中高应变率下花岗岩动力特性三轴试验研究

利用改进的霍普金森压杆对不同围压、不同应变率下的岩样进行了试验研究,分析了其在中高应变率下的冲击响应特征与破坏模式。基于试验结果发现在围压一定情况下,岩石的动态抗压强度和峰值应变随应变率的增大而增大,其中抗压强度随应变率呈对数增长;弹性模量对围压和应变率不敏感,且应变率越大岩石破碎现象越严重。其次,在应变率相近情况下,花岗岩的动态抗压强度随围压呈增大趋势,其破坏模式由低围压下的轴向劈裂转向高围压下的压剪破坏;高围压下花岗岩应力–应变曲线出现屈服平台,具有明显的脆—延性转化特征。最后,检验了莫尔–库仑准则和霍克–布朗准则的适用性,指出此花岗岩更符合莫尔–库仑准则,其动态强度增大主要由黏聚力的应变率效应引起。     

花岗岩脆性破坏特征与机制试验研究

为了研究花岗岩脆性破坏特征和机制,进行不同围压下的三轴压缩试验,并对花岗岩破裂面断口进行电镜扫描测试,分析不同围压下花岗岩断口的微观形貌特征,最后讨论花岗岩脆性破坏机制。试验结果表明:在研究的围压范围内,花岗岩表现为典型的脆性破坏,随围压升高未出现脆–延转换特征;围压作用下除倾斜剪切破坏面外,还有"Y"型破坏形态;峰值前有无塑性变形产生以及发生塑性变形的范围和程度是决定花岗岩发生脆性破坏的主要原因,而岩石矿物成分和微观结构的差异性是其内在机制;峰值后应力降的大小和速度是花岗岩脆性破坏程度的外在表现,宏观裂纹的贯通速度决定峰值后应力降大小,岩体内积聚的能量大小是造成裂纹贯通速率快慢差异的内在因素,宏观断裂面是否完全贯通是应力降大小的决定因素。     

基于强度理论的岩石脆延转化统计损伤本构模型

岩石脆延特性转化过程模拟是现有统计损伤本构模型理论研究的重要内容之一。首先，基于三轴压缩试验资料，分析了围压水平变化对岩石应力特征值及其脆性指标的影响规律，针对M-C强度准则仅能够预测低围压水平岩石应力特征值，提出能够适用于预测围压水平大区间变化条件下新型岩石强度准则；然后，结合统计损伤理论，建立基于强度理论的岩石统计损伤演化模型，进而在考虑残余强度特征的损伤模型基础上，建立岩石脆延转化统计损伤本构模型，并给出参数的确定方法；最后，通过大理岩试验资料分析表明，本文强度准则能够很好地预测大理岩应力特征值的变化规律，本文模型能够很好地模拟大理岩脆延特性转化过程，揭示出现有统计损伤模型无法模拟脆延特性转化的关键因素在于它缺乏适用于围压水平大区间变化条件下岩石强度准则并忽视了应力特征值的预测值偏离程度对模型曲线产生的影响，拓宽了现有统计损伤本构模型理论的应力水平适用性范围。     

Hoek-Brown准则的脆性不等式及其对GSI取值的限制

Hoek-Brown准则2018版指出,H-B准则仅适用于岩石脆性破裂,不适用于延性破坏,此论断对地质强度指数GSI的取值构成了物理上的限制,目前尚未得到充分讨论。针对该问题,从H-B准则的脆性破裂假设出发,基于岩石脆–延转换理论,通过推导和计算建立H-B准则的脆性不等式,给出应力强度比对GSI取值的限制条件,探讨不同岩性岩体的GSI取值与埋深的关系,指出不同类型岩体超过极限埋深后将进入延性破坏区,H-B准则也将随之失效。上述研究有助于H-B准则的合理使用,避免岩体参数估计出现较大的偏差。     

