基于PMC模型的破坏模式转化型强度准则

进入深部后,受高应力、强扰动影响,岩石岩体中拉断、剪切及压密屈服等破坏模式共生的现象凸显,深部岩石表现出明显地非线性行为,岩石破坏在多种破坏机制中转化。深部岩体强度理论需考虑中间主应力的影响,本文基于Paul-Mohr-Coulomb(PMC)准则,考虑多孔岩石破坏模式间的转化和高围压下裂隙坍塌的特征,提出了在高围压应力情况下,表征压剪屈服的Back-Paul-Mohr-Coulomb(BPMC)模型;推导了BPMC模型摩擦角包络线的表示方法,根据分段线性原则,在p-q平面中获得12边形BPMC线性破坏准则;基于应力不变量在p-q平面的转换关系,利用最小二乘法拟合获得了模型的特征参数。为了验证PMCBPMC准则及对应破坏模式转化理论的合理性,本文拟合了PMCBPMC模型,将拟合破坏面与试验数据进行对比;选用四川黄砂岩和金川大理岩,进行多组室内三轴压缩试验,研究不同围压下岩石破坏特征和强度特征,实验采用自主研发的便携式自密封岩石三轴试验高压舱加压系统。对试验数据进行拟合,获得的破坏包络线与实验数据拟合度较好;四川黄砂岩在围压达到90 MPa后出现剪应力峰值拐点,产生了孔隙坍塌型破坏,为压屈服破坏。结果表明:PMCBPMC模型能预测孔隙岩石的帽子屈服面,拟合岩石破坏模式从剪切破坏到压剪破坏的过渡,可预测不同围压下的破坏强度及对应破坏模式。     

高应力下花岗岩抗剪强度参数特征试验研究

为促进深部矿产资源的安全高效开采,基于取自程潮铁矿西区-395m水平的主要围岩花岗岩的试件,通过伺服试验系统开展高应力下的常规三轴压缩强度试验,研究花岗岩的破坏、强度和参数特征。研究结果表明:1)随着围压的增加,花岗岩的破坏形式由剪切破坏逐渐向剪切劈裂复合型破坏转变,破坏形态由单一破坏断面逐渐转变为多破坏断面,破坏断裂角逐渐减小。2)花岗岩的三轴强度和抗剪强度与围压的关系在低围压下基本均呈线性,在高围压下则均呈上凸的非线性。3)花岗岩抗剪强度参数具有明显的围压效应特征,具体表现为凝聚力和内摩擦角随着围压的增加分别呈逐渐增大和减小的趋势。结合Hoek-Brown准则对瞬态抗剪强度参数的确定进行了初探,结果表明参数推导值的变化趋势符合参数试验规律,但推导值与试验值存在一定的差异,说明Hoek-Brown准则在表征高应力下岩石三轴强度的非线性上仍存在局限,有待进一步研究。     

岩土三轴试验中的粘聚力与内摩擦角

根据莫尔-库仑破坏准则,岩土三轴试验的轴向破坏应力与围压之间呈线性关系。根据包络线定理,通过求解三轴试验应力圆包络线,得到粘聚力c、内摩擦角φ的计算公式。该公式具有物理意义明确,表述简单,且c、φ值可分别独立计算等特点,开辟了抗剪强度参数计算的新途径。据分析,粘聚力c与σc（零围压时的轴向破坏应力）成正比,随K（轴向破坏应力随围压变化的斜率）增大而下降;内摩擦角φ只随K增大单调升高。应用该公式列出了多组岩土工程中有一定代表性的岩土三轴试验数据。     

循环加卸载下花岗岩能量演化及分配规律

为探究岩石损伤破坏过程中的能量演化及分配规律,以焦家矿区花岗岩为研究对象,利用ZTR-276三轴应力试验系统进行三轴循环加卸载试验,。研究结果表明：循环加卸载试验过程中,花岗岩的应力峰值和轴向应变量随着围压增加逐渐增大,表现出明显的围压效应;循环加卸载试验下,总能量密度,弹性能密度和耗散能密度在峰前阶段均与轴向应变呈正相关关系;随着围压增大,岩石储能效率增加,最大弹性能占比增大,最大耗散能占比却随着围压的增大而降低。研究结果可为循环扰动条件下深部巷道围岩损伤破坏失稳提供理论指导意义。     

循环载荷下深部花岗岩的破坏机理研究(增刊)

