岩石节理分级剪切加载-蠕变-卸载的能量与变形特征

为分析岩石节理在剪切加载-蠕变-卸载下的能量演化与变形特征,利用GCTS（RDS?200型）岩石剪切测试系统对人工劈裂岩石节理进行分级剪切加载-蠕变-卸载试验。结果表明：在法向应力小于6.5 MPa和大于7.8 MPa时,滞回环面积与循环级数分别符合线性和指数关系;总变形能和弹性变形能与法向应力呈正相关,与循环级数呈指数关系;塑性变形能与循环级数和法向载荷呈正相关。各级剪切应力加载终止时的剪切位移外包络线与直剪应力-位移曲线变化趋势相同,具有加速上升段、匀速上升段和匀速下降段;累积剪切塑性变形随循环级数增加而增大,但增大速率逐渐变慢;各级剪切加、卸载曲线均能以剪切滑移点为界分为两个阶段;剪切失稳前,加、卸载阶段的法向位移-剪切应力曲线出现在上一循环前方,循环剪切加载和（或）蠕变结束时的累积法向变形出现从增加到减小的现象。     

循环加、卸载下盐岩变形特性试验研究

在MTS815 Flex test GT岩石力学试验机上对盐岩进行了单轴循环加、卸载试验研究盐岩的变形特性,试验表明,循环加、卸载强化了变形的线性特征,各级卸载、再加载曲线主要是由直线段组成。随着荷载级别的增高,直线段的变形模量总体上呈现微弱上升的趋势,各级卸载、再加载曲线变形模量的变异系数分别为8.05%和7.45%,可以用各级加、卸载曲线直线段变形模量的平均值来分别表征加、卸载的变形特征。每级卸载曲线的变形模量都要大于再加载曲线的变形模量,卸载的泊松比都要小于再加载的泊松比。与单轴试验相比,卸载和再加载的变形模量都要大于单轴应力应变全过程试验。根据以上分析,得出了简单应力状态下加、卸载本构关系。对各级塑性滞回能进行了计算,发现塑性滞回能随着级别的增高而增高,并对其进行了拟合。分析表明,卸载、再加载变形参数比单轴应力应变全过程试验参数更具有规律性,更能表征盐岩地下工程中的变形特性。     

岩土力学研究的一些反思

传统三轴试验径变形的测量多采用链式环状传感器,假设试件为对称破坏,呈X型或沿中心轴对称破坏为合理测量方式,绘制偏应力与体积应变曲线斜率没有意义,如果在三向等量加卸载下斜率具有含义。弹性阶段比例极限和峰值应力恒定,外加应力大于比例极限应力时比例极限和峰值应力随损伤变化。破坏区荷载与位移关系曲线是材料力学与结构综合体现,应将应力和应变改为视应力与视应变;传统的迟滞回线面积是能量耗散表征是不正确的,应是能量存储、转换和耗散表征;沿中心轴破坏应为拉破坏,能很好地解释岩体中拉裂纹现象,因此提出循环加卸载试验以卸载曲线线性段作为材料参数确定依据。对于孔隙连通材料,施加应力大于比例极限应力,在不排水任意应力状态水压力卸载至0,以卸载曲线的线性段决定相应材料参数,建议传统三轴试验改为50 mm×50 mm×100 mm六面体试件。在比例极限应力内,损伤变量恒定,在外加应力大于比例极限应力时,沿应力主轴各方向损伤演化不一致,且随应力路径变化。     

