深部砂岩加卸载过程的能量演化分析

为了研究砂岩不同应力路径下的力学特征和能量演化规律,开展砂岩的三轴加载试验与同时卸轴压和围压的三轴卸荷试验.分析了在受荷破坏过程中围压以及应力路径对砂岩的力学特性以及能量演化规律的影响.结果表明:不同的应力路径下,围压增大可以提高试件的力学特性;不同应力路径下,围压的增高会提高峰值强度对应的总能量、弹性能以及耗散能;不...     

不同围压下茅口灰岩渐进性破坏的试验研究

利用MTS815电液伺服控制刚性试验机进行不同围压下茅口灰岩三轴压缩试验,通过计算绘得相应裂隙体积应变图,分析得出裂纹起始应力、裂纹破坏应力。结果表明:随着围压的增大,应力门槛值均呈非线性增长态势,当围压超过17 MPa时,裂纹起始应力、裂纹破坏应力分别增加48.5%和20.1%,茅口灰岩延性开始增强;裂纹破坏应力为峰值强度的64%~75%,三轴压缩下茅口灰岩裂隙不稳定发展阶段较长;环向应变值随围压增大而增大,当轴力超过裂纹破坏应力进入裂隙不稳定发展阶段,环向应变增大2.7~3.2倍,用环向-轴向应力应变曲线图能较好的反映岩石应力门槛值。     

高渗透压脆性岩石循环蠕变宏细观力学机理研究

高渗透压、围压及轴向循环静态加卸载共同作用下,脆性岩石循环蠕变力学特性对深部地下工程围岩稳定性评价有着重要意义;且岩石内部细观裂纹反向滑动及已扩展裂纹闭合恢复机理研究极为欠缺。本文基于轴向加载、围压与渗透压共同作用下岩石内部初始裂纹面正向滑动诱发的翼型裂纹扩展模型,引入轴向卸载、围压与渗透压共同作用下的初始裂纹面反向与静止滑动力学特性,解释了已扩展翼型裂纹的恢复机理,建立了一种考虑轴向加卸载、围压与渗透压共同作用下,初始裂纹面正向、反向或静止滑动的应力强度因子表达式。在此基础上,结合亚临界裂纹演化法则、裂纹与应变关系及Hooke-Kelvin模型,提出一种岩石内部高渗透压、外部围压与轴向循环加卸载,共同驱动翼型裂纹扩展、恢复作用下的循环蠕变宏细观力学模型,该模型描述了岩石完整的弹性、黏弹性、塑性变形行为。研究了高渗透压对初始裂纹面正向滑动与翼型裂纹扩展诱发的脆性岩石弹-黏-塑性应力-应变曲线影响,为弹-黏-塑性循环蠕变的应力、弹性模量参数选取提供依据。分析了高渗透压对初始裂纹面正向、反向、静止滑动与翼型裂纹扩展、恢复诱发的循环蠕变中黏弹性应变ε1ve、纯塑性应变ε1p及总应变ε1的影响。讨论了渗透压对弹性回弹应变、与已扩展裂纹恢复相关的塑性回弹应变、循环蠕变失效时间和失效应力的影响,并研究了围压对弹-黏-塑性循环蠕变应变的影响。研究结果为高渗透压地下工程围岩循环蠕变寿命评价与预测提供了一定帮助。     

裂隙岩体断裂破坏扩展数值模拟研究

为进一步了解复杂裂隙断裂破坏过程,基于断裂力学理论,采用PFC2D软件对不同裂隙数量岩体进行数值试验,分析裂隙倾角、围压等因素对岩体强度及裂纹扩展的影响规律。研究表明：随着裂隙倾角增大,单裂隙峰值应力和起裂应力先减小后增大,当围压由2 MPa增加到8 MPa时,峰值应力约从120 MPa增大到160 MPa,且起裂应力随着围压增大而增大,与理论分析结果一致;双裂隙倾角为30°和45°裂隙扩展以翼型裂纹和次生斜裂纹为主,裂隙倾角为60°和90°时主要为共面次生裂纹;不同围压下,随着预制裂隙数量增多,裂隙岩体试样峰值应力逐渐减小。研究成果为进一步探索裂隙岩体失稳破坏规律提供参考。     

