锦屏二级水电站大理岩复杂加卸载应力路径力学特性研究

地下洞室开挖围岩经历典型径向卸载、环向加载应力路径,由此引起的岩体强度、变形特征和破坏机制也不尽相同。针对锦屏二级水电站高地应力赋存环境,对施工排水洞大理岩开展常规单轴全应变、三轴压缩、卸围压、卸围压-加载轴压等4种不同应力路径力学试验,得到应力-应变全过程曲线、变形破坏特征和极限储能变化规律。试验研究结果表明, （1）锦屏二级水电站大理岩破坏时轴向应变一般较小,为硬脆性材料,卸荷应力路径下该脆性特征更为明显;（2）卸围压同时加载轴压试验峰值强度对应轴向应变、环向应变及体积应变值一般高于单纯的卸围压值,而对应峰值强度则一般低于卸围压值;（3）卸荷速率较大时,变形模量越大,大理岩峰值强度越低。加载速率越大,变形模量越小,峰值强度越高。初始围压越高,变形模量值越低,峰值强度越高;（4）无侧限作用时试件主要为张拉破坏,低侧限作用时为剪切破坏为主,局部存在张拉破坏,较高侧限时,剪切面为典型X或Y型;（5）岩石试件具有极限储能值,该值受多种因素的影响。一般情况下试件破坏对应围压越高,极限储能值越高,卸载速率越大,极限储能值越小。研究结果对于岩爆孕育发生机制解释以及工程实际问题的解决均有参考价值。     

三轴疲劳-卸围压条件下大理岩力学特性试验研究

为了揭示应力扰动和卸载围压作用下大理岩损伤破裂的物理过程和非线性力学行为,采用GCTS RTR-2000伺服加载岩石力学试验机进行了岩石疲劳卸围压试验,同时对破坏试样进行了压后裂纹形态CT扫描可视化分析。结果表明：周期性的加卸载作用对大理岩起到了主因损伤作用,卸围压的作用对大理岩起到了根本性的破坏作用。岩石疲劳循环形成滞回环,滞回环面积由疏变密,滞回环加载和卸载曲线接近重合,加卸载模量近似相等;岩石经过卸围压作用,岩石的轴向、径向和体积应变表现为不同程度增大,表明应变对围压降低具有强敏感性,敏感程度由高到低依次为体积应变、径向应变和轴向应变;由于疲劳循环的影响,卸围压作用产生的围压降幅随循环次数增多而降低,卸围压时长随循环次数增多而减少;量化宏观应变变形,求得应变损伤指数 、 、 ,疲劳循环次数越多,应变损伤指数越大;岩石破坏后细观CT扫描揭示了疲劳循环损伤对岩石破裂形态影响的内在机制。随疲劳循环次数的增加,裂纹密度和规模显著增加。研究成果可为地下工程疲劳活动规律和开挖卸荷问题提供理论和模型支撑。     

三轴疲劳-卸围压条件下大理岩力学特性试验研究

为了揭示应力扰动和卸载围压作用下大理岩损伤破裂的物理过程和非线性力学行为,采用GCTS RTR-2000伺服加载岩石力学试验机进行了岩石疲劳卸围压试验,同时对破坏试样进行了压后裂纹形态CT扫描可视化分析。结果表明：周期性的加卸载作用对大理岩起到了主因损伤作用,卸围压的作用对大理岩起到了根本性的破坏作用。岩石疲劳循环形成滞回环,滞回环面积由疏变密,滞回环加载和卸载曲线接近重合,加卸载模量近似相等;岩石经过卸围压作用,岩石的轴向、径向和体积应变表现为不同程度增大,表明应变对围压降低具有强敏感性,敏感程度由高到低依次为体积应变、径向应变和轴向应变;由于疲劳循环的影响,卸围压作用产生的围压降幅随循环次数增多而降低,卸围压时长随循环次数增多而减少;量化宏观应变变形,求得应变损伤指数Da,Dr和Dv,疲劳循环次数越多,应变损伤指数越大;岩石破坏后细观CT扫描揭示了疲劳循环损伤对岩石破裂形态影响的内在机制,随疲劳循环次数的增加裂纹密度和规模显著增加。研究成果可为地下工程疲劳活动规律和开挖卸荷问题提供理论和模型支撑。     

