粉砂质板岩力学特性及各向异性特性

为研究鄂西北地区板岩的力学特性及各向异性特征,开展了志留系粉砂质板岩的单轴压缩和巴西劈裂试验,分析了试样的力学特性和各向异性特征以及在不同荷载作用下的变形破坏模式,揭示了不同破坏模式的力学机制,并通过数值分析研究了不同板理面角度板岩边坡破坏模式及力学机制。研究结果表明,粉砂质板岩中的板理面是影响岩体力学行为的弱面,使得粉砂质板岩表现出明显的各向异性的特征。在单轴压缩条件下,粉砂质板岩在垂直板理面方向比平行板理面方向更易变形,变形量更大;平行板理面方向加载时试样破坏类型为竖向劈裂型张拉破坏,其实质是压杆失稳;垂直板理面加载时试样的破坏类型为穿切板理面的劈裂型剪切破坏;所测得的力学参数各向异性也较明显。在劈裂荷载作用下,粉砂质板岩的破坏模式主要有张拉劈裂破坏和沿板理面剪切破坏两种,所得抗拉强度在平行板理面方向上最大,在垂直板理面方向上最小,两个方向上的抗拉强度均小于抗压强度。由于板理面间的抗拉强度极低,在受到与板理面呈小角度相交的劈裂荷载作用时,容易产生沿板理面的张拉劈裂或拉剪破坏,在实际工程中应尽量避免板理面间的受拉破坏和沿板理面的拉剪破坏。在边坡工程中,板理面倾向、倾角对边坡破坏模式及力学机制有较大影响,边坡防护治理需充分考虑这一影响。上述研究为粉砂质板岩区岩质边坡防护治理以及其他岩石工程设计与施工提供理论依据与技术基础。     

武当群片岩变形参数各向异性特征及机制研究

片岩因受片理面影响,其变形行为和破坏机制与一般岩体存在明显差异。为此,采用室内单轴压缩试验,研究了十堰-房县高速通省隧道武当群片岩在片理面倾角分别为0°、45°、90°时的变形参数各向异性特征及破坏机制。结果表明:片岩变形参数及破坏模式具有显著的各向异性特征。按照弹性模量E由大到小的顺序,试样的片理面倾角依次为:90°、0°、45°;按照泊松比v由大到小的顺序,试样的片理面倾角依次为:45°、0°、90°。片理面倾角为0°时试样以垂直片理面方向的压断破坏为主,45°时试样以沿片理面方向的纯剪切破坏为主,90°时以劈裂破坏为主。在此基础上,通过电镜扫描、FLAC3D数值试验结果等,分析了片岩变形破坏各向异性的机制,认为主要原因是片理面空间方位与轴向力方向不同的组合,导致软弱结构面——片理面对片岩变形的贡献差异明显。     

多轴压缩条件下层状硬质片岩的力学特性研究

在深部工程中经常会遇到层状岩体,由于高应力的影响,在工程活动中发生因层状结构面诱发的岩体灾害问题。这与深部工程中的真三向高应力环境及层状结构面产状密切相关。为此,基于一种取自某深部金属矿山的层状硬质片岩,开展了考虑片理方位的真三轴压缩试验研究,获取了该片岩在两种片理加载方位下,不同应力差条件时,试样的变形、强度及破裂数据。结果表明,该硬质片岩的力学特性受片理加载方位和应力条件影响较大。具体表现在,当中间主应力σ₂平行片理走向时,试样的脆性更强,且最小主应力σ₃ 越小脆性越强。当σ₂垂直片理走向时试样的强度更高,但强度随σ₃增加而增加的敏感性较弱。当σ₂平行片理走向时,试样的破坏均以沿片理的剪切为主;而当σ₂ 垂直片理走向时,试样在低σ₃ 时,主要发生穿片理的拉破坏,高σ₃ 时,则转变为沿片理的剪切破坏。试验结果对陡倾层状硬质岩体工程的稳定性评价有一定的启示意义,即当片理走向与洞轴线的夹角较小时,浅层围岩片理面的法向应力释放程度较高,易发生受片理结构控制的脆性破坏;反之,夹角较大时,岩体的稳定性较强。     

