基于三轴压缩声发射试验的岩石损伤特征研究

 利用MTS815岩石伺服试验系统和AE21C声发射监测仪,对灰岩进行三轴压缩声发射试验,利用声发射参数,分析三轴压缩条件下岩石的损伤演化特征。试验结果表明：(1) 相同试验条件下,检波器置于三轴室内时的声发射振铃计数和能量的最大值分别比置于室外时高27%和32%,表明,声发射检波器置于三轴室内能够接收到更全面、真实的声发射信号。(2) 围压使岩石压密阶段声发射活动降低,同时声发射振铃计数最大值稍滞后于岩样宏观破坏时间,说明围压提高了岩石的剪切强度和峰后承载能力。(3) 建立基于声发射累计振铃计数的岩石三轴压缩损伤演化模型,岩石的损伤演化过程可划分为初始损伤阶段、损伤稳定发展阶段、损伤加速发展阶段和损伤破坏阶段。初始损伤阶段,声发射参数较小;损伤稳定发展阶段,声发射活动明显活跃,振铃计数和能量逐渐增加;损伤加速发展阶段,声发射活动异常活跃,宏观破坏后不久声发射振铃计数和能量达到峰值;损伤破坏阶段,岩石仍具有相当的承载能力,在破坏过程中仍有声发射活动出现。     

不规则柱状节理岩体常规三轴压缩力学各向异性试验研究

利用3D打印技术制备绿蜡不规则柱状节理网络模型,以白水泥浆作为类岩石模型材料,一次浇筑成型制备具有7种不同倾角的模拟不规则柱状节理岩体试件,通过对其进行常规三轴压缩试验,得到不规则柱状节理岩体强度和变形各向异性规律及其典型破坏模式。试验结果表明：不规则柱状节理岩体偏差应力峰值强度、变形模量和侧向应变比呈现中等～高各向异性,且围压对其各向异性显著程度影响较大;不规则柱状节理岩体典型破坏模式包括沿柱状节理面发生的“Y”型共轭剪切破坏、部分通过柱体,部分通过柱状节理面的劈裂破坏、沿柱状节理面的剪切滑移破坏和沿柱体的压裂破坏四种。在此基础上分析了3D打印绿蜡不规则柱状节理网络对不规则柱状节理岩体力学各向异性的影响。     

模拟柱状节理岩体常规三轴压缩下变形和强度特性试验研究

柱状节理岩体是溢出型火成岩常见的结构性岩体,对其在三轴应力下变形和强度特性的正确认识,是水利水电及地下洞室等大型岩体工程论证和设计需要解决的关键问题之一。为此,采用石膏混合材料制作柱体与最大主应力σ1具有不同夹角β的模拟柱状节理岩体试件,通过对试件进行不同围压下的三轴压缩试验研究柱状节理岩体变形和强度特性,得到其在三轴压缩下弹性模量和峰值强度随β角的变化规律。由试验结果可知:在同一级围压下,弹性模量和峰值强度随夹角β增大呈递减趋势,即弹性模量和峰值强度随夹角增大先减小,在β=45°时最小,而后随夹角增大保持相对不变。此外,利用试验数据建立柱状节理岩体弹性模量和峰值强度与夹角β之间的经验关系式,通过比较发现经验关系式与实测数据吻合较好。最后对试件的破坏类型与特征进行了归纳,总结了柱状节理岩体在三轴压缩下的4种典型破坏类型,并对其破坏机制进行了分析。     

高温后粗砂岩常规三轴压缩条件下力学特性 试验研究

 通过在MTS815.03电液伺服岩石力学试验机上对焦作方庄煤矿煤层顶板粗砂岩进行高温后常规三轴压缩试验,基于试验结果研究不同温度作用后常规三向压缩条件下粗砂岩宏观力学特性,分析粗砂岩强度、平均模量、黏聚力、内摩擦角和极限应变与温度的关系;同时对粗砂岩强度、平均模量与围压关系进行探讨。研究结果表明,围压一定,温度为25 ℃～300 ℃时,随着温度的升高,试样的强度、平均模量、黏聚力、内摩擦角均逐渐增大,而变形模量有所降低。高温产生的热应力起到容纳变形和裂隙闭合作用,砂岩试件部分原生裂隙逐渐愈合,裂隙数量减少,密实程度提高,矿物颗粒间接触关系得到改善,摩擦特性得以增强;超过300 ℃ 以后,随着温度的升高,粗砂岩试样的强度、平均模量、黏聚力、内摩擦角均有所减小,而峰值变形逐渐增大,由高温引起的粗砂岩矿物颗粒的不同热膨胀率导致跨颗粒边界的热膨胀不协调,从而产生结构热应力使试样内部产生微裂隙,试样承载能力和抗变形能力减弱。而围压对粗砂岩的力学性质起到改善和强化作用,当温度一定时,随着围压的升高,粗砂岩试件强度、平均模量、黏聚力、内摩擦角均逐渐增大。     