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。     

长江口饱和软黏土多静力因子耦合响应规律

以长江口长兴岛周边水域原状海相饱和软黏土为研究对象,通过GDS静三轴试验,探讨预压静荷载、加荷速率、排水条件等静力因子作用下软黏土固结不排水强度和孔压特性响应规律,以及预压堆载与加荷速率联合作用下软黏土固结不排水强度及孔压耦合响应模式。研究结果表明:随着堆载预压荷载的增大,软黏土总强度增大,但抗剪强度降低,同时孔隙水压力随之降低,应力-应变关系曲线向应变软化趋势发展;随着加荷速率的加快,孔压峰值减小,软黏土的强度有所提高,应力-应变关系曲线向应变硬化趋势发展;采用竖向排水板可提高固结排水速率,缩短软黏土固结时间,提高抗剪强度;采用归一化处理得到静偏应力比s_1与加载速率■,分别建立了静力因子耦合作用下关于s_1及■的强度峰值和孔压峰值表达式。     

水压环境下砂岩蠕变特性试验研究

水利工程中的坝基和库岸岩体长期在高应力和高水压的共同作用下会产生蠕变现象,对工程稳定性产生很大影响。针对水利工程中岩石在流固耦合作用下的蠕变问题,选取某水电站引水隧道线路上震旦系砂岩为研究对象,利用MTS试验机和扫描电镜（SEM）分别对干燥和饱和状态下砂岩的常规物理力学参数和微观结构进行测试,分析砂岩在不同状态下的主要物理参数和微观结构变化;在此基础上,利用专用的微机控制轴压水压联合作用岩石流变试验系统,通过对砂岩试样施加不同的水围压,对其蠕变过程进行试验研究,分析水压对蠕变变形量、蠕变速率和长期强度的影响。结果表明：砂岩内部存在大量的微孔隙,砂岩在饱水状态下,呈现出软化特性,饱水砂岩的抗压强度与弹性模量均小于干燥砂岩;砂岩在稳定蠕变阶段的变形量随水压的增大而增加,水压的增加降低了砂岩的强度和抵抗变形的能力,导致岩石初期和稳定蠕变阶段蠕变量的增大;水压越高岩石蠕变的初始应变率越大,衰减至稳定蠕变阶段所需时间越长;水压能通过岩石表面的孔隙渗入到岩石内部,在裂纹发展的过程中,孔隙水压力总能及时到达裂纹尖端,形成“锲入”作用,促使裂隙的扩展和贯通,加速岩石破坏变形,从而降低了岩石的承载能力和长期强度。     

环向有效约束条件下破裂岩体承载变形特性分析

在实验室里进行了环向有效约束条件下的破裂岩体承载变形试验,分析了破裂岩体承载过程中的变形特性.结果表明,随环向约束力和轴向应力状态的提高,破裂岩体的体积应变由初始破裂后的膨胀转化为压密,岩石的再破坏导致轴向应力出现较大幅度的起落;当环向约束力趋于稳定后,轴向应变和环向应变均显著增长,破裂岩体的体积应变又由压密状态逐步又转化至体积膨胀,而轴向应力逐步维持在一个稳定的应力状态;破裂岩体的再破坏不会导致最终极限承载能力的降低和变形量的显著增加.     

水力耦合作用下裂纹扩展演化机理的试验和颗粒流分析

在地应力不断变化的过程中,裂隙水压力的作用机理会变得十分复杂,为阐述裂隙水压力对裂纹扩展规律的影响,基于离散元理论和室内试验,研究了含单裂隙的水泥砂浆试件在单轴压缩和内水压共同作用下的裂纹演化机理。结合岩石颗粒低渗透性的特点,修正了流体与颗粒之间相互作用的计算法则,并改进了流体域参数的计算方法,提出了一种更加适用于脆性岩石的流固耦合模型。研究结果表明：当裂隙倾角为450,内水压为1MPa时,翼裂纹在初始萌生阶段时会沿着最大应力降方向扩展,其扩展方向基本与裂隙平面垂直,并在扩展的过程中使裂纹尖端附近的拉应力消散。试样轴向应力达到峰值后,次生裂纹大量萌生,微裂纹数目随轴向应变增加呈指数关系增长,同时预制裂隙尖端的压应力场得到释放。与传统水压致裂机理不同,水压力并不会沿着萌生的新裂纹一直扩散,在恒定内水压作用下,由于裂隙尖端一直存在部分压应力场,水压力只会沿着翼裂纹扩散,并没有扩散到已经贯通的次生裂纹中。在轴向应力不断变化的情况下,颗粒之间的孔径处于动态变化之中,反过来对水压力的变化规律产生影响,从而形成了3种不同类型的水压变化规律,类型Ⅰ：水压力随轴向应变增加至峰值后迅速下降,但下降幅度不大,之后水压会随轴向应变增加而上升;类型Ⅱ：水压力随轴向应变增加一直增加;类型Ⅲ：水压力随轴向应变增加至峰值后迅速跌落至0MPa,水压力最终消散。     

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.     

