模拟岩石应变软化变形全过程的统计损伤本构模型研究

建立可以模拟岩石应力-应变全过程的本构模型一直是岩土工程中研究的热点之一.首先,在深入探讨应变软化类岩石受力变形全过程每个阶段特征的基础上,并针对Lemaitre应变等价性理论的不足之处,基于更合理的假定建立了能够反映应变软化类岩石体积变化以及峰后出现残余强度的新型损伤模型;然后,通过引入统计损伤理论并考虑损伤阈值对岩石变形过程的影响,建立了能够模拟应变软化类岩石受力变形全过程的统计损伤本构模型,该模型还可以反映岩石的体积变化以及初始孔隙率对其变形过程的影响;最后,通过理论计算与试验结果及他人模型的对比分析,表明了该模型的合理性与可行性.     

有限应变的一种计算方法及其应用

构造地质分析和矿田构造分析中经常运用变形椭球体,用它形象地表示不同方向上的变形大小和主应变方向,由此进一步判断主应力方向,帮助分析一个地区的受力方式。不过这些椭球体的形态绝大多数是假想的,分析结果也只是定性的。近十几年构造地质学的研究逐渐从定性分析向定向方向发展。岩石有限应变测量引起了广泛的注意,它为人们提供了必要的数字信息,可以使我们了解到:一个区域或某个构造内部应变场的特征,探讨     

高轴压和围压共同作用下矽卡岩受频繁动态扰动时的动力学特性

以冬瓜山铜矿深部出矿进路附近的矽卡岩为研究对象,采用改进的SHPB试验系统,进行高轴压和围压共同作用下受频繁动态扰动时深部矽卡岩动力学特性的研究。研究结果表明：预加载的高轴压和围压促使岩石内部微裂纹闭合,致使冲击荷载作用时动态应力-应变曲线初始阶段无下凹现象,即无压密阶段;峰值应力后,当岩样内部存储的弹性力大于卸荷时的冲击荷载时,出现应变减小的回弹现象,否则压缩应变一直增大至岩样破碎;累计扰动冲击次数随围压增大递增,随轴压增大递减,且增减率受围压、轴压大小的影响;动态变形模量、动态峰值应力随扰动冲击次数增加而减小,但最大应变及动态峰值应变增加;动态均值强度随轴压增大而减小,随围压增大先减小后增大;岩石动态变形过程中伴随着弹性变形,产生的回弹应变总体上随扰动冲击次数的增加呈先增大后减小的趋势发展。     

辽西凌源—北票断裂带有限应变分析及其意义

凌源-北票断裂是内蒙地轴与燕山台褶带之分界断裂,对辽西大地构造格架和中新生代断陷盆地形成均具有重要作用.采用岩石有限应变测量和超微构造研究方法,恢复断裂带应变历史、计算断裂带古应力差值,研究表明:凌源-北票断裂带为拉长型应变与平面应变的过渡类型;该断裂存在两种明显不同的应变状态,NW-SE向最大主应变轴反映了燕山运动第二幕及其以前的应变状态,NE-SW向最大主应变轴反映出辽西中生代断陷盆地形成时的应变状态.通过位错密度计算出凌源-北票断裂带的古差异应力值为32.7MPa.凌源-北票断裂经历了辽河、燕辽、印支及燕山运动的叠加与改造,具有复杂的变形历史,燕山运动第二幕是本区的定格构造,奠定了凌源-北票断裂带的最终样式.     

单轴压类岩石试件应变局部化位置、方向及预警应用研究

应变局部化是岩石破坏的先兆,为揭示单轴压缩条件下控制变形局部化带出现时间、位置和生长方向的主要因素。以白光数字散斑相关方法作为观测手段,获取实验过程中变形局部化的时间演变全过程数据,计算最大主应变场、最小主应变场、位移场,并结合轴力-位移关系曲线对多个试件的局部化演变特征进行了综合对比分析,发现类岩石脆性材料在单轴压受力条件下局部化带的发展沿最大主应变(最大压应变)方向,并随着最大主应变方向的偏转而发生偏转;局部化带的出现位置受最小主应变控制;短时位移场显示脆性类岩石材料局部化带内以张拉破坏为主,并非剪切破坏;局部化带不仅可在接近峰值载荷的高荷载条件下出现,还可能出现在荷载值较低的变形加速拐点处;局部化启动、局部化带两侧观测点水平位移分量反向是较好的构件破坏预警指标。     

