岩石裂纹损伤及围压对剪切破坏影响研究

岩石内部细观裂纹的存在,对压缩作用下岩石剪切断裂的宏观现象有着重要的影响。然而,能够通过解析解阐释细观裂纹几何特性、围压等影响因素对压缩作用下剪切断裂面角度变化趋势的研究很少。基于Ashby模型中提出的裂纹尖端应力强度因子,提出了一种改进的考虑裂纹角度影响的应力强度因子表达式。利用该改进的应力强度因子表达式,推出了一个可以预测岩石峰值强度的裂纹扩展、应变与应力之间的本构关系。结合本构关系的峰值强度与摩尔-库仑失效准则,得到了岩石损伤与内摩擦角、黏聚力、剪切强度及失效断裂面角度之间的理论关系;讨论了围压、裂纹尺寸、角度及摩擦系数对岩石宏观剪切断裂面角度的影响,通过试验结果验证了模型合理性。结果表明：随着损伤增大,内摩擦角、黏聚力及剪切强度不断减小;随着围压增大、摩擦系数增大和初始裂纹尺寸减小,剪切断裂面角度不断增大;随着裂纹角度增大,剪切断裂纹面角度先减小后增大。     

石膏岩干湿循环细观模拟及损伤本构模型

为研究干湿循环作用下石膏岩劣化效应,并对其劣化损伤进行数学描述,采用颗粒流软件进行了细观力学模拟,并基于Weibull分布建立了统计损伤本构模型。研究表明:随着干湿循环次数的增加,试件裂纹数量不断增加,拉裂纹增加数量尤为显著;进行相同次数干湿循环时,随着围压不断增大,试件的拉裂纹数量逐渐减少,剪切裂纹数量不断增多。干湿循环作用对石膏岩细观强度参数影响效应大小不一,其强弱关系为:摩擦系数抗拉强度内摩擦角节理模量黏聚力。模型模拟值和试验值较为吻合,表明该模型能表征岩石破裂过程中的应力应变关系。     

高渗透压脆性岩石蠕变宏−细观力学模型研究

高渗透压对深部地下工程脆性岩石蠕变力学特性有着重要影响。然而,能够解释高渗透压作用脆性岩石完整减速、稳态及加速三级蠕变过程中,细观裂纹扩展与宏观变形关系的宏细观力学模型研究很少。基于考虑含有初始裂纹与新生成翼型裂纹影响的裂纹尖端应力强度模型,引入渗透水压与初始裂纹及新生成翼型裂纹之间的力学关系,建立了考虑渗透水压作用的裂纹尖端应力强度模型;然后结合亚临界裂纹扩展法则,与裂纹及应变损伤关系模型,推出了考虑渗透水压影响的脆性岩石蠕变裂纹扩展与宏观变形关系的宏细观力学模型。当施加轴向应力小于岩石裂纹启裂应力时,岩石近似表现为线弹性变形;当施加轴向应力大于裂纹启裂应力且小于岩石峰值强度,岩石表现为塑性蠕变变形。研究了不同渗透压作用下,分级轴向应力加载岩石蠕变应变时间演化曲线,并通过试验结果验证了模型的合理性。分别讨论了恒定渗透压与分级渗透压,对脆性岩石蠕变过程中裂纹长度、裂纹扩展速率、轴向应变及轴向应变率的影响。该模型为高渗透压深部地下工程围岩稳定性评价提供了重要理论依据。     

基于强度参数演化行为的岩石峰后应力-应变关系研究

基于岩石材料峰后强度参数的演化行为,结合强度准则,提出了建立峰后应力-应变关系的一般方法。在此基础上,基于摩尔-库仑强度准则,以最大主应变 作为应变软化参数,假设黏聚力 ,内摩擦角 为主应变 的分段线性函数条件下,给出了岩石材料的峰后应力-应变关系式的求法。在数值算例中,利用提出的方法,给出了大理岩在不同围压下的应力-应变曲线,算例显示,利用这一方法求得的峰后应力-应变关系曲线变化趋势与试验数据基本一致,表明该方法在研究峰后应力-应变关系上具有一定的合理性。     