红砂岩三轴压缩变形与强度特征的试验研究

利用RMT–150B型岩石力学试验系统对红砂岩进行单轴、常规三轴压缩和巴西劈裂试验,分析红砂岩的变形、强度与破坏特征,以拟合偏差的绝对值之和最小为目标确定5种强度准则中待定参数,比较拟合偏差及单轴抗压强度、抗拉强度和破裂角的预测值与试验值的差异。结果表明:直线型的Mohr-Coulomb强度准则的拟合偏差较大,高估了低围压和高围压时的岩石强度;Hoek-Brown准则、广义Hoek-Brown准则、Rocker准则和指数强度准则对单轴抗压强度的预测值与试验值(68.0 MPa)基本一致,但对抗拉强度均给出偏高的估计;广义Hoek-Brown强度准则预测的抗拉强度接近于试验值,整体拟合效果较好;红砂岩的破裂角为52.5°~66.6°,与围压呈负相关。Mohr-Coulomb强度准则预测破裂角为65°,与实际破裂角相差较大,其余4种强度准则预测的破裂角与围压均呈负相关,与实际破坏角的差距有所减小。     

基于三轴压缩试验的岩石统计损伤本构模型

基于三轴压缩试验,结合统计强度理论和连续损伤理论建立了一种岩石统计损伤本构模型,并对建立的本构模型的数学意义和物理意义进行了讨论分析。由此可知,统计损伤本构方程实质是用对应于某一屈服准则的等效应力表示的连续损伤演化方程,能较好地描述材料的非线性力学行为,也能逼近材料的弹性应力-应变关系。统计损伤本构模型的统计参数均可以通过单轴或三轴压缩试验得到,在利用三轴压缩试验的轴向实测应力、实测应变时应当对损伤本构模型进行修正。对于单轴压缩试验的压密阶段,还给出了初始损伤的估计方法。引入对数正态分布和Mohr-Coulomb准则,通过理论曲线与若干岩石单轴、三轴压缩试验曲线的对比,验证了所提出的统计损伤本构方程及其参数确定方法以及模型修正的合理性,同时也肯定了对数正态分布和Mohr-Coulomb准则在统计损伤本构研究中的适用性。     

大理岩常规三轴压缩全过程试验和本构方程的研究

利用RMB-150B岩石力学试验系统研究了雅安大理岩围压为0～30ma的应力．应变全过程曲线，建立了屈服强度、峰值强度、残余强度和围压的关系，根据塑性力学的相关理论，提出双线性弹性-线性软化-残余理想塑性四线性模型，并应用于大理岩，得到了大理岩各段的本构方程，并特别讨论了软化段。结果表明，理论模型和试验结果吻合较好。     

煤岩三轴细观损伤演化规律的CT 动态试验

利用本文第一作者主持设计和研制的与ＣＴ机配套的专用加载设备,进行了三轴和单轴荷载作用下煤岩破坏全过程的细观损伤演化规律的即时动态试验。得到了在不同荷载作用下煤岩中微孔洞被压密→微裂纹萌生→分叉→断裂→破坏→卸载等各个阶段清晰的ＣＴ图象,引入了初始损伤影响因子,定义了一个基于ＣＴ数的新的损伤变量。     

单轴压缩试验下裂纹闭合阶段岩石KAISER效应的研究

选择花岗闪长岩和大理岩进行了单轴压缩试验下裂纹闭合阶段的KAISER效应（KE）研究,试验结果表明：裂纹闭合阶段有KE出现,岩石KE具有记忆先前应力、应变、弹性模量、泊松比和损伤因子的能力;岩石KE的机理在于对其先前损伤的记忆。     

岩石加卸载变形特性及力学参数试验研究

通过加载和卸载两种力学状态的全过程应力-应变试验 ,揭示了岩体在加卸载时变形特性的差异 ,并结合试验结果 ,引入损伤力学概念 ,推导不同岩性岩石的损伤演化方程。     

循环荷载下岩石变形参数和阻尼参数探讨

 对取自一拟建核电站地基的细砂岩,在MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统上进行低周循环荷载试验,研究循环荷载下细砂岩的纵横向变形特征,探讨循环荷载周次及动应力幅值对细砂岩动弹性模量、动泊松比、阻尼比和阻尼系数的影响,及与其相互关系。结果表明,相同应力下纵向应变高于横向应变;低幅值应力下,随循环荷载周次增加,纵向应变增量高于横向应变增量,但高幅值应力下则相反;横向应变滞回环的卸载阶段应力–应变曲线与纵向应变滞回环的加载段和卸载段均表现出向下突出的变化特征,但横向应变滞回环的加载段则相反;随动应力幅值增加,细砂岩动弹性模量和动泊松比分别呈抛物线递增和线性递增,阻尼比和阻尼系数均按幂函数律递减,由第16周次动应力滞回环得到的阻尼参数可表征测试岩石的阻尼特征;阻尼比和阻尼系数均随循环荷载周次增加线性递增,对应低幅值动应力下的增量大于高幅值动应力下的增量。     