不同围压下岩石广义应力松弛特性试验研究

实际工程中有些岩体发生的流变性既不是纯蠕变又不是纯应力松弛,表现为应力和应变同时发生变化。利用可视化三轴压缩伺服控制试验系统,研究了不同围压条件下岩石的广义应力松弛特性,试验结果表明,岩石存在应变及应力同时增大、应变增大而应力减小、应变及应力都减小的情况,岩石蠕变和应力松弛行为属于岩石广义应力松弛现象的特例;在不同情况下的广义应力松弛过程中围压对岩石广义应力松弛特性的影响不甚相同,岩石轴向应变增大时围压越高岩石试件轴向变形越困难,岩石应变减小时围压越高岩石试件变形越明显。采用广义应力松弛试验方法,开展单轴及三轴压缩荷载作用下岩石广义应力松弛试验研究,对不同情况下岩石广义应力松弛特性的围压效应进行对比分析,以期对后期开展更深入的三轴广义应力松弛试验研究具有一定的指导和借鉴意义。     

岩石裂纹闭合效应及其定量模型研究

岩石的裂纹闭合效应对于岩石的变形以及强度性质具有重要影响。主要研究了岩石内部微裂纹的闭合压密效应及其定量评价方法。首先,基于有效介质理论将岩石的轴向应变分为基质轴向应变和裂纹轴向应变两部分;然后通过3组岩石压缩试验资料,建立裂纹轴向应变随轴向应力变化的负指数模型。分析发现,负指数模型可以较好地描述岩石裂纹闭合压密阶段的非线性。裂纹闭合应变可以在一定程度上反映岩石内部的微裂纹数量(密度),能够描述微裂纹密度在单轴、三轴压缩条件下的变化规律。     

应变测量及其地质意义

利用岩石中的某些标志(如鲕、砾石等)分析自然变形岩石中的有限应变,对了解变形岩石构造的几何特性、形成方式及其应变历史,都有很重要的意义.早在19世纪中期,西方一些学者已开始利用变形化石作为应变标志研究地质构造(特别是劈理)的成因.此后,不少学者利用岩石中的应变标志对变形岩石中的构造以及区域的应变历史进行了研究.其中尤以克鲁斯(E.Cloos,1947)利用鲕石的变形研究美国马里兰州南山的岩石变形,是一次系统的尝试.在《岩石的褶皱和断裂》("Folding and fracturing of rocks",1967)一书中,兰姆     

渗透压-应力耦合作用下泥岩三轴流变实验及其流变本构

渗透压与应力耦合作用下泥岩的流变实验及其本构研究, 对岩土工程长期稳定性分析具有重要的意义.采用岩石温度-应力-渗流耦合三轴流变仪, 对泥岩进行了渗透压-应力耦合作用下、干燥状态下两种状态的三轴流变试验, 并对两种状态下流变破坏后泥岩断口进行了电镜扫描.研究结果表明:(1) 渗透压-应力耦合作用下泥岩应变与时间关系实测曲线中应变曲线出现突变现象的次数明显高于干燥状态下泥岩的流变曲线, 说明渗透压对泥岩具有较强的损伤效应; (2) 因渗透压的作用, 致使渗透压-应力耦合下泥岩在轴向应变、环向应变和体积应变总量上远大于干燥态流变岩样的应变总量, 渗透压-应力耦合下泥岩发生流变破坏的应力荷载为干燥状态泥岩荷载的66.7%, 渗透压对岩石强度有明显的减弱影响; (3) 两种状态下流变破坏后泥岩断口进行电镜扫描后, 细观破裂特性对比发现, 在渗透压-应力耦合作用下, 岩石强度加速降低; (4) 对两种状态下泥岩试验成果的流变模型进行了预测, 采用所提出的改进的西原本构模型来描述泥岩的流变变形行为, 拟合结果显示:改进的西原本构模型能够较好地模拟两种状态下泥岩的全过程流变变形行为, 并获得了流变变形特征的本构模型参数值, 为渗透压-应力耦合下岩土体长期变形研究奠定了重要基础.      

