应变软化扩容对含随机缺陷岩石的渐进变形及破坏前兆特征的影响

在单轴平面应变压缩条件下, 采用FLAC模拟了剪切扩容对含随机缺陷岩石破坏前兆及变形特征的影响。密实的岩石服从莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则, 破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为。缺陷在破坏之后经历理想塑性行为。随着轴向应变的增加, 试样内部破坏的单元数目增加, 直到达到一个常数, 该常数随着扩容角的增加而增加。当扩容角较高时, 计算得到的泊松比在峰前就可以超过0.5;剪切扩容于峰前发生; 变形后试样的最终体积大于初始体积。剪切局部化(导致了毗邻块体之间的相对滑动)及剪切扩容(发生于剪切带内部)是非零扩容角试样峰后体积膨胀的原因。在峰前, 通过观察剪切应变增量、破坏的单元数目、侧向应变、计算得到的泊松比及体积应变可以发现, 扩容角越高, 试样破坏的前兆越明显。在低扩容角时, 由于弯曲的剪切带边界, 试样内部充分发展的剪切带的倾角比较分散, 剪切带的倾角更接近Arthur理论。      

上海粘性土剪切带倾角的试验研究

采用可量测局部侧向应变的平面应变仪，对上海地区第（2）层褐黄色粉质粘土和第（6）层暗绿色粉质粘土的原状土样，进行固结不排水平面应变压缩试验，观察土样的局部化变形过程，量测剪切带倾角，研究剪切带倾角随固结压力的变化情况，计算剪切带倾角的传统土力学理论解并与实测值进行比较，根据剪切带内局部剪胀角的近似估算，初步研究剪切带内的变形机理，认为剪切带的形成与孔隙水的运动密切相关。     

单轴压缩黏性土剪切带相互作用及损伤试验研究

剪切带损伤研究对于理解材料破坏机制和建立剪切带本构模型具有重要意义。为了研究单轴压缩黏性土样的剪切带损伤演化规律,根据纵向应变较高时清晰剪切带位置布置切向测线,对数字图像相关方法获得的结果进行双三次样条插值,从而获得光滑性较好的各种应变场。将土样整体的损伤变量-纵向应变曲线与各条剪切带的损伤演化曲线进行了对比。研究发现：（1）总体上,土样整体的损伤变量演化曲线呈线性,而各条剪切带的损伤变量演化曲线均上凹,这表明随着纵向应变的增加,各条剪切带的损伤发展越来越快;（2）各条剪切带的损伤变量演化曲线的轮廓线呈马尾形,这说明随着剪切带的逐渐发育,各条剪切带的相互影响和作用规律变强;（3）对于含水率较低的土样,平行或共线剪切带的损伤变量变化基本同步,特别是在剪切带充分发育之后,但两条剪切带的距离应较小;在一定时期,共轭或交叉剪切带中剪切带的损伤占优,这与剪切带的相互竞争有关,但若两条剪切带达到独立发展的程度,则二者的损伤变量变化可以同步;对于含水率较高的土样,各条平行或共轭剪切带的损伤变量变化基本同步,剪切带的相互作用不明显。     

位移控制加载、内压及侧压作用下平面应变含孔洞土样应变场观测

利用研制的平面应变模型加载及观测系统,研究了位移控制加载条件下含孔洞土样的破坏过程。孔洞内压及侧压由气囊施加。利用数字图像相关方法,获得应变场。通过布置测线的方式,研究了剪切带内外最大剪切应变及主应变轴偏转角的分布及演变规律。得到了下列结果。随着纵向应变的增加,含孔洞土样的最大剪切应变的分布经历由均匀变形向局部化变形的转化过程。对于剪切带外的测点,随着远离孔洞表面,最大剪切应变有增加的趋势,这与剪切带内损伤导致带外弹性应变降低（卸荷）有关。在孔洞表面附近,最大剪切应变变化复杂,这与应变弹性成分的下降与塑性成分的增加的博弈有关。对于剪切带尖端的测点,其和前后测点相比,水平线应变发生突增（剧烈膨胀）,垂直线应变的值发生突降（挤压程度剧烈降低）,剪切应变的值发生突增（剪切变形剧烈增加）,由此导致主应变轴偏转角的值发生突增,达到30°。当纵向应变相同时,侧压或内压的增加对含孔洞土样的纵向应力有增强作用。     

