三向应力状态下大理岩压缩变形试验研究

本文着重讨论大理岩在三向应力状态下压缩变形特性试验研究.探讨了不同的加荷路径对应力-应变关系、强度及破坏机制等的影响.进行了恒侧压、反复加压、等比加压、应力常量,卸荷等试验研究,此外还进行了无侧向应变及静水压等试验.该试验采用了我所自制的 CBS-2型数字显示位移测量仪进行测量,探头直接固定在高压筒体内岩样上下垫块之间,可以测出岩样破裂后的变形,克服了过去采用电阻片量程不够的问题.     

不同应力路径下饱和重塑黄土的力学特性

土体的力学特性往往因应力状态和应力路径而异。为了探讨垂直加载和等剪路径下饱和土的力学特性,制备饱和重塑黄土试样,通过固结不排水（CU）和常剪应力排水剪（CSD）三轴试验,分别测定并绘制其应力-应变曲线、孔隙水压力变化曲线和应力路径曲线。试验结果表明,饱和重塑黄土在2种路径下有明显不同的变形特点:CU路径下的应力-应变曲线皆呈弱软化型,孔隙水压力先快速上升后逐渐趋于稳定;CSD路径下维持偏应力为一常量,施加孔隙水压力后的很长时间内试样变形很小,当孔隙水压力增大至试验围压的60%~75%时,试样迅速破坏。CSD路径无偏应力峰值,文中根据轴应变随平均有效应力变化曲线定义了等效峰值破坏线。通过对比发现,2种路径下饱和重塑黄土的有效峰值强度指标差异明显,而有效残余强度指标相近,表明有效残余强度指标是重塑黄土内在属性,受应力路径的影响不大。该研究结果可为实际工程选取正确的应力路径试验提供参考。     

围压路径对冻结粉质砂土变形行为及强度的影响研究

目前关于冻土的室内三轴压缩试验研究多采用恒围压下的轴向加载方法,而实际工程中的受压土体基本处于围压、轴压同时发生变化的情况。以冻结粉质砂土为研究对象,进行了变围压和恒围压下的三轴剪切测试。根据试后试样变形情况,给出了试样面积的统一修正公式,研究结果表明：当含水量较小时,围压路径对应力-应变曲线的初始段和最终段没有显见影响,但在应力-应变曲线中间段,变围压下的应力-应变曲线明显在相应的恒围压曲线之下,且初始围压越小,曲线位置越低。当含水量不低于饱和值时,围压路径和含冰量共同影响着应力-应变曲线的发展趋势,且变围压曲线的最终段基本都在相应的恒围压曲线之上,中间段变化特点与含冰量和初始围压有关。围压路径对强度随围压变化趋势的影响跟含水量大小有关。当含水量较小时,两种围压路径下的强度值比较接近;当含水量不低于饱和值时,恒围压下的强度值低于相应变围压下的强度值。     

不同应力路径下土石混填体变形力学特性大型三轴试验研究

为更加全面地掌握土石混填体的变形、力学特性,采用大型三轴剪切仪分别在常规路径、等应力比路径和等p路径下对不同含石量的土石混填体进行了一系列试验研究。试验结果表明,在低围压下土石混填体的应变软化特征并不明显,其黏聚力普遍较低,而内摩擦角则较高,随试样的含石量从25%增加到70%,其内摩擦角和变形模量亦会随之增加。土石混填体在常规路径和等p路径下的应力-应变关系曲线比较相似,其所求得的抗剪强度指标亦比较接近;而等应力比路径下的应力-应变关系曲线的形态和发展过程均与之存在明显差别。土石混填体在常规路径下具有低压剪胀和高压剪缩的特性,含石量越高,低压剪胀性越明显,反之,则高压剪缩性更为显著;等应力比路径下试样的体积应变与轴向应变之间近似呈线性关系,其斜率随应力比增加而减小;等p路径下试样则是以剪胀性为主,尤其在平均主应力较低时更为显著。     

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。     

泥炭质土K0固结不同开挖路径应力-应变关系研究

基坑开挖过程中不同部位的土体会因不同的卸荷力学行为而表现出动态的破坏特性。为研究基坑土体开挖过程中复杂的卸荷应力路径,利用TSZ-1S应力控制式三轴仪分别对湖相沉积的泥炭质土进行固结不排水及K₀固结下的加、卸荷试验,并按侧向、轴向、轴侧向同时卸荷等不同卸荷条件制定试验方案,模拟基坑开挖过程中不同部位土体卸荷路径下的应力-应变曲线、卸荷剪切破坏时的强度及初始切线模量等的变化规律。试验结果表明：土体的应力-应变特性与应力路径密切相关,各路径下应力-应变曲线都近似呈双曲线型;卸荷剪切破坏时强度明显低于加荷破坏。对不同卸荷路径下初始切线模量(E_i)的研究发现,E_i受侧向卸荷影响较大,卸荷后E_i有所提高,轴向卸荷对其影响较小。对各应力-应变曲线进行归一化处理,构建了考虑不同归一化因子的归一化方程,以该方程为基础对不同应力路径下的泥炭质土进行归一化处理,并对结果进行了验证,效果良好。本研究可为泥炭质土场地上基坑在不同卸荷路径下的变形参数和本构关系的研究提供参考。     