影响地下应力状态的构造作用

成岩成矿的外部条件中压力是很重要的因素。地下岩石所受的压力不仅来自上覆岩石的重力，而且来自构造力和热力及其它力。这些力合成一个三轴不等的应力状态，相当一个以最短轴为半径的球状应力迭加一个差应力。前者影响成岩成矿和变质作用，后者控制岩石变形和组构的变化。通过三维应变应力测量，这两部分力通过计算是可以区分开的，因而这将是建立地下深度测算新方法的一个基础。     

脆性岩石变形机制与渗透率关系研究

为研究脆性岩石变形机制与渗透率- 应变的关系,根据脆性岩石应力- 应变和渗透率- 应变关系曲线分析指出：脆性 岩石经压密、弹性变形和非稳定破裂后,内部微裂隙出现丛集式发展,且不断合并、贯通,导致微观结构发生明显变化, 使渗透率在临界破坏点处急剧增大;当岩石宏观破坏后,内部结构面上的岩桥或凸起体部分被剪断或磨平,使得岩石强度 随变形突然下降,此时渗透率到达峰值。结合重整化群理论分析表明,脆性岩石在应力- 应变曲线拐点处应变和渗透率峰 值点处应变对应、临界破坏点处应变和渗透率急剧增大点处应变对应。通过试验研究和实例统计分析,验证了结论的合理性。     

小秦岭楼村地区寒武系鲕粒变形有限应变测量分析及意义

秦岭造山带中洛南一栾川断裂是划分华北板块南缘和北秦岭的重要界线.断裂带北侧楼村地区广泛出露寒武系张夏组鲡粒灰岩,鲕粒变形普遍发育.通过对变形鲡粒进行显微组构研究,在了解该地区岩石宏观变形机制及构造演化期次基础上,分别计算楼村3处测点样品的三轴比率及Flinn参数K,绘制该区岩石应变测量的Flinn图解.结果认为,鲡粒变形以单轴压扁为主(0＜K＜1),是南北向挤压应力所致,鲕粒发生单轴压扁变形是洛南小秦岭逆冲推覆构造作用的微观响应.岩石变形主要受秦岭主造山期(印支期)小秦岭逆冲推覆构造系自北向南的推覆挤压作用影响.另外,通过野外观察与邻近地区进行对比,表明洛南小秦岭逆冲推覆构造系自北向南变形增强.     

白银厂矿区劈理成因的磁组构分析

将磁性组构方法用于甘肃白银厂矿区的构造分析.结果表明该区岩石的磁性组构与岩石组构具有同一分布规律.岩石的磁线理与岩石的拉长线理L~a近于一致,磁面理与第一期劈理S_1基本平行,并垂直于岩石的磁化率椭球的最小主轴,也垂直于应变椭球的最短主轴方位,故推断第一期劈理S_1的成因主要属压扁成因.同时受到后期的多次变形与褶皱迭加影响.S_1轴面的优选面状分布发生变位不大,表明该区多次构造变形主要来自早期的同一主应力场作用所致.矿区岩石的磁面理与应变椭球拉长轴面或第一期劈理面S_1存在某些的角度差,表明该区岩石的劈理面由于受后期多次构造变形影响,可能发生剪切运动或旋转机制.     

一种求解倾斜滑动断层差应力的方法

构造地质学与其他科学一样以定量化作为其目标之一,构造的应力分析和应变分析是构造地质学定量化发展的手段。在应力分析中,已有一些方法手段确定应力的主方向,但应力大小的计算仍没有得到很好的解决。本文通过固体力学和断裂力学的分析,推导出一套求解正断层和逆断层发生的差应力大小的求解公式。正、逆断层发生时的差应力大小随埋深的增大而增大;在地表条件下,正、逆断层发生时的差应力与岩石初始抗剪强度和岩石的内摩擦角有关。本文中的公式与已有的共轭剪节理求解古差应力大小的公式结合,可做出某个地区的差应力值图,恢复古应力场。      

海底隧道风化花岗岩流变试验研究

采用全自动三轴流变试验机对厦门东通道海底隧道风化槽地段岩石进行三轴压缩流变试验,研究了岩石在不同围压和不同应力水平作用下轴向应变随时间的变化规律。试验表明,强风化花岗岩时效特性较全风化花岗岩更加明显;围压对岩石蠕变变形存在很大影响,围压越大,蠕变变形量越小。通过分析岩石压缩流变过程中应力-应变关系可知,蠕变变形在弹性阶段不对岩石整体构成明显损伤。而进入塑性阶段后,黏塑性变形对岩石破坏影响较大。建议通过支护增加围压,以提高隧道围岩屈服强度和减小流变变形,防止隧道失稳破坏。     

