温压条件下岩石破坏前后的力学性质与波速

在温压条件下，对大理岩和砂岩进行了全过程应力应变试验，研究了温压条件对岩石的极限强度，残余强度，剪切破裂角的影响，以及岩石破坏前后的弹性模量与波速的变化。得到了在温压条件下，岩石变形全过程中有关弹性参数和力学性质的变化规律，并进行了简要分析。     

复杂应力条件下饱和松砂单调与循环剪切特性的比较研究

本文利用大连理工大学新引进与开发的“土工静力-动力液压-三轴扭转多功能剪切仪”,针对福建标准砂,在不排水条件下同时进行了单调剪切试验与循环剪切试验,进而对其进行了对比分析。通过比较表明,应力-应变关系的应变软化和硬化特性与流滑变形和循环流动特性密切相关,当循环剪切应力水平高于单调剪切过程中应变软化阶段最小强度时将会发生流滑变形。无论在单调剪切中,还是在循环剪切中,稳定状态时的有效偏应力比随着大主应力方向与竖向之间夹角的增大而减小,在中主应力系数相同的条件下,循环剪切中呈现显著剪胀时的有效偏应力比和最终稳定状态时的有效偏应力比峰值分别与单调剪切中达到相变状态时的有效偏应力比和最终稳定有效偏应力比基本上一致。然而不排水条件下单调与循环剪切过程中孔隙水压力的增长特性却并不相同,循环剪切中的最大孔隙水压力随着初始主应力方向角的增大而减小,单调剪切中的最大孔隙水压力却随着主应力方向角的增大而增大。     

初始主应力方向角对黄土动变形特性影响研究

建筑物和构筑物地基土体的主应力方向往往发生旋转,因此研究初始主应力方向角对黄土动变形特性的影响规律具有一定的现实意义。通过对不同初始应力状态下原状与重塑黄土进行动扭剪三轴试验,研究了初始主应力方向角对黄土动变形特性的影响规律,结果表明:在不同初始主应力方向角下,原状黄土抵抗剪切变形的能力大于重塑黄土;在其他条件相同的情况下,初始主应力方向角越大,黄土抵抗剪切变形的能力越弱;随着初始主应力方向角的增大,黄土的动剪切模量随动剪应变变化的规律呈现出减小的变化趋势,而阻尼比则呈现出增大的变化趋势;初始动剪切模量与最大动剪应力随初始主应力方向角的增大而减小。建议在初始平均主应力较大的情况下,考虑初始主应力方向角对黄土动变形特性的影响,试验成果可为黄土地区工程设计提供一定的参考。     

应力途径和破裂前兆

本文研究了在不同的应力途径下岩石破坏的条件和破裂的前兆.选定了三种应力途径进行研究:在一定应力状态下增加最大主应力σ₁, 保持σ₂, σ₃不变, 使岩石破坏（A 型）;减小最小主应力使岩石破坏（B 型）;增加最小主应力岩石不破坏（C 型）.通过实验得到了济南辉长岩和昌平花岗岩 A 型途径和 B 型途径破裂强度的比较.对三种途径岩石的体应变、声发射和波速V_p, 进行了对比研究.A 型途径的破裂前兆表现与许多作者的结果相符合.B 型途径岩石断裂前处于"过密"状态, 与此相联系的声发射增加和波速V_p下降出现得很晚.C 型途径岩石处于超膨胀状态, 出现了声发射增加和波速V_p下降而岩石并未破坏的现象.      

最小主应力减小引起岩石破坏时中间主应力的影响

过去曾用常规的三轴试验机研究过减小围压引起的岩石破坏。这种实验的局限性在于中等主应力和最小主应力始终保持相等。本实验使用茂木的真三轴试验机研究了单独减小最小主应力引起的岩石破坏。发现岩石的强度、变形、延性和脆性等力学性质与常规实验有明显的差异。证实了茂木在增大最大主应力引起岩石破坏的一系列实验中阐明的中等主应力效应,在减小最小主应力引起岩石破坏的实验中仍然存在。     

应力途径的研究

本文回顾了五年来应力途径研究工作的进展。实验表明几种岩石的强度、延性和脆性、体积变化和破坏前兆等与应力途径有关。三个主应力的变化(最大主应力的增加,最小主应力的减小和中等主应力的增加或减小)都能引起岩石的破坏,而破坏前兆的表明却有很大差别。这对了解岩石的性质和研究地震成因及前兆规律性有一定的意义。     