尺寸和加载速率对冻结水泥土单轴压缩影响

为揭示尺寸效应和加载速率效应对冻结改良土力学特性的影响规律,以冻结水泥改良土为研究对象,开展了不同尺寸与加载速率条件下的单轴压缩试验,通过分析试验数据,讨论了高径比和加载速率对试样强度与变形特性的影响。研究结果表明,高径比影响试样的应力-应变曲线类型及峰值后的变形特性。高径比增加,应力-应变曲线出现明显弹性屈服点,峰后脆性增强,试样破坏形式由劈裂破坏变为单一剪切破坏。试样的抗压强度、切线模量、起始屈服模量、破坏应变随高径比变化均可用抛物线进行拟合,综合考虑,推荐试验宜采用高径比为1.62~2.02的试件。在试验设定的温度和加载速率条件下冻结水泥土的单轴压缩应力-应变关系均为应变软化型。与冻土类似,冻结水泥土的抗压强度与起始屈服强度同样随温度的降低和加载速率的增加而增大。不同温度下冻结水泥土抗压强度与加载速率的关系可用幂函数表示。温度越低,起始屈服强度受加载速率影响越大。温度和加载速率对冻结水泥土切线模量也有较大影响,不同加载速率条件下切线模量与温度呈线性关系。冻结水泥土的破坏应变随温度的降低和加载速率的增加而增大,在1.94%~6.94%之间变化,不同加载速率条件下破坏应变与温度呈幂函数关系。     

二元介质模型对重塑黄土的适用性探讨

为了论述二元介质模型对于重塑黄土的适用性,针对重塑黄土开展了三轴压缩试验,结合轴向应力-应变曲线及试样的破坏形态分析了围压对其受力变形的影响规律,将其受力及破坏的特点与二元介质模型的基本假设进行了对比,指出二元介质模型可以模拟重塑黄土的受力变形规律。在此基础上,根据模型各参数特点建议了参数厘定的基本思路,并通过与试验数据对比验证了厘定思路的有效性。本文建议的参数确定顺序为“胶结元弹性模量→破损率分布→摩擦元参数→局部应变系数”。结果表明,重塑黄土在三轴压缩情况下呈现二元受力状态,二元介质模型可以很好地描述重塑土的应力-应变关系。围压越大,结构破损越快。对于软化型曲线,加载后期摩擦元分担了绝大部分轴向荷载。随着曲线向硬化型过渡,加载后期摩擦元分担的荷载逐渐减小。     

两种卸荷路径下泥岩流变特性试验研究

分析岩石流变特性对边坡长期变形稳定性具有十分重要的意义。以贵州省某高速公路为背景,在施工现场取样,设计了恒轴压卸围压与等比例卸围压和轴压两种应力路径下的分级卸荷流变试验。试验结果表明,两种应力路径下泥岩岩样卸荷流变趋势大体一致,破坏应力下岩样的侧向变形迅速增长并超过了轴向变形,侧向扩容较显著;对比恒轴压卸荷,等比例卸荷历时较长,岩样轴向变形虽出现了回弹,但轴向变形量和侧向变形量所占全变形的比例较大,约为恒轴压卸荷的2倍,说明等比例卸载围压和卸轴压应力路径下岩样破坏可预见性更小,但其破坏影响更大。等比例卸荷实验参照实际边坡开挖坡度选取比例设计实验,对实际边坡工程长期稳定性分析极具参考价值。     

不同应力路径下粗粒料力学特性试验研究

采用大型三轴试验机,对粗粒料进行了常规三轴、等p和等应力比等不同应力路径的试验。通过对试验结果进行对比分析,研究了粗粒料在不同应力路径下的应力-应变、变形和强度特性,并对粗粒料的卸载体缩现象进行了分析和探讨。结果表明,应力路径对粗粒料的应力-应变和变形特性影响较大,而对强度特性影响较小;卸载体缩主要是由偏应力比η的变化所引起的,与应力路径关系很大。     

