Anisotropic mechanical properties and brittleness evaluation of layered phylliteEI北大核心

为了研究层状千枚岩的力学特性与各向异性特征,开展了不同层理倾角与不同围压下的千枚岩力学试验。对比分析了千枚岩试样强度、变形、脆性与破坏模式等各向异性特征。结果表明:(1)随着层理倾角β增加,岩样的强度、变形特征曲线形状呈U型;随围压增加,岩样强度及塑性增强,各向异性度逐渐减弱稳定。(2)采用多种强度准则描述岩样强度各向异性,其中Saeidi准则和改进Ramamurthy准则能很好地预测岩样在不同层理倾角下的抗压强度。(3)基于岩样峰前应力-应变曲线与能量特征提出了综合脆性评价指标,在层理倾角β=45°左右时,岩样脆性指标较低,更易发生剪切滑移破坏,得出脆性下降顺序为:沿层理面拉伸劈裂>穿层理面拉伸劈裂>沿层理面剪切>穿层理面剪切。(4)千枚岩的破坏模式与层理倾角和围压有关,单轴条件下,岩样劈裂破坏后易形成复杂裂纹网络;高围压下,岩样破裂后多形成单一的沿层理面或贯穿多层理面的剪切破坏。     

层状页岩力学特性及其破坏模式研究

采用MTS815型岩石力学试验机进行了页岩层理面不同角度取芯的力学试验,获得了其力学参数及破坏模式特征。试验表明：层理面不同角度试样力学性质存在较大差异性,平行层理面试样其抗压强度最高,与层理面夹角为30°时抗压强度最低,弹性模量随取芯角度的增加逐渐降低。单轴压缩,夹角为0°时破坏模式主要为沿多个平行层理面竖向劈裂,夹角为30°时沿层理弱面剪切破坏,夹角为60°时为大角度剪切破坏并贯穿60°弱层理面,夹角为90°时主要为层状拉张破坏。三轴压缩,夹角为0°时试样有多条破裂面,呈劈裂与剪切破坏共同作用;夹角为30°时,沿层理面剪切破坏;夹角为60°时,呈现剪切破坏,剪切破裂面与水平面夹角在45°~50°之间;夹角为90°时,以剪切破坏为主,有多条平行开裂层面。页岩层理面表现出明显的弱面特征,研究结果为水力压裂施工设计提供了技术参数。     

龙马溪组层状页岩微观非均质性及力学各向异性特征

层状页岩的微观非均质性及力学各向异性对研究井壁稳定以及水力裂缝扩展形态具有重要意义。为了向页岩优化钻井、压裂工艺参数提供一定的理论和试验依据,对沿不同角度取心的页岩试样开展单轴压缩实验,配合场发射扫描电镜、原子力显微镜观测实验和波速测试等,研究龙马溪组层状页岩微观非均质性及力学各向异性特征,并讨论这些物理力学特征对水力裂缝形态的影响规律。结果表明:受层理面的影响,龙马溪组页岩呈现出较强的微观非均质性和宏观力学各向异性特征。具体的,微观孔隙结构特征方面,随着观测方向与层理方向之间夹角β的增大,微观孔隙结构的发育程度逐渐增加,说明气体的储集和空间呈增加趋势;宏观力学特征方面,单轴压缩条件下,随着加载方向与层理方向间夹角θ的增加,页岩试样的破坏模式从贯穿层理面的张拉破坏,先转变为剪切破坏,再变为劈裂-剪切混合破坏;龙马溪组层状页岩的单轴抗压强度、泊松比随着θ的增加呈现出先减小后增大的"U"形各向异性模式,弹性模量、横纵波速则逐渐减小,胶结程度较弱的页岩层理面会先于基质体发生破坏,进而显著影响岩石整体的力学性质;页岩微观非均质性及力学各向异性特征在一定程度上影响压裂过程中水力裂缝的扩展行为,以及停泵后压裂液的渗流路径。研究结果可为页岩压裂工艺参数优选提供一定依据。     