大渡河丹巴水电站长大深埋软岩各向异性及宏观力学参数研究

研究了层状岩体各向异性以及宏观力学参数分析方法,提出基于大型岩土分析软件ADINA各向异性材料模块,采用分区分级宏观力学参数模拟分析方法,结合“代表单元体”理论思想,对丹巴水电站二云片岩进行了各向异性模拟和宏观力学参数分析,研究得到丹巴片岩不同片理倾角宏观力学参数以及各向异性特征变化规律。研究结果显示,丹巴二云片岩尺度增加,平行片理向、垂直片理向变形模量 、 收敛幅度不同步, 变化幅度随倾角增大而增大,收敛速率更高,水平向变形模量 趋势较平缓,泊松比的变化规律恰好与之相反;随片理面倾角增大,丹巴二云片岩力学参数趋于极限值规律明显。     

水与微观结构对片岩波速各向异性特征的影响及其机制研究

选取3类不同宏观特征的武当群片岩岩样,分别制取不同片理角的标准圆柱试样。采用波速测试获取烘干、浸水处理后的试样的纵波速度,分析不同含水状态下武当群片岩波速各向异性特征,并结合偏光显微镜、扫描电镜下3类岩样的矿物组成与微观结构特征,探讨内外影响因素下的波速各向异性机制。结果显示:武当群片岩主要矿物为硬质粒状石英、长石与软质片状白云母,硬质矿物含量越高、孔隙率越小,则片岩纵波速度越大,反之越小;干燥样的纵波速度表现出显著各向异性,传播方向由垂直片理面向平行片理面变换时,波速逐渐增大,不同方向的波速值可用波速圆公式进行预测;波速各向异性本质上是微裂隙的定向展布、间隔分布的结果,可间接用白云母定向系数δ_2评价各向异性程度k,k~(1/2)与δ_2呈线性正相关,武当群片岩的k值上限为2.90;浸水后试样的纵波速度普遍增大,这是水充填空隙后对片岩等效体积模量的增加起主控作用的结果,片岩吸水后的波速增长效应受其孔隙率与微裂隙分布特征影响,引起不同类片岩间的纵波速度差异,导致同类片岩的波速各向异性程度与浸水时长呈负相关。     

片岩强度各向异性特征及破坏模式分析

为研究片岩的各向异性特征,采用室内三轴压缩试验,获取α=0°、α=45°、α=90° 3种片理倾角试样的应力-应变曲线及强度和变形数据。进一步构建7组片理倾角下的标准圆柱体模型,以室内试验获取的数据为依据,反演材料介质力学参数,利用FLAC3D模拟、探讨了不同片理倾角的片岩破坏模式及抗压强度的片理倾角效应和围压效应。结果表明,三轴压缩条件下,片岩的破坏模式主要分为斜切片理剪切破坏和顺片理剪切滑移破坏,对应的变形破坏的控制结构亦不同。相同围压下,片岩抗压强度随片理倾角呈非对称的"U"字型变化,抗压强度最大值始终位于α=90°,最小值分布在α=45°或α=60°处。围压增大时,对顺片理倾角破坏的片岩强度的增强效应趋于弱化。此外,分析了各向异性岩石抗压强度最大值分布位置的影响因素,发现岩石均匀性程度对各向异性岩石的抗压强度最大值的分布有重要影响,均匀性较差时,最大值位于α=90°;反之,最大值出现于α=0°。     

