冻融荷载耦合作用下单裂隙岩体损伤模型研究

针对寒区节理岩体工程结构中的冻融受荷岩体,采用在类岩石材料中预制裂隙的方法模拟节理岩体,通过冻融循环试验和单轴压缩试验,分析裂隙岩样的几何特征(裂隙长度、裂隙倾角)对岩体强度的影响;基于细观损伤理论和宏观统计损伤模型,建立冻融受荷裂隙岩石损伤劣化模型,探讨裂隙岩体在冻融和荷载耦合作用下的损伤劣化机制。研究结果表明：(1) 岩石反复冻融引起的损伤是一个疲劳破坏的过程,受荷损伤是岩石类非均质材料各组成成分对力的传递速率以及自身变形差异性引起应力场不均匀分布的过程;(2) 冻融和受荷以不同的力学机制促使岩石中裂纹的萌生和扩展,由此诱发的损伤相互耦合,其耦合作用会使总损伤有所劣化;(3) 裂隙长度以及冻融循环次数对总损伤的影响较大,而裂隙倾角对总损伤的影响相对较小;(4) 相同的冻融循环次数下,裂隙岩样较完整岩样的损伤劣化程度严重。     

冻融循环作用下单裂隙类砂岩局部化损伤效应及端部断裂特性分析

 寒区饱水裂隙岩体受反复冻融作用影响,沿裂隙端部出现裂纹萌生、延展、偏转、分叉等现象,造成裂隙端部局部化区域损伤,进而诱发端部断裂造成岩体整体失稳。现采用相似材料配制0°,30°,45°,60°,90°的单裂隙类砂岩试样,并对裂隙内部充分饱水,展开10,20,30,50次冻融循环试验,而后观测裂隙端部区域在不同裂隙倾角、冻融循环次数下局部化损伤效应差异规律。藉此,对裂隙岩体在冻融循环作用下的局部化损伤效应进行分析,并结合断裂力学应力叠加理论,验证了因局部化损伤效应造成的裂隙端部断裂特性及扩展路径规律。结果表明：(1) 冻融循环作用下单裂隙岩体存在局部化损伤效应,按照局部区域宏观裂纹发育状况,可将裂隙端部划分为：断裂区、渐进损伤区、系统损伤区;(2) 随着裂隙倾角增大,冻融循环过程造成的局部化损伤效应越不显著,对应的声波波速值越大;(3) 冻融循环过程中,主要在30°,45°,60°斜裂隙岩体出现主裂纹分叉、偏转现象;(4) 裂隙角度愈缓,冻融循环作用造成的主裂纹偏转现象越早产生,偏转方向逐渐趋于水平,且沿初始裂隙走向的延展长度越短;(5) 冻融循环引起局部化损伤在上下端部存在差异,裂隙下端部较早发生宏观断裂,且倾角越大,差异现象越明显。研究将为冻融作用下裂隙岩体局部损伤及端部断裂演化规律提供技术参考。     

冻融荷载耦合作用下含开口裂隙砂岩宏细观损伤模型研究

开展宏细观尺度的岩石损伤演化规律是评价冻岩力学性质劣化过程的基础。以含开口裂隙砂岩为对象,从开口裂隙体积的角度,基于称重法提出宏观损伤变量的计算方法;结合长期冻融循环下岩样成分及物理力学性质变化特性,对张开孔隙率之差进行了合理修正,由此得到冻融作用下的细观损伤变量;考虑荷载作用下初始孔隙、裂隙压密的特点,采用统计损伤力学理论,建立荷载作用下细观损伤变量计算模型;并通过基于Lemaitre应变等效假设的宏细观总损伤计算方法,计算得到宏细观耦合总损伤;根据推广后的应变等价原理,构建了考虑初始压密段影响的总损伤本构模型。为了验证模型的合理性,采用预制的含0°,30°,45°,60°,90°倾角的裂隙砂岩岩样和完整砂岩岩样,开展多次冻融循环后的物理力学性质试验。研究结果表明：冻融循环次数较少时,冻融损伤变量增长较快,冻融损伤变量随循环次数的增加逐渐趋于稳定并缓慢增加;裂隙倾角对砂岩岩样内部微孔隙、微裂隙的扩展影响表现为损伤变量的增速不同,含45°倾角岩样的冻融损伤变量增速最大,冻胀力引起含45°倾角岩样的微孔隙、微裂隙扩展速率最快;细观总损伤模型和宏细观耦合总损伤模型曲线演化规律趋于一致,冻融...     