盐岩循环加卸载过程中的速率效应试验研究

作为一种典型软岩,盐岩力学特性的时间相关性显著,准确预测和评估盐穴储气库加卸载过程中的变形损伤能力,关系到能源储备库的长期安全稳定运行。为研究盐岩的速率效应,进行了不同加卸载速率的疲劳试验。基于现有蠕变本构模型,构建了速率效应方程,区分了加卸载过程中的蠕变塑性变形与加载塑性变形。研究结果表明：（1）盐岩的整体疲劳寿命、稳定变形阶段（即第2阶段）疲劳寿命占比基本随加卸载速率的增大而增大。（2）减速变形阶段（即第1阶段）疲劳寿命占比、稳定变形阶段平均残余应变基本随加卸载速率增大而减小。（3）速率耦合疲劳试验中,加卸载速率越大,残余应变越小,蠕变塑性变形随加卸载速率的增大而减小,当加卸载速率由0.04 kN/s增加至5 kN/s时,蠕变塑性变形在循环中的占比由85%下降至36%,呈现出负指数的关系。（4）整个循环加卸载过程中,加载塑性变形、蠕变塑性变形均呈现U型发展趋势,与盐岩疲劳过程的三阶段相对应。该研究结果可以为进一步分析盐岩蠕变塑性与加载塑性奠定基础。     

循环荷载下干燥与饱和砂岩力学特性及能量演化

对取自陕北榆横矿区小纪汗煤矿顶板砂岩的干燥及饱和试件进行单轴循环加、卸载试验,分析了干燥与饱和状态下岩石的强度和变形特征以及岩石破坏过程中的能量演化与能量分配情况。结果表明:(1)循环加、卸载导致干燥试件的峰值强度较单轴压缩时下降19.47%;(2)饱水对砂岩的强度和变形均有影响,饱和试件的平均峰值强度比干燥试件低39.55%,同时饱和试件具有更加明显的压密阶段;(3)循环加、卸载下砂岩的加载和卸载弹性模量均呈现增大趋势,但饱和试件的弹性模量低于干燥试件;(4)通过峰值强度归一化处理后发现,在应力加载的不同阶段,饱和试件的弹性应变能Ue和耗散能Ud均低于干燥试件;(5)加载过程中,饱和试件弹性应变能Ue的占比高于干燥试件,该比例随着加载过程逐渐下降并在破坏前与干燥试件的Ue的占比达到近似水平。     

单轴压缩下红色砒砂岩水泥土的能量演化机制研究

砒砂岩水泥土受荷变形的过程中伴随着能量的积聚和耗散,在能量的驱动下致使水泥土变形破坏。为了探寻单轴加载过程中砒砂岩水泥土的能量演化规律,根据不同养护龄期和不同水泥掺量下砒砂岩水泥土在变形破坏过程中总能量、峰值点总能量、峰值点弹性应变能、峰值点耗散能的演化规律,从能量的角度分析了龄期和水泥掺量对砒砂岩水泥土的影响。研究表明:能量耗散与砒砂岩水泥土的强度衰减密切相关,试样受荷过程中的损伤情况可以用耗散能的多少来反映,砒砂岩水泥土单轴受压破坏的整个过程中,破坏总能量和耗散能均呈“S”状增长,弹性应变能呈先增加后减小的“凸”状趋势发展;随水泥掺量的增加有效能比也随之增加,不同龄期下各水泥掺量的砒砂岩水泥土都是以吸收弹性能为主,而峰值点应变能可以代表水泥土试样的储能极限,因此有效能比、峰值点应变能能够很好地反映砒砂岩水泥土抵抗破坏的能力。通过利用能量分析原理对砒砂岩水泥土的变形过程进行研究,可以打破以往仅仅利用传统的应力-应变强度来描述其破坏特征的思路,为该类材料的受荷变形分析提供了新的方法和思路。     

饱水和天然状态下页岩滞后效应及阻尼特性研究

运用RLW-2000型微机伺服岩石三轴试验机,对饱水状态和天然状态页岩在不同围压下进行三轴循环加卸载试验,分析了两种含水状态页岩的力学特性和滞后效应,并基于能量原理讨论了阻尼比演化规律。试验结果表明：随循环次数增加,累积残余应变逐渐增加,相对残余应变先降低,后趋于稳定区域,直至破坏前急剧增加;饱水页岩的加卸载变形模量均比天然页岩小,加载变形模量整体比卸载变形模量小;在加载和卸载阶段,均出现应变始终滞后于应力的现象;饱水页岩的滞后效应比天然页岩更明显。提出了考虑滞后效应的能量计算方法,较以往能量计算的误差更小。最后基于能量原理对阻尼比的计算公式进行修正,发现饱水页岩的阻尼比比天然页岩大。阻尼比的变化较好地反映了页岩损伤机制,可作为预判页岩失稳破坏的重要指标。     

