断裂岩石蠕剪中的细观接触损伤试验研究

为深刻理解构成断裂岩体长期抗剪强度的细观机制,对岩石断裂面的细观接触和损伤演化进行了试验研究。采用压剪方式和巴西劈裂方式制作出两类断裂岩石,在恒定法向力作用下对破坏岩石试件进行分级施加剪切力的蠕变试验。在加载前、中、后对断裂岩石分别进行CT和激光扫描,观察到不同蠕变阶段断裂岩石的细观接触和损伤状态,获得不同性质的断裂岩石抗剪强度特征。试验研究表明：构成断裂岩石长期抗剪强度的机制主要有两个：一是细观凹凸啮合体的抗剪断能力;二是表观凹凸接触体的抗摩擦能力。拉破裂岩石表面局部粗糙度相对较大,抗剪强度以第1种破坏机制为主,剪切破坏岩石表面宏观起伏度较大,抗剪强度是以第2种破坏机制为主。在蠕变剪切过程中,两种机制交织在一起,并随时间或剪位移的增加而相互转换。     

千枚岩岩石微观破裂机理与断裂特征研究

岩石的宏观断裂与其内部微结构和微缺陷紧密相关,建立岩石微观破裂机理和宏观断裂之间更直观的联系是当今断裂力学的难题之一。本文以金沙江上游泥盆系中统中段的绢云母千枚岩与硅质板状千枚岩为研究对象,利用扫描电镜与力学试验等多种测试手段,通过对2种千枚岩岩石断口的微观形貌特征的研究,揭示了千枚岩岩石微观破裂形式、破裂机理与其矿物组成之间的联系。指出绢云母千枚岩岩石以沿晶面擦花的微观破裂形式为主,是典型的微观脆性剪断,而硅质板状千枚岩岩石既有沿晶断裂的拉断破裂,又存在切晶擦花的剪切微破裂形式,是属于拉、剪破裂并存的微观破裂机制。进一步结合岩石断裂的力学特征,分析千枚岩微观破裂与宏观断裂之间的联系。结果显示:千枚岩岩石在外力作用下的断裂形式与其微观破裂形式是可对应的。这一结论为建立起岩石微观破坏机制和宏观断裂特征的桥梁提供了依据,具有一定的理论意义。     

岩石脆性破裂断口的分形特征

系统总结了岩石脆性破裂断口分维的计算方法及其局限性,指出岩石脆性破裂断口的分形研究应在宏观和微观层次上进行,同时应注重考察断口分维参数的物理意义。断口结构特征是岩石动态破裂过程的静态反映,蕴含着岩石断裂机制的各种信息,分维可作为断口定量描述的参数。     

不同围压下深井煤岩短时蠕变试验的细观损伤机制分析

分析深井煤岩试验断口上矿物、结构、构造等的细观特征,追溯围压对其蠕变损伤机制的影响及调节作用,得到了围压分别为0、10和20 MPa的深井煤岩短时分级加载蠕变试验破坏断口的细观构造,分别对应解理断裂-节理裂隙、沿晶界断裂、沿晶界断裂-穿晶断裂。围压为0 MPa的单轴蠕变试验破坏断口,是煤岩受简单应力环境直接作用的结果,因此,其解理断裂和节理裂隙构造清晰、方向明确、内部新鲜且无夹杂。围压为10 MPa三轴蠕变破坏断口的沿晶界断裂间隙较宽、内部不干净、充填碎屑类夹杂,表明较强环向约束下的晶界较易于克服,且矿物结构以晶粒间的切向运动及力矩作用下的晶粒转动方式调整。围压为20 MPa的三轴蠕变试验,环向强约束使得晶界与晶粒的强度难以克服,最终破坏断口上的沿晶界断裂主要呈现弧形转动,穿晶断裂以剪切位移为主要特征,所以沿晶界断裂构造不太干净、内部充填围压先期作用时原生构造闭合后新产生的少量碎屑类夹杂,穿晶断裂间隙极小、新鲜、干净无夹杂。     