非饱和紫色土三轴试验颗粒流宏细观参数关系研究

为确定非饱和紫色土颗粒流宏细观力学参数间关系,采用三维颗粒流软件(PFC3D)并结合控制变量法与莫尔-库仑破坏准则,对不同含水率(8%、10%、12%、14%、16%、18%)及围压(100kPa、200kPa、300kPa、400 kPa)条件下的非饱和紫色土三轴固结不排水试验进行了数值模拟,并与室内结果进行对比。结果表明:重塑紫色土黏聚力随含水率增加呈先增后减的趋势,且存在临界含水率12%;内摩擦角与含水率呈一阶线性负相关。紫色土的宏观强度参数黏聚力与细观参数切向黏结强度呈线性正相关,而内摩擦角值由颗粒切向黏结强度及摩擦系数共同决定。建立了紫色土含水率与颗粒切向黏结强度、摩擦系数之间的定量关系,通过细观参数切向黏结强度及摩擦系数的改变来模拟不同含水率下紫色土的黏聚力与内摩擦角的变化,将数值模拟的应力-应变曲线与室内试验曲线进行对比,验证了该关系的正确性。利用PFC3D内置的切片工具对含水率为12%,围压为200kPa的数值试件进行剖切,可以较好地观察到紫色土三轴微观颗粒的运动情况及颗粒间接触力的分布特征,为深入探究紫色土的抗剪强度特性及应力-应变性状提供参考。     

基于摩尔-库仑准则的断续节理岩体复合损伤本构模型

针对工程实际中断续节理裂隙岩体的损伤本构模型,假设岩石微元强度服从Weibull随机分布,以摩尔-库仑破坏准则作为描述微元强度的表示方法,推导出细观损伤变量。利用能量和断裂力学理论,综合考虑节理几何特征及力学特性,推导宏观损伤变量计算公式。基于Lemaitre应变等效假设,考虑宏细观缺陷耦合作用,推导出复合损伤变量,建立了基于摩尔-库仑准则的宏细观缺陷耦合作用的断续裂隙岩体损伤本构模型。研究结果表明：（1）采用摩尔-库仑准则作为描述微元强度的统计分布变量建立的损伤模型能够较好地反映岩石内部缺陷分布和变形特征,该模型真实地反映岩石微元强度受应力状态的影响。（2）该模型建立的理论曲线与断续节理岩体的试验曲线吻合较好。（3）节理裂隙岩体宏观损伤变量及峰值强度随节理倾角的变化规律与综合考虑宏细观耦合作用下的损伤变量及裂隙岩体峰值强度随节理倾角的变化规律基本一致。（4）宏细观耦合作用下的等效弹性模量与节理贯通率呈非线性负相关;在节理倾角一定的情况下,损伤变量与节理长度呈非线性正相关;在贯通率较小时,岩体的宏观损伤变量与内摩擦角的关系呈线性负相关变化,贯通率达到一定程度,线性关系变成非线性关系。     

深部岩石考虑残余强度时三轴试验离散元定量模拟及参数分析

深部岩石在工程中具有高应力、大变形等典型特点,因此,高围压下考虑岩石残余强度的三轴试验对于分析深部岩石力学特性具有重要意义。离散单元法是分析岩石力学特性的重要数值方法,但是长期以来采用离散单元法定量模拟岩石的三轴试验一直存在诸多挑战,即数值模拟与室内试验得到的应力-应变全过程曲线难以定量匹配。采用改进的三维胶结抗弯-扭模型对深部砂岩考虑残余强度时的三轴试验进行了定量模拟,实现了数值模拟与室内试验应力-应变全过程曲线的定量匹配,获得了岩石较大的峰值/残余内摩擦角及非线性强度包线,克服了经典BPM模型存在的3个突出问题。通过参数分析,研究了峰值/残余内摩擦角及黏聚力与离散元微观参数之间的关系,同时这些大量的算例也证明了该模型具有较高的计算效率,可以满足模拟三维室内常规试验的要求。     