单轴压缩湿砂土试样主应变轴偏转规律试验研究

利用自主开发的基于粒子群优化的数字图像相关方法,获得了单轴压缩湿砂土试样观测平面内主应变轴偏转角的时空分布规律。采用双三次样条插值方法,获取了任意位置的主应变轴偏转角,分析了土样将来出现剪切带位置、剪切带的中心及其尖端附近和剪切带外的主应变轴偏转角随纵向应变的演变规律。研究发现,随着纵向应变的增加,在土样观测平面内,主应变轴偏转角的范围由分散逐渐变得稳定,大部分区域最终分布在-10°~10°之间。当出现较清晰的剪切带以后(硬化阶段后期),剪切带内不同位置处主应变轴偏转角基本趋于恒定或稍有下降,大致稳定在-5°~5°之间,这与剪切带外的点的主应变轴偏转角均处于发展之中不同;而在剪切带尖端附近的点,主应变轴偏转角随纵向应变的演变规律比较复杂。     

强度参数对初始随机缺陷岩样全部变形的影响

在单轴平面应变压缩条件下, 采用FLAC模拟了初始内聚力及内摩擦角对具有随机材料缺陷岩样轴向、侧向、体积变形及由侧向应变及轴向应变计算得到的泊松比的演变的影响。采用编写的FISH函数于试样内部规定随机缺陷并计算其全部变形特征。密实的岩石服从莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则, 破坏之后呈现应变软化—理想塑性行为。随着强度参数(初始内聚力及内摩擦角)的增加, 应力峰值及对应的侧向应变的值提高, 体积应变的峰值增加, 应力峰值所对应的计算得到的泊松比稍有增加。由于被剪切带所分割的毗邻块体之间的相对滑动, 纵然扩容角为零, 试样在峰后的变形阶段, 仍然可以观察到体积膨胀现象, 这与作者的理论分析结果一致。当强度参数降低时, 侧向应变—轴向应变曲线、体积应变—轴向应变曲线及计算得到的泊松比—轴向应变曲线的峰前非线性部分变得短暂。剪切带倾角的数值解的上限低于Coulomb理论, 下限在Roscoe理论附近波动, Arthur理论的预测结果与本文剪切带倾角的数值解更接近.      

高应力卸荷条件下砂岩扩容特征及其剪胀角函数

为研究高应力水平条件下岩石卸荷扩容特性及其剪胀角变化规律,开展了若干不同初始围压水平的三轴峰前卸围压试验,同时进行了相应围压水平的常规三轴压缩试验。基于试验成果分析了卸荷应力路径对砂岩扩容的影响效应,总结了卸荷应力路径下剪胀角变化规律,进而提出了基于卸荷应力路径的剪胀角函数,并给出了其数值实现方法,最后通过对三轴峰前卸围压试验的数值模拟,验证了所提出的剪涨角函数的可行性与合理性。研究表明：（1）加载路径时,不同围压水平下峰前扩容体积应变值相差不大,而卸荷应力路径时,随着围压水平的增加,峰前扩容体积应变从最小值3.15×10?3增加到最大值9.65×10?3,卸荷路径下的峰前扩容体积应变约为加载路径的1.1～4.0倍;（2）卸荷应力路径下偏应力峰值对应的体积应变基本为0或接近于0,而加载应力路径下偏应力峰值对应的体积应变均为负值;（3）卸荷应力路径条件下峰前扩容体积应变在总扩容体积应变中所占比例显著大于加载路径;（4）两种应力路径下,剪胀角随塑性剪切应变增加均经历了先增加后减小的过程,并且低围压工况下偏应力峰值对应的剪胀角和最大剪胀角均大于高围压工况;（5）与加载路径相比,卸荷路径下的剪胀角更快达到剪胀角最大值,并且其偏应力峰值对应的剪胀角和最大剪胀角更大;（6）基于砂岩三轴卸荷试验成果,采用线性拟合方法得出了以围压和峰后塑性剪切应变增量为自变量的剪胀角函数,基于该函数与应变软化本构模型的砂岩三轴峰前卸围压试验的数值模拟结果与试验结果吻合较好,表明该函数能较好地描述三轴峰前卸围压条件下砂岩的扩容特性。以上结论可为深部地下工程变形预测、稳定性分析与支护设计提供理论基础。     