复杂应力条件下围岩破坏的细观特征研究

在地质环境下,岩石表现出众多复杂的工程特性和现象,且都与其内部微细结构的形态和变化有关。定量给出岩石细观结构特征参数并研究其与宏观力学作用之间的关系,能够进一步了解岩石的力学变形特性。对某水电站引水隧洞围岩大理岩试样破坏断裂断口采用电镜扫描,得到断口处的SEM大量信息,然后利用计算机图像处理分析技术,借助模式识别理论,以微细结构要素的信息提取和量化为主要的研究内容,探讨了岩石微细结构与宏观力学行为的关系。通过定量的岩石细观结构试验研究,从细观尺度了解岩石破坏机制具有重要意义,对分析和评价岩石的工程性质及其对工程建设的适应性也有着明显的现实性。     

断裂岩石细观破坏机理及三维接触损伤

以断裂岩体长期稳定性为研究背景,开展岩体断面细观接触演化和长期力学行为的研究,借助CT检测方法,研究断裂岩体双翼表面细观接触状态、接触损伤演化等影响岩体长期力学行为的特征以及断裂岩石蠕变过程中粗糙表面凹凸体磨损及亚表面微裂纹、微孔洞发展等表面接触损伤演化规律。CT图片得出剪切蠕变破碎岩石的多种失稳模式,这几种破坏模式共同存在于岩石断裂面的剪切蠕变过程中,并在断裂面不同位置交替出现。通过三维重构初步了解断裂岩石损伤过程中新生断面的形成过程:断裂面在剪切蠕变过程中微凸体附近易产生损伤形成空洞或初始裂隙,随后大量空洞和裂隙发展形成裂纹网络,裂纹网络贯通形成新断裂面。     

锦屏大理岩蠕变损伤演化细观力学特征的数值模拟研究

岩石的蠕变损伤和断裂是岩石流变效应的重要表现形式,但其损伤演化过程往往难以直观观测,为此,采用二维颗粒流数值模拟方法(PFC2D)对岩石的蠕变损伤和断裂的细观力学机制进行了分析。在锦屏大理岩室内试验基础上,利用颗粒流应力腐蚀模型(PSC),建立了能反映其短期和长期强度特征的柱状岩样数值模型,并开展了大量数值试验。结果表明,蠕变损伤的演化过程与暂态的损伤演化过程具有明显的差异。在岩样蠕变损伤过程中,其内部微裂纹多沿加载方向开裂且分布均匀,先快速增加再稳定扩展,最后则发生快速断裂。当荷载较小时,岩样宏观上呈现劈裂破坏特征,当荷载较大时,岩样呈现剪切破坏特征。在岩样蠕变损伤初始和稳定演化阶段的前期,荷载大小对岩样的损伤演化过程影响不大;在稳定演化阶段的后期至断裂过程中,低荷载下岩样的损伤增速比高荷载下快。     

不同粒径黄砂岩微观−宏观裂纹演化机制研究

为了探讨粒径对黄砂岩微观-宏观裂纹演化机制的影响,系统地开展了不同粒径黄砂岩单轴压缩声发射试验。基于声发射监测技术以及震源机制反演方法,对岩石变形破坏过程中微裂纹演化机制进行了研究,同时利用电镜扫描技术与几何分形理论,对破坏后的砂岩表面裂隙宏观形态及试件断口的微观形貌特征进行了分析。试验结果表明：粒径的大小、胶结物类型的不同均可影响岩石强度,通过室内试验得出随着黄砂岩粒径的逐渐增大,其峰值应力呈逐渐下降的变化趋势;对比不同粒径黄砂岩试件变形破坏过程中的声发射改进 b 值（ bI 值）与平均声发射能率,所有试件峰值破坏前平均声发射能率均存在“激增”与“激降”现象,且声发射 bI 值在砂岩试件达到峰值破坏时下降到最小值,该现象可以作为岩石的失稳破坏前兆特征;随着构岩矿物颗粒粒径的增大,岩石内部微裂纹的破坏模式由张拉型为主导向剪切型为主导进行转变;破坏后岩样表面宏观裂隙的分形维数随着岩石粒径的增加呈现下降的变化趋势,即粒径大小对岩石表面宏观裂隙演化过程具有一定控制作用。     