应变速率对天津海积软土力学性能的影响

采用WF应力路径三轴仪,对天津滨海海积软土进行了不同围压、不同应变速率的三轴固结不排水剪切试验（CU）,分析了不同应变速率对海积软土试样的应力一应变关系、有效应力及试样破坏形态的影响．结果表明：CU试验应力一应变关系呈硬化特征,剪应力峰值随着应变速率的增大而增大,而孔压变化值则随着应变速率的增大而逐渐减小;不同应变速率的有效应力路径在相同固结压力下基本一致,因而正常固结黏土的有效应力路径具有唯一性;同时,应变速率对总应力强度有所影响,总应力的内摩擦角随着应变速率的增大而增大．     

尺寸效应和各向异性影响下岩体力学特性

目的 研究试样的尺寸效应和由于节理存在引起的各向异性对岩体的力学特性的影响.方法 基于应变软化模型和遍布节理模型,通过多组岩体试样的单轴压缩试验和三轴试验数值模拟,对试样峰值强度和应力应变关系进行对比分析.结果 岩体轴向峰值强度随岩体尺寸增大而减小,峰后残余强度却相应增大;节理倾角与45°+ Φ/2(Φ为节理内摩擦角)越接近,岩体水平加载与竖直加载峰值强度相差越小.一组节理时,岩体节理面与加载面夹角在45°～75°,峰值强度最小,围压增加,岩体峰值强度增加,但增长速率逐渐变缓.结论 岩体单轴压缩峰值强度、峰后残余强度和塑性区形态受岩体尺寸效应影响较大;在节理岩体中,岩体抗压性能受节理倾角及围压影响较大.     

真实水压力下砂岩强度及破坏形式的试验研究

岩石在高水压条件下的强度和变形破坏方式对深埋、高水压下隧洞及地下开采极为重要。采用MTS和“YSL-200”对砂岩进行了常规单轴试验和不同压力水环境中的压缩试验,分析了真实水压力对饱和砂岩的抗压强度和破坏形式的影响,并探讨了孔隙水压力与水围压力对岩石强度的作用。试验结果表明：饱和砂岩在真实水压力环境中呈现“X型”剪切破坏,水压力在岩石进入裂纹扩展区时加速岩石破坏的作用效果明显;压力水可以通过扩展的裂纹渗入到岩石内部,增大岩石的含水率,影响岩石内部的孔隙水压力;当水压力较低时,水围压作用大于孔隙水压力作用,水压力对岩石的强度为增强效应,当水压力较高时,孔隙水压力作用与水围压作用抵消,岩石强度与饱和单轴抗压强度相近     

水压轴压联合作用下煤岩的统计损伤本构模型研究

从煤岩内部节理、裂隙和物质分界面等缺陷的随机性分布特征出发,基于反映煤岩内部缺陷的微元强度服从weibull分布的概念,建立了水压和轴压联合作用下煤岩的损伤本构模型.以东庞北井9#煤静态压缩试验为基础确定了模型里面的相关参数,并得出了与峰值应力对应的累积损伤度(即临界损伤度).研究结果表明:(1)模型参数少且易于确定;(2)模型能反映围压效应,即可以体现煤岩体强度随水压变化的规律;(3)模型参数确定方法揭示了模型参数的物理意义;(4)可以通过不同围压下煤岩体应力-应变全曲线特征及在不同围压下峰值应力与应变之间的关系来确定模型参数;(5)在弹性矩阵中引入孔隙水压力影响因子来考虑孔隙水压力对煤岩损伤本构模型的影响,这种方法被证明是可行的.     

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.     

含水率对膨润土改性黄土的动力特性研究

结合宁夏同心地区黄土的特点,以含水率为因素,设计单因素试验,应用美国GCTS公司动三轴测试系统控制膨润土掺量、压实度、围压、动剪应力比、频率和循环次数等条件的方法,研究了改性黄土的孔隙压力、轴向应变、应力-应变和滞回阻尼等动力特性。结果表明:孔隙压力随着循环次数的增加而逐渐增大,随着含水率的增大孔隙压力增加速率增大,并且单个周期内孔压的峰值与最小值差值减小;轴向应变随着循环次数的增加逐渐增大,随着含水率的增大而增大,单个循环周期内应变峰值与最小值差值减小;应力-应变曲线(滞回圈)随着循环次数的增加前期逐渐向右移动后期趋于稳定,随着含水率增大其向右移动的幅度增大,且倾斜程度减小;滞回阻尼随着循环次数的增加先迅速减小后缓慢减小,随着含水率增大其衰减的趋势更平缓。综合来看,膨润土改性黄土的含水率为12%时,其动力特性变化最为明显。     