在深部地下环境,随着温度升高和围压增大,花岗岩等硬岩呈现出从脆性到塑性转变的特性。同时,其力学行为和本构关系也会发生重大变化。岩石在循环载荷作用下,内部裂隙分阶段扩展,破坏过程受到裂隙空间分布、力学行为和加载条件等的影响。本文以水厂露天矿混合花岗岩为研究对象,通过三轴压缩试验和声发射监测试验,得到了岩石破裂各阶段的声发射特征值和相应的应力水平,获得了裂隙初始应力、裂隙贯通应力、峰值应力和残余应力的强度包络线,分析了深部花岗岩的破坏机理,确定了声发射信号和岩石破坏特征之间的对应关系,为工程应用提供了依据。     

大理岩脆－延性转换的微观机理研究

为探讨高水压对大理岩变形、强度、脆－延转化特性及破坏断裂损伤劣化的影响，取锦屏二级水电站引水隧洞大理岩分别进行高水压、高围压、低围压作用下全应力－应变过程三轴压缩对比试验，对大理岩破坏断裂断口进行微观扫描电镜试验，分析不同工况条件下大理岩断口微观形貌特征.结果表明，在低围压作用下莫尔强度包络线近似为线性，在高围压作用下莫尔强度包络线为非线性.高外水压力的存在抑制了岩石脆性向延性的发展，降低了岩石的强度，对软化区裂纹的扩展起到加剧作用.通过微观数字图像实验分析可知，高围压比低围压条件下大理岩断口裂纹长度小、密度大，分布均匀.给出了高水压、高围压作用下岩石破裂产生的微观损伤力学机理，为进一步分析高围压、高内外水压条件下非圆形洞室围岩失稳破坏提供了可靠的理论依据.     

循环载荷下深部花岗岩的破坏机理研究

在深部地下环境,随着温度升高和围压增大,花岗岩等硬岩呈现出从脆性到塑性转变的特性。同时,其力学行为和本构关系也会发生重大变化。岩石在循环载荷作用下,内部裂隙分阶段扩展,破坏过程受到裂隙空间分布、力学行为和加载条件等的影响。本文以水厂露天矿混合花岗岩为研究对象,通过三轴压缩试验和声发射监测试验,得到了岩石破裂各阶段的声发射特征值和相应的应力水平,获得了裂隙初始应力、裂隙贯通应力、峰值应力和残余应力的强度包络线,分析了深部花岗岩的破坏机理,确定了声发射信号和岩石破坏特征之间的对应关系,为工程应用提供了依据。     

三轴循环加卸载下花岗岩损伤的声发射特征及能量机制演化

利用TYP-500型三轴试验机进行三轴常规及循环加卸载试验,借助PCI-2声发射系统记录花岗岩破坏过程的声发射信号。试验结果表明:循环加卸载试验使花岗岩的弹性模量变大,较常规三轴压缩强度,循环加卸载强度大致提高了3.5%;随着循环加卸载次数的上升,花岗岩不可恢复的变形量变大,为最大变形的5%左右,表明花岗岩具备明显的"记忆性"功能;花岗岩声发射振铃计数突变点大致在峰值应力的90%处,可将此作为判断花岗岩破坏的前兆;围压越大,弹性能所占比越大,说明围压影响岩石内部能量的分配;在峰值强度的0.3~0.4处,弹性能所占比达到0.9左右,说明在荷载达到试件峰值强度之前,岩样内部的能量演化已经发生转变,并保持在一定水平。     

高应力高水压下深部花岗岩力学响应联动机制

深部高应力环境下,岩体通常处于应力峰后段,裂隙发育,岩石破碎,在这样的环境下,高水压对岩体性能的影响将更为明显。本研究针对千米以深的岩体峰后特性开展试验研究工作。采用水力耦合条件下的三轴循环加卸载试验,获得全应力-应变曲线。通过获取起裂应力、扩容应力、峰值应力、残余应力等应力阈值,对岩石各个应力应变阶段进行划分。通过计算各变形参数及渗透率获取岩石水力参数的演化规律;针对高围压、高渗透压环境下花岗岩破坏后表现出的较高残余强度,对比分析不同围压等级下残余强度与峰值强度的比值,获得不同高围压等级对于花岗岩石峰值破坏时强度衰减的影响曲线;通过分析峰后残余段初始渗透率较峰值处渗透率的损失值,揭示岩石受围压因素影响从峰值处至残余段渗透性能变化过程,获得不同高围压等级与渗透率波动的相关性。最后通过拟合岩石扩容阶段、残余阶段损伤变量与渗透率演化曲线,研究两者之间的相关性。结果表明:碎裂质花岗岩受高围压、高水压耦合作用下,表现出无压密段、起裂点低、较长的屈服阶段与扩容阶段以及破坏后保留较高承载能力的力学特性;弹性模量在峰前阶段呈现下降趋势,在峰后残余阶段表现出先上升后下降的趋势,泊松比的演化规律正好相反...     

