不同含水状态砂岩分级循环荷载试验研究

为探究不同含水状态砂岩在循环荷载作用下的力学行为差异,对干燥、天然以及饱和三种含水状态下的砂岩进行了单轴分级循环加卸载试验。研究结果表明:由于水对砂岩的物理化学软化作用,饱水、天然以及干燥状态下的强度依次递减,而变形依次增加;卸载模量随着循环周次的增加呈先增大后减小的整体趋势,同一循环周次下,含水量越高,其卸载模量越小;体积应变开始出现拐点时的循环周次正好与卸载模量转折点所处的加卸载周次相对应;能量值随循环周次的增加均呈幂函数型增长,同一循环周次下,含水率越高的砂岩各项能量值越大;基于能量耗散的损伤定义表明:砂岩初始损伤值不为零,且均经历了一个先减小后增大的损伤演化过程,相同循环周次下,饱和、天然以及干燥砂岩的损伤量依次增大。     

三轴疲劳-卸围压条件下大理岩力学特性试验研究

为了揭示应力扰动和卸载围压作用下大理岩损伤破裂的物理过程和非线性力学行为,采用GCTS RTR-2000伺服加载岩石力学试验机进行了岩石疲劳卸围压试验,同时对破坏试样进行了压后裂纹形态CT扫描可视化分析。结果表明：周期性的加卸载作用对大理岩起到了主因损伤作用,卸围压的作用对大理岩起到了根本性的破坏作用。岩石疲劳循环形成滞回环,滞回环面积由疏变密,滞回环加载和卸载曲线接近重合,加卸载模量近似相等;岩石经过卸围压作用,岩石的轴向、径向和体积应变表现为不同程度增大,表明应变对围压降低具有强敏感性,敏感程度由高到低依次为体积应变、径向应变和轴向应变;由于疲劳循环的影响,卸围压作用产生的围压降幅随循环次数增多而降低,卸围压时长随循环次数增多而减少;量化宏观应变变形,求得应变损伤指数 、 、 ,疲劳循环次数越多,应变损伤指数越大;岩石破坏后细观CT扫描揭示了疲劳循环损伤对岩石破裂形态影响的内在机制。随疲劳循环次数的增加,裂纹密度和规模显著增加。研究成果可为地下工程疲劳活动规律和开挖卸荷问题提供理论和模型支撑。     

三轴疲劳-卸围压条件下大理岩力学特性试验研究

为了揭示应力扰动和卸载围压作用下大理岩损伤破裂的物理过程和非线性力学行为,采用GCTS RTR-2000伺服加载岩石力学试验机进行了岩石疲劳卸围压试验,同时对破坏试样进行了压后裂纹形态CT扫描可视化分析。结果表明：周期性的加卸载作用对大理岩起到了主因损伤作用,卸围压的作用对大理岩起到了根本性的破坏作用。岩石疲劳循环形成滞回环,滞回环面积由疏变密,滞回环加载和卸载曲线接近重合,加卸载模量近似相等;岩石经过卸围压作用,岩石的轴向、径向和体积应变表现为不同程度增大,表明应变对围压降低具有强敏感性,敏感程度由高到低依次为体积应变、径向应变和轴向应变;由于疲劳循环的影响,卸围压作用产生的围压降幅随循环次数增多而降低,卸围压时长随循环次数增多而减少;量化宏观应变变形,求得应变损伤指数Da,Dr和Dv,疲劳循环次数越多,应变损伤指数越大;岩石破坏后细观CT扫描揭示了疲劳循环损伤对岩石破裂形态影响的内在机制,随疲劳循环次数的增加裂纹密度和规模显著增加。研究成果可为地下工程疲劳活动规律和开挖卸荷问题提供理论和模型支撑。     

