高温处理后大理岩的损伤指标分析及强度预测

为量化岩石受高温后的损伤程度,以高温处理后的房山大理岩为研究对象,从基本物理参数、细观结构和微观结构等多角度对岩石热损伤程度及演化过程展开研究.首先,选取25～850℃8个温度水平对试样进行热处理;然后,采用CT扫描和SEM技术分别获得热处理后岩石细微观结构随温度的演化过程;最后,结合大理岩受热后的细观特点,提出物相变...     

预压静载下平行双节理类岩石板动态响应试验及数值研究

在深部的岩体工程中，围岩常受到静态载荷和动态扰动的共同作用．此时，岩体中蕴含的成组结构面的破坏往往会影响岩体工程的稳定性．因此，有必要对多节理岩体在静-动态耦合荷载作用下的力学特性和破裂特征开展系统研究．以平行双节理类岩石材料板为研究对象，采用改进的分离式霍普金森压杆(SHPB)系统开展了4种轴压条件下的动态试验，验证了相应的离散元数值模型的适用性．在此基础上，建立了基于围压柔性加载的静水压的SHPB模型，分析了试样在不同预应力状态下的破裂特征．结果表明：处于一维静动荷载作用时，试样的动态强度及总强度都表现出显著的率相关性；相近加载率下，试样的动态强度随轴压增加逐渐减小，而总强度先增大后减小；在预轴压的作用下，随着加载率的增加，试样的破坏模式由拉剪破坏向剪切破坏转变；在静水压环境下，平行双节理试样的动态强度和总强度同样表现出显著的率效应，且明显高于同等轴压条件下的试样强度；在相近加载率下，试样的动态强度和总强度具有显著的围压增强效应．试样最终均呈“X”状剪切破坏模式，与加载率和静水压大小无明显关联，而且静水压的作用会明显抑制拉伸翼裂纹的产生．裂纹起裂时间受加载率、轴压及静水压的影响．     

深部花岗岩50℃卸荷蠕变试验研究

为研究深部花岗岩在温度作用下的卸荷蠕变特性,采用岩石全自动三轴流变仪开展了花岗岩在温度50℃、围压10、20、30 MPa条件下的卸荷蠕变试验,分析了花岗岩高温卸荷蠕变特征、宏观破坏模式和微细观损伤破坏机理.试验结果表明:在温度效应条件下,花岗岩高压卸荷蠕变会产生较大变形;50℃卸荷蠕变条件下,花岗岩的蠕变性能随着围压的卸载而呈指数变化,初始卸荷围压越高,花岗岩越早出现蠕变变形;花岗岩高温卸荷蠕变破坏模式主要为共轭剪切破坏,蠕变作用促使岩石内部损伤裂隙扩展并形成裂隙面而失效破坏;岩石高温卸荷蠕变破坏强度约为常温三轴强度的1/3,其黏聚力和内摩擦角也比常规指标减少30%以上.     

含孔洞大理岩破坏特性的颗粒流分析

基于室内单轴压缩试验结果,利用颗粒流程序PFC2D,模拟含预制孔洞大理岩在单轴和双轴压缩条件下的破坏过程,分析预制孔洞形状、围压大小以及岩石非均质性对大理岩力学特性和裂纹扩展的影响.数值结果表明:与完整大理岩试样相比,含孔洞试样的峰值强度显著降低,降低程度与孔洞形状有关;围压对含孔洞大理岩试样的力学特性和裂纹扩展有显著影响,含孔洞试样的峰值强度随围压的增加而增加,但偏应力峰值随围压的增加呈先增大后减小的变化趋势;试样的破坏模式与孔洞形状相关,含圆形孔洞试样为类X型剪切破坏,含矩形孔洞或马蹄形孔洞试样为对角剪切破坏;岩石内部的矿物结核影响了裂纹的扩展路径,从而改变试样的宏观破坏模式.微观机理分析表明:孔洞周边裂纹的萌生与扩展过程伴随着应力集中区的释放与转移;含孔洞试样的宏观裂纹有3种模式:孔壁剥落、拉伸裂纹和压剪裂纹.     

