峰前循环剪切作用下岩石节理剪切力学特性

微震、工程爆破等低应力循环剪切荷载作用对节理岩体工程失稳破坏具有重要影响。为研究峰前循环剪切加卸载作用下岩石节理剪切力学特性,采用RDS-200型岩石节理剪切试验系统对人工劈裂黄砂岩节理进行了峰前循环剪切下的直剪试验。通过与未进行峰前循环剪切加卸载时岩石节理力学参数预测值对比,得到峰前循环剪切加卸载作用对峰前剪切刚度、峰值剪切强度、峰值剪切位移与残余剪切强度的影响。结果表明：（1）峰前循环剪切加卸载后,当法向应力为2 MPa时,岩石节理峰前剪切刚度增大,当法向应力为4～10 MPa时,岩石节理峰前剪切刚度在循环剪切应力幅值范围内增大,在超出循环剪切应力幅值时减小;（2）峰前循环剪切加卸载后,峰值剪切强度降低了10%～20%,降低百分比随法向应力增大整体呈对数函数增大;峰值剪切位移增加了2%～40%,增加百分比随法向应力增大整体呈对数函数减小;（3）峰前循环剪切加卸载后,岩石节理残余剪切强度无明显变化,峰值剪切强度与残余剪切强度差值减小,峰后剪切应力做功损失百分比降低。     

非规则砂岩节理剪切变形本构关系试验研究

岩石节理剪切变形对岩体工程的安全性和稳定性具有重要影响。为研究常法向应力下岩石节理剪切变形本构关系,采用RDS-200型岩石直剪仪对非规则砂岩节理进行了不同法向应力下的直剪试验。根据岩石节理剪切应力?位移全程曲线形状特征,将其依次划分为峰前压密阶段、线性阶段、屈服阶段和峰后软化阶段;根据剪切应力在峰后软化阶段降低幅度和速率大小,将岩石节理剪切应力?位移曲线划分为3种类型：峰后平台型、峰后缓降型和峰后跌落型。基于岩石节理剪切应力?位移曲线各阶段剪切变形特征,采用分段函数建立了岩石节理剪切变形本构模型。与其他模型相比,新提出的岩石节理剪切变形本构模型对试验数据拟合精度更高,更好地描述了岩石节理剪切应力?位移全程曲线。另外,在通过岩石节理直剪试验由经验公式确定模型参数之后,所提出本构模型可在不同法向应力下实现对不同粗糙度岩石节理剪切应力?位移曲线的预测。研究结果对岩石节理剪切变形的数值模拟和工程估计具有一定的实用价值。     

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 ，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。     

非贯通类节理岩体剪切变形规律分析

通过直剪条件下的模型试验研究具有相同连通率、含不同起伏角的共面闭合节理在不同法向应力作用下的剪切变形特征。试验结果表明：在达到峰值剪切强度前,剪切应力-位移曲线具有明显的线性段与非线性段;岩桥在法向与剪切荷载的共同作用下会产生一定程度的弱化,积累到一定程度时宏观表现为剪切应力软化。详细阐述了试验过程中裂纹发展的4个阶段并描述了剪切应力-剪切变形曲线变化的特征,提出一个能反映剪切应力-剪切变形曲线全过程的经验本构模型。新模型采用分段函数描述曲线变化特征。直剪试验数据分析表明,该模型能够拟合剪切应力-剪切变形变化发展趋势且具有较高的拟合精度,验证了模型的正确性。最后,对其存在的不足亦进行了简要分析     

