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.     

单轴压缩下交叉裂隙花岗岩变形与能量演化分析

为了更好地了解交叉裂隙对岩体力学性质和变形特征的影响,对不同主次裂隙夹角的花岗岩试件进行了单轴压缩试验.根据试验结果,对交叉裂隙试件的应力-应变曲线规律、变形与强度特性以及能量演化过程进行了分析.研究结果表明:交叉裂隙试件的力学性质和变形特征与主、次裂隙的夹角密切相关,裂隙试件的应力-应变曲线比完整试件更早进入裂纹萌生和扩展阶段,峰值应力前应力-应变曲线会出现一定的应力波动现象;裂隙试件的峰值强度和弹性模量明显降低,弹性模量随交叉裂隙夹角的增大先减小后增大,但峰值强度受夹角的影响不大;裂隙试件在单轴压缩过程中的总能量、弹性应变能和耗散能相较于完整试件显著降低.     

加、卸荷条件下岩石变形及三轴强度研究

基于实际岩石工程开挖过程中存在的卸荷现象,通过大理岩、花岗岩、砂岩等常规三轴加载与固定轴向位移的三轴卸围压实验（包括加地破坏后的卸围压实验）,对常规三轴与三轴卸卸围压条件下的变形模量及强度参数（弹性模量、峰值程度、残余强度等）进行了对比分析,试验表明卸载过程变形模量及强度指标明显小于加载过程的变形与强度指标,而三轴加载到峰值破坏后的卸围压试验表明其抗剪强度内摩擦角远大于加载破坏时的内摩擦角,内聚力一般比加载条件下加载峰值内聚力及峰后残余内聚力小。     

三轴压缩下不同岩性煤岩体的强度及变形特征

煤矿井下存在多种岩性的煤岩体,其力学强度和变形特征直接影响巷道支护效果。利用CRIMS-DDL600电子万能试验机,进行了不同围压下砂岩、矸石与煤样的三轴压缩试验,采用莫尔准则诠释了不同岩性的试样破坏角大小不等,通过图形对比和现象分析,得到了围压对3种不同岩性的试样应力、应变曲线及变性特征的影响。结果表明:3种性质的试样三轴压缩过程中都经历了初始压密阶段、弹性阶段、屈服阶段与破坏阶段,且围压越大,试样初始压密阶段越长;在试验加载的围压范围内,3种性质的试样破坏形式并不相同,且3种不同岩性的试样破坏角大小相差较大,砂岩破坏角最大,煤破坏角最小,3种性质的试样其峰值强度随着围压的增大而增长;3种性质的试样符合Coulomb强度准则,依据莫尔应力圆给出3种试样内聚力和内摩擦角的大小;随着围压的增大,3种性质的试样弹性模量呈增大趋势,且围压对试样弹性模量的影响因试样类型的不同而不同。     

高温状态下加载速率对砂岩的动态力学影响研究

为研究不同高温状态下加载速率对砂岩动态力学特性的影响,通过采用自行组装?50mm分离式Hopkinson压杆高温实验装置,对25℃~1000℃高温状态下的砂岩试件进行了6级不同加载速率下的动态单轴压缩试验。结果表明：高温下砂岩的峰值强度与加载速率呈二次多项式增长;砂岩的峰值强度在200℃时,加载速率效应最明显,在1000℃时,加载速率效应最弱。砂岩的峰值应变与加载速率之间呈线性增加;峰值应变在1000℃时,加载速率效应最强,在25℃时,加载速率效应最弱。总体表现出一定的加载速率强化效应。不同温度下动态弹性模量的变化规律差别很大。从砂岩的破坏形态可知,加载速率对砂岩的影响不仅与温度有关还与其本身的性质有关。可见,加载速率对峰值强度、峰值应变及动态弹性模量的影响与温度密切相关。分析结果对高温环境下岩石工程稳定性、安全性以及相关岩体的爆破效应具有重要参考依据。     

