基于全应力–应变曲线及起裂应力的岩石脆性特征评价方法

脆性作为岩石重要的力学指标,准确评价岩石脆性特征对岩体工程稳定性具有重要意义。目前,常用的岩石脆性指数评价方法主要基于岩石压缩过程中峰后应力–应变曲线变化规律,而对岩石峰前应力状态关注较少。综合考量峰后应力跌落速率及起裂应力值至峰值应力值之间的应力增长速率,建立一种基于岩体应力–应变全过程的脆性指数计算方法,更加准确、合理地描述岩体脆性特征。试验结果表明:单轴条件下当全程采用轴向位移控制时,脆性较强的岩石难以准确获得其峰后曲线,容易降低基于峰后应力曲的常规脆性评价方法的准确性,而所建立的脆性指标可根据峰前曲线进行判断,能够准确评价岩石脆性程度。在三轴条件下,该脆性指标更为全面地反映了围压对大理岩脆性的抑制作用。建立的脆性指标基于岩石整个压缩过程的应力状态,能够更加显著地体现不同因素对岩石脆性特征的影响。试验结果很好地验证了该指标的准确性与优越性,研究结果对丰富与完善岩体脆性评价体系具有重要的作用。     

渗透压–应力耦合作用下砂岩渗透率与变形关联性三轴试验研究

 为了探讨渗透压–应力耦合作用下岩石渗透率与变形的关联性,采用岩石伺服三轴试验系统,在不同围压和渗透压条件下,利用稳态法对砂岩全应力–应变过程进行渗透率试验研究。根据试样渗透率变化与其破坏过程的对应关系,分析全应力–应变过程中试样渗透率随其脆性、延性变化的特点及渗透率–轴向应变和渗透率–体积应变之间的关联性。试验结果表明：(1) 在渗透压–应力耦合作用下,试样初始渗透率、峰值强度随着围压与渗透压的改变而改变。(2) 在渗流场–应力场耦合作用下连续加载的全应力–应变过程中,渗透率先随着轴向应变的增大而逐渐减小,进入弹塑性阶段后,渗透率变化曲线随围压变化呈现增大、持平及减小3个不同趋势。其中,渗透率曲线持平的现象为三轴渗透试验研究中的新现象。(3) 围压较高时,若形成局部压缩带,则试样进入弹塑性阶段后,渗透率的变化趋势是由岩石微裂隙的萌生、扩展与岩石骨架颗粒压碎这2个主要因素共同决定的。(4) 岩石微裂隙的萌生、扩展对渗透率增大起积极作用,岩石骨架颗粒压碎形成的压缩带对渗透率增大起抑制作用。(5) 岩石进入塑性阶段后,随围压增大,渗透率由上升趋势转变为下降趋势的现象先于脆–延转换的临界状态发生。(6) 岩石的体积应变对渗透率有一定影响,在脆–延转换阶段存在体积应变增大而渗透率减小的现象,这需要其他能够更精确地测量体积应变变化的试验进一步验证。     

基于岩石破坏全过程能量演化的脆性评价指数

 目前用于评价页岩可压性的脆性指数大都孤立地考虑峰值前后的力学特性,并不能反映岩石整个破坏过程的脆性特征。基于岩石的全应力–应变曲线,分析岩石材料由塑性变形转化为脆性断裂过程中各种应变能的演化规律,认为峰前耗散能和峰后断裂能水平是决定岩石是否发生脆性断裂的本质因素。结合这2种能量建立能反映岩石破坏前后力学特征的脆性评价指数,对不同岩石材料在不同围压下的脆性特征以及页岩脆性的各向异性进行评价。研究结果表明：建立的脆性评价指数能同时反映岩石脆性破坏的难易程度和脆性的强弱,可评价不同力学条件下的脆性变化特征。不同岩石材料峰前耗散能以及峰后断裂能随着围压增大而增大,脆性程度不断降低,但降低趋势有所不同,红砂岩和页岩分别在低围压时和高围压时出现了脆–塑性的转化,而花岗岩在围压不断增大的整个过程中都保持着较强的脆性。另外页岩脆性具有明显的各向异性,不同层理方向的页岩所表现出的脆性程度差异显著,随着层理倾角?的增大,页岩脆性表现出稳–减–增的变化趋势,? = 0°时页岩的脆性程度要强于? = 90°时,? = 60°时页岩脆性最弱且表现出很强的塑性特征。实验结果很好地验证了提出的脆性指数的可靠性,研究成果为岩石脆性的定量评价提供了一条新思路。     

