干湿循环作用下砂岩力学特性及其本构模型的神经网络模拟

基于不同干湿循环作用下砂岩单轴压缩试验结果,分析了干湿循环效应对砂岩变形、强度、破坏特征等力学特性的影响规律,认为随着干湿循环次数的增加,弹性模量及峰值强度均有降低的趋势,降低幅度先大后小,而且会以某一具体值为临界值发展变化,就本次试验而言为干湿循环20次时的抗压强度和弹性模量值;砂岩的破坏特征亦会受到干湿循环试验次数的影响,干湿次数越少,脆性破坏越明显,反之则延性特征增强,即砂岩会呈现一种从脆性到延性转化的破坏规律。以应变和干湿试验次数为输入层,应力为输出层,构建了2-12-1的三层神经网络本构模型。通过样本的学习与检验,证明该模型能较好地描述干湿循环作用下砂岩的力学性能,验证了利用神经网络方法建立岩石本构模型的可行性与可靠性。基于预测结果,建立了完整的考虑干湿循环效应的砂岩力学特性变化规律的数学函数关系式。     

考虑干湿循环作用泥质砂岩的强度与破坏准则研究

研究库水位反复升降对边坡稳定性的影响具有重要意义,结合水-岩相互作用课题,对不同干湿循环次数作用下的泥质砂岩进行单轴压缩试验和三轴压缩试验。试验结果表明:在干湿循环作用下,泥质砂岩的峰值强度的劣化程度黏聚力的劣化程度内摩擦角的劣化程度,随着干湿循环次数增加其力学参数劣化程度加剧,结合岩土塑性力学中广泛应用的Drucker-Prager准则(简称D-P准则),提出了考虑干湿循环作用的不同围压下泥质砂岩的D-P屈服准则,通过修正的D-P屈服函数计算的泥质砂岩不同围压下的理论峰值与试验值的对比,得到两者误差控制在10%以内,考虑干湿循环作用的泥质砂岩的D-P屈服准则在实际应用中是可行的,为工程中获得任意围压下岩石的破坏强度提供了理论依据。     

干湿交替对砂岩力学特性影响的试验研究

由于地下水位的升降等原因,岩体经常处于干湿交替状态,这对岩体工程的长期稳定性不利。以红砂岩为研究对象,进行了干燥－饱水干湿交替作用后的常规单轴和三轴压缩试验研究,获得了砂岩应力-应变曲线,分析了其变形破坏特征。相对于没有经过干湿交替作用的干燥试件,经过不同次数的干燥－饱水交替作用后,砂岩的弹性模量、单轴和三轴抗压强度、黏聚力、内摩擦角等都有不同程度的降低。各力学指标的总体变化趋势是在第1次饱水之后均有较大幅度的下降,此后,随着干湿交替作用次数增加其降低的幅度逐渐减小,干湿交替作用使岩石的延性增强。在围压作用下,砂岩的峰值强度均随着围压的增大而增大,干燥试件强度的围压效应要比多次干湿交替作用后的试件显著。     

有机硅材料改性砂岩强度与ζ电位变化规律

针对干湿循环作用下岩石强度劣化引发工程岩体稳定性控制问题,以山西忻州保德煤矿8煤顶板中粒长石石英砂岩为例,对砂岩进行有机硅材料改性试验。通过单轴压缩试验研究改性前、后砂岩经历不同干湿循环作用后的强度损伤劣化规律,采用电泳法对比分析改性前、后砂岩表面ζ电位变化规律,并探讨了有机硅材料改性砂岩的改性机制。结果表明,(1)改性后砂岩的单轴抗压强度、弹性模量和变形模量明显提高,单轴抗压强度提高21.7%,弹性模量提高22.2%,变形模量提高23%;(2)受干湿循环作用砂岩强度劣化效应明显,随干湿循环次数增多,砂岩单轴抗压强度、弹性模量和变形模量均呈负指数关系降低;(3)有机硅材料对砂岩表面的电性有较大影响,随着岩样悬浮液p H值的降低,砂岩表面的负电性逐渐减弱至不带电,最后变为正电。     

