主动围压下地下工程岩石的冲击压缩特性试验研究

 岩石等脆性材料的力学性能与其所受围压的大小密切相关。为了研究地下工程岩石在围压下的冲击压缩特性,采用具主动围压加载的分离式Hopkinson压杆,对岩石进行主动围压下的SHPB冲击压缩试验,得到岩石在不同围压和不同应变率下的轴向应力–应变曲线,并对试验过程中试件的应力均匀性进行分析。研究表明：岩石类脆性材料在围压作用下其抗压强度和韧性大大提高,并且具有向延性特征发展的趋势,显现出较强的围压效应;在同等级围压下,岩石的峰值强度和峰值应变随应变率的变化表现出显著的应变率相关性,动态强度增长因子与应变率的对数呈近似线性关系,动态强度随应变率的增加而近似线性增长。单轴动荷载下,岩石在以拉应力为主,其他应力联合作用下发生破坏,表现出明显的脆性特征;随着围压的增加,岩石试件将发生脆性向延性的转变,破坏形态以压剪破坏为主,同时发生拉应变破坏和卸载破坏。     

砂岩力学特性及其改进Duncan-Chang模型

 为了研究砂岩的力学特性,对砂岩试件开展了不同围压下的常规三轴压缩试验。试验结果显示,随围压增加,砂岩峰值应力、峰值点应变及残余强度均逐渐增大;当围压低于15 MPa时,砂岩弹性模量随围压增加也逐渐增大,但增大幅度逐渐降低;当围压在15 MPa以上时,其弹性模量则与围压无关。为了描述砂岩破坏过程的应力–应变响应,提出一种改进的Duncan-Chang模型,并根据岩石应力–应变曲线峰值点处斜率为0的特点给出模型参数的确定方法。利用砂岩三轴压缩试验结果对模型合理性进行验证。预测曲线和试验结果对比显示,该模型能够准确描述砂岩应变软化特性和不同围压下砂岩破坏过程中除初始压密阶段以外的其余4个阶段,特别是能够反映砂岩破坏后的残余强度。对模型特性的进一步分析表明,除应变软化特性外,该模型还可模拟岩石在高围压下的应变硬化行为,具有较强的适应性。     

一维动静组合加载下砂岩动力学特性的试验研究

 基于对深部岩石承受高地应力并在动力开挖扰动下发生破坏这一问题的科学认识,利用改造的劈裂霍普金森压杆动静组合加载试验装置,开展一维动静组合加载下砂岩的动力学特性试验研究。选取无轴压和3个典型轴压水平4种情形,开展不同应变率下的冲击试验。研究结果表明,相同应变率下岩石对外界冲击的响应受轴压比影响很大,冲击强度会随着轴压比的增加出现先增加后减小的趋势,在轴压比为0.6～0.7时达到最大值。相同轴压下,冲击强度会随着应变率的增加而增加,呈现指数函数关系。在一定的轴压比范围内,随着入射能的递增,岩石在加载破坏试验中先后会经历“吸收能量–释放能量–吸收能量”3个阶段。这3个阶段可以较好的解释高应力下岩石的动态强度递增、岩爆发生和诱导致裂三者之间的互相转化机制,对深部岩石工程的实践可以提供理论上的指导。     

围压对砂岩动态冲击力学性能的影响

 利用带围压装置的霍普金森压杆设备对砂岩在不同围压等级、不同应变率下的动态力学性能进行试验研究,分析砂岩单轴动态抗压强度和比能量吸收值的应变率效应,围压状态下砂岩在冲击荷载循环作用下的力学特性以及累积比能量吸收值与入射能量、围压等参量之间的关系。研究结果表明,砂岩的动态杨氏模量与静态杨氏模量相比明显增加,两者比值达3.21～3.81;而当应变率为50～100 s－1时,动态杨氏模量随应变率有所增加,但变化不大。砂岩单轴动态压缩试验的比能量吸收值与应变率 呈线性关系,而单轴动态抗压强度增长因子 (即动态抗压强度)与 成线性关系。在围压状态下,砂岩具有明显的脆性–延性转化特征,其应力–应变曲线出现明显的屈服平台,呈近似的弹塑性特征。围压的加载作用对阻止试件产生剪切失稳的作用相当明显。随着冲击荷载循环作用次数的增加,试件的杨氏模量变小,屈服应力降低,屈服应变增加。砂岩的破坏形态随围压大小不同而发生变化,砂岩从轴向拉伸破坏形态向压剪破坏形态转变的临界围压值为10 MPa。在能量相同的入射波作用下,砂岩试件在低围压时比在高围压时的比能量吸收值大,且砂岩的比能量吸收值、入射波能量和围压三者具有良好的规律性,并得到比能量吸收值随入射波能量和围压变化的关系式。     