脆性岩石侧向变形特征及损伤机理研究

进行了三峡花岗岩常规三轴压缩、保持轴向应变和保持轴向应力的卸围压试验,研究了脆性岩石在不同应力路径和不同加载控制方式下的侧向变形特征,可见临界侧向应变均稳定在（?0.004 ? 0.000 5）范围内。进一步进行三峡花岗岩的全过程应力-应变曲线和损伤力学分析,发现脆性岩石在不同应力路径和不同加载控制方式下均以侧向损伤为主,且侧向损伤曲线的形态近似,达到临界破坏状态时损伤值稳定在0.7?0.8左右。最后以侧向损伤变量表征花岗岩脆性破坏过程,建立了基于应变空间的、可以考虑卸荷应力路径的损伤模型和应变型破坏准则。     

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.     

不同节理粗糙度类岩石材料三轴压缩力学特性试验研究

粗糙度是影响节理岩体强度与变形特性的重要因素之一。首先使用3D 打印机制作模具,并浇筑形成不同粗糙度（节理粗糙度系数JRC=2、7、12、17、22）的节理岩石试样。采用GCTS高温高压动静岩石三轴试验系统,对含有不同粗糙度节理岩石试样进行了三轴压缩试验,获得了不同粗糙度节理岩石试样的三轴应力–应变曲线,分析了JRC对岩石三轴强度和变形特性的影响规律,在三轴加载过程中采用声发射测试系统,分析了不同粗糙度节理岩石试样的声发射特性。运用数字三维视频显微系统观察节理面形态,讨论了不同围压下节理岩石试样峰值强度与JRC之间的关系。研究结果表明,节理面的存在直接导致节理岩石试样强度的大幅度降低,JRC对岩石破坏裂纹的形态、数量和空间分布特征亦有很大的影响,随着JRC值的增大,岩石节理面的抗剪强度增大,岩石试样的三轴抗压强度也会增大,岩石试样由脆性破坏转变为延性破坏。     

复杂应力路径下饱水砂岩宏细观力学特性研究

饱水作用对砂岩变形及强度特征影响显著,考虑岩体实际赋存环境,为了解复杂应力路径下饱水砂岩宏细观力学特性,利用RMT-150C岩石力学多功能试验机及SEM电镜扫描技术,对饱水砂岩进行循环荷载作用后卸荷破坏试验,研究不同影响因素作用下的疲劳损伤特征,重点分析了加载频率、上限应力等因素对卸荷变形、强度及细观损伤特征的影响规律。研究表明,根据试验设计方案获得的饱水砂岩应力-应变曲线大致可以划分为5个典型阶段,其中,同一应力状态下,疲劳损伤阶段轴向不可逆应变在等速变形阶段的应变速率随加载频率的增大迅速增加,这表明上限应力的“门槛值”极有可能是变化的,且与加载频率及循环次数密切相关;同时,卸围压变形破坏阶段的总应变及围压卸荷量均随加载频率（或上限应力）的增大而减小,与该阶段持续时间随加载频率（或上限应力）的变化规律一致。不仅如此,通过分析饱水砂岩破坏面细观损伤特征发现,加载频率与上限应力作用下的细观损伤特征差异显著,其中破坏面微裂隙面积占比随加载频率增大而减小,上限应力则恰好相反。     

岩石变形破坏过程中渗透率演化规律的试验研究

利用伺服试验机对灰岩和砂岩进行了应力应变全过程渗透性试验,研究了岩样变形和破坏过程中的轴向应变与渗透率之间的关系,分析了岩样环向应变对渗透率的影响规律,探讨了岩样变形破坏前后渗透压差随时间的变化关系。结果表明,岩样渗透率与应力状态密切相关,渗透率的峰值滞后或超前于应力应变峰值,这与岩石介质本身的特性有关;渗透率-环向应变曲线与渗透率-轴向应变曲线有相同的变化趋势,但岩石环向变形比轴向变形更能灵敏地反映渗透率的演化规律;岩样变形破坏峰值前后的渗透压差与时间均遵循负指数关系。最后对岩石变形破坏过程中的渗透机理作了讨论。     

复杂应力路径下流体饱和砂岩本构模型

高孔隙率砂岩在不同围压及被不同流体（水及油）饱和时表现出不同的应力-应变特性及不同的破坏过程。复杂应力路径下油和水饱和砂岩的力学试验表明,存在某一临界围压,随着围压的增加,饱和砂岩从以压剪破坏为主,逐渐转变为以孔隙坍塌破坏为主的破坏机制。通过力学试验结果的分析,以两种破坏理论对油和水饱和砂岩的破坏特征进行了力学解释,并应用经典塑性力学的盖帽模型建立了相应的本构模型,应用非线性有限元法进行了数值验证,研究结果表明,提出的模型与试验资料吻合良好,能较好地模拟复杂应力路径下油和水饱和砂岩的破坏机制及模拟注水采油引起的砂岩附加沉降。     

