孔隙水压力对锯齿状结构面剪切蠕变特性的影响

为探究孔隙水压对岩体结构面剪切蠕变特性的影响,自主研制了结构面一体化制作模具和多功能剪切流变仪,开展了孔隙水压力下锯齿状结构面的剪切蠕变试验,分析了孔隙水压对结构面蠕变变形、蠕变速率和长期强度的影响。试验结果表明：不同孔隙水压力下的结构面先后经历了瞬时变形阶段、减速蠕变阶段和稳定蠕变阶段,并且孔隙水压力的增大促进了结构面非线性特征的发展;随着孔隙水压力的增大,结构面瞬时位移、蠕变位移和稳态蠕变速率逐渐增大,而蠕变时长、破坏应力和长期强度均呈现明显降低的趋势。根据试验结果,考虑孔隙水压力对模型参数的影响,将蠕变模型中的瞬时剪切模量、黏性剪切模量以及黏性系数替换为孔隙水压力的函数,构建了能够反映孔隙水压力影响的结构面蠕变模型,并对模型参数进行辨识,将试验曲线和理论模型曲线进行对比,验证了模型的正确性和适用性。研究成果对富水区岩体长期稳定性分析提供一定的理论指导。     

围压对黄砂岩疲劳破坏变形特性的影响

为研究三向应力状态下周期荷载对工程岩体长期稳定性的影响,对黄砂岩试样进行了不同围压的常规三轴压缩试验和周期轴向荷载疲劳试验,得到了黄砂岩疲劳破坏的轴向、环向及体积变形特性。试验结果表明:常规三轴轴向周期荷载作用下,黄砂岩疲劳破坏的轴向、环向以及体积变形受到静态应力-应变曲线变形量的控制;疲劳破坏轴向、环向的峰值变形和不可逆变形均符合三阶段倒S型曲线发展演化规律;围压对轴向变形发展规律有一定强化作用,对环向变形发展规律却有所抑制;在疲劳破坏变形过程中,峰值应变ε_(max)具有和不可逆应变ε~p相似的发展规律,弹性应变ε~e在3个阶段基本保持不变,不可逆应变增量Dep的变化规律能够反映3个阶段应变速率的发展演化规律;变形比强度更适合作为岩石疲劳破坏的依据,黄砂岩的疲劳破坏变形特性研究为建立岩石的疲劳破坏力学模型做了基础。     

单轴压缩条件下泥岩加载速率变化效应研究

通过对泥岩在4种不同加载速率(0.005、0.05、0.5、3mm/min)下进行的系列性单轴压缩试验和分级蠕变试验,研究了加载速率及其变化对泥岩的变形强度特性和蠕变变形的影响规律。结果表明,泥岩具有明显的加载速率变化效应且表现为等速黏性特性,即:以定速率加载时,不同速率对应不同的应力-应变关系;在变速率加载时,随着加载速率的变化,泥岩的应力-应变关系也随之改变。此外,泥岩蠕变前的加载速率对蠕变变形量和蠕变速率也有显著影响。随着泥岩蠕变前加载速率的增大,蠕变变形量和蠕变速率呈现出逐渐增大的趋势。泥岩的蠕变速率随着时间的推移表现出逐渐衰减的规律,其衰减过程可分为线性衰减、对数衰减和稳定3个阶段。基于三元件模型框架和加载速率变化效应,建立了泥岩的弹黏塑性本构模型,并将其用于泥岩室内试验的数值计算。对比模型计算结果与试验结果发现,弹黏塑性本构模型可以较好地描述单轴压缩条件下泥岩的加载速率变化效应。     

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。     

不同循环加载条件下岩石阻尼比和阻尼系数研究

为了合理地描述岩石的阻尼行为,提出了考虑轴向和环向阻尼振动的岩石阻尼参数计算方法;通过动循环荷载、分级循环荷载和常幅循环荷载试验,对比分析了这3种不同应力路径下砂岩、砾岩及砂砾岩的阻尼特性,得到了阻尼参数对应力幅值、应变幅值的响应特性,揭示了常幅循环加载过程中阻尼比和阻尼系数随循环次数的演化规律;从熵守恒和能量守恒定律出发,建立了岩石阻尼比随循环次数演化的经验模型。结果表明:(1)动荷载下岩石的阻尼比与轴向应变幅值成线性递增,而阻尼系数恰好相反;分级循环荷载下岩石的阻尼参数都随应力幅值成线性递增。(2)疲劳破坏门槛值是岩石耗散能和阻尼比演化规律发生变化的分界点,在应力上限高于疲劳破坏门槛值时,耗散能、阻尼比及阻尼系数随循环次数都呈3阶段的变化规律,演化曲线呈半U型;在应力上限低于疲劳破坏门槛值时,呈现2阶段的发展规律,演化曲线呈L型;(3)通过砂岩的阻尼比试验,验证了所建模型能够描述砂岩在常幅循环荷载过程中阻尼行为。     