基于CT扫描和数字体相关法的页岩各向异性三维变形场特征研究

为了获得层状页岩各向异性三维变形场特征,对四川盆地龙马溪组层状页岩开展单轴压缩试验,并利用Micro-CT原位扫描,以原位扫描获得的数字图像作为变形信息载体,基于局部数字体积相关法（digital volume correlation,简称DVC）和全局DVC方法计算单轴压缩条件下层理页岩变形场,研究页岩变形演化的层理效应。结果表明：随着载荷增加,页岩试件整体位移场梯度逐渐向层理方向演化。不同层理页岩试件的高应变集中区呈现出不同的模式,0°试件受张拉和剪切作用共同影响,在中部区域应变集中明显,裂缝集中于中部发育;45°试件在加载后期张拉应变和剪应变集中区同时出现,裂缝发育遇层理面出现明显拐折,裂缝的演化由张拉和剪切作用共同控制;90°试件在整个加载过程中张拉应变集中显著,裂缝沿垂直层理面平行发育,试件破坏受控于张拉作用。Micro-CT的高分辨率原位扫描图像结合局部DVC和全局DVC获取的变形场和应变场能够反映各向异性页岩的变形破坏规律,为页岩变形演化的层理效应研究提供了方法。     

早前寒武纪多期变质变形区主期韧性剪切带

早前寒武纪多期变质变形区的韧性剪切带，根据其与变形变质的关系可分为（１）早期主变形变质作用形成的韧性剪切带，简称主期韧性剪切带；（２）晚期叠加变形变质作用形成的韧性剪切带，简称叠加韧性剪切带。主期韧性剪切带不发育糜棱岩、退变质和新生面理等标志，其高应变特征主要通过岩石中片理和线理发育程度、矿物定向程度、矿物粒度及应变大小表现出来。由于主期韧性剪切带内的片理和线理及矿物组合与围岩中的相同，因此相同岩石的应变强度比较是识别它的有效途径。比较拟引入反映岩石变形强度的物理参数ｎ（ＸＺ面上平行Ｘ和垂直Ｘ两个方向上单位长度矿物颗粒数之比）、Ｓ（单位体积内矿物颗粒表面积）和Ｒ＿ｓ（矿物形态应变）作为比较参数。     

考虑应变局部化的粗粒料剪切损伤力学机制

针对粗粒料的应变软化、剪胀等力学特性,通过考虑以剪切带为标志的应变局部化现象,建立了具有广泛适用性的剪切损伤力学模型。损伤模型采用了包体理论中的剪切带数学简化,基于应变等价原理、Weibull分布,推导了粗粒料的应力-应变关系方程。从剪胀作用的机制出发,提出可以描述剪胀弱化的轴向塑性应变和体积塑性应变的非线性函数关系。结合粗粒料三轴压缩试验中的伺服过程,提出了基于遗传算法的损伤模型参数确定方法。通过开展不同围压下的粗粒料三轴压缩试验,对剪切损伤力学模型进行验证,进一步分析了参数演化对粗粒料强度和变形特征的影响。研究结果表明,考虑应变局部化特征的剪切损伤力学模型可以高精度的模拟粗粒料的应变软化和剪胀等特征,有效揭示剪切带内部变形对试样整体宏观变形的影响机制,模型中剪切带参数和围压的关系与粗粒料细观机制一致,计算得到强度组成与颗粒破碎、重组特征较为吻合。     