工程温压内花岗岩破裂特征与机理分析

深部复杂环境中热力条件下岩石破裂机理是当前研究热点之一。采用统计方法对工程温压内花岗岩单轴、三轴压缩、三轴卸荷试验条件下宏观破裂特征进行了分区分析,并探讨了其机理。结果显示:低温低围压区(20~40℃、0~5 MPa)岩样以剪切破坏为主,伴有次级张拉裂缝。低温高围压区(20~40℃、15~30 MPa)岩样为剪切破坏,且随着围压升高,出现多个剪切破裂面。高温低围压区(60~130℃、0~5 MPa)岩样为张拉破坏。高温高围压区(60~130℃、15~30 MPa)岩样为剪切破坏。围压增加试样峰值强度明显增加,升温试样峰值强度变化不大。研究表明:在工程温压内,岩样性能主要受围压影响;温度对岩样破裂方式有一定的影响,尤其是低围压区。针对温压耦合条件,传统的考虑单一变量的分析结果偏于片面,而分区考虑双变量的分析结果更为客观合理;宜建立多破裂面复合型模型探讨其发生机理。     

三轴加载过程中大理岩力学及声波响应特征研究

深部地层岩石所处力学环境异常复杂,高应力下岩石力学性能、破坏规律及声波响应特征研究可为深井关键参数科学化设计提供依据。对大理岩开展了不同围压条件下的三轴力学实验,分析了不同围压条件下加载过程中大理岩的应力-应变、声波特征,探讨了强度准则适用性和岩石应力-应变与动态声学响应机制。研究表明,力学加载过程中,岩样波速变化分为“迅速增加-匀速增加-阶梯下降”和“迅速增加-匀速增加-保持稳定-阶梯下降-减速下降”两种类型,在岩样破坏之前,岩样的波速和振幅均有不同程度的减小;随着围压的增加,大理岩抗压强度和弹性模量均增加,岩样破坏形式由劈裂式向剪切式过渡。围压对大理岩次生裂纹的产生有抑制作用,直线型Morh-Coulomb准则和单参数Bieniawski强度准则分别适用于低围压和高围压条件下大理岩的强度特征描述。研究为深井岩石破裂的预测以及强度准则的建立提供了重要理论依据。     

低合金高强度双相耐磨钢热处理工艺研究

采用光学显微镜、电子显微镜和万能力学试验机对热处理后的低合金高强度双相耐磨钢试样进行组织观察和力学性能测试.结果表明,水淬后的试样微观组织为贝氏体-马氏体双相组织;250 ℃回火后的试样微观组织为回火马氏体和贝氏体;450 ℃和600 ℃回火后的试样微观组织分别为回火马氏体和贝氏体.水淬250 ℃回火后的试样具有最佳强度和塑性配比,其抗拉强度和屈服强度分别为1 491.4 MPa和1 264.6 MPa,HRC硬度为43,延伸率为9.42%.     

热处理温度对受载花岗岩能量演化影响试验研究

为了有效评估花岗岩在高温环境下的工作性能,对饱水和干燥两种状态下的岩石试样,设计了5个温度梯度的热处理试验,通过波速测试试验初步评估岩石的热损伤情况,并在此基础上,针对干燥热处理试样开展了轴向加载试验。结果表明,随温度增加花岗岩波速减小,并在500～600℃间波速出现明显下降,热处理温度越高岩石裂隙越发育。且相同热处理温度下饱和花岗岩波速大于干燥花岗岩;从常温～500℃处理的干燥花岗岩强度以恒定速率下降,而在600℃花岗岩强度显著减小,表明花岗岩在500～600℃间存在热应力损伤临界点;不同温度下花岗岩试件在峰前阶段表现为能量积聚,在峰后阶段表现为能量释放,温度越增加应变能释放梯度越缓慢,体现了高温对岩石延性的增强特性。     

