干湿循环泥质白云岩扩容特性及本构模型

为探究干湿循环作用下岩石性能劣化效应,以泥质白云岩为研究对象,针对其实际赋存环境开展干湿循环试验。研究了不同干湿循环作用下泥质白云岩的扩容特性及力学参数;并基于Mohr-Coulomb强度准则建立泥质白云岩统计损伤本构模型。结果表明:岩样的最大体积应变随围压的增大而增大;扩容应力与峰值应力之比随围压呈线性递增关系;扩容应力随围压的增大而线性增大,但其增长速率随干湿循环次数的增大而减小;随着干湿循环作用增强,峰值点的粘聚力降低,内摩擦角增大;扩容点的粘聚力与内摩擦角变化幅度均大于峰值点处,表现为扩容点受干湿循环的影响效应比峰值点处更为敏感;基于Mohr-Coulomb强度准则建立的统计损伤本构模型能描述泥质白云岩三轴压缩的应力–应变关系。     

自然与饱水状态下岩溶灰岩力学性质及能量机制试验研究

为研究饱水对岩溶灰岩力学性质和能量机制的影响,利用RMT–150B岩石力学试验系统分别对自然和饱水状态试样进行单轴压缩和常规三轴压缩试验。试验结果表明:饱水对岩溶灰岩的强度和变形特征影响显著,2种状态下试样峰值强度与围压的回归关系可用以主应力表达的Coulomb强度准则表征;岩溶灰岩试样的似软化系数及其降低速率均随围压增加而减小。从能量角度对2种状态试样损伤破坏过程中的能量特征进行试验研究,结果表明:饱水状态试样吸收的总应变能U,峰前储存的可释放应变能eU及二者随轴向应变的增加速率均小于自然状态的对应值;随含水量增加eU/U逐渐下降,峰后eU释放率随围压增加而逐步下降,整体上饱水试样的eU释放率较大;峰值应力处试样各应变能随围压线性递增,2种状态下耗散能差值随围压的变化是试样破坏形式差异的内在原因;岩溶灰岩试样全过程能量实时演化过程具有阶段性,2种状态下压密和弹性变形阶段耗散能差别细微,但进入屈服阶段后,饱水状态试样耗散能增加更快。     

自然与饱水状态下岩溶灰岩力学性质及能量机制试验研究

 为研究饱水对岩溶灰岩力学性质和能量机制的影响,利用RMT–150B岩石力学试验系统分别对自然和饱水状态试样进行单轴压缩和常规三轴压缩试验。试验结果表明：饱水对岩溶灰岩的强度和变形特征影响显著,2种状态下试样峰值强度与围压的回归关系可用以主应力表达的Coulomb强度准则表征;岩溶灰岩试样的似软化系数及其降低速率均随围压增加而减小。从能量角度对2种状态试样损伤破坏过程中的能量特征进行试验研究,结果表明：饱水状态试样吸收的总应变能U,峰前储存的可释放应变能 及二者随轴向应变的增加速率均小于自然状态的对应值;随含水量增加 逐渐下降,峰后 释放率随围压增加而逐步下降,整体上饱水试样的 释放率较大;峰值应力处试样各应变能随围压线性递增,2种状态下耗散能差值随围压的变化是试样破坏形式差异的内在原因;岩溶灰岩试样全过程能量实时演化过程具有阶段性,2种状态下压密和弹性变形阶段耗散能差别细微,但进入屈服阶段后,饱水状态试样耗散能增加更快。     