拉-压应力状态下脆性岩石强度及破坏机制颗粒流模拟

高地应力区地下岩体工程开挖常形成围岩拉-压应力状态,发生岩体张性破坏灾害。本文针对传统PFC平行黏结模型不能模拟脆性岩石高单轴压缩与拉伸强度比的问题,建立双抗拉强度参数的平行黏结强度准则,开展岩石拉-压数值模拟试验,得到了与物理试验接近的拉-压强度,实现了岩石高压拉强度比的模拟,并深入分析了破坏机制。研究结果表明随着围压的增加,破裂面倾角逐渐增大,由拉伸破裂转化为拉-剪破裂,发现了拉-压应力状态下破裂面处的雁行裂纹。根据细观颗粒位移场揭示了破裂面力学性质,随着围压的增加(破裂面倾角逐渐增大),破裂面张性逐渐减弱而剪性增强。可将拉-压应力状态下岩石损伤演化过程大致分为弹性变形阶段、稳定破裂发展阶段、不稳定破裂发展阶段和整体破裂阶段(峰后应力跌落及残余阶段)。围压较大时弹性变形和稳定破裂发展阶段相对较短,不稳定破裂发展阶段相对较长较剧烈,峰后残余阶段破裂面摩擦更强、应力波动较大。     

Anisotropic mechanical properties and brittleness evaluation of layered phylliteEI北大核心

为了研究层状千枚岩的力学特性与各向异性特征,开展了不同层理倾角与不同围压下的千枚岩力学试验。对比分析了千枚岩试样强度、变形、脆性与破坏模式等各向异性特征。结果表明:(1)随着层理倾角β增加,岩样的强度、变形特征曲线形状呈U型;随围压增加,岩样强度及塑性增强,各向异性度逐渐减弱稳定。(2)采用多种强度准则描述岩样强度各向异性,其中Saeidi准则和改进Ramamurthy准则能很好地预测岩样在不同层理倾角下的抗压强度。(3)基于岩样峰前应力-应变曲线与能量特征提出了综合脆性评价指标,在层理倾角β=45°左右时,岩样脆性指标较低,更易发生剪切滑移破坏,得出脆性下降顺序为:沿层理面拉伸劈裂>穿层理面拉伸劈裂>沿层理面剪切>穿层理面剪切。(4)千枚岩的破坏模式与层理倾角和围压有关,单轴条件下,岩样劈裂破坏后易形成复杂裂纹网络;高围压下,岩样破裂后多形成单一的沿层理面或贯穿多层理面的剪切破坏。     

节理倾角对黄土力学特性影响试验研究

黄土节理种类多样、角度多变,是影响黄土力学性质的重要因素。为研究节理对黄土力学性质影响,开展含预制节理黄土试样单轴与三轴压缩强度试验,分析了非贯通节理对试样剪切破坏模式影响,探讨了节理倾角对黄土强度与变形特性影响规律。结果表明:节理试样剪切破坏均为压剪破坏,破坏模式可分为节理面与破裂面贯通型和节理面与破裂面斜交型,压力作用下非贯通节理尖端翼裂纹和次生裂纹不断萌生,易劣化扩展形成剪切破裂面;节理存在弱化了试样抗变形能力,单轴压缩条件下试样应力-应变曲线均呈应变软化型,预制节理降低屈服阶段变形模量,减小试样剪切破坏位移,加速试样剪切破坏;节理存在显著降低黄土强度,峰值强度与残余强度均随节理倾角呈现先减小后增大变化趋势,但变化幅度随围压增大而降低,黏聚力随节理倾角变化最为敏感,节理倾角60°时试样强度指标最低;预制节理倾角与黄土试样剪切破裂角越接近,节理面越易劣化贯通为剪切破裂面,试样抗变形能力越差,强度性质劣化越显著,试样越容易剪切破坏。研究成果为揭示黄土节理界面劣化对黄土边坡促滑机制提供参考。     