长春东南劝农山地区早二叠世范家屯组岩石变形组构及流变学特征

劝农山地区位于长春市东南部,处于佳-伊断裂和西拉木伦河缝合带交汇处.详细野外调查发现,该区曾遭受强烈韧性剪切变形,剪切带内岩石普遍糜棱岩化,主要由下二叠统范家屯组（P₁f）钙质糜棱岩与侵入其中的燕山期花岗质糜棱岩组成,变形程度处于初糜棱岩至糜棱岩之间,多具有糜棱结构.岩石应变类型主要为压扁型应变,偏一般压缩,为L=S型构造岩,指示其形成于挤压型剪切带的构造环境.多种宏微观韧性剪切变形标志,指示明显的左行剪切运动.电子探针方解石-白云石地质温度计、方解石和石英EBSD组构特征、方解石e双晶形态以及石英长石变形行为等均显示岩石具有低温塑性流变特点,变形环境不超过绿片岩相.剪切带内应变速率偏高,应变集中带应变速率最大,在10-6.95~10-8.89之间,远离强变形带应变速率在10-9.25~10-12.17之间,糜棱岩化作用过程中差异应力下限应大致为51.27~65.46 MPa,代表剪切带糜棱岩化作用为低温中等强度应变,在稍快的应变速率条件下形成.压溶扩散和双晶滑移为劝农山韧性剪切带变形初期的主要变形机制,随着递进变形,逐渐以双晶滑移和晶内滑移为主,递进变形晚期,局部强变形域内发生了粒间滑移.劝农山韧性剪切带形成与早白垩世中晚期伊泽纳崎板块NNW向高斜度斜向俯冲于欧亚大陆之下有关,是佳-伊断裂带左旋走滑事件的局部表现.      

基于数字图像相关方法的等应变率下不同含水率砂样剪切带观测

在压缩位移控制加载条件下（加载速率为5 mm/min）,针对不同含水率（12.7%~16.5%）砂样,利用自主开发的基于粒子群优化的数字图像相关方法,开展了最大剪切应变场的观测研究,获取了子区尺寸对砂样不同位置最大剪切应变的影响规律。研究发现,随着砂样含水率的增加,变形更加均匀,最大剪切应变高值区分布变得宽广,反映了剪切带的数目增加,微裂纹出现之前的最大剪切应变提高;随着纵向应变的增加,在应变高值区,最大剪切应变以非线性方式迅速增加,但在应变低值区,一般以线性方式增加。当剪切带出现以后,特别是在变形后期,子区尺寸对最大剪切应变有明显的影响。最大剪切应变随子区尺寸变化的演变规律与子区所处位置密切相关。     

新疆中天山北缘韧性剪切带研究

在新疆中天山北缘发现有一条巨大的韧性剪切带，延伸５００ｋｍ以上，宽３ｋｍ。剪切带内发育着各种变形构造和显微构造。磁组构研究表明剪切带变形强烈，属韧性剪切变形，磁面理和磁线理同等发育。有限应变测量结果表明剪切带为不均匀简单剪切加围岩的均匀应变。应变强度１．０９，压缩量达５９％，富林参数为０．９。变形路径斜率接近４５°。剪切带的总位移量平均值为４４８２ｍ，水平位移量为２８４９ｍ，垂直俯冲位移量为３４５５ｍ。该韧性剪切带形成于晚志留世—泥盆纪末，前后共延续了大约６０Ｍａ。变形时的温压为３１２℃和４３３巴。应力场为σ１＝３５１°∠１１°，σ３＝９３°∠２９°。应变速率为２．４×１０－１５／秒，平均剪应变为４．５。韧性剪切带的成因与古准噶尔大洋与中天山地块的俯冲碰撞有关     