不同加载速率下岩石强度特性的扰动状态概念理论分析

岩石的强度特性受很多因素的影响,加载速率是其中很重要的影响因素之一.利用扰动状态概念理论,建立了非线弹性岩石材料的本构模型.采用RMT-150B岩石力学试验机对砂岩试件进行了四种不同加载速率下的单轴压缩试验,得到了不同加载速率下砂岩的应力-应变全过程曲线,并分析了加载速率对岩石强度特性的影响.通过建立的扰动状态本构模型对岩石的应力-应变关系进行了模拟.相关研究及分析比较表明,该模型与试验结果较为一致.     

不同固结状态下黄土坡滑坡滑带土的蠕变试验研究

为了研究黄土坡滑坡滑带土在不同固结状态下的蠕变特性,首先采用单向加载、加载—卸载、加载—卸载—再加载的方式分别固结滑带土,然后开展滑带土在不同固结状态下的剪切蠕变试验。试验结果表明:滑带土初始孔隙比为0.49,压缩系数a_(1-2)介于0.37～0.45 MPa~(-1)之间,属中等压缩性土;滑带土在单向加载至上覆压力后的孔隙比最大,压缩量最小,加载—卸载至上覆压力后的孔隙比最小,压缩量最大,加载—卸载—再加载至上覆压力后的孔隙比和压缩量介于二者之间。对于初始状态相同的滑带土,在经历不同加载—卸载—再加载固结状态后,在正应力和水平剪应力相同条件下,单向加载后的蠕变剪切应变最大,加载—卸载后的蠕变剪切应变最小,说明滑带土的剪切蠕变特性与加载路径和加载后的孔隙比密切相关。采用Burgers模型拟合蠕变试验数据,得出了不同固结状态下Maxwell模型和Kelvin模型的蠕变参数,拟合曲线和试验曲线能够很好地吻合,说明Burgers模型能够较好地反映滑带土在不同固结状态下的蠕变特性。     

不同固结状态下黄土坡滑坡滑带土的蠕变试验研究

为了研究黄土坡滑坡滑带土在不同固结状态下的蠕变特性,首先采用单向加载、加载-卸载、加载-卸载-再加载的方式分别固结滑带土,然后开展滑带土在不同固结状态下的剪切蠕变试验。试验结果表明：滑带土初始孔隙比为0.49,压缩系数a_(1)_(-)_(2)介于0.37～0.45 MPa~(-1)之间,属中等压缩性土;滑带土在单向加载至上覆压力后的孔隙比最大,压缩量最小,加载-卸载至上覆压力后的孔隙比最小,压缩量最大,加载-卸载-再加载至上覆压力后的孔隙比和压缩量介于二者之间。对于初始状态相同的滑带土,在经历不同加载-卸载-再加载固结状态后,在正应力和水平剪应力相同条件下,单向加载后的蠕变剪切应变最大,加载-卸载后的蠕变剪切应变最小,说明滑带土的剪切蠕变特性与加载路径和加载后的孔隙比密切相关。采用Burgers模型拟合蠕变试验数据,得出了不同固结状态下Maxwell模型和Kelvin模型的蠕变参数,拟合曲线和试验曲线能够很好地吻合,说明Burgers模型能够较好地反映滑带土在不同固结状态下的蠕变特性。     

基于硬化-损伤机制的贫煤蠕变本构模型研究

岩石蠕变是其内部硬化效应和损伤效应共同作用演化的结果。通过分级加载下贫煤单轴压缩蠕变试验,基于试验中瞬时弹性模量增大和黏滞系数减小的现象,分析贫煤蠕变中的硬化-损伤机制。结果表明,较低应力下煤样的变形仅为瞬时应变,煤样仅有硬化效应;当应力达到蠕变起始应力阈值时煤样逐渐出现损伤,次生裂纹出现并扩展,硬化效应与损伤效应共同作用下煤样表现出衰减蠕变和稳定蠕变特征。长期蠕变过程中煤样强度经历先硬化再弱化的过程,最终因累计损伤过大而失稳破坏,依据各级应力下煤样的变形特征,构建了符合其变形规律的黏弹塑性组合模型,并引入了硬化函数和损伤函数,推导得到其蠕变本构方程。采用该模型描述分级加载下贫煤单轴压缩蠕变变形曲线,试验曲线和模型曲线吻合良好。该模型元件简单,物理意义明确,能很好地反映贫煤单轴压缩下的硬化–损伤蠕变特性。     