湛江强结构性黏土强度特性的应力路径效应

为探讨湛江强结构性原状土与相应重塑土在不同应力路径下的强度特性及其与结构性的关联性,开展了在不同固结条件下的主动压缩、被动压缩、主动伸长3种应力路径试验,分析了该强结构性黏土在不同应力条件下的力学性状与强度特性。结果表明,湛江黏土的剪切破坏形态主要是单一型、双交叉剪切带与“腰鼓”型3类,应力-应变特性主要为轻度应变软化、强烈应变软化、轻度应变硬化、强烈应变硬化4类;偏压固结下试样破坏应变小于等压固结相应值,破坏强度及初始弹性模量比后者大;不同应力路径下土的强度差异主要反映在结构屈服前有效黏聚力的不同,结构屈服前,原状土的黏聚力高于重塑土的黏聚力,内摩擦角小于后者;结构屈服后,黏聚力逐渐减小,内摩擦角略有增大。原状土到重塑土的转变过程是黏聚力与内摩擦力在土体内部相互消长的过程,强结构性黏土在结构屈服前的强度指标具有较强应力路径依赖性。     

拉应力条件下岩石细观力学本构模型和渗透系数张量研究(I):各向异性损伤本构模型

在拉应力作用下的考虑渗流的岩石本构模型研究尚且很少。采用细观力学研究了岩石损伤变形过程,考虑了渗流过程。由于选用了新的微裂纹扩展准则,提高了解方程效率;采用细观力学成果建立了考虑渗流的微裂纹面不连续变形对岩石变形影响规律,并采用断裂力学成果建立了考虑渗流的微裂纹应力强度因子;建立了同时考虑微裂纹扩展过程和渗流过程的岩石各向异性损伤本构模型,该模型也适用于岩体。     

基于Mohr-Coulomb准则的断续节理岩体复合损伤本构模型

针对工程实际中断续节理裂隙岩体的损伤本构模型,假设岩石微元强度服从Weibull随机分布,以摩尔–库仑破坏准则作为描述微元强度的表示方法,推导出细观损伤变量。利用能量和断裂力学理论,综合考虑节理几何特征及力学特性,推导宏观损伤变量计算公式。基于Lemaitre应变等效假设,考虑宏细观缺陷耦合作用,推导出复合损伤变量,建立了基于摩尔–库仑准则的宏细观缺陷耦合作用的断续裂隙岩体损伤本构模型。研究结果表明:(1)采用摩尔–库仑准则作为描述微元强度的统计分布变量建立的损伤模型能够较好地反映岩石内部缺陷分布和变形特征,该模型真实地反映岩石微元强度受应力状态的影响。(2)该模型建立的理论曲线与断续节理岩体的试验曲线吻合较好。(3)节理裂隙岩体宏观损伤变量及峰值强度随节理倾角的变化规律与综合考虑宏细观耦合作用下的损伤变量及裂隙岩体峰值强度随节理倾角的变化规律基本一致。(4)宏细观耦合作用下的等效弹性模量与节理贯通率呈非线性负相关;在节理倾角一定的情况下,损伤变量随节理长度呈非线性正相关;在贯通率较小时,岩体的宏观损伤变量与内摩擦角的关系呈线性负相关变化,贯通率达到一定程度,线性关系变成非线性关系。     

Effects of crack inclination on shear failure of brittle geomaterials under compression

A micromechanics-based approach is proposed to predict the shear failure of brittle rocks under compression. Formulation of this approach is based on an improved wing microcrack model, the Mohr-Coulomb failure criterion, and a micro-macro damage model. The improved wing microcrack model considers the effects of crack inclination angle on mechanical behaviors of rocks. The micro-macro damage model describes the relation between crack growth and axial strain. Furthermore, comparing experimental and theoretical relations between crack initiation stress and confining pressure, model parameters (i.e., μ, a, β, and φ) hardly measured by test are solved. Effects of crack inclination angle, crack size, and friction coefficient on stress-strain relation, compressive strength, internal friction angle, cohesion, shear failure plane angle, and shear strength are discussed in details. A most disadvantaged crack angle is found, which is corresponding to the smallest compressive strength, cohesion, internal friction angle, and shear strength of rocks. Rationality of the theoretical results is verified by the published experimental results. This approach provides a theoretical prediction for effects of microcrack geometry on macroscopic shear properties in brittle rocks under compression.     

