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。     

岩石变形破坏过程耗散结构理论分析及损伤模型

将岩石视为系统,运用耗散结构理论分析能量在岩石系统形成有序耗散结构过程中的作用机制,揭示能量演化与强度变化、缺陷系统演化之间的关系和规律,在此基础上,以耗散能为参量建立描述缺陷系统演化过程的非线性动力学方程,推导耗散能演化方程,采用非线性最小二乘法对多种岩石的耗散能演化试验数据进行回归分析,验证耗散能演化方程的正确性。基于能量耗散和耗散能演化方程定义损伤变量表达式,从而得到能够反映岩石内部能量和力学作用机制的损伤演化方程。依据连续损伤理论建立考虑残余强度的岩石三维损伤本构模型,通过与多种岩石不同围压下的试验应力应变曲线进行对比,分析表明理论曲线与试验曲线吻合良好,所建损伤本构模型可以很好地描述复杂应力环境下岩石材料的变形与强度特性。     

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。     

考虑围压效应和塑性演化机制的中密砂力学模型

为了实现对中密砂工程受荷变形的准确预测,基于岩土材料宏观弹塑性理论框架和三轴试验结果,分析中密砂变形、强度的影响因素和特征,建立适应的屈服准则、硬化法则和流动法则。研究结果表明:(1)中密砂的三轴力学特征对围压较为敏感,随围压增大,应力–应变曲线形态逐渐变化,线性段斜率和峰值强度增大,软化段减弱并消失,体积应变–轴向应变曲线线性段斜率基本无变化,体积剪胀程度减小,高围压试验结束时体积应变相对初始加载时仍处于剪缩状态;(2)考虑中密砂的围压效应和剪切破坏,采用第三主应力和等效塑性剪应变增量表达塑性内变量,峰值点处塑性内变量大于0.5,相对岩石更为滞后;(3)弹性模量随围压呈指数型函数规律增大,泊松比近似为常数;(4)塑性变形过程中最大主应力和最小主应力近似符合线性规律,内摩擦角近似线性增大,黏聚力先增大后减小并符合指数类函数特征;(5)剪胀角在低围压下随塑性变形逐渐减小,高围压下先增大后减小,高围压下剪胀角低于低围压;(6)数值曲线与试验数据吻合度高,可表达中密砂围压效应和塑性演化机制,适用于对应力状态敏感的中密砂的精确计算。     

循环荷载作用下岩石损伤变形与能量特征分析

针对不同围压作用下的岩石损伤变形与能量特征,开展了循环加卸载试验研究。基于原有损伤变量原理,进行修正,探讨了岩石在不同的偏应力量级下,每次循环的耗散能、损伤变量、塑性变形等与循环次数、应力之间的相互关系;进而,得到了岩石损伤破坏过程中能量的转化规律,从能量损耗的角度定量分析了岩石疲劳破坏的门槛值。试验研究结果表明：①应力水平越高、损伤变量与塑性变形越大,一次循环的能耗值越大,滞回圈的面积也就越大;②在门槛值前后,耗散能、损伤变量与塑性应变随着循环次数的增加变化趋势明显不同,并且在破坏前也呈疏00097;密00097;疏的发展过程;③不同的围压下,岩石疲劳破坏时所处的损伤状态不同,但破坏前循环一次的能耗值与损伤变量近似成线性关系,进而基于循环能耗值与损伤变量建立了能量破坏方程。     

高围压下深部大理岩变形特性与能量演化试验研究

岩石材料受力变形破坏与能量的演化密切相关。采用GCTS RTX-4000高温高压动态岩石三轴仪对大理岩进行了单轴、三轴压缩试验,研究了围压效应对大理岩力学变形、破坏模式及能量演化规律。结果表明,围压增大导致大理岩在变形方面表现出“脆-延-塑”转化特征;在破坏形式方面由轴向劈裂破坏逐渐向斜剪拉裂破坏发展;在能量演化方面表现出总能量、弹性能和耗散能与围压具有正增长关系;在损伤方面,基于耗散能计算损伤变量,发现随围压的增加,大理岩损伤变量数值逐渐增大,二者表现出正相关关系,并且损伤变量与轴向应变呈四次多项式增长规律。     