不同边界条件下剪切速率对类岩石节理剪切力学特性的影响

为研究不同边界条件下剪切速率对岩石节理剪切力学特性的影响,采用RDS-200型岩石节理剪切试验系统对人工浇筑的具有相同节理形貌的不规则水泥节理试样进行了常法向应力和常法向刚度2种边界条件下5种剪切速率的直剪试验。结果表明：（1）常法向应力边界条件下,随剪切速率增大,相同法向应力下的类岩石节理峰前剪切刚度减速增大,峰值剪切强度和残余剪切强度呈对数降低;随剪切速率增大,类岩石节理黏聚力减速增大,内摩擦角呈对数降低。（2）常法向刚度边界条件下,随剪切速率增大,相同法向应力的类岩石节理峰前剪切刚度减速增大,峰值剪切强度呈对数降低,较高法向应力下的残余剪切强度先增大后减小;随剪切速率增大,类岩石节理黏聚力呈对数降低,内摩擦角减速增大。（3）与常法向应力边界条件相比,常法向刚度条件下,节理黏聚力平均增加了115.85%,内摩擦角平均降低了8.44%;相同初始法向应力和剪切速率下,峰前剪切刚度、峰值剪切强度和残余剪切强度分别平均增加了11.96%、19.47%和32.32%,峰值法向位移平均降低了40.12%。该研究结论可为不同剪切速率下地表和地下工程岩体节理的剪切失稳评价提供一定参考。     

岩石节理在固定法向压力刚度条件下的剪切理论研究

节理在固定法向压力刚度（CNS）条件下的剪切过程比较复杂,剪切中由于剪胀的存在使得法向压力增大,而法向压力的增加又限制了剪胀的发生。根据CNS剪切过程中某一瞬时状态下法向压应力大小,以节理在该法向压应力下法向剪胀位移与剪切位移的关系为基础,建立一个楔形物理模型。通过循环迭代求得CNS剪切过程中每一步的法向压应力值,进而得到整个过程的剪切应力值。通过该模型,讨论了节理各参数对CNS剪切过程的影响,结果表明,其剪切应力值受法向压应力刚度与节理法向变形参数共同协调控制（包括单轴压缩变形及剪胀角的磨损）,节理在剪切过程中越不易发生压缩变形,其剪切应力值越大。     

剪切速率对平直充填节理的剪切力学特性影响研究

不同剪切速率下充填节理的剪切特性对动态荷载作用下工程岩体的安全稳定性有着重要的影响。为了研究剪切速率对充填节理的剪切力学特性的影响,通过花岗岩试块中间充填天然河砂模拟充填节理。采用RMT-150C电伺服试验机进行直接剪切试验,研究了法向压力、剪切速率和充填厚度对充填节理的剪切力学特性的影响。试验结果发现,充填节理的剪切应力-位移曲线属于屈服剪切型,分为弹性阶段、过渡阶段和滑移阶段,无明显峰值强度,在滑移阶段剪切应力继续增加,增加速率与法向压力大小有关。随着剪切速率的增加,充填节理的剪切强度和内摩擦角略有增加。为了考虑充填节理剪切应力-位移关系的非线性变化过程,采用双曲线形式对弹性阶段的应力-位移曲线进行拟合,结果较好,并提出初始剪切刚度和刚度影响系数描述其变形特性。剪切速率和法向压力的增加会大幅度增加初始刚度,充填厚度对两个参数的影响与法向压力有关。对于无起伏度的平直节理,剪切速率和充填厚度对剪切强度影响较小,但对充填节理的变形特性有重要的影响。     

煤岩组合体分级加卸载特性的试验研究

通过MTS 815试验机研究了煤岩组合体分级加卸载试验。分级加卸载下煤岩组合体破坏以脆性破坏机制为主,与单轴作用相比,分级加卸载作用下煤岩组合体的破坏更为破碎,且破坏强度有所提高,但轴向和环向应变却有所降低。同一循环中的加载与卸载曲线基本不重合,且多数情况不形成闭合环路;卸载曲线与下一个循环的加载曲线通常也不重合,但会形成闭合环路。第1循环结束时残余变形较大,加卸载曲线形成了类似“牛角”状的曲线;随着循环加卸载地进行,与残余变形相比第1循环有所降低,加载和卸载曲线在逐渐靠近,并且加卸载曲线类似“竹叶”状。获得了残余变形和加卸载弹性模量随循环加卸载的变化关系,并且实验表明卸载到1 MPa附近时,卸载线是曲折波动的;但在再次加载初期,加载线几乎是直线,且随着荷载的继续增加,加载线和上一个循环的卸载线逐渐分离。循环加卸载后应变相位逐渐滞后于应力相位,内因可能是因为岩石矿物颗粒间的黏滞性以及煤岩组合体界面之间的摩擦引起的,而外因可能是循环加卸载导致了煤岩体内部损伤,并由此诱发不可恢复的残余变形     

