基于湿度应力场理论的硬石膏岩膨胀试验研究

传统的湿度应力场理论处理硬石膏围岩膨胀问题时,未反映膨胀特性与湿度状态之间的时变关系。以该理论为基础,设计硬石膏岩膨胀试验：不同初始湿度下的膨胀,不同浸水时间的膨胀,以及膨胀后的抗拉强度测试。试验发现：随初始湿度的增加,硬石膏岩膨胀持续的时间增长,最大膨胀应变和应力增大,终止时的吸水率和结晶水率增加,而自由水率近于0;相同初始湿度下,随浸水时间增加,其吸水率先快速后缓慢增加,结晶水率逐渐增大到接近于吸水率,自由水率逐渐减小到接近于0;随吸水率的增加,其最大轴向膨胀应变、最大侧向膨胀应力和抗拉强度都呈增大趋势。根据试验结果,建立了湿度状态时变系列方程以及含时间效应的膨胀本构模型。     

卸荷损伤原状膨胀土剪切力学特性试验研究

通过GDS三轴试验系统对经历3种卸荷速率损伤后的原状南阳膨胀土样进行再加荷不排水三轴伸长剪切试验,同时考虑了超固结比与固结状态的影响。试验结果表明,膨胀土再加荷剪切力学特性与初始卸荷速率有关。在相同的轴向应变下,初始卸荷速率越小,其偏应力单调越小。在主应力方向改变前后,其应力?应变关系曲线斜率显著变化。相同固结方式与超固结比状态下,孔隙水压力均表现为先增大后减小趋势,孔隙水压力峰值应变随卸荷速率增大而减小。无论是等压固结还是K0固结,初始卸荷速率越大,不排水剪切强度越大。膨胀土样经历了初始卸荷损伤后,再加荷常规三轴伸长试验所得剪切强度均低于无损伤时的强度。以膨胀土破坏强度所得损伤度SD低估了卸荷速率对膨胀土的损伤程度,建议采用孔隙水压力峰值强度进行膨胀土边坡设计计算。原状膨胀土力学性状随卸荷速率损伤的演化规律受卸荷阶段轴向应变大小及裂隙性综合影响。     

卸荷条件下粉质粘土变形性状研究

通过室内应力控制的三轴试验研究卸荷条件下土体的应力-应变关系和孔隙水压力变化特征,得到变形模量的确定方法。研究表明:在初始偏压应力固结条件下,无论是轴向压力保持不变而侧向压力不断卸荷,还是轴向压力和侧向压力同时卸荷,其应力-应变关系均表现为较好的双曲线函数关系。而且,侧向固结压力愈大,强度值愈大。在卸荷过程中,随剪切应力的增大和剪切应变的发展,土样呈现剪胀趋势并在后期产生较大的负孔隙水压力。不排水条件下由于负孔隙水压力的存在,土样的表观强度略有增大。     

卸围压时含瓦斯煤力学性质演化规律试验研究

以固定轴向应变条件下的轴向应力和径向应变为研究参数,对含瓦斯煤卸围压条件下的力学性质演化规律进行了试验研究,并对各参数的演化规律进行了数学拟合。结果表明,固定轴向应变被逐渐卸除含瓦斯煤的围压后,含瓦斯煤的轴向应力呈分2个阶段逐渐减小的趋势,其减小率与围压、瓦斯压力之差呈正向关系;瓦斯压力越大,卸除单位围压后轴向应力降低越大,轴向应力对卸围压效应越敏感,轴向应力与围压卸除量关系可用二次函数形式表征;固定轴压而逐渐卸除围压时,含瓦斯煤的径向应变呈逐渐增大趋势,瓦斯压力越大卸除单位围压后产生的径向应变越大,径向应变的变化是卸除围压量和瓦斯压力之和的综合作用,径向应变与卸除后的围压关系可用修正对数函数表征     

破裂面水压对砂板岩峰后强度影响的试验研究

在MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统上进行不同围压下砂板岩三轴压缩全过程试验,并测试破裂岩体试样峰后的天然含水状态强度。对试样破裂面施加4级动水压力和静水压力,分别获得天然含水状态和每级水压下破裂岩体试样的强度。试验结果及分析表明,水对破裂岩体强度影响的作用机制主要表现在饱和软化与水压弱化两方面,即饱和软化作用不随水压的增减而变化和水压力对强度的弱化作用随水压升高而线性增大;主要影响强度参数中的黏聚力,对内摩擦系数的影响较小;裂隙岩体中静水压力的弱化作用强于动水压力。试验与分析还获得水对裂隙岩体的饱和软化以及静水压力综合作用的定量表达,并对这些成果的工程应用进行讨论。     

