基于应变的脆性岩石破坏强度研究

在三轴压缩条件下，岩石类材料的破坏具有延性破坏和脆性破坏2种类型。岩石发生破坏的机理是构成岩石的矿物颗粒之间发生相对位移。一般而言，岩石在力的作用下发生拉或剪破坏，在破坏发展过程中，哪一种破坏类型取得优势地位，岩石最终便以那种形式破坏。最大拉应变准则能够解决岩石拉破坏问题，但不能解释破裂角的存在。岩石为各向异性体，应变主轴不同于加载轴，因此，不能用加载轴上的应变来描述岩石的强度。考虑3个方向拉应变的应变强度准则能够描述岩石的强度，也能够在一定程度上描述破裂角的变化。理论分析和室内试验证实了这一结论。并且随中间主应力的升高，应变破坏准则的变化与岩石抗压强度、最大拉应变准则的变化具有相同的规律。     

脆性岩石广义多轴应变能强度准则及试验验证

通过分析脆性岩石多轴试验中的强度和破坏规律,在已有研究成果基础上,将其强度和破坏控制类型主要归结为3种:类型1,低静水压力时裂缝张开扩展,主要表现为张性微裂缝控制型脆性破坏;类型2,静水压力很高时,裂缝闭合,主要表现为摩擦滑移控制型延性破坏;类型3,处于两者之间时,微裂缝一部分张开,一部分闭合,主要表现为两者复合控制型脆延破坏.在分析脆性岩石强度的静水压力、中间主应力、最小主应力以及应力Lode角等4种效应的基础上,提出子午面上与Mohr-Coulomb准则包络线自然衔接的广义双曲线型破坏函数及八面体偏平面上光滑角隅型破坏函数,从而建立非线性广义多轴应变能强度准则.该准则包含单轴抗压和抗拉强度,在静水压力较低时,实质上它是Griffith-Murrell准则在多轴应力状态下的一种扩展形式,反映脆性岩石破坏类型1;在很高静水压力下该准则可转化为广义Mises准则,反映脆性岩石破坏类型2;而当静水压力较高时,该准则处于上述两种准则的过渡阶段,反映脆性岩石破坏类型3.最后,通过对不同种类岩石多轴试验结果的验证分析,表明该准则能够较为合理地描述上述4种效应,而且能够反映非线性强度特征和拉压强度的显著区别,可广泛地适用于各种脆性岩石.     

高应力下岩石非线性强度特性的试验验证

 深埋工程岩体开挖后围岩的强度特性表现出明显的非线性特征。基于室内岩石三轴加载及卸荷力学试验成果,对高应力下岩石的非线性强度特性予以验证,并开展高应力下应力路径对强度参数影响规律研究。采用已有的二次抛物线型、双曲线型、幂函数型等型式的包络线来研究强度特征的非线性,结果表明,幂函数型Mohr准则能够作为在高应力加载和卸荷应力路径下的岩石破坏的强度判据。在低围压下(＜10 MPa),三轴卸围压破坏强度要小于常规三轴强度;而在高围压下,前者略高于后者。内摩擦角的正切值与等效法向应力的函数关系表明岩样的实际内摩擦角并不是一个不变值,具有幂函数关系的非线性特征,在低应力下卸载破坏内摩擦角要比常规三轴压缩剪切内摩擦角略大,在高应力下则相反;根据Mohr准则中内摩擦角与理论破裂角之间的关系,随着应力增加它们的破裂角均呈非线性衰减并趋向π/4。     

岩石单轴压缩强度的一种理论估值方法

在三轴压缩条件下[1],岩石类材料的破坏具有2种情况,即延性破坏和脆性破坏。岩石发生破坏的机理是构成岩石的矿物颗粒之间发生相对位移。一般而言,岩石在复杂荷载的作用下发生拉或剪破坏,在发展过程中,哪一种破坏类型取得优势地位,岩石最终就会以哪种形式破坏。从基础热力学角度,岩石的拉破坏和剪破坏这两种不同类型的力学机制已经被人们进行了大量的定量分析。它们之间的竞争导致从本质上推导出了岩石的破坏行为以及在其中起主导作用的力。在岩石的纯剪切或拉伸的情况下,无论是内部的剪应力还是拉应力都能产生必要的机械能量去激活岩石不稳定的非晶体结构,并且它的破坏强度能够被弹性参数所决定。通过采用椭圆破坏准则,岩石的破坏行为和强度仅仅需要它的剪切模量和泊松比就能够被准确的描述,而不需要进行试验。     