冻融–受荷协同作用下砂岩细观损伤演化CT可视化定量表征

冻融循环是导致寒区受荷岩石发生加速风化破坏的重要因素,而精细化认知冻融–受荷协同作用下砂岩损伤演化及内在机制,对于准确理解寒区岩石全过程损伤特性具有重要指导价值。开展冻融–受荷协同作用下砂岩损伤过程原位CT实时扫描试验,基于CT图像交互式阈值分割和三维孔隙结构模型重建方法,实现单轴压缩过程中冻融砂岩内部孔(裂)隙演化的精细化识别和可视化定量表征,并运用格子玻尔兹曼法进行冻融–受荷协同作用下砂岩孔隙结构连通变化的三维模拟,明确冻融–受荷条件下砂岩细观结构损伤演化规律。结果表明：(1)冻融砂岩孔(裂)隙结构损伤具有连续演进特征,但损伤演化速度存在突变现象,其中,孔(裂)隙的体积陡增可作为岩样临兆破坏信号。(2)区别于常规加载作用,冻融后砂岩单轴压缩破坏由单一贯通剪切面的破坏向拉–剪混合破坏转变,且破坏面数量随冻融次数的增加而显著增多。(3)岩样孔道数目随冻融次数增加而增加,且隙间连通性趋于增强;试样的最大孔隙半径、孔道数目、最大孔道半径、孔隙度等随荷载的增加而变大。冻融–受荷协同作用下砂岩压缩破坏系孔隙与孔道持续错动、扩展的累积效应的结果。(4)低次冻融循环砂岩受荷破坏后,内部孔(裂)隙结...     

砂岩冻融损伤机制的理论分析和试验验证

 由于岩石性质的复杂性和环境条件的多变性,岩石冻融损伤并不是单一机制造成的,应是各种机制共同作用的结果,但往往存在主导性的机制。首先对已有冻融损伤理论进行系统介绍,分析各自的适用条件。之后探讨多孔岩石(以砂岩为例)的孔隙结构对冻融损伤机制的控制性作用,并定义“特征冻融损伤单元”。利用热力学原理分析不同的冻结条件下砂岩内部可能发生的冻融损伤机制和主导机制。当冻结速率低时,毛细管机制(理论)和结晶压机制(理论)应在岩石的冻融损伤中起主导作用,而体积膨胀机制则受到抑制;当冻结速率高时,体积膨胀机制和静水压机制应在岩石的冻融损伤中起主导作用,而毛细管机制和结晶压机制则受到抑制。最后利用砂岩的冻融损伤试验--包括利用环境扫描电镜(ESEM)对砂岩孔隙结构及冻融损伤的微观观察和利用应变片对砂岩的冻胀变形过程的监测,对砂岩的冻融损伤机制进行了验证,试验结果与理论分析的结论相一致。     

冻融环境下不同饱和度砂岩损伤演化特征研究

为探究冻融环境下不同饱和度砂岩的损伤演化规律,通过冻融循环、CT扫描和单轴压缩试验,结合三维可视化软件及分形理论,对冻融过程中自然含水、不完全饱水和完全饱水砂岩的孔隙率、渗透率、孔喉参数、分形维数及宏观力学指标的演化过程进行定量分析。结果表明:(1)冻融作用下含水饱和度决定了岩样冻融损伤的程度,完全饱水砂岩损伤劣化最为剧烈,自然含水状态损伤程度最低,饱和度是造成岩石冻融损伤的主因;(2)完全饱水砂岩细观结构具有高度非均质性,其孔隙率、渗透率、孔隙参数、喉道参数及分形维数均随冻融次数增加呈指数型增长,自然含水和不完全饱水状态呈直线型增长,孔隙率、渗透率均与分形维数成正相关,冻融损伤为产生小孔隙和增加原喉道长度;(3) 3种含水状态砂岩强度、弹性模量随冻融次数增加均呈直线型降低,150次冻融后,完全饱水岩样强度下降了98.53%,分别是自然含水、不完全饱水的1.68和1.26倍,宏观力学强度与孔隙率、分形维数成负相关,岩石细观结构是影响宏观力学特性的关键;(4)初始冻融荷载损伤变量即为对应冻融次数下的冻融损伤变量,损伤演化曲线有明显的阶段特征,加载过程中损伤变量由下凹形上升到上凸形增长再到平缓增加。研究成果将为科学评价寒区冻融环境下岩体工程的长期稳定性提供理论依据。     

裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合模型及其应用

 从岩体结构力学和细观损伤力学的角度出发,根据裂隙发育与工程尺度的关系,建立合理且适用的裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合数学模型,该模型能真实反映渗流场与应力场耦合作用下裂隙岩体的损伤演化特性,并能模拟由于渗透压的存在和变化引起的拟连续岩体内翼形裂纹的开裂、扩展和贯通等损伤演化特性和高序次贯通裂隙的张开、闭合。建立考虑渗透压力的三维含水裂隙岩体弹塑性断裂损伤本构方程和损伤应力状态作用下流体渗流方程,给出该数学模型的求解策略与方法,开发裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合分析的的三维有限元计算程序DSDFC.for。该计算程序能模拟岩体分步开挖、应力和渗流边界的动态变化,对裂隙岸坡蓄水加载过程进行渗流–损伤–断裂耦合分析,发现水库蓄水后岸坡山体的竖向抬升,随水位上升岸坡破损区增大,断层塑性区向岸坡深部扩展,与裂隙渗流比较,拟连续岩体渗流滞后。     

双裂隙类砂岩冻胀断裂特征与强度损失研究

寒区裂隙岩体受冻融作用的影响经常发生断裂破坏。为了研究岩桥倾角对裂隙岩体冻胀扩展过程、断裂破坏特征以及强度损失的影响机制,利用相似材料制备含不同岩桥倾角的双裂隙类砂岩试样,并开展一系列裂隙注水、不注水的冻融循环和单轴压缩试验,得到冻胀裂纹扩展特性及对类砂岩力学特性的影响规律。研究结果表明:(1)受裂隙冻胀力的驱使,冻胀裂纹不断扩展延伸,并伴随着"枝状"微裂纹的生长;(2)冻胀裂纹的外尖端主要沿着初始裂隙方向扩展,而内尖端受应力干扰作用会朝着另一条预制裂隙外尖端发生偏转,且岩桥倾角?越大,这种偏转效应越明显;(3)试样单轴压缩破坏模式容易受到冻胀裂纹的影响,当岩桥倾角?=90°～135°时,主要沿着冻胀裂纹方向发生剪切破坏,导致试样强度明显降低;而当?=180°时,冻胀裂纹不再是试样单轴压缩破坏的主要诱因,对其强度损失和断裂特征几乎没有影响。     

钢纤维混凝土周期荷载作用前后AE及损伤演化对比研究

对0.5%、1%、1.5%以及2%4种钢纤维掺量下的混凝土进行了周期循环荷载作用前后的单轴压缩声发射(AE)监测试验。研究结果表明:随着钢纤维含量的增加,混凝土的单轴抗压强度呈对数型增长,延性变形能力显著提高;未疲劳荷载时,声发射呈"活跃—平静—活跃—平静"阶段性的"S"型变化特征,周期疲劳荷载后,声发射呈"活跃—平静"的两阶段特征;均质性系数m随钢纤维含量的增加而逐渐减小,表明混凝土越不均质;基于Weibull分布理论,分析得到声发射参数与损伤之间的关系表明:未疲劳荷载前,损伤呈指数型函数增长,并存在明显的损伤阈值,经过周期疲劳荷载后,损伤值在加载前期增长较快,并呈三阶段变化特征。     

单裂隙岩体冻融力学特性试验分析

采用具有不同几何特征的闭合裂隙类砂岩模型试样,进行冻融后的单轴压缩试验,分析裂隙岩体经不同冻融循环次数后的物理力学特性,以及不同裂隙倾角、不同裂隙长度的岩样对冻融岩体强度及破坏形态的影响。研究发现:预制闭合裂隙对冻融岩样外观破坏特征影响不是很大;同一类岩样在其它条件相同的条件下,单轴抗压强度及弹性模量随着冻融次数的增加而减小,相同的冻融次数,相同裂隙倾角不同裂隙长度的试件,随着裂隙长度的增长,单轴抗压强度有较大幅度降低,且随着裂隙倾角的增大,降低的程度越来越小;而对于相同的冻融次数,相同裂隙长度不同裂隙倾角的试件,倾角的变化对冻融岩样的影响不大;冻融岩样单轴试验破坏形态随着冻融次数的增加,由单一的较平滑的破坏面逐渐发展为多个表面粗糙的破裂面,除完整岩样及倾角为90°的岩样为劈裂破坏外,其余裂隙岩样基本为沿裂隙面的剪切破坏。     

