泥质白云岩干湿循环力学特性试验研究及其本构模型

水岩相互作用一直是研究的热点课题,水岩相互作用使岩石性质劣化,影响岩石的强度。以泥质白云岩为研究对象,进行了干湿循环作用后的单轴和三轴压缩试验,研究了不同循环作用下岩石的强度、变形等力学特性,并运用连续损伤力学和统计理论,推导出干湿循环作用下岩石的损伤统计本构模型。试验结果表明:泥质白云岩峰值强度随干湿循环次数增加而减小;泥质白云岩在单轴压缩试验中,岩石的总劣化度随干湿循环次数增大呈增大的趋势,而各阶段的劣化度和平均劣化度逐渐降低并趋于稳定;三轴压缩试验中,岩石的总劣化度随围压增加而总体呈现先减小再增加的趋势,较高次的循环对岩石的强度影响大于较高的围压作用对其影响;岩石的弹性模量随干湿循环次数的增大呈总体减小的趋势。通过对比理论曲线与试验曲线可知,本构模型能够较好地反映岩石三轴应力-应变关系,验证了该模型的合理性。     

水压循环作用下砂岩损伤本构模型研究

针对三峡库区水位反复升降作用下岩体质量劣化易致边坡及地基失稳的问题,以三峡库区典型砂岩为研究对象,利用岩石全自动多功能三轴流变仪开展了不同水压循环作用次数下砂岩力学特性试验研究。结果表明:水压循环次数越多对砂岩试样造成的损伤越大;根据水压循环过程中岩体的应力应变关系曲线特征,借助损伤理论及Weibull概率密度函数,建立了考虑砂岩损伤效应的损伤统计本构模型。对比分析表明:该模型与试验曲线符合较好,能够较好的反映水压循环作用对砂岩的损伤效应;随着水压循环作用次数的增加,Weibull分布参数F和m均逐渐减小; F与围压之间呈指数关系,而m与围压之间呈负指数关系,揭示了水压循环作用下岩样宏观强度逐渐降低的特性。研究成果对库区边坡及地基在水压循环作用下的稳定分析具有一定的参考价值。     

水压循环作用对砂岩卸荷破坏试验研究

选取三峡工程库区典型砂岩为试验对象,利用岩石三轴流变仪进行水压循环作用下的卸荷力学试验,探究水压循环次数对砂岩卸荷破坏应力、应变的影响规律,分析水压循环下的砂岩卸荷破坏特性。结果表明,根据峰值强度、峰值围压的变化趋势可将水压循环对砂岩的劣化分为初始阶段、加重阶段和饱和阶段;随着水压循环次数的增加,峰值强度沿反"S"形曲线下降,峰值围压值沿正"S"形曲线上升;轴向与环向应变围压柔量值均随水压循环次数增加而增大,但在初始与加重阶段,轴向应变围压柔量增幅明显大于环向。     

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。     

热湿作用下三峡库区典型砂岩劣化效应研究

针对取自三峡库区范家坪滑坡砂岩,采用室内模拟高温季节环境条件,研究砂岩在“烘干-吸水”循环作用下的热湿效应,包括砂岩的质量劣化和抗剪强度参数的变化。结果表明①经历“烘干-吸水”热湿循环作用后,岩石质量劣化速率和吸水率是非线性波动变化的,其波动特征体现出了岩石内部裂隙的动态发育;②砂岩的抗剪强度参数黏聚力c和内摩擦角φ随着“烘干-吸水”热湿循环次数的增加而不断降低,在循环初期参数折减幅度较大,后期变缓并逐渐趋于稳定,这与岩石质量劣化规律具有相似性;③提出通过岩石直剪破坏裂纹延伸角度,定性判断岩石强度的方法。研究成果对昼夜温差大且气候潮湿的华中地区岩石劣化预测具有实际意义。     

干湿循环作用下受荷砂岩损伤劣化特性研究

为研究干湿循环作用下砂岩力学特性的劣化规律,对经历不同干湿循环次数下的弱胶结砂岩进行核磁共振(NMR)及单轴压缩试验,采用声发射技术(AE)实时监测砂岩受荷破坏过程,并采用砂岩孔隙度定义损伤变量,建立干湿循环受荷条件下岩石损伤劣化模型,探究岩体在干湿-受荷作用下的损伤劣化机制。结果表明:①砂岩在循环初期的驰豫时间T₂谱面积增幅最大,且随循环次数的增长不断减小;单轴压缩后的岩样,其T₂谱面积相较于破坏前增长幅度显著。②随循环次数的增加,砂岩试样的塑性变形不断增大,声发射累计振铃数呈降低趋势,降低幅度最大达76.21%。③单轴抗压强度和弹性模量均随干湿循环次数的增大呈指数衰减;引入劣化度表征岩石力学参数的劣化程度,发现岩石单轴抗压强度的劣化速率随孔隙度的增长不断减缓。     