加载速率对实时高温花岗岩三轴力学特性影响的实验研究

以未风化花岗岩为实验对象,在高温高压三轴力学实验系统上开展三轴压缩实验,分析了三种加载速率下岩样温度、围压对峰值强度、弹性模量的影响,探讨了岩样热损伤演化规律的加载速率效应,建立了花岗岩冷损伤方程。结果显示:在100℃时,加载速率增大,低围压区岩石由延性转向脆性,渐进破坏向突发失稳转变;在500℃时,加载速率增大,低围压区弹性模量硬化明显,失稳模式为准突发失稳;随着加载速率的增大,在低温30～200℃时峰值强度的增加显著,在较高温度200～500℃时峰值强度的增加幅度降低,随着围压的升高,加载速率使峰值强度增强作用降低;各级岩石温度条件下,加载速率与弹性模量相关性不显著;低围压时弹性模量增幅较大,高围压时弹性模量增幅较小;随着加载速率的提高,弹性模量损伤与岩石温度的关系由线性转变为非线性的临界围压降低。     

围压对大理岩力学特性影响的试验研究

在MTS815岩石力学试验系统对大理岩进行不同围压三轴压缩试验的基础上,分析研究在不同围压下大理岩的变形特性和强度特性．研究表明,大理岩在三向应力条件下具有明显塑性变形特征,随围压的升高,变形特性表现为塑性特征增强,弹性模量和泊松比增大,峰前扩容明显增大;强度特性表现为峰值强度和残余强度均随围压的增大而线性增大,残余强度对围压的敏感性高于峰值强度,残余内聚力大大低于峰值,残余内摩擦角与峰值非常接近．     

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。     

高温状态下加载速率对砂岩动态力学特性影响的实验研究

为研究不同高温状态下加载速率对砂岩动态力学特性的影响,采用自行组装50 mm分离式Hopkinson压杆(split hopkinson pressure bar,SHPB)高温试验装置,对25~1 000℃高温状态下的砂岩试件进行了6级加载速率的动态单轴压缩试验。结果表明:高温下砂岩的峰值强度与加载速率之间呈二次多项式增长;砂岩的峰值强度在200℃时,加载速率效应最明显,在1 000℃时,加载速率效应最弱。砂岩的峰值应变与加载速率之间呈线性增加。总体表现出一定的加载速率强化效应。不同温度下动态弹性模量的变化规律差别很大。从砂岩的破坏形态可知,加载速率对砂岩的影响不仅与温度有关还与其本身的性质有关。可见,加载速率对峰值强度、峰值应变及动态弹性模量的影响与温度密切相关。分析结果对高温环境下岩石工程稳定性、安全性以及相关岩体的爆破效应具有重要参考依据。     

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.     

考虑水-力耦合和不同应力路径的砂岩卸荷力学特性试验

为研究不同渗透压力条件下的岩石卸荷力学特性,选取砂岩为研究对象,开展了不同渗透压力和不同应力路径下的三轴卸荷试验,并与常规三轴试验进行对比,比较了不同应力路径下的岩石强度特性,分析了渗透压力对岩石变形和强度参数的影响。试验结果表明：渗透压力的增大会弱化岩石强度,岩石的峰值强度随渗透压力的增大而降低,而轴向变形随渗透压力增大而增加,渗透压力越大,岩石的压密段特征越明显;针对两种不同的卸荷应力路径,恒轴压卸围压路径条件下,岩石的黏聚力不断降低,内摩擦角不断增加,而加轴压卸围压路径条件下,岩石的黏聚力不断增加,内摩擦角逐渐降低。     

非线性卸荷速率下的硬岩破坏特性与裂纹演化规律

为研究硬岩卸荷阶段速率非线性变化时的破坏特性,利用室内三轴压缩试验和颗粒流数值模拟开展余弦型、直线型和指数型三种卸荷速率变化方式的硬岩破坏研究.结果表明: 指数型卸荷的硬岩首先失稳破坏,余弦型卸荷的硬岩则不易发生破坏,前期较快的卸荷速率对整个卸荷过程的损伤积累影响更大; 硬岩卸载过程中的承载强度受初始围压和卸荷方式的共同影响,且围压愈高则卸荷方式影响愈显著; 根据Mogi-Coulomb准则,指数型卸荷通过内摩擦角影响硬岩强度,而直线型和余弦型卸荷的硬岩强度主要受黏聚力影响;指数型卸荷因前期快速卸荷易在端部产生部分破碎,直线型卸荷随围压升高由陡倾角剪切破裂带过渡多个“V”型剪切破坏,余弦型卸荷随围压增大呈塑性破坏特征趋势.     

