真三轴应力下低渗储层砂岩应力应变特征分析

为搞清楚低渗砂岩在复杂应力状态下的变形和破坏特征，以华庆地区三叠系延长组低渗砂岩为原型，根据相似原理做成相似模型，通过对相似模型应力-应变的分析来判断原型所发生的力学现象。利用新研制的YSZS-2000多功能电液伺服岩石真三轴试验机对相似材料进行了4个系列真三轴实验。研究表明：在真三轴应力作用下，峰值强度受中间主应力的影响显著，随着中间主应力的增大而增大；试样杨氏模量随中间主应力的增大有增加的趋势；在相同最小主应力条件下，随着中间主应力的增大，峰值应变逐渐减小。当最小主应力增大时，峰值应变降低的幅度减弱；黏聚力随着中间主应力的增大而增大，内摩擦角则随之减小。     

矿物成分强度对岩石单轴抗压强度的影响

利用FLAC3D数值模拟软件,构建了岩石单轴抗压强度试验数值模型。分析研究了矿物弹性模量E、泊松比ν、黏聚力c、摩擦角φ、剪胀角ψ以及加载速率V等对于岩石单轴抗压强度的影响规律。结果表明:岩石单轴抗压强度与弹性模量之间表现出较为明显的线性关系,即岩体中含有硬度较大矿物成分时,岩体强度呈增加趋势。泊松比增加岩石强度亦出现一定程度的增大,之间呈现指数函数关系。岩石所含矿物黏聚力、摩擦角升高,岩石单轴抗压强度升高。单轴抗压强度与黏聚力、摩擦角之间成多项式关系。岩石单轴抗压强度随剪胀角增加而增加,并成多项式关系。相较于摩擦角而言,摩擦角对于岩石单轴抗压强度的影响更大。UCS与加载速率之间近似呈直线关系。     

基于广义八面体理论的岩土参数c、Φ间接求法

在真三轴应力状态下,根据岩土剪切破坏面的倾角不同,采用不同的剪切破坏面对正六面单元体进行不断地截取,所得到的一系列连续八面体,即广义八面体.由于正交八面体应力空间可以反映主应力、双剪应力和静水应力,因此可以利用这三种应力成分建立起反映连续八面体应力空间的多项式强度模型,并利用单轴特征试验点和平面4个特征试验点,得到了内摩擦角和黏聚力参数方程.同时,利用线性方程组非满秩的物理意义,建立了多轴特征强度参数关系方程.这些参数方程不仅表明了多轴强度与单轴强度的关系,而且还可以利用其计算所缺失的特征强度,从而可简化岩土参数的测定方法.     

基于广义八面体理论的岩土参数c、Ф间接求法

在真三轴应力状态下,根据岩土剪切破坏面的倾角不同,采用不同的剪切破坏面对正六面单元体进行不断地截取,所得到的一系列连续八面体,即广义八面体。由于正交八面体应力空间可以反映主应力、双剪应力和静水应力,因此可以利用这三种应力成分建立起反映连续八面体应力空间的多项式强度模型,并利用单轴特征试验点和平面4个特征试验点,得到了内摩擦角和黏聚力参数方程。同时,利用线性方程组非满秩的物理意义,建立了多轴特征强度参数关系方程。这些参数方程不仅表明了多轴强度与单轴强度的关系,而且还可以利用其计算所缺失的特征强度,从而可简化岩土参数的测定方法。     