真三轴循环主应力作用下砂岩能量演化规律

为了探究真三轴主应力循环加卸载对砂岩能量积聚与耗散的影响,利用自主研发的真三轴扰动卸荷岩石测试系统进行了3个主应力循环加卸载试验。基于真三轴循环加卸载应力-应变演化规律与加卸载特征,划分了主应力循环加卸载试验中加载、卸载的种类;通过对三向主应力循环加卸载过后岩体表面裂纹对比分析,发现最小主应循环对岩体产生损伤最大,中间主应力次之,最大主应产生损伤最小;利用图形面积积分法与叠加法分别计算了真三轴循环加卸载的弹性能密度、耗散能密度与输入能密度,分析了三者随主应力次数增加的演化规律与加卸载过程中的能量分配;利用真三轴同时加卸载试验,验证了上述提出的能量分析方法的合理性与准确性,对其3个主应力方向卸载释放弹性能密度分析,发现循环加卸载产生的损伤对岩体储存弹性能密度影响较小。对比了3个主应力卸载对砂岩损伤与能量耗散的影响,对巷道掘进方向进行了进一步讨论。     

天然和饱水状态下泥岩力学性质及损伤变形能量特征分析

为研究三溪村滑坡滑带泥岩的力学性质和滑带的形成机制,进行天然和饱水状态下单轴和常规三轴压缩试验。结果表明:饱水状态对泥岩的变形强度、破坏形式和围压效应具有显著影响,饱水使泥岩的应力应变曲线由应变软化型转化为"弹-塑-蠕变"型,破坏形式由剪断破坏变成塑性破坏,围压敏感性减弱,而似软化系数随围压的增加而减小。从能量角度分析表明:两种状态下能量的变化规律相似,但天然状态能量以弹性应变能储存,饱水以耗散能释放,且饱水使总应变能U、峰前弹性应变能Ue及二者的变化速率均小于自然状态,而耗散能Ud则相反;试样峰值点和残余点处各应变能具有围压效应,呈线性递增关系。饱水导致各应变能的累积、转化、耗散和释放的差异,使得弹性应变能急剧降低,耗散能增加,力学强度也伴随着滑带的损伤变形而产生衰减效应。     

三轴压缩条件下千枚岩破裂与能量特征研究

利用MTS815程控伺服岩石力学试验系统,对千枚岩进行不同围压下的三轴压缩试验,研究围压对千枚岩变形破坏特征和能量演化特征的影响。结果表明:在低围压下,千枚岩破坏模式为张-剪复合型破坏,随着围压升高,破坏模式转变为剪切破坏;弹性应变能曲线和耗散能曲线的交点k为能量分界点,k之前表现为能量积聚,k之后表现为能量释放;总能量与轴向应变关系曲线在加载初期呈下凹曲线,能量增速升高,加载后期呈上凸曲线,能量增速降低;特征应力点的总能量和储能的弹性应变能均随围压的增大而增大;围压对岩石内部裂纹扩展和峰后能量释放均有阻碍作用。     

Experiment and Study on Mechanical Property of Sandstone Post-peak Under the Cyclic Loading and Unloading