大理岩对多次冲击波的非线性动态响应

 利用霍普金森压杆装置对干燥和水饱和大理岩进行多次冲击波在长杆岩石试件中传播的实验研究。结果表明,冲击动态模量随应变或应力的改变而不断地变化。对于干燥大理岩,当冲击应力小于屈服强度时,随应力波传播时间或距离的拉长,模量表现为降低;并且,由于卸载模量大于加载模量,导致卸载波不断追赶加载波,使应力波形由宽变窄,应力波幅不断衰减。随着冲击次数的增加,实验显示出干燥岩石的模量增大,应力波形变窄,弥散效应减弱,衰减幅值减小,残余应变也随之减小的冲击压实效应。对于饱水大理岩,当冲击应力大于屈服强度时,其模量、应力波形特征均与干燥大理岩的冲击结果相类似;随着冲击次数的增加,饱水大理岩出现波形拉长散开,后沿缓波更显著,应力–应变曲线的模量降低,残余应变增大,这与干燥大理岩正好相反。这是因为超过屈服点的冲击导致饱水大理岩的裂纹扩展和新裂纹的生成,引起体积膨胀,模量下降。这些实验结果对大型工程尤其是防护工程的设计和施工是有现实意义的。     

不同围压下大理岩的强度及脆性特性

基于大理岩室内三轴试验,获取不同围压下大理岩的应力应变曲线,分析大理岩的强度及脆性、延性特征.结果表明随着围压的增大,大理岩的峰值强度和残余强度均增大,峰值应变和残余应变也逐渐增大,与围压之间均呈现很好的线性关系.低围压下,大理岩表现为强脆性弱延性,高围压下,大理岩表现为弱脆性强延性,脆性指标BI1能够很好地反映大理岩...     

深埋大理岩强度参数变化规律的综合试验研究

 深部岩体强度参数的研究相当复杂,与研究尺度、应力状态、应力路径都有关系。以锦屏二级水电站深埋引水隧洞T2b大理岩为研究对象,开展室内标准尺寸岩块岩样、中等尺寸岩石岩样和大尺寸岩体岩样在低–中、中–高、高–极高应力水平下的三轴加、卸载试验,探讨深部岩体强度参数的应力水平效应、应力路径效应和尺寸效应。取得以下成果：(1) 获得室内标准尺寸、中等尺寸和大尺寸大理岩岩样在加、卸载应力路径下低–中、中–高、高–极高应力水平下的10组强度参数;(2) 大理岩抗剪强度参数随应力水平的变化规律基本相同：随着应力水平的提高, 值逐渐减小、c值逐渐增大,但是,不同尺寸和不同应力路径下, 值和c值随围压应力水平的变化幅度并不相同;(3) 相对加载条件,卸载路径下岩体强度参数 值增加,c值减小;(4) 在 50 mm×100 mm至500 mm×500 mm×1 000 mm尺度范围内,大理岩强度参数 值的尺寸效应不明显,而c值的尺寸效应显著。     

粗晶大理岩单轴压缩力学特性的静态加载速率效应及能量机制试验研究

 加载速率对岩石力学性质具有重要影响,影响的程度与岩石本身的微结构和加、卸载应力路径及状态等密切相关。基于静态加载速率范围内的9个不同等级应变率下粗晶大理岩单轴压缩试验,研究加载应变率对岩石的应力–应变曲线、破坏形态、强度、弹性模量及变形模量与应变能耗散及释放的影响规律,探讨岩石损伤演化的能量机制。根据总体积应变及裂纹体积应变与起裂及扩容应力的相关性,确定各应变率下岩石起裂及临界扩容应力。加载应变率大约以1×10－3 s－1为分界点,小于该值时应力–应变曲线峰值点附近仍存在一定的塑性屈服或流动段,超过该值后表现为“折线”型。随着加载应变率的增加,岩样破裂模式由张剪型逐渐过渡到张性劈裂甚至劈裂弹射。一般而言,起裂及临界扩容应力和峰值应力均随加载速率增大而增大,且起裂及临界扩容应力越接近峰值强度,但当应变率为1×10－4～1×10－3 s－1时,上述值均出现一个相对低值区间,这与粗晶大理岩的微结构特征相关。起裂应力、临界扩容应力、弹性模量及变形模量均与峰值强度线性相关。单轴压缩下峰前能量耗散量越多,强度越高,峰后可释放弹性应变能和释放速率越大,岩石的张性贯通破裂特性愈强,破裂块数越多。能量耗散使岩石损伤而强度丧失,而能量释放使岩石宏观破裂面贯通而整体破坏。     