高渗压下水岩相互作用试验研究

新研发的岩石高压渗透试验仪以静态伺服阀为主要控制元件,在脱离计算机控制条件下可使试样进水端水压保持不变。出水端水压采用调速阀控制,实现了高渗透压力下长时间的水-岩相互作用试验研究。在此基础上,提出了水-岩作用渗透液体不同时段各离子浓度变化的分析方法,并容易得到不同时段试样渗透性变化规律。为研究水-岩作用对岩石强度的影响,按基本相同条件,对该试样及未经长期水-岩渗流作用同一岩性试样进行了高渗压下的常规三轴试验,提出以试样临近破坏时的有效侧向应力大小进行强度分析,并按上述实际所加侧向压力大小及有效侧向压力大小,进行了常规饱水三轴压缩试验。试验得出,所研究蚀变岩在高渗压下水-岩作用结果与常温、常压条件测试结果类似,蚀变岩与库水的水化学反应微弱,对其自身岩体的渗透性及力学性质影响均较小。     

水压力作用下三峡库区侏罗系软岩损伤演化特性研究

为研究不同库水深度处侏罗系软岩的损伤演化特性,对三峡库区侏罗系泥质粉砂岩进行了不同水压力状态下的MTS三轴压缩声发射试验,建立了基于声发射振铃计数考虑水致初始损伤的损伤演化方程,对水压力作用下侏罗系软岩的力学劣化特性、损伤演化阶段和损伤演化特征值进行了分析,结果表明:随着水压力增大(0 MPa到1MPa),软岩的起裂应力、损伤应力、峰值应力、残余应力以及弹性模量整体均呈现出减小的趋势,减小幅度分别为74.2%、66.9%、62.4%、43.4%、51.9%;侏罗系软岩的损伤演化过程可分为损伤形成阶段、损伤稳定发展阶段、损伤破坏阶段和损伤破坏后阶段,各个损伤阶段与裂隙扩展阶段基本保持同步;损伤演化特征值能够定量地反映水压力对侏罗系软岩的影响劣化程度,各个损伤演化特征值与水压力均呈现出较好的数学相关性,初始损伤变量和起裂损伤变量随水压力的增大而增大,起裂损伤增量和起裂损伤应变随水压力的增大而减小;在水压力增大过程中,初始损伤变量与起裂损伤变量的数值逐渐逼近,起裂损伤增量和起裂损伤应变数值逐渐接近于0,说明库水压力的存在会对侏罗系软岩造成不同程度的损伤,能够加速岩石的裂隙发展和破坏进程。     

孔隙水压力作用下砂岩裂纹扩展行为的试验研究

为研究水力耦合作用下砂岩裂纹扩展特征,开展了不同孔隙水压和围压条件的砂岩破坏试验。结果表明：有效围压相同,随着孔隙水压力增大,脆性指标数增大,起裂应力、损伤应力和峰值应力都变小;裂纹初始体积应变变小,裂纹扩展体积应变先减小后增大,损伤应力与峰值应力对应的裂纹轴向应变扩展速率、裂纹环向应变扩展速率增加,裂纹体积应变扩展速率与孔隙水压力关系不明显。孔隙水压力相同,随着有效围压增加,起裂应力、损伤应力和峰值应力增大。起裂应力、损伤应力、峰值应力对应的裂纹轴向应变扩展速率、裂纹环向应变扩展速率和裂纹体积应变扩展速率增大。同一块砂岩特征应力点的裂纹应变扩展速率比较,裂纹轴向应变扩展速率最大,裂纹环向应变扩展速率次之,裂纹体积应变扩展速率最小。     

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。     

水泥土各向异性变形特性研究

采用研制的真三轴仪进行水泥土单向加荷试验,研究水泥土的各向异性变化规律,探讨应力对侧向膨胀的影响。结果表明,单向加荷条件下,加荷方向均产生压缩,而侧向膨胀主要与剪应力增量 有关;大主应力 单向加荷, ,中主应力 、小主应力 方向产生侧向膨胀;中主应力单向加荷, 时, 方向产生侧向膨胀, 时,无侧向膨胀;小主应力单向加荷, ,试样不产生侧向膨胀;对于相同应力增量,试样侧向膨胀和压缩应变均随初始固结应力的增大而减小。能量分析表明,试样的侧向膨胀与某一方向的约束程度相关,约束越强,侧向膨胀量越小;约束越弱,侧向膨胀量越大。     