酸性环境干湿循环对泥质砂岩力学特性影响的试验研究

由于库水位升降及降雨等原因,岩体经常处于干湿交替状态,对岩体工程的长期稳定性不利。以三峡库区泥质砂岩为研究对象,进行了酸性环境干湿循环交替作用后的常规单轴与三轴压缩试验研究,获得了泥质砂岩在酸性溶液浸泡干湿循环后的相关力学参数。相对于没有经过干湿循环作用的干燥试件,经过不同次数的干湿循环作用后,泥质砂岩的弹性模量、单轴抗压强度、黏聚力与内摩擦角都有不同程度的降低。各个力学指标的总体变化趋势是在第一次饱水之后有大幅度的降低,此后随着干湿循环次数的增加其降低的幅度逐渐减小。同时,酸性溶液的pH值对力学指标的影响很大,存在对泥质砂岩力学性能影响较大的一个临界pH值,低于此值酸性溶液对泥质砂岩力学性能影响显著增大,高于此值酸性溶液对其力学性能影响较小。     

内摩擦角对冻融岩石损伤本构模型的影响探讨

基于Weibull随机分布和损伤力学理论,从岩石变形全过程的特点入手,选用Drucker-Prager准则,建立能反映冻融岩石各变形阶段特征的损伤本构模型。通过冻融砂岩常规三轴压缩试验,运用Mohr应力圆,获得不同冻融循环次数下砂岩的黏聚力和内摩擦角;由模型理论曲线与冻融砂岩试验曲线对比分析,验证模型的合理性;通过变动内摩擦角,分析摩擦角对模型是否存在影响。结果表明:基于Drucker-Prager准则获得的理论曲线与试验曲线吻合较好,验证了模型的合理性;内摩擦角对分布变量的影响较大,且是线性关系,但对损伤本构模型没有影响或影响不大。研究成果对岩石本构关系的建立有较好的参考价值。      

循环扰动和高温作用下砂岩的岩爆倾向性及破坏特征研究

为了揭示循环扰动和高温影响下砂岩的岩爆机制,开展了循环扰动和高温作用下砂岩单轴压缩试验和CT扫描试验,研究了不同条件下砂岩的力学特性、岩爆倾向性及破坏特征,探讨了岩爆倾向性与破坏特征的关系。研究结果表明：循环扰动和高温对砂岩的力学性能及岩爆倾向性影响效果显著;无循环扰动砂岩的单轴抗压强度、弹性模量及岩爆倾向性随温度的升高呈先增加后降低的趋势,200℃为该类砂岩的阈值温度,受循环扰动砂岩的力学特性及岩爆倾向性随温度的上升而降低;而砂岩的力学特性及岩爆倾向性随循环应力幅值增加而下降;随着循环应力幅值和温度的增加,砂岩破坏模式由劈裂破坏向剪切破坏转变,同时砂岩的岩爆倾向性与裂隙三维分形维数呈良好的负相关关系;此外,高温对砂岩的力学性能、岩爆倾向性及破坏程度影响效果强于循环扰动。研究结果可为高温工程岩爆防治提供理论依据和工程参考价值。     

干湿循环作用下单裂隙炭质页岩能量演化与破坏特征研究

为研究干湿循环作用下裂隙炭质页岩能量演化及破坏特征,分别制作完整和裂隙倾角为30°、45°和60°的炭质页岩,利用MTS815岩石力学试验系统进行不同干湿循环作用下的三轴压缩试验,研究了干湿循环对单裂隙炭质页岩强度、破坏模式及能量演化的影响。结果表明:起裂应力、损伤应力和峰值应力处弹性能和耗散能与干湿循环呈指数函数关系;起裂应力处弹性能、耗散能和损伤应力处耗散能对干湿循环的敏感程度较低,损伤应力处弹性能和峰值应力处弹性能、耗散能对干湿循环的敏感程度较高。炭质页岩破坏模式受控于干湿循环和裂隙倾角,干湿循环为主控因素,裂隙倾角为次控因素;裂隙倾角为30°的干燥岩样为拉剪破坏,裂隙倾角为45°和60°的干燥岩样为剪切破坏;随着干湿循环次数的增加,宏观主裂纹长度增大,次要裂纹增加,破坏模式整体上向剪拉破坏发展。随着干湿循环次数的增加,起裂应力处储能水平K_ci和损伤应力处储能水平K_cd逐渐增大,起裂和损伤应力处储能水平越高,岩石起裂和损伤更容易;K_cd可作为岩石破坏的预警指标,K_cd越大,岩石越易发生破坏。     