两种卸荷路径下泥岩流变特性试验研究

分析岩石流变特性对边坡长期变形稳定性具有十分重要的意义。以贵州省某高速公路为背景,在施工现场取样,设计了恒轴压卸围压与等比例卸围压和轴压两种应力路径下的分级卸荷流变试验。试验结果表明,两种应力路径下泥岩岩样卸荷流变趋势大体一致,破坏应力下岩样的侧向变形迅速增长并超过了轴向变形,侧向扩容较显著;对比恒轴压卸荷,等比例卸荷历时较长,岩样轴向变形虽出现了回弹,但轴向变形量和侧向变形量所占全变形的比例较大,约为恒轴压卸荷的2倍,说明等比例卸载围压和卸轴压应力路径下岩样破坏可预见性更小,但其破坏影响更大。等比例卸荷实验参照实际边坡开挖坡度选取比例设计实验,对实际边坡工程长期稳定性分析极具参考价值。     

脆性岩石卸围压强度特性试验研究

岩样的承载能力由材料强度和围压共同确定,轴向压缩和卸围压二者都能导致岩样破坏,但由于应力路径不同,两种条件导致岩样的破坏过程并不相同。对取自位于雅砻江上的锦屏二级水电站辅助洞内的白山组大理岩进行了常规三轴试验和峰前、峰后卸围压试验,通过对试验曲线和岩样破坏特征的分析表明：无论是峰前还是峰后卸围压,岩样都表现出脆性破坏的特征,而岩样破坏表现出的脆性峰前卸围压比峰后卸围压更为强烈;岩样在加、卸载条件下的变形均随主应力差的增大而增大,但在相同的主应力差下,卸载产生的扩容量比加载的扩容量更大;峰前卸围压试验当围压卸到初始围压值的60 %左右时,岩样发生破坏;峰后卸围压试验当围压卸到初始围压值的80 %左右时,岩样发生破坏。结论对相关工程稳定性分析、设计和施工具有一定的指导意义和参考价值。     

基于不同卸荷速率与路径影响下吹填土力学特性研究

运用应力路径三轴试验仪,对天津滨海吹填土开展等向固结条件下的不排水卸荷试验,探讨不同卸荷路径及卸荷速率对应力-应变关系、孔压变化规律及破坏强度特性的影响。试验结果表明:各卸荷路径下应力-应变曲都近似呈双曲线型。UU_(0.0)(径向卸荷、轴向不卸荷)卸荷路径下试样变形表现为轴向压缩,且孔压变化曲线存在明显的屈服点;UU_(2.0)(轴向和径向均卸荷),UU_∞(轴向卸荷、径向不卸荷)及UL_(1.0)(轴向卸荷、径向加荷)路径下试样变形表现为轴向伸长,孔压随着应变的增加而增大,最终速度减缓并趋于稳定增长状态。同种路径下,卸荷速率越大,卸荷初期孔压发展越缓慢,峰值孔压越大。对0.1、0.2、0.3 kPa/min卸荷速率下的应力-应变曲线研究发现,卸荷压缩路径下初始切线模量受卸荷速率影响较大,拉伸路径下则不明显。UL_(1.0)路径下卸荷破坏强度最大,UU_(2.0)路径下该值最小,UU_∞路径下则居中。同一卸荷路径下,土体破坏强度随卸荷速率的增大而增大。对各应力-应变曲线进行归一化处理,构建了考虑卸荷速率及卸荷路径影响的初始切线卸荷模量和卸荷破坏强度预测公式。     

不同卸荷速度条件下灰岩力学特性的试验研究

对灰岩试样进行加轴压、卸围压破坏试验,研究了不同卸围压速度下灰岩的变形特征和力学参数变化,取得了一些新的结论：卸荷岩样的破坏是沿卸荷方向的强烈扩容所致;随着卸荷速度的增加,岩样的破坏特征从主剪切破坏、共轭剪切破坏逐渐变为劈裂加剪切破坏;在相同的卸荷初始围压下,卸围压速度越快,岩样破坏的应力差越小;在相同的卸荷速度下,随着卸荷初始围压的增加,岩样破坏的应力差逐渐增加;在相同的卸荷速度下,卸荷初始围压越大,轴向应变的回弹值愈大,环向应变突跳值愈小;随着卸荷速度的增加,岩样黏聚力c逐渐增加,内摩擦角? 逐渐减小。     

脆性岩石侧向变形特征及损伤机理研究

进行了三峡花岗岩常规三轴压缩、保持轴向应变和保持轴向应力的卸围压试验,研究了脆性岩石在不同应力路径和不同加载控制方式下的侧向变形特征,可见临界侧向应变均稳定在（?0.004 ? 0.000 5）范围内。进一步进行三峡花岗岩的全过程应力-应变曲线和损伤力学分析,发现脆性岩石在不同应力路径和不同加载控制方式下均以侧向损伤为主,且侧向损伤曲线的形态近似,达到临界破坏状态时损伤值稳定在0.7?0.8左右。最后以侧向损伤变量表征花岗岩脆性破坏过程,建立了基于应变空间的、可以考虑卸荷应力路径的损伤模型和应变型破坏准则。     