盐岩循环加卸载过程中的速率效应试验研究

作为一种典型软岩,盐岩力学特性的时间相关性显著,准确预测和评估盐穴储气库加卸载过程中的变形损伤能力,关系到能源储备库的长期安全稳定运行。为研究盐岩的速率效应,进行了不同加卸载速率的疲劳试验。基于现有蠕变本构模型,构建了速率效应方程,区分了加卸载过程中的蠕变塑性变形与加载塑性变形。研究结果表明：（1）盐岩的整体疲劳寿命、稳定变形阶段（即第2阶段）疲劳寿命占比基本随加卸载速率的增大而增大。（2）减速变形阶段（即第1阶段）疲劳寿命占比、稳定变形阶段平均残余应变基本随加卸载速率增大而减小。（3）速率耦合疲劳试验中,加卸载速率越大,残余应变越小,蠕变塑性变形随加卸载速率的增大而减小,当加卸载速率由0.04 kN/s增加至5 kN/s时,蠕变塑性变形在循环中的占比由85%下降至36%,呈现出负指数的关系。（4）整个循环加卸载过程中,加载塑性变形、蠕变塑性变形均呈现U型发展趋势,与盐岩疲劳过程的三阶段相对应。该研究结果可以为进一步分析盐岩蠕变塑性与加载塑性奠定基础。     

饱和黄土卸载特性影响因素研究

黄土边坡开挖过程中常遇到边坡发生变形甚至破坏的情况,不同的开挖速率导致边坡的变形特征也不相同。通过饱和黄土的卸载三轴试验,研究固结围压及卸载速率对卸载状态下饱和黄土的应力-应变特性、孔隙水压力的发展及应力路径的影响。试验表明,固结围压越大,土体破坏所需的偏应力越大,抗剪强度越大;卸载速率越大,对应的偏应力峰值越大,抗剪强度越大。卸载速率相同时,土体卸载初期的超静孔压为负值,增大至正值后孔压的增长速率在其增大过程中逐渐减小;固结围压越大,土样剪切过程中对应的孔隙水压力越大。卸载三轴试验中,土体均表现为应变软化的特性;饱和黄土破坏时的应变均为1%~3%,且固结围压越高,破坏时的应变越小。固结围压相同时,卸载速率越大,孔压增长速率越快,但孔隙水压力值越小。     

真三轴循环主应力作用下砂岩能量演化规律

为了探究真三轴主应力循环加卸载对砂岩能量积聚与耗散的影响,利用自主研发的真三轴扰动卸荷岩石测试系统进行了3个主应力循环加卸载试验。基于真三轴循环加卸载应力-应变演化规律与加卸载特征,划分了主应力循环加卸载试验中加载、卸载的种类;通过对三向主应力循环加卸载过后岩体表面裂纹对比分析,发现最小主应循环对岩体产生损伤最大,中间主应力次之,最大主应产生损伤最小;利用图形面积积分法与叠加法分别计算了真三轴循环加卸载的弹性能密度、耗散能密度与输入能密度,分析了三者随主应力次数增加的演化规律与加卸载过程中的能量分配;利用真三轴同时加卸载试验,验证了上述提出的能量分析方法的合理性与准确性,对其3个主应力方向卸载释放弹性能密度分析,发现循环加卸载产生的损伤对岩体储存弹性能密度影响较小。对比了3个主应力卸载对砂岩损伤与能量耗散的影响,对巷道掘进方向进行了进一步讨论。     

循环荷载作用下正融粉质黏土强度特征与滞回环演化规律

季冻区路基春融过程中,特别是反复循环荷载作用下,极易造成承载能力显著降低、翻浆冒泥等灾害现象,但是目前对季冻区路基的研究大多数都停留在冻结土和经历冻融循环后全融土阶段,正融土的研究比较少。本文对正融粉质黏土进行了不同融化温度、冻结负温、含水率以及围压下的三轴单调加载和循环加卸载试验,研究发现经历循环加卸载的试样强度较单调加载绝大多数均有降低,每次循环会对试样造成一定的损伤;峰值强度随含水率的增大、围压减小而下降显著,主要由于试样顶端融化时存在大量水分和围压的约束作用造成;冻结负温和融化温度影响了融化速率,温度越低,前期强度越高,随时间推移影响减弱;用滞回环回弹模量定义了损伤变量,发现损伤变量与循环次数呈正相关;不同因素影响下,损伤变量的增长区别在于损伤快速发展和缓慢发展时对应循环次数上的差异;基于滞回环面积定义了耗散能,而损伤变量与耗散能却存在一定此消彼长的相关性。     

