浸泡作用下砂岩断裂力学特性及劣化机理

岩石的断裂韧度对于定量评价工程的安全及稳定具有重要意义, 而岩石的破坏常常有水参与, 在库水长期浸泡作用下, 岩石的断裂力学特性将如何变化值得深入研究.基于此, 以库岸边坡典型砂岩为研究对象, 设计了长期浸泡试验, 并基于断裂韧度、变形破坏特征和微观结构变化进行综合分析.试验结果表明: (1)浸泡作用下, 砂岩的断裂韧度具有明显的劣化趋势, 而且劣化幅度有一个先增大后减小的趋势, 浸泡5~6月后, 劣化趋势逐渐减缓;(2)砂岩三点弯曲试验的P-CMOD关系曲线可以比较明显地分成3个阶段: 弹性阶段、屈服阶段、裂纹开展及破坏阶段, 随着浸泡时间的增长, 弹性阶段逐渐变短, 屈服阶段逐渐变长, 裂纹开展阶段曲线下降趋势逐渐变缓, 而且达到开裂峰值荷载对应的切口张开位移逐渐增大, 砂岩有逐渐“变软”趋势, 脆性逐渐减弱, 塑性逐渐增强;(3)浸泡作用导致的润滑、软化和砂岩内部微观结构的变化, 特别是微观裂纹、裂隙的发展是导致砂岩断裂韧度及其他力学参数劣化的根本原因.研究成果对于把握库水长期浸泡作用下砂岩断裂力学特性具有比较重要的参考价值.      

水-岩作用对砂岩卸荷力学特性及微观结构的影响

库岸坡岩体在工程建设中不可避免要遭遇开挖卸荷作用的影响,以三峡库区典型岸坡的层状砂岩为试验对象,设计开展了模拟库水位升降变化和浸泡-风干循环的水-岩作用试验,重点分析了水-岩作用对砂岩卸荷力学特性和微观结构的影响。研究表明：在10次水-岩作用过程中,砂岩的三轴卸荷强度、抗剪强度总体呈先陡后缓的劣化趋势,前4次水-岩作用的劣化速度较快,占总劣化度的70%左右,而后,劣化趋势逐渐趋缓;随着水-岩作用次数的增加,同一围压下岩样卸荷前的变形模量逐渐降低,围压卸载过程中变形模量的线性缓变阶段逐渐变短,非线性突变阶段逐渐变长、变缓,岩样的脆性特征逐渐减弱,塑性逐渐增强;水压力的反复升降变化和浸泡-风干循环作用对岩样造成了不可逆的渐进累积损伤,微观上岩样微裂纹、裂隙、孔隙逐步发育、汇集,宏观上就表现为孔隙率增加、三轴卸荷强度、抗剪强度的劣化。相关研究结论可为库岸边坡岩体开挖卸荷变形稳定分析提供参考。     

水−岩作用下砂岩力学特性及微细观结构损伤演化

在库水位反复升降作用下,库岸边坡消落带部分岩体处于浸泡―风干循环状态,其力学特性的劣化将直接影响库岸边坡的变形稳定。以三峡库区库岸边坡消落带砂岩为研究对象,设计并进行了考虑浸泡―风干循环和水压力升降变化的水?岩作用试验。结合SEM电镜扫描,分析了水?岩作用对砂岩微细观结构的影响,采用PFC2D离散元软件对水?岩作用下砂岩的劣化过程进行了模拟分析。研究结果发现：（1）水?岩作用下砂岩的力学性能劣化效应明显,弹性模量和单轴抗压强度总体呈现先陡后缓的劣化趋势,其中前6次的浸泡―风干循环作用导致的劣化效应尤为明显。（2）水?岩作用下砂岩的微细观结构变化特征明显,由较致密的孔隙式胶结结构逐渐向不规则的蜂窝状结构发展,宏观上就导致了砂岩变形和强度特性的劣化。（3）由PFC2D离散元模拟分析发现：水?岩作用导致岩石内部颗粒强度和颗粒间黏结强度逐渐劣化,非均匀性增强,荷载作用下的应变局部化特征逐渐明显,整体承载能力逐渐降低,破坏模式由典型的张拉破坏逐渐转变为剪切破坏。     