渗透水压对节理应力-渗流耦合特性的影响试验研究

为研究渗透水压对节理应力-渗流耦合特性的影响,通过对6组人造节理试件恒定法向载荷和恒定法向刚度的压剪渗流试验,分析了应力和位移、节理水力开度以及透过率随剪切位移的变化趋势,获得了渗透水压对节理岩石应力-渗流耦合特性的影响规律。结果表明：节理试件的剪切应力和位移、水力开度以及透过率都与渗透水压密切相关。剪切应力随渗透水压的增大而减小,法向变形、水力开度和透过率却随渗透水压的增大而增大。在压剪渗流试验过程中,不同渗透压力的节理试件都发生了剪胀效应。研究可为深部岩体工程围岩遇水作用稳定性及渗流灾害控制技术提供科学的理论依据。     

循环剪切荷载作用下岩石节理变形特性试验研究

以水泥砂浆为相似材料,制备3种岩壁强度、5种起伏角度的锯齿型节理试样;利用试验设备,进行了在4种法向应力下的循环剪切试验。根据试验结果,结合循环剪切试验特点,定义剪胀角来表征节理循环剪切的法向变形特性,以及剪切刚度来表征节理循环剪切的切向变形特性。基于不同起伏角、不同强度等级和不同法向应力下的节理试样循环剪切试验结果,分析了循环剪切过程中剪胀角和剪切刚度的变化规律;并利用不同条件下的试验结果,对比分析初始起伏角度、法向应力、岩壁强度对节理循环剪切变形特性的影响规律。研究发现：剪胀角、剪切刚度均随着剪切循环次数的增加而呈现先快、后慢的降低趋势,并且中低起伏角度节理的剪胀角、剪切刚度的降低趋势随着初始起伏角度、法向应力的增加而加快,随着岩壁强度增加而变慢,高起伏角度节理的剪胀角、剪切刚度的降低趋势基本保持不变。     

法向卸荷下贯通裂隙岩样压剪破坏特征研究

开展贯通裂隙岩样在法向卸荷下的压剪破坏研究,有助于更好地理解岩体裂隙在卸荷条件下的失稳特征。对单裂隙贯通岩样开展剪切应力峰前一系列法向卸荷破坏试验,分析了法向卸荷下试样裂隙的变形及能量演化规律。结果表明,法向卸荷下裂隙压剪失稳时的法向应力大于常规直剪试验的对应值,裂隙的抗剪能力减弱;剪切位移随法向应力减小而增大;卸荷变形比K随裂隙轮廓面积比Rs的增加而增大;卸荷过程中总变形能U0由减小转变为增加的现象可用于预测岩石裂隙卸荷失稳。研究结果对理解贯通裂隙岩体压剪卸荷失稳破坏具有一定参考意义。     

花岗岩三轴循环加卸载条件下的气体渗透率

为研究花岗岩在三轴循环加卸载条件下气体渗透率的演化规律,利用岩石多场耦合三轴试验仪分别对花岗岩进行三轴恒下限分级循环加卸载试验和气体渗透试验。试验结果表明：加载曲线与上一次循环卸载曲线形成塑性滞回环,随着循环次数的增加,每个循环应力下限的轴向应变也随之增加;前期几个循环试样体积压缩明显,以轴向压缩变形为主,后期轴向应力达到一定数值时体积由压缩转为扩容,裂纹发展方向偏向于轴向方向,均呈剪切脆性破坏;气体渗透率变化分为稳定下降阶段、缓慢增加阶段、急剧上升阶段3个阶段,试样脆性破坏后气体渗透率均上升2～3个数量级;体积应变曲线拐点与横向应变曲线结合起来可以作为研究岩石渗透率变化规律的一个重要参考因素。     

