压作用的页岩全应力–应变损伤本构模型。结果表明：(1)在常规三轴压缩和渗透水压力共同作用下，页岩的强度明显弱化，残余强度受渗透压的影响较大。(2)在不同围压和渗透水压力作用下，页岩从剪切破坏到拉剪复合破坏再到陡倾角剪切破坏，共计产生5种不同的剪切破坏形式。(3)在常规三轴压缩和渗透水压力共同作用下，页岩强度仍满足M-C强度准则，但内摩擦角和黏聚力均随渗透压力的增大而降低。(4)建立能够反映页岩在不同围压和渗透压作用下的应力–应变全过程的损伤本构模型，并可通过总损伤变量–应变曲线预测页岩的残余强度，理论曲线与试验数据吻合较好。     

三峡花岗岩峰后力学特性及应变软化模型研究 张 帆，盛 谦，朱泽奇，张勇慧

 通过对三峡花岗岩进行常规三轴压缩试验,得到不同围压下的应力–应变全过程曲线。基于弹塑性理论,通过试验数据拟合屈服面,分析研究花岗岩强度参数与峰后应变软化参量的关系,得出在花岗岩的应变软化过程中,黏聚力c随应变软化参量的增大而快速减小,而内摩擦角j在应变软化的过程中几乎保持不变的结论。在此基础上建立花岗岩峰后应变软化模型,利用FLAC3D程序对花岗岩三轴压缩试验进行了数值模拟,其结果与试验数据比较吻合。     

北山花岗岩在三轴压缩条件下的强度参数演化

 采用MTS815岩石力学试验机对北山新场深部花岗岩进行三轴循环加、卸载试验,研究岩石强度参数的演化特征。基于Mohr-Coulomb相关理论推导与分析,探讨岩石发生屈服后的强度变化规律。在分析不同围压条件下岩石全应力–应变曲线的基础上,以塑性剪切应变为塑性参数,建立北山花岗岩黏聚力、内摩擦角和剪胀角随塑性参数变化的数学模型。研究结果表明：(1) 在损伤应力点,岩石塑性剪切应变接近于0,损伤应力可作为北山花岗岩塑性参数的零点,其亦可作为岩石强度参数演化的起点。(2) 在损伤应力点后,岩石黏聚力随塑性参数的增加呈指数函数形式衰减并最终趋近于0;内摩擦角随塑性参数的增加以对数正态函数的形式表现出先增加后减小的趋势,且岩石残余内摩擦角值与起始内摩擦角值接近。(3) 损伤应力后的岩石剪胀行为与峰后剪胀行为相似,剪胀角随着塑性参数和围压的增加而不断减小,且对低围压条件更为敏感。(4) 将建立的模型嵌入到数值模拟工具中,通过模拟岩石三轴压缩试验,可证实模型的准确合理性。     

砂岩卸围压变形过程中渗透特性与声发射试验研究

 利用岩石伺服试验系统,对江西红砂岩岩样进行气体渗透三轴试验及声发射监测,研究在常规加载、峰前卸围压和峰后卸围压3种应力路径下,岩样变形破坏过程中的渗透规律和声发射特征。试验结果表明：(1) 随着有效围压的增大,岩石岩样的应力峰值逐渐增大,岩样的应力峰值对有效围压很敏感。(2) 常规加载时,渗透率在岩石屈服前呈现略微下降的趋势,屈服后迅速增长,峰后应变软化阶段有小幅回落;峰前和峰后卸围压时,在卸载之前渗透规律与常规加载时相同,卸载后渗透率均呈急剧增长的趋势,增幅也较大,其中峰前卸围压后渗透率增幅最大。(3) 在相同加载方式下,围压的增大不影响渗透率曲线的发展趋势,只影响渗透率在各阶段量值的大小。(4) 常规加载时,岩石声发射活动在屈服前比较平静,屈服后声发射活动非常活跃,峰后应变软化阶段声发射活动再次趋于平静;峰前卸围压不久后,声发射活动异常活跃、密集,能量数相对值较大并有明显峰值;峰后卸围压过程与常规加载过程中声发射规律相似。(5) 岩样的破坏过程中,随围压增大,脆性减弱、延性增强,在同一围压水平下,峰前卸围压破碎程度最高,脆性最强。(6) 岩石扩容点与渗透率最小值所对应的轴向应变值十分接近,体应变和渗透率随轴向应变的变化趋势对应较好,声发射活动的密集阶段均发生在体积膨胀之后,渗透率、声发射、应力及(体)应变之间存在一定对应关系。     

