探析砂岩在轴对称条件下的分叉

不同应力状态下岩石材料的失稳断裂破坏一直是岩石力学与工程研究的重点。本文在对岩石进行平面应变、常规三轴基础上,采用非线性分叉理论对岩石在断裂失稳过程中的局部化分叉进行了研究。根据许多岩石工程处于平面应变状态的实际情况,自行研制了岩石平面应变仪,进行岩石平面应变实验,并将平面应变实验结果和常规三轴实验结果进行比较;为研究岩石材料弹性模量的应力敏感性,进行不同围压和不同应力水平下岩石的加卸荷循环实验;根据岩石的平面应变和常规三轴实验结果．建立不同应力状态下岩石非关联弹塑性本构模型,应用变形分又理论的声张量法推导了不同应力状态下的分叉条件。     

不同围压下砂岩剪切面倾角的实验研究

利用自行研制的岩石平面应变装置和MTS实验系统进行了不同围压下砂岩的平面应变、拉伸和常规三轴压缩实验,测量了不同围压下砂岩的剪切破坏面倾角,与基于Mohr理论的预测进行了对比,给出了计算内摩擦角和剪切面倾角的一般步骤,得出了低围压下砂岩的剪切破坏面倾角随围压的增加而减小的结论.     

一种新型岩石类材料平面应变实验装置的研制和应用

介绍了一种新型岩石类材料平面应变实验装置的研制和应用.该装置的主要特点是可以通过一个厚壁筒液压缸对安置在其中的方形试件施加侧向压力(最小主应力),最高压力可达20 MPa,从而最大程度地减少了刚性加载所带来的端部约束问题,提高了实验精度.利用缸体本身的刚度对试件进行侧限的设计,使得装置结构紧凑,实验简单易行.采用弹性材料试件对装置进行了校准标定,并介绍了变形测量系统.最后,对岩石试件进行了平面应变实验,结果表明,该实验装置能较好地模拟平面应变状态.     

加轴压卸围压条件下岩石的力学特性与能量特征

利用MTS815型压力试验机进行加轴压卸围压路径下花岗岩常规三轴卸载试验,研究加轴压卸围压路径下岩石的应力-应变全过程曲线、力学性质及能量特征。采用剪胀角描述岩石的扩容特性。研究结果表明:在卸围压过程中,侧向应变与围压先呈线性关系后呈非线性关系,且其增长速率明显大于轴向应变增长速率,表现出明显的侧向扩容;变形模量随围压卸载而逐渐减小,且随着初始围压的增大而逐渐增大;泊松比随围压卸载而不断增大,同一时刻点的轴向应变增量变化量度略大于侧向应变增量变化量;剪胀角随着初始围压增大而减小;基于能量原理获得岩石应变能随着围压的卸载呈逐渐增大的规律。     

在围压冲击条件下岩石损伤粘塑性本构关系

基于简单的机械模型导出了岩石类材料在损伤状态下的应力应变关系，通过对适合与岩石类工程材料的内时定义的适当修正，将材料所受围压和应变率引入到本构关系中，导出了岩石在围岩压条件下的内时粘塑损伤本构关系，用所建立的本构方程描述了石岩在围压条件下的动态应力应变响应特性。结果表明，岩石的动态损伤使得材料的抗力明显降低，围压使得材料的抗力明显增加，考虑损佃的本构方程比未计及损佃的本构方程更好地描述了在围压条件下岩石动态损伤的实验现象。这一工作对深层岩石动态的研究提供了一种方法。     

高围压高水压作用下脆性岩石强度变形特性试验研究

对锦屏二级水电站引水隧洞大理岩、砂岩进行高围压高水压条件下全应力-应变过程三轴压缩试验,分析高围压高水压对脆性岩石变形、强度及脆-延转化特性的影响,探讨围压变化范围较大时岩石强度与围压及高孔隙水压之间的关系．结果表明：在较大围压范围内,有无施加水压力2种条件下,σ1与σ3之间均呈非线性关系;高孔隙水压力加速了岩石的脆性破裂,降低了岩石的强度．     