干湿循环效应下玄武岩纤维加筋黄土三轴剪切力学行为研究

通过干湿循环效应下的数字图像三轴剪切试验、CT扫描试验及扫描电镜SEM(scanning electron microscopy)试验,研究了玄武岩纤维加筋黄土干湿循环过程的三轴剪切力学行为及微细观结构演化机制。结果表明:随干湿循环次数增加,纤维含量较高试样的三轴剪切鼓胀破坏形态转变为剪切带破坏;干湿循环早期阶段,剪切破坏形态随纤维含量增加,由剪切带破坏转变为鼓胀破坏。干湿循环作用和纤维含量对应力-应变曲线的类型及特征无明显影响,均表现为应变硬化型。破坏偏应力随干湿循环次数增加而逐渐减小,但衰减速率逐渐减小;破坏偏应力随纤维含量增大先增加而后减小,呈抛物线变化特征,存在一个最佳纤维含量为0.6%。CT数均值ME值呈现与破坏偏应力相似的变化规律。干湿循环作用下筋-土界面产生一定的开裂和松弛现象,弱化了纤维的加筋效应,但与素黄土相比,纤维加筋黄土的微观结构表现出显著的整体稳定性。构建了干湿循环效应下玄武岩纤维加筋黄土的宏细观损伤变量,其表现出一致的变化规律。     

冻融循环下砂岩损伤演化及本构模型

冻融交替对岩石宏观强度产生弱化。基于冻融循环条件下的压缩试验结果,利用损伤力学研究材料强度特征及损伤演化,建立岩土材料的损伤模型。结果表明:随着循环次数的增加,砂岩的力学强度参数均逐渐减小,抗压强度与弹性模量的降低幅度可以达到49.70%、83.40%,意味着冻融循环对材料力学性质损伤显著;定义岩石综合损伤变量,得到损伤演化特征曲线,基于高斯函数变化特征,构建冻融循环条件下材料损伤本构模型,对比分析试验与模型曲线,发现该模型能够较好地描述试验结果。基于高斯函数的损伤模型能较好地反映材料变形行为特征,研究成果可以为类似本构模型的建立提供参考。     

基于Weibull分布的冻结砂岩损伤本构模型研究

冻结岩石的变形破坏特性是冻结法施工过程中的基础力学问题,在荷载作用下不同冻结温度岩石的力学特性和变形特征差异性较大,严重影响冻结壁的安全与稳定。因此,研究冻结岩石的损伤本构关系,对指导冻结法设计与施工具有重要意义。为分析荷载作用下冻结岩石变形破坏的全过程,采用Weibull分布描述岩石材料的非均质性,基于Drucker-Prager破坏准则,建立三轴应力状态下岩石损伤本构模型,结合冻结砂岩三轴压缩试验,重点分析本构关系中均质度系数m、平均强度F₀与冻结温度和围压的变化关系,对损伤本构方程进行修正,并基于此模型研究冻结砂岩的损伤演化规律。结果表明:在相同围压下,随着冻结温度的降低,砂岩峰值强度显著增大,峰值应变减小,压密阶段逐渐减弱,弹性变形阶段斜率增加,岩石脆性破坏特征明显。在相同冻结温度下,均质度系数m和平均强度F₀随围压升高无显著变化,而随着冻结温度的降低,m和F₀分别呈现指数增长和线性增长,说明随着冻结温度的降低,砂岩冻结越充分,内部自由水冻结成冰占比及冰体强度增长幅度越大,尤其在0~–10℃内提升效果显著,冻结作用提高了砂岩的均质性和平均强度。基于不同冻结温度砂岩的力学特性和变形规律,对不同冻结温度砂岩的损伤本构方程进行了修正。依据修正本构模型研究发现,损伤演化曲线能够很好地反映冻结砂岩压缩试验的压密、线弹性、屈服变形及应变软化各阶段的变形特征,验证了模型的合理性。研究结果为低温环境下岩石力学特性研究及地下冻结工程设计施工提供有益的参考。      

