高静载条件下受频繁动力扰动时蛇纹岩动力学特性研究

基于改进的分离式霍普金森压杆（SHPB）岩石动静组合加载试验系统,进行了在不同静力轴压条件下受频繁动力扰动作用的动力学试验,研究蛇纹岩在高静载下受频繁冲击扰动过程中的动态变形特性、动态峰值应力和应变、能量变化规律和岩石破坏模式等动力学特性。研究结果表明：高静载条件下受频繁冲击扰动作用时,在动态峰值应力前,动态应力与应变呈正相关关系,而在动态峰值应力后,出现变形回弹和不回弹两种现象;随着动力扰动次数的增加,岩石动态峰值应力减小、动态峰值应变增大、动态变形模量减小、岩石由释放能量向吸收能量方向转化;随着预加静力轴压的增大,单次冲击过程中岩石损伤加剧,岩石破坏需要的扰动冲击次数减少,同时岩石由拉伸破坏模式向压剪破坏模式转变,破坏块度由小变大、均匀度降低。试验结果对揭示深部岩体承受高地应力和频繁开挖爆破等动力扰动作用下的破坏机制具有重要意义,同时为工程实际中通过调整围岩静应力状态和爆破以提高围岩长期稳定性的可行性提供了室内试验支持。     

三维高静载频繁动态扰动时岩石损伤特性及本构模型

采用改进的SHPB试验装置,进行深部岩石的三维高静载频繁动态扰动试验,分析动态应力-应变曲线的一般特征,可将其细分为微裂纹稳定发展、微裂纹非稳定发展、疲劳损伤、疲劳破坏4个阶段进行描述,其中峰值后的2个阶段处于动态应力卸载过程。基于连续因子、应变等效原理及统计损伤理论定义岩石的损伤变量并推演损伤演化方程,采用组合模型法建立岩石的本构模型。结合试验数据,验证岩石的损伤演化规律及建立的本构模型,结果表明:利用推演的损伤演化方程计算出损伤变量,其与动态应变的关系曲线符合试验中岩样的损伤规律;建立本构方程的拟合曲线与试验曲线具有较好的一致性,说明建立的本构模型可以用来预测深部岩石处于三维高静载频繁动态扰动时的动力学特性。     

轴压和围压对循环冲击下砂岩能量耗散的影响

利用动静组合加载试验装置,对具有不同轴压和围压的砂岩进行循环冲击试验,研究循环冲击过程中砂岩单位体积吸收能的变化特性、单位体积吸收能与平均应变率的关系以及轴压和围压对循环冲击作用下岩石能量耗散的影响。围压分别设置为4、8、10、12 MPa等4个系列,轴向静载荷分别设置为49、84、105、125 MPa等4个系列,入射杆上的入射波峰值大小近似相等,入射能大小为230 J。研究结果表明,砂岩单位体积吸收能随循环冲击次数的增加而增加。平均应变率和单位体积吸收能具有良好的正线性关系,围压从低到高增加过程中,二者间拟合直线的斜率K随轴压增加的变化关系为“增加-基本不变-减小”。当轴压较小时,K随围压的增加先增加后降低,轴压越小K由上升到下降转折点处的围压越大;当轴压增加到125 MPa时,K随围压的增加始终降低。研究结果为具有不同地应力条件下工程岩体爆破设计提供理论依据。     

循环冲击下波阻抗定义岩石损伤变量的研究

在动静组合加载试验系统上,对有轴向预应力的岩石进行循环冲击时无法测量其声波波速,以致于不能用声波波速值的变化研究此过程中岩石的损伤演变特性,为此提出了基于岩石波阻抗定义其损伤变量的方法。在理论上证明裂隙岩石的密度和纵波波速间具有良好的正向相关性,在同一损伤过程中,岩石的波阻抗与其纵波波速的相对变化量接近,根据密度和纵波波速都能反映岩石损伤的现实,得出基于岩石波阻抗定义岩石损伤的方法是可行的结论,并给出其定义损伤变量的表达式。根据一维应力波理论,推导出由入射波和反射波或透射波求解波阻抗的表达式。对利用霍布金森压杆装置进行试验时应力波在岩石试件两界面间多次透反射的过程进行了分析,在此基础上,确定了由试验数据计算循环冲击过程中岩石波阻抗的方法。对岩石试件进行了无初始应力的循环冲击试验,测量了岩石在每次冲击后的纵波波速,得出了基于波阻抗和纵波波速定义的损伤变量具有相同的变化趋势的结论,并分析了二者之间有差别的原因。研究结果表明,在入射能大小接近的循环冲击过程中,利用波阻抗定义岩石损伤变量的方法是可行的     