花岗岩三轴循环加卸载条件下的气体渗透率

为研究花岗岩在三轴循环加卸载条件下气体渗透率的演化规律,利用岩石多场耦合三轴试验仪分别对花岗岩进行三轴恒下限分级循环加卸载试验和气体渗透试验。试验结果表明：加载曲线与上一次循环卸载曲线形成塑性滞回环,随着循环次数的增加,每个循环应力下限的轴向应变也随之增加;前期几个循环试样体积压缩明显,以轴向压缩变形为主,后期轴向应力达到一定数值时体积由压缩转为扩容,裂纹发展方向偏向于轴向方向,均呈剪切脆性破坏;气体渗透率变化分为稳定下降阶段、缓慢增加阶段、急剧上升阶段3个阶段,试样脆性破坏后气体渗透率均上升2～3个数量级;体积应变曲线拐点与横向应变曲线结合起来可以作为研究岩石渗透率变化规律的一个重要参考因素。     

考虑初始损伤和蠕变损伤的岩石蠕变全过程本构模型

考虑到天然岩石存在不同程度初始损伤以及蠕变过程中岩石受载后裂隙扩展而导致的新损伤,对具有初始损伤的岩石蠕变特性进行全面描述。根据不闭合结构面应力与法向变形之间的关系,提出裂隙岩石塑性变形体元件,描述岩石蠕变过程中的瞬时塑性变形。引入初始损伤影响因子,建立具有初始损伤的岩石损伤变量演化方程,构建模拟岩石加速蠕变的蠕变损伤体元件。将裂隙岩石塑性变形体和蠕变损伤体与描述瞬时弹性变形和黏弹性变形的广义开尔文模型进行串联组合,形成能够反映具有初始损伤的岩石瞬时弹-塑性变形、稳定蠕变和加速蠕变的蠕变全过程本构模型,提出了进行少量蠕变试验既能解析模型参数的方法,在不同应力水平下模型理论曲线与蠕变试验曲线吻合。     

低频循环荷载下盐岩轴向蠕变的Burgers模型分析

为了研究盐岩在低频循环荷载作用下的蠕变特性,采用恒轴压、循环围压的应力加载方式对盐岩开展了低频循环荷载蠕变试验。试验结果显示,当蠕变时间较短时,盐岩轴向蠕变曲线近似为平滑曲线,波动性不大;当时间增加到一定程度以后,盐岩变形随围压变化而发生明显的波动。总体来看,循环荷载下盐岩轴向蠕变曲线与Burgers模型蠕变曲线较为相似。将Burgers模型分解为Maxwell模型和Kelvin模型,忽略材料的疲劳效应,分别推导了恒轴压、循环围压应力加载方式下Maxwell模型和Kelvin模型的轴向蠕变方程,分析了荷载循环周期对模型蠕变性的影响规律;将循环荷载下Maxwell模型和Kelvin模型的轴向蠕变方程进行叠加,得到了循环荷载下Burgers模型的轴向蠕变方程,并利用盐岩蠕变试验结果对其合理性进行了验证。结果表明:拟合曲线和试验曲线吻合良好,该模型能够较好地反映盐岩在循环荷载作用下的蠕变特性和荷载变化对盐岩蠕变性的重要影响,特别是能够反映出不同荷载循环周期下盐岩变形随荷载变化而发生的明显的波动现象。     

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。     

水压和应力耦合下脆性岩石蠕变与破坏时效机制研究

基于水压和应力耦合作用下锦屏深部大理岩的三轴蠕变试验,研究了大理岩的变形时效特性、等时曲线特征以及时效破坏机制。研究结果表明,(1) 孔隙水压可以增强大理岩的时效变形能力,有水压时的稳态蠕变率大于无水压状态时的稳态蠕变率。(2) 裂纹扩容失稳应力强度比可以作为硬脆性岩石是否发生失稳蠕变的门限值,且当应力强度比到达这一门限值时,岩石的失稳概率随着时间发展而陡增。(3) 体积蠕变量大于侧向和轴向的蠕变量值,显示脆性岩石扩容蠕变效应特征显著。(4) 不同时刻的等时曲线具有明显的相似性,在发生加速蠕变之前,等时曲线基本呈线性特征;而在发生加速蠕变时,等时曲线呈显著非线性特征。     

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.     