循环加、卸载条件下北山深部花岗岩损伤与扩容特性

采用MTS815岩石力学试验机和声发射监测系统,研究我国高放废物地质处置库北山预选区深部花岗岩在三轴循环加、卸载条件下的损伤和扩容特性。基于试验结果,分析岩石全应力–应变曲线与累计声发射撞击数和事件数的时空分布关系,进而揭示其破裂演化机制。通过构建岩石在循环加、卸载过程中的塑性应变轨迹,获得峰后剪胀角随塑性剪切应变的变化规律,探讨岩石扩容对塑性剪切应变和围压的依赖性。研究结果表明:(1)声发射事件增量最大值出现在应变软化阶段,在该阶段的反复加载是加剧其内部损伤和裂隙宏观贯通的主导因素,残余变形阶段的裂隙行为主要表现为宏观断裂面间的摩擦、滑移,岩石扩容率趋于恒定;(2)卸载过程对于裂隙发展的影响远小于加载过程,由于裂隙的发展状态不同,在裂隙损伤应力(σcd)之前和之后卸载导致的声发射特征具有显著的差异性;(3)峰后剪胀角随塑性剪切应变的增加而减小,并随围压增加其衰减梯度不断减小,采用指数函数建立围压和塑性剪切应变为影响因素的剪胀角模型,可合理描述北山花岗岩的扩容特性。     

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。     

循环荷载作用下花岗岩疲劳力学性质及其本构模型

 循环荷载作用下岩石力学性质研究对完善岩石力学基本理论和指导相关工程建设具有重要意义。通过花岗岩三轴循环荷载试验,系统研究花岗岩疲劳力学特性,提出花岗岩疲劳力学模型。研究结果表明：(1) 岩石残余应变和变形模量与循环次数之间关系与岩石体积变形状态相关;(2) 在应力–应变全空间内,花岗岩疲劳性质分为3个区域,不同区域内微观机制不同;(3) 岩石疲劳破坏门槛值应为剪缩和剪胀区域分界点对应的峰值偏应力;(4) 循环荷载作用下岩石疲劳势有别于单调加载时塑性势,循环荷载作用下岩石表现出比单调加载时更强的抵抗体积变形能力;(5) 提出基于内变量理论的岩石疲劳本构模型,试验数据与模拟预测对比显示模型较好地反映出岩石疲劳力学性质。     

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。     

考虑围压效应的大理岩弹塑性耦合力学模型研究

以锦屏T2b和 深埋大理岩循环加卸载试验结果为基础,进行如下研究：(1) 分析不同围压下锦屏大理岩的弹性参数随内变量的演化规律,得到弹性模量与围压和内变量的定量关系;(2) 基于Mohr-Coulomb 屈服准则,得到其强度参数随内变量的演化规律;(3) 考虑非关联流动法则,分析剪胀角随围压和内变量的演化规律,得到锦屏大理岩的剪胀角与围压和内变量的定量关系;(4) 最终建立考虑围压效应的大理岩弹塑性耦合力学模型,并在有限差分软件FLAC3D中进行数值实现,用于模拟分析T2b大理岩的室内常规三轴压缩试验,结果表明,数值模拟与试验结果吻合很好,该模型可以很好地反映大理岩的主要力学特性。所提研究方法和研究结果对于提高深部工程围岩(特别是具有小变形破坏特性的硬脆性围岩)变形计算和稳定性分析的准确性具有重要的参考价值和借鉴意义。     

基于3种破坏类型的岩石损伤软化统计模型

为研究岩石峰后力学特性和本构关系,进行岩石的单、三轴压缩全程试验。基于不同阶段和不同破坏类型分别建立"分段本构模型"和"基于破坏类型的损伤软化统计模型"。分段本构模型通过屈服点、峰值点和残余强度点将岩石的应力应变划分为3个阶段,建立分段本构关系函数;基于破坏类型的损伤软化统计模型将岩石的压缩破坏划分为低围压(含单轴)下的环向张拉破坏、高围压下的剪切破坏以及中低围压下的张剪组合破坏,分别选取环向应变、剪切应变和体积应变作为损伤控制变量建立3种破坏类型的本构模型。结果表明,基于破坏类型的损伤软化统计模型能更好地描述岩石峰前及峰后的本构关系,揭示岩石内部损伤的发展过程。     

