不同围压下砂岩的变形力学特性与损伤机制

开展不同围压下砂岩的强度、变形和损伤演化研究,对岩体工程的结构设计和稳定性评价具有重要意义。对赵固一矿二1煤层顶板砂岩进行试验获得其力学参数,并采用颗粒流程序获得砂岩细观力学参数,结合编制的fish语言程序进行试验,研究砂岩在不同围压的强度、变形和损伤演化机制,得到如下结论:随着围压增加砂岩的屈服段变长,围压小于40 MPa时峰值强度随围压变化敏感,大于40 MPa时敏感性降低,随着围压增加砂岩由脆性破坏逐步转变为延性破坏;砂岩的扩容经历线性体缩、线性扩容和非线性扩容3个阶段,围压增大线性扩容阶段缩短而非线性扩容阶段增加,扩容指数和扩容起始点轴向应变与围压存在指数变化规律;砂岩的损伤破坏经历损伤弥散分布、聚集成核、形成局部裂隙和主控破裂面形成4个阶段,低围压下砂岩沿单一主控破裂面发生压剪破坏,高围压下主控破裂面呈X型交叉破坏岩体,为X型共轭斜面剪切破坏形式。      

常温下砂岩的变形特征及其影响因素

本文研究了常温下砂岩的变形特征，发现低围压条件下。砂岩表现为脆性剪切破裂，并产生扩容现象，而在高围压条件下，则表现为塑性流动，在塑性流动过程中，孔隙破裂，砂粒被压碎。并发生旋转和滑动，砂岩体积收缩，并表现为应变硬化，在砂岩由脆性剪切破裂向塑性流动的转化过程中，砂岩的孔隙率和围压起了关键的作用，本文还研究了砂岩孔隙破裂的机制，随着围压的增加，孔隙破裂分为两个阶段；第一阶段是孔隙边缘的剪切破裂，第二阶     

水力耦合作用下的砂岩声发射特性试验研究

水压会刺激岩石裂纹的产生和加速岩石破裂,对岩石的变形破坏特征和破坏机制有重要影响。利用MTS815 Flex Test GT 岩石力学试验系统和PCI-Ⅱ声发射仪开展了砂岩在不同围压下的水-力耦合试验。结果表明：在整个岩石破裂过程中,声发射活动随加载时间、应力变化表现出不同的特征;声发射活动在岩石的峰后阶段随着水压的增大更为集中,强度也更高,而随着围压的增大其集中程度和强度都有所降低;在相同围压下,声发射累计振铃计数和累计能量随着水压的增大而增大,在相同水压下,声发射累计振铃计数和累计能量则随着围压增大而有所减少;随着水压的增大,岩石最终失稳破坏时刻的声发射三维定位图中裂纹数量增多,裂纹的集中程度也更高,在宏观破坏形态上表现出破坏角减小。这些成果揭示了水-力耦合作用下岩石的破坏机制由压制剪切向压制张裂变化,岩石破裂的脆性破坏特征增强。     

渗透水压作用下完整砂岩剪切-渗流耦合试验研究

利用自主研发的煤岩剪切-渗流耦合试验装置,开展了渗透水压作用下完整砂岩试件剪切-渗流耦合特征试验研究。结果表明:(1)在恒定渗透水压情况下,法向应力越大,砂岩的抗剪强度越高,法向变形则越小,砂岩的剪切变形过程可分为3个阶段:剪切变形的线性增长阶段、非稳定破裂发展阶段和剪断后的摩擦滑移阶段;(2)在恒定渗透水压情况下,法向应力越小,法向和剪切变形量越大,剪切断面的起伏程度越大,表面次生裂纹发育越明显、发育范围越宽,砂岩的破坏程度越严重;(3)在整个剪切过程中,剪应力出现几次明显的应力降,首次应力降出现在线弹性变化末期,同时伴有水流流出,说明首次应力降是第一条宏观贯通的裂纹所致,且法向应力越大,裂隙越窄,导水能力越差。     