考虑中间主应力的粉砂岩侧向卸荷力学特性试验研究

利用TRW-3000型岩石真三轴试验系统开展粉砂岩真三轴侧向卸荷试验,研究不同中间主应力系数b条件下粉砂岩卸荷破坏、变形特征,并基于Mogi-Coulomb强度准则,探讨岩体强度特征。研究结果表明:在真三轴侧向卸荷应力条件下,随着中间主应力增大,粉砂岩试样卸荷破坏模式由剪切-张拉复合破坏转变为板裂破坏,剪切破断角随b增大呈线性增大;应力-应变曲线有较明显的阶段性,随着中间主应力增大,破坏时最大主应变ε1、最小主应变ε3增大,体积应变εV减小,扩容趋势更加明显;在卸荷过程中,变形模量随卸荷量增加呈负指数关系降低;采用Mogi-Coulomb准则对真三轴侧向卸荷试验强度进行拟合分析,回归方程满足显著性水平α=0.01的F检验要求,Mogi-Coulomb强度准则能够较好地用于描述不同中间主应力条件下的粉砂岩侧向卸荷强度关系。     

基于应变软化的岩石三轴抗压强度数值试验研究

利用FLAC3D数值模拟软件,构建了岩石三轴抗压强度试验数值模型。基于应变软化模型,分析研究了矿物弹性模量E、泊松比ν、粘聚力c、摩擦角φ、剪胀角ψ以及加载速率V等对于岩石峰值抗压强度的影响规律。结果表明:(1)初始加压阶段,岩石试件基本无声发射现象的产生;达到峰值强度前,迅速出现声发射现象,声发射次数突然增加,并逐渐至最高值;峰值强度后,基本无声发射产生;(2)三轴压缩试验试件破坏模式主要有单一贯穿性剪切破坏面、四周崩坍性张拉破坏面、X型剪切破坏面。对于不同围压情况,破坏面形态略有变化,但破坏以上述三种为主;(3)随着矿物颗粒弹性模量、加载速率的增加,峰值抗压强度逐渐增加,之间表现出较为明显的多项式函数关系;同时,峰值抗压强度随矿物粘聚力、摩擦角、剪胀角、侧限围压量值的升高而升高,各自之间成较为明显的线性函数关系;(4)岩石矿物泊松比大小变化与试件峰值强度间无较为明显的线性或非线性关系,即泊松比变化对于岩石峰值强度的影响较为复杂。     

干湿循环作用下红砂岩堆石料力学性能研究

为研究红砂岩堆石料在干湿循环作用下的力学性能,以干湿循环次数为主要变量,开展常规三轴压缩试验。研究结果表明:不同干湿循环次数下,红砂岩堆石料应力-应变曲线变化规律基本一致,整体呈现出明显的应变软化。应力-应变曲线在初期快速增加,直至出现峰值,而后开始降低,最后趋于稳定;相同干湿循环次数下,试样破坏强度随围压增大而逐渐增长;相同围压,破坏强度随干湿循环次数增加而逐渐降低,破坏强度与干湿循环次数呈现指数关系;当干湿循环次数增加时,试样强度指标黏聚力逐渐减小,从125.9 kPa降低到62.3 kPa,黏聚力降幅约50%,且黏聚力与干湿循环次数之间成负线性关系;与之相似,另一强度指标内摩擦角逐渐减小,但降低幅度较小,减小幅度为15%左右,与干湿循环次数呈现指数关系。     

温度-应力耦合作用下砂岩破坏特性试验研究

为探究一般工程温度条件下砂岩变形破坏过程及力学特征,以三峡库区白水河滑坡库岸段砂岩为研究对象,采用TOP INDUSTRIE岩石三轴试验仪,分别在不同温度(0°、20°、40°、60°)、不同围压(5MPa、10MPa、15MPa、20MPa)耦合作用下进行常规三轴压缩试验研究.结果表明:砂岩试样在不同温压作用下应力-应变关系曲线形态和趋势极为相似,变形破坏形式没有明显变化,均在达到峰值强度后快速破坏,并且以剪切破坏为主,在常温下的破坏面形态单一,随温度的升高破坏过程会更复杂;砂岩试样的弹性模量和峰值应变均伴随着围压的增大而增大,随着温度的升高而降低;粘聚力及内摩擦角随温度的升高均呈下降趋势,粘聚力的下降幅度远大于内摩擦角的降幅;温度、应力作用下的砂岩耦合效应对岩体变形破坏有重大影响,考虑砂岩温度-应力耦合作用的稳定性评价对工程设计具有重要指导意义.     