节理岩体弹塑黏性疲劳本构模型研究

在疲劳荷载作用下节理岩体具有明显的瞬时塑性应变,有必要研究考虑瞬时塑性的节理岩体疲劳本构模型。提出节理塑性疲劳元件和双触发非线性黏性疲劳组合元件,假定节理塑性应力与应变成幂函数关系,加速疲劳应变为二阶非线性黏性应变。通过并联圣维南体改进伯格斯疲劳模型模拟稳定疲劳。在此基础上,提出并验证了一种新的节理岩体弹塑黏性疲劳本构模型。研究表明:该模型能较好地模拟完整岩石、节理岩体试验疲劳应变。该模型可以较好模拟疲劳加载条件下节理岩体稳定疲劳曲线,也可以较好模拟节理岩体非稳定疲劳的瞬时弹性和瞬时塑性应变、减速疲劳阶段应变、等速疲劳阶段与加速疲劳阶段应变。该模型拟合结果表明:节理岩体的疲劳瞬时塑性应变在疲劳瞬时应变中占较大比例,不能忽略其对疲劳应变的影响。该研究结果对预测节理岩体工程的疲劳变形和疲劳稳定性具有参考价值。     

加锚贯通节理岩体宏细观剪切破坏特性

为了研究加锚贯通节理岩体的剪切破坏特性,根据室内实验及数值模拟软件PFC2D,分析了不同法向应力及不同锚固角度作用下,加锚贯通节理岩体的抗剪性能及内部细观裂纹的演变过程。研究表明:（1）随着锚固倾角的增加,加锚节理岩体抗剪强度呈现先增大后减小的趋势,且在锚固角度为60°时,其抗剪强度最大,锚固效果最好。随着法向应力越大,加锚节理岩体抗剪强度越高,其抗剪性能越好。（2）随着剪切位移的不断增加,由初期阶段在锚杆和节理附近产生的少量裂纹通过不断的向外扩展,最终在锚杆和节理交界处聚集了大量的裂纹,其中裂纹以张拉裂纹为主。（3）锚固角度及法向应力对裂纹扩展影响显著,随着法向应力的增加,裂纹数也呈现了增加的趋势,且岩体破坏越严重。随着锚固角度的变化,加锚节理岩体破坏时形成的裂纹数量有先减小后增大的趋势,且在锚固角度为60°时,产生的裂纹最少。     

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。     

饱水和天然状态下页岩滞后效应及阻尼特性研究

运用RLW-2000型微机伺服岩石三轴试验机,对饱水状态和天然状态页岩在不同围压下进行三轴循环加卸载试验,分析了两种含水状态页岩的力学特性和滞后效应,并基于能量原理讨论了阻尼比演化规律。试验结果表明：随循环次数增加,累积残余应变逐渐增加,相对残余应变先降低,后趋于稳定区域,直至破坏前急剧增加;饱水页岩的加卸载变形模量均比天然页岩小,加载变形模量整体比卸载变形模量小;在加载和卸载阶段,均出现应变始终滞后于应力的现象;饱水页岩的滞后效应比天然页岩更明显。提出了考虑滞后效应的能量计算方法,较以往能量计算的误差更小。最后基于能量原理对阻尼比的计算公式进行修正,发现饱水页岩的阻尼比比天然页岩大。阻尼比的变化较好地反映了页岩损伤机制,可作为预判页岩失稳破坏的重要指标。     

