动态扰动对应力松弛岩石变形行为影响的试验研究

利用自主研发的岩石松弛-扰动试验装置,测试了岩石加载、松弛、动态扰动和扰动后4个阶段的轴向应力、轴向应变和声发射响应,观察到了岩石试样在动态扰动后应变增加、应力降低的现象,砂岩试样的这种特征比花岗岩明显。初步分析认为,产生该现象的原因一方面由于松弛-扰动过程导致岩石内部出现不可逆的损伤,另一方面则是扰动去除后试样的残余变形。在初始压密和弹性阶段,砂岩试样的声发射撞击数少;在接近应变峰值阶段,撞击数骤增;在应力松弛阶段撞击数骤减;在动态扰动阶段,撞击数骤增。声发射是由于岩石损伤引起的,声发射数据反映了岩石的损伤是引起松弛试样在动态扰动后应变增加、应力降低的一个原因。另外,基于砂岩和花岗岩的准静态循环加、卸载试验,对砂岩、花岗岩在不同应变等级下的残余应变进行了定量化;砂岩的残余应变远高于花岗岩,这与砂岩试样在历经松弛-动态扰动后应变增加、应力降低较为明显的趋势相对应。同时,无论是松弛-动态扰动试验还是准静态循环加、卸载试验,岩石的残余变形都会随着卸荷初始应变的提高而增加。岩石的损伤与残余变形是密切相关的,两者的综合作用引起了动态扰动后岩石试样的应变增加、应力降低现象。     

基于试验的花岗岩渐进破坏本构模型研究

对取自大渡河流域大岗山电站的花岗岩进行了系统的试验研究,得到了不同围压下的应力-应变曲线。根据岩样受力过程中内部微裂纹的活动状态,定义了4个特征应力,即闭合应力、起裂应力、破损应力、峰值应力,来反映花岗岩的渐进破坏过程,特征应力也反映了岩石内部的损伤程度。依据特征应力,将试验曲线分为4个阶段,并对每一阶段分别求取变形模量和泊松比。结果表明,变形模量不仅与围压有关,且与岩石的损伤程度有关,而泊松比只取决于岩石的损伤程度。特征应力可由体积应变曲线结合线性回归技术准确求取。在此基础上,提出了一个考虑花岗岩渐进破坏的本构模型。在该模型中,变形参数(弹性模量、泊松比)是应力状态的函数,强度参数（凝聚力、内摩擦角）是塑性变形的函数。将该模型嵌入大型有限元分析软件ABAQUS,对不同围压下的花岗岩室内压缩试验进行模拟,结果表明,模拟所得的应力-应变曲线与试验曲线的吻合程度较高,模型能反映花岗岩等脆性岩石的峰前非线性力学行为。     

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     

基于残余强度修正的岩石损伤软化统计本构模型研究

岩石随着围压的增大,残余强度的增加幅度比峰值强度大,残余强度逐渐成为影响岩石全应力-应变曲线峰后段的主要因素,因此,建立岩石损伤软化统计本构模型时,对残余强度进行修正是非常必要的。基于岩石应变强度理论以及岩石微元强度服从Weibull随机分布的假设,考虑岩石峰后残余强度对损伤变量进行修正,在微元破坏符合Hoek-Brown屈服准则条件下,建立了能够反映岩石峰后软化特征的三维损伤统计本构模型;依据岩石试验全应力-应变曲线的几何特征,推导出本构模型参数的数学表达式,并基于花岗岩室内试验数据对模型参数进行探讨,研究了Weibull分布参数与本构模型的关系,探讨了损伤修正系数的取值和岩石累积损伤的扩展过程;将建立的本构模型理论曲线与4种岩石（斑状二长花岗岩、细晶大理岩、砂岩和粉砂质泥岩）不同围压下的常规三轴压缩试验曲线进行对比分析,结果表明,该模型能很好地描述岩石破裂过程的全应力-应变关系和表征岩石残余强度特征。这对于岩石损伤软化问题以及岩石加固处理措施的研究均具有重要的意义。     

