单轴压缩条件下岩盐应力-溶解耦合效应的细观力学试验分析

通过大量的单轴压缩条件下岩盐应力-溶解耦合效应的细观力学试验,发现在应力作用下岩盐的溶解特性会发生显著的变化.采用溶解质量(即宏观溶解速率)与轴向塑性应变和溶解时间之间的关系来定量描述应力作用下岩盐溶解速率的变化,在试验结果的基础上得到溶解质量与轴向塑性应变和溶解时间之间的变化规律;通过不同阶段的裂纹溶解之后形态上的变化,对不同轴向塑性应变下岩盐宏观溶解速率发生变化的机制进行分析.发现在溶蚀作用下,岩盐的力学性质会发生变化.通过对溶解阶段应力随着溶解时间的变化关系的研究,得出溶蚀作用下岩盐力学性质发生变化的机制在于岩盐发生溶解从而使得岩盐裂纹的临界应力强度因子降低.研究成果为进一步研究岩盐的应力-溶解耦合机制奠定了试验依据以及理论基础.     

溶蚀作用下岩盐塑性力学模型研究

基于溶蚀作用下岩盐力学性质发生改变机制分析,建立溶蚀作用下岩盐塑性力学模型。研究结果表明,溶蚀作用下岩盐力学性质发生改变机制在于溶蚀作用使得岩盐宏观力学参数发生了变化,但岩盐力学破坏机制并没有本质上的改变;采用应变硬化–软化模型来描述无溶蚀作用下岩盐塑性力学行为,并结合常规三轴压缩试验结果,得出无溶蚀作用下黏聚力和内摩擦角与等效塑性应变之间的关系式;基于溶蚀作用下岩盐力学性质发生改变机制以及无溶蚀作用下岩盐塑性力学模型,在考虑黏聚力随溶蚀作用发生变化的前提下,建立岩盐塑性力学模型;结合单轴压缩条件下岩盐应力–溶解耦合效应的细观力学试验结果,采用FLAC–遗传算法联合求解方法对溶解阶段黏聚力随溶解时间的变化规律进行计算,确定溶解后再加载阶段黏聚力计算公式,并归纳出溶蚀作用下岩盐塑性力学模型中黏聚力的变化规律。     

应力对岩盐溶蚀机制的影响分析

 结合地球化学、地质热力学、矿物岩石学、岩石弹塑性力学方面的知识,在理论上全面地分析应力对岩盐溶蚀机制的影响。研究结果表明,有无应力条件下岩盐的溶蚀机制在根本上是不同的,应力可在多个环节、多种方式面对岩盐的溶解产生影响,应力引起的应变能可以改变岩盐固体的物质活度、改变岩盐固体表面的生成物的浓度,直接对岩盐的溶蚀产生影响;应力还会通过改变岩盐外部溶液流态和水流速度 、固体表面边界层厚度h和有效水岩相互作用面积来间接地产生影响。应力作用下的岩盐溶解是一个“应力–溶解”耦合相互促进的正反馈循环;应力对溶解产生影响的内在关联在于应力引起的应变能会增大溶解反应的化学势能差,加速溶解反应,从而对岩盐的溶蚀产生影响。     

煤岩组合体峰前轴向裂纹演化与非线性模型

随着中国煤炭开采深度逐渐加深,煤岩组合体的力学特性与应力–应变关系显得越来越重要。煤岩组合体的原生裂纹和煤岩体之间的界面对其力学性质有较大影响。为了探知裂纹和界面的影响,主要研究了轴向裂纹应变随应力、应变的演化特征,并基于工程应变和自然(真实)应变的概念,建立轴向裂纹闭合模型(axial crack closure model,简称ACCM)及轴向裂纹扩展模型(axial crack propagation model,简称ACPM),最后建立了峰前应力–应变关系模型。分析发现,轴向裂纹应变与轴向应变关系可分为4个阶段,即初始阶段、稳定阶段、缓慢增长阶段和快速增长阶段,轴向裂纹应变与轴向应力关系与之类似。轴向裂纹闭合模型、轴向裂纹扩展模型与峰前应力–应变模型均能够较好地与试验数据吻合,能够描述应力–应变关系的非线性特点。     