Experiment and Study on Mechanical Property of Sandstone Post-peak Under the Cyclic Loading and Unloading

Engineering research has shown that the surrounding rock of deep roadways experienced many times of post-peak cyclic loading and unloading. So studying on rock mechanical characteristics of post-peak loading and unloading is helpful to control the deep surrounding rocks. The test using RMT-150B rock mechanics testing system, to experiment on the mechanical properties of sandstone of post-peak cyclic loading and unloading. The results show that: the stress–strain curves of post-peak cyclic loading and unloading have significant plastic hysteretic loops. The area of plastic hysteretic loops gloss back. The enveloping outer enclosure of cycle loading curve is the similar as the stress–strain curves of strain softening stage when the samples failure, which shows that post-peak failure of rocks have significant memory. With the increase of cycles, the cumulative deterioration parameters are gradually increased, and the ultimate bearing capacity, elastic of loading section of samples and cumulative deterioration parameters conform with the exponential attenuation function with constant term. With the increase of surrounding pressure, the total energy, dissipated energy and elastic energy of samples are gradually increased. With the increase of cycles, the total energy, dissipated energy and elastic energy of samples all are gradually decreasing, the rate of reduction decreases gradually. The samples exist in vertical splitting and transverse shear combination failure under the post-peak uniaxial cycles, or exist in shear failure under the post-peak triaxial cycles. The shear plane exists slip traces.     

重复剪切作用下充填物对结构面力学性质的影响

目前,对于结构面的研究主要包括对剪切曲线形态的描述及结构面粗糙度、组数、充填物等因素对结构面强度参数的影响,一般情况下,这类研究的基础是结构面经受静荷载的作用。实际上,结构面也很容易遭受地震、水位升降、爆破等动力荷载的反复剪切作用,但是,至今对反复剪切作用下结构面力学特性的研究较少或缺乏系统性。笔者在室内直剪试验的基础上,研究了重复剪切作用下充填物对结构面变形和强度的影响。采用钢制模具和混凝土材料预制4种起伏角度结构面,在1.56MPa法向应力和两种充填状态下进行多次直剪试验,分析每次剪切过程中的切向应力和法向位移随切向位移的变化。通过对切向应力和法向位移随切向位移变化曲线分析可知,初次剪切时,起伏角度越大,结构面剪切破坏方式容易从滑移破坏过渡为剪断破坏;第二次剪切开始,无论起伏角度如何,结构面的剪切破坏方式基本上都转变为滑移破坏;充填物的存在基本不会改变结构面的剪切破坏方式,但会使剪切过程中结构面的爬坡效应增强,使结构面被剪断或磨损的作用减弱,峰值法向位移增大。     

双向循环荷载作用下砾石−格栅界面动力剪切特性

在动荷载作用下,加筋土结构中筋土界面不仅会受到水平循环剪切作用,还会受到循环荷载的压缩作用。采用大型直剪仪对双向循环作用筋土界面动力剪切特性进行研究,探究不同循环法向荷载频率、水平循环剪切频率和法向荷载波形对界面剪切强度的影响。结果表明：当循环法向荷载频率和水平循环剪切频率一致时,峰值剪切应力和最大竖向位移随着频率的增加而增加,前后半周期剪切应力和位移曲线时间差均相同;反之,滞回圈应力−位移关系和竖向位移会由于双向循环荷载频率的不同呈现两种不同形态特性;正弦波法向荷载作用下剪切应力和竖向位移最大,而斜波和方波荷载作用下,滞回圈和竖向位移变化曲线较三角波和正弦波差别较明显;剪切刚度随着双向循环荷载频率的增大而增大,正弦波作用下界面剪切刚度最大,斜波作用下界面剪切刚度最小。     