高孔隙岩石局部化变形研究新进展

“压实带”是高孔隙岩石在脆-延性转换阶段发生的一种局部化变形现象．“压实带”的发现改变了关于局部化变形发生方向的传统观念．“压实带”对于理解地壳运动和变形的重要性以及在材料和石油工业等方面的潜在应用,使得它成为岩石物理学和地质学的研究热点之一．本文围绕“压实带”,从实验研究、连续介质理论分析和数值模拟三个方面详细介绍了高孔隙岩石局部化变形的研究进展．     

中主应力对击实黄土强度和变形特性的影响

为研究中主应力对击实黄土强度和变形特性的影响,利用空心圆柱扭剪仪对击实黄土进行主应力轴方向为0°的定向剪切试验,重点探讨中主应力系数b对剪切过程中击实黄土强度和变形的影响。试验结果表明,在不同中主应力系数下试样的广义剪应力-应变曲线发展模式基本相同,其曲线差异不显著,剪切后期试样表现出显著的延性特性。中主应力对击实黄土的强度影响较大,b=0.25时归一化强度最大,而b=0.5时最小。当b从0到0.25时强度增加;当b=0.25时强度达到峰值,随着b的继续增加,强度迅速减小;当b=0.5时强度达到最小值,随着b的进一步增加,强度先增大后减小。随着中主应力系数b的增加,击实黄土的有效内摩擦角呈现增大的趋势,强度参数在b=0时最小,b=0.75时最大,b=1(三轴拉伸)高于b=0(三轴压缩)。     

砂岩变形方式和变形机制的实验研究

在温度为200°—700℃,围压为200—700MPa,恒定应变速率(1×10~(-4)/s)条件下,笔者对长石砂岩和石英砂岩完整的和带预切口的试样进行了变形实验。应力-应变曲线表明,完整砂岩发生了脆性的、脆延性过渡状态的和延性的变形;而带预切口的砂岩在整个实验条件下都发生了稳定摩擦滑动。显微观测表明,岩石变形的主要机制是晶内和穿晶微裂隙的产生和发展。根据实验结果笔者推测,砂岩组成的地壳在地下10km左右的深度有最大破坏强度和摩擦强度;而发育在岩石中的断层的活动一般以稳定摩擦滑动为主。     

甘肃北山地区岩石磁组构特征及其构造意义

甘肃北山地区岩石磁组构特征是磁各向异性度P值大,反映该区总体韧性剪切变形强烈磁椭球扁率E＞0占优势,磁面理发育,部分样品磁线理发育,反映变形以压扁变形为主;但局部剪切拉伸变形明显,最小磁化率轴投影显示变形主压应力为近南北向为主.矿化蚀变的糜棱岩中P值与金品位呈反相关,说明矿化蚀变的热液作用削弱了岩石中已经形成的磁化率各向异性,反映出矿化蚀变晚于构造变形的时序关系.这与该区处于塔-哈两板块碰撞带的大地构造位置以及碰撞带的变形性质、变形样式、变形动力学和运动学,以及成矿作用的特点是相吻合的.     

基于非线性屈服准则及主应力判据的圆形巷道围岩岩爆过程的数值模拟

鉴于考虑拉伸截断的线性莫尔-库仑屈服准则不能考虑岩石在高应力条件下的非线性屈服特征,根据虎克-布朗本构模型,将上述屈服准则在受压区的线性屈服函数修改为非线性形式。采用3种岩爆的主应力判据,判别圆形巷道开挖之后围岩中各种级别岩爆的分布及演变规律。计算采用＂先加载,后挖洞＂的方式,岩石服从弹—脆—塑性本构模型。研究发现,发生高级别岩爆的单元数少于发生低级别岩爆的单元数;轻微岩爆区的形态更接近于塑性区及剪切应变增量的高值区。根据巴顿判据,发生重岩爆的单元数较多,而且主要发生的是拉伸岩爆;根据陶振宇判据,发生轻微及中等岩爆的单元数均多于根据谷明成-陶振宇判据判别的结果。上述两种判据判别的结果均表明,在不考虑拉伸岩爆的条件下,只有位于围岩内部的单元才有可能发生高级别的岩爆,而位于巷道表面的单元一般仅发生轻微岩爆。     