等效晶质模型及岩石力学特征细观研究

 基于颗粒流理论与颗粒流程序,采用颗粒体模型与光滑节理模型,构建具有岩石矿物细观结构特征的等效晶质模型。通过室内试验与计算结果的对比分析,验证等效晶质模型在岩石力学特征研究中的适宜性与可靠性;同时,从细观角度深入揭示岩石在加载条件下的破裂机制与强度特性。主要研究结果如下：(1) 在单轴拉伸条件下,岩石近似与加载轴向相垂直的宏观断裂面,主要由相邻晶质体边界上的黏结张拉破坏构成;(2) 在单轴压缩或低围压三轴压缩条件下,岩石近似与加载轴向相平行的宏观断裂面,主要以相邻晶质体边界上黏结张拉破坏为主,导致岩石产生宏观劈裂破坏;(3) 在高围压三轴压缩条件下,与加载轴向呈一定夹角贯通岩石内部的宏观断裂面,主要以晶质体内张拉破坏以及相邻晶质体边界上黏结张拉、剪切破坏构成,导致岩石产生宏观剪切破坏;(4) 对于类似于花岗岩的硬脆性岩石而言,采用等效晶质模型可再现岩石较低的单轴抗拉与单轴抗压强度比值,且其强度特性采用Hoek-Brown强度准则描述更为合理。     

加载和卸围压条件下岩石力学特性的对比研究

为了研究岩石在加载和卸围压试验条件下的岩石力学特性,采用TAW-2000微机控制岩石伺服压力试验机,通过三轴加载和固定轴向应变卸围压的试验方法对辉绿岩进行了试验研究,分析了岩石在加载和卸围压条件下的岩石力学特性.并引入由Hoek-Brown屈服准则定义的主应力包络线切线,计算岩石峰值强度和残余强度时的粘聚力c和内摩擦角φ,获得了岩石在加载和卸围压条件下的岩石力学参数的变化特征.结果表明:在卸围压试验条件下,岩石在屈服破坏后,同样具有应变软化特性和破裂膨胀特性,但由于在卸围压条件下应变能的释放,岩石力学特性受围压的影响表现得更为突出.通过对加载和卸围压试验条件下的岩石力学参数进行比较分析,得到了岩石力学参数c、φ随围压的变化的规律.研究成果可为地下工程开挖过程中围岩受力变形特性研究提供参考.     

砂岩加载试验峰后变形、破坏与应变能特征

 为认识峰后破裂岩样在连续载荷作用下的变形、破坏特征及应变能变化情况,利用MTS815岩石力学试验系统,对永川煤矿砂岩样进行三轴等围压试验。在试验基础上提出岩样破裂比(r)概念,它反映峰后破裂岩样相对于完整岩样的破裂程度,r越小表示岩样破裂程度越高,r最大值为1,最小值为岩样残余强度与峰值强度之比。结果分析表明：低围压作用下破裂比与其对应割线模量、轴向应变量、应变能之间的线性关系较好;峰后破裂砂岩样在连续加载后,呈现“X”剪切破坏模式;岩石最大泊松比可通过峰后连续加载试验确定。研究结论对认识岩石突出和岩爆机制有重要意义。     

硬质岩石卸荷破坏特性试验研究

 对硬质灰岩进行加轴压、卸围压试验,研究卸荷应力路径对其力学性质的影响,结合试验数据分析5种强度准则描述岩石卸荷破坏的适用性。Mohr-Coulomb强度准则和Hoek-Brown强度准则回归效果较差,考虑中间主应力影响的Drucker-Prager强度准则和Mogi-Coulomb强度准则回归效果较好,并且Mogi-Coulomb强度准则回归效果优于Drucker-Prager强度准则,抛物线型强度准则对高围压下的试验结果回归较好。岩石卸荷破坏发生强烈的体积扩容,从描述体积应变变化的角度对岩石卸荷破坏本构模型进行修正,理论模型结果与试验结果吻合较好。     

花岗岩压剪联合冲击特性与细观力学机制研究

在MTS试验系统和Hopkinson压杆装置上添加不同倾角的垫块,对山东花岗岩进行3种应变率(3×10-5,50和100 s-1)下倾角为0°,15°,30°,45°和60°五种加载路径的压剪联合加载实验研究。结果表明:花岗岩的法向和切向模量都有一定的加载路径敏感性(即压剪耦合效应)和明显的应变率效应;其中花岗岩的法向模量对剪切应力很敏感;同时,花岗岩的破坏强度也具有明显的加载路径敏感性和应变率效应。应用Drucker-Prager准则拟合了不同加载速率下的破坏面,拟合结果初步揭示了岩石的内摩擦角和黏聚力等强度参数有一定的加载速度效应。基于数字图像相关方法对上述加载过程进行系统的监测和分析,发现岩石动态压剪过程实际上由剪切应变主导,岩石从准静态加载到动态加载,试件内起主导作用的因素由拉应变逐渐过渡到剪应变,这是由岩石材料本身的不均匀性决定的。     

