卸载速率对北山花岗岩强度影响研究

为了更准确地认识卸荷速率对北山花岗岩力学性质的影响,使用MTS815岩石试验系统进行了不同围压下不同卸荷速率的三轴试验。试验采用加轴压卸围压的方式,设置0.1、1.5、2.0 MPa/min三种围压卸载速率,轴压加载速率是围岩卸载速率的10倍,初始围岩设置为5、10、15、20、30 MPa。加卸载过程用力控制,试验过程中用轴向引伸计和环向引伸计记录轴向变形和环向变形,研究加载速率对岩石强度、c、φ值的影响,并基于弹性能建立卸载速率影响系数。研究结果表明,(1)卸载试验岩石破坏均表现明显的脆性破坏特征,随着卸载速率增加,强度升高;(2)随着卸载速率增加,c值增大,φ值基本不变;(3)卸载速率主要通过应力调整滞后和卸载附加应力对岩石强度、c、φ值造成影响;(4)基于弹性能建立了影响系数,表征卸载速率对岩石破坏的影响程度,表明同一围压下卸载速率增加,影响系数增大,岩石破坏剧烈程度增加,同一卸载速率时,围压增加,影响系数减小,受围压的限制,岩石破坏剧烈程度降低。     

基于数字散斑相关方法的虚拟引伸计及其在岩石裂纹动态观测中的应用

基于数字散斑相关方法（DSCM）发展了一种虚拟引伸计测量方法。该方法通过DSCM测量的应变场识别和定位裂纹,然后“事后”在裂纹处虚拟地安装引伸计,再通过DSCM测量的位移场计算裂纹的张开量和错动量。给出了虚拟引伸计的原理和实现方法,并用实验验证了虚拟引伸计的可靠性,同时分析并标定出虚拟引伸计在实测中可达到0.1像素的分辨率。将虚拟引伸计应用于含未穿透预制裂纹（三维裂纹）的花岗岩试件的破坏实验中,根据虚拟引伸计测得的裂纹张开、错动情况,对试件破坏过程中不同裂纹的出现顺序以及裂纹类型进行了判断,同时对试件破坏的机制进行了简单分析。     

深层岩石力学性质的试验方法

采用美国MTS公司生产的三轴岩石力学试验机进行岩石强度特性和变形特性试验。岩样试验结果表明,由于岩石内弱面和充填物的影响,岩性相同的岩石变形特点并不相同,而不同岩性的岩石却有相似的应力/应变曲线。由于岩石非线性、赋存条件及结构特性的影响,应根据研究范围对试验结果进行相应的处理。      

岩石三轴拉伸试验装置研制及其应用

为准确地测量岩石试样在不同围压作用下的拉伸强度与变形特性,对用于岩石三轴压缩试验的MTS815材料试验机为主体设备进行了一系列技术改造,一方面设计加工了一套试验机活塞与三轴室的随动连锁装置,使原本只能提供压缩载荷的MTS815试验机也能精确提供轴向拉伸荷载;另一方面设计开发一种多自由度岩石试样三轴拉伸夹具,解决岩石等脆性材料在拉伸过程中难以始终保持对中的技术难题。提出一套完整的测试技术方法,能实现0～140 MPa围压范围内各种岩石试件的复杂三轴直接拉伸测试研究,利用研发的配套装置与测试方法对页岩试样进行了三轴拉伸试验。结果表明,试验装置和试验方法完全能够进行不同围压条件下的岩石三轴拉伸试验,得到相应的三轴拉伸试验曲线;页岩在低围压和高围压下呈现不同的破坏特征和破坏形式,低围压下依然呈现脆性特征,高围压下则是由脆性向塑性转换。     

单一岩石变形特性及本构关系的研究

利用MTS815岩石材料试验机试验,得到了在不同围压下砂岩的应力-应变全过程曲线及曲线上的压密、弹性、应变硬化(塑性)和应变软化(破裂)的4个阶段。分析了各阶段岩石的变形特性和围压对岩石强度的影响。根据岩石的变形特性提出以Duncan模型为基础的、能够描述岩石压密、弹塑性和破裂段的单一岩石本构模型,用改进的模型分析了岩石变形破坏机理。实验表明,提出的改进本构关系能更好地描述岩石的变形和破裂。     