不同土质条件下断层地表破裂对比研究

本文结合华北地区几个地震统计区的实例,探讨了地震统计区的重要地震活动性参数b值和v4不确定性的主要影响因素及其特征,并研究分析了其不确定性的大小。结果表明,地震活动性参数的不确定性主要影响因素为样本统计时段、样本处理方法、统计下限震级、高震级年平均发生率等。在郯庐地震统计区,b值变化可达0.2以上,v4的变化可达1.4以上,汾渭地震统计区的不确定性也基本相当,河北平原地震统计区因为地震样本相对丰富,不确定性要小许多。     

华北平原强震构造带与潜在震源区划分

在莫尔-库仑理论中引用Drucker-Prager准则,对于基岩断层及其上的覆盖土体建立相应的弹塑性模型,观察在不同力学条件下（张应力、压应力、剪应力）,以及在基岩断层分别为正断或逆断作用下,上覆粉砂质土体和粘土质土体的错动变形。结果表明：在张应力作用下,粘土比砂土更易变形;在压应力作用下,砂土更易变形;而在剪应力作用下,粘土比砂土更易变形,且粘土抗剪强度越大,变形越大。在正断层作用下,在粉砂土与粘性土中所发生的变形并没有大的不同,而在逆断层载荷作用下,粉砂质土体比粘土质土体更容易变形位错。     

Finite strain rock plasticity: stress triaxiality, pressure, and temperature effects

An elasto-plasticity theory is used to model the deformation of geological materials under various confining pressures and moderate temperatures. The effects of material hardening (or softening due to volumetric strains) are included, and the corresponding elasto-plastic rate constitutive relations are developed. To study the influence of pressure and temperature on the constitutive parameters, we use some published data of laboratory experiments on certain rocks. It is shown that over a wide range of pressures and low to moderate temperatures, when the rate effect can be ignored, the model can be used to describe the behaviour of geological materials. Based on this theory, dilatancy (i.e., inelastic volumetric expansion) of an intact granite is studied under conventional triaxial stress states. The effect of pressure and temperature on the magnitude of dilation and on the stress (measured relative to the peak stress) at the onset of dilatancy is investigated. It is found that, consistent with experimental data, the theory predicts this stress to be about 50% of the peak stress, but its specific value depends on pressure and temperature. As an illustration, stress-strain curves for intact granite at relatively shallow crustal depths are then predicted for possible application to the study of crustal deformation and for the prediction of fault behaviour.     

岩石塑性变形条件下的Mohr-Coulomb屈服准则

传统的Mohr-Coulomb强度准则仅描述了峰值强度状态下正应力和剪应力之间的关系,作为岩石破坏的判据.本文拓展概念,提出Mohr-Coulomb屈服准则表述岩石发生塑性变形后不同应力状态下屈服面的应力应变关系.在总结实验研究的基础上建立了使用三轴压缩试验数据确定塑性参数c和φ随内变量κ变化的实验技术方法,给出了评价各向同性模型精度的参量表达以及某些测试结果.采用具有各向同性强(软)化规律的Mohr-Coulomb屈服准则,利用岩石的初始屈服、峰值屈服和残余屈服三组参数可以将全过程应力应变曲线简化表征为四直线模型,它比三线性模型有更广泛的适用性.本文的结果为工程地质数值模拟提供了理论和实验基础,具有指导意义.     

饱和土体-地下综合管廊结构地震响应分析

将土体视为固-液两相介质,基于饱和土体有效应力原理,建立饱和土体-地下综合管廊结构体系相互作用动力模型:在地应力平衡的静力状态下采用Duncan-Chang非线性弹性本构模型,在地震波作用的动力状态下采用Davidenkov非线性黏弹性本构模型;考虑饱和土体黏弹性动力人工边界条件,将地震动作用转化为作用在人工边界节点上的动力荷载。模型考察不同地震波时程、地震波加速度峰值、入射角度、孔隙率以及地应力场的影响,得出如下结论:(1)地震波的卓越周期与场地卓越周期相近时引起结构上的变形最大;随着地震波加速度峰值的增大结构变形增大;随着地震波入射角度的增加结构变形增大,地震波斜入射情况下产生的行波效应使得结构变形最大。(2)土体材料的孔隙水压力是影响地震中结构变形的主要因素之一。(3)将土体材料考虑为单相介质时结构上的变形要比考虑为固-液两相介质时大得多,直接将饱和土体场地中得到的地震波等效荷载施加到单相土介质-结构动力相互作用模型上,能够得到与完全基于有效应力法一致的结果。     