有压孔隙水环境中的混凝土动态抗压性能研究

利用动静力三轴仪进行不同孔隙水压与不同加载速率下的混凝土常三轴试验,对试验数据进行基本力学参数分析,在此基础上对选用的Weibull-Lognormal损伤本构模型的参数进行统计分析。研究结果表明:1混凝土的峰值应力随应变速率的增加而增大,峰值应力及其对应变速率的敏感性随围压增大而增大。在各应变速率下,大气自然环境状态下的峰值应力均大于饱和状态下的峰值应力,即自然干燥状态下的混凝土强度高于水饱和状态下的混凝土强度。在有水环境中,混凝土峰值应力随围压的增加而增加,增加幅度随应变速率的提高而提高,围压的存在提高了混凝土的速率敏感性;2峰值应变随应变速率的提高,水饱和状态下的峰值应变普遍小于大气自然环境下的峰值应变;随围压的增加,峰值应变呈增长趋势,同时峰值应变对围压的敏感性随围压的增加而降低;3在大气自然干燥状态与饱和有水压状态下,混凝土的吸能能力均随应变速率的增大而增大,饱和有水压环境中混凝土的吸能能力对率敏感性更强,且随围压增大呈增加趋势。在各应变速率下,大气自然环境状态下的吸能能力均大于饱和状态下的吸能能力。在各应变速率下,随围压的增加,混凝土吸能力的增加幅度减小并呈下降趋势;4混凝土损伤特性在峰前服从Weibull统计分布,峰后服从Lognormal统计分布。峰前控制参数m随围压的增加而减小,围压越大,m值随应变速率的变化范围越小;峰后控制参数t在有围压时随应变速率增加,无围压时随应变速率减小。当应变速率低时随围压增加而减小,而应变速率高时则随围压的增加而增加。     

单轴荷载下残积土的电阻率损伤模型及干湿循环效应

为了研究花岗岩残积土在干湿循环过程中的力学损伤演化规律,采用单轴压缩–电阻率联合测试系统对原状土开展试验,获取土体的电阻率–应力–应变曲线,并以此建立花岗岩残积土的力学损伤模型。结果表明:花岗岩残积土的电阻率–应变关系曲线可被划分为下降、稳定和上升3个阶段,分别对应土体变形过程中弹性、塑性和残余变形阶段;在0～5次干湿循环的过程中,土体的初始电阻率与峰值强度保持正相关的线性关系,表明干湿循环对残积土造成了明显的初始结构损伤;基于电阻率建立的力学损伤演化模型可准确描述原状土试样在单轴荷载作用下的力学行为;通过引入初始损伤因子使模型能有效地预测历经干湿循环后的土体应力–应变曲线。研究结果对拓展电阻率测试技术在岩土力学中的应用提供了参考。     

基于干湿循环的尾矿力学特性试验研究

采用三轴固结不排水试验,测试经历1～6次干湿循环后的尾矿试样的力学特性。通过对经过不同循环次数后试样的应力-应变关系、孔隙水压力和静强度的对比分析,探讨干湿循环作用对尾矿力学特性的影响规律。结果表明:经历不同次数干湿循环后尾矿的应力-应变曲线均呈明显的软化特征,随循环次数的增加,加载初期应力-应变线性增长程度在循环达3～4次后逐渐稳定,峰值应力所对应的应变量在3～4次循环时达到最大值;孔隙水压力峰值分别集中在经1、2、5次循环的试样,尾矿试样的剪缩趋势在此阶段明显加剧;尾矿的静强度在循环达到3次后逐渐稳定且有略微下降的趋势。干湿循环过程中水的反复作用导致了试样内部颗粒间结构状态的变化,致使尾矿在经历不同时期的干湿循环作用时,表现出力学特征的差异。     

干湿循环作用下砂岩蠕变损伤及本构模型

为了探究干湿循环次数对砂岩蠕变力学及损伤特性的影响,对砂岩进行了干湿循环0,5,10,15,20次下的常规单轴加载和蠕变试验,结果表明:经干湿循环过后,砂岩的强度、弹性模量等各项力学指标均较天然状态下有不同程度的降低;在低干湿循环次数下,砂岩的蠕变破坏应力值达到了短期峰值应力的80%,而在高循环次数下,蠕变破坏应力仅为短期峰值应力的60%;干湿循环次数越多,砂岩蠕变软化特征越明显,且砂岩的初始损伤越大,在同等时间内,蠕变损伤发展越迅速,蠕变破坏时间越短;长期强度与短期强度的比值随干湿循环次数的增加而递减;基于试验结果,建立了考虑干湿循环作用初始损伤以及蠕变时效损伤的分数阶非线性本构模型,该模型可以很好地模拟和预测不同干湿循环作用后岩石的蠕变损伤及变形发展情况。     

