中尺寸岩样真三轴试验系统研制与应用

 目前国内外岩石真三轴试样尺寸倾向于两极,且尺寸跨度大、应力大小不同,不便于研究岩体三轴强度的尺寸效应和高应力环境复杂应力路径岩石的变形与强度特征,为了解决这个问题,研制LWZ–10000型中尺寸岩石真三轴试验系统,详细介绍该系统的设计思路、结构特点、技术指标及功能,该系统具有以下特点：(1) 自动伺服控制与变形破坏全过程数据采集,且精度高、性能稳定;(2) 试样尺寸介于室内和现场三轴试样尺寸之间,且尺寸可变;(3) 侧向和轴向载荷高,且三向独立控制;(4) 可同步进行超声波和声发射跟踪测试。采用该系统对锦屏大理岩进行大量的不同应力路径真三轴试验,对加载和卸载路径真三轴试验的应力–应变全过程曲线及与波速对应关系进行分析,结合大理岩不同尺寸卸载路径的真三轴试验成果,初步研究大理岩卸载路径下强度参数的尺寸效应。该系统的成功研制为研究多向复杂应力路径下不同尺寸深部岩体的变形及强度参数提供了新手段。     

YXSW–12现场岩体真三轴试验系统及其应用

 介绍了长江科学院与长春朝阳试验仪器有限公司联合研制的YXSW–12现场岩体真三轴试验系统,该试验系统具有如下功能：(1) 能够开展现场岩体真三轴试验(?2≠?3);(2) 可以提供15 MPa稳定围压,最大轴压达80 MPa;(3) 试样尺寸为50 cm×50 cm×100 cm,能表征现场大尺度岩体力学特征;(4) 能实现复杂应力路径伺服控制;(5) 能获取试样变形、破坏全过程曲线。将YXSW–12试验系统用于研究柱状节理玄武岩力学特性,取得良好的效果,成果如下：(1) 获得不同应力水平下岩体各向异性变形参数;(2) 得到原岩样在卸围压路径的峰值强度、屈服强度,获得试样在卸围压路径与加载路径下的残余强度,明确了不同类型强度参数之间的差异;(3) 了解柱状节理玄武岩在三维应力状态下的破坏机制,认识到岩体的破坏形式主要是在柱状节理面基础上的进一步扩展和贯通。YXSW–12试验系统的成功研制,为深入研究工程岩体在高应力、复杂应力路径条件下的变形、强度及破坏特征提供新的手段。     

深部软岩大型三轴压缩流变试验及本构模型研究

 岩体三向应力状态下的三轴流变试验是真实反映工程岩体流变特性的重要手段。详细介绍泥岩现场大型真三轴蠕变试验过程、方法和试验成果,深入分析蠕变变形随时间的变化规律,提出泥岩非线性经验幂函数型蠕变模型及其参数,该模型真实地反映了深部软岩不同应力水平下的流变特征。研究结果表明,泥岩的蠕变速率不仅与时间密切相关,还与应力水平相关。研究成果可用于软岩工程巷道的长期变形预估和支护设计,对软岩巷道的支护优化设计具有重要的参考价值。     

岩石应力–渗流耦合真三轴试验系统的研制与应用

针对深部岩石所处的高地应力、强渗透水压等复杂的赋存环境特点,研制岩石应力–渗流耦合真三轴试验系统,并详细介绍系统的主要结构、功能和使用方法。该系统可独立伺服控制施加三维应力,利用声测系统对试件在三维应力和渗透水压作用下的裂隙扩展演化过程进行实时跟踪。通过对不同渗透水压条件下大尺寸花岗岩人造节理试件的真三轴加载试验,研究三维应力和渗透水压对渗透特性的影响,试验结果很好地反映出深部岩体的应力–渗流耦合特性。岩石应力–渗流耦合真三轴试验系统的研制和试验,丰富深部高地应力、强渗透水压等环境下岩石力学性质的研究手段,可为采动围岩遇水作用的稳定性及渗流灾害控制技术的研究提供科学的试验基础。     