基于LVDT的小应变三轴仪研制及其软土试验应用

研制了基于LVDT（线性可变差动变压器）传感器的高精度小应变三轴仪,详细介绍了该三轴仪的结构、传感器特性及小应变测量的技术细节。三轴仪采用电控调压阀控制轴压和围压,同时可用电机驱动施加轴压,进行各种复杂应力路径的应变或应力控制三轴剪切试验。针对信号干扰等影响微小位移测量精度的问题,提出了恒温、接地、使用高精度直流电源等措施,并利用中值滤波的方法有效提高了LVDT局部位移计的测量精度。利用安装有LVDT位移传感器的三轴仪对上海软土进行K0固结不排水剪切试验,成功获得上海软土在0.001%～0.1%小应变范围内的割线模量变化情况;确认了LVDT位移传感器能够获得比霍尔效应局部位移计更小应变范围的软土割线模量,指出自主研制的设备比黑盒子产品更有利于实现测量精度的提高。     

向家坝水电站左岸坝基挤压破碎带变形特性试验研究

坝基软弱破碎地质体是影响大坝安全的关键因素之一,其岩体力学参数的合理确定是大坝工程稳定分析与安全评价的基础。为合理确定向家坝水电工程左岸坝基挤压破碎带的变形模量,进行了室内MTS变形模量试验、现场小型承压板和大型承压板试验研究。3种试验方法得到的破碎带岩体变形模量基本都小于1.0 GPa,有盖层承压板试验条件下的破碎岩体变形模量测试值远大于无盖层岩体影响情况下的试验成果。研究成果表明,不同试验方法反映了左岸坝基破碎带岩体的不同受力状态,其变形模量也呈现一定差异性。在分析挤压破碎带变形模量试验值差异性的原因基础上,提出了左岸坝基破碎带岩体变形模量的建议值。     

815•03型电液压伺服控制压力机及岩石的荷载-位移全过程

本文对MTS公司的815•03型电液压伺服控制压力机的工作原理及其控制方式作了简单的介绍,同时,对几种岩石的荷载-位移全过程的特性及其受应变率的影响也作了初步的探讨。     

815·03型电液压伺服控制压力机及岩石的荷载-位移全过程

本文对MTS公司的815·03型电液压伺服控制压力机的工作原理及其控制方式作了简单的介绍,同时,对几种岩石的荷载-位移全过程的特性及其受应变率的影响也作了初步的探讨。     

3D-DIC系统在岩石力学试验中的应用

介绍了全场3D-DIC系统,在试样周围均匀布置三组3D采集元,利用散斑图像的采集,尽可能在较大范围内捕捉试样表面的变形并进行分析。为了验证3D-DIC系统测量结果的可靠性,以江持安山岩为试验材料,进行了单轴压缩条件下的恒定应变速率和交替应变速率试验。通过3D-DIC系统的测量结果与应变片测量结果的对比发现,两者吻合度较好,表明3D-DIC系统能够满足岩石力学试验非接触式、可视化变形测量的需求。另外以田下凝灰岩为试验材料,通过图像分析得到了加载过程中岩石表面的全场变形信息,发现岩石变形的不均匀性和应变局部化现象,表明利用3D-DIC系统对岩石破裂过程变形测量比传统变形测量方法更具有优越性,为岩石力学试验研究提供了一种新的、便捷的测试方法。     