真三轴加卸载下含裂缝砂岩能量演化规律研究

为了探明真三轴循环加卸载过程中含裂缝砂岩能量演化规律,设计了真三轴循环加卸载试验,深入分析了循环加卸载过程中吸收总能量、弹性能、耗散能的演化规律与变化特征,进而探讨了能量耗散与岩石强度之间的关系。结果表明:(1)吸收总能量、弹性能和耗散能变化规律与砂岩试样裂缝角度无关,均随循环次数的增加而增加,且增幅越来越大,临近破坏时最大;(2)不同裂缝角度砂岩的吸收总能量、弹性能和耗散能与应力上限呈二次函数关系增长,吸收总能量、弹性能和耗散能能量增速依次减小,但前两者增速显著大于耗散能增速,且耗散能拟合曲线呈“凹”形;(3)定义了表征岩石储能能力和能量耗散能力的储能系数和能量耗散系数,对比发现岩石裂缝角度越大,储能能力越强,能量耗散能力越弱,岩石的峰值强度越大。     

北山花岗岩在三轴压缩条件下的强度参数演化

 采用MTS815岩石力学试验机对北山新场深部花岗岩进行三轴循环加、卸载试验,研究岩石强度参数的演化特征。基于Mohr-Coulomb相关理论推导与分析,探讨岩石发生屈服后的强度变化规律。在分析不同围压条件下岩石全应力–应变曲线的基础上,以塑性剪切应变为塑性参数,建立北山花岗岩黏聚力、内摩擦角和剪胀角随塑性参数变化的数学模型。研究结果表明：(1) 在损伤应力点,岩石塑性剪切应变接近于0,损伤应力可作为北山花岗岩塑性参数的零点,其亦可作为岩石强度参数演化的起点。(2) 在损伤应力点后,岩石黏聚力随塑性参数的增加呈指数函数形式衰减并最终趋近于0;内摩擦角随塑性参数的增加以对数正态函数的形式表现出先增加后减小的趋势,且岩石残余内摩擦角值与起始内摩擦角值接近。(3) 损伤应力后的岩石剪胀行为与峰后剪胀行为相似,剪胀角随着塑性参数和围压的增加而不断减小,且对低围压条件更为敏感。(4) 将建立的模型嵌入到数值模拟工具中,通过模拟岩石三轴压缩试验,可证实模型的准确合理性。     

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。     

三轴循环荷载作用下页岩能量演化规律及强度失效判据研究

基于不同围压下三轴循环加、卸载试验和能量原理,研究页岩吸收轴向应变能1U、积聚和释放可释放弹性应变能eU、塑性变形及裂隙扩展消耗损耗能dU和径向膨胀变形消耗径向扩散能3U的能量转化全过程特征,揭示其受载过程的能量演化规律,建立基于能量突变的岩石强度失效判据。研究成果表明:不同围压下的页岩三轴循环加、卸载全过程,能量演化行为相似,体现为峰前以能量积聚为主,破坏过程发生能量释放和能量耗散,峰后残余强度下重新开始积聚能量,但能量积聚能力和效率不如峰前。岩石破坏阶段,可释放弹性应变能eU沿主裂隙大量释放,破裂岩块沿主裂隙发生位移和摩擦,消耗大量损耗能dU,径向应变3?显著增大,径向扩散能3U大幅增长。与峰前相比,峰后残余强度阶段可释放弹性应变能eU和损耗能dU的量值水平大幅下降但总体保持平稳,径向扩散能3U显著增加。围压对峰前各能量参数的分配比例影响不大,对峰后残余强度下岩石的能量积聚能力有一定提升作用。页岩和红砂岩的弹性能耗比K在峰前阶段随轴向应变的增加缓慢减小,期间变化平稳,在岩样发生强度失效时,拐点出现,增长速度突然增大,产生突变。     