不同渗透水压下完整泥页岩剪切−渗流特性研究

为了探索高压水力浸润带和消落带岩体在压剪荷载与流体入渗双因素耦合作用下剪切渗流特性的衍化规律,利用自主研发的一套新型岩石剪切−渗流耦合试验系统,对饱水泥页岩进行了常法向荷载条件下不同渗透水压的剪切−渗流耦合试验和剪切蠕变−渗流耦合试验。试验结果表明：（1）随着渗透水压力的增加,饱水泥页岩剪切强度峰值、法向变形峰值以及剪切蠕变破坏强度均有所下降,说明渗透水压力对岩样力学强度具有损伤效果。（2）在剪切−渗流耦合试验过程中,岩样剪应力与法向变形在线弹性变化的末期会出现明显的上下波动现象,并伴有水流流出,剪应力和法向变形的突变点在时间上具有一致性。（3）在剪切蠕变−渗流耦合试验过程中,水流渗出速率与渗透水压力大小呈正相关,随着剪切荷载施加等级的提高,岩样蠕变变形量增大,单位时间内累计渗出水量亦有所提升。     

水压-应力耦合作用下灰岩力学特性试验

为探究富水饱和灰岩体在水压-应力耦合作用下的力学特性，利用自主研发的可实现单轴压缩的渗透试验装置对不同水压强度下的灰岩试样进行压缩破坏试验，测试灰岩应力-应变特性，分析水压对单轴抗压强度、弹性模量、变形模量的影响，灰岩破碎特性与水压强度相关性以及孔隙变化规律。研究表明:增加的水压强度对灰岩应力-应变和强度特性有显著的影响。随着水压强度增大，应力-应变曲线的压密阶段相对延长而弹性相对缩短，峰值强度呈指数减小而弹性模量和变形模量均呈线性下降，表明水压作用显著降低了灰岩脆性。另外，灰岩弹性模量、变形模量均与峰值强度呈线性关系。增大的水压强度对灰岩宏观断裂具有显著影响而未对其破坏类型造成影响，随水压强度增加，碎块均一系数和单位质量孔隙体积均呈指数函数增加。研究成果为隧道建设中富水岩体的开挖稳定性分析提供参考。      

混合型缓冲回填材料非饱和水分扩散试验研究

设计了专门的浸水试验装置,测定了膨润土-石英砂混合物在非膨胀条件下吸水引起的水分分布及膨胀应力变化,研究了混合型缓冲回填材料非饱和水力学性质。试验结果表明,干密度约1.70 g/cmP3、掺砂率为30%的GMZ001膨润土-砂混合物的水分扩散系数与含水率的关系呈U型变化,即随着含水率增加,汽态水分扩散系数减小,液态水分扩散系数增大。根据理论推导建立非饱和导水率估算方程。计算发现,混合物的非饱和导水率随含水率的增大而增大。其中,汽态水分非饱和导水率先增大后略有减小,液态水非饱和导水率始终增大。试验发现,试样吸水后干密度趋于均匀化,试样内部不同位置的应力发展与水分迁移过程密切相关：渗入端的应力在入渗初期增长很快,随后减慢;渗出端的应力持续稳定增长;入渗96 h后,两端应力趋于一致。估算出的水分扩散系数及非饱和导水率,可用于评价混合型缓冲回填材料阻隔核素迁移安全性。     

考虑脆性损伤和渗流的圆形水工隧洞解析解

针对脆性岩石的损伤特性引入脆性损伤模型,导出三维各向同性损伤情况下的损伤变量表达式。在考虑损伤、不同工况主应力对应关系和渗流作用影响下,推导出圆形水工隧洞洞周围岩的弹塑性应力和塑性半径的解析解。对岩石的脆性特性的研究表明,考虑脆性损伤时的洞周围岩塑性半径比不考虑时有一定程度提升;围岩脆性特征越明显,塑性半径越大。无论洞周围岩应力状态如何,考虑渗流影响后,洞周围岩塑性区范围均会有所扩展。在内水压从0逐渐增加过程中,塑性半径随内水压增加而逐渐减小,直至塑性区消失,在超出临界内压后,塑性区重新出现,塑性半径逐渐增大。     

基于热-水-力-损伤耦合数值模型的高地温水工高压隧洞围岩承载特性

针对高地温水工高压隧洞围岩的力学行为特点,在考虑岩体的渗透系数、热传导系数随岩体损伤发生变化的基础上,基于多物理场耦合理论,提出一种考虑硬岩强度力学参数劣化的含损伤演化的热-水-力-损伤耦合模型,并给出了该模型的FLAC3D数值实现方法。通过与物理模型试验结果对比,验证了模型的可靠性,进而利用该模型推演了高地温水工高压隧洞的多物理场耦合演化过程,分析了不同影响因素下的承载特性。研究结果表明：隧洞充水运行后,高地温水工高压隧洞的多场耦合效应显著,尤其高地温梯度和高内水压力联合作用下产生的迭加拉应力对围岩的承载安全具有不利影响;温度梯度、内水压力以及岩体线膨胀系数越大,隧洞围岩的损伤程度与开裂深度越大;当隧洞横断面的侧压力系数趋向于1时,洞周出现的宏观裂缝较多,且出现方位不确定;当隧洞横断面侧压力系数小于1/3时,洞周出现的宏观裂缝相对较少,且主要出现在与初始地应力的最大主应力方向相平行的方向上。常规锚喷支护对高地温水工高压隧洞的加固效果不佳。     

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.     