含预制节理岩体卸荷条件下力学特性试验研究

节理对卸荷条件下岩体的力学性质有重要影响。通过含2条不同间距预制断续节理岩体的三轴卸荷破坏试验,研究了节理岩体在卸荷应力条件下的应力-应变特征、强度、变形特征、破坏规律及节理间距对岩体力学性质的影响。研究表明：相比于完整岩体,节理岩体卸荷破坏时从峰值强度跌落至残余强度过程中轴向应变较大,为完整岩体的3～4倍,岩体破坏时极限强度明显低于完整岩体,脆性特征不如完整岩体明显;节理岩体卸荷破坏时,变形模量有较大幅度的降低,其降低程度是同条件下完整岩体的6～7倍,节理间距越大,变形模量降低程度越大;与含预制节理岩样三轴加载试验结果相比,节理岩体卸荷条件下破坏程度更为强烈,除剪切破裂面外,沿最大主应力方向分布的不同级别的张性裂隙非常发育,预制节理的间距对岩体破坏形态影响不大。     

峰前卸荷对节理岩体力学特性影响试验研究

实际工程中,岩体的应力变化状态非常复杂,并不只是简单的加载或者卸荷,如水利工程中的大坝,当坝基开挖时其力学条件主要表现为开挖方向的卸荷(其他方向有可能卸荷,也有可能加载),而坝体修筑以后,力学条件又主要表现为加载。因此,对卸荷损伤后的岩体再次加载时的力学性质进行研究具有十分重要的工程意义。通过三轴卸荷及卸荷损伤后加载破坏试验,研究了不同围压下,含断续预制节理岩体经过不同程度卸荷损伤后再次加载时的力学特性。研究结果表明:围压对于含断续节理岩体变形模量影响不明显,岩体弹性模量与围压没有明显关系,相同围压下节理岩体弹性模量和变形模量均显著低于完整岩体:节理岩样峰值应变随着围压的增大线性增大,二者之间有较好的相关性,相比于完整岩样,节理岩体峰值应变随围压增大增长更快:围压越低,卸荷对岩体强度的影响越大,随着围压增加,卸荷量不同造成岩样的损伤差异逐渐减小。     

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。     

岩石高边坡开挖卸荷松弛准则研究与工程应用

基于对卸荷松弛过程和机制的定性分析,提出了以岩石极限拉应变作为卸荷松弛的判别准则。通过对岩石极限拉应变室内试验资料与其抗拉强度之间关系的分析,并结合小湾工程卸荷松弛分析的成功实践经验,提出了极限拉应变值的取值原则,并明确了岩石边坡开挖后实际拉应变的计算方法。运用三维弹黏塑性加锚节理岩体流变模型,将该准则和计算方法应用于锦屏一级拱坝建基面开挖卸荷松弛的数值分析中,通过与实际开挖揭示和声波测试资料的对比,结果表明分析结果较为合理,为工程建设提供了有益的指导     

浸水-循环加卸载条件下压实膨胀岩的变形特征

膨胀岩的体积变形具有明显的水-力路径效应,为了研究浸水-循环加卸载条件下压实膨胀岩的变形特征,以延吉膨胀岩为研究对象,开展了不同初始含水率试样的一维膨胀-循环压缩试验。根据试样浸水膨胀后的压缩-回弹曲线,确定了压缩指数、回弹指数以及二者之差,并引入累积总变形率和累积残余变形率的概念来表征其在循环加卸载条件下的变形特征。结果表明:膨胀率与初始含水率具有显著的线性负相关关系;随着循环次数增加,加、卸载曲线越来越平缓,卸载-再加载滞回环面积逐渐减小,试样的压缩指数、回弹指数以及二者之差均呈逐渐减小的趋势,单次循环产生的总变形和残余变形逐渐减小,累积总变形和累积残余变形先增加后逐渐趋于稳定;初始含水率越小的试样,压缩指数和回弹指数越大,累积总变形和累积残余变形越大;循环加卸载过程对不同初始含水率试样的力学性质有强化和同化作用。     