GPS结果揭示的龙门山断裂带现今形变与受力——与川滇地区其他断裂带的对比研究

本文构建川滇地区二维有限元接触模型,采用“块体加载”方法和1999-2007年GPS数据,模拟计算该区主要断裂带的形变运动,对比、分析其运动、受力特征和应力积累差异.结合区域强震研究汶川地震、芦山地震的力学背景.结果显示强震前龙门山断裂带保持低变形,右旋错动不超过1 mm·a^-1,挤压不超过0.5 mm·a^-1,明显低于其他断裂带,但其两侧应力值与其他断裂带相当,主压应力轴与断裂带走向垂直,形成很宽的挤压带,断层面法向挤压应力积累为-333.74 Pa·a^-1,为全区最高.揭示1999年以来,龙门山断裂带及巴颜喀拉块体东部的挤压应力快速增加,致使实际应力可能处于高水平并诱发地震活跃,期间强震呈丛集性,出现汶川、芦山地震接连发生的现象.     

Statistical damage constitutive model for rocks subjected to cyclic stress and cyclic temperature

A constitutive model of rocks subjected to cyclic stress–temperature was proposed. Based on statistical damage theory, the damage constitutive model with Weibull distribution was extended. Influence of model parameters on the stress–strain curve for rock reloading after stress–temperature cycling was then discussed. The proposed model was initially validated by rock tests for cyclic stress–temperature and only cyclic stress. Finally, the total damage evolution induced by stress–temperature cycling and reloading after cycling was explored and discussed. The proposed constitutive model is reasonable and applicable, describing well the stress–strain relationship during stress–temperature cycles and providing a good fit to the test results. Elastic modulus in the reference state and the damage induced by cycling affect the shape of reloading stress–strain curve. Total damage induced by cycling and reloading after cycling exhibits three stages: initial slow increase, mid-term accelerated increase, and final slow increase.     

The Elastic Strain Energy of Damaged Solids with Applications to Non-Linear Deformation of Crystalline Rocks

Laboratory and field data indicate that rocks subjected to sufficiently high loads clearly deviate from linear behavior. Non-linear stress–strain relations can be approximated by including third and higher-order terms of the strain tensor in the elastic energy expression (e.g., the Murnaghan model). Such classical non-linear models are successful for calculating deformation of soft materials, for example graphite, but cannot explain with the same elastic moduli small and large non-linear deformation of stiff rocks, such as granite. The values of the third (higher-order) Murnaghan moduli estimated from acoustic experiments are one to two orders of magnitude above the values estimated from stress–strain relations in quasi-static rock-mechanics experiments. The Murnaghan model also fails to reproduce an abrupt change in the elastic moduli upon stress reversal from compression to tension, observed in laboratory experiments with rocks, concrete, and composite brittle material samples, and it predicts macroscopic failure at stress levels lower than observations associated with granite. An alternative energy function based on second-order dependency on the strain tensor, as in the Hookean framework, but with an additional non-analytical term, can account for the abrupt change in the effective elastic moduli upon stress reversal, and extended pre-yielding deformation regime with one set of elastic moduli. We show that the non-analytical second-order model is a generalization of other non-classical non-linear models, for example “bi-linear”, “clapping non-linearity”, and “unilateral damage” models. These models were designed to explain the abrupt changes of elastic moduli and non-linearity of stiff rocks under small strains. The present model produces dilation under shear loading and other non-linear deformation features of the stiff rocks mentioned above, and extends the results to account for gradual closure of an arbitrary distribution of initial cracks. The results provide a quantitative framework that can be used to model simultaneously, with a small number of coefficients, multiple observed aspects of non-linear deformation of stiff rocks. These include, in addition to the features mentioned above, stress-induced anisotropy and non-linear effects in resonance experiments with damaged materials.