The effects of unloading on drained cyclic behaviour of Sydney sand

New excavation or tunnelling affects the stress state of soils in ground. The change of stress state due to excavation may affect the cyclic behaviour of soils. Cyclic loading, such as traffic and earthquake loading, induced ground deformation may be greater than expected if such effect is not considered. A series of cyclic triaxial tests were performed on Sydney sand with different relative densities. The effect of unloading sequence on deformation of the sand under cyclic loading was simulated by reducing lateral stress in steps between loading cycles. The dependence of strain accumulation on the magnitude of confining pressure reduction and on unloading stress paths was studied. The results indicate that the sand has a memory of stress history and the stress history of such unloading enlarges the strain accumulation during the subsequent cycles, and the greater the reduction of lateral stress, the greater the accumulated strain. Under cyclic loading, the accumulated axial strain could increase nonlinearly or linearly with the ratio of unloading magnitude to initial mean effective stress, depending on the stress state before cyclic loading. The unloading stress paths have limited effects on the final accumulated strain if the initial and final stress states are the same. The variation of strain accumulation direction attributes to the change of average stress ratio resulting from lateral stress reduction, but hardly depends on relative density and unloading stress paths. The strain accumulation direction after unloading roughly agrees with the modified Cam Clay flow rule.

     

锦屏二级水电站大理岩复杂加卸载应力路径力学特性研究

地下洞室开挖围岩经历典型径向卸载、环向加载应力路径,由此引起的岩体强度、变形特征和破坏机制也不尽相同。针对锦屏二级水电站高地应力赋存环境,对施工排水洞大理岩开展常规单轴全应变、三轴压缩、卸围压、卸围压-加载轴压等4种不同应力路径力学试验,得到应力-应变全过程曲线、变形破坏特征和极限储能变化规律。试验研究结果表明, （1）锦屏二级水电站大理岩破坏时轴向应变一般较小,为硬脆性材料,卸荷应力路径下该脆性特征更为明显;（2）卸围压同时加载轴压试验峰值强度对应轴向应变、环向应变及体积应变值一般高于单纯的卸围压值,而对应峰值强度则一般低于卸围压值;（3）卸荷速率较大时,变形模量越大,大理岩峰值强度越低。加载速率越大,变形模量越小,峰值强度越高。初始围压越高,变形模量值越低,峰值强度越高;（4）无侧限作用时试件主要为张拉破坏,低侧限作用时为剪切破坏为主,局部存在张拉破坏,较高侧限时,剪切面为典型X或Y型;（5）岩石试件具有极限储能值,该值受多种因素的影响。一般情况下试件破坏对应围压越高,极限储能值越高,卸载速率越大,极限储能值越小。研究结果对于岩爆孕育发生机制解释以及工程实际问题的解决均有参考价值。     

盐岩循环加卸载过程中的速率效应试验研究

作为一种典型软岩,盐岩力学特性的时间相关性显著,准确预测和评估盐穴储气库加卸载过程中的变形损伤能力,关系到能源储备库的长期安全稳定运行。为研究盐岩的速率效应,进行了不同加卸载速率的疲劳试验。基于现有蠕变本构模型,构建了速率效应方程,区分了加卸载过程中的蠕变塑性变形与加载塑性变形。研究结果表明：（1）盐岩的整体疲劳寿命、稳定变形阶段（即第2阶段）疲劳寿命占比基本随加卸载速率的增大而增大。（2）减速变形阶段（即第1阶段）疲劳寿命占比、稳定变形阶段平均残余应变基本随加卸载速率增大而减小。（3）速率耦合疲劳试验中,加卸载速率越大,残余应变越小,蠕变塑性变形随加卸载速率的增大而减小,当加卸载速率由0.04 kN/s增加至5 kN/s时,蠕变塑性变形在循环中的占比由85%下降至36%,呈现出负指数的关系。（4）整个循环加卸载过程中,加载塑性变形、蠕变塑性变形均呈现U型发展趋势,与盐岩疲劳过程的三阶段相对应。该研究结果可以为进一步分析盐岩蠕变塑性与加载塑性奠定基础。     

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.