干湿交替对地基岩体变形影响及模量损伤

为明确开挖地基岩体所处环境湿度干湿交替作用对其力学特性损伤劣化作用,设置4种工况8组方案共24试样,探究了泥质粉砂岩在此因素下的变形规律及模量损伤程度。结果表明,与开挖初始状态相比,当环境湿度干湿循环变化时,泥质粉砂岩受荷变形显著增大,且其塑性变形比例增大,变形模量及永久变形模量显著降低。泥质粉砂岩岩体模量受干湿循环作用损伤劣化的程度,取决于不同应力状态塑性变形增量大小,其塑性变形增量与干湿循环次数符合对数变化规律。将岩体塑性变形增量作为干湿循环作用下岩体力学性质损伤变量,当采用刚性承压板法测定岩体模量时,建议将损伤变量、变形模量与永久变形模量相结合来评价环境湿度干湿作用对红层地基岩体模量损伤规律。     

高围压卸荷条件下大理岩破碎块度分形特征及其与能量相关性研究

 高应力条件下,岩石卸荷的力学响应特征及发生机制是高地应力地区岩体工程开挖稳定性评价及控制的关键问题。基于不同卸荷速率和初始围压条件下三轴高应力大理岩卸围压试验,结合分形理论和能量原理,研究高应力卸荷条件下岩石破裂块度分布规律及其与能量耗散和释放的相关性。高应力条件下三轴卸围压大理岩试样碎块分形性质具有较强的局部性,仅在小于某一特征尺度(分形特征尺寸阈值)范围内表现出较好的分形性质,其碎块分维数均大于2,分维数随卸荷速率增大而单调减小,但初始围压对分维数的影响与卸荷速率密切相关。相对常规三轴压缩岩样,高围压下卸荷岩样虽然峰值点附近耗散和储存应变相对少得多,但其峰值前、后应变能转化速率相对大得多,特别是峰后的弹性应变能释放速率和环向膨胀消耗应变能速率。高应力卸荷条件下卸荷速率越快、初始围压越高,峰前损伤和峰后破裂贯通历时越短,峰值点处耗散应变能和储存弹性应变能越大,峰前、峰后应变能转化速率越快,破碎岩样的分形特征尺寸阈值越大,分维数越小,张性破裂程度和性质越强。     

干湿循环对云南饱和重塑红土固结不排水剪切特性的影响

以云南红土为研究对象,以反复的低温脱湿、浸泡增湿为干湿循环控制条件,考虑干湿循环次数、干密度和围压等影响因素,利用TSZ-2型全自动三轴仪,开展干湿循环作用下饱和重塑红土的固结不排水剪切试验,研究不同影响因素对干湿循环饱和重塑红土三轴剪切特性的影响。试验结果表明:固结不排水条件下,饱和重塑红土的应力-应变关系表现出应变软化的特征,孔压曲线呈S形变化。随着干湿循环次数的增多,饱和重塑红土的峰值应力、峰值应变、峰值孔压均出现减小,固结排水量、残余应力变化量、残余应变变化量均出现增大;随着干密度的增大,峰值应力、残余应力增大,饱和重塑红土的固结排水量、峰值应变、残余应变、峰值孔压减小;随围压的增大,饱和重塑红土的固结排水量、峰值应力、峰值应变、残余应力、残余应变、峰值孔压均出现增大。饱和重塑红土的总应力强度指标和有效应力强度指标随干湿循环次数的增多呈波动减小的变化趋势。反复的干湿循环对饱和重塑红土的微结构产生了损伤,影响了固结过程中的排水情况和试样的密实状态,相应地改变了剪切过程中的受力特性。     