温度变化对花岗岩井壁稳定性的影响

针对深井、超深井钻遇的花岗岩地层,通过对花岗岩进行加温后纵波波速测量和常规三轴压缩试验,并基于所得到的试验结果研究不同温度后花岗岩的纵波波速和三轴压缩状态下的宏观力学特性,分析了花岗岩纵波波速、峰值应力、弹性模量、峰值应变与温度的关系;同时对三轴压缩条件下花岗岩的宏观破坏形式进行总结。研究结果表明,经过加温冷却后,花岗岩的纵波波速随着温度的升高呈降低趋势;同时,围压一定时,温度为20~200 ℃时,随着温度的升高,试样的峰值应力、弹性模量、峰值应变呈增大趋势,而在200~400 ℃,这些力学参数呈降低趋势。温度的升高,不仅会使得岩石内部的含水量逐渐减小,而且由于岩石内部矿物成分的热膨胀性不同等因素使得岩石内部产生附加热应力,从而使得岩石内部的初始裂纹发生扩展、贯通或产生新裂纹,进而影响井壁及围岩的稳定性。     

基于高应力下花岗岩卸荷试验的力学变形特性研究

进行了高应力条件下卸围压并增大轴压的花岗岩卸荷试验,描述了卸荷过程中岩石渐进破坏的应力-应变曲线和力学参数损伤劣化规律;分析了能较好反映岩石卸荷强度破坏特征的Mogi-Coulomb准则和强度参数变化规律;建立了岩石由压剪破裂逐渐过渡到张剪破坏的渐进演化体系。在此基础上,通过对岩石卸荷破坏起主要作用的横向变形将压剪Mogi-Coulomb准则和拉剪Mogi-Coulomb准则联系起来,建立了描述岩石卸荷渐进破坏的新强度准则。基于上述的卸荷试验成果,结合描述岩石卸荷渐进破坏的应力-应变曲线,在应变空间中推导了考虑岩石力学变形参数损伤劣化效应、横向变形作用、卸荷渐进破裂演化机制的力学本构方程。     

渤海地区岩样的试验研究以及新型岩石损伤本构模型的建立

针对渤海地区油气资源的开采困难以及现有岩石损伤本构模型的理论体系的不足等问题,该文对渤海岩石取样进行试验研究,根据试验所得参数建立了一种新型的岩石损伤本构模型。首先,利用岩石三轴测试仪对所取岩样进行变温度、变围压测试,获得岩样的全应力-应变曲线,并计算出岩样的泊松比、弹性模量以及最大应力差。其次,利用图解法作莫尔应力圆,确定岩样的黏结力和内摩擦角。最后,根据试验部分数据建立一种新型岩石损伤本构模型。该模型参数少,计算简便,将所建模型的计算结果与试验所得全应力-应变曲线进行验证,验证了所建岩石损伤本构模型的准确性。研究结论可为岩石损伤模型的完善以及现场石油资源的高效开采提供试验和理论支撑。     

中低应变率下的岩石损伤本构模型研究

深部岩石的破碎与钻探中,岩石主要处在中低应变率的载荷作用下,而目前的研究还沿用中高应变率推导的动态损伤本构关系。从工程背景和试验角度分析了中低应变率下的岩石动力学特性,提出Maxwell体、Bingham体和损伤体的并联模型,借助拉普拉斯变换,引入基于岩石孔隙、裂隙劣化的损伤变量,导出了中低应变率下的岩石动态损伤本构模型。利用该模型对泥质砂岩和花岗岩在应变率为87 s-1、382 s-1、673 s-1时的应力-应变试验数据进行拟合,并将拟合结果与实测数值、原文献拟合曲线对比,结果表明该理论模型适用性较好。分析拟合参数可知,该动态损伤本构模型能够主动适应中低应变率两类情况,本构曲线和损伤变量的变化符合实际情况。     

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。     

主动围压下花岗岩动态力学特性与本构模型研究

为了研究花岗岩在不同围压、不同应变率下的动力学特性与本构行为,利用改进的分离式霍普金森压杆（SHPB）,对其进行了试验测试,并将损伤统计理论引入鲍埃丁模型,对所得到的本构模型与试验数据进行拟合分析,进而探讨模型中各参数对应力-应变曲线的影响。结果表明:围压和应变率都能提升花岗岩的抗压强度,两者均与试样动态强度增长因子呈正相关,且围压的存在提高了岩石的塑性特性,应力-应变曲线上出现塑性屈服平台;主动围压下,试样的弹性模量有一定的提高,但总体上未见明显的率效应和围压效应;本文所构建的模型预测结果与不同围压下试样的应力-应变曲线均有较高的吻合度,可为相关工程设计与施工提供一定参考。     