水化学作用下砂岩的冻融损伤特性试验研究

为研究砂岩在不同化学溶液中冻融循环后的物理力学特性,在H2SO4溶液(pH≈1.5)、NaOH溶液(pH≈12.5)、NaCl溶液(pH≈7,质量分数为4％)、水溶液中进行冻融循环试验、孔隙度测量,对不同溶液中经历不同冻融循环次数的岩样进行巴西劈裂试验.结果表明:不同溶液中岩样质量变化不同,水溶液中岩样质量增加,但Na...     

热损伤后北山花岗岩裂隙演化及渗透率试验研究

以高放废物重点预选场址甘肃北山花岗岩为研究对象,开展了不同温度和不同加热速率高温损伤后岩石压缩全过程渗透率试验。研究发现:(1)饱水率、波速、弹模、峰值强度等物理力学性质及渗透率突变温度阈值均在500℃~600℃之间;低于500℃处理后试件的初始渗透率无明显变化,600℃处理后,晶内裂纹的大量出现使裂纹连成网络,岩石的初始渗透率急剧增长,增长幅度达2~3个量级。(2)低于5℃/min,岩石的损伤主要由造岩矿物颗粒热膨胀系数和弹性模量的不同导致在颗粒间形成热应力造成的;高于5℃/min,温度梯度导致的热应力将诱发裂纹。(3)电镜扫描显微图像显示100℃~573℃处理后裂纹主要集中在晶粒边界,高于573℃处理后长石和石英晶体内相继出现穿晶裂纹,晶内破裂均贯通整个晶粒,与周围裂隙网络连接。(4)热处理后试件渗透率出现2种不同的渗透类型:600℃以下处理后试件在压缩全过程随应力增加渗透率分为下降段、水平段、稳定增长段和急剧上升段;600℃以上高温处理后,渗透率在压缩全过程持续降低。(5)弹性阶段前渗透率与裂隙体积应变呈现良好的线性关系,随裂隙体积的减小,渗透率降低。     

冻结裂隙砂岩单轴压缩损伤特性CT试验

对含有预制双裂纹的冻结裂隙砂岩试样单轴压缩细观损伤破坏机理进行了CT动态试验，得到了裂纹萌生、发展、宏观裂纹形成和破坏等不同阶段的岩石损伤CT图像和CT数。研究结果表明，与无预制裂隙的冻结岩石试样相比，已有预制裂纹对冻结裂隙岩石中新裂纹的起裂侮置及贯通性宏观破坏裂纹的形成具有重要影响。预制裂纹的存在导致冻结裂隙砂岩试样的扩容量大于完整冻结试样破坏时的扩容量。     

单轴荷载下砂岩波速特征与损伤演化规律研究

超声波波速变化是判定岩体裂纹扩展、损伤演化的重要手段。联合单轴压缩与超声波波速测试试验,探索了加载过程中砂岩试样的波速变化特征,并据此对砂岩的破裂发展及损伤程度开展了评价。结果表明,在压密和弹性阶段内,砂岩的波速和动弹性模量都呈增大趋势,表明砂岩结构随加载变得更加致密;而随加载进行由弹性阶段逐渐进入塑性阶段,波速和动弹性模量均开始下降;横波、纵波波速的转折点基本对应压密—弹性、弹性—塑形的转折点,而波速比的变化较符合岩心内部裂隙发展特征;对比发现,横波波速变化比纵波波速敏感性更大;在整个加载过程中,岩石的动弹性模量与应力应变曲线都呈现良好对应关系,表现为弹性阶段后期动弹性模量开始下降,而进入塑性阶段后,动弹性模量下降速率渐趋于最大值。该研究可为砂岩内部损伤演化规律及灾变预报预警等有益参考。     

多裂隙岩体的损伤断裂分析及工程应用

本文通过对裂隙岩体内的应力、应变的体积平均,提出了适合于多裂隙岩体特性的等效连续模型。综合运用损伤力学和断裂力学理论,定义了岩体损伤张量、有效应力张量、损伤应变等;建立了损伤演化方程和多裂隙岩体的本构关系。利用所建立的模型,对一座水电站地下厂房的分步开挖进行了数值模拟。     