岩石材料微、细、宏观断裂机理尺度效应的分形研究

基于同一现场不同尺度的岩石材料,从大量三轴MTS试验岩石断口边痕、试样切割面或磨光面的节理痕迹和现场断裂迹线3个尺度层次,进行了岩石材料微、细、宏观断裂机理尺度效应的分形研究。提出圆与正方形相耦合的分形维数算法,探讨了其优越性并应用于岩石断裂的分形特征研究,得到岩石材料的微、细、宏观断裂机理存在无标度区域。在无标度区0.002 mm～4 000 mm内,岩石断裂构造的分布规律具有自相似性,是岩石材料的微、细、宏观断裂机理内在联系的外在反映,为跨越尺度界限研究岩石节理裂隙的破坏机理提供了可行途径。     

单轴压缩下岩石蠕变失稳破坏过程数值模拟

在岩石破裂过程分析（RFPA2D）系统的基础上,考虑岩石损伤过程的时间因素影响,引入岩石细观单元蠕变本构方程,建立了考虑流变效应的岩石破裂过程RFPA2D数值模型。应用该模型模拟了恒定荷载作用下岩石的蠕变破坏过程,得到了岩石蠕变破裂的3个典型阶段：初始蠕变阶段、稳定蠕变阶段和加速蠕变阶段,模拟结果同实验室试验所观察到的现象十分吻合。这表明考虑流变效应的RFPA2D数值模型适用于模拟岩石的蠕变破坏这一复杂的、非线性演化问题。此外,数值模拟还揭示了岩石的宏观蠕变破坏实质上是细观层次上单元损伤累计的结果,这些结论对岩石工程的长期稳定性研究具有重要的理论指导和实践意义。     

Experimental study on the instability mechanism of the major-defect fractured rock

Based on calculations of rock fracture surface and angle, incremental-load creep experiments were conducted on two groups of major-defect fractured rock specimens in an RLW-2000 rheology test system. The research investigated the fracture type and the creep properties of major-defect fractured rock and analyzed the relationships between failure load and horizontal or vertical projection distance, and between each of theme and fracture area or angle. The results showed that rock fracture was divided into three types according to the distribution, including I, II, and III types. I, II, and III types were respectively an internal fracture running through neither the upper nor lower end, one through the upper or lower end and one through both upper and lower ends, and a III type was further sub-divided into III_I and III_II types. The instantaneous strain was larger than the creep strain under the same creep loading stage. As the creep loading increased on two groups of major-defect fractured rock, the instantaneous strain decreased abruptly and then increased abruptly, while the creep strain decreased rapidly at first and later increased near-linearly. When the failure angle was larger than the friction angle, failure load was positively correlated with failure angle yet was negatively correlated with vertical projection distance. Vertical projection distance and fracture angle, which decided fracture type, controlled rock failure load. Failure load increased in turn from I type to III type, and low-type fracture determined mainly failure load in multiply-fracture specimen.     

