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.     

Carrara大理岩高温高压变形实验研究

利用高精度的Paterson高温高压流变仪对Carrara大理岩在高温(873~1173K)高压(~300MPa)以及约10-6~10-3s-1应变速率下进行了三轴压缩变形实验。结果表明,在等应变速率条件下,其强度随着温度的升高而降低;在等温和等压条件下,其强度随着应变速率的增加先快速增加而后缓慢增加。在应变速率对差应力的双对数投图中,我们发现随着温度的升高拟合直线的斜率减小,并且在873K和高应变速率时973K温度下Carrara大理岩的流变本构方程服从指数律变化关系;而在高温(1073K和1173K)和973K低应变速率条件下Carrara大理岩的应力指数n为5.3~7.7,且服从幂次律变化关系。因此,Carrara大理岩在本研究的实验条件下主要有两种变形机制,一种是用指数律表示的高应力变形机制;另一种是用幂次律表示的中等应力变形机制。     

基于核磁共振技术的大理岩三轴压缩损伤规律研究

岩样为大理岩,进行了围压20 MPa、不同轴压的常规三轴压缩试验和核磁共振测试试验,测得大理岩在三轴压缩后的应力-应变曲线、弛豫时间T2谱分布和孔隙度,建立了孔隙度与损伤度之间的函数关系。结果表明,（1）孔隙度和轴压比的拟合函数显示,随着轴压的增加,大理岩孔隙度呈指数增长;轴压比小于70%时,大理岩产生弹性变形,孔隙度增长较小,轴压比处于70%～90%阶段时,大理岩以塑性变形为主,孔隙度明显增大,轴压比大于90%时,大理岩产生强烈扩容,孔隙度成倍增长;（2）大理岩内部裂隙数量和裂纹开度均随着轴压的增大而不断增大;（3）损伤度与孔隙度或轴压比的函数关系表明,随着轴压比的增大,大理岩的损伤度不断增大,相同外荷载产生的有效应力也不断增大。     

不同围压条件下石英砂破碎特性研究

采用MTS-815程控伺服刚性试验机,对天然石英砂进行不同围压条件下的固结试验,研究其颗粒破碎特性,探讨围压对石英砂颗粒破碎的影响。结果表明,40兆帕以下,固结压力与颗粒破碎程度的变化关系不稳定,当破碎达到一定程度后,颗粒级配趋于良好,围压对其影响逐渐减弱。     

层状岩体单轴和双轴压缩蠕变特性的数值试验

以绿片岩和大理岩组成的层状岩体为研究对象,采用FLAC3D对互层状岩体进行了单轴和双轴压缩蠕变试验的数值分析,在数值分析中考虑荷载方向与层理之间的几何关系、大理岩夹层的体积分数、应力水平等的影响。研究结果表明:单轴和双轴压缩条件下,随着夹层倾角由0°增加至90°,轴向和夹层倾斜方向的应变绝对值均呈先增大后减小的变化规律;随着大理岩夹层体积分数的增加,轴向压缩变形和2个侧向方向的膨胀变形量均有所减小。单轴压缩条件下,当轴向荷载方向垂直于层理时,轴向压缩变形均大于轴向荷载方向平行于层理时的轴向压缩变形;双轴压缩条件下,当轴向荷载方向垂直于层理、侧向荷载方向平行于层理时,轴向压缩变形最大,当轴向荷载方向平行于层理、侧向荷载方向垂直于层理时,轴向压缩变形最小。     

等向压缩及偏压加载下锦屏大理岩变形特性研究

以中国锦屏地下实验室工程T_(2b)大理岩为研究对象,开展了等向压缩(σ_1=σ_2=σ_3)试验及不同围压下的三轴偏压(σ_1-σ_3)加载试验,分析讨论了大理岩等向压缩体积变形特点、围压对峰后变形行为及峰前渐进性变形破坏过程的影响。试验结果表明:大理岩的等向压缩体积变形在不同围压范围内经历了一个线性-非线性-线性的变化过程。等向压缩体变曲线上存在一个拐点(敏感应力),该点的围压能在一定程度上反映其应力历史。偏压加载时峰后变形表现为脆性-半脆性-延性转化特征,峰值强度随围压变化与等向压缩体变曲线斜率发生变化的转换围压是一致的。围压对渐进性破坏过程各个阶段均会产生一定影响,除偏差闭合应力阈值外,其余各特征偏应力阈值均随围压近似呈线性增加关系。在等向压缩和偏压加载时出现了2次裂隙闭合过程。试验成果对进一步研究硬岩的变形破坏机制、防治深部地下工程灾害具有一定参考价值。     