硬脆性大理岩拉剪破坏特征与屈服准则研究

岩土工程中常用的屈服准则多以压缩剪切为其破坏机制,然而硬脆性岩体的脆性破坏包括拉伸破坏、张拉剪切破坏和压缩剪切破坏3类,且随着岩体工程向深部发展,张拉剪切破坏成为了洞壁围岩的主要破坏机制。针对此问题,开展了硬脆性大理岩的室内拉剪试验,分析了大理岩拉剪破坏特征,并结合压剪试验结果,建立了考虑张拉剪切破坏机制和应力状态影响的Mohr-Coulomb准则。研究结果表明,硬脆性大理岩破裂面在拉剪应力状态和低正应力压剪应力状态下均具有张拉剪切破坏特征,高正应力压剪应力状态下则只具有压缩剪切滑移特征;拉剪应力状态下,大理岩破裂面张拉破坏特征明显,无明显剪切痕迹,剪切力固定时,剪切位移随着轴向拉力增加而增加;凝聚力和内摩擦角受应力状态影响,凝聚力随正应力增大先减小后增大,内摩擦角则随正应力的增大而减小;凝聚力、内摩擦角随正应力的变化趋势可分为4段,拉剪段、低压应力段、中压应力段和高压应力段,每段的凝聚力、内摩擦角与正应力皆可认为是线性关系,靠近抗拉强度处,内摩擦角趋近90°,凝聚力趋于无穷大;考虑张拉剪切破坏机制和应力状态影响的Mohr-Coulomb准则曲线分为两部分,可采用二次抛物线进行拟合的拉剪段和考虑凝聚力、内摩擦角随正应力演化的压剪段,由此建立的Mohr-Coulomb准则更全面、精度也更高。     

固化淤泥重塑土力学性质及其强度来源

对不同水泥掺加量的固化淤泥及其重塑土进行了无侧限抗压强度试验和直接剪切试验,并对固化土和重塑土的应力-应变关系曲线、无侧限抗压强度、黏聚力和内摩擦角进行了比较分析。结果表明：随着水泥量和龄期的增加,固化淤泥的脆性增强,塑性减弱;重塑土的应力-应变关系受水泥量和龄期的影响不大,随着应变的增加,应力增长缓慢,塑性变形非常大。固化土的无侧限抗压强度、黏聚力均随着水泥量和龄期的增加而增大,而内摩擦角则有减小的趋势。重塑土相对于原状土无侧限抗压强度和黏聚力都有较大程度的折减,并且水泥量和龄期越大,折减越多;内摩擦角随着水泥量和龄期的增加有小幅度提高。重塑土强度主要来源于破碎固化土团间的摩擦和咬合作用,因此,在固化淤泥重塑土的实际工程应用中,初始固化土的处理强度不应太高。     

Micromechanics modelling for stress–strain behaviour of brittle rocks

A micromechanics model for stress–strain behaviour of brittle rocks has been developed. Microcracking is the mechanism of the non-linear deformation behaviour for brittle rocks in the pre-peak stage. The non-linear behaviour in this stage is simulated by considering the local axial splitting of microcracks. The relationships between the compressive stresses, the growth of microcracks, and the fracture-induced deformation are analytically established. In the post-peak stage the shear faulting predominates the process of deformation, which is simulated by a damage model. This micromechanics model is helpful in understanding the failure process in brittle rocks. The model can be used to simulate the complete stress–strain behaviour of rock. The model simulations are consistent with experimental results.     

砂与黏土混合物强度特性环剪试验研究

为分析砂和黏土混合物的强度特性,将石英砂和高岭土按不同质量比配制试验土样,开展了一系列固结排水条件下的环剪试验。通过设置轴压为75 kPa、150 kPa、300 kPa和600 kPa状态下开展试验,得到土样剪切角与剪切应力的关系曲线。根据试验曲线的峰值剪应力,通过莫尔-库仑准则得到土样的黏聚力和摩擦角。结果表明,砂和黏土混合物的黏聚力在5~18 kPa范围内波动,当高岭土含量为50%时黏聚力值达到最小值。当高岭土含量小于50%时,摩擦角随高岭土含量增加略有减小;当高岭土含量超过50%时,摩擦角随高岭土含量增加而减小的趋势更明显。     

A study of the behaviour of brittle rocks subjected to confined stress based on the Mohr–Coulomb failure criterion

