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。     

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。     

三轴循环加卸载条件下岩石能量演化及分配规律

为探究围压对受载岩样能量演化特征的影响规律,设计了按轴向位移等梯度加载的恒围压卸轴压的试验应力路径,采用MTS815岩石力学试验系统开展了6种围压下岩样的三轴循环加卸载试验;提出基于加卸载曲线的面积来计算岩石能量的方法,避免采用弹性模量不变的假设而造成能量计算误差,采用特征能量密度和能耗比参数来表征受载岩样的能量积聚、耗散及释放行为,揭示了受载岩样能量演化过程及分配规律的围压效应。试验结果表明:随着从峰前向峰后阶段推移,弹性能占比逐渐降低,耗散能占比逐渐提高,在残余阶段能量占比趋于稳定。随着围压的提高,岩样的特征能量密度随之增大。能耗比(耗散能密度与弹性能密度的比值)可表征受载岩样内部损伤积累状态,在峰前阶段,能耗比随循环次数的增加而增大;在峰后阶段,能耗比先增大后减小,出现拐点(受载岩样大面积破裂或破坏的征兆点)。围压可抑制因岩样破裂或破坏时能量的耗散和释放,造成岩样破坏时所释放的弹性能不彻底;随着围压的提高,能耗比随之降低。     

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。     

基于能量原理的卸围压试验与岩爆判据研究

 岩爆是高地应力区地下工程开挖卸荷产生的地质灾害现象。按照地下硐室开挖过程中围岩的实际受力状态,开展脆性花岗岩常规三轴、不同控制方式、不同卸载速率条件下峰前、峰后卸围压试验,研究岩石破坏的全过程,从能量的原理探讨岩石破坏过程能量积聚–释放的全过程,研究岩石的变形破坏特征、能量集聚–耗散–释放特征和基于能量原理的岩爆判据。试验结果表明：无论是峰前还是峰后卸围压,岩样都表现脆性破坏的特征,峰前卸围压时岩样破坏表现出的脆性比峰后卸围压更为强烈;且无论是加载还是不同控制方式卸围压条件下,岩石在破坏前所能够储存的最大应变能受围压和卸载速率的控制。从能量的观点和工程应用的角度出发,提出一种新的能量判别指标：岩体实际储存能量与极限能量之比为U/U0,该指标真实合理地反映地下工程开挖卸荷过程中围岩的能量变化过程,围岩能量的积聚程度以及岩爆的发生程度,通过数值仿真计算可以更合理地定量预测高应力下地下工程开挖过程中岩爆发生的强度和位置。     

大理岩卸荷破坏变形及能量特征研究

对大理岩试样进行恒轴压条件下峰前、峰后卸围压破坏试验,研究岩石的变形破坏特征及破坏过程能量演化规律,得到以下结论:恒轴压条件下环向变形随卸荷速率增大而减小,而轴向变形变化很小,轴向变形没有明显的速率变化效应;峰前、峰后卸荷都为典型的剪切破坏,而峰后卸荷有明显的共轭剪切带;卸荷破坏过程能量转化大致分为能量积聚、能量耗散和能量释放3个阶段;卸荷速率越快,弹性应变能释放得越快、越剧烈;耗散能变化率随卸荷速率的增加也变大;耗散能变化率比弹性应变能变化率大一个数量级,能量快速耗散是大理岩卸荷破坏过程的主要特征。     

鄂西渝东盖层碳质泥页岩的卸荷力学特性试验研究

隆升剥蚀过程可能导致鄂西渝东地区油气盖层破裂,油气散失。选取区域盖层碳质泥页岩,开展10,20,30,40,50 MPa五种不同初始围压下的三轴卸荷力学试验,研究隆升剥蚀对不同埋深岩石的影响。结果表明:岩石卸荷破坏时的轴向、径向变形随卸荷初始围压增大而增大;卸围压过程中卸载初始围压较小时,径向应变大于轴向应变,随初始围压增大,径向应变略小于轴向应变;卸荷试验获得到的泥页岩抗压强度与抗剪切参数均比常规三轴压缩试验高;岩石的破裂形式由低卸荷围压下的张性破裂向高卸荷围压下的剪切破坏过渡,在40 MPa时产生纵横切割试样的网状裂纹;提出侧压破裂系数初步评价区域盖层,结合鄂西渝东的抬升剥蚀量数据,推断石柱复向斜北部和方斗山复背斜以西是油气勘探容易取得突破地区,为区域油气勘探提供岩石力学依据。     