多级循环荷载下饱和岩石的弹塑性响应

根据流体饱和的大理岩和砂岩的多级循环荷载试验,利用内时理论模型,分析了流体饱和岩石的弹塑性响应。在多级循环荷载过程中,岩石的应力-应变关系呈现尖叶状的滞后回线,滞后回线随着循环次数的增加向应变增大的方向移动,并不断地产生弹塑性应变。分析表明,多级循环荷载过程中,塑性应变相对于弹性应变而言是比较小的,而且随着循环数的增加,产生的塑性应变占整个应变总量的比例越来越小。黏弹性和微塑性分量分别通过时间和振幅因素影响了岩石的刚度,在中等应变范围内微塑性分量的存在使得饱和大理岩和砂岩的滞后模量随着应变振幅的增加而减小,而且孔隙流体的类型对岩石的滞后模量有影响。石油饱和岩石的滞后模量比水饱和岩石的滞后模量要大,这可能与孔隙流体的黏滞性有很大的关系。     

岩石节理分级剪切加载-蠕变-卸载的能量与变形特征

为分析岩石节理在剪切加载-蠕变-卸载下的能量演化与变形特征,利用GCTS（RDS?200型）岩石剪切测试系统对人工劈裂岩石节理进行分级剪切加载-蠕变-卸载试验。结果表明：在法向应力小于6.5 MPa和大于7.8 MPa时,滞回环面积与循环级数分别符合线性和指数关系;总变形能和弹性变形能与法向应力呈正相关,与循环级数呈指数关系;塑性变形能与循环级数和法向载荷呈正相关。各级剪切应力加载终止时的剪切位移外包络线与直剪应力-位移曲线变化趋势相同,具有加速上升段、匀速上升段和匀速下降段;累积剪切塑性变形随循环级数增加而增大,但增大速率逐渐变慢;各级剪切加、卸载曲线均能以剪切滑移点为界分为两个阶段;剪切失稳前,加、卸载阶段的法向位移-剪切应力曲线出现在上一循环前方,循环剪切加载和（或）蠕变结束时的累积法向变形出现从增加到减小的现象。     

法向卸荷下贯通裂隙岩样压剪破坏特征研究

开展贯通裂隙岩样在法向卸荷下的压剪破坏研究,有助于更好地理解岩体裂隙在卸荷条件下的失稳特征。对单裂隙贯通岩样开展剪切应力峰前一系列法向卸荷破坏试验,分析了法向卸荷下试样裂隙的变形及能量演化规律。结果表明,法向卸荷下裂隙压剪失稳时的法向应力大于常规直剪试验的对应值,裂隙的抗剪能力减弱;剪切位移随法向应力减小而增大;卸荷变形比K随裂隙轮廓面积比Rs的增加而增大;卸荷过程中总变形能U0由减小转变为增加的现象可用于预测岩石裂隙卸荷失稳。研究结果对理解贯通裂隙岩体压剪卸荷失稳破坏具有一定参考意义。     

On the role of pre-existing discontinuities on the micromechanical behavior of confined rock samples: a numerical study

The deformation process and failure mechanism of rock mass with increased density of initial joints subjected to confined stress state are investigated in this study using discrete element method (DEM). A numerical model of standard size granite samples is developed and validated using experimental data for both intact and jointed rocks. The micro-parameters of the rock material are first determined, and the effects of the rock discontinuity on strength, deformability, stress–strain relationship, and failure modes are then investigated at the macro-scale level. Analyses are also performed to examine the tensile and shear crack distributions, fragmentation characteristics, particle kinematics, and energy dissipation to advance the current understanding of the deformation processes and failure mechanisms of jointed rock masses. The microscopic evolutions in the fabric and force anisotropy during loading and distributions of contact forces provide insights into the influence of increasing initial jointing on the macroscopic deformational behavior of the rock. The results show how the deceleration in the growth of fabric and contact force anisotropies develops and confirms that the increase in initial jointing and the associated changes in microstructure can restrain the development of anisotropy, thereby reducing significantly the strength of the rock samples.