三轴循环荷载下砂岩损伤耗能比演化特征研究

为了研究循环载荷下岩石能量演化特征,引入耗能比?,开展砂岩不同围压下轴向循环加卸载试验,探究全应力-应变过程中?值演化特征,进而探讨岩石试样循环加卸载作用下损伤变形演化规律。试验结果表明：对应全应力-应变曲线的5个阶段,?值演化过程可划分为线性下降、稳定发展、缓慢增加、突然增加和平缓变化5个阶段,在?值整个演化过程呈现“勺”演化特征,该特征充分反映了试样变形演化过程中的能量转化关系及损伤演化程度;随着围压的增大,?值整体呈现减小趋势;同一应变水平下,不同围压下?值在线性下降阶段、稳定发展阶段差值逐渐减小,在缓慢增加阶段、突然增加阶段差值逐渐增大,在平缓变化阶段差值减小并趋于一个稳定值;分析循环加载下岩石材料参数演化特征,考虑围压作用及耗能比演化规律,建立岩石试样循环加卸载作用下的应力-应变演化理论公式,并进行了试验曲线拟合,验证了该理论公式的合理性。     

三轴压缩岩石动静组合强度及变形特征的研究

为研究深部地下资源开发过程中矿岩的力学行为,利用自行研制的岩石动静组合加载试验机,对细砂岩进行了两个系列的三维动静组合加载试验,即固定围压改变轴向静压和固定轴向静压改变围压的试验,并对实验数据整理分析。试验结果表明：围压不变时,细砂岩动静组合强度、弹性模量随轴向静压增大先升高（弹性阶段）后降低（损伤阶段）;最大应变率和平均应变率则先下降后升高,并且当轴向静压在其静态三轴抗压强度80 %左右时,动静组合强度最大;轴向静压不变时,增大围压,细砂岩动静组合强度、弹性模量升高,平均应变率下降,而最大应变率的变化趋势无明显规律。     

循环荷载作用下饱和软黏土的损伤模型

基于各向同性弹塑性损伤和Prevost模型的基本理论,把弹塑性等向硬化、运动硬化和各向同性损伤结合起来,推导了循环荷载作用下不排水饱和软黏土的弹塑性动力损伤本构模型。由循环累积塑性偏应变建立损伤演化方程,以描述循环加载对软黏土结构的破坏作用,并通过对循环三轴试验的模拟验证了模型的有效性。结果表明,提出的模型能较好地描述饱和软黏土在循环荷载作用下的变形、孔压变化及模量损伤过程。     

动荷载作用下辽西冻风积土的损伤演化分析

为了研究辽西冻风积土在动荷载作用下的损伤演化规律,采用动三轴仪进行了室内试验,获得了动本构关系、损伤演化方程以及损伤变量随应变的演化曲线。同时,针对冻风积土损伤的初始阶段,利用扫描电镜观测了微观结构。研究结果表明,冻风积土的损伤演化过程可以采用3个阶段进行描述。损伤的扩展速度在塑性损伤阶段发展较快,并且损伤变量的增长过程具备非线性特征;在微裂纹扩展阶段相对平缓,损伤变量与应变呈近似的线性增长关系。内部微裂纹的产生起于试样的中部,然后由中部向两端呈环状扩展。经过裂纹的交错和汇聚,斜向裂纹逐步形成和扩展。     