板裂千枚岩微观结构与力学性质

为了研究板裂千枚岩的微观结构及力学性质,以汶川-马尔康高速公路沿线典型的板裂千枚岩为研究对象,进行了X衍射,薄片鉴定和单轴、三轴压缩试验。结果表明：1）板裂千枚岩微观结构和矿物成分比较复杂,具有明显的脆、塑性变形和裂隙,结构稳定性差;2）板裂千枚岩的各向异性明显,结构面夹角从0°到90°,板裂千枚岩的弹性模量、抗压强度、黏聚力和内摩擦角先减小后增大,呈V型分布规律;3）板裂千枚岩的破裂模式与结构面夹角和围压的大小密切相关,其破裂模式共有顺结构面的张拉劈裂破坏、顺结构面的剪切滑移破坏、Y型张拉-剪切复合破坏、顺结构面和贯穿结构面的复合张剪破坏、贯穿结构面的剪切破坏5种类型;4）随着围压的增大,不同结构面夹角试样的强度、变形参数和破裂模式的各向异性逐渐减弱;5）最大主应力与结构面的组合方式控制着岩石的破裂模式和力学性质,这是板裂板裂千枚岩显示各向异性的根本原因。     

基于点荷载试验武当群片岩的风化分组及强度特性研究

针对中元古界武当山群（Pt2wd）片岩,开展大量的现场点荷载试验,基于概率统计的方法,确定全风化、强风化、中等风化（Pt2wd）片岩的点荷载强度（垂直岩层）的均值、方差以及分组区间。通过开展沿片岩不同层面方向的点荷载试验,分析平行岩层和垂直岩层点荷载强度的相关性,确定该种片岩的各向异性指数;结合室内单轴抗压强度的试验结果,给出适用于武当群片岩的点荷载强度IS与单轴抗压强度Rc的经验关系式     

三轴压缩蠕变试验下石英云母片岩各向异性蠕变特性研究

对石英云母片岩进行三轴压缩蠕变试验,研究丹巴水电站石英云母片岩的三轴蠕变特性及其各向异性特性。按轴向荷载与层理面关系加工成平行组和垂直组2组试件,开展分级加载方式进行不同围压条件下的蠕变试验。试验研究表明,石英云母片岩具有蠕变特性,包括瞬时变形、衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变阶段;采用带Kachanov蠕变损伤律的蠕变模型来描述石英云母片岩的蠕变特性,并进行蠕变参数辨识,拟合结果显示此模型能很好地描述石英云母片岩的蠕变特性;根据试验结果获得2组试件的长期屈服强度、破坏形态、瞬时变形参数和稳定蠕变速率,分析表明石英云母片岩的蠕变力学特性具有明显的各向异性特性。层理面与轴向荷载垂直的试件较层理面与轴向荷载平行的试件的强度、弹性剪切模量、体积模量和黏性系数相对较大,表现出较高的抗变形和抗破坏能力;平行组以剪切破坏为主,垂直组破坏时出现侧向鼓胀现象,显示出延性破坏的特点;2组石英云母片岩试件的瞬时应变量和稳定蠕变速率都随着应力水平的提高而增大。     

Experimental Study on Failure Characteristics of Schist Under Unloading Condition

The mechanical properties of rock under unloading condition have significant differences with those under conventional loading condition. To investigate the failure characteristics of schist under complex stress state, uniaxial and trixial compression and unloading confining pressure tests have been carried out on samples in the paper. The results show that the rock samples failed in coupling mode of shear and tension under uniaxial compression, and failed in shear mode under conventional trixial compression. However, the failure modes of the samples can be classified as shear, multiple fracturing, and multiple extension, and the strength of schist is closely related with the failure mode under unloading confining condition. For the unloading condition, the peak strengths of schist samples with shear failure mode are close to those under conventional trixial compression, but the peak strengths with multiple fracturing or multiple extension mode are much higher than those under trixial compression. The internal structure characteristics and stress paths were found to have major influences on the failure modes of schist. Therefore, the failure modes must be considered when the strength characteristics of schist are investigated.     