岩石的非线性统一强度准则

Hoek-Brown强度准则在岩石工程中被广泛采用，但由于它没有考虑中间主应力效应，因而在理论和实际应用上都存在不足之处，综合统一强度理论和Hoek-Brown强度准则的优点，提出一个适用于岩石的非线性统一强度准则，这一准则既考虑岩石拉压强度相差较大的特点，又考虑了中间主应力效应及其区间性。Hoek-Brown强度准则和非线性双剪强度准则在π平面上构成了岩石屈服破坏面的内边界和外边界，它们均为所提准则的特例。岩石的非线性统一强度准则，其子午线是非线性的，其参数与Hoek-Brown准则的参数一致，可以用岩石的常规三轴试验结果按Hoek-Brown提出的回归公式得出，完整岩石能够从常规三轴试验数据预测出不同应力角的破坏极限线，与国内4个单位6种岩石20余组岩石真三轴实验结果对比表明，该准则与实验结果吻合良好，这一准则也可以推广到岩体或节理化岩体。     

岩石材料裂纹尖端起裂特性研究

 通过综合考虑Williams展开式中奇异应力项和非奇异应力项(T应力),运用断裂力学方法深入探讨远场拉–压、压–压应力组合下裂纹尖端起裂特性。在最大周向应力准则中考虑T应力的影响作用,并将其作为拉伸破裂判据;在剪切破裂方面,提出考虑法向应力影响的最大剪应力准则。通过对拉伸和剪切破裂发生条件的探讨,进一步阐明剪切破坏与裂纹倾角、内摩擦角、抗拉强度、黏聚力等参数之间的关系。研究结果表明,Williams展开式中非奇异应力项对于裂纹起裂角有重要的影响,所提出理论比传统理论计算的起裂角与实验结果更加吻合。随着内摩擦角的增大,剪切破裂减弱而拉伸破裂增强。随着黏聚力增大或者抗拉强度降低,拉伸破裂增强而剪切破裂减弱。     

冲击载荷作用下含孔洞大理岩动态力学破坏特性试验研究

 利用一种大理岩试件加工制备含圆形和椭圆形孔洞的板状试样,试样尺寸为60 mm×60 mm×15 mm,使用75 mm杆径的分离式霍普金森压杆(SHPB)进行冲击压缩试验,通过超动态应变仪监测入射杆和透射杆的应变信号,利用高速摄像仪记录试样完整的裂纹萌生、扩展、贯通直至试样破坏的全过程,分析冲击载荷作用下预制孔洞试样的动态抗压强度、破坏模式和裂纹扩展特性。研究发现,孔洞大小、形状和空间位置对岩石的动态抗压强度都有一定影响,孔洞的存在降低了大理岩试样的动态抗压强度。在冲击载荷作用下,预制中心孔洞的大理岩试样在孔洞周边产生平行于轴向加载方向的初始拉伸裂纹和类X型初始剪切裂纹,在试件破坏中起主导作用。圆形孔洞试样中,随着孔径增大,剪切裂纹扩展速度随之增大,而拉伸裂纹扩展速度则减小;椭圆形孔洞的长短轴比、长轴与加载方向的夹角均是影响裂纹扩展速度和动态抗压强度的因素。在30～45 s－1的加载应变率范围内,大理岩孔洞试样的平均裂纹扩展速度为100～450 m/s。     

深部岩体强度准则

提出一种新的适用于深部岩体的强度准则,该准则考虑深部岩体的拉伸破坏,同时考虑深部岩体的剪胀和剪缩破坏,其破坏面可以是闭合的也可以是张开的,而且与RMR岩体地质力学分类指标建立联系.深部岩体准则中的参数均有明确的物理意义,可以很容易通过实验确定或通过RMR岩体地质力学分类确定.该准则不仅可考虑所有应力分量对材料破坏的影响,而且可反映深部岩体的受力特点.最后,将新准则与实验结果进行比较,从而验证了新准则的有效性.     