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。     

库水压力作用下砂岩破坏形式的探究

为了解砂岩在库水压力作用下的破坏形态特征,选取三峡库区秭归某滑坡区域砂岩为研究对象进行浸泡试验。试验采用自主设计的YRK-1型岩石溶解试验仪,设定0、0.4、0.8 MPa三种不同浸泡水压,并进行对比。对不同水压力下浸泡的砂岩在不同浸泡周期进行单轴和三轴压缩试验,得出了砂岩试样在不同情况下的宏观破坏形态特征。研究表明,随着浸泡时间增长,砂岩试样试验破坏时呈现如下规律：（1）砂岩试样在不同围压时都表现出破坏角逐渐减小并趋近于某一稳定值的规律,而且浸泡压力越大,减小的趋势越明显;（2）单轴压缩破坏时砂岩试样表面剪切裂纹逐渐变短,张拉裂纹逐渐变长,而且浸泡压力越大,变化趋势越明显     

层理面特性对砂岩断裂力学行为的影响研究

层理弱面对层状岩石的力学特性影响较显著，为了研究层理面特性对岩石断裂力学特性的影响，开展了具有不同层理方向的砂岩试样三点弯试验，探讨了砂岩断裂韧度及断裂模式的各向异性。之后基于有限元中的黏聚单元建立了数值模型，采用数值模拟方法研究了层理面强度对各层理角度试样断裂力学行为的影响规律。结果表明：层理方向影响下砂岩的断裂韧度及模式存在各向异性；同一层理方向试样的断裂韧度随层理面强度的增大而增大，且试样的层理面与加载方向夹角越小，断裂韧度受层理面强度变化影响越明显；试样的断裂模式不仅与层理面强度有关，还受层理倾角的控制，层理面与加载方向夹角θ = 0o试样断裂模式基本不受层理面强度影响，θ = 30o试样主要沿层理面张拉或剪切破坏，且沿层理面的破裂长度随层理面强度的降低逐渐增大；层理面强度较大时，θ = 45o试样主要沿层理面张拉破坏，θ = 60o～90o试样主要以贯穿层理的张拉破坏为主；层理面强度较小时，θ = 45o～90o试样均以沿层理面的剪切破坏为主，其中θ = 45o试样沿层理剪切长度最大。另外，通过数值模拟结果分析了层理面强度及方向对试样的起裂角及裂纹扩展路径产生的影响。该研究成果可作为层状岩石断裂力学理论的有益补充。     

水–盐作用下红层砂岩声波特性劣化试验研究

水-岩作用是岩石表面风化、结构破坏以及强度降低的重要原因之一,也是岩土力学研究领域的经典问题。基于此,以甘肃兰州地区红层砂岩作为研究对象,通过进行10次不同(盐)溶液下的干湿循环,研究了红层砂岩的声波劣化特征以及劣化机理。研究表明:(1)随着干湿循环次数的增加,试样的质量逐渐减少、纵横波速逐渐降低,这种变化在高浓度硫酸盐溶液中更为明显,且垂直层理试样比平行层理试样更容易遭受劣化;(2)通过岩石纵波的频谱特征分析,发现Na_2SO_4溶液条件下,岩石的能量损失较NaCl溶液更显著。同种溶液中,浓度越高,岩石的能量消散越大;(3)在劣化过程中,出现了2种形式破坏:端面剥蚀和沿层理的横向断裂和纵向劈裂;(4)微观结构分析表明,水-盐作用下岩石的胶结变差,导致孔隙变大是影响红层砂岩声波劣化的主要原因。研究成果对于红层砂岩边坡长期稳定性评价具有较大的参考价值,同时,也为砂岩质文化遗产评价、保护提供科学依据。     

