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。     

土工膜-土工布界面动力剪切特性试验研究

糙面土工膜（GMX）和无纺土工布（GT）是垃圾填埋场中周边衬垫系统的重要组成部分,其界面特性对于整体填埋场的稳定性尤为重要。但是,目前对GMX-GT界面的动力剪切特性研究较少。为此,利用大型直剪仪,开展了一系列全饱和条件及干燥条件下GMX-GT界面的循环剪切试验,主要研究了竖向应力、位移幅值和循环次数等对GMX-GT界面动力剪切特性的影响,并对比分析了全饱和及干燥两种条件下GMX-GT界面动力剪切特性的差异。研究结果表明,随着位移幅值的增加,GMX-GT界面呈现出由剪切硬化向剪切软化转变的特性。循环剪切作用使得界面的内摩擦角随着位移幅值的增加而增大。GMX-GT界面主要表现为剪缩特性,且总剪缩量随竖向应力、位移幅值和循环次数的增加而增加。剪切刚度随竖向应力和循环次数的增大而增大,随位移幅值的增大而减小。阻尼比随位移幅值的增大而增大,随循环次数的增加而减小,说明位移幅值会增加GMX-GT界面的能量的耗散。GMX-GT界面在干燥条件下的破坏模式与饱和条件下的存在明显差异,干燥条件下GT内部的破坏更加显著,全饱和条件下GMX表面的破坏更加明显。     

高低温冻融循环条件下花岗岩力学性能试验研究

高低温冻融循环条件下岩石的力学特性是岩石力学与工程中的一个重要课题。通过试验研究了花岗岩在不同温度幅值的高低温冻融循环条件下,单轴抗压强度、弹性模量、峰值变形、应力-应变曲线随循环次数变化的规律,并基于Loland损伤力学模型,推导出岩石类材料损伤变量表达式,揭示了花岗岩力学性能劣化与循环次数、循环温度幅值的关系,为高低温冻融循环条件下岩石力学性能的研究提供一定的试验、理论基础     

石灰岩和砂岩高温力学特性的试验研究

利用自行研制的岩石加温装置和RMT-150C岩石力学试验机, 对石灰岩和砂岩试样高温后的力学特性进行了试验研究。试验结果表明, 随着温度升高, 两种岩石纵波波速逐渐减小。单轴压缩过程中的全程应力应变曲线经历了压密、弹性、屈服、破坏4个阶段; 达到峰值应力后两种岩石均发生脆性破坏, 砂岩破坏时呈锥形炸裂, 而石灰岩则呈草捆状破坏。高温对两种岩石的强度都有一定的弱化作用, 其峰值应力都随温度升高而降低, 石灰岩700 ℃时强度降幅达84.59 %, 而砂岩强度仅比常温降低22 %左右。两种岩石的峰值应变都随温度升高逐渐增大, 但具体表现不尽相同, 石灰岩500 ℃时应变增加了30.57 %, 500 ℃之后峰值应变基本无变化, 甚至到700 ℃时还略有降低; 砂岩700 ℃时峰值应变增加了80.63 %, 其峰值应变的变化与其微观结构变化相关。随着温度升高, 两种岩石的弹性模量和变形模量均减小, 700 ℃时石灰岩弹性模量降幅为86.8 %, 砂岩弹性模量降幅为46.94 %; 700 ℃时石灰岩变形模量下降了83.9 %, 砂岩的变形模量下降了53.06 %。      

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。     

干湿循环作用下砂岩力学特性及其本构模型的神经网络模拟

基于不同干湿循环作用下砂岩单轴压缩试验结果,分析了干湿循环效应对砂岩变形、强度、破坏特征等力学特性的影响规律,认为随着干湿循环次数的增加,弹性模量及峰值强度均有降低的趋势,降低幅度先大后小,而且会以某一具体值为临界值发展变化,就本次试验而言为干湿循环20次时的抗压强度和弹性模量值;砂岩的破坏特征亦会受到干湿循环试验次数的影响,干湿次数越少,脆性破坏越明显,反之则延性特征增强,即砂岩会呈现一种从脆性到延性转化的破坏规律。以应变和干湿试验次数为输入层,应力为输出层,构建了2-12-1的三层神经网络本构模型。通过样本的学习与检验,证明该模型能较好地描述干湿循环作用下砂岩的力学性能,验证了利用神经网络方法建立岩石本构模型的可行性与可靠性。基于预测结果,建立了完整的考虑干湿循环效应的砂岩力学特性变化规律的数学函数关系式。     