Q3原状黄土变形过程中的应变速率效应

为揭示应变速率对黄土体变形过程的影响规律,以兰州Q3黄土为对象,在不同含水率和围压条件下,系统开展黄土体应变速率效应的三轴试验研究,且以应力-应变曲线、抗剪强度、孔隙压力作为关键要素进行分析。结果表明：应力-应变曲线存在应变软化效应,高应变率促使应变软化的产生,但高含水率、高围压抑制应变软化的产生;应变速率对抗剪强度有显著影响,抗剪强度随应变速率的增大呈现先增大再减小的规律,黏聚力的变化规律与之相同,应变速率对内摩擦角的影响规律与之相反;应变速率对孔隙压力的增长趋势几乎没有影响,但孔隙压力峰值受应变速率的影响显著,且含水率和围压不同,其变化规律存在差异。Q3原状黄土变形过程中存在明显的应变速率效应,其对黄土地区工程应用和丰富黄土力学具有积极的意义。     

高应力下含瓦斯原煤三轴压缩力学特性研究

 利用改制后的煤岩吸附–渗透–力学耦合试验系统,以淮南矿区－780 m标高B10煤层的原煤样作为研究对象,进行高应力下含瓦斯原煤常规三轴压缩力学特性的研究。结果表明：(1) 含瓦斯原煤偏应力–轴向应变曲线主要有弹性、屈服、破坏或峰后软化段构成。其中,弹性段连续、光滑性较差,多呈现出应变“软化–硬化”的波动起伏特点。(2) 峰后脆性破坏特征明显,且在相同初始瓦斯压力下,随着初始有效围压的升高,脆性向延性转化的趋势较弱;而在相同初始有效围压下,初始瓦斯压力越大,脆性破坏特征则越显著。(3) 偏应力–侧向应变曲线与轴向相比,峰前连续、光滑性更好,且几乎均呈线弹性;而峰后变化则趋同。(4) 偏应力–体应变曲线,在低有效围压下表现出扩容机制,且始于峰前;而在高有效围压下,则从峰前越至峰后,始终向右延展,呈现出体积不断收缩的趋势,且瓦斯压力越大,收缩特性越显著。(5) 在相同有效围压下,随着瓦斯压力的增加,峰前轴向、侧向应变增加的速率,以及峰值强度、泊松比均呈增大趋势;而弹性模量则呈降低趋势。(6) 相同瓦斯压力下,随着有效围压的增加,峰前轴向、侧向应变增加的速率,以及泊松比均呈降低趋势;而峰值强度、弹性模量则呈增大趋势。(7) 随着围压或瓦斯压力分别升高,峰值强度均呈线性增大趋势,煤样破坏模式以剪切破坏为主,且强度参数黏聚力和内摩擦角分别为14.02 MPa,25.93°。     

围压和地下水对软岩残余强度及峰后体积变化 影响的试验研究

 就宜万铁路堡镇隧道高地应力大变形段中所揭示的黑色炭质页岩设计不同饱水时间下的三轴试验方案,进行三轴力学性质测试,获得围压和饱水时间对软岩残余强度和峰后体积变化的影响规律,探讨二者对软岩残余强度和体积变化的作用机制及特点,对隧道二次衬砌作用时机进行分析。     

不等侧压下煤岩力学变形特性及声发射时空特征

通过煤岩的无侧限压缩试验测得其力学参数后,采用颗粒流软件和编制的Fish程序获得煤岩细观力学参数,而后进行双向不等侧压煤岩试验,分析研究煤岩变形、声发射和损伤特征,获得以下结论:随着侧压比增加,煤岩刚度角略增大,脆度角增大,强化角保持一定值,软化角先增大后减小;侧压比对煤岩的线性体缩阶段没有影响,对线性扩容阶段影响明显,对非线性扩容阶段影响显著。在非线性扩容阶段,低侧压比仍保持线性扩容,而高侧压比煤岩则急剧扩容失稳破坏;声发射最大强度与峰值应力并不对应,具有一定的滞后性,侧压比对声发射的滞后效应基本没有影响,声发射最大强度对应应力与峰值应力之比值大致在0.92左右;侧压比小时煤岩沿着单一剪切面发生剪切破坏,侧压比大时煤岩呈现X型共轭剪切破坏,且随着侧压比的增加,煤岩破坏的主控破裂面宽度加大,并逐渐形成破碎带,破碎带内煤岩呈粉碎性破坏状态。     