岩石力学动态实验系统研制

该系统是基于落锤加载的岩石力学动载实验装置，主要由落锤加载，压力本体，泵压和测试四部分组成．由于设备采用了落锤加载方式，系统的加载速率将更接近于水力振荡、电脉冲、地震波、高能气体等强动载波作用于地下地层岩石的速率．系统采用先进的数据采集处理系统，同时采集位移、围压、应变等信号，保证了数据的一致性．对于进行动载下的岩石力学特性研究提供了必要的手段，特别是对掌握动载作用下的油气层岩石破坏和变形规律，开展动载作用下油气井中增产机理研究，具有重要的意义．     

不同围压下岩石材料强度尺寸效应的数值模拟

应用岩石破裂过程分析系统,对不同围压下不同尺寸岩石材料进行了数值模拟试验．研究了围压与岩石材料强度尺寸效应之间的关系．结果表明,围压越大,岩石材料强度尺寸效应越不明显,即围压能够降低尺寸对岩石强度的敏感程度．岩石材料的非均质性不是一个静态变量,而是一个动态参数,与岩石材料内部裂纹的损伤演化密切相关．低围压时,岩石试件内材料并未趋于均匀化,非均质性显著,强度尺寸效应明显;而高围压时,岩石试件内材料由低到高逐渐屈服破坏,材料趋于均匀化,均质性较好,因而强度尺寸效应不明显．     

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。     

岩石三轴实验中的应力路径与应力应变分析

通过对砂岩、大理岩、角砾大理岩三轴实验中应力路径与应力-应变分析,揭示了在各种试验应力环境中大多数岩样的最大主应力方向的应变为最大;保持围压快速卸荷轴压时出现了-ε1,及与围压无关的岩石弹性泊松比等现象.建议采用以LVDT控制模式保持轴向位移方式下卸围压来模拟人工开挖工程引起的隧道围岩应力重新分布现象.     

动态扰动对不同含水率砂岩应力松弛影响的研究

采用课题组自制的岩石松弛-扰动试验装置,研究了不同含水率砂岩的松弛过程动态扰动的影响,测试轴向应力、轴向应变的变化,观察到了砂岩试样在动态扰动后应变增加、应力降低的现象.根据试验数据,分析了松弛稳定后水对砂岩试样应力松弛量和应力松弛度的影响,基于岩石松弛扰动效应的本构方程,得到不同含水率扰动系数在2~6之间.结果表明:(1)由于水的影响作用,松弛稳定后砂岩试样的应力松弛量增加、应力松弛度增大,水对砂岩试样应力松弛衰减的影响作用增强;(2)在相同的冲击扰动能量作用下,含水率高的砂岩试样在动态扰动后应变增加和应力降低的现象更明显,扰动系数随含水率增加而增大.     

岩壁变形条件下结构面法向变形特征

开展了无周边约束条件下不同岩壁厚度结构面法向变形试验,结合结构面-岩壁系统刚度与系统厚度之间关系,得到了不同岩壁厚度条件下结构面-岩壁系统整体刚度的变化特征,以及岩体结构面刚度与结构面厚度.分析了不同周边约束条件下结构面刚度与闭合量之间的关系,提出了考虑岩壁变形条件下结构面法向变形本构模型及其适用条件.进一步讨论了岩壁-结构面系统的结构和材料特征,分析了结构面法向刚度合理试验方法的重要性.本研究将有利于加深对结构面法向变形特征的理解与认识.     

岩石细观损伤演化与损伤局部化的数值研究

应用岩石破裂过程分析系统(RFPA2D),通过对非均质岩石试样在单轴压缩下损伤演化过程的数值模拟,研究了岩石变形破裂过程中的损伤演化和损伤局部化行为·模拟结果表明岩石的非均匀性及其结构尺度对损伤局部化模式有很大的影响·岩石在压缩条件下的损伤局部化主要有三种模式:平行剪切带,单一剪切带和共轭剪切带·在局部化剪切带出现时,材料所表现出的高度非线性主要是剪切带内的损伤汇合连通滑移引起的,而在剪切带外主要发生弹性卸载回弹作用·岩石应力应变曲线峰值后区的力学响应主要取决于细观单元变形的结构效应,而损伤局部化正是造成应力应变峰后曲线具有尺度效应的原因,非均质岩石的全应力应变曲线不能纯粹地认为是岩石的材料性...     