岩爆机理的统计损伤解释

基于岩石力学试验成果的基础上,论证了统计损伤力学对脆性岩石单轴压缩变形破坏的解释的合理性。进而提出采用平行杆模型模拟洞室围岩,以西南某深埋隧洞为例,推出了岩爆应力强度比判据分界点的统计损伤意义。并通过对比理论曲线与实际岩爆的声发射特征及整体围岩变形破坏表现,从统计损伤理论上解释了岩爆的发生机理。     

酸环境干湿循环作用下泥灰岩损伤劣化分析

针对库区消落带泥灰岩的最不利作用环境——酸环境干湿循环下力学性质损伤劣化问题,以岸坡泥灰岩为研究对象,分别开展pH=3,5,7溶液条件下的干湿循环试验,分析了酸环境干湿循环作用下泥灰岩单轴抗压强度的劣化规律,查明了其对泥灰岩力学性质的损伤劣化特性,采用颗粒流软件对比探究了不同循环次数对力学强度参数的影响规律,并结合库区消落带岩体劣化现象分析了层进劣化机理。研究结果表明:pH=3,5,7溶液环境下泥灰岩单轴抗压强度变化均与干湿循环次数呈反比关系,累积劣化度S_n在34.79% ~54.31%之间变化,且呈现快速上升、缓慢发展、趋于平稳的变化趋势,而峰值应力劣化范围为8.79% ~35.61%;泥灰岩黏聚力C、内摩擦角φ、弹性模量E均随干湿循环次数的增加而不断降低,且损伤劣化以圈层渐进的模式进行;库区消落带岩体受到酸溶液干湿循环作用后,附近岩体会萌生大量次生裂隙,随着循环次数的推进及损伤的持续累积,裂隙逐渐贯通并向坡内层进扩展,扩展范围和速率与干湿循环次数和溶液pH值有关。以上分析结论与规律可为库岸山体滑坡崩塌失稳、库区危岩基座软化、蓄水渗漏等灾害的预测与应急防治提供科学依据和理论方法。     

孔隙水压力分级加载砂岩蠕变特性研究

采用RLW－2000 M微机控制煤岩流变仪,以细粒砂岩为研究对象,对三轴压缩条件下岩石孔隙水压力分级加载蠕变试验进行了蠕变特性及模型研究,重点分析了孔隙水压力分级加载时蠕变条件下岩石的应变（应变速率）、等效孔隙体积（体积速率）演化曲线,同时对不同孔隙水压力分级加载条件下的岩石蠕变演化曲线进行了模型分析和对比。试验结果表明,逐级加载孔隙水压作用下细粒砂岩的蠕变曲线符合蠕变演化3阶段特征;分级加载水压力的孔隙体积演化规律符合微孔洞的损伤过程的3个阶段规律;利用西原体模型进行理论与试验蠕变曲线对比,蠕变方程曲线与试验曲线的演化规律吻合。     

水岩作用下砂岩劣化损伤统计本构模型

水库蓄水运行后,库水位反复升降变化对库岸边坡岩土体来说是一种疲劳作用,水岩作用下边坡岩体力学性质的劣化将影响整个边坡的稳定。基于此,在前期浸泡-风干循环水岩作用试验数据分析基础上,根据水岩作用过程中砂岩三轴压缩试验应力-应变曲线的特点,借助连续损伤力学和统计理论,将浸泡-风干循环水岩作用的损伤效应耦合到损伤统计本构模型中,并重点考虑了压密段的影响,分段建立了水岩作用下砂岩的统计损伤本构方程。对比分析表明,所建立的分段统计损伤本构模型计算与试验曲线符合较好,说明所建立的统计损伤本构方程可以较好地反映砂岩在浸泡-风干循环水岩作用的损伤效应,在水岩作用过程中,本构模型第2段的Weibull分布参数m和F_0均逐渐减小,反映了水岩作用下砂岩脆性逐渐减弱,宏观强度逐渐降低的力学特性。研究成果对大量存在的库岸边坡长期变形稳定分析具有较好的参考价值,同时,相关分析方法也可以为类似试验提供参考。     

