深埋大理岩卸荷力学特性的试验研究

为探讨深埋大理岩在不同应力路径下力学性质的差异,揭示卸荷应力路径对岩石力学性质的影响,对取自锦屏二级深埋引水隧洞的浅灰色大理岩进行了常规三轴和两种应力路径的卸荷三轴试验研究,得到了卸荷应力状态下,大理岩破坏时的纵横应变小于常规三轴压缩应力状态得到的结果,且其变形具有由延性变形有向脆性变形转化的特征。不同应力路径下大理岩的变形模量和泊松比与围压均有良好的线性关系,但卸荷应力状态下的变形模量较常规三轴压缩应力状态下的小,泊松比则相反。卸荷状态下大理岩的破坏面更为粗糙,其内聚力较三轴压缩状态下的内聚力下降了36.4%,而内摩擦角增加了35.4%;在45MPa正应力范围内,卸荷应力状态下的抗剪强度低于常规三轴压缩状态下的抗剪强度,卸荷应力状态下更易导致岩石发生破坏。     

高围压卸荷条件下大理岩变形破坏及能量特征研究

能量的耗散与释放是岩石变形破坏的本质。基于MTS815 Flex Test GT岩石力学试验平台,通过室内三轴卸荷试验和数学物理分析方法,揭示了大理岩在高围压三轴卸荷条件下的应力应变关系及能量变化特征。结果表明,初始围压的增大将显著提升岩样峰值强度时的可释放应变能以及最终总能量;随着围压的增大,岩样所吸收的能量变化的快慢程度随着偏应力变化而有所减缓;峰值强度时岩样可释放应变能占总能量的比例随着围压的增大而急剧增大,而残余强度时所吸收的总能量几乎全部转化为耗散能;大理岩能量指标存在明显的围压效应,即峰值总能量和残余总能量随着围压增大而显著提高,且具有良好的线性关系。     

卸围压条件下花岗岩强度特性及三维裂隙演化规律

为研究卸围压条件下花岗岩强度特性和三维裂隙演化规律,对花岗岩开展了常规三轴压缩、卸围压-加轴压和分级卸围压-加轴压循环加卸载3种不同应力路径力学试验,获得对应的轴、径向应力-应变曲线;采用CT扫描三维重构技术获得岩石卸围压过程中和破坏后内部裂隙分布三维图像.结果表明:相对于常规三轴压缩试验,试件在卸荷条件下脆性破坏特征更加显著,分级卸围压-加轴压循环加卸载会增大花岗岩的峰后延性,降低破坏轴压和破坏剧烈程度;两种卸围压方案都会使花岗岩的承载能力降低30%左右;卸荷作用下花岗岩宏观破裂为拉剪组合状,拉剪过渡不明显,表观裂隙是内部裂隙向外扩展的结果;花岗岩在卸荷作用下峰前产生的裂隙量较少,大量裂隙在峰后产生,破裂具有突发性和瞬时性,围压较低时宏观裂隙首先在试件边缘产生,围压较高时宏观裂隙首先在试件中部产生.     

巴东组岩石加卸荷力学性质及卸荷本构模型

为揭示巴东组岩石在加卸荷条件下力学参数的劣化效应以及卸荷条件下的本构模型,开展巴东组第2段(b2)和第4段(b4)红层岩石的加卸荷试验,系统研究不同应力路径下不同岩石的力学性质.试验结果表明,轴向加载是岩石压缩条件下破坏的主要原因,而岩石在卸荷条件下破坏的主要原因是横向扩容.与b4岩石相比,同围压下b2岩石的强度更高,b2岩石随围压增大的延性特征以及低围压下岩石峰后多级破坏现象更明显.卸荷条件下,b2峰值强度对应的内聚力和内摩擦角分别是压缩条件下的96.8%和92.9%,b4分别为96.6%和60.7%.卸荷量可用来表征岩石在卸荷条件下变形参数的劣化性质,并适用于卸荷屈服段的本构关系研究;提出的能量降比参数能反映峰后应力跌落阶段特征,从而建立各个阶段的岩石卸荷损伤本构模型,通过试验验证其合理性.此外,基于能量降比参数提出了残余强度的计算公式.研究表明,建立的卸荷损伤本构模型曲线与试验曲线较为吻合,能反映卸荷条件下的岩石变形特征.     

