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。     

三轴多级循环加卸载下千枚岩的力学特性及能量耗散特征研究

在地震中,岩质滑坡的发生强烈依赖于边坡岩石材料的动力特性。为了更好地理解这些岩石材料在动荷载作用下的特性,以2008年汶川地震触发的东河口滑坡区发育的代表性岩体千枚岩作为研究对象,开展了三轴压缩条件下的多级循环加卸载试验。试验过程中所采用围压为10MPa,加载波形采用振动频率为2Hz的正弦波,在每级应力水平下进行了60次加卸载循环。根据轴向应力-应变曲线,重点分析了循环周次和上限应力对千枚岩试样的弹性模量、阻尼参数及残余应变的影响,同时对其耗散能演化规律进行了研究。结果表明：（1）随着循环周次的增大,试样的弹性模量、阻尼比和阻尼系数总体呈递减趋势。当上限应力较低时,试样处于整个加载过程的初期,岩石内部结构由于初始裂隙、孔洞等的闭合和细小裂纹的产生将发生较大的改变,导致三参数随循环周次的增加而增加,且数值波动性较大;当上限应力较高时,三参数值变化微小。（2）累积残余应变随循环周次和应力水平增加而总体上呈现出增加趋势,尤其是在轴向应力增加过程中（坡形加载阶段）。然而,在同一级应力水平下（循环段）,岩样的累积残余应变与上限应力的关系曲线则呈现出W型变化。（3）单位体积耗散能随循环周次和应力水...     

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。     

砂岩分级加卸载蠕变试验过程能量演化分析

对陕西柠条塔砂岩样品进行单轴分级加卸载蠕变试验,分析样品变形破坏过程中的能量演化规律。结果表明:随循环级数增加,各级耗散能非线性增长,各级塑性应变能相对稳定;耗散能超过塑性应变能可作为样品破坏的先兆能量特征。通过定义相关系数,建立能量与变形之间的关系后发现:随循环级数增加,各级塑性应变能与各级新增塑性应变呈正相关性,各级耗散能与塑性应变累积量呈正相关性。分别对加载、蠕变、卸载及恢复等4个阶段的能量计算后得出:各阶段能量演化速率均随循环级数的增加而增大。加、卸载速率恒定时,加载段能量变化率大于同级卸载段能量变化率,蠕变段能量变化率大于同级恢复段能量变化率。通过分析各级循环加载段能量变化规律,提出能量衰减系数λ,该值随应力水平增长呈幂函数形式降低,以此提出一种可以有效预测破坏应力的方法。     

饱和砂岩对周期性循环载荷的动态响应

在单轴循环加载实验中,改变平均应力和正弦波应力振幅的条件下,研究了饱和砂岩的衰减、杨氏模量和泊松比的动态响应。获得随平均应力增大杨氏模量增大,随应力振幅增大应力～应变滞回曲线向应变增大方向移动,随应力振幅减小滞回圈包含在峰值应力的滞回圈内,反映出饱和岩石记忆特性。饱和岩石随应变振幅的增大衰减增大,模量呈线性下降,泊松比呈非线性增大。在低频段,这些物理力学参数的弹性非线性特征,对研究天然地震和储层勘探,以及它们的资料解释具有现实意义。     

浸泡-风干循环作用下砂岩动力特性劣化规律研究

在库水的长期浸泡-风干循环作用下,库岸边坡岩体的动力特性变化规律直接影响其长期稳定性能,其中,消落带是库岸边坡稳定的敏感地带。因此,特选取三峡库区库岸边坡消落带典型砂岩为研究对象,设计了考虑水压力反复升降变化和浸泡-风干循环耦合作用的试验方案,对不同浸泡-风干循环作用周期的岩样进行单轴循环加、卸载动力响应试验。研究结果表明：随着浸泡-风干循环作用次数的增加,相同次数加、卸载循环作用时对应岩样的轴向应变、动应力-应变曲线的滞回圈面积逐渐增大,计算得到砂岩的阻尼系数、阻尼比逐渐变大,动弹性模量逐渐减小,说明浸泡-风干循环作用对砂岩动力特性的损伤是一种累积性发展的过程。最后,基于岩样的微观结构变化,对浸泡-风干水岩循环作用下砂岩动力特性劣化机制进行探讨。研究成果对库区大量存在的库岸边坡在考虑地震作用下的长期稳定性评价具有较高的参考价值。     