致密砂岩循环加载试验及能量演化分析

为研究复杂应力路径下致密砂岩的力学行为,采用多功能岩石三轴测试系统开展围压为5 MPa、15 MPa和20 MPa的三轴循环加卸载试验并进行能量演化分析。试验结果表明:砂岩的抗压强度随着围压增加而增大,围压5 MPa、15 MPa、20 MPa下的体积最大压缩点对应的轴向偏应力分别为80.68 MPa、120.72 MPa、152.12 MPa;加卸载过程中会有部分外荷载做功转化成内能和其他形式能量,因而应力-应变曲线形成滞回环,并且随着应力的增加滞回效应逐渐明显;砂岩以剪切破坏形式为主,同时产生轴向和侧向倾斜裂纹。能量演化分析表明:岩石的破坏是弹性能积累到峰值突然释放的结果;岩样破坏前的峰值弹性能会随围压线性增加,围压对峰值弹性能的影响显著。     

应力路径对重塑黏土有效抗剪强度参数的影响

为探讨应力路径对黏土有效抗剪强度参数的影响,即临界状态线的惟一性问题,在确保试样的初始状态、应力历史、排水条件、加荷速率、试验仪器、破坏取值标准均一致的前提下,进行了常规三轴压缩与等p三轴压缩应力路径下同种重塑黏土的固结排水剪切试验.得到了两种应力路径下的有效抗剪强度参数和临界状态线参数,试验结果证实不同应力路径下重塑黏土有效抗剪强度参数有较大差别,临界状态线不惟一.定性分析表明:相对于常规三轴压缩路径,重塑黏土在等p三轴压缩路径下具有较低、有效内摩擦角的原因是剪切过程中围压的降低造成侧向卸荷引起的土体抗剪能力下降;产生凝聚力的原因是在排水剪切过程中存在超固结效应.     

基于近场动力学的岩石不同应力路径损伤演化

加卸载效应普遍存在于各类岩土工程中,为研究岩体在不同应力路径下加卸载的力学响应和损伤演化规律,通过在传统键型近场动力学本构模型中引入键的损伤变量函数,以反映岩石材料应力应变曲线中先应变硬化再应变软化的非线性阶段,采用改进键型近场动力学模型数值模拟与室内细砂岩加卸载试验对照的方法研究了细砂岩在不同加卸载路径下的力学、损伤演化规律。结果表明：改进的键型近场动力学本构模型能够较好地模拟岩石材料先应变硬化再应变软化力学性质和在不同应力路径下的力学响应及损伤发展趋势;在常规三轴路径下,岩石的抗压强度与围压呈较严格的正相关变化;定义的损伤值可直观的对比出不同加卸载路径与常规三轴压缩下岩石的损伤发展情况,相对常规三轴压缩,卸荷路径加快了岩石材料的破坏,且升轴压破坏程度>恒轴压破坏程度>卸轴压破坏程度。     

含甲烷水合物松散沉积物的力学特性

通过含甲烷水合物松散沉积物三轴测试,首次基于临界状态原理探讨水合物沉积物发生应变软化、硬化破坏形式的机制,重点分析各强度参数变化规律及其对破坏模式的敏感性。结果表明:三轴剪切试验过程中沉积物破坏模式受有效围压、水合物饱和度等因素共同控制;破坏模式对峰值强度、起始屈服强度、起始屈服模量、内聚力、内摩擦角等参数的影响较小;不同破坏模式条件下水合物沉积物切线模量、峰值剪切模量等参数变化规律完全不同,其计算模型须在不同破坏模式框架内分别分析,而不能忽略破坏模式的影响建立笼统的水合物沉积物强度参数计算模型。     