高渗透压脆性岩石蠕变宏−细观力学模型研究

高渗透压对深部地下工程脆性岩石蠕变力学特性有着重要影响。然而,能够解释高渗透压作用脆性岩石完整减速、稳态及加速三级蠕变过程中,细观裂纹扩展与宏观变形关系的宏细观力学模型研究很少。基于考虑含有初始裂纹与新生成翼型裂纹影响的裂纹尖端应力强度模型,引入渗透水压与初始裂纹及新生成翼型裂纹之间的力学关系,建立了考虑渗透水压作用的裂纹尖端应力强度模型;然后结合亚临界裂纹扩展法则,与裂纹及应变损伤关系模型,推出了考虑渗透水压影响的脆性岩石蠕变裂纹扩展与宏观变形关系的宏细观力学模型。当施加轴向应力小于岩石裂纹启裂应力时,岩石近似表现为线弹性变形;当施加轴向应力大于裂纹启裂应力且小于岩石峰值强度,岩石表现为塑性蠕变变形。研究了不同渗透压作用下,分级轴向应力加载岩石蠕变应变时间演化曲线,并通过试验结果验证了模型的合理性。分别讨论了恒定渗透压与分级渗透压,对脆性岩石蠕变过程中裂纹长度、裂纹扩展速率、轴向应变及轴向应变率的影响。该模型为高渗透压深部地下工程围岩稳定性评价提供了重要理论依据。     

盐岩储气库蠕变损伤分析

通过对盐岩本构关系的实验研究,对Norton Power 盐岩蠕变本构模型引入损伤变量,在损伤等效应力中引入考虑偏应力和围压影响的函数,建立了一种能反映盐岩蠕变和加速蠕变的本构模型。通过对某盐矿盐岩实验数据进行拟合,获得了本构模型的参数,理论曲线与实验曲线吻合得较好。通过三维数值模拟方法,应用该本构模型对某盐矿天然气储存库进行了数值模拟研究,探讨了该盐矿盐岩储气库最低内压工况下,腔周损伤区的扩展、变形规律及最长持续运行时间。研究结果表明：（1）盐岩本构模型在盐岩加速蠕变期具有较好的数值稳定性;（2）在最低运行压力下,腔周盐岩进入加速蠕变期后,储气库损伤区的扩展速度非常快,储气库最危险部位位于腔体顶部;（3）腔周盐岩进行加速蠕变期后,盐岩的腔体体积收敛变形主要表现为损伤蠕变体积收敛,稳态蠕变体积收敛趋于稳定;（4）该盐矿盐岩储气库在该压力下最长持续运行时间约为3个月。     

考虑表面形貌特征的岩体结构面蠕变特性

工程岩体开挖会遇到各种复杂应力条件，岩体在荷载作用下随时间会产生流变现象，这种“累进性破坏”导致工程岩体常出现滑坡、塌方、大变形和支护困难等问题.为解释天然岩体结构面的流变现象，以天然红砂岩结构面为研究对象，基于结构面三维形貌扫描试验、结构面分级加载剪切蠕变试验，对天然岩体结构面的剪切蠕变特性进行系统研究.研究发现，岩体结构面蠕变变形量与蠕变应力和结构面三维形貌特征指标正相关；岩体结构面蠕变曲线可分为3个阶段，即过渡蠕变、稳态蠕变和加速蠕变阶段，当法向应力一定时，结构面三维形貌特征指标越大，发生的蠕变破坏越剧烈；基于结构面剪切蠕变曲线与剪切蠕变速率曲线特征，建立了参数物理意义明确的岩体结构面剪切蠕变经验模型.      

循环加卸载条件下花岗岩破坏过程声发射特征研究

本文通过MTS815岩石力学试验机,开展循环荷载作用下花岗岩破坏过程声发射参数变化的研究,研究了花岗岩在不同围压、循环次数、含水率的条件下声发射参数的变化情况。基于记录到的声发射数据,将岩石破坏过程划分为3个阶段,即初始阶段、匀速增长阶段、加速跃迁阶段,研究各阶段的RA值、损伤参数D、Kaiser效应的变化特征。试验结果表明:（1）饱水岩石的RA值小于天然状态下岩石的RA值,并且岩石破坏前（加速跃迁阶段）有较为明显的高RA区出现。（2）围压能有效延长加速跃迁阶段的时间,同时提高岩石的抗压强度。（3）损伤参数D在最后一级循环时抬升平均值达到0.6。（4）验证了岩石Kaiser效应的局限性,岩石在出现了Felicity效应后才会因累计损伤发生破坏。