川西北茂县群千枚岩各向异性力学特性

利用MTS815Teststar岩石力学试验系统,对川西北茂县群千枚岩开展单轴和三轴试验,研究千枚岩各向异性力学特性。研究结果表明：千枚岩在达到峰值强度50%以前就普遍出现很大的变形和局部破坏,表明围岩产生大变形或出现早期扩容并不意味着其丧失承载能力,如及时进行针对性支护或加强围岩保护仍具有较强的强度。损伤扩容是千枚岩变形破坏的典型特征,并对变形产生不同的影响,横向应变对损伤扩容比轴向应变更敏感,能更灵敏地反映岩石材料内部的屈服、弱化。千枚岩各向异性随含水率与围压水平表现出不同的变化规律,强度各向异性随含水率和围压水平提高而降低,弹性模量和泊松比则与加载方向和转化围压有关。不同含水状态下干燥千枚岩的单轴抗压强度各向异性最为显著,大部分千枚岩的强度各向异性率在0.80以下,其中绢云母千枚岩最强,为0.48,其强弱对比依次为绢云母千枚岩、绿泥石千枚岩、石英千枚岩、炭质千枚岩。千枚岩表现出不同的破坏模式,并随围压或含水率的增加而变化;剪切机制单独控制着各向异性力学特性,千枚岩统一沿软弱面剪切破坏。     

粉砂质板岩力学特性及各向异性特性

为研究鄂西北地区板岩的力学特性及各向异性特征,开展了志留系粉砂质板岩的单轴压缩和巴西劈裂试验,分析了试样的力学特性和各向异性特征以及在不同荷载作用下的变形破坏模式,揭示了不同破坏模式的力学机制,并通过数值分析研究了不同板理面角度板岩边坡破坏模式及力学机制。研究结果表明,粉砂质板岩中的板理面是影响岩体力学行为的弱面,使得粉砂质板岩表现出明显的各向异性的特征。在单轴压缩条件下,粉砂质板岩在垂直板理面方向比平行板理面方向更易变形,变形量更大;平行板理面方向加载时试样破坏类型为竖向劈裂型张拉破坏,其实质是压杆失稳;垂直板理面加载时试样的破坏类型为穿切板理面的劈裂型剪切破坏;所测得的力学参数各向异性也较明显。在劈裂荷载作用下,粉砂质板岩的破坏模式主要有张拉劈裂破坏和沿板理面剪切破坏两种,所得抗拉强度在平行板理面方向上最大,在垂直板理面方向上最小,两个方向上的抗拉强度均小于抗压强度。由于板理面间的抗拉强度极低,在受到与板理面呈小角度相交的劈裂荷载作用时,容易产生沿板理面的张拉劈裂或拉剪破坏,在实际工程中应尽量避免板理面间的受拉破坏和沿板理面的拉剪破坏。在边坡工程中,板理面倾向、倾角对边坡破坏模式及力学机制有较大影响,边坡防护治理需充分考虑这一影响。上述研究为粉砂质板岩区岩质边坡防护治理以及其他岩石工程设计与施工提供理论依据与技术基础。     

深埋碳质千枚岩力学特性及其能量损伤演化机制

为揭示深埋碳质千枚岩的遇水软化损伤特性和微层理结构的各向异性,开展了不同层理角度和不同含水状态下的千枚岩力学试验。并基于能量损伤演化机制分析了层理角度和含水状态对千枚岩储能机制和释能机制的影响。研究结果表明：深埋碳质千枚岩的各向异性特性和遇水软化效应是千枚岩内部的沉积层理、层状薄片矿物和高黏土矿物成分导致的固有特性;其破坏机制及其强度各向异性主要受控于层理面间的弱胶结作用,这种弱面效应会随着围压的增大而降低;千枚岩遇水后其力学特性和脆性被弱化,宏观破坏角增大,表现出张拉破坏减弱,剪切破坏增强;基于弹性能和耗散能比例曲线的S型变化规律与能量演化规律,将岩石的渐进破裂演化过程划分为4个阶段,并采用能量损伤演化理论探讨了I型和II型两种典型岩石破坏方式的能量机制及其损伤演化机制;层理方向和含水状态对千枚岩的储能能力具有较大影响,其中层理方向对千枚岩的释能机制和损伤破裂演化机制影响不大,而千枚岩的储能与释能机制则对含水状态的变化更为敏感。     