红砂岩三轴压缩变形与强度特征的试验研究

利用RMT–150B型岩石力学试验系统对红砂岩进行单轴、常规三轴压缩和巴西劈裂试验,分析红砂岩的变形、强度与破坏特征,以拟合偏差的绝对值之和最小为目标确定5种强度准则中待定参数,比较拟合偏差及单轴抗压强度、抗拉强度和破裂角的预测值与试验值的差异。结果表明:直线型的Mohr-Coulomb强度准则的拟合偏差较大,高估了低围压和高围压时的岩石强度;Hoek-Brown准则、广义Hoek-Brown准则、Rocker准则和指数强度准则对单轴抗压强度的预测值与试验值(68.0 MPa)基本一致,但对抗拉强度均给出偏高的估计;广义Hoek-Brown强度准则预测的抗拉强度接近于试验值,整体拟合效果较好;红砂岩的破裂角为52.5°~66.6°,与围压呈负相关。Mohr-Coulomb强度准则预测破裂角为65°,与实际破裂角相差较大,其余4种强度准则预测的破裂角与围压均呈负相关,与实际破坏角的差距有所减小。     

基于Griffith强度理论的岩石裂纹起裂经验预测方法研究

 裂纹起裂强度是岩石破坏过程中的重要应力阈值,研究岩石起裂准则对于揭示其破坏机制及预测围岩工程性质有着重要意义。首先进行青砂岩试样的单轴及三轴压缩起裂试验,并基于多种应变响应分析其中的起裂机制及细观破坏特征,指出局部张拉应力集中是起裂破坏的主因,总结提出低围压条件下的张开型起裂模型及高围压条件下的滑动型起裂模型。然后基于Griffith强度理论分析压应力场中岩石缺陷端部的局部最大张拉应力,其大小随差应力 的升高而增大,同时在围压条件下受表面摩擦作用的影响较大。针对岩石细观起裂机制提出起裂预测经验准则,准则中引入起裂参数 作为围压影响系数以表征摩擦作用,从而适用于不同围压条件下的起裂破坏预测。利用3组起裂试验结果对经验准则进行验证,其准确性及实用性明显优于传统线性起裂准则。最后通过分析不同围压下岩石起裂强度与峰值强度之比 ,发现试样在围压60 MPa以下时其起裂破坏属于细观张拉破坏机制。     

不同应力路径下花岗岩三轴加卸载力学响应及其破坏特征

开展3种不同应力路径下的花岗岩三轴加卸载试验,得到花岗岩在不同加卸载路径下的应力–应变曲线,分析其破坏特征、变形特征及其强度特征。试验结果表明:(1)卸围压过程中岩石环向应变和体积应变与围压在初始阶段呈线性关系,而后呈明显的非线性关系,岩石轴向变形不明显,变形主要表现为环向变形,岩石扩容显著,脆性破坏特征明显。(2)卸荷试验中岩石变形模量随卸荷比的增大而减小,而泊松比随卸荷比的增大而增大,在卸荷初期岩石变形参数劣化不明显,而后呈指数型变化,且岩石加轴压卸围压试验较恒轴压卸围压试验对变形参数的影响更加明显。(3)在高应力卸荷条件下,Mogi-Coulomb强度准则较Mohr-Coulomb强度准则更能反映岩石的卸荷破坏强度特征;相对于常规三轴压缩试验,恒轴压卸围压试验试样黏聚力c降低24.21%,内摩擦角?增大16.71%,而加轴压卸围压试验试样黏聚力c增大10.25%,内摩擦角?减少6.64%,表明在恒轴压卸围压试验中试样抗破坏的主控因素为摩擦力,而在加轴压卸围压试验中为黏聚力。     

脆性岩石卸围压试验与岩爆机理研究

岩爆是高地应力区地下工程开挖卸荷产生的动力现象。按照地下工程开挖卸荷特点,开展了脆性花岗岩常规三轴、不同卸载速率条件下峰前、峰后三轴卸围压试验,研究了岩石破坏的全过程并进行了声发射特征分析,探讨了岩爆岩石的变形破坏特征和岩爆形成力学机制。试验结果表明:无论是峰前还是峰后卸围压,高地应力下花岗岩都表现脆性破坏特征,峰前卸围压时岩样表现出的脆性比峰后卸围压更为强烈;卸载速率越快,岩石脆性破坏越强,发生岩爆的可能性越大。试验研究成果对地下工程岩爆发生的机理研究和预测提供了试验依据。     

高围压下岩石破坏和摩擦滑动过程中的声发射性活动性

在600MPa范围内,实验测定了居庸关花岗岩变形破坏和摩擦滑动过程中的声发射活动性。在有围压的情况下,岩石变形破坏过程中缺少在单轴压缩下经常出现的第一次声发射活动高峰;随着围压的增加,声发射活动性由致密型向致密不稳定型过渡;开始出现声发射所对应的应力—应变条件相对于破裂点而言有随围压增加而“提前”的趋势.采用归一化的处理以后,发现破裂过程中声发射累计数增长曲线随着围压增加而曲率减小。指数函数拟合结果表明:随围压增加指数系数减小,并且阶段间的差别逐渐消失。摩擦滑动的应力积累阶段的声发射活动性也遵循指数规律上升,但指数系数较变形破坏过程为小.稳定滑动过程本身的声发射累计数随应变量的增大只是线性地增加.     