高应力强卸荷条件下大理岩损伤破裂的应变能转化过程机制研究

基于高应力条件下大理岩峰前卸围压试验和能量原理,研究岩样吸收应变能、塑性变形及裂纹扩展耗散应变能、环向变形消耗应变能和弹性应变能储存及释放的能量转化全过程特征,揭示其损伤破裂演化的应变能转化机制。峰前储存的弹性应变能较耗散应变能多,耗散应变能仅在临近峰值强度点附近才明显增加。峰后应力快速跌落伴随着弹性应变能的迅速释放和快速的塑性变形及裂隙扩展所耗散应变能。峰前、峰后应变能转化速率均随卸荷速率的增大而明显增大,特别是峰后转化速率增大得更为剧烈。而初始围压对应变能转化速率的影响与卸荷速率密切相关,快速卸荷时应变能转化速率随初始围压的升高而明显增大,而较慢速卸荷时随围压变化相对不明显,但初始围压增大明显加强峰前弹性应变能储存。峰后弹性应变能释放速率远大于环向变形消耗应变能速率,而吸收的应变能约与耗散应变能基本相等,故高应力强卸荷条件下硬性岩石常表现为近垂直于卸荷方向的张性破裂或劈裂特征,甚至出现岩爆现象。高应力强卸荷条件下大理岩具有峰前快速储存较多弹性应变能和相对较少的损伤耗能,而峰后弹性应变能快速大量释放和耗散,并伴有相对较快速地向卸荷方向的张裂变形消耗应变能的释放与耗散机制。     

岩体变形破坏过程的能量机制

 叙述岩体单元变形破坏过程中能量耗散与强度、能量释放与整体破坏等概念。在循环压缩载荷下,实测岩石的能量耗散及损伤,数据拟合表明,基于能量耗散分析建立的岩石损伤演化方程可以较好地描述岩石的损伤演化过程。在循环压缩载荷下同时实测不同加载速度及不同载荷水平下岩体内可释放应变能、耗散能、卸荷弹性模量及卸荷泊松比的变化规律,给出复杂应力条件下卸荷弹性模量的变化公式。基于可释放应变能建立岩体单元的整体破坏准则,该准则与大理岩的双压试验结果符合得比较好。对工程中常见的层状岩体,提出基于畸变能与广义体积膨胀势能而建立的层状岩体破坏准则,该准则与层状岩的双压试验也符合得比较好。     

三轴卸荷条件下大理岩扩容与能量特征分析

扩容现象是岩石变形破坏过程中的重要特征。基于MTS815 Flex Test GT岩石力学试验平台,采用室内三轴卸荷试验和塑性力学理论分析,揭示了大理岩在卸荷条件下的扩容特征及能量变化特征。结果表明,随着围压的增大,岩样的各特征应力随之增大,其扩容特征随之减弱;岩样的扩容参数——扩容指标以及剪胀角均具有围压效应,即扩容指标与围压呈良好的指数型分布,剪胀角与应力比呈线性分布;岩样的卸荷破坏过程中能量特征为初始时以可释放应变能为主到破坏时的耗散能为主,其间的转折点为初始损伤扩容点,同时卸荷条件下的特征能量值与围压具有良好的指数类型关系;在峰值点与残余点处,岩样的能量损伤值与剪胀角以及能量特征值与扩容指标均存在着较好的指数类型关系。     

岩石应变软化及渗透率演化模型和试验验证

为预测承载岩石的应变软化和渗透率演化,基于Gebdykes白云岩的三轴试验结果,分析了围压对岩石弹性模量、破坏应变、峰值强度、强度退化过程、残余强度和剪胀扩容的影响规律。将岩石变形全过程简化为3阶段,使用强度退化指数、脆性模量系数和扩容指数改进FLAC中的SS模型,建立了考虑围压影响的岩石应变软化模型。基于淮南潘一矿煤、凝灰岩、巴里坤砂岩、山西安家岭泥岩的渗透率与体积应变实验数据,建立了基于体积应变增透率的岩石渗透率演化模型,与改进SS模型结合,建立了考虑围压影响的岩石应变软化和渗透率演化模型。利用本文模型分别模拟了安家岭泥岩和Gebdykes白云岩的三轴压缩、渗透率演化和体积扩容过程,结果表明:1体积应变渗透率演化模型能较好地描述体积应变与渗透率的关系;2本文模型能较好地模拟围压对岩石残余强度、峰后强度退化过程和剪胀扩容的影响,能较准确预测承载岩石的渗透率演化。     