深部砂岩动态冲击破坏的力学特性研究

为了研究深部砂岩在热-水-力耦合作用下的动力学特性,利用自主研发的热-水-力耦合三轴岩土体动态冲击力学试验系统,分析了动态冲击下深部砂岩的力学参数并从能量的角度描述其破坏形态。研究结果表明:在具有主动围压、轴压、渗透水压及温度的耦合作用下,冲击气压增大时,深部砂岩的应力-应变曲线的峰值应力随之增大;深部砂岩的峰值应力与应变率变化表现出明显的正相关性,具体表现为随着应变率的增大,峰值应力不断增大;随着冲击气压的增大,破碎程度不断加大,深部砂岩的破坏形态向压剪破坏过渡和发展,岩石试件的破坏形态呈脆性向延性转变的趋势。试验结果可以为深部砂岩在实际爆破工程中提供参数支撑。     

具有初始损伤的混凝土动态轴拉力学性能仿真研究

基于瓦拉文公式与蒙特卡罗方法并采用Matlab语言构建了随机骨料数值模型,在损伤断裂理论基础上通过Python编程语言于砂浆界面、骨料与砂浆界面和骨料界面嵌入黏聚力单元,建立了二级配混凝土黏聚力模型用于描述混凝土中裂纹萌生、扩展、演化和贯通全过程.以建立的细观模型为基础,对不同孔隙率以及不同微裂纹密度混凝土试件进行了不同应变速率下的动态拉伸加载,研究了混凝土动态轴拉力学性能.结果表明：混凝土轴拉峰值应力与孔隙率呈明显非线性关系,下降曲线为对数函数趋势,孔隙率增加后其对混凝土轴拉峰值应力削弱程度降低,具有初始孔隙的混凝土动态抗拉强度随应变速率的增加而提高.具有初始微裂纹混凝土随着微裂纹密度的增加其峰值应力下降,且动态轴拉强度同样具有速率效应.     

土石堆积体介质力学特性缩尺试验研究

堆积体是由土-石构成的一种不良地质体,其力学特性受块石尺寸、形状、含石率决定的细观结构特征控制.本文通过现场堆积体取样,筛分并配置不同的试验方案,利用室内中型三轴试验研究了含石量、碎石尺寸以及碎石随机位置等对堆积体力学参数与变形特性的影响,得到了不同影响因素下堆积体的应力-应变关系、黏聚力以及内摩擦角变化特征.研究结果表明:堆积体应力-应变关系曲线近似为双曲线,无明显强度峰值,为硬化型曲线;随着碎石尺寸的减小,黏聚力先增大而后减小,但是摩擦角先减小后增大.弹性模量随碎石尺寸增大逐渐增大,泊松比基本保持不变;相同条件下碎石随机位置可导致摩擦角有4°左右的浮动,而黏聚力变化幅度可相差几倍.     

混凝土含损伤的摩尔-库伦强度模型试验研究

对100mm×100mm×100mm立方体混凝土试块,利用真三轴设备,在平面应变条件下进行静态加载试验.试验数据表明,在压剪破坏条件下,混凝土材料的峰值强度和残余强度都遵守摩尔-库伦强度准则,残余强度的内摩擦角高于峰值强度的内摩擦角,残余强度的内聚力低于峰值强度的内聚力.进一步分析认为,混凝土的抗剪切承载能力包含内摩擦力和等效内聚力,在到达峰值点和过了峰值点之后,实际内摩擦力达到残余强度公式的计算值;混凝土的等效内聚力随着剪切变形的增加逐渐衰减,即使在测量强度的加载过程也是如此;对应于峰值强度线与残余强度线的交点,存在一个大小轴平均应力临界值,在保持大小轴平均应力恒定的条件下进行加载,如果所述平均应力小于该临界值,则剪应力-剪应变关系曲线出现下降段,如果大于该值,则不出现下降段.     