储层砂岩破坏特征与脆性指数相关性影响的试验及数值研究

 储层砂岩破坏特征及其脆性评价对油气田开采工程具有重要意义,针对胜利油田某油井隔层和油层砂岩岩芯,开展压缩条件下的物理试验及数值模拟。研究结果表明：储层岩芯在三轴压缩条件下的破坏模式以剪切破坏为主,同种围压的隔层岩芯脆性高于油层岩芯,脆性指数B较好地描述了岩芯脆性的变化趋势;分析了储层岩芯主要力学参数与脆性指数B的相关性,即在围压压缩条件下,岩芯峰值强度、扩容点、弹性模量、泊松比、残余强度及残余强度系数随脆性指数B的增加而降低,且用线性关系拟合各参数与脆性指数B的相关性较好;油层砂岩黏土矿物含量大于隔层砂岩是造成其脆性较高的内因,单轴压缩条件下的岩芯断面CT扫描图从细观上反映了      2种岩芯脆性破坏特征的不同;在单轴压缩条件下,数值岩芯脆性随弹性模量、压拉比、内摩擦角的增加而增加,随泊松比、残余强度系数的增加而降低,与峰值强度之间的关系不大;在声发射模式上,储层砂岩以前震–主震–后震型和群震型为主,根据物理试验和数值计算结果,总结了脆性指数B与岩芯破裂声发射模式之间的内在关系,即在相同加载速率条件下,低脆性区、中脆性区和高脆性区岩芯声发射模式分别为群震型、前震–主震–后震型及主震型,通过对灰岩试样和不同种类煤体声发射模式的对比,验证了机制讨论的正确性。     

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°。     

高应力下原煤三轴压缩力学特性研究

 基于取自淮南矿区－780 m标高B10煤层的原煤的试件,通过MTS815.04电液伺服试验系统进行高应力下原煤的常规三轴压缩试验,研究煤岩的变形、强度、参数及破坏特征。研究结果表明：(1) 煤岩偏应力–轴向应变曲线主要由弹性、屈服、峰后脆性破坏阶段或应变软化段构成。其中,弹性段明显较长,且围压越大,曲线越陡,弹性模量越大;屈服段则总体较短。(2) 煤岩在单轴或低围压条件下,峰后脆性破坏特征明显;随着围压升高,峰后开始呈现延性特征,且围压越高,延性特征越明显。当围压达到50 MPa时,峰后轴向应变几乎呈现塑性流动状态。(3) 随着围压的增加,峰值轴向应变呈抛物线趋势增加,峰值侧向应变则呈线性增加趋势。(4) 煤岩偏应力–体积应变曲线,在低围压条件下表现出扩容机制,且围压越低扩容特征越明显;在高围压下,从峰前越至峰后,则始终向右延展,呈现出不断收缩的状态;而峰值体应变随围压的增加呈抛物线形式增加,收缩特征明显。(5) 煤岩强度随围压增加呈线性趋势增加,且强度参数c,φ值分别为12.72 MPa,24.12°。(6) 煤样的破坏模式主要以剪切破坏为主,破断角大小为23°～35°,且随着围压的增加,以抛物线趋势增加。采用Mohr强度理论可以较好地解释这一变化。     

主动围压下地下工程岩石的冲击压缩特性试验研究

 岩石等脆性材料的力学性能与其所受围压的大小密切相关。为了研究地下工程岩石在围压下的冲击压缩特性,采用具主动围压加载的分离式Hopkinson压杆,对岩石进行主动围压下的SHPB冲击压缩试验,得到岩石在不同围压和不同应变率下的轴向应力–应变曲线,并对试验过程中试件的应力均匀性进行分析。研究表明：岩石类脆性材料在围压作用下其抗压强度和韧性大大提高,并且具有向延性特征发展的趋势,显现出较强的围压效应;在同等级围压下,岩石的峰值强度和峰值应变随应变率的变化表现出显著的应变率相关性,动态强度增长因子与应变率的对数呈近似线性关系,动态强度随应变率的增加而近似线性增长。单轴动荷载下,岩石在以拉应力为主,其他应力联合作用下发生破坏,表现出明显的脆性特征;随着围压的增加,岩石试件将发生脆性向延性的转变,破坏形态以压剪破坏为主,同时发生拉应变破坏和卸载破坏。     