循环荷载作用下斜长花岗岩弹性模量演化规律

通过MTS815岩石力学试验机开展斜长花岗岩循环荷载试验,揭示循环次数、围压、含水率对斜长花岗岩弹性模量变化规律的影响,分析饱和与天然试样应力功、弹性应变能、耗散能随循环次数的演化规律。根据能量演化规律将岩石压缩变形破坏过程划分为4个阶段,研究各阶段切线模量与耗散能之间的关系。试验结果表明:（1）同一个应力水平切线模量随循环次数呈先增大后降低的趋势,其降低幅度随循环次数与应力水平增加而增大。（2）围压抑制了裂纹扩展,随围压增加切线模量弱化幅度减小。（3）饱和试样比天然试样切线模量弱化幅度大,说明水的存在加剧饱和试样内部结构损伤。（4）耗散能增加是引起切线模量弱化的内在因素,两者的变化规律呈现出很好的相关性。     

循环加、卸载下盐岩变形特性试验研究

在MTS815 Flex test GT岩石力学试验机上对盐岩进行了单轴循环加、卸载试验研究盐岩的变形特性,试验表明,循环加、卸载强化了变形的线性特征,各级卸载、再加载曲线主要是由直线段组成。随着荷载级别的增高,直线段的变形模量总体上呈现微弱上升的趋势,各级卸载、再加载曲线变形模量的变异系数分别为8.05%和7.45%,可以用各级加、卸载曲线直线段变形模量的平均值来分别表征加、卸载的变形特征。每级卸载曲线的变形模量都要大于再加载曲线的变形模量,卸载的泊松比都要小于再加载的泊松比。与单轴试验相比,卸载和再加载的变形模量都要大于单轴应力应变全过程试验。根据以上分析,得出了简单应力状态下加、卸载本构关系。对各级塑性滞回能进行了计算,发现塑性滞回能随着级别的增高而增高,并对其进行了拟合。分析表明,卸载、再加载变形参数比单轴应力应变全过程试验参数更具有规律性,更能表征盐岩地下工程中的变形特性。     

基于循环加卸载的矿物定向排列致各向异性岩石损伤演化规律——以黑云母石英片岩为例

黑云母石英片岩是一种典型的各向异性岩石,为研究其损伤演化规律及各向异性表现特征,针对含0°,45°,90°3种片理角度的试样,开展了等塑性应变循环加卸载试验。结果表明：不同片理面角度试样的破坏模式有所不同,0°片理面试样中的张拉破裂现象与45°片理面中的剪切破坏现象尤为明显。随着塑性应变增加,黑云母石英片岩的弹性模量表现出先强化、后弱化的现象,这一现象在高围压下更为明显。在弱化阶段中,弹性模量演化的转折点与裂纹起裂强度σ_ci稳定时对应塑性应变一致。弹性模量作为岩石损伤劣化过程的评价指标较完整性系数受片理面角度的影响更小。在岩石内部能量演化过程中,耗散能大小与片理面角度的关系为0°>90°>45°,耗散能、弹性能下降的速率大小关系为45°>90°>0°,其降至稳定时与岩石损伤强度σ_cd稳定时对应塑性应变一致。该研究借助弹性模量和能量演化规律分析,探究了黑云母石英片岩的损伤演化力学行为。

     

北山花岗岩能量演化规律及破坏倾向指标研究

为深入研究北山高放废物地质处置预选区内花岗岩在不同加卸载路径条件下的能量演化规律,针对北山花岗岩圆形柱试样开展了不同初始围压和不同加卸载条件下的室内三轴试验,对试验数据进行处理对比分析,并建立了一种新型的岩石破坏能量倾向性指标。研究结果表明：岩石临界破坏时的总应变能、弹性应变能和耗散应变能均随着初始围压的增大而增大;岩石损伤破坏过程中的声发射特征参数与耗散能间具有较强的相关性;卸荷条件下岩石破坏模式分为内部损伤破坏和轴向应变破坏;在不同卸荷试验条件下岩石破坏能量倾向性指标均先增加后减小,在相同试验条件下,弹性应变能转化为耗散能效率越高,能量倾向性指标则越小,岩石破坏程度则越高。     