热-水-力作用下圆孔花岗岩的动态损伤特征及结构模型

基于深层地热能开采时储能区井筒围岩所处的工程环境,采用高温加热、不同温度水浸泡、加热-循环次数及径向冲击加载的方法模拟井筒围岩经历的高温、遇水、循环采热及热冲击等造成的动力扰动等物理力学条件。同时,以不同内孔直径的同心圆孔岩样模拟深层地热井,采用分离式霍普金森压杆试验系统开展热-水-力作用下圆孔花岗岩的动态力学试验,并结合VIC-3D非接触应变测量及数值模拟分析技术监测冲击过程中圆孔岩样裂隙萌发、形成的历程和表面应变演化的规律,揭示热-水-力作用下圆孔岩样的动态损伤破坏机制。研究结果表明：径向冲击荷载作用下圆孔花岗岩先后经历弹性变形、塑性变形、结构失稳破坏3个典型阶段;内孔直径、加热温度、浸水温度、加热-浸水循环次数4因素都弱化了圆孔花岗岩抗外界荷载的能力,但未改变其整体的变形演化规律;圆孔花岗岩的破坏模式是动态拉伸破坏,先沿冲击方向由内孔壁向岩样外壁,再垂直冲击方向由岩样外壁向内孔壁萌发、贯通裂纹,形成近垂直的两组破裂面。最后,基于圆孔花岗岩的损伤变形特征及历程,在一定假设基础上,建立动态损伤结构模型,推演了结构方程,并结合试验结果确定了方程参数,通过对比分析发现,理论拟合曲线与试验...     

温度作用下缺陷花岗岩热损伤:以甘肃北山缺陷花岗岩为例

为了研究温度作用下缺陷花岗岩的热损伤问题,以甘肃北山缺陷花岗岩为例,从损伤力学和热力学的角度出发,研究了缺陷花岗岩内部热应力的产生机理,推导出缺陷花岗岩裂纹热损伤的临界应力公式,分析了高温作用对花岗岩热弹性比能变化的影响规律,建立了温度作用下花岗岩热损伤演化方程,并对温度作用下花岗岩应力损伤面可能存在的形态进行了研究。对含缺陷的花岗岩在温度作用下结构内部结构晶体单元损伤、晶体单元损伤应力变化规律进行数值模拟,结果表明:当模拟温度升高到60℃时,花岗岩缺陷裂纹附近出现明显的热损伤,远离缺陷处出现微弱的热损伤;当温度升高到120℃时,花岗岩缺陷处剪切破坏特征明显,裂纹处的热损伤点继续增大,远离缺陷处出现非常明显的不间断损伤点,损伤量、热应力、能量累计数出现了突变;此后,随着温度升高到200℃,损伤增量变化微弱。北山缺陷花岗岩的损伤量和温度之间存在直接的演化关系。     

Experimental study on mechanical properties of granite after freeze–thaw cycling

It is important to understand the effect of freeze–thaw cycles on the mechanical properties of rocks. In this paper, the variation of the uniaxial compressive strength, peak strain, elastic modulus and stress–strain curves of granite subjected to freeze–thaw cycles with different heating temperatures were studied experimentally and the relationships were derived. As the number of freeze–thaw cycles increases, the compressive strength and elastic modulus decrease, while the peak strain decreases. In addition, an increased temperature increases the peak strain while decreasing the compressive strength and elastic modulus. An expression for the initial damage for the adopted rock material due to freeze–thaw cycling was proposed based on the Loland model. The current research has established a solid foundation for further experimental studies on the fatigue behavior of granite after freeze–thaw cycling.     

冻融岩石核磁共振检测及冻融损伤机制分析

以花岗岩为岩样在最低冻结温度为-40 ℃、融化温度为20 ℃的条件下对5组岩样开展了冻融循环试验,最高累积冻融循环次数为100次,并采用核磁共振（NMR）技术检测岩样内部损伤变化。试验结果表明,冻融作用会对岩石内部造成损伤,循环次数达到一定值时岩样表面产生明显裂纹;NMR T2谱图和成像结果表明,冻融作用使岩样孔隙结构重新分布,孔隙数量随循环次数增加而增加,产生裂纹后T2曲线信号幅度发生显著变化。最后使用损伤力学原理对花岗岩冻融损伤机制进行探讨,得到材料连续性与孔隙率的损伤关系、有效应力与孔隙率的关系表达式,并以岩样核磁共振结果为基础,得出其有效应力与循环次数的表达式。     