粉质黏土卸荷变形特性试验研究

依托武汉长江隧道江北明挖段基坑工程,开展了一系列的K0固结状态下原状粉质黏土卸荷应力路径排水剪三轴试验,并对卸荷变形特性进行了深入分析。分析表明：卸荷应力路径下原状粉质黏土的应力-应变关系与应力路径有着密切的关系,近似呈双曲线型。根据应力-应变曲线表现,可将卸荷应力路径分为A、B两组,A组应力路径试样表现为轴向压缩;B组应力路径试样表现为轴向伸长。卸荷应力路径下粉质黏土的应力-应变关系具有良好的归一化特性,同一应力路径下不同固结压力的应力-应变曲线可采用双曲线函数用平均固结压力归一化,但A、B两组应力路径下的归一化方程有所差别。给出了各种应力路径下的归一化方程,可为卸荷土体的变形参数及本构关系研究提供参考。     

岩土材料不同应力路径下脆性变化的二元介质模拟

试验研究表明,岩土材料在加卸荷时表现出不同的变形破坏特性,卸荷时脆性增加。建议了一个可以描述材料脆性变化的脆性指数 ,并验证了B指标能较好地描述岩土材料在加卸荷时的脆性变化。应用二元介质模型,对岩样在卸载周围应力过程中的应力-应变关系进行了模拟,表明这一模型不但可以模拟岩样在低围压下的应变软化到高围压下的应变硬化现象,而且可以模拟岩样在卸载周围应力过程中的变形破坏过程,特别是对于表现为应变软化的岩样,可以反映出应力峰值前后卸围压时的变形破坏过程的差别。     

基于声发射的盐岩变形破坏过程的分形与损伤特征研究

为研究盐岩变形破坏过程中损伤变量和分形维数之间的关系,对取自某地的纯盐岩开展了单轴压缩和三轴压缩试验。在基于声发射振铃计数的损伤模型和基于声发射定位点空间演化的分形维数计算的基础上,对盐岩变化破坏过程中的损伤变量和分形维数进行了研究。研究表明：在盐岩变形破坏过程中,盐岩分形维数逐渐降低,损伤变量逐渐增加,且分形维数下降的各个阶段与损伤变量增加的各个阶段相对应;盐岩变形破坏前分形维数不再明显下降,且不同应力状态下,盐岩变形破坏前分形维数不同;随着围压增大,盐岩变形破坏前分形维数逐渐降低,其中单轴压缩和三轴压缩应力状态时,分形维数分别低于2.42和2.31、2.20时,预示着试件内部损伤开始汇集,逐渐形成宏观破裂面,导致试件变形破坏;围压对盐岩声发射活动有明显的抑制作用,随着围压的增大,盐岩变形破坏过程中声发射活动逐渐减少,且在此过程中可以发现：在应力加载初期,盐岩分形维数快速下降时所对应的应力百分比逐渐增大,在应力加载后期,当盐岩分形维数不再明显减小时对应的应力百分比逐渐增大;在盐岩变形破坏的加载初期,损伤变量较小,能量释放较少;盐岩变形破坏前损伤变量增加较快,能量快速释放。     

煤岩两体模型变形破坏数值模拟

采用拉格朗日元法,在弹性岩石与弹性-应变软化煤体所构成的平面应变两体模型的上、下端面上不存在水平方向摩擦力条件下,模拟了模型的破坏过程、岩石高度对模型及煤体全程应力-应变曲线、煤体变形速率、煤体破坏模式及剪切应变增量分布的影响。结果表明,当模型的全程应力-应变曲线达到峰值时煤体内部的剪切带图案已经十分明显,在模型的应变硬化阶段,煤体中的应变局部化可视为模型失稳破坏的前兆,随岩石高度的增加,模型应力-应变曲线的软化段变得陡峭,这与单轴压缩条件下的解析解在定性上是一致的;煤体应力-应变曲线的软化段变得平缓,煤体消耗能量的能力增强;弹性阶段煤体的变形速率降低;煤体内部的剪切应变增量增加。煤体应力-应变曲线的软化段的斜率、弹性阶段煤体的变形速率、煤体内部的剪切应变增量及塑性耗散能都受岩石高度的影响,说明了岩石几何尺寸对煤体的影响(煤岩相互作用)是不容忽视的。