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。     

岩石指数型强度准则在主应力空间的特征

 指数型强度准则利用显式函数表示最小主应力和中间主应力对强度的影响,强度准则参数具有明确的力学含义;常规三轴压缩强度表明,随着正应力增大,剪切强度趋于常数,而破裂角趋于45°;但Mohr应力圆与外包络线在切点附近差异较小,且岩石并非均匀各向同性材料,实际破裂角与理论破裂不会完全一致。真三轴试验数据的离散性较大,强度准则参数对拟合偏差的影响并不显著,而以最小拟合偏差确定的参数未必体现岩石的真实力学性质。在研究强度准则在主应力空间内的力学特征之后,建议依据应力趋于无限时中间主应力与最小主应力对强度的影响系数在s2 = s3处相等来确定强度准则参数,由此得到的拟合误差并未显著增大。     

均质各向同性硬岩统一应变能强度准则的建立及验证

 在大量硬岩多轴加、卸荷强度试验成果分析基础上,研究硬岩强度及强度准则的基本特性,指出硬岩多轴加、卸荷强度均具有中间主应力效应、最小主应力效应、静水压力效应、应力Lode角效应和拉压异性效应。以强度准则的Zienkiewicz一般形式为基础,提出在Rankine型强度曲线和Drucker-Prager型强度曲线过渡的两参数表征的偏平面形函数,与有效应变能理论为基础的Wiebols-Cook强度准则的改进型子午面形函数相结合,建立均质各向同性硬岩统一应变能强度准则。大量硬岩加、卸荷试验数据验证了该强度准则能客观地反映各向同性硬岩强度基本特性和硬岩强度的非线性特征。通过参数调整,提出的统一强度准则将大量现有强度准则统一到同一强度理论框架下,极大地方便了强度理论的数值实现,适用于多种各向同性硬质岩类,进一步丰富了统一强度理论研究成果。     

双参数抛物型Mohr强度准则及其

详细推导了双参数抛物型Mohr强度准则的一系列公式。首先,根据简单拉伸和压缩试验推导了该模型参数的公式,讨论了第一主应力和第三主应力之间的关系及破坏模式;然后,定义了摩擦角和破坏角,导出了相应的公式,并且给出了两者之间关系表达式。双参数抛物型Mohr强度准则既可描述剪切破坏模式,又可描述受拉破坏模式,且其对单轴抗压和抗拉强度比没有限制,所推导的破裂角公式可以为今后宏观裂纹开裂方向的计算和破坏模式的确定提供理论基础;而Griffith准则只是双参数抛物型Mohr准则的一种特殊情况。     

损伤岩石受拉变形模量的理论计算方法

岩石受拉破坏过程本质是微裂纹扩展过程,假设均匀损伤的岩样由很多单裂纹岩石单元组成,受拉条件下含裂纹岩石单元的应变包括裂纹张开引起的岩石弹性应变,非弹性应变,岩石基质的弹性应变。采用COD理论计算裂纹尖端的最大张开位移,根据裂纹张开位移计算单裂纹单元的应变增量,计算出岩样受拉破坏时的应变与初始裂纹密度和裂纹最小间距的关系,最后建立了受拉条件下损伤岩样的体积变形模量计算方法。本方法能同时有效描述初始裂纹数量和裂纹长度对岩石变形的影响,更符合实际情况。结合算例分析显示:岩石裂纹张开引起的应变(包括弹性部分和塑性部分)是损伤岩石变形的重要组成部分,与初始损伤系数和内在抗拉强度成正比,与岩石基质弹性模量成反比。岩石的变形模量随着岩石的初始损伤增加而减小,随着裂纹长度损伤因子的增大而减小。并且初始损伤系数与初始裂纹密度以及裂纹最大半长的平方均成正比。     

粗晶大理岩单轴压缩力学特性的静态加载速率效应及能量机制试验研究

 加载速率对岩石力学性质具有重要影响,影响的程度与岩石本身的微结构和加、卸载应力路径及状态等密切相关。基于静态加载速率范围内的9个不同等级应变率下粗晶大理岩单轴压缩试验,研究加载应变率对岩石的应力–应变曲线、破坏形态、强度、弹性模量及变形模量与应变能耗散及释放的影响规律,探讨岩石损伤演化的能量机制。根据总体积应变及裂纹体积应变与起裂及扩容应力的相关性,确定各应变率下岩石起裂及临界扩容应力。加载应变率大约以1×10－3 s－1为分界点,小于该值时应力–应变曲线峰值点附近仍存在一定的塑性屈服或流动段,超过该值后表现为“折线”型。随着加载应变率的增加,岩样破裂模式由张剪型逐渐过渡到张性劈裂甚至劈裂弹射。一般而言,起裂及临界扩容应力和峰值应力均随加载速率增大而增大,且起裂及临界扩容应力越接近峰值强度,但当应变率为1×10－4～1×10－3 s－1时,上述值均出现一个相对低值区间,这与粗晶大理岩的微结构特征相关。起裂应力、临界扩容应力、弹性模量及变形模量均与峰值强度线性相关。单轴压缩下峰前能量耗散量越多,强度越高,峰后可释放弹性应变能和释放速率越大,岩石的张性贯通破裂特性愈强,破裂块数越多。能量耗散使岩石损伤而强度丧失,而能量释放使岩石宏观破裂面贯通而整体破坏。