基于三维数字图像相关技术的砂岩渗流-应力耦合变形局部化特性试验研究

为研究渗流-应力耦合作用下砂岩变形局部化破坏特征,将三维数字图像相关（three-dimensionaldigitalimage correlation,简称3D-DIC）技术运用于可视化三轴伺服控制试验系统中,对砂岩开展了不同渗透水压条件下的三轴压缩试验研究。研究结果表明：（1）在渗流-应力耦合作用下,砂岩表面变形场云图经历了从均匀到非均匀的演化过程。在峰前的变形较为均匀,在峰值处出现应变集中,在峰后较短时间内迅速形成变形局部化带;（2）随着渗透水压的增大,岩石的峰值强度、弹性模量呈现指数型非线性衰减,峰值强度弱化系数和弹性模量弱化系数均增大,且渗透率逐渐增大,最大渗透率出现的时间点越早;（3）随着渗透水压的增大,砂岩变形局部化带从剪切状过渡到张拉-剪切状,轴向和径向变形局部化带带内外应变在峰后短时间内出现较大差异,且带内应变远大于带外应变;（4）随着渗透水压的增大,砂岩变形局部化启动应力水平越高,启动的时刻点越早。渗透水压与砂岩变形局部化启动应力水平呈线性相关性,轴向变形局部化启动水平受渗透水压的影响比径向更为显著。     

环境湿度可控的土体小应变刚度试验系统

为研究脱湿过程中饱和度改变对土体小应变刚度的影响规律,自主研制了一套非饱和土小应变刚度试验装置。该装置由3部分构成：相对湿度控制系统、变形测试系统和波速测试系统。相对湿度控制系统可分级提供环境室内相对湿度,通过称重模块记录土样质量变化;变形测试系统利用图像采集结合数字图像处理技术获得土样体变;波速测试系统采用压电陶瓷元件制作的波速传感器,可同时测试土样脱湿过程中压缩波及剪切波波速。试验结果表明：该装置能够分级稳定控制相对湿度环境、间接测量土样体积变化及实时测试弹性波波速,进而研究波速表征的小应变刚度随饱和度的变化规律;土样剪切波速及小应变剪切模量随饱和度的降低逐渐增加,压缩波速及小应变体积模量随饱和度的降低先减小后增加。该装置结构简单,便于操作,为研究非饱和土小应变刚度特性提供了科学有效的测试方法与试验手段。     

基于图像相关分析的土体剪切带识别方法

提出了一种基于数字照相量测和图像相关性分析技术的土体剪切带识别方法。首先,在模型试验中,用数码相机采集土体全程变形图像序列;接着,在图像全局观测范围内粗略搜索到剪切带发生的大致区域;然后,布置跨越剪切区域的多对测点线,进行局部范围精密搜索,识别出剪切带的准确位置与形状, 并确定剪切带的边界点。与在模型上描画网格线等传统方法相比,该法操作简单,量测准确,适用于模型试验中岩土材料的剪切带识别及其厚度、倾角、带内变形和演变过程等特性的试验研究;最后,给出了一个大型砂土剪切试验中的应用实例。结果表明,基于图像相关分析的识别土体剪切带的方法是可行而有效的。     

基于数字图像测量系统的饱和细砂渐进破坏特性研究

基于亚像素角点检测的数字图像测量系统能够记录三轴试样表面方块角点的位移,从而获得试样表面每一时刻的局部应变及应变场。分析了试样不同位置的局部径向应变在剪切过程中的变化,获得了以不同初始成样含水率制备的松砂和密砂试样在不同特征时刻的应力与应变的特征值。通过轴向应变场的变化分析了从应变局部化出现到剪切带发育、形成的这一完整的渐进破坏过程,总结了剪切带形成时的局部最大轴向应变特征值,并定性地分析了剪切带内、外土体在渐进破坏过程中不同的轴向应变增长率。试验结果表明：在应变场中试样应变局部化明显,并可以依此确定应变局部化的出现、剪切带的形成;对于密砂及初始含水率为0%制备的松砂试样,应力在应变局部化出现之初即达到峰值,剪切带形成时应力已经开始下降,进入应变软化阶段;以初始含水率为6%和12%制备的松砂试样在达到应力峰值时剪切带已经形成;剪切带内土体的局部轴向应变增长幅度比剪切带外的土体大得多。试样整体轴向应变的增大主要是由剪切带内土体剪切破坏产生的较大轴向应变所致。     