Engineering research has shown that the surrounding rock of deep roadways experienced many times of post-peak cyclic loading and unloading. So studying on rock mechanical characteristics of post-peak loading and unloading is helpful to control the deep surrounding rocks. The test using RMT-150B rock mechanics testing system, to experiment on the mechanical properties of sandstone of post-peak cyclic loading and unloading. The results show that: the stress–strain curves of post-peak cyclic loading and unloading have significant plastic hysteretic loops. The area of plastic hysteretic loops gloss back. The enveloping outer enclosure of cycle loading curve is the similar as the stress–strain curves of strain softening stage when the samples failure, which shows that post-peak failure of rocks have significant memory. With the increase of cycles, the cumulative deterioration parameters are gradually increased, and the ultimate bearing capacity, elastic of loading section of samples and cumulative deterioration parameters conform with the exponential attenuation function with constant term. With the increase of surrounding pressure, the total energy, dissipated energy and elastic energy of samples are gradually increased. With the increase of cycles, the total energy, dissipated energy and elastic energy of samples all are gradually decreasing, the rate of reduction decreases gradually. The samples exist in vertical splitting and transverse shear combination failure under the post-peak uniaxial cycles, or exist in shear failure under the post-peak triaxial cycles. The shear plane exists slip traces.     

不同卸围压速率下煤样卸荷破坏能量演化特征

岩体破坏实际上是在能量驱动下的一种状态失稳现象,其变形破坏过程中的能量演化规律能够反映岩体变形破坏的本质特征。为探求煤样破坏过程中能量的演化规律,对其进行了常规三轴及不同卸围压速率的三轴卸围压试验。试验结果表明:不同试验路径下,煤样在峰值应力前以能量的存储及耗散为主,在峰值应力后以能量的释放及耗散为主;煤样在较高的卸围压速率下,卸荷段经历时间较短,内部裂纹扩展及环向变形不充分,耗散能和克服围压做功耗能都较小,大量的能量在破裂时释放出来,破裂更加剧烈;同时,卸围压速率越快,煤样在破裂前后损伤量增加速率越快,损伤曲线急剧增高,因此,高应力煤岩体在开挖卸荷时,在岩体开挖施工速度较快时,极易引起大量积聚能量的突然释放,造成严重的灾害。     

复杂应力路径下饱水砂岩宏细观力学特性研究

饱水作用对砂岩变形及强度特征影响显著,考虑岩体实际赋存环境,为了解复杂应力路径下饱水砂岩宏细观力学特性,利用RMT-150C岩石力学多功能试验机及SEM电镜扫描技术,对饱水砂岩进行循环荷载作用后卸荷破坏试验,研究不同影响因素作用下的疲劳损伤特征,重点分析了加载频率、上限应力等因素对卸荷变形、强度及细观损伤特征的影响规律。研究表明,根据试验设计方案获得的饱水砂岩应力-应变曲线大致可以划分为5个典型阶段,其中,同一应力状态下,疲劳损伤阶段轴向不可逆应变在等速变形阶段的应变速率随加载频率的增大迅速增加,这表明上限应力的“门槛值”极有可能是变化的,且与加载频率及循环次数密切相关;同时,卸围压变形破坏阶段的总应变及围压卸荷量均随加载频率（或上限应力）的增大而减小,与该阶段持续时间随加载频率（或上限应力）的变化规律一致。不仅如此,通过分析饱水砂岩破坏面细观损伤特征发现,加载频率与上限应力作用下的细观损伤特征差异显著,其中破坏面微裂隙面积占比随加载频率增大而减小,上限应力则恰好相反。     