可视化三轴渗流–应力耦合伺服控制试验系统的研制与应用

在原有的可视化三轴压缩伺服控制试验系统中增加顶部和底部的渗流通道,以实现渗流–应力耦合条件下岩石的可视化三轴压缩试验。为验证该试验系统的可靠性和必要性,对砂岩进行不同渗流状态和不同渗透压差条件下的三轴渗流–应力耦合试验。试验结果表明,当岩石两端都存在水压的条件下,其力学性质会进一步弱化,2种渗流极限状态的试验并不能说明所有渗流–应力耦合条件对岩石力学特性的影响。随着轴向应力的增加,表面径向应变场中大应变数据点逐渐聚集至断裂面附近,出现变形局部化现象。因此,开展复杂渗流–应力耦合作用下岩石力学试验能够更好地研究渗流场对岩石的作用机制。     

周期荷载作用下白砂岩的疲劳特性研究

 利用RMT–150B岩石力学试验系统,分别采用固定下限应力改变上限应力和固定上限应力改变下限应力的试验方法,进行不同加载条件下白砂岩的疲劳试验,研究周期荷载作用下白砂岩疲劳破坏过程中的疲劳特性、轴向应变的累积规律和轴向不可逆变形的发展规律和应变速率与循环次数的关系。研究结果表明,周期荷载作用下白砂岩的破坏过程宏观上是轴向不可逆变形的逐步发展累积,直到其破坏的过程,且其轴向不可逆变形发展过程表现出不依赖于应力比的三阶段发展规律;且疲劳破坏过程受静态应力–应变全过程曲线的控制,周期荷载的上限应力和振幅是影响白砂岩疲劳破坏过程和疲劳寿命的主要因素。     

基于细观力学的脆性岩石长期蠕变失效研究

蠕变特性是评价岩石长期失效特性的重要依据。基于岩石细观力学模型及裂纹扩展法则,结合细观裂纹长度与宏观应变定义损伤之间的联系,建立细观裂纹扩展与宏观应变之间的关系,并给出岩石的应力–应变关系及三级蠕变演化表达式。研究岩石渐进失效过程中不同围压下的应力–应变关系,并分析分级加载下的蠕变演化规律,其结果与试验结果吻合较好,验证了提出的细观模型的合理性。然后,对不同常应力状态下的蠕变失效时间与稳态蠕变率进行研究,其结果对高地应力下地下支护结构的设计及服役寿命的评估具有重要指导意义。     

盐岩裂隙渗流–溶解耦合模型及试验研究

根据盐岩溶解机制，对盐岩裂隙的溶解过程进行合理简化和假设；在此基础上，考虑盐岩裂隙溶解和渗透性变化的耦合条件，建立盐岩裂隙渗流–溶解耦合模型。利用自行设计研制的盐岩裂隙渗流–溶解耦合试验装置对特定条件下的盐岩裂隙渗流–溶解耦合过程进行试验研究，并应用盐岩裂隙渗流–溶解耦合模型进行模拟分析与验证，计算结果与试验结果非常吻合，表明所建立的盐岩裂隙渗流–溶解耦合模型可以很好地描述盐岩裂隙的渗流–溶解耦合机制。该研究成果为进一步研究盐岩的应力–渗流–溶解耦合机制奠定重要的理论和试验基础。     

全应力–应变过程中裂隙灰岩的水–力耦合特性试验研究

为研究裂隙灰岩在全应力–应变过程中的力学特性和渗透性特点,对裂隙灰岩进行不同渗透压和围压组合下的水–力耦合试验,研究水–力耦合作用下裂隙灰岩的强度和变形特性,并定义全应力–应变过程中6个关键的渗透率值。试验结果表明:渗透压对裂隙灰岩的力学特性有较大影响,渗透压的存在降低了裂隙灰岩的强度和变形模量,加剧其侧向变形,水–力耦合作用下裂隙灰岩的强度特性可用莫尔–库仑屈服准则来表征;全应力–应变过程中,裂隙灰岩渗透率经历缓慢下降–缓慢增加–快速增长–小幅度下降4个阶段,这大致对应于全应力–应变过程中体积压缩阶段,近线性变形阶段,峰值点附近的破裂阶段和峰后残余强度阶段。在较低渗透压(2 MPa左右)下,上述相应关系吻合情况良好,而在较高渗透压(8 MPa以上)下,上述相应吻合关系存在偏差,渗透率下降阶段要短于体积压缩阶段;在较低渗透压(2 MPa左右)下体积压缩阶段的渗透率与体积应变之间的关系可用负指数函数来描述,而在较高渗透压(8 MPa以上)作用下,在体积压缩阶段的渗透率和体积应变之间的关系可用三次多项式来描述。     