板裂体组合条件下岩爆倾向性分析

针对已有突变理论仅对单块板裂岩体进行分析的局限性,提出将板裂化岩体作为整体进行研究,考虑了劈裂岩体间的水平应力,改进了突变理论模型在岩爆分析中的应用,并分别计算对比了单块岩板及板裂岩板组合在准静力及动力扰动两种条件下的岩爆倾向性。研究结果表明,准静力条件下单块岩板突变特征值?变化趋势平缓,而组合岩体由于等效抗弯刚度较大,? 急剧增大;准静力条件下岩板组合的岩爆深度明显大于单块岩板时,岩爆深度达到0.76 m;随岩板厚度增加,突变特征值?逐渐增大,不再满足岩爆的充分条件,施加竖向扰动应力即可重新满足突变条件,所需外界扰动应力由几兆帕增大至几十兆帕。     

万福煤矿不同含水率砂岩蠕变力学特性试验研究

为研究深部巷道围岩在地下水作用下的长期蠕变力学特性,采用自主研制的深部软岩五联流变试验系统,开展不同含水率(0%、0.8%、1.6%、2.4%、3.3%)下砂岩吸水软化单轴压缩试验及单轴蠕变试验。通过试验结果研究表明：砂岩的单轴抗压强度、弹性模量和蠕变破坏应力与含水率呈指数下降关系,蠕变破坏应力与单轴抗压强度的比值在0.76～0.84之间;砂岩衰减蠕变阶段时间随着含水率的增加而减少,随应力水平的增加而增加。径向应变比轴向应变先进入稳态蠕变阶段,破坏应力下径向应变的加速蠕变阶段开始时间要先于轴向应变;基于稳态蠕变速率曲线确定了砂岩的长期强度,径向稳态蠕变速率确定的值略小于轴向,长期强度与含水率之间满足负指数关系;将蠕变试验中径向应变与轴向应变之比定义为μ_c,提出了基于μ_c值的岩石长期强度确定方法且μ_c值与含水率无关,对于本次砂岩样品可以认为μ_c值大于0.3时样品会在一定时间内发生加速蠕变破坏;随着含水率的增加,样品破坏形态由单斜面剪切破坏逐渐演变至X状共轭斜面剪切破坏。研究结果为地下水作用下巷道长期稳...     

砂岩单轴压缩与干湿循环耦合损伤试验研究

设计并进行了不同干湿循环次数下的砂岩单轴压缩试验,得到试验应力-应变曲线。观察对比各组曲线的各阶段特征,分析干湿循环作用对砂岩的变形破坏和力学性能的影响规律,发现干湿循环交替过程导致砂岩试件单轴抗压强度和弹性模量均显著降低并逐渐趋于一个定值,破坏特征则由脆性向脆—延性转变,砂岩受到了不可逆的渐进损伤作用。建立了单轴压缩与干湿循环耦合作用的随机损伤力学模型,推导出随机损伤力学本构关系表达式,拟合出理论曲线并与试验曲线进行对比分析,证明该模型能较好地反映干湿循环作用下砂岩的力学特性曲线。     

峰前循环剪切作用下岩石节理剪切力学特性

微震、工程爆破等低应力循环剪切荷载作用对节理岩体工程失稳破坏具有重要影响。为研究峰前循环剪切加卸载作用下岩石节理剪切力学特性,采用RDS-200型岩石节理剪切试验系统对人工劈裂黄砂岩节理进行了峰前循环剪切下的直剪试验。通过与未进行峰前循环剪切加卸载时岩石节理力学参数预测值对比,得到峰前循环剪切加卸载作用对峰前剪切刚度、峰值剪切强度、峰值剪切位移与残余剪切强度的影响。结果表明：（1）峰前循环剪切加卸载后,当法向应力为2 MPa时,岩石节理峰前剪切刚度增大,当法向应力为4～10 MPa时,岩石节理峰前剪切刚度在循环剪切应力幅值范围内增大,在超出循环剪切应力幅值时减小;（2）峰前循环剪切加卸载后,峰值剪切强度降低了10%～20%,降低百分比随法向应力增大整体呈对数函数增大;峰值剪切位移增加了2%～40%,增加百分比随法向应力增大整体呈对数函数减小;（3）峰前循环剪切加卸载后,岩石节理残余剪切强度无明显变化,峰值剪切强度与残余剪切强度差值减小,峰后剪切应力做功损失百分比降低。     