岩石变形破坏过程中渗透率演化规律的试验研究

利用伺服试验机对灰岩和砂岩进行了应力应变全过程渗透性试验,研究了岩样变形和破坏过程中的轴向应变与渗透率之间的关系,分析了岩样环向应变对渗透率的影响规律,探讨了岩样变形破坏前后渗透压差随时间的变化关系。结果表明,岩样渗透率与应力状态密切相关,渗透率的峰值滞后或超前于应力应变峰值,这与岩石介质本身的特性有关;渗透率-环向应变曲线与渗透率-轴向应变曲线有相同的变化趋势,但岩石环向变形比轴向变形更能灵敏地反映渗透率的演化规律;岩样变形破坏峰值前后的渗透压差与时间均遵循负指数关系。最后对岩石变形破坏过程中的渗透机理作了讨论。     

RDT-10000型岩石高压动力三轴仪的研制

根据对防护工程、爆破工程、地震工程和其它高压、高速工作的研究需要,研制了一台岩石高压动力三轴仪。它可研究岩石或其它材料在三轴动、静力条件下的应力-应变关系。该三轴试验仪的特点是高压、高速,能使岩石试件在围压为0-1000MPa,轴压达0-4000MPa的条件下进行试验,快速加载只需4-9ms就可使荷载由零上升至峰值,应变速率达100s-1。本文介绍了三轴仪的主要结构,动加载原理,密封,高油压下的测量手段等,还介绍了用这台设备对各种岩石在各种应力条件下所进行的应力-应变关系、强度、变形、破坏、应变速率效应等试验的情况和所获得的试验数据。     

巴东组紫红色泥岩三轴压缩试验及本构模型研究

采用MTS压力试验系统对巴东组紫红色泥岩进行了4个不同级别围压的三轴压缩试验和单轴试验。得到了巴东组紫红色泥岩在这5个围压下的全应力-应变曲线。根据试验结果,把全应力-应变曲线分为4个主要阶段,并分析了屈服强度、峰值强度、残余强度随围压的变化规律,结果表明,它们与围压成线性增大关系,满足库伦-莫尔强度准则。同时,根据试验曲线,利用双线性-线性软化-残余理想塑性模型来模拟巴东组紫红色泥岩,并给出了每一段的本构方程,确定了相关参数,可供类似的工程参考。     

高温周期变化与高围压作用下大理岩力学特性试验研究

为了探讨温度周期变化与高围压对大理岩变形、强度特性及破坏断裂损伤劣化的影响,采用MTS815.03电液伺服刚性岩石试验系统,选取四川凉山雅砻江大河湾锦屏二级水电站引水隧洞围岩大理岩试样分别进行不同温度变化（100～ 600 ℃）,周期次数为8次。进行高围压（60 MPa）作用下全应力应变过程三轴压缩与单轴压缩对比试验,系统分析比较了温度循环与高围压作用对大理岩应力-应变关系曲线、峰值应力、残余应力,峰值应变、残余应变以及弹性模量等的影响。试验结果表明,大理岩随着温度升高,峰值强度、残余强度、弹性模量下降,峰值应变和残余应变随之增大;在同一温度下,随着循环次数增加,其弹性模量、峰值强度、残余强度降低,温度越高,降低越明显;多次循环后,岩石的脆性变大,应力-应变曲线峰后段不再平滑,残余应变变小,其研究成果为锦屏二级水电站引水隧洞围岩稳定性分析提供理论依据。     

锦屏二级水电站大理岩复杂加卸载应力路径力学特性研究

地下洞室开挖围岩经历典型径向卸载、环向加载应力路径,由此引起的岩体强度、变形特征和破坏机制也不尽相同。针对锦屏二级水电站高地应力赋存环境,对施工排水洞大理岩开展常规单轴全应变、三轴压缩、卸围压、卸围压-加载轴压等4种不同应力路径力学试验,得到应力-应变全过程曲线、变形破坏特征和极限储能变化规律。试验研究结果表明, （1）锦屏二级水电站大理岩破坏时轴向应变一般较小,为硬脆性材料,卸荷应力路径下该脆性特征更为明显;（2）卸围压同时加载轴压试验峰值强度对应轴向应变、环向应变及体积应变值一般高于单纯的卸围压值,而对应峰值强度则一般低于卸围压值;（3）卸荷速率较大时,变形模量越大,大理岩峰值强度越低。加载速率越大,变形模量越小,峰值强度越高。初始围压越高,变形模量值越低,峰值强度越高;（4）无侧限作用时试件主要为张拉破坏,低侧限作用时为剪切破坏为主,局部存在张拉破坏,较高侧限时,剪切面为典型X或Y型;（5）岩石试件具有极限储能值,该值受多种因素的影响。一般情况下试件破坏对应围压越高,极限储能值越高,卸载速率越大,极限储能值越小。研究结果对于岩爆孕育发生机制解释以及工程实际问题的解决均有参考价值。     