大理岩脆–延–塑转换特性的细观模拟研究

 针对锦屏深埋大理岩峰后变形破坏的脆–延–塑转换特性,采用颗粒流程序(PFC)中的簇单元模型(CPM)对其进行细观模拟研究。经过对室内试验结果的反复模拟校准,获得描述锦屏深埋大理岩力学性质的一组细观物理力学性质参数。模型试验结果表明：试样的一系列宏观力学表现,包括弹性模量、泊松比、单轴与启裂抗压强度、应力–应变曲线、峰值与残余强度包络线、拉压强度比以及破坏形态等均与锦屏深埋大理岩的试验结果具有良好的一致性。对不同围压下裂纹发育规律的研究表明：不同应力状态下细观裂纹发育特征的显著差异是导致大理岩的变形破坏出现脆–延–塑转换特性的主要原因;张性裂纹的大量发育决定介质的脆性破坏模式,而剪切裂纹数目的快速增长则促使介质由脆性破坏模式逐渐向延–塑性破坏模式转换。     

基于莫尔–库仑准则的岩石峰后应变软化力学行为研究

 岩石类材料的应力–应变曲线关系分为峰值前区和峰值后区2个部分。在岩石应力–应变曲线峰前部分,一般将岩石视为弹性体,在此阶段采用线弹性本构关系;而在峰后部分,由于不能确定岩石的破坏形态和应力的跌落方式,其力学行为难以用经典理论来描述,因此确定岩石峰后模量的变化是研究岩石峰后力学行为的关键。基于莫尔–库仑强度准则,以内摩擦角?作为中间变量,通过理论推导,将峰后弹性模量 表征为应变 的函数,建立峰后岩体力学非线性应力–应变关系。通过数值算例得到大理岩在不同围压下的全应力–应变曲线,其数值计算结果与试验结果吻合较好,表明所提出的非线性本构模型是正确合理的,同时也表明该模型可以较好的描述不同围压下大理岩的峰后力学行为。     

高温下大理岩力学性质的试验研究

 对徐州大理岩在常温至800 ℃下的力学性质进行试验研究,详细分析高温下及高温后大理岩的峰值应力、峰值应变、弹性模量以及应力–应变全过程曲线等随温度的变化情况,并通过扫描电镜对不同温度状态下大理岩的细观特征进行初步探讨。研究表明,随温度的上升大理岩的体积增大,而其质量及密度下降;低于400 ℃,大理岩的力学性质变化不大;高于400 ℃,大理岩的峰值应力和弹性模量均有不同幅度的降低,峰值应变随温度的升高而大幅增加;经800 ℃高温作用后大理岩的结构整体发生转变导致其力学性质发生突变;大理岩高温后的强度指标(峰值应力、弹性模量)低于其高温下的强度指标,同时,大理岩高温后的峰值应变低于其高温下的值。200 ℃以下大理岩断面微裂纹主要为张性裂纹,600 ℃以上大理岩出现缩聚裂纹和剪性裂纹且逐渐增多;高温后大理岩微裂纹的扩展、贯通比高温下更为明显。     

基于峰后应力跌落速率及能量比的岩体脆性特征评价方法

 脆性作为岩体的重要力学性质之一,是水力压裂、岩石破碎及岩爆预测等工程的关键指标。鉴于此,总结国内外常用岩体脆性指数计算方法,通过对现有数据分析及力学试验对比指出其适用情况及优缺点。为了更加合理的表征岩体脆性,提出基于岩体应力–应变曲线峰后应力跌落速率及失稳破坏时所释放弹性能与峰前储存总能量比值共同表征的脆性指标,并通过胜利油田某油井隔层和油层岩芯在不同围压下的物理试验,验证脆性指标的正确性及相对于其他方法的优越性。另外,通过物理试验中围压为15 MPa油层岩芯的脆性指数突跳现象,说明在实际工程中应该充分重视岩体内部缺陷对其力学行为造成的影响。结论可望对岩体室内脆性评价与分析提供些许参考。     

Influence of rock brittleness on TBM penetration rate in Singapore granite

Brittleness is one of the most important rock properties, which affects the rock fragmentation process induced by TBM cutters, and then the TBM penetration rate. This paper presents the different measurements of rock brittleness. The ratio of uniaxial compressive strength to Brazilian tensile strength was adopted to quantify the rock brittleness. By the laboratory tests, the brittleness indices of more than 100 samples cored in Bukit Timah granite along the tunnel alignments of T05 and T06 tunnels of DTSS in Singapore were obtained. The brittleness index varies in a large range from less than 10 to more than 25. The tendency shows that the brittleness index decreases with the increase of the weathering grade of granite. A series of models were then set up to simulate the effect of rock brittleness on rock fragmentation process using UDEC. With the decrease of the brittleness index, the crushed zone decreases and the number and length of the main cracks outside the crushed zone also decrease. It is obvious that with the increase of the rock brittleness index the cutter indentation process gets easier. Through the statistical analysis of correlation between rock mass properties and the corresponding TBM performance in tunnel projects, it was noted that TBM penetration rate increases with increasing rock brittleness, which is consistency with the numerical simulation results.     