三轴压缩条件下胶结充填体能量耗散特征分析

开展不同灰砂配比、质量分数的充填体三轴压缩试验,研究了不同围压加载阶段充填体的能量耗散与围压、应变以及应力的内在关系.结果表明,在低围压时,充填体的极限抗压强度低;随着围压的增加,充填体的峰值强度随之增大,峰前能耗占总能耗的比重越来越大,说明充填体屈服阶段吸收的能量占总能量的比重提高,围压的增大能够提高充填体的破坏能耗量;充填体的峰前能耗量、峰后能耗量、单位体积变形能以及总能耗与围压呈二次函数曲线关系.当围压一定时,充填体在弹性变形阶段的能量变化与轴向应力、偏应力均呈线性关系,与轴向应变呈指数函数曲线关系;随着轴向载荷增加,能量随轴向应力、偏应力变化的增长速率加大.     

有压水环境下循环荷载历史对饱和混凝土动态力学特性的影响

为研究有压水环境中循环荷载历史对混凝土动态力学性能的影响,对历经不同荷载循环次数（0、25、50、100次）的水饱和混凝土试件（在2 MPa围压水环境中）进行了不同应变速率（10^-5、10^-4、10^-3、10^-2/s）下的常规三轴静动态压缩试验,分析了混凝土材料的峰值应力、峰值应变、弹性模量、吸能能力等基本力学参数的变化规律和机理。结果表明：同一加载速率下,水饱和混凝土的峰值应力、弹性模量和吸能能力均随循环次数的增长呈现出先增大后减小的规律,并且峰值应力和吸能能力增减的转折点随着应变速率的提高而向荷载循环次数增大的方向平移,峰值应变整体上呈减小的趋势;相同荷载循环次数后,峰值应力、峰值应变和吸能能力随着加载速率的增大而逐渐增大,并且荷载循环次数越大,率效应越显著,弹性模量随着加载速率的增大而逐渐较小。     

准静态循环加卸载下钢纤维混凝土力学特性分析

为探究饱水处理、围压改变对准静态荷载作用下钢纤维混凝土材料强度以及能量演化特征的影响规律，采用MTS816岩石力学试验系统开展同应变率、同围压、饱水和未饱水；同应变率、不同围压、未饱水等条件三轴循环加卸载等相关试验。由试验结果可知：钢纤维混凝土材料经过饱水处理，峰值应力对应的峰值应变稍大，且表现出明显的体积压缩现象，但材料强度降低；在三轴循环加卸载作用下材料应力-应变曲线出现滞回环效应；滞回环最大面积通常出现在材料的峰值应力附近，随着围压增加，面积最大的滞回环对应的应力点随之推迟出现；随着围压提高，材料峰值应力后的应力-应变曲线变得平缓，表现出更明显的塑性变形特征，且材料的峰值应力提高明显。     

深埋大理岩三轴压缩渐近破坏裂纹扩展特征研究

为深入研究深埋大理岩渐进变形破坏过程中裂纹扩展特征,基于常规三轴室内试验完成数值模拟参数标定,利用PFC_3D^{颗粒流模型对深埋大理岩开展}25MPa、50MPa、80MPa三种不同围压下的裂纹扩展数值模拟试验,根据大理岩加载过程中微裂纹演化状态参数,定义三种特征应力,并据此展开深埋大理岩渐进破坏过中的宏、细观破坏特征及其对应裂纹扩展特征的规律研究。结果表明：(1)。室内试验与数值模拟的应力应变曲线相吻合,峰值应力相差较小,破坏形式与室内试验一致,故数值模拟参数标定合理。低围压下应力应变曲线出现的应力降最为明显,高围压下出现的应力降最小。(2)依据总裂纹、张拉裂纹和剪切裂纹扩展数量演化曲线斜率变化规律,将深埋大理岩渐进破坏过程划分为弹性压缩阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹加速扩展阶段和峰后残余阶段四个阶段,根据裂纹数量定义三个特征应力点。(3)随着围压的增加,深埋大理岩达到起裂应力σ_ci时裂纹从两端开始萌发,加载至损伤应力σ_cd点时向中间扩展,达到峰值应力σ_c点时在宏观破坏面附近扩展、增生,加载至峰值点后70%峰值应力点时最终形成以剪切破坏为主的贯通宏观破坏面。(4)随着围压的增加,裂纹出现的范围更广,贯通性减弱,峰值应力σ_c点处产生的裂纹对宏观破坏产生的影响更为剧烈,峰后残余阶段张拉裂纹发育更明显。