干湿交替作用后砂岩破裂过程实时观测与分析

采用岩石破裂全过程的细观力学试验系统进行了天然状态及干湿交替作用后的完整和含预制圆孔砂岩试件的单轴压缩破裂试验。利用显微镜观察了砂岩裂纹萌生、扩展以及试件的失稳破坏过程。经过干湿交替作用后岩样更容易在较低的应力状态下发生裂纹的扩展,并且裂纹扩展的初始阶段一般表现为拉破裂。完整试件的裂纹是随机性的三维扩展,而有预制圆孔试件一般是从预制圆孔周边开始扩展。天然状态下的预制圆孔试件在起裂时从圆孔的压应力集中区产生剪切裂纹;而干湿交替作用后,起裂时可能先从拉应力集中区产生拉裂纹,并且裂纹演化过程更为复杂一些,破裂形式多样化。与天然状态相比,经过干湿循环作用后的砂岩破坏脆性降低,强度等力学参数也随干湿交替次数增加而逐渐降低。     

化学溶液及其水压作用下单裂纹灰岩破裂的细观试验

采用岩石破裂全过程的细观力学试验系统进行了化学溶液及其水压力作用下单裂纹灰岩压缩破裂试验。通过电镜扫描、X衍射、水质分析等分析方法,对岩石微观形貌、矿物成分等进行研究。采用数字显微系统,对其压缩破裂过程进行实时观测和记录,得到了岩石破裂过程的细观图像;探讨了蒸馏水、不同pH值的0.1 mol/L Na2SO4溶液及其水压力作用对单裂纹灰岩变形和强度特性的影响。研究表明,受化学侵蚀后岩石的结构及成分均发生了不同程度的变化,导致其非均质性增加,而强度、弹性模量等降低,其力学性质劣化的程度与岩石中矿物成分的变化程度相关;孔隙水压的作用改变了岩石内部裂隙面和颗粒间的受力状态,加速了岩石裂纹的扩展,降低了岩石强度,水化学溶液及其水压作用使得岩石的破裂形式变得更为复杂。     

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。     

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。     

冻融循环作用下受荷青砂岩的脆性演化特征

为研究寒区受荷岩石的脆性演化特征,开展了青砂岩的冻融循环试验和三轴压缩试验,通过脆性评价指数将冻融循环作用下受荷砂岩的脆性程度进行了量化,分析了不同冻融循环次数和不同围压对岩石脆性指数的影响规律。基于青砂岩脆性指数对围压的敏感性规律,建立了以脆性劣化因子 和岩性特征量 为参数的脆性指数演化模型,并选取与该模型相同的函数模型对试验数据进行拟合验证。结果表明：同一冻融循环作用下,青砂岩的脆性程度随着围压增大而减弱,同时脆性指数变化速率对围压表现出较强的敏感性,围压越大,岩石脆性指数的衰减速率则越小;同一围压条件下,青砂岩的脆性随冻融循环次数增加而降低,单位冻融循环造成的脆性劣化效果随冻融循环次数增加而增强;脆性指数演化模型对冻融青砂岩以及常规黑砂岩、大理岩脆性指数的拟合数据具有较好的相关性,参数 和 的拟合数据很好地反映了不同冻融循环和不同类别岩石的脆性演化特征。     

石英砂岩力学特性及各向异性试验研究

为研究不同应力条件下层理对高孔隙率岩石材料破坏模式、弹性模量以及强度的影响,针对各向异性的石英砂岩,采用静水预压缩–增大轴向应力的加载方式,进行了多组带有不同层理角度试样的三轴试验。试验结果表明,不同应力条件下各向异性的石英砂岩试样表现出不同的变形破坏特征,以30 MPa围压为界,低围压范围内破坏模式为剪切型破坏,在该范围内随着围压增大破坏面由倾斜转向水平,并受到试样层理角度不同程度的影响,高围压范围内受到层理的影响分为剪切屈服和体积屈服两种破坏模式;随着围压的增大,新闭合的孔隙裂纹数目减少,各向异性对弹性模量的影响呈现降低趋势,弹性模量增长速率降低,弹性模量在层理分布角度?=60°时都会出现下降的现象;不同层理分布试样的强度曲线呈U型,围压在0~20 MPa范围内试样?=30°强度最低,围压在30~60 MPa范围内强度最低试样转化到?=45°附近;不同层理角度石英砂岩的强度特征系数随着围压的增大而逐渐减小,围压大于30 MPa后该系数逐渐趋于稳定。     