岩体蠕变结构效应的数值模拟研究

采用数值模拟试验方法对岩体结构的蠕变力学效应进行研究。通过对均质岩体、不同分布产状和数量的结构面试件进行单轴、三轴压缩蠕变试验的计算机仿真,探讨岩体蠕变的结构效应、围压效应以及不同结构条件下岩体的蠕变变形规律与破坏特征等。结果显示,结构面产状对岩体流变性态的影响十分显著,它不仅明显改变岩体的蠕变强度、位移形态,而且控制着岩体的破坏模式及破坏条件。大多数试件的蠕变曲线与实验室或现场得到的岩石单轴、三轴压缩蠕变曲线特征基本相似;各试件之间由于结构面产状、侧向应力水平等的不同其蠕变曲线型式在高应力状态下有所差异。     

现场裂隙岩体水力耦合真三轴试验系统研制与应用EI北大核心CSCD

为突破能反映岩体特性、岩体结构、初始应力及应力路径等多因素交互影响的水岩作用机制试验研究瓶颈,研制HMTS–1200型裂隙岩体水力耦合真三轴试验系统。该试验系统由高水压密封试验舱系统、试验荷载加载与反力系统、耐高水压变形测量系统、高精度伺服控制系统等组成。该系统的先进性和创新性如下:(1)采用试样外封闭思想,构造直径为1.6m水压力密封试验舱,模拟裂隙岩体水压力环境,将岩体试样与力学试验装置整体置于试验舱内开展力学试验;(2)试样尺寸310 mm×310 mm×620 mm,试验轴向荷载12 000 kN,侧向荷载3 000kN;(3)实现高水压下岩体变形直接测量,变形传感器耐水压力3 MPa,测试分辨率0.001 mm,线性度小于0.05%。利用该系统开展玄武岩在不同荷载组合下的水力耦合试验。试验结果表明,水压力的力学效应与岩体试样的变形响应与岩体结构特征、初始应力状态和水力变化路径有关。水压力对试样的力学作用主要表现为两种形式的力学作用及其相互耦合,一种是作为附加面力施加于试样表面,压缩岩体;另一种是水渗入裂隙中产生渗透水压力,降低裂隙面的有效应力,引起裂隙剪切错动和岩样膨胀变形。该设备的成功研制可为高坝水库蓄水及运行引起的库岸岩体变形及诱发滑坡等复杂环境裂隙岩体水力耦合问题和工程应用研究提供新的试验手段。     

十年来水利水电系统岩土工程的进展

<正> 一、岩土工程试验岩石和土的常规试验现已普及,水电部已颁发了相应的试验规程和仪器设备系列型谱,仪器设备都已国产化。部分科研单位和高等院校配备了国际先进水平的高精尖设备,如岩石试验的刚性压力机、中型剪切仪、扭转流变仪、真三轴仪,高压大型三轴仪、多功能三轴仪、应力途径三轴仪,动三轴仪及共振柱仪等。并都有伺服控制系统和数据采集和处理装置。岩体工程的地质力学模型试验、地应力测试、土工离心模型试验等也已取得进展。大型土工离心试验机正在筹建。能模拟任意振动波型的三维六自由度的大型振动台已投产并正常运行,     

大型微摩阻土工真三轴试验系统及其应用

介绍了长江科学院研制的大型土工真三轴试验系统,该试验系统具有如下功能:①能够稳定的开展粗粒土的真三轴试验;②可以提供的小主应力最大值为3.0 MPa,大主应力最大值为15.0 MPa;③试验尺寸为300 mm(长)×300 mm(宽)×600 mm(高);④可按任意设定的加载过程,采用应力或应变控制方式进行三向独立加载,实现复杂应力条件下的模拟试验;⑤能获得粗粒土试样的应力变形全过程线。通过一个典型工程案例,将该试验系统应用于粗粒土复杂应力条件下的力学特性研究,获得了粗粒土在不同应力水平下的应力变形规律;得到了试样在不同加载路径下的强度参数,并对其破坏准则的适用性进行了初步探讨。大型微摩阻土工真三轴试验系统的成功研制,为深入研究粗粒土在高应力和复杂应力路径下的强度与变形特性提供了技术手段。     