粉煤灰-石灰改良黄土与压实黄土强度特性对比分析

基于TSZ-3型应变控制式三轴剪切仪,在不同固结围压条件下对不同压实度粉煤灰-石灰改良黄土和压实黄土进行了常规三轴加载试验,研究了竖向加载条件下改良黄土和压实黄土的应力-应变演化关系、强度特性及其破坏方式的差异.研究结果表明:改良黄土的应力-应变曲线以软化型为主,屈服即意味着破坏;压实黄土全部为应变硬化型,可用双曲线描述,属于渐进屈服破坏.固结围压和压实度均会对压实和改良黄土的强度产生较大影响,两者之间的耦合关系共同决定黄土的强度.改良黄土的黏聚力值均远大于压实黄土,内摩擦角略微大于压实黄土;改良黄土在剪切前期强度增长较大,压实黄土的强度随着剪切变形的发展逐步发挥.三轴竖向加载条件下,改良黄土呈脆性滑移破坏形式,压实黄土呈剪缩侧胀破坏.     

辉绿岩单轴及常规三轴压缩下力学特性试验研究

为了分析坚硬脆性岩石在单轴及常规三轴压缩条件下的强度和变形特性,通过在TAW-2000微机控制电液伺服试验机上对辉绿岩进行单轴及常规三轴压缩试验,主要分析辉绿岩在围压为1、3、5、10 MPa时基本物理力学参数的离散程度,其弹性模量的离散程度指标值较小,在0.27%～3.49%波动,能较好地表征辉绿岩的变形特性。试验结果表明:随着围压的增大,岩石峰值应变和残余应变均表现出显著的线性增长关系,可采用一次函数形式拟合,弹性模量、变形模量和泊松比均表现出较明显的非线性增长关系,可采用幂函数形式进行拟合,但并不会随着围压的增大而无限增大,而是趋于一个稳定值,这一规律为实际工程中不同地应力条件下准确选取弹性模量、泊松比等参数提供理论基础;随着围压的增大,岩石的峰值强度和残余强度均呈现出较显著的线性增长关系,可采用一次函数形式拟合,并计算出黏聚力和内摩擦角,为岩石工程设计时强度参数的选择提供参考依据。     

不同应力路径下卸围压流变试验分析及模型辨识

以大岗山水电站坝基的辉绿岩为研究对象,进行σ1恒定卸围压和σ1-σ3恒定卸围压流变试验,分析2种不同应力路径下辉绿岩的流变变形特征.引入屈服接近度指标来评价卸围压流变过程中不同三向应力状态下岩样临近屈服破坏的程度,并以此作为试验曲线中等速蠕变和加速蠕变的区分标准.最后对Burgers模型进行参数变异处理.研究结果表明:在2种方式下和在卸围压过程中,岩样的横向变形都表现为侧向膨胀,但轴向变形规律并不相同:σ1恒定时轴向变形一直轴向压缩,而σ1-σ3恒定时先是有微小增大再逐渐转变为轴向压缩.这说明随着围压的不断卸载,岩体变形逐渐由弹性向塑性转变并最终破裂,线弹性理论已不再适用.加速蠕变阶段的串联黏滞系数出现了非线性交化,以此来描述加速蠕变.参数变异的Burgers模型可以描述岩体的减速、等速和加速蠕变阶段,拟合结果与试验结果吻合较好.     

不同加载应力路径下饱和砂土力学特性试验研究

通过全球数字系统(global digital system, GDS)动三轴测试系统,对砂土进行了常规三轴压缩试验和偏压固结下的等p(平均应力)、等σ_3(围压)、等σ_1(围压)等不同应力路径的试验。通过对所有的实验结果进行了对比分析,研究了砂土材料在不同应力路径下的应力-应变、变形特性、强度特性。试验研究结果表明,等压应力路径试验中试样都是先体积收缩随后出现体积膨胀现象,这与高围压下砂土的剪胀性变化情况不一样;偏压固结试验中,整个加载阶段前期表现为应变硬化,但是后期的软化现象不是很明显,这与等压固结试验应变硬化-软化现象略有不同。虽然常规三轴和偏压固结下的σ_3等试验采用的是两种不同的固结方式,但是达到的峰值强度基本上是一样的,说明固结方式对于试样的强度没有太大的影响。偏压固结试验中,不同的应力路径达到峰值强度时所对应的轴向应变是不同的,而且峰值强度也不一样,说明不同的应力路径会对砂土的强度造成影响,同时也说明了砂土力学特性对于应力路径的依赖性。