冻融循环条件下岩石加卸荷力学特性研究

为了探究冻融损伤后岩石加卸荷力学特性,以砂岩为研究对象,对经历不同冻融循环次数的2种含水率砂岩进行加卸荷试验。研究结果表明:冻融作用后,砂岩受到损伤,在加卸荷作用下,裂纹的扩展方向改变,发育程度加剧,且在饱和组砂岩中表现明显;从裂纹的扩展方向和破裂面角度来看,加载状态下砂岩以剪切破坏为主,卸载状态下以张拉和剪切破坏为主;加载条件下,冻融作用对砂岩造成的损伤反映出砂岩的峰值强度损失和弹性模量损失逐渐增大,且饱和砂岩较天然砂岩略大;卸荷条件下,各循环次数砂岩卸荷变形模量与卸荷当量之间的变化规律基本一致,当卸荷当量约为80%时,变性模量下降显著,而卸荷当量保持一定时,卸荷变形模量随冻融循环次数增加而减小。另外设计的卸荷速率都较小,对变形模量影响不明显。试验结果可为寒区岩质边坡开挖工程提供借鉴。     

化学腐蚀和干湿循环作用下砂岩I型断裂韧度及其强度参数相关性的研究

以三峡库区典型的库岸边坡消落带节理砂岩体的实际赋存环境为背景,采用在砂岩中预制I型裂隙的方法来模拟节理岩体,根据工程实际设计饱水-风干循环试验方案,研究了浸泡在不同化学溶液中的I型裂纹砂岩在干湿循环作用下的力学特性及损伤劣化机理,分析了经不同化学溶液和干湿循环作用后试样的物理力学特性随干湿循环次数的劣化规律。研究结果表明：化学溶液和干湿循环作用后砂岩试样呈现出明显的弱化趋势;试验初期,强碱性溶液下砂岩试样的干湿劣化程度最小,但随着干湿循环次数的增加,强碱性溶液下砂岩试样的干湿劣化程度逐渐加剧,仍小于酸性溶液下的,但大于中性溶液下的。化学干湿循环作用后,砂岩试样各力学特征的损伤劣化程度存在明显的差异,其中断裂韧度K_IC的劣化程度较大,抗拉强度居中,而抗压强度最小。化学干湿循环作用后砂岩的断裂韧度与抗压强度、抗拉强度间存在明显的线性关系。砂岩各力学特征的劣化程度与其相应的化学溶液中溶出离子浓度的大小、试样物理参数的劣化程度之间具有某一对应关系,同时,得到砂岩试样物理力学参数与损伤变量和钙镁离子浓度之间统计上的关联关系。并且,可以利用不同化学溶液和干湿循环作用下砂岩试样的裂纹扩展半径来间接说明其力学特征发生损伤的劣化程度。     

化学腐蚀和干湿循环作用下砂岩Ⅰ型断裂韧度及其强度参数相关性的研究

以三峡库区典型的库岸边坡消落带节理砂岩体的实际赋存环境为背景,采用在砂岩中预制Ⅰ型裂隙的方法来模拟节理岩体,根据工程实际设计饱水-风干循环试验方案,研究了浸泡在不同化学溶液中的Ⅰ型裂纹砂岩在干湿循环作用下的力学特性及损伤劣化机理,分析了经不同化学溶液和干湿循环作用后试样的物理力学特性随干湿循环次数的劣化规律。研究结果表明:化学溶液和干湿循环作用后砂岩试样呈现出明显的弱化趋势;试验初期,强碱性溶液下砂岩试样的干湿劣化程度最小,但随着干湿循环次数的增加,强碱性溶液下砂岩试样的干湿劣化程度逐渐加剧,仍小于酸性溶液下的,但大于中性溶液下的。化学干湿循环作用后,砂岩试样各力学特征的损伤劣化程度存在明显的差异,其中断裂韧度KIC的劣化程度较大,抗拉强度居中,而抗压强度最小。化学干湿循环作用后砂岩的断裂韧度与抗压强度、抗拉强度间存在明显的线性关系。砂岩各力学特征的劣化程度与其相应的化学溶液中溶出离子浓度的大小、试样物理参数的劣化程度之间具有某一对应关系,同时,得到砂岩试样物理力学参数与损伤变量和钙镁离子浓度之间统计上的关联关系。并且,可以利用不同化学溶液和干湿循环作用下砂岩试样的裂纹扩展半径来间接说明其力学特征发生损伤的劣化程度。     