基于低场核磁共振的干湿循环对泥质砂岩微观结构劣化特性影响研究

为研究岩石经历干湿循环后的细观损伤演化特征,选取三峡库区某边坡的泥质砂岩为研究对象,在饱和状态下分别对各组进行多次干湿循环试验。采用低场核磁共振技术(NMR)研究了干湿循环作用对泥质砂岩的损伤行为,结果表明:干湿循环作用下,核磁共振T2谱图波峰信号幅度发生显著变化,T2谱图面积、孔隙率呈现出定量的指数增长;通过核磁共振成像(MRI)发现,随着干湿循环试验的进行,岩石内部孔隙逐渐增多,孔隙尺寸增大,形成贯通的小裂隙并逐渐扩展,不同干湿循环次数作用后的MRI内部结构变化与SEM微观结构变化相似;MRI像素点的灰度值分布符合对数高斯分布,分布期望随循环次数逐渐饱和;随着循环次数增加,力学参数逐渐降低,峰值应力的降低与孔隙率的增大成正相关。     

基于低场核磁共振的干湿循环对泥质砂岩微观结构劣化特性的影响

为研究岩石经历干湿循环后的细观损伤演化特征,选取三峡库区某边坡的泥质砂岩为研究对象,在饱和状态下分别对各组进行多次干湿循环试验。采用低场核磁共振技术(NMR)研究了干湿循环作用对泥质砂岩的损伤行为,结果表明:干湿循环作用下,核磁共振T_2谱图波峰信号幅度发生显著变化,T_2谱图面积、孔隙率呈现出定量的指数增长;通过核磁共振成像(MRI)发现,随着干湿循环试验的进行,岩石内部孔隙逐渐增多,孔隙尺寸增大,形成贯通的小裂隙并逐渐扩展,不同干湿循环次数作用后的MRI内部结构变化与扫描电镜(SEM)微观结构变化相似;MRI像素点的灰度值分布符合对数高斯分布,分布期望随循环次数逐渐饱和;随着循环次数增加,力学参数逐渐降低,峰值应力的降低与孔隙率的增大成正相关。     

基于低场核磁共振的干湿循环对泥质砂岩微观结构劣化特性影响研究

为研究岩石经历干湿循环后的细观损伤演化特征,选取三峡库区某边坡的泥质砂岩为研究对象,在饱和状态下分别对各组进行多次干湿循环试验。采用低场核磁共振技术(NMR)研究了干湿循环作用对泥质砂岩的损伤行为,结果表明:干湿循环作用下,核磁共振T2谱图波峰信号幅度发生显著变化,T2谱图面积、孔隙率呈现出定量的指数增长;通过核磁共振成像(MRI)发现,随着干湿循环试验的进行,岩石内部孔隙逐渐增多,孔隙尺寸增大,形成贯通的小裂隙并逐渐扩展,不同干湿循环次数作用后的MRI内部结构变化与SEM微观结构变化相似;MRI像素点的灰度值分布符合对数高斯分布,分布期望随循环次数逐渐饱和;随着循环次数增加,力学参数逐渐降低,峰值应力的降低与孔隙率的增大成正相关。     

考虑空间相关尺度特征的细观力学模型及其应用

天然岩石材料内部存在各种缺陷,在微、细观尺度表现出高度的非均质特性。基于连续介质力学框架,采用非线性标量损伤本构关系描述岩石材料的变形与破坏行为,建立了岩石细观损伤本构模型,并在常规Weibull随机分布模型基础上,引入空间相关尺度因子以模拟实际岩石材料各项物理力学指标具有的空间相关特征。选取典型岩石单轴拉伸试验算例,分析随机场内空间相关尺度因子的变化对试样荷载-加口张开度关系曲线以及破坏行为的影响。结果表明,考虑岩石材料各项物理力学指标的空间相关尺度特征对评价其力学指标的离散性以及破坏形态特征有着较显著的影响。     

岩盐弹塑性损伤耦合模型研究

岩盐力学模型是进行能源岩盐储存工程稳定性分析的基础,而损伤和塑性机制并存且相互耦合是岩盐力学行为的基本特点。采用云应岩盐,进行了多组围压条件下的三轴压缩试验,分析了不同围压下岩盐的变形特征。在试验分析的基础上,提出了一种能够描述岩盐特性的弹塑性损伤耦合的模型,该模型描述了岩盐损伤的演化和塑性变形的耦合关系,并引入了一种非关联的塑性流动法则来描述岩盐从塑性体积压缩到膨胀的转化。采用该模型对在三轴压缩下的岩盐应力-应变关系进行了模拟分析,并与试验数据进行了对比,结果表明该模型能够较好地描述岩盐的主要力学和变形特性。