层理面特性对砂岩断裂力学行为的影响研究

层理弱面对层状岩石的力学特性影响较显著,为了研究层理面特性对岩石断裂力学特性的影响,首先开展了具有不同层理方向的砂岩试样三点弯试验,探讨了砂岩断裂韧度及断裂模式的各向异性。之后基于有限元中的粘聚单元建立了数值模型,采用数值模拟方法研究了层理面强度对各层理角度试样断裂力学行为的影响规律。结果表明：层理方向影响下砂岩的断裂韧度及模式存在各向异性;同一层理方向试样的断裂韧度随层理面强度的增大而增大,且试样的层理面与加载方向夹角越小,断裂韧度受层理面强度变化影响越明显;试样的断裂模式不仅跟层理面强度有关,还受层理倾角的控制,层理面与加载方向夹角θ = 0°试样断裂模式基本不受层理面强度影响,θ = 30°试样主要沿层理面张拉或剪切破坏,且沿层理面的破裂长度随层理面强度的降低逐渐增大;层理面强度较大时,θ = 45°试样主要沿层理面张拉破坏,θ = 60°～90°试样主要以贯穿层理的张拉破坏为主;层理面强度较小时,θ = 45°～90°试样均以沿层理面的剪切破坏为主,其中θ = 45°试样沿层理剪切长度最大。另外,通过数值模拟结果分析了层理面强度及方向对试样的起裂角及裂纹扩展路径产生的影响。该研究成果可作为层状岩石断裂力学理论的有益补充。     

砂岩Ⅰ型断裂韧度及其与强度参数的相关性研究

岩石的破坏和断裂是密切相关的,岩石强度准则的材料参数和断裂理论的断裂韧度是存在特定关系的,基于此,设计了紧凑的试验方案,对干燥和饱水状态下的砂岩试样进行了3点弯曲断裂韧度试验和抗压、抗拉强度试验,试验结果表明,饱水后,砂岩的Ⅰ型断裂韧度软化效应明显,饱水试样和干燥试样的 比值与砂岩抗压强度的软化系数相近,具有相似的软化效应。同时,从理论上分析了岩石I型断裂韧度与抗拉强度之间的关系,并结合大量的试验数据进行了验证,相关结论为以往的岩石I型断裂韧度与抗拉强度之间的数据统计拟合公式提供了理论基础。最后,统计分析了砂岩Ⅰ型断裂韧度与抗压强度、黏聚力、内摩擦角等强度参数之间的关系。研究成果对于把握砂岩Ⅰ型断裂韧度及其与强度参数的相关性具有较大的参考价值,相关的分析结论、试验方法和试验结果也可以为其他类型岩石的研究提供有益的参考。     

冻融及加卸荷条件下川藏交通廊道典型岩石力学特性的劣化规律

为了探究川藏交通廊道沿线典型岩石冻融循环条件下的劣化规律,选取昌都-林芝段的花岗岩、片麻岩和砂岩为试验对象,开展冻融循环条件下岩石加卸荷试验,结果表明:（1）随着冻融循环次数的增加,岩石抗压强度损失率达30%,粘聚力降幅达18.4%,内摩擦角降幅达10.5%,弹性模量逐渐下降,泊松比逐渐增加;（2）三轴压缩试验中,岩样的变形模量呈现与抗压强度类似的劣化趋势,但是变形模量的劣化幅度比抗压强度劣化幅度大;冻融循环作用下岩石抗压强度越大劣化程度越低,对砂岩的劣化最明显,片麻岩次之,花岗岩最小;（3）与三轴压缩试验相比,在卸围压试验中,冻融循环作用对岩石的卸荷量同样有劣化作用,卸荷程度较小时岩石劣化并不明显,随着卸荷量的逐渐增加,卸荷量大于80%时,岩石的变形模量呈指数型下降,泊松比呈指数型增加;（4）随着冻融循环次数的增加,三轴压缩试验中由拉张和剪切破坏造成的裂纹数量增多;卸围压试验中岩石以拉张破坏为主;岩石微裂纹数量增加的同时,不平整度增加,矿物颗粒之间的胶结状态变差;（5）综合试验结果分析,冻融作用对岩石劣化作用最强的为砂岩,其次是片麻岩,最弱为花岗岩.      