应力–渗流耦合下砂岩力学行为与渗透特性试验研究

采用全自动三轴渗流实验系统,进行无水与排水条件下砂岩应力–渗流耦合试验,得到砂岩变形全过程应力–应变及渗透率演化曲线,较好地表征了应力–渗流耦合下砂岩力学行为与渗透率演化响应特征,同时获得了应力–渗流耦合下砂岩的变形、强度及渗透率演化规律。研究结果表明:(1)砂岩峰值强度随着围压增大而不断增大,围压效应显著;无水条件下,砂岩峰值强度对应的轴向应变变化规律与强度演化特征呈现出明显的对应关系。其轴向变形与围压的关系较好地符合指数函数非线性增长模型,而排水条件下的砂岩轴向变形与有效围压的关系较好地符合线性衰减模型;(2)砂岩峰前渗透率呈现出缓慢降低→平稳发展→急剧增加的三阶段演化规律,与砂岩峰前应力–应变曲线初始微裂纹压密、线弹性变形及新生裂纹扩展阶段三阶段变形具有对应关系;(3)不同工况下的砂岩变形全过程渗透率呈现出降低→急剧增加→稳定发展或略微增大的三阶段演化规律,与砂岩变形全过程体积压缩→体积快速膨胀→体积缓慢膨胀三阶段变形具有对应关系。研究结论可为煤矿突水事故防治及巷道围岩稳定控制提供一定的理论依据。     

裂隙岩石的应力–水流–化学耦合作用试验研究

将浙江龙游石窟的红砂岩加工成含3种排列预制裂纹的圆柱形标准试件,对其进行不同化学溶液、相同流速作用下未受载腐蚀特征试验,获得化学腐蚀损伤时间效应曲线和时效特征。进行不同化学溶液、不同流速作用下裂隙岩石试件的单轴压缩试验,获得裂隙红砂岩的单轴压缩应力–应变曲线,并对其强度变形影响和裂纹搭接破坏模式进行分析。试验结果表明,试件质量的变化与浸泡溶液性质关系不大。溶液pH值最终趋于中性。试件弹性波纵波速最终也趋于稳定。预制裂纹排列方式、浸泡溶液pH值和流速均对岩石力学效应产生较大影响。单轴压缩条件下裂隙红砂岩均为张拉破坏,且其裂纹扩展方向与加载方向一致。裂纹搭接破坏模式主要有拉伸模式与拉伸–剪切模式。浸泡流速和化学溶液对裂纹搭接破坏模式影响不大。该研究为建立应力–水流–化学耦合作用下裂隙岩石破坏过程的本构关系,从而实现对受应力、水流、化学耦合作用的岩石破裂过程模拟和行为预测提供基础。     

应力-水流-化学耦合下岩石破裂全过程的细观力学试验

自行研制了应力–水流–化学耦合下岩石破裂全过程的细观力学试验系统,可以进行应力–水流–化学耦合下的多项岩石力学细观试验,实现了应力–水流–化学耦合下岩石破裂全过程的显微与宏观实时监测、控制、记录与分析的岩石力学试验。对不同化学溶液腐蚀的多裂纹灰岩试件,应用该系统进行了应力–水流–化学耦合下单轴压缩破坏全过程的试验。试验过程中试件一直浸泡在流速为513 mm/s 的相应的化学溶液中,对NaCl 溶液(0.01 mol/L,pH = 7)作用下裂纹的起裂、发展及贯通破坏过程进行了分析研究。与未受化学溶液腐蚀的相同裂纹排列方式试件的试验结果比较,受化学溶液腐蚀与未受化学溶液腐蚀试件裂纹扩展破坏过程差异的主要原因为化学溶液对试件产生了腐蚀及软化作用,而未受化学溶液腐蚀试件的破坏则为脆性破坏。试验研究结果证明了该系统的科学性和先进性。     

应力–水流–化学耦合下岩石破裂全过程的细观力学试验

自行研制了应力–水流–化学耦合下岩石破裂全过程的细观力学试验系统，可以进行应力–水流–化学耦合下的多项岩石力学细观试验，实现了应力–水流–化学耦合下岩石破裂全过程的显微与宏观实时监测、控制、记录与分析的岩石力学试验。对不同化学溶液腐蚀的多裂纹灰岩试件，应用该系统进行了应力–水流–化学耦合下单轴压缩破坏全过程的试验。试验过程中试件一直浸泡在流速为513 mm/s的相应的化学溶液中，对NaCl溶液(0.01 mol/L，pH = 7)作用下裂纹的起裂、发展及贯通破坏过程进行了分析研究。与未受化学溶液腐蚀的相同裂纹排列方式试件的试验结果比较，受化学溶液腐蚀与未受化学溶液腐蚀试件裂纹扩展破坏过程差异的主要原因为化学溶液对试件产生了腐蚀及软化作用，而未受化学溶液腐蚀试件的破坏则为脆性破坏。试验研究结果证明了该系统的科学性和先进性。     