评价岩石脆性指标对滚刀破岩效率的影响

 脆性是岩石重要的力学性质之一。岩石脆性与滚刀破岩效率密切相关,但目前还没有统一的用于评价滚刀破岩效率的岩石脆性指标。总结现有的35种脆性指标,将其分为基于强度、应变、应变能、硬度、莫尔包络线、特殊试验和其他等7种类型。为研究岩石脆性与滚刀破岩效率之间的关系,通过滚刀贯入试验,引入归一化比能概念,提出表征岩石脆性的新指标,重点研究基于强度和贯入试验的脆性指标与归一化比能之间的关系。试验结果表明：(1) 滚刀更难贯入高强度岩石;(2) 脆性指标B2和B4与归一化比能之间呈强烈的指数函数关系,随着脆性的增高,归一化比能降低,滚刀破岩效率增高,应优先选用脆性指标B2来评价滚刀破岩效率,其次是脆性指标B4;(3) 将单轴抗压强度约20 MPa定义为单轴抗压强度过渡值,滚刀不适宜切削单轴抗压强度小于20 MPa的软岩。试验结果对评价滚刀破岩效率时岩石脆性指标的选取具有一定的指导意义。     

脆性岩石起裂应力水平与脆性指标关系探讨

 脆性指标与起裂应力作为岩石力学性质的内在体现,均反映岩石的非均质性和结构上的差异,二者存在一种必然的联系,通过理论研究和算例分析来探讨起裂应力水平与基于单轴抗压、抗拉强度比值的脆性指标的关系。首先,归纳总结基于压拉比、全应力–应变特征及硬度或坚固性的28种基本脆性测试方法。然后,研究硬脆性岩石单轴压缩起裂机制,讨论基于裂纹体积应变拐点的起裂应力确定方法,并定义起裂应力水平指标K。最后,结合具体工程算例探讨岩石起裂应力与基于压拉比的脆性指标的函数关系,深入验证起裂应力水平和脆性指标间内在联系的必然性。得出以下结论：(1) 以岩石单轴抗压、抗拉强度为纽带,建立起裂应力水平和脆性指标间的函数关系,根据单轴压缩起裂应力与单轴抗拉强度的关系,进一步验证脆性指标与起裂应力水平存在内在联系的必然性。(2) 岩石起裂应力水平与脆性指标B5和B6存在明显的函数关系,起裂应力水平与B5呈幂函数关系,与B6呈线性函数关系,相关系数均大于85%。(3) 采用起裂应力水平指标重新定义脆性指标,通过岩石的室内单轴压缩试验,由起裂应力水平可以快速得到岩石的脆性指标。通过这一研究,丰富了岩石起裂应力与脆性指标的关系,为脆性指标的计算提供了一条新思路。     

Rock brittleness indices and their applications to different fields of rock engineering:A review

Brittleness is an important parameter controlling the mechanical behavior and failure characteristics of rocks under loading and unloading conditions,such as fracability,cutability,drillability and rockburst proneness.As such,it is of high practical value to correctly evaluate rock brittleness.However,the definition and measurement method of rock brittleness have been very diverse and not yet been standardized.In this paper,the definitions of rock brittleness are firstly reviewed,and several representative definitions of rock brittleness are identified and briefly discussed.The development and role of rock brittleness in different fields of rock engineering are also studied.Eighty brittleness indices publicly available in rock mechanics literature are compiled,and the measurement method,applicability and limitations of some indices are discussed.The results show that(1)the large number of brittleness indices and brittleness definitions is attributed to the different foci on the rock behavior when it breaks;(2)indices developed in one field usually are not directly applicable to other fields;and(3)the term“brittleness”is sometimes misused,and many empirically-obtained brittleness indices,which lack theoretical basis,fail to truly reflect rock brittleness.On the basis of this review,three measurement methods are identified,i.e.(1)elastic deformation before fracture,(2)shape of post-peak stressestrain curves,and(3)methods based on fracture mechanics theory,which have the potential to be further refined and unified to become the standard measurement methods of rock brittleness.It is highly beneficial for the rock mechanics community to develop a robust definition of rock brittleness.This study will undoubtedly provide a comprehensive timely reference for selecting an appropriate brittleness index for their applications,and will also pave the way for the development of a standard definition and measurement method of rock brittleness in the long term.     