热–水–力耦合条件下深部砂岩冲击动力学特性试验研究

为探究"三高一扰动"特殊环境下切顶卸压无煤柱自成巷顶板砂岩切缝的动态力学性能,利用自主设计的岩土体动态冲击力学试验系统,对粉砂岩进行不同热–水–力耦合条件下的冲击压缩试验,研究动态应力–应变特征、动变形模量与加载率关系、以及加载率、轴压、围压、渗透水压、温度、吸收能与峰值应力和峰值应变的动态力学性能,利用扫描电镜(Scanning Electron Microscopy,SEM)研究粉砂岩试样断口面微观结构。研究结果表明:(1)在不同的动荷载作用下,粉砂岩试样的峰值应力和峰值应变均随轴压、围压、渗透水压、温度的升高而不断增大,脆性逐渐减弱而延性逐渐增强,变形破坏总体分为压密、弹性变形、塑性变形和破坏4个阶段;(2)动变形模量随着加载率的增大呈现出先增大后减小的发展趋势,动变形模量136GPa左右为一个临界阈值;(3)轴压、围压、水和温度对砂岩在热–水–力耦合特定环境下的动态冲击力学性能具有一定的增强效应;(4)随着峰值应变的增加,粉砂岩试样的吸收能呈线性增加趋势,其破碎变形与吸收能呈正相关。     

循环冲击作用下风化红砂岩动态响应特性

针对循环冲击作用下风化红砂岩的动态响应特性,利用动静组合加载装置进行不同轴压、不同冲击荷载下的循环冲击试验,分析轴压和冲击荷载对其力学特性及能量耗散的影响。结果表明:保证入射波相同的情况下,透射波波峰随循环冲击次数的增加而增大,且透射波波峰存在峰值点;反射波呈"双峰",表现较为明显的2个峰值点和1个谷值点,且2峰1谷的到达时刻基本相同;当轴压一定时,随平均应变率增大,动态压缩强度逐渐减小,这也表明风化红砂岩存在较好的应变率效应;试样的能量利用率与冲击荷载和轴压之间存在负相关关系,即当冲击荷载和轴压处于较低水平时,试样的能量利用率较高;随轴压增大,能量利用率峰值逐渐减小,且不同冲击荷载作用下极大值点均出现在轴压为0 MPa处,其最大值为24%。     

孔隙水压循环作用下围压卸荷速率对砂岩力学特性的影响

针对三峡库区消落带边坡岩体的开挖,通过室内三轴卸荷试验,研究在不同孔隙水压循环次数和围压不同卸荷速率下砂岩的力学特性。结果表明:1)水岩作用对砂岩的偏应力峰值强度和变形模量均产生显著影响,随着孔隙水压升降循环次数的增加,偏应力峰值强度和变形模量逐渐减小;随着围压卸载速率的加快,偏应力峰值强度和变形模量增大; 2)随着围压卸荷速率的加快和孔压循环次数的增加,砂岩破坏时的轴向和环向应变围压柔量及峰值围压均不断降低,对环向应变围压柔量的影响比对轴向应变柔量更大; 3)在0.3 MPa的孔隙水压循环作用下,砂岩破坏时的破裂角与卸荷速率没有明显的线性关系。     

有压水环境下循环荷载历史对饱和混凝土动态力学特性的影响

为研究有压水环境中循环荷载历史对混凝土动态力学性能的影响,对历经不同荷载循环次数(0、25、50、100次)的水饱和混凝土试件(在2 MPa围压水环境中)进行了不同应变速率(10-5、10-4、10-3、10-2/s)下的常规三轴静动态压缩试验,分析了混凝土材料的峰值应力、峰值应变、弹性模量、吸能能力等基本力学参数的变化规律和机理。结果表明:同一加载速率下,水饱和混凝土的峰值应力、弹性模量和吸能能力均随循环次数的增长呈现出先增大后减小的规律,并且峰值应力和吸能能力增减的转折点随着应变速率的提高而向荷载循环次数增大的方向平移,峰值应变整体上呈减小的趋势;相同荷载循环次数后,峰值应力、峰值应变和吸能能力随着加载速率的增大而逐渐增大,并且荷载循环次数越大,率效应越显著,弹性模量随着加载速率的增大而逐渐较小。     