高围压卸荷条件下横观各向同性岩体变形破坏与能量特征研究

 为揭示石英云母片岩变形及能量特征,针对平行片理和垂直片理方向的试件,基于MTS815岩石力学试验平台开展不同围压下的卸荷试验,分别从体积变形系数、能量比、能量变化率、能量应力增量比等方面系统研究高围压卸荷条件下石英云母片岩变形破坏特征及能量演化规律。结果表明：平行组试件径向变形发育能力及各特征应力量值均高于垂直组;其能量演化规律具有显著的围压效应,2组试件能量特性差异明显;与垂直组相比,平行组试件峰前、峰后应变能变化率较低且高围压下裂隙发育及塑性变形程度更高;提出能量应力增量比以表征试件能量变化对卸荷程度的敏感性,2组试件峰前能量应力增量比均随围压的增加而增加,但峰后弹性能应力增量比几乎不受初始围压的影响,垂直组峰前、峰后弹性能应力增量比和耗散能应力增量比量值均大于平行组。     

三轴循环加卸载下深部煤体损伤的能量演化和渗透特性研究

为了分析煤矿开采过程中煤体损伤的能量演化规律和渗透特性,采用控制围压、加卸载轴压的方式开展三轴循环加卸载渗流试验,分析在不同围压下弹性参数(弹性模量、泊松比)、能量密度随着轴向应变的演化特征,并引入弹塑性材料的损伤变量,进而探讨损伤变量和渗透率的关系。结果表明:在加卸载过程中,进入屈服阶段后,弹性模量开始降低,耗散能密度、耗散能比例以及损伤变量逐渐增大,进入峰后阶段后演化加剧,说明岩石破坏是一个能量耗散的损伤演化过程;以应力屈服点为分界点,屈服前渗透率和损伤变量呈现幂函数关系;屈服后二者具有较好的指数函数关系,并拟合出不同围压下二者的关系公式;渗透率随围压的增加而减小,说明围压对渗透有抑制作用。     

大理岩三轴压缩的塑性变形与能量特征分析

利用伺服试验机对大理岩岩样在不同围压下轴向压缩屈服之后完全卸载,再对损伤岩样进行的单轴压缩试验,研究岩样不同围压下三轴压缩的塑性变形量、能耗与损伤岩样单轴压缩时的强度、平均模量、能耗特征的变化规律.研究结果表明,大理岩具有明显的脆性-延性转化特征,围压较高时应力-应变曲线出现屈服平台,岩样塑性变形持续增加,而裂隙通过摩擦力使岩样承载能力基本保持不变.岩样三轴压缩过程中屈服前能量消耗较少,塑性变形过程需要消耗更多的能量,塑性变形与耗能具有良好的线性特征,高围压下要使岩样完全破坏需要消耗较多能量.损伤岩样单轴压缩时的强度、平均模量与三轴压缩的塑性变形大致线性降低,低围压下产生的塑性变形对强度、平均模量的影响显著.峰后屈服弱化阶段岩样承载能力的降低与塑性变形的增加近似成线性关系,弱化模量与强度没有明显关系,表现出损伤岩样明显局部化破坏特征.     