Assessment of brittleness using rock strength and density with punch penetration test

Brittleness fracturing of rock is one of the most popular research areas in rock engineering, since some rocks show brittle fractures under loads. Direct standard testing method for measuring rock brittleness have not available yet. Therefore, rock brittleness is indirectly obtained as a function of rock strength. The aim of this study is not only to introduce direct method to measure rock brittleness as an index via punch penetration test, but also to investigate the relationship between intact rock properties (uniaxial compressive strength, Brazilian tensile strength, and density of rock) and the brittleness measured from the test. To obtain these objectives, rock cores were gathered from 48 tunnel projects throughout the world. Followings the sampling, the samples were prepared and relevant rock tests were carried out to establishment of dataset at the Earth Mechanics Institute of Colorado School of Mines in the USA. Consequently, using generated dataset, new brittleness index (BI_m) and rock brittleness classification was introduced base on type, strength and density of rock together with result of punch penetration test. Further, the rock brittleness index was predicted as a function of the uniaxial compressive strength, Brazilian tensile strength and density of rock with correlation coefficient of 0.94.     

Brittleness of rock and stability assessment in hard rock tunneling

Brittleness is a characteristic of many geomaterials in which the pre-existing heterogeneities among the mechanical and geometrical properties of the constituent materials, (e.g. grains cementing materials and voids) and loading conditions promote non-homogeneous distribution of the stresses inside the failing mass and eventually along the potential failure plane. This study relates the brittleness of failing hard rocks and tunnels to a strain-dependent brittleness index (I_B) which characterizes the entire failure process of rock (pre- to post-peak), and accounts for the involved mechanisms in inducing inelastic strains (damage) inside the failing rock. The strain-dependent brittleness of rock dictates the mobilized strength around underground excavations, affects their short- and long-term stability, and determines the shape of breakout (failed or inelastic) zone. The ground-support pressure interaction mechanism is also affected by rock brittleness. Brittleness of rock is a time- (loading rate) and size- (geometry) dependent property.     

水泥砂浆体中三向压力传感器的测量特性

 确定三向压力传感器实测应力与其周围待测介质初始应力的关系是实现其应力测量的必要条件。为了解三向压力传感器在实际应用中的测量特性,利用RMT岩石力学试验系统对自行研发的三向压力传感器进行标定,研究各个传感面的重复性和线性度,得到各个传感面的标定系数。以水泥砂浆为材料,浇筑制成嵌入三向压力传感器的立方体试样(边长：600 mm),并利用自行研制的真三轴试验加载装置,研究重复荷载作用下水泥砂浆体中三向压力传感器实测应力随外部加载应力状态的变化规律。水泥砂浆体的孔隙结构使得三向压力传感器的实测应力存在滞后现象,但在重复荷载作用下,水泥砂浆体中的孔隙结构逐渐被压密,三向压力传感器的实测应力曲线逐渐趋于稳定。静水应力状态加载条件下,三向压力传感器的实测应力与其对应方向的加载应力呈线性相关关系;非静水应力条件下,三向压力传感器的实测应力不仅与其对应方向的加载应力呈线性相关关系,而且与其对应方向的加载应力与其它两个方向的加载应力之差,也成线性相关关系。在此基础之上,提出了用于描述介质初始应力状态对三向压力传感器实测应力影响规律的数学关系。     

火山灰质粉对砂浆性能与微结构的影响

为加强我国区域火山灰资源利用，为工程建设提供优质建筑原材料，选取泸定桥、泸霍两地典型火山灰弃岩资源磨制成火山灰材料，研究不同种类和粒径的火山灰质材料基本特性。采用火山灰等质量取代水泥制备火山灰-水泥砂浆，分析火山灰对水泥砂浆力学性能与微观结构的影响及机理。结果表明，随着火山灰粒径（d50）的降低，砂浆各个龄期的抗压强度和火山灰活性指数升高，但浆体的流动性降低。掺入火山灰会导致浆体的孔隙率增大和孔结构粗化。当火山灰粒径相似时，泸定桥组砂浆的28d活性指数小于泸霍组。此外，蒸汽养护可以促进各组砂浆的抗压强度和活性增长。