雪峰山隧道砂板岩各向异性力学特性的试验研究

利用MTS815 Flex GT岩石力学试验系统,对雪峰山隧道围岩中的砂板岩开展单轴和三轴试验,研究这种砂板岩中的细微层理对岩石变形特性、强度特性及其参数的影响,结果表明：岩石力学特性的各向异性特征显著。层理面与轴向力夹角0°时应力-应变曲线呈不稳定破裂特征,破坏面沿层理面方向发育;夹角90°时曲线呈峰后迅速软化特征,破坏面为对角贯通性剪切破坏。单轴试验中夹角0°的抗压强度比夹角90°高出约20%,弹性模量和变形模量比夹角90°分别约大50%和80%。三轴试验中2种夹角情况破坏时主应力差 相近,夹角0°的弹性模量和变形模量分别比夹角90°时约大6%和20%,围压对砂板岩的各向异性特征有弱化效应。这些结论揭示了该砂板岩各向异性的力学特性,对解决工程实际问题有重要的参考价值     

层状岩石不排气三轴压缩力学特性试验研究

为研究地下隧洞开挖过程中围压和孔隙气压对层状千枚岩力学特性及变形参数的影响,以氩气作为渗透介质,开展层状千枚岩不排气三轴压缩试验,分析层状千枚岩在不同围压和孔压下应力-应变关系、峰值强度、变形特性及破坏形式随层理倾角的演化特征。引入基于层理倾角的各向异性度公式,探讨围压和孔压对层状千枚岩各向异性的影响。结果表明：不排气条件下,当孔压减小或围压增大时,层状千枚岩峰值强度逐渐增大;岩石峰值强度σ_c、弹性模量及变形模量随层理倾角的增大呈“U”型变化;层理倾角在30°～60°之间,层状千枚岩存在层理弱面,破坏形式主要为沿层理面剪切滑移破坏;层状千枚岩在平行层理方向受围压、孔压影响较大,呈现明显各向异性特征。     

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。     

高应力卸荷条件下大理岩破裂面细微观形态特征及其与卸荷岩体强度的相关性研究

岩石的破裂性质及破裂面的起伏粗糙特征对岩石的破裂机制及破裂面的参数取值具有重要的理论和应用意义。采用高精度的三维激光扫描和扫描电镜技术,结合分形理论,揭示高应力条件下大理岩卸荷破裂性质及破裂面的细微观形态特征,阐述主破裂面粗糙度分形维与卸荷岩体强度间的相关规律。在高应力卸荷条件下,大理岩岩样随着卸荷速率的递增宏观破裂性质由剪切、拉剪复合向张拉劈裂发展。初始围压越高卸荷速率越快,主破裂面越起伏粗糙,而初始围压越高卸荷速率越慢,主破裂面越平坦光滑。随卸荷速率的增大,微观上大理岩逐渐由穿晶剪切断裂、沿晶面张裂+穿晶剪切的复合断裂、沿晶面张裂或劈裂的变化特征。卸荷岩体的内摩擦角随破裂面粗糙程度分形维D的增大而增大,而黏聚力随D的增大而减小。     

片岩强度各向异性特征及破坏模式分析

为研究片岩的各向异性特征,采用室内三轴压缩试验,获取α=0°、α=45°、α=90° 3种片理倾角试样的应力-应变曲线及强度和变形数据。进一步构建7组片理倾角下的标准圆柱体模型,以室内试验获取的数据为依据,反演材料介质力学参数,利用FLAC3D模拟、探讨了不同片理倾角的片岩破坏模式及抗压强度的片理倾角效应和围压效应。结果表明,三轴压缩条件下,片岩的破坏模式主要分为斜切片理剪切破坏和顺片理剪切滑移破坏,对应的变形破坏的控制结构亦不同。相同围压下,片岩抗压强度随片理倾角呈非对称的"U"字型变化,抗压强度最大值始终位于α=90°,最小值分布在α=45°或α=60°处。围压增大时,对顺片理倾角破坏的片岩强度的增强效应趋于弱化。此外,分析了各向异性岩石抗压强度最大值分布位置的影响因素,发现岩石均匀性程度对各向异性岩石的抗压强度最大值的分布有重要影响,均匀性较差时,最大值位于α=90°;反之,最大值出现于α=0°。     

各向异性砂岩冻融力学特性研究

针对新疆天山公路岩质边坡的砂岩, 开展了单/三轴压缩试验和不同次数的冻融循环试验, 探讨了岩样强度和变形参数的各向异性随围压和冻融循环次数的变化规律, 分析了层理角度及冻融作用对岩样破坏模式的影响。结果表明： 岩样的弹性模量、 黏聚力、 内摩擦角和峰值强度均随着层理角度的增加呈现先减小后增加的U型发展态势, 在60°时达到最小值, 在0°或90°时其值最大; 岩样的强度以及变形参数随着冻融循环次数的增加逐渐减小, 随着围压的增加而增大; 不同层理角度岩样强度及力学参数的差异性随着围压的增加逐渐较小, 相应的岩样各向异性特性逐渐减弱; 随着冻融循环次数的增加, 岩样内部的裂纹不断扩展导致岩样各向异性程度逐渐增强; 不同层理角度岩样的破坏模式可归纳为穿越基质和层理面的竖向劈裂张拉破坏、 穿越基质和层理弱面的剪切破坏、 拉-剪混合破坏、 沿层理弱面的剪切滑移破坏、 沿层理弱面的竖向劈裂破坏等5种模式。研究成果可为寒区岩体工程相关研究提供参考和依据。     