煤渣改良土的抗冻能力及损伤特性研究

为研究煤渣改良土作为季节冻土区路基填料的抗冻能力,以不同煤渣掺量及不同养护龄期下的煤渣改良土为研究对象,利用GDS三轴试验系统开展了不同冻融次数下改良土的三轴压缩试验,获得了最佳的煤渣掺量及养护时间数据,提出冻融及加载综合影响下改良土的总损伤变量,并据此建立了损伤本构关系。结果表明：改良土的抗冻能力随着煤渣掺入量的增大出现先增强后减弱的变化趋势,随龄期的增长而逐渐增强。冻融循环对改良土物理力学性质的影响主要集中在前5次循环过程,超过5次后影响逐渐减弱。冻融加载总损伤变量能够较好地反映冻融及加载过程中改良土性质的劣化,据此建立的损伤本构关系具有一定的精度,可以为季节冻土区煤渣改良土路基工程提供参考。     

三轴及循环加卸载应力路径下深埋硬岩变形破坏特征试验研究

硬岩应力型脆性破坏对高应力地下工程围岩稳定构成严重威胁。为研究深埋花岗岩在高围压循环加卸载下的变形破坏特征,采用MTS815电液伺服岩石试验系统对某水电站地下洞室群花岗岩进行了10、30、40、50 MPa围压下的常规三轴及循环加卸载试验,得到相应的应力-应变曲线及变形破坏特征。研究结果表明:(1)不同围压下两种应力路径花岗岩试样均呈现明显的脆性破坏特征;(2)两种应力路径下,试样峰值强度、裂纹损伤应力随围压线性增大;弹性模量、起裂应力随围压先增大后减小;泊松比随围压先增大后保持不变或减小;(3)同等围压下循环加卸载的试样峰值强度、起裂应力、裂纹损伤应力和泊松比总体上大于常规三轴下的量值,卸荷弹性模量小于常规三轴下的弹性模量;(4)两种应力路径下试样的宏观破坏均以剪切破坏为主。研究揭示的花岗岩试样变形破坏规律对深埋地下工程围岩稳定的岩体力学模型选择、力学参数随损伤变量演化规律以及围岩支护对策的制定均具有显著的参考价值。     

峰前卸荷对节理岩体力学特性影响试验研究

实际工程中,岩体的应力变化状态非常复杂,并不只是简单的加载或者卸荷,如水利工程中的大坝,当坝基开挖时其力学条件主要表现为开挖方向的卸荷(其他方向有可能卸荷,也有可能加载),而坝体修筑以后,力学条件又主要表现为加载。因此,对卸荷损伤后的岩体再次加载时的力学性质进行研究具有十分重要的工程意义。通过三轴卸荷及卸荷损伤后加载破坏试验,研究了不同围压下,含断续预制节理岩体经过不同程度卸荷损伤后再次加载时的力学特性。研究结果表明:围压对于含断续节理岩体变形模量影响不明显,岩体弹性模量与围压没有明显关系,相同围压下节理岩体弹性模量和变形模量均显著低于完整岩体:节理岩样峰值应变随着围压的增大线性增大,二者之间有较好的相关性,相比于完整岩样,节理岩体峰值应变随围压增大增长更快:围压越低,卸荷对岩体强度的影响越大,随着围压增加,卸荷量不同造成岩样的损伤差异逐渐减小。     

Clay minerals in fluvial shaley sandstone of upper Triassic reservoir (TAGS)—Toual field SE Algeria: identification from wireline logs and core data

The creep property of rock under cyclic loading is very important in civil engineering. In order to establish a novel constitutive equation for rock under cyclic loading, a fractional-order viscoplastic body under cyclic loading was constructed based on fractional-order viscous element. A fractional-order visco-elastoplastic model (FVEPM) for rock was established by connecting constructed fractional-order viscoplastic body with Burgers model. The model was a Burgers model when the maximum value of cyclic loading was less than the critical strength of rock; otherwise, it was a FVEPM which can be used to reflect the transient, steady-state, and tertiary creep phases of rock. The cyclic loading was decomposed into a static load and a cyclic loading with a zero average stress. According to rheological mechanics theory, the rheology constitutive equation of rock under the static load can be derived. According to viscoelastic mechanics theory, the constitutive equation under cyclic loading with a zero average stress was established by introducing the variation parameters of energy storage and energy dissipation compliance caused by rock damage and fracture. Finally, a new dynamic constitutive equation of rock cyclic loading can be obtained by superimposing the constitutive equation under static load and cyclic loading with a zero average stress. Compared with existing test results of rock under cyclic loading, the proposed constitutive model can be used to describe the creep characteristics of rock under cyclic loading and reflect the presented fluctuation of strain curve of rock under cyclic loading.     