In this study the relationship between brittle rocks’ behaviour and uniaxial compression stress is obtained based on the Mohr-Coulomb failure criterion and the behavioural characteristics of brittle rocks under uniaxial compression stress are investigated. According to the laboratory uniaxial compression tests on granite rocks, and also available results in the literature, required parameters in the study are obtained. It is indicated that the behaviour of brittle rocks which is affected by uniaxial compression is function of cohesion. In the other words, cohesion changes as the uniaxial compression increases. Also, in yield point where its stress is equivalent to the uniaxial compressive strength, the cohesion maximises. By suggesting a new viewpoint to the Mohr’s circle, normal stresses on failure plane, shear stresses tangential to the failure plane and hydrostatic stresses are investigated. Results show that, normal stress on the failure plane in yield point of the behavioural curve equals zero and shear stress tangential to the failure plane is maximum which is equal to the maximum rocks’ natural strength. Also, in this point the strength is equi-pressure, therefore the stress is of hydrostatic type.     

基于高分子复合材料改良砂土三轴剪切试验研究

为研究剑麻纤维和高分子固化剂复合改良对砂土工程特性影响,通过一系列三轴剪切试验,对不同掺量和长度的剑麻纤维与高分子固化剂改良砂土的剪切强度特性进行了研究,从峰值偏应力、应力应变曲线特征和抗剪强度参数等方面分别对改良机理进行了研究。研究结果表明,纯高分子固化剂改良砂土的峰值偏应力和黏聚力明显提升,由于固化剂粘结砂土颗粒,限制了变形过程中颗粒的相对滑动,内摩擦角略微降低。随纤维掺量的增加,不同围压下固化剂改良土体的峰值偏应力明显增加,应力硬化特征愈加明显,土体的黏聚力和内摩擦角随纤维掺量的增加保持单调递增趋势。在单纯添加固化剂的情况下,土体强度与固化剂浓度呈正相关的关系;在给定0.4%的纤维含量下,随着纤维长度的加长,纤维和高分子固化剂复合改良砂土的剪切强度先增强后降低;在纤维长度为18 mm时,土体的剪切强度达到最大,黏聚力达到最大207.57 kPa;纤维长度的改变对试样破坏时的轴向应变和土体的内摩擦角基本没有影响。     

不同应力路径下土石混填体变形力学特性大型三轴试验研究

为更加全面地掌握土石混填体的变形、力学特性,采用大型三轴剪切仪分别在常规路径、等应力比路径和等p路径下对不同含石量的土石混填体进行了一系列试验研究。试验结果表明,在低围压下土石混填体的应变软化特征并不明显,其黏聚力普遍较低,而内摩擦角则较高,随试样的含石量从25%增加到70%,其内摩擦角和变形模量亦会随之增加。土石混填体在常规路径和等p路径下的应力-应变关系曲线比较相似,其所求得的抗剪强度指标亦比较接近;而等应力比路径下的应力-应变关系曲线的形态和发展过程均与之存在明显差别。土石混填体在常规路径下具有低压剪胀和高压剪缩的特性,含石量越高,低压剪胀性越明显,反之,则高压剪缩性更为显著;等应力比路径下试样的体积应变与轴向应变之间近似呈线性关系,其斜率随应力比增加而减小;等p路径下试样则是以剪胀性为主,尤其在平均主应力较低时更为显著。     

平面应变下原状黄土的剪切带研究

针对黄土地区工程建设中的平面应变问题,使用改进的西安理工大学真三轴仪进行了不同侧向固结压力、不同含水率下原状黄土的平面应变剪切试验,得出了剪切破坏时剪切带倾角试验值,根据应力-应变关系曲线求出了剪切带倾角的Mohr-Coulomb、Roscoe理论解,分析了相应控制因素下原状黄土强度、剪切带破坏模式与倾角的变化。结果表明：应力-应变曲线随含水率、侧向固结压力的增大从原生软化型向次生硬化型转变;剪切带破坏模式随侧向固结压力的增大依次呈现单一剪切带、锥型剪切带和X型剪切带;随着含水率的增大,黏聚力、内摩擦角减小导致Mohr-Coulomb剪切带倾角减小,剪胀作用增强导致Roscoe剪切带倾角增大;随侧向固结压力增大,动内摩擦角增大及剪胀作用增强,导致Mohr-Coulomb、Roscoe剪切带倾角增大。