冻融循环作用下受荷青砂岩的脆性演化特征

为研究寒区受荷岩石的脆性演化特征,开展了青砂岩的冻融循环试验和三轴压缩试验,通过脆性评价指数将冻融循环作用下受荷砂岩的脆性程度进行量化,分析不同冻融循环次数和不同围压对岩石脆性指数的影响规律。基于青砂岩脆性指数对围压的敏感性规律,建立了以脆性劣化因子β和岩性特征量λ为参数的脆性指数演化模型,并选取与模型相同的函数模型对试验数据进行拟合验证。结果表明:同一冻融循环作用下,青砂岩的脆性程度随着围压增大而减弱,同时脆性指数变化速率对围压表现出较强的敏感性,围压越大,岩石脆性指数的衰减速率则越小;同一围压条件下,青砂岩的脆性随冻融循环次数增加而降低,单位冻融循环造成的脆性劣化效果随冻融循环次数增加而增强;脆性指数演化模型对冻融青砂岩以及常规黑砂岩、大理岩脆性指数的拟合数据具有较好的相关性,参数β和λ的拟合数据很好地反映了不同冻融循环和不同类别岩石的脆性演化特征。     

冻融循环作用下受荷青砂岩的脆性演化特征

为研究寒区受荷岩石的脆性演化特征,开展了青砂岩的冻融循环试验和三轴压缩试验,通过脆性评价指数将冻融循环作用下受荷砂岩的脆性程度进行量化,分析不同冻融循环次数和不同围压对岩石脆性指数的影响规律。基于青砂岩脆性指数对围压的敏感性规律,建立了以脆性劣化因子β和岩性特征量λ为参数的脆性指数演化模型,并选取与模型相同的函数模型对试验数据进行拟合验证。结果表明:同一冻融循环作用下,青砂岩的脆性程度随着围压增大而减弱,同时脆性指数变化速率对围压表现出较强的敏感性,围压越大,岩石脆性指数的衰减速率则越小;同一围压条件下,青砂岩的脆性随冻融循环次数增加而降低,单位冻融循环造成的脆性劣化效果随冻融循环次数增加而增强;脆性指数演化模型对冻融青砂岩以及常规黑砂岩、大理岩脆性指数的拟合数据具有较好的相关性,参数β和λ的拟合数据很好地反映了不同冻融循环和不同类别岩石的脆性演化特征。     

孔隙砂岩三轴压缩排水试验及地层失水沉降计算

针对在深厚白垩系和侏罗系孔隙砂岩含水层底部开采煤层是否引起上部含水层失水沉降问题,利用轴压恒定、变围压和孔隙水压的三轴压缩排水试验,研究不同粒径孔隙砂岩的轴向应变随孔隙水压降低的变化规律,以推导出一定厚度含水层的底部失水沉降计算公式。研究结果表明,(1)随着砂岩内的孔隙水压u降低,岩样会产生轴向压缩变形,并呈非线性增大,且砂岩粒径越大变形越大;(2)砂岩轴向排水变形ε_z与孔隙水压降△u以及初始孔隙水压u0有关,与围压σ3关系不大,且当u0不变、△u越大以及△u不变、u0越小时,所产生的轴向应变ε_z越大;(3)利用ε_z、△u、u0三者间的拟合函数所推导出的砂岩含水层失水沉降计算公式,在一定范围内能够进行多含水层失水沉降计算,为含水孔隙砂岩地层失水沉降计算提供一种新方法。     

水压影响岩石渐进破裂过程的试验研究

岩石的压缩过程伴随着裂纹扩展,在低、中围压条件下扩展的裂纹主要受到张拉作用而产生,张拉破坏是首要的作用机制。研究发现,岩石的渐进破裂过程受岩石的结构和构造影响,比如矿物成分、颗粒大小以及胶结情况等,另外,围压以及开挖扰动等外界因素对岩石的渐进破裂过程也有重要影响。基于试验方法探讨水压对岩石渐进破坏过程的影响,首先,阐述岩石渐进破裂过程各个阶段的特征;然后,对岩石渐进破裂指标--岩石的启裂强度 和损伤强度 的确定方法进行总结;最后,选取细粒的石英砂岩为研究对象,通过试验研究水压对岩石渐进破坏过程的影响。试验结果表明,相同围压条件下,随着岩样两端水压的增大,岩石的 有逐渐增大的趋势,而岩石的 和峰值强度 逐渐变小;随着围压逐渐增大,岩石的启裂强度 、损伤强度 及峰值强度 均逐渐增大。     

孔隙水压作用下岩样加载破坏过程的数值模拟

应用自主开发的岩石破坏过程渗流与应力耦合分析软件F-RFPA^2D，通过对孔隙水压作用下岩石试件加载破坏过程的数值模拟，研究了孔隙水压力对岩石强度、应力-应变曲线和破坏模式的影响，再现了受压试件在孔隙水压力作用下破坏过程及其逐步演变的应力场和渗流场。结果表明，孔隙水压力对岩石变形、破裂过程及其破坏模式有很大影响。     