受载岩石能量演化的围压效应研究

 能量演化贯穿于岩石变形破坏的全过程,为了探究围压对受载岩石能量演化特征的影响规律,对红砂岩试样进行6种固定围压下的轴向加、卸载试验,揭示岩石弹性能和耗散能演化及分配规律的围压效应,并探讨工程采动岩体的能量演化路径。研究结果如下：(1) 提出岩石储能极限、最大耗散能密度、残余弹性能密度3种特征能量参数,可分别表征岩石的能量积聚、耗散和释放行为特征;(2) 峰前主要表现为能量积聚,峰后主要表现为能量耗散和释放,但随着围压的增高,岩石储能极限大致呈幂指数增长,残余弹性能密度呈线性增加,最大耗散能密度呈幂指数增加,表明围压增大了能量输入的强度,减弱了能量释放的烈度;(3) 围压越大,弹性能比例在峰前阶段越大,在峰值破坏时下降幅度越小,在峰后阶段二次上升所达到数值越接近于峰前值,表明围压提高了能量积聚的效率,提升了岩石破裂重组后的储能能力;(4) 工程采动岩体失稳破坏的能量路径是增加储能水平和降低储能极限2条途径的组合,能量路径斜率越大,越容易因为围压的突然卸载而发生强能量释放行为。     

不同含水率泥质粉砂岩破裂声发射特性试验研究

以干燥、自然和饱和含水3种典型状态的泥质粉砂岩为研究对象,进行单轴压缩破坏全程声发射检测试验,研究了3种状态下岩石破裂的力学和声发射特性的不同。研究结果表明:含水使得泥质粉砂岩软化,且峰值应力和弹性模量均随含水率的增加而减小,变形特征由脆性逐渐向延性转化;声发射累计事件数、声发射事件率峰值、声发射累计绝对能量、声发射绝对能率峰值等声发射参数均随含水率的增加而减少,即含水使得泥质粉砂岩损伤破裂程度减小,破裂全程能量释放水平降低;根据试验所得声发射累计事件数和累计绝对能量随时间变化曲线,得出含水率使得泥质粉砂岩由“突发型”的脆性破坏向“平稳型”的延性破坏过渡。     

基于中主应力的岩石统计损伤软化模型参数研究

岩石本构关系问题一直是岩石力学研究的重点问题,基于损伤力学理论,假设岩石的损伤变量分别服从幂函数分布与正态分布,建立考虑中主应力影响的模型,总结参数规律。通过两种分布函数所建立的岩石统计损伤软化本构模型与试验结果对比,以及分析损伤变量D的数值变化探讨模型适用性,研究表明:建立的模型曲线均能够较为理想地与实验曲线吻合,与岩石材料的力学性质基本吻合。而正态分布函数模型较幂函数分布模型的损伤变量D演化趋势更为合理。     

大理岩三轴压缩破坏的能量特征分析

岩石材料的变形和破坏与能量的变化密切相关。利用刚性伺服系统对大理岩岩样进行了系列三轴压缩试验,基于试验结果,对大理岩在加载过程中各阶段能量变化的具体数值进行了计算和整理,研究了能量变化在加载破坏各阶段分别与围压、应力、应变的内在联系。结果表明,初始围压的增大能够相当程度上提高岩样的破坏应变能。在既定围压下,岩样在弹性变形阶段的能量变化与偏应力和应变均成正线性关系。随着初始围压的增大,岩样所吸收的能量随偏应力变化的增长速率降低,随应变变化的增长速率加快。在三轴压缩过程中,岩样在弹性变形阶段所吸收的能量占总能量的比重较小,绝大部分能量耗散于岩样的屈服变形阶段;并且随着初始围压的增大,屈服变形阶段所吸收的能量占总能量的比重提高。