基于统计岩体力学的岩体强度特征分析

结构面的存在改变了岩体力学性质,影响了岩体强度特征。基于统计岩体力学强度判据,结合摩尔-库仑准则,得到了含单组结构面岩体破坏的4种不同方式和相应的结构面倾角范围,推导了岩体强度由结构面控制转化为应力控制的临界围压表达式。在此基础上,根据岩石和结构面参数之间的关系,将含单组结构面岩体分为4类,并探讨了可能破坏方式和发生破坏的条件。最后,举例分析了含单组结构面闪长岩的强度特征,结果表明,该岩体属于第I类岩体,在垂向受压时先沿结构面后沿岩块破坏,临界围压为9.12 MPa;从全空间分析,该岩体强度各向异性显著,围压增大可使岩体在一些方向上受力时强度由结构控制转化为应力控制。     

冻融损伤与围压对层状岩石强度各向异性的影响北大核心CSCD

层状岩石具有显著的层理面结构,层理面结构的方向决定了岩石的各向异性,相邻层面的岩石物理力学性质差异和连接强度决定了各向异性的强弱,此外,层状岩石的层理结构使其易受冻融循环(FT)等风化作用的影响。为了研究冻融损伤与围压对层状岩石强度各向异性的影响,分别在0、10、20、30和40次的冻融循环和0、5、15、25和40MPa的围压条件下,使用岩石三轴试验系统(GCTS)对五种不同层理倾角的层状砂岩试件进行试验。试验结果显示,冻融循环会使岩石层理面产生裂隙,更易发生沿层理面的剪切滑移破坏,冻融40次后,β=0°的试件单轴抗压强度降低14.5%,而β=67.5°的试件单轴抗压强度降低57.9%,使层状岩石的固有各向异性增强。围压对岩石的各向异性影响与其固有各向异性有关,表现为随着冻融次数的累积,围压对岩石的应力诱导各向异性由起初的增强逐渐转变为抑制。本研究可为寒区层状岩石工程的设计、施工和安全运行提供理论支持。     

Numerical studies on the failure process and associated microseismicity in rock under triaxial compression

In this paper, firstly the mesoscopic elemental mechanical model for elastic damage is developed and implemented into the rock and tool interaction code (R-T^2D). Then the failure processes of a heterogeneous rock specimen subjected to a wide variety of confining pressures (0–80 MPa) are numerically investigated using the R-T^2D code. According to the simulated results, on the one hand, the numerical simulation reproduced some of the well-known phenomena observed by previous researchers in triaxial tests. Under uniaxial compression, rock failure is caused by a combination of axial splitting and shearing. Dilatancy and a post-failure stage with a descending load bearing capacity are the prominent characteristics of the failure. As the confining pressure increases, the extension of the failed sites is suppressed, but the individual failure sites become dense and link with each other to form a shear fracture plane. Correspondingly, the peak strength, the residual strength and the shear fracture plane angle increase, but the brittleness decreases. When the confining pressure is high enough, the specimen behaves in a plastic manner and a narrow shear fracture plane leads to its failure. The prominent characteristics are volume condensation, ductile cataclastic failure, and a constant load bearing capacity with increasing strain. On the other hand, the numerical simulation revealed some new phenomena. The highest microseismicity events occur in the post-failure stage instead of the maximal stress, and most of the microseismicity energies are released in the failure localization process. As the confining pressure increases, the microseismicity events in the non-linear deformation stage increase dramatically and the ratio between the energies dissipated at the non-linear deformation stage and those dissipated in the whole loading process increases correspondingly. Therefore, it is concluded that the developed mesoscopic elemental mechanical model for elastic damage is able to reproduce accurately the failure characteristics in loading rock specimens under triaxial conditions, and the numerical modelling can furthermore obtain some new clarifications of the rock fracture process.