不同卸荷速率下北山花岗岩力学特性试验研究

为探讨在增轴压卸围压的应力路径下不同卸荷速率对甘肃北山花岗岩力学性质的影响,对北山花岗岩进行了不同速率、不同围压条件下的卸荷试验,并与循环加卸载试验强度方面的数据对比分析,研究花岗岩的强度变形特征和破坏特点。研究结果表明:1围压效应明显,峰值强度随实时围压升高而增强;卸荷试验峰值强度包络线在循环加、卸载试验峰值强度包络线上方,且随着卸荷试验速率的升高,岩样峰值承载能力增强。2随着卸荷速率的增加,黏聚力增大,但内摩擦角变化较小且无明显规律;相比循环加卸载试验,卸荷试验的黏聚力降低了8%~20%,内摩擦角提高了9%左右。3随着围压的增加,卸荷试验峰值点至峰后应力跌落点的横向应变增量先减小后增加;不同围压下的卸荷起点至卸荷峰值点的横向应变增量在0.5~2.0 MPa/min卸荷速率区间内有相同的增减趋势。4随着卸荷试验速率的增加,岩样破裂面贯通程度增加;随着围压的升高,主破裂面破裂角增大,且破裂面更加平直。     

基于核磁共振技术的花岗岩三轴压缩峰前裂隙发育及损伤规律研究

基于核磁共振技术,对花岗岩三轴压缩作用下的裂隙发展规律进行分析,得到花岗岩在20 MPa围压条件下的应力-应变曲线、以及不同轴压状态下岩石孔隙度和T_2谱曲线。结果表明:T_2谱曲线直观、真实地反映岩石内部裂隙发育过程,孔隙度随轴向应力增加呈指数形式增长。花岗岩三轴压缩低轴压阶段,岩石损伤以裂隙数增加为主要诱因;高轴压条件下,岩石损伤主要由裂隙数增加及裂隙贯通引起。三轴压缩过程中,花岗岩存在轴向应力临界值,当超过该值,新生裂隙受到抑制,同时已有裂隙扩展至贯通,试验中花岗岩的轴向应力临界值为峰值强度的50%~70%。20 MPa围压状态下的花岗岩损伤度随岩石孔隙度、轴向应力的变化特征符合指数函数关系。     

不同围压下黄砂岩力学特征与声发射特征

为研究不同围压下黄砂岩的力学特征、声发射特征和岩石破裂形态,采用ROCK 600-50型岩石三轴流变仪与声发射系统对黄砂岩进行常规三轴试验,研究不同围压下的黄砂岩的峰值应力、峰值应变、残余强度及破坏形态变化特征,讨论了黄砂岩破裂过程声发射计数演化规律。结果表明:黄砂岩试件的峰值应力、轴向峰值应变和残余强度均随围压的增加而增大,围压对径向峰值应变影响较弱,通过对声发射计数分析,黄砂岩破坏程度随围压增大更加剧烈,会出现二次或多次破坏,围压减少了黄砂岩破坏过程中主裂纹数目,并明显抑制了次生裂纹的产生。     

不同围压下花岗岩破裂机制及形状效应的离散元研究

在花岗岩地层中开挖隧道时会引起围岩的变形破坏,多表现为岩爆、板裂、塌方等形式,通过室内单轴和三轴压缩试验能得到花岗岩的宏观力学参数及其渐进破坏机制。室内岩石试验可以从宏观角度分析花岗岩的破坏本质,而通过PFC2D离散元软件模拟室内单轴及三轴试验,则可以从微观方向研究分析花岗岩的破坏过程。本文以港珠澳大桥连接线南湾隧道工程为背景,综合采用室内岩石力学试验和离散元数值模拟方法,从宏观、微观两种角度对不同围压条件下花岗岩的宏细观力学参数、破裂机制及其形状效应进行了对比分析,全面的研究分析了花岗岩的变形破坏本质。研究结果表明:①数值模拟与室内试验所得的结果,无论是宏观力学参数还是最终破坏形态均较为接近;随着围压的增大,岩石的峰值强度增加、弹性模量基本不变;随着试件长径比L/D增大,岩石峰值强度减小、弹性模量增大。②采用基于相对轴向应变和单位面积裂隙数量的统计方法,能更加合理分析岩石微观渐进破裂机制;随着试件长径比L/D增大,岩石最终破坏形态逐渐从张拉破坏转变为剪切破坏;当L/D=1.0时单位面积内最终裂纹数量最大,当L/D=2.0时剪切裂纹所占比例最大。③随着岩石试件长径比L/D的增大,其峰值强度有所减小且受围压影响明显,弹性模量也明显的增大但与围压的关系不显著。④通过分析裂隙数量与应变关系可知,在不同围压条件下,岩石内部裂隙数量随着轴向变形的增加呈现"S"型曲线增长,当轴向变形接近峰值应变时裂隙出现突变增长,且仅当围压较小时最终裂隙数量趋于收敛。⑤随着试件长径比L/D的增大,岩石破坏时单位面积内裂隙数量逐渐减少,且减小速度增快。总的来说,岩石试样的形状改变对花岗岩的整体峰值强度和弹性模量有着明显的影响,因此,室内试验中应合理设计岩石试样的形状,以获取准确的岩石强度和力学参数。     