基于损伤演化的片岩应力松弛特性

为揭示丹巴水电站石英云母片岩的各向异性松弛性特及松弛过程中的损伤演化规律,针对平行片理组和垂直片理组石英云母片岩,采用程控蠕变试验仪,开展为期720 h的单轴应力松弛试验。试验发现,平行片理组和垂直片理组岩样的应力松弛曲线均可分为快速松弛、减速松弛和稳定松弛3个阶段,属于非完全衰减型松弛类型;受片理发育方向影响,平行片理组应力衰减历时较垂直片理组长。结合石英云母片岩的应力松弛特征,将基于能量耗散的损伤因子代入Bingham模型流变本构方程,利用改进Euler差分算法推导应力松弛方程,并用神经网络法对模型参数进行辨识。研究表明,平行片理组与垂直片理组在快速松弛阶段损伤发展较快,且随着松弛过程的进行损伤速率逐渐降低至稳定,损伤演化与应力松弛过程是统一的;考虑损伤演化的Bingham流变模型拟合曲线与试验结果具有较高的吻合度,说明文中提出的松弛方程能很好地描述石英云母片岩的应力松弛特性,对软岩工程研究具有较高的应用价值。     

岩石拉伸剪切破裂试验研究

岩石拉伸剪切破裂是一类特殊应力状态条件下的破裂形式,属于同时受垂直于破裂面的法向拉应力和平行于破裂面的剪应力作用的复合破裂模式。在研制的DSC-800电液伺服测控岩石拉伸剪切试验仪的基础上,进行了大量花岗闪长岩和砂岩的拉伸剪切试验,开展了配套的破裂断口三维激光扫描、扫描电子显微镜（SEM）、岩石物理力学性质试验、颗粒流离散元（PFC）数值模拟等相关试验,利用分形理论研究了岩石拉剪破裂面特征,研究了岩石拉剪-压剪全区破裂准则、剪切速率对岩石拉剪破裂强度的影响,采用颗粒流离散元研究了岩石拉剪破裂过程。研究结论如下:（1）岩石拉剪破裂面的宏观与微观分形维数即粗糙度随着拉应力的增加而增大;（2）岩石的微观断裂形式是拉伸破坏和剪切破坏的结合。当拉应力较小时,岩石的微观断裂形式主要表现为剪切破坏,并且随着拉应力的增加,岩石的拉伸破坏形式表现得更加明显;（3）岩石在拉伸剪切区的破裂拉应力与剪应力成线性负相关关系,在拉伸剪切应力区的岩石破裂线斜率比压缩剪切区大,岩石在拉伸剪切应力条件下比压缩剪切应力条件下容易破裂;（4）在岩石拉伸剪切条件下,剪切速率与剪切强度成非线性反相关关系,随着剪切速率的增加,岩石拉剪破裂面粗糙度增加;（5）建立了岩石拉伸剪切PFC数值试验模型,模拟了岩石拉伸剪切破裂过程中的力链演化以及剪切速率对拉剪破裂面粗糙度的影响,获得了与实验室试验一致的结果。     

川西北茂县群千枚岩各向异性力学特性

利用MTS815Teststar岩石力学试验系统,对川西北茂县群千枚岩开展单轴和三轴试验,研究千枚岩各向异性力学特性。研究结果表明：千枚岩在达到峰值强度50%以前就普遍出现很大的变形和局部破坏,表明围岩产生大变形或出现早期扩容并不意味着其丧失承载能力,如及时进行针对性支护或加强围岩保护仍具有较强的强度。损伤扩容是千枚岩变形破坏的典型特征,并对变形产生不同的影响,横向应变对损伤扩容比轴向应变更敏感,能更灵敏地反映岩石材料内部的屈服、弱化。千枚岩各向异性随含水率与围压水平表现出不同的变化规律,强度各向异性随含水率和围压水平提高而降低,弹性模量和泊松比则与加载方向和转化围压有关。不同含水状态下干燥千枚岩的单轴抗压强度各向异性最为显著,大部分千枚岩的强度各向异性率在0.80以下,其中绢云母千枚岩最强,为0.48,其强弱对比依次为绢云母千枚岩、绿泥石千枚岩、石英千枚岩、炭质千枚岩。千枚岩表现出不同的破坏模式,并随围压或含水率的增加而变化;剪切机制单独控制着各向异性力学特性,千枚岩统一沿软弱面剪切破坏。