分级循环荷载下岩石动力学行为试验研究

利用WDT-1500多功能材料试验机,对砂岩、砾岩和砂砾岩进行了分级循环荷载试验,研究了岩石的动弹性模量对应力幅值和应力水平的响应特性,得到了动弹性模量和耗散能随应力幅值、应力水平及含水率的变化规律。试验结果表明,分级循环荷载下岩石的能量耗散越多,动弹性模量越小;应力水平越高,动弹性模量和耗散能越大;含水率和应力幅值越大,动弹性模量越小,耗散能越大。讨论了邓肯-张模型能够描述分级循环荷载作用下岩石的应力-应变关系,构建了动弹性模量随应力水平、应力幅值及含水率变化的演化模型,探讨了模型参数的确定方法。根据能量耗散的经验法则,建立了耗散能演化模型,结果表明,该模型能够描述分级循环荷载过程中能量耗散行为。     

升温速率对高温作用后砂岩的宏细观性质影响

砂岩受到高温影响后,宏细观性质会发生不同程度的变化,400 ℃ 和1 000 ℃ 是砂岩宏细观性质变化的两个重要节点。为进一步研究升温速率对高温砂岩物理性质、力学特性以及内部微观破裂的影响,以350 ℃和 950 ℃为目标温度,开展了不同升温速率下砂岩的单轴压缩试验,单轴压缩全程采用声发射监测,采用扫描电镜分析了砂岩破坏后的细观形貌。研究结果表明：经不同升温速率处理后,350 ℃砂岩的质量、体积、密度以及纵波波速变化较小;950 ℃砂岩的质量、密度及纵波波速显著降低,体积明显增大,且升温速率越高变化率越小。350 ℃砂岩的应力−应变曲线、应力−体积应变曲线、抗压强度及弹性模量受升温速率的影响较小;950 ℃ 下砂岩试样应力−应变曲线随升温速率的增加向上偏移,抗压强度和弹性模量则先增加后达到恒定。350 ℃ 及 950 ℃砂岩的声发射振铃累计数都有随升温速率增大而减小的趋势,950 ℃ 下升温速率为1 ℃/min 时砂岩的振铃累计数最大,突发性声发射活动区域最多。对不同升温速率砂岩进行扫描电镜分析发现,升温速率对350 ℃ 砂岩的微观形貌影响较小,950 ℃ 砂岩试件则会随着升温速率的下降出现微裂纹和微孔隙数量增多、体积扩大的情况。     

分级循环荷载作用下冻土动应变幅值的试验研究

通过低温动三轴试验,采用分级加载方式逐级施加动荷载,对不同加载频率、围压和负温条件下青藏冻结黏土和兰州黄土的动应变幅值变化特征进行了试验研究。结果表明,同一级荷载作用下,动应变幅值随振次的增加基本不变,可以采用平均值来反映各级加载下的动应变幅值;不同加载频率、围压和温度条件下,动应变幅值随动应力幅值的变化规律相同,即随着动应力幅值的增加,动应变幅值逐渐增大;动应变幅值随加载频率的增加而减小,但减小的速率逐渐降低,动应变幅值最终趋于一稳定值,对于青藏黏土和兰州黄土,该稳定值均随加载级数的增加而增加;随着围压的增加,青藏黏土的动应变幅值变化不大,而兰州黄土的动应变幅值呈逐渐减小的趋势;动应变幅值随温度的降低而减小。动应力幅值对动应变幅值的影响最大,动荷载振动频率的影响次之,温度的影响第三,围压的影响最小。     