循环荷载作用下盐岩三轴变形和强度特性试验研究

 为研究三向应力状态下循环荷载作用对盐岩变形、强度及损伤特性的影响,利用TAW–2000 型微机伺服岩石三轴试验机进行不同荷载波形参数(上、下限应力、应力幅值和频率)和不同围压下的盐岩试样的循环加、卸载试验。试验得到盐岩轴向初始变形和稳态变形两阶段演化规律;通过提高循环荷载上限应力、降低下限应力、增大应力幅值或者降低载荷频率、减小围压等途径,均会加速盐岩试样不可逆变形的发展,提高盐岩循环稳态应变速率,减小稳态阶段在整个变形阶段的比例,从而加速试样变形破坏;荷载波形参数中上限应力和应力幅值对循环荷载作用下盐岩变形演化速率、试样损伤发展的影响最大。循环荷载作用下,盐岩弹性模量随循环次数或加载时间呈指数递减趋势,并在50～100个循环后其值接近常数;循环加载后二次压缩盐岩强化与否,取决于循环加载时所施加荷载水平是否造成盐岩内部损伤的累积,通过试验可间接推断盐岩三轴循环变形破坏的上限应力阈值为80%～89%。     

三轴压缩情况下岩石变形特征的滑移型裂纹模拟

根据滑移型裂纹模型,基于裂纹扩展过程中的能量平衡原理,建立了三轴压缩情况下岩石材料的变形模型,并模拟了围压为20,50,80 MPa时花岗岩的变形特征。研究结果表明,模拟结果与实验结果符合得比较好,为通过裂纹模型定量研究岩石材料在三轴压缩情况下的变形特征提供了一种可行方法。     

层状岩体损伤演化与应变关系的研究

运用电子显微镜研究了岩石的微观结构，提出岩石微结构损伤模型：对层状岩体进行损伤演化与破坏过程的研究，建立本构方程与损伤演化方程；引入损伤变量及损伤扩展系数，建立符合岩体整个损伤演化过程的方程，描述岩石受载过程中初期近似呈线性，随后加速的过程。将岩体损伤与破坏过程分为3个阶段，分析层状岩体的损伤演化与破坏特征及其稳定性，解释岩石损伤演化的规律。研究结果表明：层状岩体的损伤萌生与扩展直到破坏，除与加载大小、速率等有关外，还与各亚层损伤演化规律、载荷与层面夹角、各亚层的内部微结构特性等有关。因此，现场整体岩层受其影响是显著的。     

循环冲击荷载作用下岩石损伤规律的试验研究

为研究岩石在循环冲击荷载作用下的损伤规律,设计了3组试验,考虑了围压、荷载冲量大小和冲击次数对岩石损伤程度的影响。通过对大理石试件在压力试验机上的模拟冲击加载,测试受冲击后试件轴向超声波波速,并用超声波波速变化量描述试件的损伤度,得出了大理石试件的冲击损伤度与围压大小、荷载冲量大小和冲击次数的相关性。结果表明:在围压相同的情况下,岩石的循环冲击损伤与冲击次数和荷载冲量有关;在荷载冲量相同时,岩石的循环冲击损伤与冲击次数和围压有关;围压的存在提高了岩石的冲击强度,降低了岩石的损伤演化速率;围压效应的显现与冲击荷载的等级有关。     

煤样三轴压缩下变形和强度分析

基于在伺服试验机对煤样的常规三轴压缩和三轴卸围压试验,分析了煤样在不同应力条件下的强度和变形特征。煤样在围压作用下裂隙闭合后利用摩擦仍可以承载,并且所有煤样峰前变形特性基本一致。三轴卸围压试验峰值处出现屈服平台,与常规三轴相比峰后塑性明显增强,煤样破坏时的轴向应变量受常规三轴压缩全程应力–应变曲线控制。常规三轴压缩和三轴卸围压试验的峰值强度与围压均成线性关系,围压影响系数基本相同,内摩擦角能够表征材料力学性质,与加载方式没有关系,但相同围压下三轴卸围压时试样的承载能力比常规三轴加载时明显偏低,表明煤样经历较高轴向载荷作用后存在局部损伤。     

软岩三轴蠕变特性的试验研究

采用重力加载式三轴流变仪,在低围压条件下对龙口矿区含油泥岩的蠕变特性进行三轴蠕变压缩试验研究,重点观察和分析蠕变条件下围压对岩石蠕变参数的影响,同时对其他时效变形特点进行分析.试验结果表明,含油泥岩存在一个起始蠕变应力阈值,该阈值随围压的加大呈线性增加;其蠕变破坏应力也大致与围压成比例关系,但两者随围压的增长率差异很大.含油泥岩的蠕变只有2个阶段：当轴向应力小于蠕变破坏应力时,蠕变呈衰减状态;当轴向应力大于蠕变破坏应力时蠕变转化为加速状态,但试验中没有观测到等速蠕变阶段.含油泥岩黏滞系数较小,显示出其流动变形大的特点.虽然黏滞系数近似为围压的线性函数,但增长率远小于前两者,表明低围压对软岩的流动变形影响较弱,该结果可为蠕变型软岩巷道的稳定性控制提供一定的试验依据.