实时高温真三轴试验系统的研制与应用

高温和应力耦合下的岩石力学特性是深部资源开发研究热点之一,自主研制实时高温真三轴试验系统,该系统主要由以下3个子系统构成:全刚性力学加载系统、高温温控系统和伺服控制与数据采集系统。该系统可真实模拟岩石在深部地层中温度应力场耦合环境,采用50 mm×50 mm×100 mm的标准岩石试样最高可在460℃(岩样表面温度)温度下进行单轴、常规三轴、真三轴、蠕变与循环加卸载等多种应力路径试验;3个方向(σ1,σ2,σ3)独立加载控制,其中σ1方向最大输出应力为1 000 MPa,σ2与σ3方向最大输出应力为200 MPa;高温温度控制系统由六回路可拆卸式柔性加热组件与气凝胶保温套组成,采用温控箱对每一回路进行单独温度监控,实现对岩样的实时加热和监控;热塑模具钢和水冷循环系统可保证高温下试验系统的整体刚度与工作稳定性,高精度闭环伺服控制系统和磁制位移传感器,可在实时高温下实现多种应力路径试验中3个方向位移与压力的精准伺服监测。通过对比实时高温真三轴试验系统与常规三轴试验系统的试验结果,验证实时高温真三轴试验系统的准确性和稳定性。然后,进行花岗岩实时高温真三轴试验,研究温度和中间主应力(σ2)对花岗岩的力学性质的影响,400℃高温对花岗岩的强度和弹性模量具有增强作用,中间主应力(σ2)对400℃高温下花岗岩的强度和峰值应变有增加作用,对室温(RT)下花岗岩的强度有增强作用和第三主应力方向峰值应变(ε_3~p)有减小作用。相关研究结果可为干热岩资源的开发利用、核废料处置库建设以及深部岩体工程提供理论和技术支持。     

多功能真三轴流固耦合试验系统的研制与应用

为了更真实地模拟地下煤岩体所处的三向不等主应力状态,同时揭示真三轴流固耦合条件下煤岩的力学特性与流体在其中的渗流规律,自行研制多功能真三轴流固耦合试验系统,该系统主要由框架式机架、真三轴压力室、加载系统、内密封渗流系统、控制和数据测量、采集系统及声发射监测系统组成。该系统的先进性和创新性如下:(1)可实现多种复杂应力路径下单轴、双轴、真三轴应力状态下煤岩力学特性与流体渗流规律研究;(2)为了实现多轴联动保证试件中心点不变,设计3种新的加卸载控制方式(追踪力Trace-F、追踪位移Trace-D、追踪位移修正Trace-Df);(3)特殊设计的内密封渗流系统配合伺服增压系统,首次实现了真三轴应力条件下气液的自由渗流控制与监测;(4)试验系统采取两向刚性+一向柔性或刚性加载方式,尽量减小了端部摩擦效应的影响,同时整个加载系统动态控制,频率高,输入信号多样,可完成多种特殊试验;(5)特殊设计了一种多功能加卸载压头,可完成真三轴应力条件下的水力压裂试验;(6)试验系统可在2个方向分别提供6 000 k N,1个方向提供4 000k N的载荷,同时通过伺服增压系统,最大可提供60 MPa的流体压力。利用一系列测试方法和试验对该系统的准确性和可靠性进行验证,结果表明试验系统准确可靠。该试验系统的研制为研究真三轴流固耦合条件下煤岩的力学特性与流体渗流规律提供新手段,可推进二氧化碳地质储存、油气高效开采和深部岩土工程等问题的深入研究。     

深部岩体强度准则

提出一种新的适用于深部岩体的强度准则,该准则考虑深部岩体的拉伸破坏,同时考虑深部岩体的剪胀和剪缩破坏,其破坏面可以是闭合的也可以是张开的,而且与RMR岩体地质力学分类指标建立联系.深部岩体准则中的参数均有明确的物理意义,可以很容易通过实验确定或通过RMR岩体地质力学分类确定.该准则不仅可考虑所有应力分量对材料破坏的影响,而且可反映深部岩体的受力特点.最后,将新准则与实验结果进行比较,从而验证了新准则的有效性.     