花岗岩峰后力学特性试验与模型研究

深部围岩在开挖卸载过程中表现出的峰后复杂力学特性一直是工程界十分关注的问题,深入研究岩石峰后力学行为对深部资源开采工程具有重要意义。以深部立井马头门工程为依托,通过室内试验方法研究花岗岩峰后力学特性,采用非线性拟合方法获得花岗岩峰后软化模量与围压的指数关系式,假定岩石的剪胀角为恒定值,基于塑性理论构建考虑围压及剪胀角影响的岩石峰后应变软化模型;以FLAC3D为平台开发数学模型并进行验证,通过构建马头门巷道数值模型,分析深部围岩在应变软化条件下的破坏特征规律。通过研究可知,花岗岩峰后破坏具有脆–延性转化趋势,在高围压条件下,岩石峰后表现出塑性软化破坏特征,岩石峰后软化模量随着围压的增大而减小;通过FLAC3D进行数值验证可知,构建的应变软化模型与试验数据基本吻合,所建立的应变软化模型具有较高的可靠性;通过数值模拟方法分析深部马头门巷道围岩破坏特征可知,巷道拱顶及拱脚等局部区域出现了塑性剪切应变,与现场巷道围岩破损位置及深度基本相同。     

软弱岩石峰后应变软化力学特性研究

 软弱岩石给采矿工程中巷道支护和维护带来一系列棘手的问题,深入研究软弱岩石受力变形、破坏的机制和规律,对于保证巷道围岩的安全和稳定具有十分重要的意义。通过对软弱泥岩进行常规三轴压缩试验,得到不同围压下的全应力–应变关系曲线,然后依据峰后岩石任意一点应力状态均满足Mohr-Coulomb极限破坏条件的假设,建立以广义黏聚力 和广义内摩擦角 两个状态参数来表征的软弱岩石后继屈服面模型。在此基础上,利用试验数据绘制岩石峰后不同软化状态时的几组莫尔应力圆,通过“切线法”得出莫尔强度包络线的拟合方程,进而确定出不同围压条件下的 和 值,并借助Matlab软件对广义黏聚力 、广义内摩擦角 与等效塑性剪切应变、围压之间的关系进行最小二乘曲面拟合,得出软弱岩石峰后力学参数的软化规律,结果表明：随着围压的增加,广义黏聚力 值呈快速增加的趋势,而广义内摩擦角 值则显著减小;广义黏聚力 受岩石软化程度的影响也十分明显,从岩石峰值状态到残余状态 值迅速降低,平均降低53.88%,而广义内摩擦角 值在该软化过程中则基本保持稳定。最后,将得到的广义黏聚力 和广义内摩擦角 的拟合方程嵌入到FLAC内置应变软化本构关系中,并利用FLAC3D软件对模型的正确性进行数值模拟验证,结果表明数值模拟曲线与试验曲线比较吻合。     

不同成岩作用程度砂岩物理力学性质三轴试验研究

采用三轴岩石力学测试系统分析了不同侧压条件下砂岩岩石的孔渗性和力学特性及变形破坏机制 ,建立了砂岩岩石物理力学性质与侧压之间的相关关系。研究表明 ,砂岩的孔隙度和渗透率均随侧压的增大而减小 ,且服从对数函数变化规律。砂岩的刚度和强度均随侧压的增大而增大 ,具有明显的压硬性。岩石破坏后的残余强度随着侧压的增加下降梯度减小 ,而残余强度值相对提高。不同侧压下岩石的破坏机制表现出随着侧压的增大 ,成岩作用程度较弱的岩石应力 -应变曲线由应变软化性态向近似应变硬化性态过渡 ;而成岩作用程度相对较强的岩石在单轴压缩条件下表现为脆性张破坏 ,随着侧压的增加 ,便进入剪切破坏 ,岩石应力 -应变曲线表现出明显的脆性和应变软化特性