基于平行黏结模型的水-岩作用下砂岩蠕变模拟及损伤机制研究

为探明库水位周期性升降作用下消落带岩体蠕变损伤机制,基于PFC中的平行黏结模型(parallel bond model, PBM),考虑水-岩作用对黏结的弱化和材料特性随时间的变化,提出水-岩作用下砂岩蠕变的离散元模拟方法,并在室内试验基础上开展水-岩作用下砂岩蠕变模拟。研究结果表明：在破坏应力水平下,试样微裂纹扩展与蠕变应变规律相似,可分为衰减扩展阶段、稳定扩展阶段、加速扩展阶段,且随水-岩作用周期增加,加速扩展阶段的耗时占总耗时的比例增大;试样蠕变破坏时,随水-岩作用周期增加,剪切裂纹占比逐渐增加,微裂纹倾角分布逐渐分散,倾角分布在65°和115°附近的微裂纹逐渐增加,试样的张性破坏减弱,剪性破坏增强;水-岩作用下,试样能储存的最大胶结能不断降低,且储存相同胶结能时对应的应变不断增大,与实际岸坡在水-岩作用下岩体整体承载能力降低、变形增大的规律一致。提出的水-岩作用下砂岩蠕变模拟方法具有较好的可行性,为库岸边坡岩石在库水位升降影响下的模型研究提供理论基础。     

复合型加载条件下锈岩断裂韧度试验研究

岩石断裂韧度表征其抵抗裂纹起裂和扩展的能力,作为其力学性能的一个重要指标,在岩石力学理论研究与岩体工程应用中有着不可替代的作用。由于岩石结构的复杂性,其破坏形式大多呈现为复合型断裂破坏,研究复合型加载条件下岩石断裂韧度具有重要的意义。为了研究锈岩的断裂力学性能,以便其在建筑工业中得到更为广泛的应用,通过18个中心裂纹圆盘（CSTBD）试件径向受压试验,进行了复合型加载条件下锈岩断裂韧度的试验研究。测得了锈岩在纯I型,纯II型以及复合型加载时的断裂韧度,并将试验结果与基于广义最大周向应力（GMTS）准则的理论值进行了对比分析,结果表明：锈岩的纯I型断裂韧度为1.01 MPa?m0.5,而纯II型断裂韧度为1.51 MPa?m0.5,是纯I型断裂韧度的1.49倍,这与基于GMTS准则的理论值1.34非常接近,而比基于最大周向应力（MTS）准则的理论值0.87大很多。裂纹尖端附近的T应力及断裂过程区裂纹尖端的临界距离rc对岩石类材料的开裂路径以及复合型断裂韧度都有较大的影响。考虑了T应力的广义最大周向应力（GMTS）准则能很好的预测试验结果。     

饱水-风干循环作用下砂岩强度劣化规律试验研究

库水位变幅带是库岸边坡稳定的敏感地带,饱水-风干循环作用下岸坡岩体的强度将如何劣化,以及由此引发的地质灾害问题都是十分严峻而又不可回避的。特选取三峡库区典型库岸边坡变幅带区域砂岩为研究对象,进行饱水-风干循环作用试验,试验结果表明,在饱水-风干循环过程中,砂岩试样的抗压强度、凝聚力和内摩擦角均逐渐劣化,变化趋势基本一致,而且,浸泡时水压力变化幅度越大,饱水-风干循环次数越多,损伤效应越明显,说明水压力的升、降和饱水-风干循环作用对岩样的损伤有累积作用。最后,基于砂岩试样的饱水-风干循环作用试验研究,对饱水-风干循环作用的水-岩作用机制进行了详细地探讨。研究成果对于把握库岸边坡变幅带岩体性质劣化规律具有较大的参考价值,为库岸边坡的长期稳定性分析提供了有益的依据。     