高应力硬岩地区岩体结构对地下洞室围岩稳定的控制效应研究

官地水电站地下厂房属典型的硬岩地区深埋大型地下洞室群,其重要特点是同时面临高地应力和结构面发育这2个不利条件,实测最大主应力为25～35 MPa,厂区无大的断层和软弱结构面,但错动带和裂隙十分发育。通过对地下洞室群施工过程中出现的围岩局部失稳破坏现象进行全面的分析整理,对三大洞室的岩体结构特征和围岩变形破坏模式进行系统的分析、比较和总结,从而对影响围岩稳定的两大控制因素——地应力和岩体结构对官地地下厂房洞室群围岩稳定的影响程度和方式进行分析和对比。研究表明,由于三大洞室围岩类别以II类为主,岩体结构以块状～次块状结构为主,围岩具有较高的力学强度和强度应力比,从而具有较强的抵抗应力破坏的能力;岩体结构对地下厂房围岩变形与稳定的控制作用较地应力则更为明显,地下洞室群开挖过程中出现的局部失稳或较大变形多与不利方位的结构面直接相关。三大洞室围岩岩体结构特征总体上的相似性非常明确,反映在三大洞室围岩的变形特征和破坏模式上具有很好的统一性。然而,三大洞室的岩体结构特征也存在一定的差异,导致岩体结构影响围岩稳定的方式和程度有所不同。结构面发育造成的另一个不利影响是为坚硬岩体在高地应力条件下产生卸荷时效变形提供了内部条件。因此,在强度应力比较高的硬岩地区,应充分重视岩体结构及其演化对围岩变形和稳定的控制效应。     

高地应力硬岩矿山诱导致裂非爆连续开采初探——以开阳磷矿为例

 在阐述深部金属矿硬岩在高地应力作用下储能特征的基础上,分析随着金属矿山开采深度的不断增加,诱导致裂矿岩非爆连续开采方法实现的可能性。实现非爆连续开采硬岩矿山有2个必要条件：一是高效能采掘设备,二是有发育的岩体节理等结构。高地应力矿区岩体开挖卸载后,应力重分布会造成岩体强度的弱化,不稳定块体增加及地下水渗流条件改善,为机械开采提供了有利条件。通过对开阳磷矿深部磷矿体进行的地质调查和对深部磷矿体矿开展的高应力硬岩矿山非爆开采试验,进一步论证高应力诱导致裂硬岩的可行性。通过诱导工程和测试诱导巷道的松动圈范围,证明卸荷作用下岩体的节理、裂隙迅速扩展,诱导巷道的松动圈范围超出爆破松动区范围;松动圈内矿体可实现高效率机械化开采,从而实现硬岩矿山的非爆连续开采;比较独头掘进和开挖诱导巷道下多自由面掘进的效果,诱导致裂条件下开采效率得到显著提升,而且还改善了块度分布。     

地应力测试数据甄别综合分析方法研究

 由于当前的地应力测试技术水平和实际工程岩体赋存地质条件的复杂性,地应力测试成果往往存在相当的误差;且地应力实测数据这一基础信息的质量和精度将直接影响地应力场量化模型的可靠性。鉴于此,提出结合工程区域宏观构造地质背景、地应力测试成果解析、工程现场破坏现象力学定性分析等多种手段对地应力测试数据进行科学分析和筛选的综合研究方法。首先,基于工程区域地质构造背景和局部地形地貌等影响因素形成对工程区域地应力场的宏观判断和总体认识;然后,采用全空间赤平投影方法和典型特征平面投影应力解析对地应力测点应力张量特征进行全面的量化分析,并与前期勘探平硐出现的破坏现象的力学定性分析成果进行对比研究和印证,从而对地应力测试结果的代表性和可靠性进行科学的甄别,筛选出能够从宏观上体现工程区域地应力场分布特征的测点进行初始应力场回归分析。采用上述研究思路对西南深切河谷地区一大型水电站坝址区地应力场分布特征进行分析,利用建立的初始应力场数值量化模型模拟实际施工过程预测的应力集中部位,与工程岩体实际发生的应力诱导型破坏部位有较好的一致性。     

软岩蠕变损伤特性的试验与理论研究

 在高地应力软岩隧道修建过程中,由于围岩蠕变损伤导致其变形具有明显的时效性和非线性。岩石的蠕变损伤与其内部微裂纹的延伸和扩展密切相关,宏观表现为蠕变过程中的体积扩容,通过对岩石扩容过程中损伤耗散能变化规律的分析,建立蠕变损伤演化方程,通过引入蠕变损伤因子对ABAQUS软件自带的蠕变模型进行修正,得到非线性蠕变损伤模型。应用所建立的蠕变损伤模型,对宜巴高速泥质红砂岩的三轴蠕变试验结果进行反演,结果表明,该模型可以很好地反映高地应力软岩在蠕变中的减速蠕变、等速蠕变和加速蠕变3个阶段。     

