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。     

北山花岗岩能量演化规律及破坏倾向指标研究

为深入研究北山高放废物地质处置预选区内花岗岩在不同加卸载路径条件下的能量演化规律,针对北山花岗岩圆形柱试样开展了不同初始围压和不同加卸载条件下的室内三轴试验,对试验数据进行处理对比分析,并建立了一种新型的岩石破坏能量倾向性指标。研究结果表明：岩石临界破坏时的总应变能、弹性应变能和耗散应变能均随着初始围压的增大而增大;岩石损伤破坏过程中的声发射特征参数与耗散能间具有较强的相关性;卸荷条件下岩石破坏模式分为内部损伤破坏和轴向应变破坏;在不同卸荷试验条件下岩石破坏能量倾向性指标均先增加后减小,在相同试验条件下,弹性应变能转化为耗散能效率越高,能量倾向性指标则越小,岩石破坏程度则越高。     

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。     

三轴压缩下含瓦斯煤的能耗与渗流特性研究

以重庆松藻同华矿K3煤层制备的煤样为研究对象,利用自主研制的渗流装置,进行了不同围压和瓦斯压力下煤样的三轴压缩试验,并应用能量积聚与耗散的方法,研究了煤样在压缩过程中的能耗特征和渗流特性。结果表明：三轴压缩破坏过程中,含瓦斯煤样存在着能量积聚与耗散。煤样以弹性应变能的形式吸收并储存能量;荷载达到峰值时,煤样储存的弹性应变能在瞬间释放转化为耗散能,成为煤样破坏的源动力。围压和瓦斯压力对煤样的能耗特征有较大影响,随着围压增加,煤样吸收的总能量、储存的弹性应变能和耗散能均会增加;随着瓦斯压力增加,煤样吸收的总能量及耗散能呈现缓慢的增加,储存的弹性应变能呈逐渐下降趋势。围压和瓦斯压力对煤样的渗透性亦有较大影响。应力达到峰值前,随着围压的增加,煤样的渗透性逐步减小;随着瓦斯压力的增加,煤样的渗透性则呈增加的趋势。研究结果可为煤与瓦斯突出的防治和瓦斯抽采提供参考。     

黄土坡滑坡饱和滑带土三轴压缩应力松弛试验研究

为研究饱和滑带土的三轴流变规律,基于室内三轴试验,对三峡库区巴东县黄土坡滑坡的滑带土应力松弛特性进行试验和分析。首先,对滑带土进行X射线衍射试验和XRF定量分析实验,获得了滑带土的矿物成分和化学组成。然后,采用GDS三轴仪开展饱和滑带土的应力松弛实验,研究不同围压和不同应变增量条件下滑带土的应力松弛特征。研究结果表明,饱和滑带土的应力松弛特征受围压、轴向应变速率、轴向应变增量、松弛时间的影响较大。根据应力松弛曲线可以分别得出滑带土的峰值强度和残余强度指标,当轴向应变接近破坏应变(15%)时随着有效围压的增加,滑带土的应力松弛量和残余应力比增加,应力松弛比减小;当轴向应变恒定时,滑带土的体积应变大于应变增加过程中的体积应变。当应变加载速率较小(0.02 mm/min)时应变加载过程中会出现瞬时应力松弛现象。     

花岗岩岩桥卸荷脆性破坏的能量特征

岩质边坡锁固段型岩桥的破坏和能量的累积与释放密切相关,利用MTS815伺服控制刚性力学试验机对花岗岩岩桥试样开展了常规三轴加荷试验和三轴加卸荷试验,采用基于轴向应力比的能量分析方法,可对不同工况下峰前加载各阶段能量变化趋势进行有效的对比分析。结果表明:应力峰值前能量特征变化主要分为压密阶段与弹性阶段,试样处于压密阶段,随着初始裂纹的闭合与摩擦,耗散能占比大幅增加;弹性阶段,荷载所做功大部分转化为弹性能储存在试样内部,弹性能占比大幅增加。由于预制裂隙存在,在临近破坏前没有出现明显的屈服阶段,岩桥试样表现为“突发式”的脆性破坏;初始围压的提升会使得应力峰值点的总能量、弹性能明显增大;花岗岩试样的岩桥越长,其吸收的总能量、弹性储能极限越大,应力峰值点的弹性能占总能量比值越高,岩桥长度变化则对耗散能没有明显影响。     