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。     

冻融循环作用下砂岩卸荷强度特性试验及损伤特性研究

建立在寒区的岩土工程,其岩石的损伤劣化不仅受冻融风化作用,而且还受到开挖卸荷的影响。采用冻融循环试验和三轴卸荷试验相结合的方法,对砂岩同时受2种破坏作用的强度特性和损伤特性进行系统的分析。分析结果表明:随围压的增加,冻融循环下岩石的破坏特性由张拉破坏逐渐转变为剪切破坏特征,随着冻融次数的增加,岩样明显产生侧向膨胀,侧边中部明显向外凸出,并出现了不同级别的张裂纹、环向裂纹及许多岩粉和岩石碎块;对于三轴卸荷试验,岩样的峰值强度随着冻融次数的增加而降低;扩容应力随冻融次数增加呈指数下降关系;破坏围压与冻融次数呈二次函数关系;冻融损伤值随冻融次数增加呈线性增长,表明岩样的损伤受冻融的影响逐渐增大。研究成果可为寒区岩土工程设计和施工提供指导。     

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。     

岩质隧道开挖稳定性脆弹塑性损伤分析

岩质隧道的施工过程是典型的卸载力学过程.由于岩体在加载和卸载条件下应力路径的不同,仅采用加载条件下所建立的力学模型来研究隧道的开挖稳定性问题是不适合的.笔者从隧道围岩的力学性能及破坏机理出发,引入损伤力学理论,建立三维非线性脆弹塑性损伤有限元模型,研究在加、卸载条件作用下隧道施工全过程的围岩稳定性,为实际工程提供理论指导作用.     

拉剪应力状态下裂隙岩体动态损伤演化

岩体开挖是一个不断卸荷、变形损伤、质量劣化的动态力学过程。卸荷状态下,拉剪复合断裂是岩体断裂中最危险的一种情况。现应用断裂力学和损伤力学,对裂隙卸荷损伤岩体的力学性质进行研究。总结拉剪应力状态下裂隙岩体损伤力学模型,分析得出：拉剪应力状态下裂隙裂化、损伤积累,损伤演化表现为＂动态损伤＂;而后以某水电站边坡的开挖卸荷为例,验证了岩体裂隙损伤贯通直至破坏的过程。     

不同应力路径下砂岩分段变速连续卸荷变形特性研究

为研究高陡边坡岩体开挖卸荷过程中的变形问题,结合实际高陡边坡岩体开挖应力变化特征,分别开展了室内三轴加载试验及卸围压卸轴压、卸围压恒轴压、卸围压增轴压3种应力路径下的分段变速卸荷试验.结果 表明,在每种应力路径下,岩样分段变速卸荷的变形模量都随初始围压的升高而增大,变形模量随卸荷当量的增加而减小.卸荷当量为0 ～ 60...     

循环荷载作用下岩石损伤试验研究

针对循环荷载作用下的岩石损伤特性,对岩石进行循环加卸载试验,基于加卸载响应比探究岩石损伤演化规律,得出如下结论:在分级循环加卸载过程中,试件在1级加卸载时损伤量很大,进入2级加卸载之后,损伤量相对较小,且增加缓慢,而围压越大损伤量均值增加也越缓慢,而其破坏也越加彻底。试件在1级加卸载过程中方差最大,其后的加卸载中方差曲线逐渐趋于水平。在试件破坏后期,方差会有回弹。在加卸载过程中试件会出现膨胀—收缩—膨胀的循环。     

基于开挖卸荷劣化的边坡岩体质量评价体系研究

采用3类常规评价体系对卸荷岩体质量进行分析评价,并求解原态和卸荷态岩体力学参数,分析常规评价体系在评价卸荷岩体质量中存在的不足。有针对性地提出了适用于卸荷岩体的质量评价体系USMR法。该法不仅考虑了岩块条件、结构面条件和间距、地下水等RMR法包含的岩体基本性质,还考虑了坡面倾角与结构面倾角、坡面倾向与结构面倾向的关系,另外对开挖方法、卸荷损伤、边坡形态等使岩体质量劣化的因子进行了分析评价。基于USMR法所得的cm值小于常规方法,符合实际情况。所得结论对高边坡开挖工程中岩体稳定分析有一定指导意义。      

韧性剪切带和蚀变岩体对坡体卸荷特征影响分析

岸坡异常卸荷是西南深切河谷地区进行大规模水电工程建设过程中常遇到的典型工程问题之一。根据野外详细地质调查,得出研究区坡体卸荷特征,再以是否考虑韧性剪切带和蚀变带为变量建立3个二维离散元模型,模拟河谷5次下切后坡体的变形情况,对比分析韧性剪切带和蚀变带对坡体卸荷特征的影响。研究结果表明:研究区卸荷异常主要与韧性剪切带和蚀变岩体的发育有关;韧性剪切带和蚀变带质软,其软弱基座效应和弱抗风化能力加剧了坡体变形程度,同时构成软硬相间的坡体结构,使得沿缓倾坡外结构面的差异剪切错动更为明显。相关成果可供从事高边坡坡体卸荷研究人员参考。