热损伤花岗岩三轴压缩蠕变破坏声发射及损伤演化特征

为探究深部高温高压环境对工程围岩蠕变性质的影响,开展了不同程度热损伤花岗岩的三轴分级蠕变加载试验,分析其声发射活动及损伤演化特征。研究结果表明：在分级蠕变加载中,当轴向应力达到1.50～1.65倍损伤应力σ_cd后,花岗岩损伤演化加快,达到(1.65～1.80)σ_cd后,发生加速蠕变破坏;在同一级加载中,随热处理温度升高,声发射活动在减速蠕变和稳态蠕变阶段减弱,在加速蠕变阶段增强;围压效应可以减弱热损伤对花岗岩蠕变特性的影响,围压与热损伤的耦合效应可以抑制蠕变过程的裂纹扩展,但当轴向应力增大、岩石失稳后热损伤对蠕变破坏加剧起控制作用;在分级加载过程中,随热处理温度升高,损伤变量的增长趋势先减缓后加快,600℃热处理试样损伤发展最快,常温试样次之,150℃和300℃热处理试样最慢;蠕变过程中剪切裂纹占比在35%～60%,随分级加载应力增大,微裂纹类型向剪切型转化;热损伤花岗岩矿物晶粒内和晶界裂纹有不同程度的发育,导致剪切裂纹占比随热处理温度升高而先减小后增大。     

某水电站大理岩岩石强度试验研究

针对大理岩进行不同围压状态下的岩石天然与饱和状态的三轴压缩试验,并对其进行强度的分析,得出以下结论：相同围压下,岩石天然强度大于饱和强度;同一状态下,随着围压的增加,岩石峰值强度、残余强度随之增加,但峰值的大小与围压的大小没有直接关系,可通过最小二乘法绘制最佳关系曲线,进而得到大理岩强度的准确表达式。     

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。     

三轴压缩条件下单裂隙岩样裂隙扩展研究

为研究岩石中裂纹的起裂、扩展和破坏规律,采用PFC2D数值模拟软件结合室内试验对预制单裂隙岩样进行分析。结果表明：（1）当围压为7MPa时,以剪切-拉伸复合破坏模式为主;当围压为14MPa时,试样以“Y”型剪切破坏、单一斜剪破坏模式为主;当围压为21MPa时,试样以“X”型剪切破坏模式为主。（2）试样的破坏模式与围压的大小密切相关,当裂隙长度一定时,随着围压的增大,试样的破坏越明显;当围压一定时,随着裂隙长度的增加,裂纹扩展的规模越大。（3）随着裂隙长度的增加,岩样的峰值强度、弹性模量、起裂应力与损伤应力均呈下降趋势;随着围压的增大,各力学参数均增大,裂隙长度越大时更易诱发新生裂纹,试样强度特性降低。（4）剪切裂纹在整个模拟加载过程中占主导地位且数量始终占比较大;随着围压的增大,拉裂纹逐步占据主导地位,且当围压为21MPa,裂隙长度为39mm时,拉裂纹是剪裂纹的2.73倍;当围压一定时,随着裂隙长度的增加,拉裂纹占比也逐渐减少。     

不同轴向应力下瞬态卸载诱发岩爆破坏数值模拟

运用RFPA2D进行岩石试样瞬态卸掉围压数值试验研究,旨在探讨在不同地应力条件下隧道、洞室等实际工程开挖时诱发的岩爆过程和机理.首先进行单轴加载数值试验,然后进行同围压不同轴向应力下瞬时卸载围压诱发岩爆数值试验.结果表明:单轴加载时试样集中某狭窄带破坏,有少量微震事件;瞬态卸载却集中自由面附近较大面积损伤,卸载前几乎没...     