卸载速率对北山花岗岩强度影响研究

为了更准确地认识卸荷速率对北山花岗岩力学性质的影响,使用MTS815岩石试验系统进行了不同围压下不同卸荷速率的三轴试验。试验采用加轴压卸围压的方式,设置0.1、1.5、2.0 MPa/min三种围压卸载速率,轴压加载速率是围岩卸载速率的10倍,初始围岩设置为5、10、15、20、30 MPa。加卸载过程用力控制,试验过程中用轴向引伸计和环向引伸计记录轴向变形和环向变形,研究加载速率对岩石强度、c、φ值的影响,并基于弹性能建立卸载速率影响系数。研究结果表明,(1)卸载试验岩石破坏均表现明显的脆性破坏特征,随着卸载速率增加,强度升高;(2)随着卸载速率增加,c值增大,φ值基本不变;(3)卸载速率主要通过应力调整滞后和卸载附加应力对岩石强度、c、φ值造成影响;(4)基于弹性能建立了影响系数,表征卸载速率对岩石破坏的影响程度,表明同一围压下卸载速率增加,影响系数增大,岩石破坏剧烈程度增加,同一卸载速率时,围压增加,影响系数减小,受围压的限制,岩石破坏剧烈程度降低。     

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。     

Comparison of the characteristics of rock salt exposed to loading and unloading of confining pressures

Rock mechanical behaviors and deformation characteristics are associated with stress history and loading path. Unloading conditions occur during the formation of a salt cavity as a result of washing techniques. Such conditions require an improved understanding of the mechanical and deformation behaviors of rock salt. In our study, rock salt dilatancy behaviors under triaxial unloading confining pressure tests were analyzed and compared with those from conventional uniaxial and triaxial compression tests. The volume deformation of rock salt under unloading was more than under triaxial loading, but less than under uniaxial loading (with the same deviatoric stress). Generally, under the same axial compression, the corresponding dilatancy rate decreased as the confining compression increased, and under the same confining compression, the corresponding dilatancy rate increased as the axial compression increased. The dilatancy boundary of the unloading confining pressure test began with unloading. This is different from the dilatancy of the uniaxial and triaxial compression tests. The accelerated dilatancy point boundary stress value was affected by confining and axial compressions. The specimens entered into a creep state after unloading. The associated creep rate depends on the deviatoric stress and confining compression values at the end of the unloading process. Based on unloading theory and the experimental data, we propose a constitutive model of rock salt damage. Our model reflects the dilatancy progression at constant axial stress and reduced lateral confinement.     

侧向卸荷条件下冻结砂岩变形特性

新庄煤矿立井采用冻结法施工技术,在井筒开挖的过程中,由于侧向卸荷作用导致围岩产生卸荷变形。从新庄煤矿立井现场采集白垩系中粒砂岩,对加工后的岩样进行饱水处理,然后利用GCTS电液伺服控制高低温高压岩石三轴测试系统进行冻结（-10 ℃）条件下的恒轴压、卸围压三轴试验,模拟在井筒开挖过程中围岩的应力变化路径,探索冻结砂岩的变形特性。研究表明：侧向卸荷条件下冻结砂岩表现出弹-脆性特征,轴向表现为压缩变形,径向表现为膨胀变形,径向变形量约为轴向变形量的2倍;当卸荷速率一定时,岩样的卸荷变形随初始围压的增大而增大,尤其是径向变形最为显著,这可能与卸荷回弹变形及岩样内部聚集的能量大小有关;围压卸荷到同一应力水平时,高卸荷速率下岩样的卸荷变形量较小,而变形速率较大;卸荷作用导致岩样变形模量减小,横向应变与纵向应变之比增大,卸荷速率越小,初始围压越大,应变之比变化越大。     

盐岩在围压卸荷作用下的扩容特征研究

通过试验模拟盐岩储气库建腔期腔体围岩围压动态降低过程,开展单轴压缩和三轴卸荷扩容试验,并分析温度对盐岩试件卸荷扩容特征的影响。试验结果表明：由于都是应力增加的过程,卸荷试验的扩容特征与常规单轴试验相比,在扩容阶段划分上具有一些共同点,都存在体积压缩段、稳定扩容段和加速扩容段。卸荷试验和单轴试验的压缩极限基本相同。但由于加载方式不同,卸荷试验的稳定扩容段在整体扩容中所占比例更小,扩容速率和扩容幅度也较单轴试验小。在相同的偏应力作用下,卸荷试验产生更大的扩容。温度升高能够促进盐岩的扩容,表现为加速扩容点前移、初始稳定扩容段缩短、加速扩容段变长、扩容速度加快、扩容幅度增大等。     