K0及三轴应力状态下压实膨胀土膨胀模型研究

以不同初始压实状态下的南阳中膨胀土为对象,在常规固结仪上开展侧限膨胀试验及采用GDS三轴仪进行恒定偏差应力的三轴膨胀试验,通过多元非线性拟合分析,分别获得考虑初始压实度、含水率、上覆压力耦合关联影响的K0膨胀模型以及体积膨胀率与球应力（体积应力）关系的三轴膨胀经验模型。基于K0膨胀模型,提出了压实土膨胀潜势能的定量计算公式,并推导出膨胀土边坡处理层厚度的理论计算方法。基于膨胀体积应变只随球应力变化而不受偏差应力影响的假设条件,分析了同一起始条件下,膨胀土K0模型与三轴膨胀模型的内在关联,并建立了通过K0模型推算三轴应力条件下体积膨胀率的理论方法。试验结果表明：采用多因素耦合的K0膨胀模型预测压实土膨胀势具有较好的准确度及合理性;联系K0模型与三轴膨胀模型的纽带在于假设侧限膨胀全程存在一个平均静止侧压力系数,采用反演方法得到平均侧压力系数呈现随上覆压力增大而减小的趋势,这种变化规律的根本原因则在于侧向膨胀力随上覆压力的增大而减小。     

软板岩膨胀特性试验及微观机制分析

针对软板岩内部特殊的构造及其遇水膨胀的特点,以湖南省怀化芷江地区的板岩为例,选取14组岩样分别进行矿物成分、微观结构测试和侧向约束膨胀试验,研究软质板岩的膨胀特性及其微观机制。结果表明:软质板岩侧向约束膨胀率与吸水时间之间呈指数函数关系,在试验早期,侧向约束膨胀率随吸水时间的延长而增大,且增长速率较快,侧向约束膨胀率-吸水时间关系曲线较陡;在试验后期,侧向约束膨胀率趋于稳定,侧向约束膨胀率-吸水时间关系曲线由陡变缓。侧向约束膨胀率随着吸水率的增长呈乘幂函数关系增长,在试验早期增长较快,而后增长速率变小,直至最后趋于稳定。轴向膨胀率随轴向荷载的增加呈负对数函数减小,初期减小幅度较大,后期逐渐变低。结构面方向和试样轴向的夹角α在区间[0°,90°]之间变化时,极限侧向约束膨胀率随着夹角α的增大而减小。     

Crack Initiation and Crack Propagation in Heterogeneous Sulfate-Rich Clay Rocks

Brittle fracture processes were hypothesized by several researches to cause a damage zone around an underground excavation in sulfate-rich clay rock when the stress exceeds the crack initiation threshold, and may promote swelling by crystal growth in newly formed fractures. In this study, laboratory experiments such as unconfined and confined compression tests with acoustic emission monitoring, and microstructural and mineralogical analyses are used to explain brittle fracture processes in sulfate-rich clay rock from the Gipskeuper formation in Switzerland. This rock type typically shows a heterogeneous rock fabric consisting of distinct clayey layers and stiff heterogeneities such as anhydrite layers, veins or nodules. The study showed that at low deviatoric stress, the failure behavior is dominated by the strength of the clayey matrix where microcracks are initiated. With increasing deviatoric stress or strain, growing microcracks eventually are arrested at anhydrite veins, and cracks develop either aligned with the interface between clayey layers and anhydrite veins, or penetrate anhydrite veins. These cracks often link micro-fractured regions in the specimen. This study also suggest that fracture localization in sulfate-rich clay rocks, which typically show a heterogeneous rock fabric, does not take place in the pre-peak range and renders unstable crack propagation less likely. Sulfate-rich clay rocks typically contain anhydrite veins at various scales. At the scale of a tunnel, anhydrite layers or veins may arrest growing fractures and prevent the disintegration of the rock mass. The rock mass may be damaged when the threshold stress for microcrack initiation is exceeded, thus promoting swelling by crystal growth in extension fractures, but the self-supporting capacity of the rock mass may be maintained rendering the possibility for rapidly propagating instability less likely.