含预制裂纹的脆性岩石单轴压缩下渐进性破坏过程的试验研究

对含预制裂纹的花岗岩进行单轴压缩试验研究预制裂纹倾角α对脆性岩石渐进性破坏过程的影响。首先埘破坏过程的轴向应力-横向应变曲线进行总结和讨论,然后分析预制裂纹与加载方向夹角α埘岩石的应应力门槛值：裂纹起始应力σci、裂纹扩展应力σed、峰值强度矿σf,由应变片记录的应力-应变曲线和试样的表嘶裂纹扩展情况的影响机制。结果表明,含有预制裂纹的岩石试样进行加载试验过程中,顶制裂纹倾角α的变化成了决定脆性岩石破裂办式的主要因素。故在对含节理、裂隙的脆性岩石的工程应用上,通过对岩休的轴向应力-横向应变向应变典线进行分析,可以对地下开挖工程起到指导设计开挖方式及支护形式的作用。     

高应力区岩石统计损伤本构模型研究

为了反映高应力区岩石变形破坏全过程,通过引入双参数抛物线型Mohr强度准则,建立适用于高应力区岩体的微元强度度量方式,并假定由该度量方式得到的微元强度服从幂函数概率密度分布,结合连续损伤理论,考虑损伤变量修正,建立一个新的适用于高应力区岩体的统计损伤本构模型。以高应力区英安岩为验证对象,进行常规三轴压缩试验,依据岩石应力-应变曲线特征,给出模型参数确定方法。引用基于线性Mohr强度准则而建适用于浅部低应力水平岩体的相关统计损伤模型,利用该模型和所建模型对高应力区英安岩和相关文献中的高应力区砂岩、花岗岩试验数据进行验证,对比试验曲线和理论曲线,证明所建模型的可行性和适用性,并对英安岩累积损伤的扩展过程进行分析。     

脆性岩石侧向变形特征及损伤机理研究

进行了三峡花岗岩常规三轴压缩、保持轴向应变和保持轴向应力的卸围压试验,研究了脆性岩石在不同应力路径和不同加载控制方式下的侧向变形特征,可见临界侧向应变均稳定在（?0.004 ? 0.000 5）范围内。进一步进行三峡花岗岩的全过程应力-应变曲线和损伤力学分析,发现脆性岩石在不同应力路径和不同加载控制方式下均以侧向损伤为主,且侧向损伤曲线的形态近似,达到临界破坏状态时损伤值稳定在0.7?0.8左右。最后以侧向损伤变量表征花岗岩脆性破坏过程,建立了基于应变空间的、可以考虑卸荷应力路径的损伤模型和应变型破坏准则。     

高温下花岗岩的细观结构与声发射特性研究

利用LEICA DM4500P偏光显微镜对实时温度作用下山东临沂花岗岩的细观形态进行了观测,结合其在高温下单轴压缩与声发射检测试验结果,对不同温度下花岗岩的强度和声发射与细观结构形态关系进行了初步的探讨。研究表明,高温下花岗岩细观结构形态的变化主要体现在不同温度下裂纹萌生及扩展速度的不同;随温度的升高,花岗岩内部形成的裂纹越多,内部损伤越严重,单轴压缩下其声发射活动越频繁;花岗岩的力学特性及声发射特征与岩样内部裂纹网络的形成具有对应的关系,裂纹扩展缓慢则其峰值应力曲线和振铃累计数曲线走势平稳,而裂纹网络急剧扩展则峰值应力曲线和振铃累计数曲线出现拐点导致突变。通过观测岩石在热作用下内部结构形态的变化,以期推断其在热破裂过程中物理力学特征参量发生变化的原因。     

Dynamic Characteristics of Granite Subjected to Intermediate Loading Rate

Summary A large diameter split Hopkinson pressure bar (SHPB) has been developed. This equipment is briefly described, together with a shaped striker that initiates a half-sine incident waveform to obtain the complete stress-strain relationship of the Bukit Timah granite at medium strain rate. Good constant strain rate was derived, and the dynamic complete stress-strain curves and energy absorption of the granite were measured at a strain rate between 20 and 60 per second. Repeated impact between 60–90% of the static strength of the granite was also conducted. Results from the tests show that the cumulative damage of the granite depends on the peak stress of the dynamic loads with a fixed duration. The dynamic fracture strength of the granite loaded at medium strain rate is directly proportional to the cube root of the strain rate. For the granite loaded at this strain rate, Youngs modulus is unchanged. Energy absorption of the samples loading to fragmentation determined its fragmented size distribution. At high strain rate, the rock possesses large energy absorption and the particle size of the fragments is much smaller.