水压–应力耦合作用下砂岩应力松弛特性试验研究

基于三维数字图像相关技术,采用可视化三轴压缩伺服控制试验系统,开展孔隙水压–应力耦合作用下砂岩应力松弛特性试验研究。结果表明：(1)径向应变场中局部微裂纹损伤发育并相互贯通是引起脆性岩石应力松弛时效失稳破坏的主控因素。(2)松弛应力水平位于岩石微裂纹稳定发育和微裂纹不稳定发育阶段时,孔隙水压的增加,能显著提高岩石的应力松弛量和径向应变变化量,缩短岩石时效破坏寿命。(3)松弛破坏试样应力–时间曲线和径向应变–时间曲线呈“阶梯式”变化趋势,及两者的速率–时间曲线呈现“漏斗形”演化趋势,其实质均反映了岩石应力松弛过程中微裂纹损伤发育扩展和相互贯通。(4)松弛破坏试样破裂面裂纹发育以沿晶裂纹为主,且相互之间汇集、贯通,胶结基质破碎严重,胶结结构丧失,脆性岩石应力松弛时效破坏实质是受裂纹发育扩展所控制。     

钙芒硝盐岩物理力学特性研究

通过系统的试验研究难溶性盐钙芒硝基本的力学特性以及溶解和其溶解后的孔隙率等,充分认识了钙芒硝岩盐的物理力学特性.实验发现钙芒硝岩盐属于软岩,其抗压强度为18.86 MPa,而抗拉强度实测值为2.59 MPa,其破坏形式属于典型的柱状劈裂破坏,同时也说明盐岩在自然条件下是脆性材料.通过长时间的蠕变实验,回归出钙芒硝盐岩蠕变在不同应力水平下随时间变化的曲线,其抗压强度50%时的曲线方程为ε(t)=0.0098ln(t)-0.0014,抗压强度80%时的蠕变曲线方程为ε(t)=0.012ln(t)-0.0056,应力水平高时其蠕变速率高于低应力水平的蠕变速率.钙芒硝属于难溶性盐,其溶解率非常低,在水中溶解速率曲线方程为vt=-0.0005Ln(t) 0.0041;溶解速度方程为v=-0.0002Ln(t) 0.0015.通过理论分析计算得出其溶解完全后孔隙率为35.87%.溶解速率、溶解速度及溶解后孔隙率的研究对充分认识难溶性钙芒硝盐岩水溶开采机理有指导意义.     

基于围压因素的分级应力扰动下砂岩损伤破裂特性试验研究

受制于采掘活动的频繁应力扰动,地下工程围岩的稳定性问题日渐突出,严重制约了地下矿产资源的安全高效开采。为了探究不同埋深下岩体在应力扰动过程中的损伤破裂机制,以常规三轴试验为基础,开展4组围压下的分级应力扰动室内试验,基于力学分析、声发射分阶段定位及损伤评价指标演化特征,确定分级应力扰动下岩石力学的损伤劣化规律及细观裂纹发育特征,建立岩石损伤状态—微观裂纹发育特征—损伤评价指标变化三者之间的关联。结果表明：(1)分级应力扰动下,岩石峰值强度和峰值轴向应变随围压升高逐渐增大。应力扰动各阶段轴向应变增量均呈现初期小幅波动,中期缓慢增加,后期快速增加的趋势;平均弹性模量呈现初期小幅波动后快速降低的趋势。(2)围压通过限制裂纹扩展降低岩石损伤累积速率,高围压下岩石能承受更多级应力扰动,且恒压阶段蠕变特征更明显。(3)加载前期,岩石内部裂纹发育仅在既有损伤区域的重复压密破坏和临近区域少量微裂纹的发育,扰动后期随着轴力的升高会使得围压限制作用减弱造成裂纹快速扩展。(4)岩石内部在加载不同阶段微裂纹发育的数量、尺度的变化能有效的体现在声发射b值和ΔF值,与岩石损伤程度耦合度较高,可用来定量评估岩石损伤...     