泥页岩单轴抗压破裂特征及UCS影响因素

正确认识泥页岩单轴抗压破裂特征及UCS影响因素对探究泥页岩破裂机制、钻完井设计、压裂评价、微裂缝预测、测井解释及地震响应等方面均具有重要参考价值。本文在对国内外近些年有关泥页岩单轴抗压及UCS研究系统调研及近期研究成果全面分析基础上,对泥页岩破裂特征及UCS影响因素进行了综合分析。研究结果表明,泥页岩单轴加载曲线的非弹性段变形机制受微裂缝的滑动、新微裂缝的产生、扩展及孔隙坍塌的综合影响。泥页岩单轴抗压破裂呈张性或张剪性,张性破裂易发生于刚度较高、固结程度较强的部位;而剪性破裂易发生于刚度较低、固结程度较弱的部位。S型破裂准则可以较为准确的描述泥页岩从单轴到三轴发生破裂时所对应的强度变化。从地质学角度,对影响泥页岩UCS的因素进行了归纳,分别为矿物组成、层理面角度、分选性、微组构、有机质含量及分布、孔隙度、水分、微裂缝8方面因素,详细分析了不同影响因素的影响机制。在这些影响因素中,微裂缝由于分布特征复杂,其对泥页岩单轴抗压破裂及UCS的影响机制研究尚不深入。因此建议未来应加强泥页岩微裂缝参数的定量化研究,从微观尺度研究微裂缝对泥页岩单轴抗压破裂的具体影响机制,该研究可以为页岩油气勘探、开发提供科学指导。     

土蠕变性质及其模型研究综述与讨论

对土的蠕变性质及其本构模型研究进行了系统地总结,主要内容包括：时间和应力对土蠕变性质的影响、土蠕变破坏准则、蠕变势和塑性势关系、蠕变微观机制、宏观和微观本构模型等。此外,基于上述总结,提出了土等效变形过程的概念,探讨了土蠕变模型中时间效应的表述方式,提出了一种可加快土蠕变试验的方法。     

钙质砂一维蠕变分形破碎特性宏微观试验研究

钙质砂是远洋地区港口、机场和民用建筑等构筑物的天然地基材料。通过钙质砂一维压缩蠕变试验和微观结构测试,发现了蠕变前后表面孔隙面积减小且呈分散分布的规律以及试验过程中试样瞬时变形、快速变形和衰减变形特征与粒径的高度相关性;利用基于分形理论改进的相对颗粒破碎率和质量分形维数描述了蠕变前后颗粒破碎程度,得到了分形维数和蠕变与时间的衰减形态曲线关系以及宏观质量分形维数和微观表面分形维数的线性关系,并在此基础上对单一粒径组钙质砂蠕变过程中的分形破碎行为进行了多尺度分析和宏微观跨尺度关联性研究,获得了蠕变过程中颗粒破碎发展以及微观孔隙变化规律,证明了钙质砂蠕变过程中的颗粒重组排列、破碎和研磨行为,揭示了钙质砂蠕变机制。     

一种基于应变能理论的黏弹塑性蠕变本构模型

从内能角度分析发生蠕变的机制,基于应变能理论,采用Perzyna黏塑性理论与西原正夫元件模型相结合,建立了一种能描述衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变3个阶段全过程的蠕变统一本构模型。该模型考虑了应力状态对加速蠕变的影响,通过定义加速蠕变临界应变能密度值可以有效判断加速蠕变发生时刻,并在统一蠕变本构模型基础上进行简化,采用Drucker-Prager（D-P）屈服准则结合相关联流动法则,用过屈服应力比反映加速阶段蠕变应变速率变化,建立了一个实用的能预测加速蠕变并能反映蠕变3阶段全过程的简化蠕变本构模型,结果表明,数值模拟结果与试验数据基本吻合,研究成果为岩石蠕变断裂过程研究提供了一种新的思路。     