单轴压缩下两种脆性岩石强度及声发射特性的试验研究

脆性对岩石破裂机制及声发射特性具有重要影响。采用花岗岩及大理岩两种不同岩性的岩石,开展了单轴压缩及声发射测试试验,获取了两种岩石的强度及变形特性,并对其脆性大小进行定量评价,分析了单轴压缩过程中两种岩石声发射能量演化特性,结合声发射b值计算结果及其物理意义,对比了两种岩石破裂机制的差异性。结果表明:(1)试验所采用的两种岩石,花岗岩的σ_cd/σ_p之比介于0.676~0.745之间,平均为0.706,而大理岩的σ_cd/σ_p之比介于0.439~0.615,平均为0.52;(2)基于脆性评价指标,结合试样宏观破坏现象及形态,本次试验采用的花岗岩其脆性大于大理岩;(3)岩石脆性程度越大,在裂纹不稳定扩展阶段,在产生相同的轴向压缩变形的情况下,环向变形量越大;(4)强脆性的花岗岩在裂纹不稳定扩展阶段持续出现高能级的声发射信号,而弱脆性的大理岩则表现出能量持续降低的变化趋势,峰值强度后,弱脆性的大理岩其高能级能量的声发射信号更活跃;(5)单轴压缩下,与大理岩相比,花岗岩破坏过程中大尺度的破裂事件所占比例较大。     

大理岩弹性参数的围压效应与弹塑性耦合模型

以锦屏二级水电站 和 深埋大理岩循环加、卸载试验结果为基础,对不同围压下大理岩弹性参数的演化规律进行研究,得出其弹性模量随围压和内变量的变化显著,而泊松比随围压则变化不明显。基于试验结果确定了锦屏大理岩弹性模量与围压和内变量的定量关系,建立了考虑弹性参数围压效应的大理岩弹塑性耦合模型,并在有限差分软件FLAC3D中进行了数值实现,用于模拟分析大理岩室内三轴压缩试验结果,并将模拟结果与不考虑弹性参数围压效应的计算结果进行对比,结果表明：考虑大理岩弹性参数围压效应的数值模拟与试验结果更吻合。研究方法和结果对于提高深部工程围岩（特别是具有小变形破坏特性的硬脆性围岩）变形计算的准确性具有重要的参考价值和借鉴意义。     

复杂应力路径下大理岩三轴渗透试验研究

在隧道施工过程中,围岩的应力条件非常复杂,研究复杂应力路径下围岩渗透性能的变化规律对在高水压地区修建隧道具有重要意义。以锦屏水电枢纽二级电站交通辅助洞大理岩为研究对象,进行了常规三轴渗透试验与控制轴向应变（简称应变 ）、围压先升后降的三轴渗透试验,探讨了轴压与围压之差的绝对值 （简称应力差）与渗透率的关系。试验结果表明: (1)常规渗透试验大理岩渗透率的变化过程有3个重要的特征点：渗透率最低点、渗透率峰值点以及渗透率稳定点;(2)大理岩的渗透率随着应力差的增大而减小,两者呈负指数关系;(3)对某一固定的应力差,升围压阶段测得的渗透率大于降围压阶段测得的渗透率;(4)对任何试验岩样总存在一阈值,当应力差小于该值时,应力差的改变对渗透率有显著影响;(5)应力差减小过程中岩样渗透率的“恢复能力”随着岩样轴向应变的增大而逐渐减弱。     