基于宏细观损伤耦合的非贯通裂隙岩体本构模型

针对非贯通裂隙岩体工程结构中的受荷岩体,提出受荷细观损伤与裂隙宏观损伤的概念。以完整岩石的初始损伤状态作为基准损伤状态,综合考虑裂隙宏观缺陷的存在、微裂纹细观缺陷在受荷下的损伤扩展以及宏细观缺陷在受荷过程中的耦合,基于Lemaitre应变等效假设,推导了考虑宏细观缺陷耦合的复合损伤变量,并给出同时考虑试件尺寸、裂隙几何与力学特性的宏观损伤变量的计算公式,从而建立了基于宏细观缺陷耦合的非贯通裂隙岩体在荷载作用下的损伤本构模型。用宏细观损伤耦合的本构模型来描述非贯通裂隙岩体在受荷过程中的细观损伤演化与宏观损伤行为,与非贯通裂隙岩体实际受荷情况符合较好。研究结果表明：（1）完整岩样和裂隙岩样的应力-应变行为在峰值强度之前差异较大,峰值强度以后差异逐渐减小,最后趋于一致,二者具有相近的残余强度;（2）裂隙岩体强度随裂隙贯通率的增加而增大,随裂隙倾角的变化具有明显的各向异性,同时还与裂隙面的内摩擦角有关;（3）裂隙倾角为90°时,裂隙岩样的峰值强度最高;张开型裂隙岩样的裂隙倾角为45°时,峰值强度最低;（4）非贯通裂隙岩体工程结构中的受荷岩体,其力学性能由受荷细观损伤与裂隙宏观损伤及其耦合效应所决定,基于宏细观损伤耦合的复合损伤变量可以较好地反映非贯通裂隙岩样的力学特性。     

受静载荷的岩石在周期载荷作用下破坏的试验研究

为了研究受静载荷的岩石在周期载荷作用下破坏及变形发展规律,在Instron电液伺服材料试验机上进行了红砂岩的单轴动静组合加载试验。采用自制的一维水平静压加载装置,配合Instron电液伺服材料试验机进行了红砂岩的二维动静组合加载试验。试验表明,受静载荷的红砂岩在周期载荷作用下的破坏形态因所受静载荷的状态不同而不同,在周期载荷作用下的应力-应变曲线表现为滞回圈先疏后密再疏,直至破坏;相同条件的受静载荷的红砂岩受不同周期载荷作用时,尽管其应力-应变曲线表现为不同的滞回圈数和不同的全应变,但仍与岩石在周期荷载作用下疲劳破坏的极限变形规律一致,并且破坏岩石所消耗的有效全应变能有向相同值发展的趋势。     

牙轮钻头动静耦合碎岩机理及旋挖成桩应用

总结了在不同高温状态下冷却、不同加载速率及随机裂隙发育状态下花岗岩动态抗拉力学特性的变化规律;结合牙轮钻头孔底碎岩过程,分析了动静载荷耦合作用下岩石破碎的载荷一侵深特性曲线,认为动、静载荷耦合作用的加载点（即动载的施加点）应是在静载处于卸载阶段;并根据加载能量大小讨论了不同动静耦合工况下产生的岩石破裂深度及破碎体积,表明通过一定范围内增大静载荷及冲击力、预加静压对岩石进行预应力损伤、加载一卸载一加载的破碎循环模式,有利于高效碎岩及裂纹的发育。嵌岩桩基础工程实践表明,通过改造牙轮钻头等钻具结构形式及布齿方式,利用动静耦合加载方式及对钻头冷却处理,可实现牙轮钻头在微风化花岗岩高效钻进的目的,为牙轮钻头的旋挖钻进成桩应用提供了重要的技术支撑。     