三轴应力状态下盐岩强度分析探讨

通过分析盐岩在三轴应力状态下的变形,说明了较高围压下盐岩的大变形特性,提出了三轴应力状态下,利用轴向荷载除以试件初始横截面面积得到应力-应变关系存在的问题,据此对工程应变和对数应变进行了分析和对比,阐明了这两种应变的适用条件,并开展了不同围压下的试验测试和对试验结果对比分析。研究揭示了应利用对数应变分析盐岩的大变形特性和对变形后的应力进行修正,得到了盐岩的工程应变和对数应变均可表示为围压的线性函数,围压为20 MPa时的轴向压缩变形量是5 MPa时的3.09倍。围压越高,对数应变修正得到的最大轴向应力与不修正的差值越大,用对数应变修正后的轴向应力低于不修正的结果,围压达到20 MPa时,前者仅为后者的63.85%。     

不同应力路径下岩石三轴卸荷力学特性与强度准则研究

基于3种不同应力路径下花岗岩三轴卸荷试验,研究了岩石的应力-应变全过程曲线和变形特征及其强度准则。试验结果表明,卸围压过程中,侧向应变与围压先呈线性后呈非线性关系,且其增长速率约为轴向应变增长速率的3～5倍,表现出明显的侧向扩容,其扩容程度与卸载路径有关;从不同围压与体积应变曲线所围面积可以看出,卸荷前围压越大,卸荷释放的能量越大;变形模量随围压卸载而逐渐减小,且随初始围压增大,总体上呈负指数分布趋势,且同一种卸荷应力路径时,变形模量的减小量随初始围压增大有所增大,泊松比随围压降低而不断增大,两者之间呈现明显的非线性关系;岩石破坏特征以剪切破坏为主;采用幂函数型摩尔强度准则很好反应了岩石的强度特征。研究结果对地下金属矿深部开采具有一定的指导意义和参考价值。     

Experimental research on mechanical characteristics and strength criterion of rock of triaxial unloading tests under different stress pathsEI北大核心CSCD

By carrying out triaxial unloading test under different stress paths on rock, the complete stress-strain curves, deformation characteristics and its strength criterion are studied. The test results show that the relation between lateral strain and confining pressure firstly is linear, and then is nonlinear in the total stage of unloading confining pressure. And its growth rate is about 3 to 5 times the growth rate of the axial strain. It shows obvious lateral dilatancy, and the degree of dilatancy is related to the unloading path. According to the area that is enclosed by confining pressure and volumetric strain curve, it can be seen that the greater the confining pressure is before unloading, the more the energy releases. Deformation modulus decreases gradually with the unloading confining pressure, and increases with the initial confining pressure; the relation between deformation modulus and confining pressure shows negative exponential distribution overall. At the same unloading paths, the reduction of the deformation modulus increases with the increase of initial confining pressure. The Poisson's ratio rises up continually, and the variation law with the confining pressure can be well described by nonlinear. Failure characteristics of rock are mainly shear failure. The strength characteristics of rock can be well characterized by using the Mohr strength criterion of power function. These conclusions provide reliable theoretical reference and guiding significance for the deep mining of the underground metal mine.     

应力因素下的岩盐卸荷扩容试验研究

通过开展围压卸载试验,研究不同三轴应力状态下围压卸载对岩盐试件扩容特征的影响,以及扩容与卸载形式之间的关系。研究发现,（1）围压卸载时岩盐的体积扩容量与偏应力存在较为明显的对数关系;（2）卸载的初始围压对岩盐的扩容影响几乎不存在;轴压增大能够促进岩盐的扩容,使加速扩容点前移,且加速扩容点对应的偏应力与轴压的增加呈线性关系;（3）岩盐的膨胀系数(即横向应变与纵向变形的比值)随着偏应力的增大,呈现先线性增加后指数增加的趋势。     

盐岩三轴间隔疲劳特性试验研究

为研究地下盐穴储气库受间歇性周期注、采循环载荷作用下围岩的非连续疲劳破坏演化过程,对取自巴基斯坦的深层盐岩进行了室内三轴间隔疲劳试验研究,并分析了三轴状态下不同围压、不同应力等级对盐岩间隔疲劳的影响。试验结果表明：（1）与单轴间隔疲劳相比,围压的存在不仅提高了盐岩的抗压强度,而且增加了盐岩的疲劳寿命,围压越高增加的幅度越明显。（2）三轴间隔疲劳试验中,盐岩间隔后循环中的残余应变大于间隔前的残余应变。这与单轴间隔疲劳得到的结果一致,但围压的上升会导致盐岩的残余变形积累速度以及间隔前后循环残余的变形差值都减小。（3）随着应力等级的升高,残余应变以及时间间隔前后的残余应变差值都呈现增大的趋势。