三轴循环荷载下砂岩损伤耗能比演化特征研究

为了研究循环载荷下岩石能量演化特征,引入耗能比?,开展砂岩不同围压下轴向循环加卸载试验,探究全应力-应变过程中?值演化特征,进而探讨岩石试样循环加卸载作用下损伤变形演化规律。试验结果表明：对应全应力-应变曲线的5个阶段,?值演化过程可划分为线性下降、稳定发展、缓慢增加、突然增加和平缓变化5个阶段,在?值整个演化过程呈现“勺”演化特征,该特征充分反映了试样变形演化过程中的能量转化关系及损伤演化程度;随着围压的增大,?值整体呈现减小趋势;同一应变水平下,不同围压下?值在线性下降阶段、稳定发展阶段差值逐渐减小,在缓慢增加阶段、突然增加阶段差值逐渐增大,在平缓变化阶段差值减小并趋于一个稳定值;分析循环加载下岩石材料参数演化特征,考虑围压作用及耗能比演化规律,建立岩石试样循环加卸载作用下的应力-应变演化理论公式,并进行了试验曲线拟合,验证了该理论公式的合理性。     

Effects of cyclic loading on the rheological properties of sandstones

This paper presents some results of the laboratory tests on the time-dependent behaviour of three types of sandstone. Research into the rheological properties of rocks is mostly done under static (quasistatic) loading. In nature, however, rocks are also often subjected to cyclic (vibration) loading as a result of vibrations from traffic or the propagation of seismic waves due to, for example, earthquakes, rock bursts, blasting operations and such like. On this account, the research presented is focused on the study of rheological rock properties during vibration (cyclic) loading. The tests of the rheological properties of a cyclic load were conducted both in creep regime and in relaxation regime, at various levels of average load or strain and for various parameters of vibration (frequency, amplitude). The measured values of different parameter settings were compared and evaluated so that it was possible to set the dependence of cyclical rock loading in the rheological regime. For the purpose of the comparison of rock behavior during vibration and static loading, other tests were also carried out. The results of the research show that, in the course of cyclical loading, the rock rheological properties depend, to a significant extent, on the parameters of this loading, especially the amplitude and frequency.     

Comparison of the anisotropic behaviour of undeformed sandstones under dry and saturated conditions

This article presents a systematic analysis of the anisotropic behaviours of the Bentheim and Rothbach sandstones using ultrasonic P-wave velocity, electrical conductivity and magnetic susceptibility measurements. For each sandstone, the data were obtained from three core samples drilled perpendicularly to each other and tested in dry- and water-saturated conditions. For acoustic and magnetic investigations, the same statistical analysis was applied in order to present the data on comparable stereoplots. Surprisingly, the Bentheim sandstone which appeared homogeneous at macroscopic scale showed a stronger elastic and electrical anisotropy than the Rothbach sandstone in which cross-laminations were clearly identified, as confirmed by a sedimentary magnetic fabric. A discussion on the velocity contrasts between dry and saturated samples led us to consider two different origins for the observed anisotropies. First, by comparing electrical and acoustic properties in the Bentheim sandstone, we conclude that the nature of the anisotropic behaviour is linked to the anisotropy of pore shape: the inclusion model developed by Kachanov (Kachanov, M., 1993. Elastic solids with many cracks and related problems. Advances in Applied Mechanics, vol. 30. Academic Press, Boston, MA, pp. 259–445) accounts for our observations if one considers that the pore space is made of parallel flat pores with moderate pore aspect ratio. Second, acoustic, electrical and magnetic properties indicate that the observed anisotropy in the Rothbach sandstone can be attributed to the matrix, and more specifically to cementation: we modified the Dvorkin and Nur (Geophysics 61 (5) (1996) 1363) model of cemented granular media by introducing a spatially variable contact length, and the model suggests that a very small variability of cemented contact length is enough to account for the observed P-wave velocity anisotropy. We emphasise the fact that combining several kinds of measurements is of great help in capturing the nature of the anisotropic behaviour of porous rocks.     

循环荷载下饱和软黏土的累积塑性应变试验研究

通过以交通荷载为背景的饱和重塑软黏土室内不排水动三轴试验,研究了循环荷载作用下饱和重塑软黏土的累积塑性应变发展形态,可分为3种类型：稳定型、破坏型和临界型。根据稳定型累积塑性应变发展曲线特点,提出了饱和软黏土的稳定累积塑性应变方程,并通过试验结果分析了该方程中各拟合参数与动应力幅值、固结围压和静偏应力的变化规律,同时提出了求解无静偏应力条件下软黏土临界动应力的解析方法。通过动三轴试验结果,提出了含动应力幅值、固结围压、静偏应力和循环周次等影响因素的累积塑性应变拟合模型。     