加载速率和围压对煤能量演化影响试验研究

借助TAW-2000型电液伺服岩石力学试验系统进行了不同加载速率和不同围压下煤样的单轴压缩和三轴压缩试验,研究了加载速率和围压对煤样能量耗散特征的影响规律,探讨了煤样耗散应变能转化速率随加载速率和围压的变化规律。研究表明:单轴压缩试验第Ⅰ阶段试件的弹性应变能随加载速率的增加呈现先增大后减小的特点,耗散应变能转化速率均处于较低水平,且与加载速率呈负相关,第Ⅱ阶段耗散应变能随加载速率的增加也呈先增大后减小的趋势,各煤样耗散应变能转化速率的最大值均出现在峰值点或峰后轴向应力陡然跌落点。耗散应变能转化速率对围压十分敏感,围压越大,耗散应变能的转化速率也越大,煤样变形损伤越快。     

韧性岩石常规三轴压缩试验及变形与损伤演化规律研究

 利用岩石全自动三轴伺服仪,对向家坝水电站坝基挤压带强风化砂岩进行不同围压下的常规三轴压缩试验,并对岩石变形和破坏机制进行研究。试验结果表明：该强风化砂岩表现出显著的非线性变形和延性破坏特征,属于韧性岩石。在偏压作用下,岩石轴向和侧向应变分别为5%和4%,体积膨胀量为4%以上。岩石变形力学参数随荷载的变化而变化,随偏应力的增大,岩石弹性模量减小,泊松比增大。围压可提高岩石抵抗变形和破坏的能力,围压越大,岩石发生扩容的起始偏应力越大。基于密度方法研究岩石损伤演化规律。加载初期,岩石被压密,处于无损阶段;当偏应力超过一定水平时,岩石出现损伤,且损伤量与等效应变呈线性关系,密度损伤阈值低于0.12。试验结果对向家坝水电站坝基稳定性分析有重要参考价值。     

动静组合载荷下卸荷岩石力学特性分析

为研究深部地下工程围岩开挖卸载后又受到动力扰动的力学行为,利用动静组合加载SHPB试验系统对砂岩试件进行静载荷加卸载后再冲击试验。试验过程中,先对岩石试件施加不同的三轴载荷,围压按2,4,6,8 MPa加载,轴向载荷加载到对应三轴静载抗压强度的95%左右,再分别卸载至对应三轴静载抗压强度的20%,30%,60%,70%,80%和90%,然后沿轴向进行同一幅值的冲击载荷试验。试验结果表明：当岩石加卸载到对应三轴静载抗压强度的90%左右,岩石均匀化假设不太适用;动静组合载荷下岩石试件抗压强度随围压增大而增大,当围压不变时,随轴向静压增大出现先增大后减小的趋势;岩石破坏吸收的冲击能随轴向静压的增大逐渐减少,随围压增大而增加。     

围压与温度共同作用下盐岩的SHPB实验及数值分析

 在自主研制的可进行围压和温度共同加载的分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验装置TSCPT-SHPB基础上,对盐岩在5～25 MPa围压作用下的轴向动力性能以及盐岩在40 ℃～80 ℃,0.0～0.5 MPa围压下进行实验研究,分析围压和应变率对盐岩在围压作用下轴向抗压强度动力增长系数(DIF)的影响,以及温度和围压对盐岩动态力学性能的影响。结果表明：在动态作用下,围压对盐岩延性的提高有显著影响;盐岩属率敏感性和温度敏感性材料,其峰值强度随应变率的提高而提高,在低围压下的提高幅度比高围压下显著,并得到实验范围内盐岩材料动力增长系数(DIF)与围压和应变率关系的表达式;在高应变率(400 s－1)条件下,盐岩的动态峰值强度随温度的升高而降低,并依据实验数据,拟合得到峰值强度在各实验温度下随围压变化的计算公式。为考虑应变软化效应,对ABAQUS有限元软件中的Drucker-Prager模型进行改进,并基于单向动态围压下的实验数据拟合的计算参数,对盐岩TSCP-SHPB实验进行数值模拟,模拟结果与实验结果吻合较好。     