岩石卸荷破坏与岩爆效应

对粉砂岩试样进行了保持轴向变形不变的卸围压试验,在对岩样的破坏分析基础上,将岩石卸荷破坏与岩爆特征联系起来.研究表明,随着卸荷初始围压值的增加,卸荷破坏状态逐渐从中等岩爆过渡到强烈以上岩爆;三轴应力状态下的岩体如果某一方向的应力突然降低,造成其在较低应力状态下破坏,那么原岩储存的弹性应变能将对外释放,进而可能引起岩爆;通过调整施工速度可以减缓或降低岩爆的发生.     

卸围压条件下砂岩变形破坏特性试验研究

从可释放弹性应变能角度对岩石卸围压条件下破坏特性进行研究,利用MTS815电液压伺服可控制刚性试验机进行保持轴向变形不变的卸围压试验,根据卸围压试验数据,分析了该砂岩卸围压过程中变形、强度、弹性模量及能量变化特征。结果表明:随着围压逐渐降低,岩样发生侧向不断扩容;轴向应力逐渐降低,呈现出非线性特征;弹性模量在初始阶段几乎不变化,越过破坏点之后大幅降低;可释放的弹性应变能在初始阶段增大比较缓慢,当围压降低至一定程度时急剧增大;推导出基于可释放弹性应变能的卸荷岩石的整体破坏准则Ue0。     

河口村水库坝肩灰岩力学特性试验研究

从河口村水库坝肩取样制备完整的和含裂隙的灰岩试样,利用TAW-2000岩石三轴仪对制备的岩样进行不同围压下的岩石三轴压缩试验,得到了完整和裂隙灰岩在不同围压下的应力-应变曲线及其变形、强度和破裂特性规律。试验中,裂隙面与最大主应力夹角为0°~80°,围压为5~15 MPa。试验结果表明:完整灰岩的峰值强度和变形模量随围压的增大而增大,并且呈线性关系;裂隙灰岩在三轴压缩下有两种破坏形态,分别为穿裂隙面破坏和沿裂隙面滑移破坏;裂隙灰岩的强度和变形特性及破坏特征受裂隙面倾角θ的影响很大,当θ60°时,沿裂隙面滑移破坏,当θ≤60°时,穿裂隙面破坏;其中穿裂隙面破坏的灰岩与完整灰岩均为岩体材料的破坏,并且与完整灰岩的破坏形态和强度变形特征相似。     

不同应力状态下北山花岗岩岩爆倾向性研究

为研究不同应力状态下北山花岗岩岩爆倾向性,对北山花岗岩试件进行不同围压下的三轴试验,通过轴向压力和横向变形协调控制加载,获得不同围压下岩石全应力应变曲线,研究岩石破坏前能量聚集及破坏后能量释放特征。结果表明：破坏时弹性能、总能量随着围压增加而增大,且破坏后的总能量变化量及弹性能释放量也随着围压增加而增大。分析岩石储能系数和能量释放指数对岩石破坏的影响,发现岩石储能系数和能量释放指数随围压增加而增大;综合能量储存系数和能量释放指数建立新的岩爆倾向性评价指标,该指标不仅表述了岩石破坏前后各能量的综合变化特征,且能研究不同应力状态下岩石岩爆倾向性;使用该指标研究不同应力状态对北山花岗岩的岩爆倾向性,结果表明：北山花岗岩具有较强的岩爆倾向性,且随着围压增大,岩爆倾向性增加;当围压低于10 MPa时,围压对北山花岗岩岩爆倾向性影响较小,当围压超过10 MPa时,围压对岩爆倾向性的影响突然增加,但随着围压进一步增加,其对岩爆倾向性影响逐渐减弱。     

卸荷和冲击载荷作用下高应力红砂岩的动力特性

在深部开挖工程中,深部岩石往往经历"三轴高应力+开挖卸荷+动力扰动"的全应力过程.为了研究围压卸荷对深部预应力岩石的动态破坏特征的影响,采用改进的分离式霍普金森压杆对红砂岩进行了一系列三轴卸荷动态压缩试验,还进行了单轴预应力冲击压缩试验(不考虑围压卸荷效应).结果表明,红砂岩的动态抗压强度表现出明显的应变率效应.在应变...     