考虑体积应力效应的大理岩硬化软化力学模型

以锦屏二级水电站大理岩室内三轴压缩试验结果为基础,推导了考虑体积应力效应的塑性内变量公式,并研究了大理岩强度参数及剪胀特性随内变量的变化规律,结果表明,大理岩在峰前阶段凝聚力稍有降低,在峰后阶段迅速减小;内摩擦角随内变量增加而增大,并在内变量为0.8～0.9时达到最大值;不同围压下大理岩剪胀角均随内变量增大,且表现为先增大后减小的变化趋势,但低围压和高围压条件下剪胀角变化趋势不同。在此基础上建立了大理岩考虑体积应力效应的力学模型,并通过FLAC3D模拟了大理岩室内常规三轴压缩试验,模拟结果与室内试验结果吻合很好,表明该模型可较好地反映大理岩的主要力学特性。研究方法和成果可为其他深部脆性岩体的变形破坏分析提供重要的参考价值和借鉴意义。     

Hydrostatic Tests of Rocks to 4 Gpa

A new cylinder-piston high hydrostatic testing equipment was briefly introduced. Testing procedure and measuring technique during the hydrostatic experiment were described. The properties of a marble、a silicarenite ,and a granite under hydrostatic tests were rhoroughly studied, A phase-transform in the marble under 1780 MPa was found. The effect of porosity, mineral composition ,and grain size on compressibility and residual deformation of rocks under hydrostatic pressure were examined.     

考虑温度效应的岩石损伤内时本构关系

本文根据岩石类材料受载时的损伤破坏机理,首次引入两个损伤变量 D_1和 D_0用以反映外载荷体量和偏量的作用,在内时理论的基础上建立起考虑温度效应的岩石损伤本构方程,并导出具有明确物理意义的本构方程增量型关系式。在不同温度下用大理岩试样进行了压缩实验和声发射实验。根据实验所得结果,确定了本构方程中材料的所有参数,得到了大理岩材料受温度影响其性质发生变化的一些有意义的结论。     

Experimental Study on Compressive Deformation of Marble Under Triaxial Stress States

This paper is presented to discuss emphatically the characteristics of compressive deformation of marble under the three-dimentional stress states and the researches of the influences on stress-strain relationship, strength , and failure mechanism by different loading paths. The tests that have been conducted included the constant confining pressure repeated loading, constant stresses, equal proportional loading or ynloading, the hydrostatic and uniaxial tests. The Model CBS-2 digital displacement apparatus manufacfured by our institute was used for measurement in these tests. The probes were directly fixed between the top and bottom fillers of specimen in a high pressure cylinder . It could be used to measure the deformation of specimen after failure, consequently there has a sufficient range for measuring deformation than that of electric strain gauge. The stress-strain relationships for different loading paths are given, and the author proposed some opinions to these problems.     

温度周期作用下大理岩三轴蠕变试验与理论模型研究

为了解温度周期作用对大理岩蠕变力学特性的影响,采用温度-应力-渗流耦合的岩石力学三轴流变试验系统对大理岩进行了不同温度及温度周期变化下三轴压缩蠕变试验。基于试验结果,研究了大理岩试样在不同温度及温度周期变化下轴向应变随时间的变化规律,分析了不同温度及温度周期变化下蠕变的变形机制,掌握了温度对大理岩三轴蠕变影响的基本规律,并且建立了考虑温度及温度周期变化影响的改进的Burgers模型。理论值与试验结果非常接近,表明考虑温度及温度周期变化的改进Burgers模型适合描述大理岩的黏弹性蠕变特征。为长期暴露于外部环境下的岩质边坡的长期稳定性分析提供了重要的参考依据。     

大理岩常规三轴压缩下强度和变形特性的试验研究

通过在伺服试验机上对中、粗颗粒大理岩进行常规三轴试验,基于试验结果,研究了两种颗粒大理岩的强度和变形特性。结果表明,低围压时岩样内部材料并未均匀化,岩石表现为应变软化特性;而高围压时岩样内部材料强度由低到高逐渐屈服,变形趋于均匀,岩石出现塑性流动特性。岩石的峰值应变与围压显著成正线性关系;中颗粒和粗颗粒岩样之间确实存在差异,但内摩擦系数可以表征材料力学性质,与粒径没有关系;岩石残余强度对围压的敏感性显著高于峰值强度。     