围压对锦屏深埋大理岩力学特性影响研究

岩石力学特性是正确评价工程岩体稳定性的基础.通过三轴压缩试验,研究了围压对锦屏深埋大理岩弹性模量、泊松比、临界破裂条件和剪胀角的影响规律,提出了弹塑脆性力学模型.结果表明:(1)大理岩弹性模量和泊松比均随围压呈指数增大规律,而剪胀角随围压增大呈指数减小规律;(2)岩石强度达到弹性极限后表现出近似理想塑性承载特性,当其塑性剪应变达到临界条件时产生脆性破坏,且临界塑性剪应变亦随围岩呈指数增大;(3)基于Mohr-Coulomb(M-C)强度准则的峰值强度和残余强度随围压增大而增大,当围压为73.95MPa时两者理论上相等,符合锦屏深埋大理岩脆-延转换特性.基于大理岩弹性和强度参数演变规律的全应力-应变曲线与三轴试验结果具有良好的一致性,可为类似工程岩体稳定性分析和支护结构优化设计提供依据.     

化学腐蚀作用下围岩的动态力学性能

基于深部地下工程多场耦合的环境特点,配制了不同离子、不同pH的化学溶液,并于不同工程现场取灰质石灰岩、粉质砂岩、浅红石灰岩等围岩试样置于不同化学溶液中养护,然后采用霍普金森压杆实验系统(SHPB)进行动态压缩实验,分析化学腐蚀以及化学腐蚀-温度耦合、化学腐蚀-损伤耦合作用对岩石动态性能的影响及其机制。结果表明:化学腐蚀作用下围岩的动态强度下降,经中性盐溶液腐蚀后,灰质石灰岩、浅红石灰岩、粉质砂岩的强度分别下降了25.8%、54%和79.5%; 且随着溶液pH的降低,化学腐蚀效果越明显; 化学腐蚀-温度耦合以及化学腐蚀-损伤耦合的存在,使岩样的动态强度下降加剧。     

不同围压下柱状节理岩体三轴力学试验研究

为了研究白鹤滩水电站坝址区柱状节理岩体的力学性质,采用相似原理制作与柱状节理岩体结构和物理力学性质相近的柱状节理物理模型试样,借助岩石全自动三轴流变伺服系统,开展了不同围压条件下柱状节理模型试样三轴力学试验研究,分析了不同围压对柱状节理岩体的强度、破坏模式和损伤的影响.研究结果表明:柱状节理模型试样的峰值强度与围压呈正相关关系;柱状节理模型试样在较低围压作用下沿节理面的滑移破坏,在较高围压作用下破坏模式为剪切滑移破坏;在三轴压缩过程中,围压对减缓柱状节理岩样的轴向损伤有一定的影响.     

辽西花岗岩三轴蠕变时效性试验

为研究辽西花岗岩的工程力学性能,采用TAW-2000电液伺服岩石三轴仪,对辽西花岗岩试样分别进行了围压为5 MPa、10 MPa和20 MPa条件下的三轴蠕变实验.基于不同围压条件下的三轴蠕变试验数据,绘制辽西花岗岩的三轴蠕变曲线、等时应力应变曲线和蠕变速率曲线,分析试样的蠕变起始应力和长期强度.研究结果表明:等时应力应变与蠕变速率相结合的方法能更好地描述蠕变的发展过程、变形特征和蠕变阶段.随着围压的增加,蠕变速率的波动范围减小,加速蠕变段的发展过程更为平稳,蠕变破坏经历的时间也更长.实验数据的统计分析结果表明:试样的蠕变长期强度阈值为(0.7~0.8)(σ1-σ3).     

不同围压下水泥砂浆三轴压缩试验研究

对圆柱型水泥砂浆试样进行了不用围压、相同渗压下的三轴压缩试验,并对其强度特征和渗透规律进行了研究.结果表明,随着围压的增加,试样的峰值强度增大,围压提高了试样的强度;当偏应力达到临界值后,试样损伤随着偏应力的增大而增加;损伤与渗透率呈指数关系,渗透率随损伤的增大而增加.     

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．     

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.