加卸载应力条件下脆性花岗岩变形的试验研究

隧道开挖过程中,岩石的变形破坏是在复杂应力条件下发生的。通过对脆性花岗岩试样进行加轴压、卸围压的三轴实验来分析其破坏的成因,发现一些新的问题：在适当围压条件下,围压的大小、加压速率及卸载速率都对岩石的破坏有较大的影响。因此,在隧道开挖过程中,必须控制好隧道的开挖速度;在设置围岩支护时,必须保证支护体有足够的强度、刚度,并且能适应围岩的变形,只有这样才能有效防止岩石变形的破坏,保证施工的顺利进行。     

Mechanical properties of deep-buried marble material under loading and unloading tests

The mechanical properties are essentially different when rock material is subjected to loading or unloading conditions. In this study, loading and unloading tests with various confining pressures are conducted to investigate the mechanical properties of marble material samples taken from the deep diversion tunnels of Jinping II Hydropower Station. The stress-strain relationship, failure characteristics and strength criterion are compared and analyzed based on the experiment results. The results show: in the loading and unloading test, peak strength, lateral strain, axial strain and plastic deformation increase significantly as the confining pressure increases. Lateral strain increased significantly and obvious lateral dilatancy can be observed to the change of confining pressure; The fracture mode is mainly the single shear fracture for the triaxial compression test and post-peak test, angle between the failure surface and the ends of the rock material becomes smaller as the confining pressure increases. Hoek-Brown strength criterion reflects the strength characteristics of marble material under two different unloading conditions, and has some supplementary effects to the rock material of mechanical field.     

Mechanical property and permeability of raw coal containing methane under unloading confining pressure

Based on domestic-developed triaxial servo-controlled seepage equipment for thermal–hydrological–mechanical coupling of coal containing methane, an experimental study was carried out to investigate mechanical property and gas permeability of raw coal, under the situation of conventional triaxial compression and unloading confining pressure tests in different gas pressure conditions. Triaxial unloading confining pressure process was reducing confining pressure while increasing axial pressure. The research results show that, compared with the peak intensity of conventional triaxial loading, the ultimate strength of coal samples of triaxial unloading confining pressure was lower, deformation under loading was far less than unloading, dilation caused by unloading was more obvious than loading. The change trend of volumetric strain would embody change of gas permeability of coal, the permeability first reduced along with volumetric strain increase, and then raised with volume strain decrease, furthermore, the change trends of permeability of coal before and after destruction were different in the stage of decreasing volume strain due to the effect of gas pressure. When gas pressure was greater, the effective confining pressure was smaller, and the radial deformation produced by unloading was greater. When the unloading failed confining pressure difference was smaller, coal would be easier to get unstable failure.     

北山花岗岩短长期常规三轴力学特性试验研究

为研究北山花岗岩的物理力学特性，开展了常规三轴、蠕变和松弛试验，研究过程与结论如下：（1）开展北山花岗岩在不同围压条件下的常规三轴压缩试验，对比分析试样的变形和破坏形式等力学特征，得出北山花岗岩岩石破坏时的不可恢复变形较小，且随着围压增大未出现脆-延性转变现象的结论；（2）开展北山花岗岩单级蠕变试验及不同围压条件下的多级蠕变试验，分析不同偏应力的形变和单级蠕变的蠕变速率，得出北山花岗岩的蠕变形式为非稳定蠕变，其应变曲线出现了典型的蠕变三阶段特征的结论；（3）开展北山花岗岩单级应力松弛试验及循环松弛试验，分析偏应力的变化规律，得出北山花岗岩在应力松弛过程的初始松弛阶段，其偏应力下降速率很快，在较短时间内即能够达到稳定状态的结论。     

Mechanical and damage evolution properties of sandstone under triaxial compression

To study the mechanical and damage evolution properties of sandstone under triaxial compression,we analyzed the stress strain curve characteristics,deformation and strength properties,and failure process and characteristics of sandstone samples under different stress states.The experimental results reveal that peak strength,residual strength,elasticity modulus and deformation modulus increase linearly with confining pressure,and failure models transform from fragile failure under low confining pressure to ductility failure under high confining pressure.Macroscopic failure forms of samples under uniaxial compression were split failure parallel to the axis of samples,while macroscopic failure forms under uniaxial compression were shear failure,the shear failure angle of which decreased linearly with confining pressure.There were significant volume dilatation properties in the loading process of sandstone under different confining pressures,and we analyzed the damage evolution properties of samples based on acoustic emission damage and volumetric dilatation damage,and established damage constitutive model,realizing the real-time quantitative evaluation of samples damage state in loading process.     