高应力下岩石非线性强度特性的试验验证

 深埋工程岩体开挖后围岩的强度特性表现出明显的非线性特征。基于室内岩石三轴加载及卸荷力学试验成果,对高应力下岩石的非线性强度特性予以验证,并开展高应力下应力路径对强度参数影响规律研究。采用已有的二次抛物线型、双曲线型、幂函数型等型式的包络线来研究强度特征的非线性,结果表明,幂函数型Mohr准则能够作为在高应力加载和卸荷应力路径下的岩石破坏的强度判据。在低围压下(＜10 MPa),三轴卸围压破坏强度要小于常规三轴强度;而在高围压下,前者略高于后者。内摩擦角的正切值与等效法向应力的函数关系表明岩样的实际内摩擦角并不是一个不变值,具有幂函数关系的非线性特征,在低应力下卸载破坏内摩擦角要比常规三轴压缩剪切内摩擦角略大,在高应力下则相反;根据Mohr准则中内摩擦角与理论破裂角之间的关系,随着应力增加它们的破裂角均呈非线性衰减并趋向π/4。     

地下硐室围岩应力状态及相关参数测量结果的分析与评价

在深埋及压力硐室工程中,采用水压致裂法测定围岩三维应力状态,宜首先判定围岩应力的分布状况。在具有应力松弛圈、应力集中区与不受开挖影响的正常应力分布域情况下,只有分别进行计算分析,才能更为真实地揭示出硐壁围岩的三维应力分布特征。对于确定压力硐室围岩自身承载能力的水力劈裂测试成果,只有结合裂隙性状、岩层结构状况等进行全面分析,才能准确评价围岩的抗载强度。由于在高压力作用下,岩体中存在的软弱结构面有可能被张裂或扩展,从而改变岩层的透水性,因此只有按照工程运行状态下围岩实际承受的压力进行高压压水测试,才能得到岩层透水性的可靠资料。     

规则岩体结构面的蠕变特性研究

 岩体结构面的蠕变特性研究对解决岩石力学实际问题具有很重要的意义。通过规则齿型结构面在剪切应力条件下的双轴蠕变试验,研究不同爬坡角的结构面在不同法向应力时的蠕变特性,并根据蠕变试验结果,得到结构面剪切蠕变、法向蠕变随法向应力、剪应力、爬坡角的变化规律和时效性,并选取Burgers模型来描述蠕变的剪切变形特性。在模型试验的基础上采用三维有限元程序对具有锯齿状结构面的水泥砂浆块体在荷载作用下的受力性状进行模拟分析。通过有限元分析,探讨规则齿状结构面的应力分布规律。利用ANSYS计算结果,通过最大正应力理论对结构面的破坏进行判别,从而验证在剪切试验中,齿面以拉断形式破坏。     

地下硐室围岩应力状态及相关参数 测量结果的分析与评价

 在深埋及压力硐室工程中，采用水压致裂法测定围岩三维应力状态，宜首先判定围岩应力的分布状况。在具有应力松弛圈、应力集中区与不受开挖影响的正常应力分布域情况下，只有分别进行计算分析，才能更为真实地揭示出硐壁围岩的三维应力分布特征。对于确定压力硐室围岩自身承载能力的水力劈裂测试成果，只有结合裂隙性状、岩层结构状况等进行全面分析，才能准确评价围岩的抗载强度。由于在高压力作用下，岩体中存在的软弱结构面有可能被张裂或扩展，从而改变岩层的透水性，因此只有按照工程运行状态下围岩实际承受的压力进行高压压水测试，才能得到岩层透水性的可靠资料。     

深部裂隙岩体锚固机制研究进展与思考

 高地应力、高地温、高渗透压以及强时间效应使得深部裂隙岩体表现出一定的延性、蠕变性等软岩力学特性,现有锚固理论落后于工程实践的现状,导致许多锚固工程设计多采用经验、半经验方法。几十年来,国内外诸多学者对深部岩体锚固机制开展了大量现场、室内试验及数值计算工作,岩体锚杆锚固作用机制方面的理论研究取得了丰硕成果,但由于深部岩体所处地质条件的复杂性,这些成果普适性和准确性较低。结合已有的锚固理论,运用合理的数值模拟方法与现场、室内试验对岩土锚固机制进行深入研究,进而指导锚固工程设计施工具有重大意义。对深部裂隙岩体锚固机制研究现状进行了系统全面的总结,归纳分析了该研究领域存在的关键科学问题,主要包括：选择合理的锚固力学传递计算模型、正确描述锚固体应力分布规律、建立合理的锚固界面力学模型。深部裂隙岩体锚固机制研究应综合考虑工程应用效果和加锚岩体形态、加锚构件效应等因素。