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。     

层理倾角对受载千枚岩能量演化及岩爆倾向性影响

选择5种不同层理倾角的千枚岩进行单轴一次加卸载试验,探讨层理倾角对千枚岩变形破坏过程中能量演化及岩爆倾向性影响.试验结果如下:各岩样应变能演化相似,在应力峰值前表现为能量积聚,峰值后为能量释放和耗散.但随着层理倾角的增大,其储能极限、残余弹性能和最大耗散能均呈U型变化,通过拟合在60°均取得最小值;随层理倾角增大,在峰前岩样的弹性能比例值呈倒U型变化,其中在60°取得最大值,表明峰前在60°处用于层理压密做的功最少.而且在峰前最大弹性能比例随层理倾角增加变化幅值较小,体现出峰前层理倾角对储能效率影响较小.在峰后弹性能比例下降幅度大小为60°>30°> 45°> 90°> 0°,说明含0°层理岩样的峰后裂隙发育最不充分表现出的脆性最大;结合弹性变形能指数(Wet)和冲击能量指数(Wcf)的优点建立新判据储能性能和峰后继续破坏耗散能的比例(W),并计算各倾角岩样的W值,其从小到大为60°→45°→30°→90°→0°.     

基于能量耗散机制的片麻状花岗岩损伤与剪胀演化规律

为探讨岩石损伤破坏过程中能量耗散过程与剪胀变形间的关系,以南疆某水电站引水隧洞片麻状花岗岩为研究对象,设计并开展岩石不同围压下(0~50 MPa)遍布全过程应力–应变曲线的递增循环加卸载三轴试验。取得的主要研究成果有:(1)从能量耗散观点定义损伤变量,对循环载荷施加过程中的能量耗散参数、主应变与损伤变量之间的关系进行深入地分析,探讨围压对各个参数和变量的影响规律;(2)基于试验曲线获取不同围压下每级载荷下残余体应变(塑性体应变)与轴向残余应变之间曲线关系,为研究其剪胀特性提供了数据基础;(3)根据岩石损伤演化与残余剪应变(塑性剪应变)之间的函数关系,从而得到能量耗散率与剪胀角间的变化规律。研究表明,开展基于能量耗散机制的岩石损伤与剪胀演化规律研究为岩体破坏过程中的能量机制与膨胀扩容特性研究之间架起了桥梁。     

基于弹塑性损伤模型的岩石加卸载计算研究

基于经典弹塑性理论,引入损伤因子,综合考虑岩石在外力作用下的塑性变形与损伤演化,提出一种各向同性弹塑性损伤耦合模型。根据以上理论编制有限元计算程序,较好地描述了岩石在不同加卸载路径中的应力-应变特性。通过程序模拟计算,具体结论如下:在常规路径加载中,岩石的峰值强度与残余强度均随围压的增加而增加。在卸围压路径下,残余应力受初始围压影响较小,但侧向应变与体应变有着明显的增加。轴向荷载的提高使岩石损伤值增加,卸围压过程中最大损伤因子均大于同等初始围压下的常规路径试验。     

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。     

单轴压缩下非贯通节理岩体损伤破坏能量演化机制研究

能量的积聚与释放伴随发生在节理岩体受荷变形全过程。为探寻加载过程中节理岩体能量演化规律,基于单轴压缩试验及岩石能量原理,研究非贯通节理岩体变形破坏过程中总能量U、弹性应变能U~e及耗散能U~d的转化特征,揭示节理岩体损伤破坏能量演化机制,建立了基于弹性能耗比变化率(dK/dε)的非贯通节理岩体裂缝扩展及强度失效准则。研究表明:节理存在对岩体中能量的存储具有明显的削弱作用,峰值点总能量与弹性应变能随节理数量的增加逐渐减小;节理岩体的弹性应变能U~e及耗散能U~d变化曲线存在"阶梯状"突减或突增,双节理岩样弹性应变能和耗散能突增或突减的数值明显小于单节理岩样;峰前与峰后阶段弹性能耗比变化率发生连续突变(dK/dε正负交替变换)与突变(dK/dε保持为正无穷)作为节理岩体裂缝扩展及强度失效判据。     

不同卸围压速率对岩石破坏过程能量演化的影响研究

为探究不同试验能量转化与释放的差异,研究卸围压速率对能量转化与释放的影响,对常规三轴试验和恒轴压卸围压试验结果进行能量分析.结论表明:总能量受卸荷速率的影响较小;弹性应变能随卸荷速率的增大先降后升,影响岩石的储能极限;卸荷速率越大,弹性应变能释放越缓慢,耗散应变能越小,岩石裂纹扩展需要消耗的能量越少.     