剪切条件下单裂隙渗流机制试验及三维数值分析研究

为研究裂隙内部接触面对其过流能力的影响,设计具有相同接触率、不同接触面分布方式的2组平行板裂隙以及1组具有天然特征的人工裂隙,分别进行渗流试验和剪切–渗流试验,并对试验过程进行有限元数值模拟。数值模拟结果与试验结果的对比表明,相对于一维的立方定律和二维的Reynolds方程,基于三维的Navier-Stokes方程的数值方法更能精确模拟出裂隙内过流的实际状态。裂隙的过流能力不仅受接触率和接触面分布方式影响,还受雷诺数的影响。雷诺数较大时,随着雷诺数的增大,裂隙的水力传导系数降低;同时,接触面的附近区域还会观察到回流,这被认为是导致裂隙水力传导系数降低的重要因素之一。     

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...     

多级时效荷载下双裂隙砂岩变形与破裂特征试验研究

 实际工程中,岩体在进入最终应力状态前会经历多级时效荷载的作用。为研究该荷载下裂隙岩体强度、裂纹扩展和变形特征等的变化规律,以通过对砂岩切割并充填水泥砂浆制备的裂隙试样为对象,开展多级时效荷载下的三轴压缩试验。试验结果表明：多级时效荷载下,3种不同裂隙组合试样的强度较常规压缩均有一定程度的降低,陡缓和陡陡裂隙岩体的强度均在起裂强度?ci和扩容应力?cd之间。裂纹扩展特征方面,在相同应力路径下,随着围压的增大,裂隙岩体的破坏呈现更强的剪切性质;缓缓裂隙组合岩体的破坏形式主要受裂隙本身的分布形态所控制,受应力水平和加载路径的影响较小,在试验中均以裂隙岩桥直接贯通发生破坏;相同围压条件下,陡缓和陡陡裂隙组合岩体在时效荷载作用下的破坏较常规压缩下的破坏表现出更强的张拉性质。利用Burgers蠕变损伤模型分析各岩体间的关系,指出岩体间变形的差异主要由裂隙特征导致的初始损伤差别和岩体处于不同强度区间而导致的不同时效损伤引起,为建立岩体时效损伤模型的进一步研究提供了参考。     

冲击荷载下裂隙类煤岩组合体能量演化与分形特征研究

利用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)对预制裂隙类煤岩组合体进行冲击压缩试验,探究不同裂隙形式组合体的能量演化特征,分析裂隙位置与倾角对组合体破碎分形维数的影响。结果表明:裂隙组合体试件能量耗散与分形特性与裂隙倾角及位置有关。相比完整组合体,裂隙位于煤体或结合面处时,裂隙组合体试件破碎耗能占比与破碎耗能密度偏小,位于岩体中时有所偏大,且各裂隙位置下倾角为30°与60°时对其影响较大,90°时影响较小。裂隙位于岩体中或倾角为90°时,试件分形维数与完整组合体接近,其他裂隙位置或倾角下相差较大。裂隙的存在影响组合体试件的破碎特性,在对复合岩体开挖破碎或支护时,应根据复合岩体的强度与裂隙发育特征,合理布置施工参数,以达到更好的掘进或支护效果。     

砂岩裂纹起裂损伤强度及脆性参数演化试验研究

岩石起裂强度σci及损伤强度σcd作为岩石重要的强度特征值,其研究对于分析岩石的渐进破坏过程及预测隧洞脆性破坏有着重要意义。首先采用应变分析及声发射监测方法,研究了两组硬质砂岩试样在单轴及三轴压缩过程中的裂纹演化特征。试验结果表明,试样的侧向膨胀变形及声发射计数值可以较好地反映其内部的裂纹演化情况,二者随着裂纹的萌生积累都表现出一致的阶段性变化规律。同时通过进一步分析应变及声发射曲线中的阶段性变化拐点,确定了砂岩试样的起裂强度及损伤强度值。其中青砂岩平均起裂强度约为其峰值强度的0.42倍,红砂岩平均起裂强度则约为其峰值强度的0.48倍。最后通过对比不同围压下的试验结果,发现两组砂岩试样起裂阶段内摩擦角均小于其峰值阶段,初始φ0约为终值的1/2。由此定义了可反映岩石脆性程度的起裂摩擦水平φ_0/φ,并建立考虑摩擦作用的线性起裂准则。