Fatigue damage evolution of coal under cyclic loading

The experimental study of fatigue damage to coal under cyclic loading is important for guiding the design of pillars in underground coal mines where the pillars may be affected by repeated mining activity. In this paper, the strength, deformation, energy dissipation, and fatigue of samples of coal from a mine in China are studied using cyclic loading with a servo-controlled rock mechanical test system. The results indicate that coal is more likely to suffer fatigue damage than other, harder, rock lithologies. Under uniaxial cyclic loading, the fatigue failure “threshold value” for the coal samples studied is less than 78% of its uniaxial strength, but there is also a certain amount of fatigue damage when the cyclic loading/unloading experiments are carried out below the threshold value for fatigue failure. Axial deformation during the tests can be divided into three stages: initial deformation, constant steady deformation, and accelerated deformation. Transversal deformation can be divided into two stages: stable deformation and accelerated deformation. During cyclic loading experiments, imminent sample failure is signaled when transversal deformation increases significantly and quickly and the deformation recovers little when the load is removed. With an increasing number of loading/unloading cycles, a graph of energy dissipation per unit volume versus number of cycles presents an L-shaped curve when the coal samples do not suffer fatigue failure. However, for the coal samples that do rupture due to fatigue, the curve is U-shaped. Under cyclic loading, the evolution of compaction, strain hardening, strain softening, and failure of coal can be revealed in great detail by fatigue damage experiments.     

铁路路基粗粒土填料临界动应力试验研究

粗粒土填料被广泛应用于铁路基床填料中,直接承受轨道结构传递的列车动循环荷载的长期作用,研究其在列车动荷载作用下的动力行为特征及塑性变形特性可为路基状态评估、沉降控制提供思路。采用GDS动三轴试验系统对铁路基床表层的粗粒土填料动力响应开展研究,通过引入塑性应变率和安定理论,将不同频率、围压、循环动应力比等条件下路基填料的轴向塑性应变的发展规律划分为塑性安定、塑性蠕变和增量塑性破坏3种类型,并确定了塑性安定和塑性蠕变状态的临界动应力水平。研究表明：粗粒土填料的临界循环应力比随着围压的增大而增大,随着荷载频率的增加而减小。通过对试验结果的拟合分析,提出了以围压为变量的临界动应力经验公式,为合理评估列车荷载作用下路基任意深度的动力稳定提供了理论依据。     

加卸载作用下加筋垫层变形特征试验研究

加筋垫层由于具有诸多优点而被广泛应用于反复加卸载作用下公路、铁路路基等工程构筑物中。为研究加卸载作用下加筋垫层结构的变形特征,针对加筋与未加筋垫层2组模型,开展了单次加卸载静力试验。测试并获得了不同荷载作用下垫层竖向变形、筋材应变变化规律,对比分析了加筋与未加筋垫层的变形特征,并从能量角度对加筋垫层工作机制进行了探讨。结果表明：与未加筋情况相比,荷载作用下加筋垫层（加载板处）的沉降变形和残余变形更小。加筋后垫层表面（加载板范围外）的竖向变形及其受影响范围均增大,且在卸载过程中垫层表面竖向变形的水平分布曲线特征由“凹”型变为“凸”型,其加卸载曲线呈“∞”型。格宾网筋材应变沿横向呈现非均匀分布特点,其最大应变小于0.06%,筋材始终处于弹性变形状态。加筋垫层中筋材具有储存、释放及横向传递应变能效应,这使得加筋后垫层具有更好的承载能力与弹性性能,进而可降低循环加卸载作用下垫层的塑性变形或累计变形。     

分级加-卸载条件下原煤的渗透及能耗特征研究

利用自主研制的含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置,进行了含瓦斯原煤分级加-卸载试验,分析探讨了煤岩的变形、渗透特性及能耗特征,结合能耗特征建立了损伤变量方程。研究结果表明：随分级加-卸载进行,煤样的累积残余变形逐渐增加,相对残余变形先降低,后出现残余变形稳定区,临近煤样破坏又上升。随分级加-卸载进行,渗透率总体变化趋势呈螺旋状先降低,后上升,破坏瞬间急剧增大;定义渗透率绝对恢复率?j和渗透率相对恢复率?x定量分析了加-卸载渗透率的变化情况,发现?j先减小,临近破坏又增大,?x逐渐增大,其中弹性段?x保持在85%～95%,临近破坏超过100%。随分级加-卸载进行,煤体累积耗散能呈指数函数增加,单级循环耗散能增加。随着轴向应力的增加,主应力差增加,损伤变量值增大,且煤样破坏时的损伤变量临界值Dc ≈0.9。