单、三轴及孔隙水作用下黄砂岩破坏力学行为及损伤演化规律研究

为了探索岩石受力状态及水力耦合下的反馈特征,研究岩石损伤破坏过程中的力学行为及能量演化规律,以黄砂岩单、三轴及孔隙水声发射实验为基础,分析有效应力影响下的强度特征及变形特性,获取全过程的能量转化规律,基于声发射能量推导演化方程,并以此分析不同条件下黄砂岩损伤演化阶段及特征,实验结果表明:有效峰值载荷与有效残余应力与有效围压呈现正相关。随着有效围压的增大,弹性模量呈现线性增大,泊松比与水压力呈现反比特征,压密阶段越来越短,弹、塑性阶段不断延长,扩容点也在不断增大。随着有效围压的增加,主控裂纹越来越规整,线性特征越来越明显,微裂纹越来越少,破裂角度逐步增大;在水力耦合条件下,岩石主破裂更加明显,微破裂随着水压和围压的增加而逐渐递减。通过分析有效正应力和有效剪应力之间的关系,τ-σ破坏强度曲线满足库仑准则。随着有效围压的增大,峰前总能量、弹性能、耗散能、峰后释放的能量及盈余能量均呈现增大的趋势。随着孔隙水压力的增大,盈余能量越来越小,说明高水压能够降低发生动力破坏。基于能量损伤演化方程给出了损伤演化典型的5个阶段,得到了水压力与岩石脆性损伤之间的关系。研究结果对于不同受力状态围岩控制及注水防治灾害具有理论意义。     

膏岩三轴压缩声发射特征及损伤演化研究

利用MTS 815岩石力学测试系统对膏岩进行不同围压下的三轴压缩试验,配合AE系统进行全过程声发射监测,展开了膏岩变形破坏过程的力学特性及声发射特征进行研究,并进一步探讨膏岩变形破坏过程损伤演化规律。试验结果表明:(1)膏岩是一种致密低渗岩石,气体孔隙度在1.30%~3.50%之间;(2)三轴加载条件下,膏岩的力学性质与声发射参数对围压的响应效果强烈,50 MPa围压较5 MPa围压下膏岩强度提高110.67%。高围压下声发射信号表现出明显的“滞后”效应,声发射集中分布区不断向后推移;(3)膏岩的临界围压为20 MPa。低围压下膏岩呈脆性破坏,破坏后形成宏观剪切面;临界围压下呈塑性破坏,破坏后形成共轭Y型剪切;高围压下呈延性破坏,破坏形态为鼓胀破坏;(4)膏岩损伤演化过程可分为初始损伤期、损伤快速发展阶期与损伤平稳期,能够与膏岩变形破坏阶段对应;损伤快速发展期为膏岩内部裂隙发展、贯通的主要阶段。     

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。     

岩石分级加载蠕变的能量耗散与变形机制研究

通过对岩石加载–蠕变–卸载的能量转换与变形机制分析,利用RLW–2000型岩石三轴流变仪,对2组岩石进行单轴分级加载蠕变试验,分析岩石不同应变差值下能量的耗散过程,确定岩石不同加载水平(或循环次数)与变形模量的关系,研究加载蠕变与应力卸载的曲线路径。结果表明:岩石分级加载蠕变的能量转换可分为加载应变与蠕变应变2个部分,随着每一级载荷作用下应变差的增加,岩石塑性应变能与耗散能呈非线性增加趋势,且塑性应变能曲线与耗散能曲线的开口、应变差及岩石损耗能量也越大;在相同加载水平下,岩石塑性应变能大于耗散能,且应变差与塑性应变能、耗散能的关系可分别用二次多项式、乘幂函数进行描述;岩石变形模量随着加载水平(或循环次数)的增加而变大,表现为先突然增加较大到缓慢增加至趋于相对平缓,相同加载水平(或循环次数)下,高强度岩石变形模量大于低强度岩石变形模量;岩石加载蠕变应变与卸载应力松弛均随加载水平的提高而增大,相同加载水平下,高强度岩石蠕变应变小于低强度岩石蠕变应变,但高强度岩石应力松弛大于低强度岩石应力松弛,高强度岩石加载曲线穿越上一级载荷卸载后的应力松弛区,而低强度岩石加载曲线则穿越上一级加载水平后的蠕变应变区。