循环载荷下含水砂岩裂纹演化与损伤特征试验研究

基于矿井地下水库岩体频繁受到矿震、采动应力等循环荷载扰动这一工程背景,在实验室条件下开展了不同含水率砂岩单轴及循环加卸载试验,采用数字散斑技术,揭示了不同含水率砂岩裂纹扩展及破坏规律,基于电镜扫描微观分析,获得了循环载荷下不同含水砂岩微观劣化机制。试验结果表明：单轴及循环加卸载条件下,随着含水率增大,砂岩峰值强度均逐渐降低。干燥砂岩峰值轴向应变经历初始变形、等速变形、加速变形和失稳破坏4个阶段,含水砂岩经历初始变形、等速变形和失稳破坏3个阶段;随着含水率的增大,对应阶段内峰值轴向应变逐渐减小。通过变形率分析法验证发现,水对砂岩的变形记忆特性并无影响。单轴循环加卸载条件下,砂岩的破坏模式由干燥时的张拉−劈裂破坏逐渐向拉−剪混合破坏过渡,至饱和状态时呈现单一的剪切破坏。电镜扫描结果表明,随含水率增大,破裂结构面逐渐由光滑结构、浑圆状结构、片状结构向完全破碎结构过渡。随着含水率增大,绝对损伤参数不断增大,从侧面反映水岩耦合损伤的正相关性;累计损伤参数累积速率更快,同一循环周次下,累计损伤参数也更大。     

预加固高填方边坡滑动破坏的离心模型试验研究

2009年10月3日,攀枝花机场260×104 m3万方的高填方预加固边坡整体失稳,沿基覆界面下滑,并超覆于其下方的易家坪老滑坡之上,使易家坪老滑坡再次复活。这一填方边坡失稳事件最终导致机场停航两年。通过大型离心模型试验,再现了攀枝花机场预加固高填方边坡的滑动失稳过程,获得了边坡变形破裂的特征参量,阐明了边坡的滑动失稳机制。研究表明：天然工况下,边坡变形以坡顶沉降和沿基覆界面软弱层的蠕滑为主,坡体总体处于蠕滑变形状态;降雨和地下水工况下,坡体中后部拉张破裂和中前部挤压变形显著,具有塑性流动及推移式破坏特征,并最终产生溃滑失稳;预加固抗滑桩承受较大的边坡变形推力,且越靠近坡体后部的桩推力越大,最终从后向前逐排产生累进性剪断破坏,说明该填方边坡多排抗滑桩的平面布置和受力确定欠合理;降雨和地下水工况下,坡体的最大孔隙水压力是天然工况下的3.7倍,孔隙水压力对坡体失稳有重要作用;通过模型和原型的综合对比分析,该边坡的滑动失稳机制为推移式蠕滑-累进性折断-溃滑与超覆。     

An elasto-viscoplastic model for soft rock around tunnels considering overconsolidation and structure effects

When evaluating the long-term stability of existing tunnels, the creep behavior of soft rock around the tunnel should be properly considered. It is also important to understand the failure mechanism of soft rock when designing the mitigation and remediation of the failure around a tunnel. In this paper, an elasto-viscoplastic model is first modified so that the overconsolidation effect and the structure effect of soft rock can be considered. Then, the performance of the modified model is confirmed with drained triaxial compression tests and creep tests on a manmade rock produced with gypsum and diatom clay. Based on the modified model, finite element analyses are conducted to simulate the model tests of an existing tunnel constructed within manmade rock. Two kinds of model tests are simulated: one is loading failure test and the other creep failure test. The good agreement between the numerical results and the test data validates the performance of the modified constitutive model and the applicability of the corresponding FEM for evaluating the creep failure behavior of an existed tunnel constructed in soft rock.     

Test on cyclic creep behavior of mucky clay in Shanghai under step cyclic loading

Based on the cyclic triaxial test under step loading, the variation of cyclic creep and pore water pressure with increase in cyclic stress ratio (CSR) and load cycle of mucky clay in Shanghai were analyzed. The results show that there are two threshold values of stability cyclic stress ratio and failure cyclic stress ratio during the step loading which divide the development of cyclic creep strain into gradual stability stage, rapid growth stage and instantaneous failure stage. When the stress level is less than the failure cyclic stress ratio, the recoverable elastic strain is nearly linear with CSR. The cyclic creep properties of mucky clay are obviously influenced by the loading frequency under the same stress level.