数字图像测量技术在土工三轴试验中的应用

将数字图像测量技术应用于常规土工三轴试验,解决了常规土工三轴试验传统变形测量中的一系列难题。自主研发了三轴图像测量系统,发展历程可概括为3个阶段：（1）基于边缘识别的三轴试样变形图像测量,通过跟踪边缘位置的变化确定土样的径向变形,识别橡皮膜上的白色标志线确定土样的轴向变形;（2）基于角点识别的三轴试样变形图像测量,用方形标志块将橡皮膜表面离散成若干单元,测量跟踪单元每一角点（节点）的位置,可得任意时刻的土样表面节点的位移,应用有限元技术,可以得到土样表面的位移（变形）场和应变场;（3）三轴土样变形全表面数字图像测量,以基于角点识别的前表面三轴试样变形测量为基础,增设一组平面镜,用一台摄像机实现了圆柱体土样360度全表面的变形测量,得到每一时刻的表面变形场和应变场。三轴土样变形数字图像测量系统具有传统测量方法无可比拟的优点,对于推动土力学,特别是土的本构关系研究具有重要价值。     

极弱胶结岩石物理力学特性及本构模型研究

极弱胶结岩石成岩时间晚,胶结差,强度低,易风化,遇水泥化崩解,特殊的成岩环境和沉积过程形成其独特的物理与力学性质。X射线衍射试验表明,极弱胶结岩石的黏土矿物成分以高岭石为主,其含量高达54%～69%。微观结构为蜂窝状、孔隙多且连通性好,整体结构性较差,遇水易发生水化反应,造成其孔隙率增加与强度降低,在自然条件下极易风化,短时间暴露即开裂。使用MTS 815岩石力学试验系统进行极弱胶结岩石的单轴与三轴压缩试验,获得极弱胶结岩石全应力-应变曲线,揭示了极弱胶结岩石峰后应变软化与扩容变形特性。试验结果表明,岩样破坏前后具有明显的体积膨胀特性,随着围压的提高,峰后体积膨胀特性逐渐减弱。基于裂纹体积应变模型,分析了极弱胶结岩石扩容大变形破坏机制,揭示了岩体强度与扩容参数随等效塑性应变的演化规律,建立了峰前损伤扩容与峰后破裂扩容屈服准则,构建了极弱胶结岩石扩容大变形本构模型。     

考虑沉积角影响的冻结砂土单轴压缩试验研究

寒区工程中的土颗粒在重力作用下沿优势方向沉积排列而形成横观各向同性冻土材料。不考虑沉积方向与荷载方向之间沉积角的影响可能会错误估计实际工程中冻土的变形特征与承载力。然而,现有文献尚未探究沉积角对冻土工程特性的影响。针对这一问题,开展了不同温度条件下沉积角对冻土单轴压缩变形与强度特性影响的试验研究。通过所研发的制样模具制备了具有4种不同沉积角δ的冻土试样（δ=0°、30°、60°和90°）,在设定的4种不同温度T条件下（T=-5、-10、-15℃和-20℃）对具有不同沉积角δ的冻土试样开展了单轴压缩试验,分析了T与δ对冻土的变形模式、破坏特征以及单轴抗压强度的显著影响。根据冻土应力-应变曲线的归一化结果及其软化段斜率的变化规律,将冻土单轴压缩变形模式在T与δ影响下分为变形模式I、II和III。根据结果可知,随着T降低以及δ趋于60°,冻土的变形模式趋于由变形模式I过渡到变形模式III,试样破坏模式由鼓胀的X形剪切带破坏趋于破坏范围较小的单剪切面破坏,而冻土单轴抗压强度随T降低而增大的同时,随δ增加表现出先减小后增大的趋势。