三轴卸荷条件下煤体力学特性和能量耗散演化

孤岛工作面煤体和巷道受周边开采扰动影响,煤体受循环荷载作用存在卸荷力学行为而表现出动态破坏特性.为探讨不同路径下煤体力学特性,利用TAW-2000三轴电液伺服刚性试验机分别进行常规三轴(T)、三轴循环荷载(TC)以及相应卸围压试验(TU、TCU),分析不同围压下煤体卸围压强度、变形、声发射事件以及能量耗散演化特征,开展...     

饱和花岗岩水-力耦合力学特性试验研究

采用全应力多场耦合三轴试验仪,对饱和花岗岩开展了不同加载速率、不同围压、不同孔压下的水-力耦合三轴压缩排水试验,分别给出了饱和花岗岩在不同加载速率、不同有效围压下的应力-应变曲线,分析了峰值强度、峰值应变、弹性模量随加载速率以及有效围压的变化规律。研究结果表明:(1)在不同有效围压和加载速率的条件下,岩样的应力应变曲线均经历了非线性压密、弹性、屈服、峰后四个阶段。偏压加载初期非线性压密阶段比较明显,而随着围压的升高非线性段逐渐消失;由于花岗岩的致密性较高,因而曲线的弹性阶段较长且相对平滑;在屈服和峰后阶段,岩石呈现出明显的脆—延性转化的过程。(2)饱和花岗岩的峰值强度随着加载速率的增加而增大;且当有效围压相同时,岩石的峰值强度大致相等,抵抗外界荷载的能力大致相同。(3)缓慢加载条件下饱和花岗岩的峰值应变表现出加载速率强化效应,但强化效果是有限的;且在有效围压相同条件下,随着围压和孔压的同步增长,峰值应变也呈增长的趋势。(4)弹性模量随着加载速率的增加呈二次多项式增长,但随着围压和孔压的同步增长而逐渐降低。     

基于破坏类型的本溪灰岩本构关系研究

根据单轴和三轴条件下本溪灰岩的压缩试验和峰后循环加载试验,总结本溪灰岩的强度、变形随围压的变化规律,研究不同围压下本溪灰岩的破坏过程和重复加载过程,分析不同应力条件下本溪灰岩破坏的方式.结果表明:本溪灰岩在应力刚过峰值且未完全进入残余强度阶段,其弹性模量与峰前相同,此阶段进行循环加载时,新的峰值应力低于卸载点应力;在残余强度阶段,残余强度不再随重复加载发生明显变化;采用比较峰值时的环向弹性应变值与环向应变值的方法来判别本溪灰岩的破坏类型是可行的;不同围压下,本溪灰岩的破坏方式有张性破坏和剪切破坏2种类型,这2种破坏方式下本构模型的控制参数是不同的.分别选取了环向应变和剪切应变作为控制参数建立了本构模型,该模型很好地描述了本溪灰岩峰后阶段的应力脆性跌落现象及应力与应变的关系.     

压力水-岩耦合作用下砂岩断口微观破坏机理

为了研究流固耦合作用下岩石的损伤劣化机理,以砂岩岩样为研究对象,采用流固耦合力学实验系统开展轴压水压耦合作用下单轴压缩、三轴压缩及三轴蠕变实验,借助扫描电子显微镜对岩样破裂断口的微观结构特征进行分析。结果表明:单轴饱水岩样破裂断口表面比干燥岩样出现更多的裂纹核,且断口形貌以沿晶断裂为主,穿晶断裂为辅;随着水压增大,三轴压缩岩样破裂断口表面裂纹核逐渐变少,剪切平行裂纹逐渐增多,岩样的宏观破坏形式从以张拉破坏为主逐渐向以剪切破坏为主转变;与三轴压缩岩样断口相比,三轴蠕变岩样破裂断口表面平整度和光滑度较差,晶体间联结更加紧密,剪切裂纹密度和深度增加。