非静水压条件下深部岩石能量耗散规律及破坏特征试验研究

深部岩石常处于非静水压初始应力场,岩石所处应力状态的不同导致其对动态荷载的响应有所差异,为研究非静水压及动载耦合作用下岩石的动力学行为,利用分离式霍普金森杆试验系统,开展多种初始应力组合下的岩石动态压缩试验,分析不同非静水压条件对岩石能量耗散及破坏规律的影响规律。通过试验结果发现,轴压和围压均对岩石动态强度产生显著影响,以8 MPa时为临界点,岩石动态强度随着轴压提升呈先增加后减小的趋势,但岩石动态强度随着围压的增加持续增大;岩石耗散能随着轴压的增加逐渐减小,但随围压变化趋势较为复杂,在轴压较低时,耗散能随着围压的增加而减小,在轴压较高时,耗散能随围压提升表现出先增加后减小的特征。根据试样的表观及内部破坏形态,结合分形理论及CT扫描技术,分析不同非静水压力条件下岩石的破坏模式发现,岩石表观裂纹与轴围压比存在显著关联,当轴围压比较低时,岩石侧面及端面裂纹较少,随着轴围压比的提高,岩石表观裂纹明显增加。通过对岩石扫描后横向及纵向切片分析发现,岩石内部同时存在环向和径向裂纹,且岩石破坏由贯穿型剪切裂纹控制。同时可以发现,非静水压条件下岩石的破坏可分为中心圆台形岩块和周边破碎岩块2部分,当轴压...     

不同加载条件下花岗岩声发射特征及其岩爆倾向性研究

试验现场取样并利用TYP-500型三轴试验机进行岩石力学实验,借助PCI-2声发射系统记录试件的加载破坏全过程的声发射响应信号;通过声发射振铃计数分析单调加载不同围压、循环加卸载不同围压、单轴不同加载以及三轴不同加载条件下花岗岩声发射特征,发现常规单轴和常规三轴试验岩样声发射规律基本一致;大致均在峰值应力强度的90％左右,声发射累计计数突然增大,可将此作为判定花岗岩破坏的前兆特征;在室内岩石力学试验与现场调研的基础上,基于全应力-应变图,结合冲击能系数判据,确定金源矿区的岩爆倾向性,且用单轴循环加卸载方式来快速判断岩石岩爆倾向性具有一定的参考价值,并可在进一步的研究中将其应用到现场预测当中。     

三轴压缩岩石应变软化及渗透率演化的试验和数值模拟

三轴压缩下岩石峰后应变软化行为及渗透率演化规律是岩石工程稳定性分析的基础。取新疆巴里坤砂岩样在室内开展了三轴压缩试验和三轴渗流试验,获得了不同围压下巴里坤砂岩的全程应力应变曲线、体积应变与渗透率关系曲线。试验结果表明：随着围压增加,岩石峰后残余强度增加,体积扩容和脆性减弱;随着轴向应变增加,岩石先发生弹性压缩,空隙空间减小,渗透率降低;当应力达到屈服强度,岩石内裂隙开始扩展,渗透率降低速率趋缓;在峰值应力后,岩样破坏,裂隙扩展加速,并伴有新裂隙的萌生,岩样渗透率开始快速增长,岩样的渗透率呈“V”型变化。提出了描述围压对岩石峰后脆性影响的新参数,即脆性模量系数,围压与脆性模量系数之间服从负指数关系。基于脆性模量系数、强度退化指数和扩容指数,建立了考虑围压影响的岩石应变软化模型。在分析体积应变与岩石渗透率之间关系基础上,建立了基于体积应变增透率的岩石渗透率演化模型。在FLAC下模拟了巴里坤砂岩不同围压下的应变软化行为和渗透率演化过程,结果表明：岩石应变软化模型能很好地模拟围压对岩石残余强度、体积扩容和峰后脆性的影响;所示模型能较好地模拟围压和剪胀对岩石渗透率的影响;岩样峰后内部出现了明显的剪切破坏带,剪切破坏带与大主应力的夹角随着围压的增加而增大。在剪切破坏带内单元的渗透率显著增长,最后形成了一个流动通道。     