循环荷载作用下斜长花岗岩弹性模量演化规律

通过MTS815岩石力学试验机开展斜长花岗岩循环荷载试验,揭示循环次数、围压、含水率对斜长花岗岩弹性模量变化规律的影响,分析饱和与天然试样应力功、弹性应变能、耗散能随循环次数的演化规律。根据能量演化规律将岩石压缩变形破坏过程划分为4个阶段,研究各阶段切线模量与耗散能之间的关系。试验结果表明:（1）同一个应力水平切线模量随循环次数呈先增大后降低的趋势,其降低幅度随循环次数与应力水平增加而增大。（2）围压抑制了裂纹扩展,随围压增加切线模量弱化幅度减小。（3）饱和试样比天然试样切线模量弱化幅度大,说明水的存在加剧饱和试样内部结构损伤。（4）耗散能增加是引起切线模量弱化的内在因素,两者的变化规律呈现出很好的相关性。     

砂岩加卸载条件下能耗特征试验研究

采用MTS815刚性伺服试验机,对砂岩进行了单轴、三轴压缩和三轴峰后卸围压试验,对比研究了砂岩在加卸载试验条件下的能耗特征。结果表明,单轴压缩各能耗指标值均小于三轴压缩和三轴峰后卸围压,三轴峰后卸围压介于单轴与三轴压缩之间。三轴压缩和三轴峰后卸围压各能耗指标均具有明显的围压效应,随着围压的升高而线性增大。单轴压缩时砂岩表现为突发性的脆性破坏,初期储存的弹性应变能瞬间几乎全部转化为耗散能,成为岩样破坏时所表现出的一切现象的源动力;三轴压缩时砂岩表现为从局部破坏到整体失稳的渐进过程,耗散能所占吸收能量的比例越来越大,表现为明显的能量耗散,能量耗散发展到一定程度表现为明显的能量释放,随即岩石整体失稳破坏。     

压实黏土三轴压缩变形过程中的渗透性变化规律

对某高坝心墙黏土进行了三轴压缩过程中的轴向渗透试验,观测了不同压实密度的试样在不同围压下轴向渗透系数随轴向应变的变化过程以及试样的变形形态。试验发现,三轴压缩过程中试样的渗透系数的变化趋势与压实密度和围压有关。当围压大于试样的前期固结压力时,试样在三轴压缩过程中一直呈现体缩,变得更密实,因而渗透系数随着轴向应变的增加而减小,最后趋于稳定。当围压远小于试样的前期固结压力时,试样产生了对抗渗不利的集中剪切带,集中剪切带成为渗流通道,使得试样的表观轴向渗透系数随轴向应变的增加而显著增大。重度压实的黏土在低围压下的大剪切变形下会产生高渗漏性的集中剪切带的试验事实,可以用来解释土石坝心墙的局部渗漏现象。     

三轴循环加卸载条件下高含冰冻结砂土变形特性试验研究

基于一系列同一温度、同一应变率、不同含水率和围压条件下的高含冰冻结粉质砂土的三轴循环加、卸载试验,开展了高含冰量冻结粉质砂土的能量耗散与剪切模量特性研究。试验结果表明:随着含水率的增加,冻土的塑性先增加,然后减小,并且30.6%的含水率可以作为一个塑性破坏点;随着剪应变的增加,偏应力的变化主导着能量耗散的变化,并且在试样变形过程中克服冰颗粒之间的作用所耗散的能量值很小;随着剪应变的增加,冻土的剪切模量一直减小,且小含水率条件下减小的速率会有一个明显的转折点,并且含水率对剪切模量的影响可分为3类。该研究结果可为高含冰冻土区工程设计中参数的选择提供重要的依据。     

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。     

砂质泥岩三轴卸荷流变力学特性试验研究

流变对工程岩体的长期变形稳定具有十分重要的影响,但目前关于卸荷流变的试验研究中通常只考虑恒轴压卸围压的应力路径,与隧洞开挖过程中围岩的应力调整过程存在一定的差距。以砂质泥岩为试验研究对象,设计进行了加轴压卸围压和恒轴压卸围压条件下的分级卸荷流变试验。试验结果表明：恒轴压卸围压和加轴压卸围压方案下岩样的流变变形趋势总体一致,但相同初始围压条件下,加轴压卸围压试样破坏的围压相对较高,偏应力相对较大,但长期强度与破坏应力的比值相对较小;在围压卸载至岩样临近破坏时,加轴压卸围压方案下岩样的流变应变增长速率明显较快,试样破坏的更加突然;恒轴压卸围压条件下岩样的破坏形态相对简单,一般只存在一条完整的剪切破坏面,而加轴压卸围压条件下岩样的破坏形态要复杂得多,除了控制性的剪切破坏面之外,还伴随有一定数量的次生剪裂纹和张拉裂纹,而且初始围压越大,试样的次生裂纹越多。因此,在隧洞围岩长期变形稳定分析过程中,单纯的恒轴压卸围压流变试验不能满足工程实际需求,应该尽量丰富岩石力学试验的应力路径,以便较好地模拟工程岩体应力的实际变化过程,研究成果为隧洞围岩的长期变形稳定性研究提供了较好的研究思路。     