石灰岩和砂岩高温力学特性的试验研究

利用自行研制的岩石加温装置和RMT-150C岩石力学试验机, 对石灰岩和砂岩试样高温后的力学特性进行了试验研究。试验结果表明, 随着温度升高, 两种岩石纵波波速逐渐减小。单轴压缩过程中的全程应力应变曲线经历了压密、弹性、屈服、破坏4个阶段; 达到峰值应力后两种岩石均发生脆性破坏, 砂岩破坏时呈锥形炸裂, 而石灰岩则呈草捆状破坏。高温对两种岩石的强度都有一定的弱化作用, 其峰值应力都随温度升高而降低, 石灰岩700 ℃时强度降幅达84.59 %, 而砂岩强度仅比常温降低22 %左右。两种岩石的峰值应变都随温度升高逐渐增大, 但具体表现不尽相同, 石灰岩500 ℃时应变增加了30.57 %, 500 ℃之后峰值应变基本无变化, 甚至到700 ℃时还略有降低; 砂岩700 ℃时峰值应变增加了80.63 %, 其峰值应变的变化与其微观结构变化相关。随着温度升高, 两种岩石的弹性模量和变形模量均减小, 700 ℃时石灰岩弹性模量降幅为86.8 %, 砂岩弹性模量降幅为46.94 %; 700 ℃时石灰岩变形模量下降了83.9 %, 砂岩的变形模量下降了53.06 %。      

动静组合加载下刀具破岩的力学模型

基于初始弹性和动静荷分工的假设,将动静复合加载下坚硬完整的脆性岩石的破碎过程分为弹性、损伤和断裂3阶段,综合运用弹性力学、岩石力学、损伤力学和断裂力学进行分析。由集中力作用下弹性半空间的应力场和单元体的剪切破坏,得出了岩石损伤的裂纹源和其曲线扩展路径;选定Ⅰ型、Ⅱ型裂纹作为动载冲击作用下压剪裂纹的扩展模式。提出了以冲击能（次数）来定义损伤度的方法。以相邻破碎坑的侧向裂纹扩展贯通作为岩石破碎的终点。本力学模型可以用于动静复合加载破碎岩石的系统仿真、数值模拟和机具设计。     

水岩循环对变质砂岩微观结构损伤与宏观力学劣化影响机理研究

为研究水岩循环过程中变质砂岩矿物成分及微观结构变化对宏观物理力学参数弱化的影响,通过水岩循环试验,对变质砂岩微观矿物成分、结构在水岩循环过程中的演化机制及其与宏观物理力学参数相互关系开展了研究。研究结果表明,岩石各项物理力学指标随着水岩循环次数的增加而不断衰减,其衰减速率随循环次数增加而减缓。水岩循环后岩石抗压强度试验表明,应力-应变曲线中初始裂隙压密阶段随着循环次数的增加而出现并且变得明显,岩石试样破坏特征有随着循环次数的增加由剪切破坏向拉张破坏转变的趋势。结合XRD和SEM试验手段对矿物成分及微观孔隙平面面积的变化进行了统计,分析认为绿泥石、云母、斜长石等矿物的水化溶蚀作用以及微观孔隙的水化扩展,是造成岩石损伤的主要原因。因此,提出利用矿物成分劣化度D_m和微观结构劣化度D_c的概念来表达岩石水岩循环微观损伤量化指标,并建立了水岩循环作用下受矿物成分及微观结构影响下的岩石物理力学参数弱化的回归模型。该模型的提出能够为水岩循环下相关物理力学参数的选取提供参考。     