多孔隙岩石加卸载力学特性及本构模型研究

为了研究岩石在加载-卸载过程中的应力-应变关系,以砂岩为例,对其进行常规三轴加卸载试验。分析了峰后卸载阶段岩石的非线性特性,对岩石的损伤变量进行定义,给出了峰后卸载过程中用于描述应力-应变关系的弹性模量模型。通过分析加载-卸载过程中的轴向应变与径向应变的关系,得到了卸载过程中泊松比模型。引入D-P塑性模型,针对砂岩的塑性硬化特性,对硬化函数进行修正,建立了与等效塑性应变相关联的损伤模型。将计算模型矩阵化后进行数值计算。在此过程中得到如下结论:多孔隙岩石在加载过程中表现出明显的非线性特征,随着体应力的增大,岩石的弹性模量逐渐增大。岩石峰后卸载过程中,当轴向应力大于围压时,应力-应变可以利用峰前弹性阶段的弹性模量模型乘以连续性因子进行描述。随着等效塑性应变的增大,泊松比先增大后减小,最终趋于稳定。峰后卸载过程中,等效塑性应变不发生变化,此时泊松比保持不变。利用提出的本构模型进行了数值计算,数值计算结果与试验结果进行对比,结果表明,提出的模型能够反映出岩石在峰后卸载过程中的应力-应变规律。     

戒台寺滑坡的数值模拟分析

北京戒台寺滑坡是由采矿引发的特大型岩石滑坡,采用大型通用有限差分软件FLAC3D对滑坡进行数值分析及平面应变情况计算,通过改变材料弹性模量、泊桑比、容重、C、Φ值等指标,尽可能模拟滑体、滑带及滑床等地层岩性特征和地表的变形特征。根据过去、现在、将来可能发生的情况,设计了八种工况。按各种不同工况依次计算滑坡体内部的应力、位移和塑性区的发展变化、结构物内部受力与变形情况。验证了滑坡的变形特征及其发生发展机理,为类似工程提供了参考经验。     

孟加拉国库巴煤矿Ⅵ煤顶板水-力耦合渗透性实验研究

为了探究巴库煤矿Ⅵ煤二分层开采顶板覆岩的渗透特性,选取具有代表性的裂隙型软岩(泥岩)和硬岩(中砂岩)两种试样进行了三轴应力状态下的全应力-应变过程渗透性对比试验,得出了主应力差-轴应变变化规律和渗透率-轴应变分布特征,实验结果表明:软、硬岩在主应力差-轴向应变曲线中的特征存在差异,软岩的主应力差随轴向应变呈现线性变化规律,而硬岩则表现出明显的弹性变形、裂隙扩展和裂隙贯通三段性,并基于实验数据给出了主应力差-轴向应变拟合公式;软岩因受泥化影响,在低轴向应变时渗透率随轴向应变表现为明显的波状起伏,在高轴向应变时渗透率-轴向应变曲线波动较小,而硬岩渗透率-轴向应变因受到岩石内部裂隙发育影响较大,随着水压力与渗透率呈现出正态分布趋势,而不同的水压力下渗透率变化更显著。其成果给分析和判断覆岩顶板裂隙突(涌)水理论研究提供了重要的实验依据。     

北京西山流动变形碳酸盐岩的微构造分析

本文提供一个可以与岩石力学变形试验相比较的碳酸盐岩天然流变实例。根据对变形岩石的构造微貌、应变特征、微构造相的系统分析,得出以下主要结论:（1）流动变形期的环境参数分别是:温度为250°～450℃C;压力为200—400MPa;差异应力为60—90MPa;在剪切带内可达110MPa;低应变速率(10^-13量级);（2）流变碳酸盐岩的典型组构是小圆环带的单斜对称型式。在剪切带内,可以无优选方位。岩石经受平面应变,略偏向拉伸应变,主压扁面与新生构造面理近于平行;（3）在中低温—中压,低应变速率的变形环境中,扩散作用是碳酸盐岩变形的重要机制之一。在强剪切带内,岩石进入第三蠕变阶段;（4）在褶叠层内部,应力、应变强度及应变速率的差异表明,分层差异剪切流动作为褶叠层的一种成因模型是可信的。     

三峡库区侏罗系泥岩CT损伤特性试验研究

结合CT-三轴试验研究了三峡库区侏罗系泥岩破坏过程中的细观损伤特性。获得了泥岩受破坏时的实时CT图像、CT数均值及方差等结果。通过CT图像中泥岩内部的主裂纹区域和非主裂纹区域在变形破坏过程中出现的特征,采用截面整体分析和选取区域分析相结合的方法探讨了岩样各变形阶段的损伤演化规律。研究表明:宏观裂纹一般最早出现在到达屈服点后,形成于红层泥岩承载能力较弱的区域,即原生孔隙、微裂纹较集中的区域,根据岩石内部区域CT数的变化规律可以判断裂纹的出现阶段和损伤程度。基于此,提出将不同围压下泥岩在屈服点的应变值作为岩石损伤的门槛应变值,低于该应变值时,侏罗系泥岩无明显损伤,高于该应变值时,损伤加剧。