一种基于弹性能释放率的岩石新型统计损伤本构模型

为了揭示岩石变形的破坏机理以及岩石材料产生损伤的本质原因,文章对岩石材料变形规律和力学特性进行分析后,再以损伤变量作为影响岩石变形和力学性能变化的内变量,采用能量原理、有效应力原理和统计损伤理论构建了一种基于弹性能释放率的新型岩石统计损伤本构模型。该损伤模型进一步完善了岩石损伤本构模型的理论体系,弥补了传统损伤模型无法合理解释引发岩石破坏原因的不足。利用岩石试验数据对损伤模型的参数进行确定,并将损伤演化模型代入弹性能-应变模型中,分析在加载过程中岩石弹性能变化的规律。结果表明:模型曲线与试验曲线在峰前变形阶段几乎重合,说明损伤模型可以很好地反映岩石的变形特性;在初始加载阶段,岩石的损伤变量随着轴向应变的增大而增大,说明在荷载作用下,岩石内部裂隙逐渐发展发育,使得岩石材料的损伤逐步积累;在围压达到10 MPa以上时,损伤-应变曲线基本重合。同时,在初始加载时刻,损伤-应变曲线增长率急剧上升,大约在岩石应变为0.01%时,损伤-应变曲线趋于平稳变化状态;且由于岩石在峰值应力点附近损伤迅速累积,进而使得损伤变量在数值上快速增大到1,这说明了围压的增大使得岩石破坏极限得到显著的提升。     

水-岩作用下粉砂质泥岩含水损伤本构模型

软岩遇水具有显著的劣化效应,以往研究主要集中于软岩的流变特性,对水-岩作用下软岩的含水损伤研究较少,但水-岩作用下软岩的含水损伤效应对工程建设的指导至关重要。因此,以滇中地区粉砂质泥岩为研究对象,对干燥状态、天然含水率和饱水条件下的粉砂质泥岩试样进行三轴压缩蠕变试验。试验结果表明:（1）不同含水率试样在初始加载阶段产生的应变量均远大于后期逐级加载阶段的应变增加量,且随着含水率的增加初始加载蠕变量逐渐增大;（2）随着含水率的提升,最终蠕变量逐渐增加,试样进入加速蠕变阶段的应力阈值逐渐降低,长期强度也显著降低。根据试验结果,基于损伤理论,引入一个非线性黏塑性体考虑含水情况对蠕变的影响,提出基于经典Burgers模型并具有水-岩作用劣化特征的含水损伤蠕变本构模型。通过1stopt软件辨识参数,并验证了模型的准确性和可适性。研究结果对于滇中红层软岩的含水损伤特性研究提供了一定的参考。     

动静组合作用下刀具破岩机制数值分析

基于细观损伤有限元方法,模拟分析了刀具在单一动载、动静联合荷载、静态围压条件下动静联合荷载3种情况下岩体破碎的全过程。模型采用黏弹性人工边界剔除了边界应力波反射对模拟结果准确性的影响。数值模拟结果表明：在弹性情况下,静压的存在对岩体内部最小主应力值影响不大,却显著提高了材料内部最大主应力水平,增大了剪应力的大小,导致剪切破坏可能性增加;当有围压存在时,岩体内部受拉区域减少,岩体强度有所提高。单一动载和动静联合荷载破岩时,岩体内部除刀头附近呈现少量压破坏外,破坏均以拉破坏为主;而围压条件下,岩体破碎面积相对减小,裂纹在围压的作用下向两侧自由面延伸,岩体内部破坏形式则趋于多样化,压破坏比重明显增大,整体表现为拉压复合作用。模拟结果还表明,刀头侵入量主要受动载力大小影响,在相同幅值增量下,动载力增加导致的刀头侵入量远大于静压增加所导致的侵入量。相对单一动载和静压作用下的岩石破碎机制来说,动静组合加载破岩的研究还需更为深入的探讨。研究结果可望对岩体破坏机制以及地下工程作业等实际应用提供一定的参考。     

岩石的塑性、损伤及其本构表述

在工程条件下(常温、中低围压),岩石塑性变形和损伤变量的微观机制都是岩石构元中微裂纹的萌生和发育,因而塑性变形与损伤在岩石材料中应是同时出现的,它们的演化规律应是相互耦合的。在此基础上本文建立了岩石材料弹塑性损伤本构模型的理论框架。在这个框架中,由于损伤的出现,塑性变形率与屈服面是非正交的,而最后得到的本构矩阵具有对称性。非正交性与通常的实验资料一致。本构矩阵的对称性对数值分析和理论研究都是至关重要的。