脆性岩石渐进及蠕变失效特性宏细观力学模型研究

压应力作用脆性岩石渐进及蠕变失效特性是其力学性质研究的两个主要研究方向。其对于深部地下开挖围岩稳定性的判断有着重要的指导意义。岩石内部微裂纹扩展对脆性岩石的渐进及蠕变特性有着重要的影响。因此,基于岩石的应力与裂纹扩展关系及裂纹扩张演化法则,并结合宏细观损伤定义之间的关系,提出了一个新的宏细观力学模型,推出了岩石完整的应力–应变关系与蠕变理论表达式。分析了围压对岩石的应力–应变关系的影响。研究了岩石内部初始微裂纹尺寸及裂纹间摩擦系数对应力应变关系及岩石强度的影响。并给出了不同围压下岩石裂纹初始应力与峰值应力,其对蠕变实验中的施加应力初始值选取提供了一定参考。然后,研究了恒定围压、轴压分级加载应力路径下的岩石蠕变应变及应变率变化趋势。通过试验结果验证了理论模型的合理性。进而,对压应力作用下细观裂纹扩展对岩石力学特性影响的理解提供了一定的理论参考。     

应力–冻融耦合作用下砂岩变形与损伤特征研究

寒冷地区工程岩体承受应力和冻融循环的共同作用。在长期应力–冻融耦合作用下,岩石力学性能会产生显著弱化,造成工程岩体灾害。为了研究应力–冻融耦合作用下砂岩的变形和宏细观损伤特征,首先采用砂岩试样开展冻融循环试验,研究无应力作用下砂岩冻融循环过程中的冻融变形规律。然后提出一种基于颗粒流和颗粒膨胀的岩石冻融循环数值模拟方法,并采用该方法开展应力作用下岩石冻融循环数值模拟,研究轴向应力作用下岩石冻融过程中的变形和破裂演化规律。研究结果表明：无轴向应力时,随着冻融循环次数的增大,砂岩的轴向和径向应变先增大后基本保持不变;冻融循环过程中砂岩试样轴向和径向应变存在显著差异,试样径向应变大于轴向应变,砂岩试样轴向和径向应变的差异随着冻融循环次数的增多先增大后减小;轴向应力不为0时,试样轴向应变随冻融循环次数的增大逐渐减小,径向应变随冻融循环次数的增大逐渐增大;在冻胀力作用下,试样表面附近的裂纹密度大于试样内部的裂纹密度;冻融循环过程中,轴向应力会抑制裂纹沿与试样轴线夹角较大的方向起裂和扩展;冻融循环过程中,试样内的破坏以拉伸破坏为主;基于颗粒流和颗粒膨胀的数值模拟方法能够较好的模拟冻融循环过程中砂岩的...     

软岩的应变速率效应研究

对硅藻质软岩试样进行了不同围压和不同加载速率的应变和应力控制式固结不排水三轴试验,试验结果表明,硅藻质软岩具有明显的应变速率效应,加载速率对软岩的强度变形特性有较大的影响。在试验研究的基础上,应用三维弹粘塑性模型,考虑硅藻质软岩的应力–应变关系的时间依存性,模拟了软岩的应变速率效应。数值分析中所采用的参数均由试验确定,对不同应变速率下固结不排水试验的应力–应变关系和有效应力路径的数值计算结果,反映出不同应变速率下软岩的峰值强度和残留强度均随着应变速率的增大而不断提高,与试验结果相吻合;计算结果还反映出与试验结果一致的孔隙水压力变化和应变软化趋势。通过对比分析表明,三维弹粘塑性模型可以较好地描述软岩的应变速率效应。     

非饱和黏性土水–力耦合弹塑性组合双面模型

非饱和黏性土在外荷载作用下呈现出复杂的水–力耦合特性。为描述水–力耦合对非饱和土应力–应变特性的影响，基于弹塑性理论，采用提出的循环塑性硬化法则，考虑(p’-q-s)空间内的任意应力路径变化，建立能够描述非饱和黏性土水–力耦合特性的弹塑性组合双面模型。该模型通过平均骨架应力和修正吸力反映应力和吸力的耦合作用，采用2组加载面和边界面组合，分别描述加载、干湿过程中水–力耦合引起的塑性屈服，实现非饱和黏性土水–力特性的全耦合分析和求解。与非饱和黏性土的常规静力三轴剪切试验结果的比较表明，所建模型能较好地模拟非饱和黏性土水–力耦合下的应力–应变特性。