水−岩作用下砂岩力学特性及微细观结构损伤演化

在库水位反复升降作用下,库岸边坡消落带部分岩体处于浸泡―风干循环状态,其力学特性的劣化将直接影响库岸边坡的变形稳定。以三峡库区库岸边坡消落带砂岩为研究对象,设计并进行了考虑浸泡―风干循环和水压力升降变化的水?岩作用试验。结合SEM电镜扫描,分析了水?岩作用对砂岩微细观结构的影响,采用PFC2D离散元软件对水?岩作用下砂岩的劣化过程进行了模拟分析。研究结果发现：（1）水?岩作用下砂岩的力学性能劣化效应明显,弹性模量和单轴抗压强度总体呈现先陡后缓的劣化趋势,其中前6次的浸泡―风干循环作用导致的劣化效应尤为明显。（2）水?岩作用下砂岩的微细观结构变化特征明显,由较致密的孔隙式胶结结构逐渐向不规则的蜂窝状结构发展,宏观上就导致了砂岩变形和强度特性的劣化。（3）由PFC2D离散元模拟分析发现：水?岩作用导致岩石内部颗粒强度和颗粒间黏结强度逐渐劣化,非均匀性增强,荷载作用下的应变局部化特征逐渐明显,整体承载能力逐渐降低,破坏模式由典型的张拉破坏逐渐转变为剪切破坏。     

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。     

孔隙水压作用下岩石抗剪强度参数计算

为了研究孔隙水压作用下岩石抗剪强度参数,进行了不同岩性岩石、不同孔隙水压条件下的三轴压缩试验,研究了抗剪强度参数计算方法.通过最小二乘法计算了采动岩体不同孔隙水压条件下黏聚力和内摩擦参数.研究表明:随着孔隙水压的增大,岩石黏聚力降低,当孔隙水压增至9MPa时,破坏岩体黏聚力降低至0MPa;细砂岩和粗砂岩黏聚力水压效应符合指数关系,随着水压的增高,黏聚力水压效应强度降低;除灰岩外,岩石内摩擦角随着静水压力的增高而降低.研究成果能够为分析孔隙水压下采矿围岩破坏规律提供依据.     

致密砂岩高围压和高孔隙水压下渗透率演化规律及微观机制

深部岩石工程具有高地应力和高水头压力的特点。为了研究岩石在高围压和高孔隙水压条件下渗透率演化规律,选取致密砂岩开展不同围压条件下变孔隙水压的渗流试验。研究结果表明:(1)在所研究的围压范围内(0~50 MPa),随孔隙压力增加,渗透率依次呈现3种不同的变化趋势,即快速增长阶段(围压为10~20 MPa)、缓慢增长阶段(围压为30~40 MPa)和保持恒定阶段(围压为50 MPa);在围压卸载时,由于高围压作用使试样内部产生不可逆变形,导致渗透率具有明显的不可恢复现象,且随围压降低,渗透率恢复存在滞后效应。(2)渗流试验过程中,体积应变和渗透率演化具有较好的一致性。(3)在围压加卸载过程中,高孔隙水压力条件下渗透率对应力的敏感程度和恢复程度均大于低孔隙水压力。(4)偏光显微镜图像从微观角度揭示了试样在围压加卸载过程中产生不可逆变形的内在机制:骨架颗粒相互挤压、错动导致原有微裂隙压缩、孔隙减小甚至坍塌,引起渗透率不可恢复。渗流试验后,纵波波速增大,说明岩石致密性提高,与试样内部微观结构变化具有较好的一致性。     

三种红层岩石常规三轴压缩下的强度与变形特性研究

利用MTS815Teststar程控伺服岩石力学试验系统研究了川东地区一红层边坡中的砂岩、粉砂岩和泥岩围压为03MPa的应力-应变全过程曲线,建立了峰值强度、峰值强度前弹性模量以及峰值强度后的弹性模量和围压的关系。将低围压下红层的全应力-应变曲线概化成5个阶段,分别为压密段、弹性段、屈服段、应变软化段和塑性流动阶段。试验结果得出,红层弹性模量随围压的增加而提高且变化明显,砂岩和粉砂岩在此围压内为脆性破坏,泥岩为塑性破坏的规律。