循环加卸载过程中砂岩能量耗散演化规律

为了深入分析循环加卸载过程中岩石能量耗散演化规律,设计、进行砂岩的单轴循环加卸载试验。详细分析典型循环加卸载滞回圈曲线变化特征,探讨加卸载过程中的总功、弹性变形能、耗散能、能量耗散率、残余应变、损伤变量等参数的变化规律及其相互关系。结果表明:(1)循环加卸载过程中,应力–应变滞后现象明显,而且存在明显的残余应变,在计算各能量参数时应该考虑这些因素的影响;(2)考虑残余变形和滞后效应的影响,提出循环加卸载过程中各能量参数修正的计算方法;(3)岩样在循环加卸载临近破坏的时候,各能量参数及残余应变出现明显的增大,能量参数和残余应变的突变均可以较好地预测岩样的破坏;(4)能量耗散率与残余应变的相关性也从另一个角度说明了在能量参数计算时不可忽略残余应变的影响。研究成果对岩石循环加卸载过程中岩石能量损伤演化规律分析具有较好的参考价值。     

小尺寸效应下岩石力学特性及声发射规律

对小尺寸效应下黄砂岩的力学特性和声学特征进行研究,探讨小尺度效应下岩石强度、变形、弹性常数(弹性模量、泊松比)、破坏形态及能量转化的规律,分析声发射能量、计数和峰频与尺寸之间联系,得到如下结论:随着尺寸的增加,强度呈现线性递减,径向应变从斜落向水平方向延伸且呈现先减小后平稳的趋势,轴向应变逐渐减小,体应变呈现先增长后稳定再递减的趋势,破裂范围逐渐减小,剪切角度呈现先减小后增大的趋势,弹性模量和泊松比呈现增长的趋势,峰后的能量呈现先加速后稳定再减速的释放规律;随着尺寸的减小,耗散能和峰前积聚的总能量均呈现增大的趋势;耗散能加速阶段和减速阶段逐渐递减,稳定阶段逐渐延长;能量之间呈现"闭口"的趋势;弹性能、释放能及盈余能量均呈现递减的趋势;声发射能量与时间呈现"双峰"现象,声发射计数与能量呈现"喇叭式"扩延,同时出现高能、高计、高峰(三高)时可以预判岩石即将发生破坏;随着尺寸的减小,计数峰值区间滞后出现。声发射的总能量与尺寸呈现正比例关系。声发射峰频呈现明显的分区特性。     

不同尺寸裂隙岩石损伤破坏特性光弹性试验研究

为了充分认识试件尺寸与裂隙倾角对裂隙岩石损伤破坏的影响,开展了不同试件尺寸、不同裂隙倾角的光弹性单轴压缩试验。利用反射式光弹仪直观形象地记录试件损伤破坏全过程的彩色条纹变化,基于光学-应力定律计算得到裂隙岩石损伤破坏过程中试件表面的全场应力应变,分析岩石裂隙扩展失稳的尺寸效应及裂隙倾角对岩石强度及破坏模式的影响,研究裂隙岩石损伤—扩展—破坏的力学机制。试验结果表明:裂隙岩石单轴压缩的应力应变曲线可分为弹性阶段,塑性阶段,峰后软化阶段,残余阶段不明显;裂隙岩石峰前阶段的弹性模量随着试件高宽比的增加而增大,随着裂隙倾角的增加而减小;单轴抗压强度随着高宽比的增加呈减小趋势;峰后的软化阶段受试件尺寸与裂隙倾角的共同影响,裂隙倾角与高宽比越大,岩石的破坏越具有突然性,即脆性越明显;岩石损失破坏时最大应变与应力分布在预制裂纹中心,损伤首先从预制裂纹处发生。随着加载的不断进行,最大应变与应力的位置转变为裂纹的两端,逐渐向平行于轴向加载方向发展直至试件端部。岩石损失破坏时,最大应变与应力分布在预制裂纹中心,损伤首先从预制裂纹处发生。随着加载的不断进行,最大应变与应力的位置转变到裂纹的两端,裂纹逐渐向平行于轴向加载方向发展直至试件端部。