考虑干湿循环作用泥质砂岩的强度与破坏准则研究

研究库水位反复升降对边坡稳定性的影响具有重要意义,结合水-岩相互作用课题,对不同干湿循环次数作用下的泥质砂岩进行单轴压缩试验和三轴压缩试验。试验结果表明:在干湿循环作用下,泥质砂岩的峰值强度的劣化程度黏聚力的劣化程度内摩擦角的劣化程度,随着干湿循环次数增加其力学参数劣化程度加剧,结合岩土塑性力学中广泛应用的Drucker-Prager准则(简称D-P准则),提出了考虑干湿循环作用的不同围压下泥质砂岩的D-P屈服准则,通过修正的D-P屈服函数计算的泥质砂岩不同围压下的理论峰值与试验值的对比,得到两者误差控制在10%以内,考虑干湿循环作用的泥质砂岩的D-P屈服准则在实际应用中是可行的,为工程中获得任意围压下岩石的破坏强度提供了理论依据。     

V形切槽巴西圆盘法测定岩石断裂韧度KIC的实验研究

采用国际岩石力学学会岩石断裂韧度建议测试方法(ISRM)[1]提出的V形切槽巴西圆盘试样(CCNBD),测试了一种泥质砂岩的I型断裂韧度值,给出了一套试样切割制备方案,从试验现象角度分析了该泥质砂岩的断裂力学特性,讨论了该试样类型的有效尺寸和断裂机制,并指出了该方法的特点和优劣性,得出如下结论：（1）该类岩石试样测得的I型断裂韧度值对CCNBD试样直径尺寸变化具有较大的敏感性,并且直径大于ISRM建议方法中最小有效直径（75 mm）的试样测试结果更为稳定;（2）CCNBD试样断裂机制表现为以拉张应力（间接拉伸）作用为主,兼有一定的韧带面内剪切作用的应力状态下I型裂纹扩展模式;（3）V形切槽巴西圆盘方法具有试样加工工艺简单、能承受较大临界载荷、测试的I型断裂韧度值较稳定等优点,但其没有考虑断裂过程区(FPZ)的非线性问题,建议对该方法进行非线性修正图解方案研究,以达到更准确测定岩石断裂韧度的目的。     

不同粒径花岗岩断裂力学行为及声发射特征研究

利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统及声发射（AE）三维定位实时监测系统,对4种不同粒径北山花岗岩进行断裂韧度试验,系统研究了不同粒度北山花岗岩的断裂力学行为及声发射特征。在三点弯曲试验条件下,北山花岗岩峰值过后断面还具有较大的承载面积。粒径越大,其峰值载荷越低,且屈服载荷所占峰值荷载百分比越小,断裂韧度值越小;粒径越大其破坏过程中的总变形量越大,且加载末期承载能力越高。细粒及中细粒岩样声发射事件最早出现于拉应力较大的尖端下部,而强度相对较小的粗粒及中粗粒岩样声发射事件最早出现于受点荷载的上端部。声发射事件集中出现于裂纹稳定扩张阶段,这一阶段为岩石断裂的最主要阶段。粒径越大,声发射事件越多,且整个断面分布越广泛。     

饱水条件下千枚岩软化效应试验分析

水岩作用是造成水库岸边坡岩体强度劣化的主要因素,尤其对于千枚岩这类特殊性岩体,遇水时强度劣化现象尤为明显。本文以某边坡千枚岩为研究对象,设计了在不同饱水条件下的岩石常规三轴压缩试验,并综合分析试验结果随饱水时间变化规律。研究结果表明:千枚岩与水作用反应强烈,前60d岩石力学参数随饱水时间增加呈近线性降低,至70d逐渐趋于稳定,岩石变形逐渐由弹性变形为主演变为塑性变形为主;各参数劣化规律具有明显的时效性与非均匀性,随饱水时间增长,总体衰减幅度呈先增加后减小,最终趋于平稳的趋势;根据破裂面的剪切破坏模式,得出岩石饱水是一种从微观到宏观的累计损伤过程。该研究成果对于研究水库岸边坡岩体力学性质变化规律具有一定的参考价值。