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。     

三维动静组合加载下岩石力学特性试验初探

 基于对深部岩石承受高地应力并在动力开挖扰动下发生破坏这一问题的科学认识,利用改造的三维霍普金森动静组合加载试验装置,开展三维动静组合加载下砂岩力学特性试验的初步研究。选取3个围压水平(0,5,和10 MPa)和3个典型轴压水平(60,80和100 MPa),开展不同应变率下的三维组合加载试验。研究结果表明,当围压一定,轴压比在0.52～0.87范围内变化时,砂岩的抗压强度都会随着轴压的增大而逐步减小。当轴压一定,围压为5 MPa时砂岩的抗压强度跟无围压情况下差别不大。但是当围压增大到10 MPa,砂岩的抗压强度会有较大提高。本文的研究结果也证明了冲击过程中轴压对砂岩内部的裂纹起催生作用,弱化微元体的承载能力,导致割线模量降低;围压则可以抑制裂纹的萌生和扩展,强化了微元体的承载能力,使得割线模量会增加。研究结果还表明,在本文轴压比范围内,当围压一定时,砂岩单位体积释放能会随着轴压的增大而降低,当常规静载轴压比为0.6～0.7时,转化为吸能状态。在三维动静组合加载下,砂岩会呈现出“单锥”压剪破裂形式。     

孔隙水压力-围压作用下砂岩力学特性的试验研究

利用MTS815岩石力学测试系统进行两类三轴压缩对比试验:一类是非充水条件下不同围压时的三轴压缩试验;一类是充水条件且围压保持恒定时不同孔隙水压力作用下的三轴压缩试验。基于莫尔-库仑准则,分析非充水条件下,不同围压σ3作用对细砂岩的峰值破坏强度σ1max及其对应的轴向应变ε1max、剪切强度τ和正应力σ等参数的影响;充水条件下,围压σ3恒定时不同孔隙水压力P作用对细砂岩的峰值破坏强度σ1max及其对应的轴向应变ε1max、有效峰值破坏强度σ1′max、有效围压3σ′、有效剪切强度τ′和有效正应力σ′等参数的影响。研究结果表明:(1)充水条件下,随着有效围压σ3′的增加,有效峰值破坏强度σ1′max呈增大的趋势,但在相同围压条件下随孔隙水压力P的增加有效峰值破坏强度σ1′max呈逐渐减小的趋势;(2)非充水条件下的τ-σ曲线和充水条件下的τ′-σ′曲线既可采用一元二次方程拟合,也可采用线性方程拟合,其相应强度曲线均能较好地符合莫尔-库仑准则;(3)有效剪切强度折减系数K可以较好地表征孔隙水压力P对有效剪切强度τ′的影响。     

高应力岩石围压卸载后动力扰动的临界破坏特性

 利用改造的动静组合分离式霍普金森压杆(SHPB)加载装置,系统研究砂岩历经三维加载–围压卸载–轴向冲击的临界破坏特性。试验结果表明：砂岩受外界冲击时的临界破坏特性受轴向静压影响明显,冲击强度随着轴向静压的增加出现先增加后减小的趋势;当无轴压和轴向静压为单轴抗压强度的20%时,应力–应变曲线为典型的I型曲线;随着轴向静压的增大,应力–应变曲线逐渐转变为II型曲线。试样破坏过程中能量变化逐渐由吸收扰动能量转变为释放弹性储能,该现象可以较好地反映岩爆发生过程中高静应力和动力扰动的相互作用机制,为深部岩爆机制的深入研究提供试验支持。另外,利用数字散斑相关计算方法对试样应力加载过程进行表面位移场监测;结果表明,常规冲击加载下,试样表现出为整体膨胀特性,当轴向静压为72 MPa时,则表现为入射端张剪性破坏和膨胀性破坏的共同作用,反映出轴向静载对试样动态破裂面断裂方式的影响。     

层状盐岩及泥岩夹层动态力学特性对比试验研究

为对比研究盐岩和泥岩夹层的动态力学特性,以应城盐矿的盐岩及泥岩夹层为研究对象,利用带围压的分离式Hopkinson(SHPB)试验装置,进行不同围压(5,15,25 MPa)下的动载冲击试验研究,分析盐岩和泥岩夹层动力特性的围压效应与应变率效应,基于联合的热活化与黏性机制相互竞争的材料强度–应变率依赖的简化模型拟合出盐岩及泥岩夹层的动力强度公式。研究结果表明:(1)盐岩和泥岩夹层均属于率敏感性材料,其峰值应力和延性随应变率的增大而增加,但低围压(如5 MPa)作用下应变率强化效应较高围压(如25 MPa)作用下更加显著;(2)盐岩和泥岩夹层在动力荷载条件下的力学行为的围压效应没有静力荷载条件下明显,动力放大系数(DIF)随着围压增加而减小,泥岩夹层的围压效应要小于盐岩的围压效应;(3)动力强度计算公式拟合效果较好,盐岩平均相对误差为2.51%,泥岩夹层平均相对误差为6.58%。