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。     

密实散粒体剪切破坏能量演化的离散元模拟

砂土等散粒体在剪切过程中的能量存储及耗散是其宏观力学响应的深层原因,但因量测难度较大而研究较少。将考虑抗转动的接触模型引入离散元软件PFC2D,基于热力学第一定律建立各种能量量测方法,并在平面应变双轴压缩试验中采用该方法统计密实散粒体在剪切过程中的能量演化规律。采取了4种耗散类型,即滑动-滚动（S-R）、滑动-非滚动（S-NR）、非滑动-滚动（NS-R）和非滑动-非滚动（NS-NR）。结果表明：密实散粒体加载时能量耗散以滑动摩擦为主;且小应变加载阶段,外力功主要转化为弹性应变能,但同时也存在均布于试样的耗散能;随着应变的增加,外力功的转化形式逐渐过渡为以耗散能为主,且集中分布在带状区域内;各个加载阶段的摩擦耗散均存在各向异性。     

饱和兰州黄土液化过程中孔压和应变发展的试验研究

采用WF12440型空心圆柱扭剪仪,用反压饱和法对初始饱和度较低的原状黄土进行饱和,进行室内原状黄土饱和液化试验研究,探讨了饱和兰州黄土液化过程中孔隙水压力、轴向应变、应力-应变滞回圈的发展规律。结果表明,对初始饱和度较低的原状黄土,反压饱和法使孔压系数B值达到0.95以上,即土样完全饱和;兰州黄土在均压固结条件下液化的孔压发展,开始时上升速率较缓慢,循环数一定后会出现孔压迅速增高的现象直至达到有效围压;应力-应变滞回特性随着振动次数的增加发生变化,塑性逐步增大;当轴向应变小于2%时,孔压增长缓慢;此后,孔压上升速率加大,3%应变可以出现在初始液化前;接近液化时偏应力为负值时的有效应力大于正值时的有效应力。     

轴压和围压对循环冲击下砂岩能量耗散的影响

利用动静组合加载试验装置,对具有不同轴压和围压的砂岩进行循环冲击试验,研究循环冲击过程中砂岩单位体积吸收能的变化特性、单位体积吸收能与平均应变率的关系以及轴压和围压对循环冲击作用下岩石能量耗散的影响。围压分别设置为4、8、10、12 MPa等4个系列,轴向静载荷分别设置为49、84、105、125 MPa等4个系列,入射杆上的入射波峰值大小近似相等,入射能大小为230 J。研究结果表明,砂岩单位体积吸收能随循环冲击次数的增加而增加。平均应变率和单位体积吸收能具有良好的正线性关系,围压从低到高增加过程中,二者间拟合直线的斜率K随轴压增加的变化关系为“增加-基本不变-减小”。当轴压较小时,K随围压的增加先增加后降低,轴压越小K由上升到下降转折点处的围压越大;当轴压增加到125 MPa时,K随围压的增加始终降低。研究结果为具有不同地应力条件下工程岩体爆破设计提供理论依据。     

Mechanical properties and permeability evolution of gas-bearing coal under phased variable speed loading and unloading

It is of great significance for the analysis and prediction of coal-gas outburst disasters to understand the mechanical properties and permeability evolution of coal and rock under conditions of stope stress evolution. In this study, mechanical tests were conducted on gas-bearing coal under four stress paths, including conventional triaxial compression (CTC), phased variable speed triaxial compression (PVSTC), unloading confining pressure (UCP), and phased variable speed unloading confining pressure (PVSUCP), simultaneously measuring the permeability in mechanical tests. The mechanical properties and permeability evolutions in gas-bearing coal under four different stress paths were compared. The obtained results show that the deviatoric stress-strain curves of gas-bearing coal under four stress paths could be divided into five stages: compaction, linear elasticity, plastic deformation, stress drop, and residual stress stage. The permeability-strain curves under four stress paths could also be divided into five stages: fast drop, slow decrease, slow increase, sharp increase, and slowed growth. Compared to the CTC conditions, the peak strain and strength of coal under PVSTC conditions increased. Furthermore, the stress drop and energy release under PVSTC were more intense at the moment of instability failure. Compared to both loading paths, the coal was damaged more rapidly under unloading paths and the damage was stronger. Additionally, among both unloading paths, the time required for the failure of coal under PVSUCP was shorter than that under UCP, while the damage under PVSUCP was stronger. The strength characteristics of the gas-bearing coal under PVSTC and PVSUCP still met the Mohr–Coulomb criterion. This preliminary study has guiding significance for the understanding of the co-occurrence mechanisms of coal-gas outburst disasters.     

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。