砂土充填大理岩节理的剪切强度经验公式

为研究砂土充填对节理抗剪强度的影响,利用GCTS（RDS?200型）岩石剪切测试系统对4种不同摩擦系数砂土充填的粉晶大理岩节理进行了直剪试验。结果表明：相同法向应力下,未充填节理的峰值剪切应力大于充填节理的峰值剪切应力,说明砂土的存在降低了节理的剪切强度;由节理面三维形貌参数最大谷深 表征节理面粗糙程度,得到了未充填节理的峰值剪切强度公式,公式预测值与试验值基本吻合;得到了用充填砂土摩擦系数表达的充填节理峰值剪切强度公式,公式预测值与试验值较为吻合。研究结论对充填节理岩体稳定性评价具有一定指导意义。     

水对岩石亚临界裂纹扩展及门槛值的影响研究

亚临界裂纹扩展是岩体工程时间相依性的主要原因之一。采用常位移松弛法,对饱水和干燥两种状态下的大理岩、花岗岩双扭试件进行了亚临界裂纹扩展试验研究,获得了两种岩石在两种状态下的亚临界裂纹扩展速率V与应力强度因子 的关系,分析了两种岩石在两种状态下亚临界裂纹扩展的规律,并确定了两种岩石在两种状态下的门槛值（干燥状态）：大理岩 为1.365,花岗岩 为2.305;（饱水状态）：大理岩 为1.118,花岗岩 为1.490。研究表明,两种岩石的 与 关系有较好的线性规律, 但由于岩石本身矿物成分等的不均匀性,同种岩石的 与 关系离散性较大,饱水状态下离散性更大;水能加速岩石亚临界裂纹的扩展,且对不同的岩石,其影响程度也不一样;水可以使岩石亚临界裂纹扩展的门槛值有较大幅度降低,不同岩石其降低的程度也不一样。     

X射线粉晶衍射仪在大理岩鉴定与分类中的应用

大理岩主要有方解石大理岩、白云石大理岩和菱镁矿大理岩三种。以往大理岩是依据偏光显微镜下观察岩石结构构造及矿物成分进行分类定名,由于方解石、白云石、菱镁矿都属于三方晶系,具有闪突起、高级白干涉色、一轴晶负光性和菱形解理等相同晶体光学特征,偏光显微镜下区分十分困难。为了准确鉴定大理岩中碳酸盐矿物种类及其相对含量,本文利用岩石薄片偏光显微镜和X射线粉晶衍射技术对32件大理岩岩石样品进行分析测试。岩石薄片鉴定结果表明:大理岩造岩矿物主要有方解石、白云石、菱镁矿、石英、斜长石、白云母、黑云母、绿泥石、黏土和金属矿物。根据岩石结构构造及矿物组分特征,可把32件大理岩样品划分为方解石大理岩、长英质方解石大理岩、石英绿泥白云石大理岩、白云石大理岩、云英质白云石大理岩和菱镁矿大理岩等15个类型。X射线粉晶衍射分析表明:大理岩造岩矿物主要有方解石、白云石、菱镁矿、石英、斜长石、钾长石、云母、绿泥石、滑石和蒙脱石。综合分析认为:岩石薄片偏光显微镜鉴定技术很难区分方解石、白云石和菱镁矿等碳酸盐矿物,以及细小的石英、钾长石和斜长石、滑石和白云母等鳞片状硅酸盐矿物;X射线粉晶衍射分析技术不仅能准确检测出大理岩中方解石、白云石和菱镁矿等碳酸盐矿物种类及相对含量(方解石、白云石和菱镁矿的X射线衍射主峰有明显差异,d值分别为0.303 nm、0.288 nm和0.274 nm),而且能够有效鉴别岩石中粉砂级斜长石、钾长石与石英(三种矿物的X射线衍射主峰d值分别为0.319 nm、0.324 nm、0.334 nm);且能区分蒙脱石、绿泥石、云母和滑石等层状硅酸盐矿物(四种硅酸盐矿物的X射线衍射主峰d值分别为1.400 nm、0.705 nm、0.989 nm、0.938 nm)。综合岩石薄片偏光显微镜鉴定和X射线粉晶衍射分析结果,最终确定32件大理岩样品划分为22个岩石类型。研究认为:仅根据岩石薄片偏光显微镜鉴定或X射线粉晶衍射技术其中一种方法不能准确鉴定大理岩岩石,应将大理岩岩石野外观察、岩石薄片鉴定和X射线粉晶衍射技术结合起来,才能准确确定大理岩岩石类型。