双轴加卸载条件下含D型孔洞方块砂岩破坏特性

为了揭示深部岩体在复杂应力条件下的强度与破裂特性,构建含不同倾角的D型孔洞砂岩数值试样,并通过单轴压缩试验验证其可靠性;开展双轴加卸载条件下含D型孔洞砂岩破裂过程数值模拟研究,综合考察其力学参数特征以及裂纹扩展特性。研究结果表明：在单轴压缩下,试样峰值强度和弹性模量随孔洞倾角的增大先降低后升高然后再降低,试样最终出现由孔洞左右两侧2条裂纹不断延伸形成的斜向剪切破坏;对于同一倾角孔洞砂岩试样,试样的双轴压缩强度、双轴加卸载强度、单轴压缩强度依次递减;随孔洞倾角增大,试样双轴加卸载破坏时的侧向应力总体呈现下降趋势;D型孔洞倾角对试样的峰值强度影响较小,但对试样裂纹的起裂应力影响较明显;在双轴加卸载条件下,含D型孔洞砂岩的破坏形式较复杂多样,总体呈现出单向剪切、X形剪切和Y形剪切共3种剪切破坏模式。     

含水率和冻融循环对筋土界面剪切特性的影响

制作了一套可实现温度控制的筋土界面直剪试验设备。为了研究含水率、界面温度、冻融循环次数对筋土界面剪切特性的影响,开展11组土工格栅-砂土界面直剪试验。研究结果表明,筋土界面的黏聚力和摩擦角均随含水率的增加而减小,当含水率提高时,筋土间的抗剪强度减弱。加筋可显著提高冻土的抗剪强度,当界面温度为-10℃时,土工格栅-砂土界面剪应力峰值较冻结后砂土的剪应力增加了约20%。筋土界面剪应力随着界面温度的降低而增大,当界面温度在0℃以下时,剪应力较大且剪应力-剪切位移曲线会出现峰值强度和残余强度,而在无冻结情况下,筋土界面剪应力稳定值基本相同。冻融循环后筋土界面的抗剪强度减小,筋土界面的黏聚力和摩擦角均随着冻融循环次数的增加而减小,但在4次冻融循环后趋于稳定。研究成果可为冻土地区土工格栅加筋土结构的设计和应用提供理论依据。     

含陡倾角软弱结构面的花岗岩力学特性及声发射特征

利用MTS 815.03岩石试验机对试件进行三轴压缩试验,采用DISP声发射测试系统进行声发射数据收集,并对含陡倾角软弱结构面的岩体试件和岩石试件进行试验对比.两种试件随围压的增加强度逐渐增加,破坏由脆性向延性转变;岩体试件总是沿结构面滑移破坏,岩石试件为剪切破坏.随着围压的增加,两种试件的弹性模量、变形模量、峰值应变和峰值强度增加;岩体试件弹性模量、变形模量值和峰值强度低于岩石试件,而峰值应变高于岩石试件.岩体试件内摩擦角小于岩石试件,而黏聚力大于岩石试件.随围压的增加,两种试件在峰值应力阶段声发射事件远高于其他阶段,而岩体试件声发射事件集聚量远远高于岩石试件.研究结果表明软弱结构面的存在降低了岩体的力学性质,因此在高放废物地质处置库选址时结构面发育特征是需要考虑的关键因素.     