多轴受力状态下再生混凝土的破坏准则及应力-应变本构关系研究

以再生粗骨料取代率、侧向围压值、时间龄期、再生骨料来源和混凝土强度等级为变化参数,设计68个试件进行三轴受压试验研究,观察了三轴受压状态下再生混凝土的破坏形态,揭示了其破坏机理,获取了三轴受压时的应力-应变全过程曲线、峰值应力、峰值应变、弹性模量等特征点参数。研究结果表明：随着围压值的增大,再生混凝土的破坏形态由垂直劈裂转变为斜向劈裂破坏,且与斜向劈裂面相交的粗骨料被剪断;单轴受压和侧向围压值σw≤9MPa时,再生混凝土发生脆性破坏;围压值σw≥12MPa时,再生混凝土为塑性状态破坏。最后,基于试验分析和普通混凝土的强度理论,分别采用莫尔-库仑破坏准则、π平面剪应力破坏准则以及Rendulic平面上的应力破坏准则从宏观的角度对再生混凝土材料的强度准则进行深入分析,并探讨了多轴应力状态下再生混凝土的应力-应变本构方程。研究结果可供再生混凝土的进一步研究和推广应用提供参考。     

具有沉积弱面试样的剪切拉伸破坏及强度分析

根据一组细砂岩试验结果发现:试样强度较低时,平均模量与强度成正比,表明岩样破坏时内部完好材料需要的弹性变形相同;而较高围压下裂隙闭合、承载能力增大之后,平均模量趋于常数。含有弱面的岩样可能是剪切破坏,也可能是剪切与拉伸组合的破坏,必须依据破裂形式分析试样的强度,分别确定完整岩石或弱面的黏聚力和内摩擦因数,而不能直接以强度与围压的关系回归Coulomb准则。     

变质砂岩卸围压破坏特征试验研究

山岭隧道工程高地应力岩爆现象的发生受多种因素的影响,其中岩石卸围压过程中的破坏特性是其重要的判别标志之一。本文结合二广高速公路茅田界隧道隧址变质砂岩常规三轴试验不同围压条件下峰前卸围压试验,开展岩石破坏的全过程实验研究,并结合破裂过程的声发射特征探讨了岩石的变形破坏特征,初步分析了卸载破坏诱发岩爆机理基本特征。研究结果表明:随着围压不断的增加,变质砂岩变形特性表现出低围压下的脆性向高围压下塑性的转换,说明围压的增加抑制了岩样的破坏,提高了岩样的承载能力。在相同围压条件下,较快的卸载速率使岩样破坏时释放的能量更小,说明岩样破坏前所能储存的极限储存能更少,这样岩爆就会更容易发生。此外,变质砂岩破坏初期是以张性破坏为主,峰前卸围压,高地应力下变质砂岩表现出张剪性破坏特征,且岩样表现出的脆性随围压强度增大而减小。     

大理岩脆–延–塑转换特性的细观模拟研究

 针对锦屏深埋大理岩峰后变形破坏的脆–延–塑转换特性,采用颗粒流程序(PFC)中的簇单元模型(CPM)对其进行细观模拟研究。经过对室内试验结果的反复模拟校准,获得描述锦屏深埋大理岩力学性质的一组细观物理力学性质参数。模型试验结果表明：试样的一系列宏观力学表现,包括弹性模量、泊松比、单轴与启裂抗压强度、应力–应变曲线、峰值与残余强度包络线、拉压强度比以及破坏形态等均与锦屏深埋大理岩的试验结果具有良好的一致性。对不同围压下裂纹发育规律的研究表明：不同应力状态下细观裂纹发育特征的显著差异是导致大理岩的变形破坏出现脆–延–塑转换特性的主要原因;张性裂纹的大量发育决定介质的脆性破坏模式,而剪切裂纹数目的快速增长则促使介质由脆性破坏模式逐渐向延–塑性破坏模式转换。     

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。     

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。