岩石试样的强度准则及内摩擦系数

岩石是一种非均质材料并含有各种缺陷,利用岩样的应力应交全程曲线可以确定理想强度,在排除岩样缺陷后讨论峰值强度与围压的关系,即强度准则。通过岩样剪切破坏后保持轴向变形恒定降低围压试验,可以确定岩样由摩擦力维持的承载能力随围压的变化关系。比较峰值强度和残余强度随围压变化关系的异同,可以研究岩样屈服过程中内摩擦系数的变化情况,以及内摩擦力对岩样变形特性的影响。粉砂岩试样在峰值应方时内摩擦系数已经达到最大值,峰后只是粘结力或者说是材料强度的降低过程,围压对变形没有明显影响。大理岩试样屈服过程中内摩擦系数不断增加,而内摩擦力的增加量与围压有关,高围压时只有材料强度完全丧失之后,由内摩擦力达到岩样的承载极限。内摩擦力系数随屈服过程增大,是岩石由脆性转交为廷性的根本原因。      

三轴压缩条件下千枚岩破裂与能量特征研究

利用MTS815程控伺服岩石力学试验系统,对千枚岩进行不同围压下的三轴压缩试验,研究围压对千枚岩变形破坏特征和能量演化特征的影响。结果表明:在低围压下,千枚岩破坏模式为张-剪复合型破坏,随着围压升高,破坏模式转变为剪切破坏;弹性应变能曲线和耗散能曲线的交点k为能量分界点,k之前表现为能量积聚,k之后表现为能量释放;总能量与轴向应变关系曲线在加载初期呈下凹曲线,能量增速升高,加载后期呈上凸曲线,能量增速降低;特征应力点的总能量和储能的弹性应变能均随围压的增大而增大;围压对岩石内部裂纹扩展和峰后能量释放均有阻碍作用。     

峰后岩石剪胀性能试验研究

采用美国MTS815型电液伺服岩石力学试验系统,对18块大理岩试件进行了试验,从6种不同围压下岩石应力-应变试验中,获得了岩石强度、剪胀力及体积应变随围压的变化情况规律,揭示了高应力松动、圈巷道围岩大变形的力学机理。提出了破裂岩体围岩与支护相互作用及最佳支护力位于“剪胀二期”初始点的新观点。     

煤岩两体模型变形破坏数值模拟

采用拉格朗日元法,在弹性岩石与弹性-应变软化煤体所构成的平面应变两体模型的上、下端面上不存在水平方向摩擦力条件下,模拟了模型的破坏过程、岩石高度对模型及煤体全程应力-应变曲线、煤体变形速率、煤体破坏模式及剪切应变增量分布的影响。结果表明,当模型的全程应力-应变曲线达到峰值时煤体内部的剪切带图案已经十分明显,在模型的应变硬化阶段,煤体中的应变局部化可视为模型失稳破坏的前兆,随岩石高度的增加,模型应力-应变曲线的软化段变得陡峭,这与单轴压缩条件下的解析解在定性上是一致的;煤体应力-应变曲线的软化段变得平缓,煤体消耗能量的能力增强;弹性阶段煤体的变形速率降低;煤体内部的剪切应变增量增加。煤体应力-应变曲线的软化段的斜率、弹性阶段煤体的变形速率、煤体内部的剪切应变增量及塑性耗散能都受岩石高度的影响,说明了岩石几何尺寸对煤体的影响(煤岩相互作用)是不容忽视的。