三向应力下岩石的强度和变形特性研究

为探讨岩石在三向应力作用下的强度和变形破坏规律及影响因素,采用MTS815电液伺服岩石力学试验系统,分别对砂岩和灰岩进行了三轴压缩试验。基于岩石的应力应变曲线与莫尔-库伦准则,对其残余强度、抗剪强度参数和弹性模量等力学变形特性进行了研究,并分析了孔隙率对岩石各类参数的影响。结果表明:围压对岩石的破坏特征有显著影响,岩石由低围压控制下的脆性破坏逐渐转变为高围压控制下的塑性破坏;横向应变的变化规律与侧向压力作用关系不明显,岩石在峰值应力处的横向应变几乎为定值,应力刚降至残余强度时的横向应变也近似为定值;与砂岩相比,灰岩的孔隙率较低,因而内摩擦角较大,峰值强度也越高,峰值后的残余强度降低得越明显;围压对低孔隙率岩石的弹性模量影响较小,而高孔隙率岩石的弹性模量随围压增加而增大。     

冻融循环条件下黄土状盐渍土在不同应力路径下的力学特性研究

为了研究冻融循环次数、应力路径对黄土状盐渍土的力学特性与微观结构的影响，本文利用SLB-1型应力-应变控制式三轴仪对青海海东季节性冻土地区黄土状盐渍土进行固结不排水条件下的常规三轴、等压三轴、减压三轴应力路径试验，并对试验前后的土样进行电镜扫描。结果表明：应力路径与冻融循环作用对黄土状盐渍土的力学特性产生了明显影响，3种应力路径的抗剪强度峰值均随着冻融循环次数的增加而降低，应力路径与冻融循环作用对黄土状盐渍土抗剪强度指标中的黏聚力(c)的影响较大，对内摩擦角(φ)的影响不太明显。从微观层面分析，卸荷应力路径下，颗粒破碎程度较高，土体结构疏松，粒间孔隙较大，胶结能力较弱。综上，冻融循环作用与卸荷应力路径对土体内部结构产生了不可恢复的破坏。     

循环荷载作用下绿泥石千枚岩弹性模量演化规律试验研究

对取自四川西北部典型的绿泥石千枚岩进行常规单轴压缩试验和循环加卸载试验,分析不同加载速率下的强度特征,研究循环加卸载条件下千枚岩弹性模量的演化规律。研究结果表明:千枚岩峰值强度表现出明显的速率依赖性,即峰值强度随加载速率的增加而增大;循环加卸载时,峰值强度表现出明显的"弱化"特征;随着循环次数增加,裂纹损伤强度阈值呈现先增大后降低的变化规律,这种变化不受加载速率的影响;千枚岩弹性模量的变化规律与加卸载路径的变化规律一致,呈现出有规律的"波浪形";单个滞回环内切线弹性模量随应力水平增加呈现出先增大后减小的趋势;在同一应力水平下,切线模量随循环次数增加呈现出增大—平缓—降低的变化规律。     

基于全尾砂充填体非线性本构模型的深井充填强度指标

目前矿山深井充填体强度指标是类比浅部充填经验来确定的,为改变这种不合理局面,根据某深井开采矿山全尾砂充填体单轴压缩实验的应力-应变关系曲线,建立了全尾砂充填体峰值应力前的非线性本构模型.结合全尾砂充填体与深部围岩耦合作用下能量损耗相近的原则,得出了全尾砂充填体抗压强度设计公式.实例研究结果表明:建立的全尾砂充填体峰值应力前的非线性本构模型与实验结果吻合;深部开采全尾砂充填体强度指标与围岩原岩应力、弹性模量以及充填体本身的力学性能有关,采用非线性本构模型确定的全尾砂充填体强度指标比采用线性本构模型确定的强度指标更精确.     

季节性冻土在冻融循环作用下直剪试验研究

为研究季节性冻土抗剪强度，对不同冻融循环次数、垂直压力及初始含水率条件下的土体进行了系列直剪试验，研究经历冻融循环后峰值剪切强度及强度参数的变化规律。试验结果表明：随着冻融循环次数的增加，土体黏聚力会逐渐下降，土体内摩擦角在冻融循环作用下总体呈小幅度上升趋势，试验粉质黏土的内摩擦角在20°～30°波动，并且随着含水率的增加(18%～26%),抗剪强度、黏聚力和摩擦角均呈下降趋势。