饱和粉土振动液化分析

液化是造成场地地震破坏的首要原因之一。自Casagrande的经典工作以来,对地震液化的研究已经取得了很大的进展。然而这些研究大多是针对于砂土而进行的,对于粉土液化研究的相对较少,且粉土的液化特性也有别于砂土。因此,在已有研究的基础之上利用粉土液化试验得出的结果,分析了粉土液化的机理、影响因素以及在振动过程中粉土中孔隙水压力的增长规律,认为粉土中的粘粒含量、密实度以及土的结构性对其抗液化能力有较大的影响。考虑到试验中振动次数的离散性,引入了时间参数的概念,根据动三轴试验结果提出了孔隙水压力增长的经验公式,可以比较方便地应用于计算液化的有限元程序中去。     

Fatigue damage evolution of coal under cyclic loading

The experimental study of fatigue damage to coal under cyclic loading is important for guiding the design of pillars in underground coal mines where the pillars may be affected by repeated mining activity. In this paper, the strength, deformation, energy dissipation, and fatigue of samples of coal from a mine in China are studied using cyclic loading with a servo-controlled rock mechanical test system. The results indicate that coal is more likely to suffer fatigue damage than other, harder, rock lithologies. Under uniaxial cyclic loading, the fatigue failure “threshold value” for the coal samples studied is less than 78% of its uniaxial strength, but there is also a certain amount of fatigue damage when the cyclic loading/unloading experiments are carried out below the threshold value for fatigue failure. Axial deformation during the tests can be divided into three stages: initial deformation, constant steady deformation, and accelerated deformation. Transversal deformation can be divided into two stages: stable deformation and accelerated deformation. During cyclic loading experiments, imminent sample failure is signaled when transversal deformation increases significantly and quickly and the deformation recovers little when the load is removed. With an increasing number of loading/unloading cycles, a graph of energy dissipation per unit volume versus number of cycles presents an L-shaped curve when the coal samples do not suffer fatigue failure. However, for the coal samples that do rupture due to fatigue, the curve is U-shaped. Under cyclic loading, the evolution of compaction, strain hardening, strain softening, and failure of coal can be revealed in great detail by fatigue damage experiments.     

循环荷载作用下饱和软黏土的损伤模型

基于各向同性弹塑性损伤和Prevost模型的基本理论,把弹塑性等向硬化、运动硬化和各向同性损伤结合起来,推导了循环荷载作用下不排水饱和软黏土的弹塑性动力损伤本构模型。由循环累积塑性偏应变建立损伤演化方程,以描述循环加载对软黏土结构的破坏作用,并通过对循环三轴试验的模拟验证了模型的有效性。结果表明,提出的模型能较好地描述饱和软黏土在循环荷载作用下的变形、孔压变化及模量损伤过程。     

循环荷载下饱和软黏土的动骨干曲线模型研究

通过饱和软黏土室内不排水动三轴试验,研究了循环周次和动应力幅值对土体动力特性的影响。结果表明,在循环荷载作用下,随着循环周次的增加,土体均存在不同程度的刚度软化现象。根据动应力幅值大小的不同,循环荷载作用下饱和软黏土的动应变发展形态可分为3种类型:稳定型、破坏型和临界型。根据动应力-应变关系曲线特点,提出了含动应力幅值、固结围压和循环周次等影响因素的动骨干曲线模型。该模型所得的拟合值与试验值比较吻合。与传统骨干曲线模型相比,该模型能够体现土体在循环荷载作用下的刚度软化特性,更加切合实际。     

成层地基在轴对称荷载下的稳态振动分析

基于Biot动力固结方程,考虑了土体和水体的惯性力以及水-土耦合作用的影响,采用Hankel积分变换求解耦联合方程组,得到动荷载下饱和土Lamb问题的解答。根据下边界为不透水基岩的边界条件,获得了地基表面作用圆形轴对称周期荷载时土层应力、位移等的一般积分形式解,并利用矩阵传递法完成了对多层地基和Gibson地基的计算。通过算例研究了层厚和激振频率等对竖向位移的影响。     

循环荷载作用下黏弹性地基一维固结性状研究

针对单层黏弹性地基模型,对循环荷载作傅立叶级数展开,由固结方程求得循环荷载作用下不透水（透水）边界饱和软黏土一维固结解析解。通过不同渗透系数、黏滞系数和弹性模量以及黏弹性与弹性不同地基模型比较等对有效应力的影响,进行了固结性状分析。结果表明、在循环荷载作用下地基中各点的有效应力并不随荷载的变化而同步变化,而是按一定规律滞后发展;有效应力最终达到一个稳定状态,每一个加载卸载循环下有效应力幅值在一个振荡周期的平均值变化趋近于0;软黏土的流变特性对固结的影响主要发生在中、后期。