受振动荷载扰动裂隙性黄土单轴压缩力学行为研究

通过振动及单轴压缩试验,研究了受振动荷载扰动裂隙性黄土的单轴压缩力学行为。结果表明：裂隙性黄土的单轴压缩破坏模式表现为压裂破坏、滑移破坏、滑移-压裂复合破坏以及压剪破坏4种类型;振动扰动对单轴压缩条件下裂隙性黄土的破坏模式无显著影响,其破坏模式主要由初始裂隙的倾角控制。振动幅值和频率对裂隙性黄土应力-应变曲线的类型及特征无显著影响,不同振动参数条件下试样的应力-应变曲线均表现为应变软化型,且45°倾角试样的应力-应变曲线呈现出第二峰值强度高于第一峰值强度的“双峰”变化特征。单轴抗压强度随振动幅值和频率的增大均呈现出近似线性减小的变化规律;不同振动参数条件下试样单轴抗压强度随裂隙倾角增大近似呈现出“双V”变化特征。构建了受振动荷载扰动裂隙性黄土的二元介质本构模型,可较好预测其单轴压缩过程的应力-应变关系及单轴抗压强度。     

高埋深储层膏质泥岩蠕变力学特性试验研究

泥岩作为油气储层常见复杂介质,深部高温、高压环境下蠕变力学特性异常复杂,是引起套管损伤破坏的重要因素。以深部油气藏工程含膏质泥岩为研究对象;分别开展了温度为130℃、围压为30 MPa作用下三轴压缩和不同应力水平的三轴蠕变试验,结果表明,该泥岩呈非均质性不明显、具有较大塑性压缩和延性扩容变形、峰值强度略低等软岩力学特性;且轴向和侧向峰值应变达1.5%,峰值强度为74 MPa。泥岩力学特性表现出明显的时间效应,蠕变应力阀值较低;应力和持时对蠕变特性存在显著影响,低应力、长时间作用下泥岩亦呈现显著的稳态蠕变和加速蠕变破坏;且加速蠕变起始时间随应力增加呈指数降低关系;探讨了泥岩强度损伤和加速蠕变特性,认为泥岩内部蠕变损伤变量可用指数函数予以描述,且加速蠕变变形为应力与时间的二元指数函数。相关成果旨在为深部泥岩油气藏套管工程长期稳定分析及蠕变模型构建提供可靠的依据。     

温度和有效应力对砂岩渗透性影响的试验研究

为探讨温度和有效应力对渗透性的影响,在不同温度水平和不同有效应力水平下进行了砂岩的渗透率试验。根据试验结果,初步分析了温度和有效应力对砂岩渗透率及其水力传导系数的影响。试验结果表明,砂岩的渗透率及其水力传导系数都是温度和有效应力的函数:在温度一定的条件下,砂岩的渗透率和水力传导系数均随有效应力的增加而呈负指数规律减小;在有效应力一定的条件下,砂岩的渗透率随温度的升高而减小,但水力传导系数与温度之间的关系函数并非单调函数。因此,在工程实践中不考虑温度和有效应力对岩石 (体)渗透性的影响是不合适的。      

循环冻融对冻土路基护坡块石物理力学特性的影响

选用铺设于青藏铁路护坡、护道的碎屑岩、泥岩和砂岩3种岩石进行循环冻融试验。研究了在循环冻融条件下的破坏方式,并通过RSM-SY5数字声波仪对岩石进行超声波无损检测;根据不同冻融周期超声波波速变化,计算分析了循环冻融对岩石物理力学特性的影响;通过单轴压缩试验,得到岩石抗压强度随循环冻融次数变化的规律。研究结果表明：3种岩石在循环冻融条件下具有不同的表观破坏方式,碎屑岩破坏最严重,表面不同程度地出现了轴向和环向裂纹;其次是泥岩,一条近似“几”字型的裂纹出现在泥岩表面,且裂纹发展较快;砂岩表观破坏最轻微,仅有1条细而短的裂隙发育在表面;在30个循环冻融周期内,泥岩和砂岩几乎无质量变化,而碎屑岩由于岩屑掉落而质量减轻不到1%;3种岩石的弹性模量、刚性模量、体积模量、泊松比等力学特性随着循环冻融次数增加而下降,且泊松比出现负值,揭示了循环冻融对岩石材料特性的深层次破坏;岩石抗压强度也随着循环冻融周期呈现下降趋势     