软弱节理面对于岩石三轴抗压强度的影响研究

利用数值模拟软件,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,分析研究了结构面不同倾角、条数及侧限围压对于岩石试件三轴抗压强度的影响。结果表明:(1)岩石试件中所含节理面倾角不同时,岩石破坏模式不同。节理面对于岩石强度及变形的控制作用与节理面产状相关;(2)随着岩石中节理条数的逐渐增加,岩石抗压强度相应降低,但对于节理控制型岩石,其主要破坏模式仍以节理面上下部分相对滑移破坏为主;(3)随着围压强度的逐渐增加,含节理面岩石抗压强度逐渐增加,但增加幅值与节理面控制作用大小相关。     

剪切荷载对裂隙渗透性影响研究现状

综述了剪切荷载对裂隙岩体渗流特性影响的研究现状,认为:目前这方面的研究主要采用室内试验和数值模拟2种方法.室内试验方法可以准确地得到剪应力和裂隙渗透系数的关系,但对试验仪器精度的要求比较高,试样的制作比较复杂,试验的可重复性差;数值模拟方法能够定性地模拟出剪应力对裂隙渗透性的影响,但裂隙的宽度、走向、密度和长度等参数较难确定.总结了剪切过程中裂隙岩体渗透系数的变化规律,即:剪胀发生前,裂隙渗透系数随剪切位移的增加而减小;剪胀发生后,裂隙渗透系数随剪切位移的增加急剧增大,达到峰值位移后裂隙渗透系数趋于稳定甚至会减小.指出了需要进一步研究的问题:剪切荷载作用下裂隙变形和破坏规律;不同法向荷载作用下剪切荷载对裂隙渗透性的影响;裂隙岩体本构关系;等等.     

岩样切割机革新研究

对工程岩体钻取芯样进行试验是获得其物理力学性质的必要手段,而其中切割岩样又是一个必不可少的关键环节。传统的岩样切割机在耗能、效率、安全以及切割质量等方面仍然存在一些弊端需要改革,创新研究更具技术进步的新型岩样切割机尤为必要。研究内容主要针对传统机型刀架设置为悬臂,其支座处于运动状态,来回一趟仅能切出一个试样,空耗能源太大,而且悬臂端的微小位移给切出的试样带来较大误差。几年来,对切割机各主要部件的工作原理、运行协调、节能高效、安全环保等因素进行了一系列的革新研究,得出新型岩样切割机成果,其刀架主轴为简支梁,两端为固定铰支座,在主轴上可以等距离安装4～7个刀片,岩样在机外另有各种规格的送料板进行装卸,并由传输螺杆运送。与传统机型相比具有能源省、效率高、保安全、保质量、性能稳等许多优点,在岩土工程试验设备中值得推广应用。     

一种自动跟踪土微观变形的试验方法

土微观结构的变形性能对工程力学性质起着非常重要的作用.计算机视觉数字化技术的发展,为岩土领域土微观结构变形分析提供了一种新的研究方法.为了研究土颗粒在动载条件下的运动特性,利用计算机自动跟踪技术对土的微观变形进行了动态测量.将圆柱形土样对称地分成两部分,取其中一部分放于有一面是透明玻璃的半圆柱形加压舱内,通过玻璃窗口,自动控制台上的长距离,远心显微镜头不仅可以拍摄到土颗粒变形的全过程,同时利用变模板方法通过实时序列图像分析就可以跟踪到移动的土颗粒.试验证明该技术能够成功跟踪土颗粒并能十分方便地得到土微观结构的变形参数.     

大理岩三向应力状态下的宏观破坏分析

对单轴压缩破坏面的第一台阶应用Mohr-Columb准则进行分析,得到的C、φ值与三轴压缩的结果一致。三轴压缩试件分岔分析表明：有限变形分岔分析可用于较高围压时试件破坏的分析,对称性群论分岔分析可用于较低围压时的分析。     

岩石中小尺寸试件断裂试验及参数计算

通过三点弯曲梁和紧凑拉伸断裂实验模型,测定带有预制裂缝岩石试件的变形及破坏随外载荷变化的规律,得到反映岩石断裂特性的数据曲线.对比两种岩石材料和两种尺寸的紧凑拉伸试件的实验,分析了材料的质地及结构的几何尺寸对断裂参数的影响.     

三峡工程花岗岩卸荷全过程特性的试验研究

在常规三轴室中进行了花岗岩试件在恒定轴压下的围压却荷试验份析了岩石在卸荷条件下的变形和强度特性,回归得到由卸荷导致岩石破坏的强度经验准则．