循环加卸载下岩石浆体力学特性试验研究

为研究循环加卸载下岩石浆体力学特性,利用RMT-150B岩石力学试验机对岩石浆体进行恒定围压下的循环加卸载轴压的岩石力学试验,对岩石浆体的强度和变形特征进行了分析。结果表明:岩石浆体随着下一级加载轴压的提高,塑性滞回环面积增加;低应力状态下的循环会使岩石浆体更加致密,岩石浆体在加卸载下的强度高于常规三轴,超过临界强度时就会发生破坏,强度随岩石粒径增加而降低;在循环加卸载下,岩石浆体以剪切破坏为主,低围压和粗粒径更易形成明显的剪切带。基于研究成果,提出了增高锚杆预应力和增强注浆效果的软岩注浆加固关键技术。     

西鞍山花岗岩三轴压缩变形破坏与能量特征分析

利用微机伺服岩石三轴试验机对取自西鞍山铁矿的花岗岩进行5组不同围压下的常规三轴压缩实验,绘制了不同围压下花岗岩的全应力-应变曲线,并系统地分析了花岗岩的屈服强度、抗压强度与围压的关系。从能量角度研究了岩石的变形破坏过程,讨论了峰前极限应变能密度和峰前弹性应变能密度的比例关系,分析了花岗岩峰前极限应变能密度、峰前弹性应变能密度、峰前耗散能密度的围压效应,发现花岗岩的峰前极限应变能密度和峰前弹性应变能密度均与试验围压呈良好的正线性关系;通过线弹性能判据方法对储备大量弹性应变能的硬质脆性花岗岩岩体进行岩爆预测,得出该花岗岩所处矿体有强烈岩爆倾向的结论。     

防止冲击地压的应力释放研究——注水卸压的基础试验

该文系日本九州煤炭技术研究中心与九州大学生产科学研究所合作进行的试验研究成果。该试验采用围压型的三轴压缩试验装置和空隙水压负荷试验装置对孔隙率不同的长崎县产的相浦砂岩和山口县产的秋吉大理石以及福岛县产的荻野凝灰岩注水影响试验,取得了注水卸压的基础资料。结论是:对孔隙率极小的岩石,既或含水,其破坏强度也基本不变,但若向试验内部强制施加空隙水压负荷,则破坏强度即下降;对孔隙率比较大的岩石,结论与前人试验一样,若含水,其破坏强度就下降,若向试样内部强制施加空隙水压负荷,其强度下降就更明显;在围压一定时,向试样强制施加变化的空隙水压负荷时,其破坏强度随负荷大小而变化;空隙水压示出了三轴压缩试验结果,一条包络线示出了考虑粒子接触面积比的岩石特性并符合有效应力定律。     

3种砂岩变形与强度特征对比分析

为了明确3种砂岩力学行为的差异及产生差异的内在原因,利用RMT-150B岩石力学试验系统对3种砂岩进行了三轴试验,分析了3种砂岩的变形、强度和破坏特征。试验结果表明:白砂岩和红砂岩的屈服特征明显,塑性变形显著,随着围压的增大,屈服段逐渐增长,黄砂岩屈服特性不明显且受围压影响较小;砂岩的单轴抗压强度越高,围压对其强度的提高效应越显著,其中黄砂岩抗压强度受围压影响提高显著;砂岩弹性模量和变形模量受围压影响的提高程度与低围压时弹性模量和变形模量的大小成正比,且围压对黄砂岩弹性模量和变形模量的影响显著;3种砂岩的内摩擦角差值较大,而黏聚力相差较小,因而可见3种砂岩强度的差异主要是内摩擦角的不同导致的;砂岩的巴西劈裂强度为单轴抗压强度的3.5%～5.8%。3种砂岩的围压影响系数随围压增加整体按负指数关系减小,20 MPa是围压影响系数减小快慢的转折点;通过试验结果分析3种强度准则,指出幂函数Mohr强度准则能更好的反应不同围压岩石强度的非线性特征;白砂岩发生典型的缓倾角剪切破坏,破裂面为平面,红砂岩和黄砂岩在低围压下发生张剪复合破坏,在高围压时发生陡倾角剪切破坏,红砂岩的破裂面为锥面,黄砂岩的破...