花岗岩高温-水冷循环作用下的试验研究

为了研究花岗岩在不同温度的多次高温-水冷循环作用下物理力学性质的损伤机制及演化规律,通过对花岗岩开展不同温度下高温-水冷循环试验、单轴抗压强度试验、超声波测试试验,分析研究了相关物理力学参数的变化规律,结果表明:(1)在相同温度作用下,随着高温-水冷循环次数的增加导致岩样内部裂隙的萌生和扩展,表现为花岗岩试样质量损失率的逐渐增加,抗压强度和弹性模量先下降、后小幅上升、最后持续下降。(2)在相同高温-水冷循环次数下,随着温度的增加,花岗岩试样的质量损失不断增加,抗压强度与弹性模量呈持续下降趋势。(3)温度对花岗岩的纵波波速影响较大,随着温度的增加,波速快速下降波幅变得不稳定。(4)温度的升高和高温-水冷循环次数的增加都使花岗岩的损伤程度增大,损伤变量增加。(5)随着温度与高温-水冷循环次数的增加,试样逐渐软化,单轴压缩破坏模式从张拉劈裂破坏向锥形剪切破坏过渡,破坏时表面的裂缝数逐渐增加,400℃之后出现树状裂缝并逐渐贯穿整个表面。可见花岗岩的物理力学性质在高温-水冷循环作用后将发生严重的劣化。     

不同饱水度花岗岩的真三轴岩爆试验研究

利用真三轴岩爆试验系统,开展了不同饱水度红色粗晶花岗岩的岩爆试验,分析了不同饱水度下岩爆破坏岩样的强度与变形特征、破坏与弹射特征、声发射特性等,探讨了岩石饱水度与岩爆弹射动能的定量关系以及水对岩爆的影响机制。研究结果表明：（1）当岩样的相对饱水度超过0.3,其峰值应力和屈服应力较天然状态的明显降低;（2）岩样饱水度的增加使得岩爆过程中小颗粒弹射减少、小岩片剥落增多、岩板外鼓现象减弱,且岩爆坑体积减小、岩爆碎块的粒径分布由连续分布变为不连续分布;（3）随饱水度的增加,岩爆发生前夕声发射撞击数显著下降的平静期的总历时呈缩短趋势,岩爆发生时刻的声发射撞击数呈增大趋势,且累积绝对能量呈减小趋势、能量释放速度呈放缓趋势,表明岩样塑性破坏特性有所增强;（4）岩爆弹射动能随饱水度的增大而显著减小,二者呈单调线性的负相关关系,水对岩石的作用主要是软化和水楔作用,水的黏性也会对碎块弹射产生影响。     

水岩循环对变质砂岩微观结构损伤与宏观力学劣化影响机理研究

为研究水岩循环过程中变质砂岩矿物成分及微观结构变化对宏观物理力学参数弱化的影响,通过水岩循环试验,对变质砂岩微观矿物成分、结构在水岩循环过程中的演化机制及其与宏观物理力学参数相互关系开展了研究。研究结果表明,岩石各项物理力学指标随着水岩循环次数的增加而不断衰减,其衰减速率随循环次数增加而减缓。水岩循环后岩石抗压强度试验表明,应力-应变曲线中初始裂隙压密阶段随着循环次数的增加而出现并且变得明显,岩石试样破坏特征有随着循环次数的增加由剪切破坏向拉张破坏转变的趋势。结合XRD和SEM试验手段对矿物成分及微观孔隙平面面积的变化进行了统计,分析认为绿泥石、云母、斜长石等矿物的水化溶蚀作用以及微观孔隙的水化扩展,是造成岩石损伤的主要原因。因此,提出利用矿物成分劣化度D_m和微观结构劣化度D_c的概念来表达岩石水岩循环微观损伤量化指标,并建立了水岩循环作用下受矿物成分及微观结构影响下的岩石物理力学参数弱化的回归模型。该模型的提出能够为水岩循环下相关物理力学参数的选取提供参考。