深部砂岩动态冲击破坏的力学特性研究

为了研究深部砂岩在热-水-力耦合作用下的动力学特性,利用自主研发的热-水-力耦合三轴岩土体动态冲击力学试验系统,分析了动态冲击下深部砂岩的力学参数并从能量的角度描述其破坏形态。研究结果表明:在具有主动围压、轴压、渗透水压及温度的耦合作用下,冲击气压增大时,深部砂岩的应力-应变曲线的峰值应力随之增大;深部砂岩的峰值应力与应变率变化表现出明显的正相关性,具体表现为随着应变率的增大,峰值应力不断增大;随着冲击气压的增大,破碎程度不断加大,深部砂岩的破坏形态向压剪破坏过渡和发展,岩石试件的破坏形态呈脆性向延性转变的趋势。试验结果可以为深部砂岩在实际爆破工程中提供参数支撑。     

三轴压缩下不同岩性煤岩体的强度及变形特征

煤矿井下存在多种岩性的煤岩体,其力学强度和变形特征直接影响巷道支护效果。利用CRIMS-DDL600电子万能试验机,进行了不同围压下砂岩、矸石与煤样的三轴压缩试验,采用莫尔准则诠释了不同岩性的试样破坏角大小不等,通过图形对比和现象分析,得到了围压对3种不同岩性的试样应力、应变曲线及变性特征的影响。结果表明:3种性质的试样三轴压缩过程中都经历了初始压密阶段、弹性阶段、屈服阶段与破坏阶段,且围压越大,试样初始压密阶段越长;在试验加载的围压范围内,3种性质的试样破坏形式并不相同,且3种不同岩性的试样破坏角大小相差较大,砂岩破坏角最大,煤破坏角最小,3种性质的试样其峰值强度随着围压的增大而增长;3种性质的试样符合Coulomb强度准则,依据莫尔应力圆给出3种试样内聚力和内摩擦角的大小;随着围压的增大,3种性质的试样弹性模量呈增大趋势,且围压对试样弹性模量的影响因试样类型的不同而不同。     

蟠龙抽水蓄能电站硐室围岩三轴试验及本构模型

利用岩石全自动伺服试验仪对重庆蟠龙抽水蓄能电站硐室围岩的砂岩试样开展了不同围压下的常规三轴压缩试验,进而构建了包含统一硬化/软化函数的弹塑性本构模型并进行了验证。试验结果表明,随着围压的增大,由原生缺陷闭合引起的初始非线性变形阶段逐渐减小,试样破坏时的峰值强度随围压增大而增大,由单轴压缩时的84.8MPa增大到围压10MPa时的168.5MPa;峰值强度和围压之间呈现较好的线性关系,黏聚力和内摩擦角分别为15.2MPa和52°。数值模拟与试验数据的比较表明,提出的弹塑性本构模型能够描述砂岩的主要力学现象,验证了该模型的可靠性。     

三向应力下岩石的强度和变形特性研究

为探讨岩石在三向应力作用下的强度和变形破坏规律及影响因素,采用MTS815电液伺服岩石力学试验系统,分别对砂岩和灰岩进行了三轴压缩试验。基于岩石的应力应变曲线与莫尔-库伦准则,对其残余强度、抗剪强度参数和弹性模量等力学变形特性进行了研究,并分析了孔隙率对岩石各类参数的影响。结果表明:围压对岩石的破坏特征有显著影响,岩石由低围压控制下的脆性破坏逐渐转变为高围压控制下的塑性破坏;横向应变的变化规律与侧向压力作用关系不明显,岩石在峰值应力处的横向应变几乎为定值,应力刚降至残余强度时的横向应变也近似为定值;与砂岩相比,灰岩的孔隙率较低,因而内摩擦角较大,峰值强度也越高,峰值后的残余强度降低得越明显;围压对低孔隙率岩石的弹性模量影响较小,而高孔隙率岩石的弹性模量随围压增加而增大。     

真三轴应力下低渗储层砂岩应力应变特征分析

为搞清楚低渗砂岩在复杂应力状态下的变形和破坏特征，以华庆地区三叠系延长组低渗砂岩为原型，根据相似原理做成相似模型，通过对相似模型应力-应变的分析来判断原型所发生的力学现象。利用新研制的YSZS-2000多功能电液伺服岩石真三轴试验机对相似材料进行了4个系列真三轴实验。研究表明：在真三轴应力作用下，峰值强度受中间主应力的影响显著，随着中间主应力的增大而增大；试样杨氏模量随中间主应力的增大有增加的趋势；在相同最小主应力条件下，随着中间主应力的增大，峰值应变逐渐减小。当最小主应力增大时，峰值应变降低的幅度减弱；黏聚力随着中间主应力的增大而增大，内摩擦角则随之减小。     

甘孜地区高填方回填土三轴试验研究

对甘孜地区非饱和高填方回填土(灰岩碎石土、全风化变质砂岩、粉质粘土)进行三轴不固结不排水试验研究,对不同压实度、不同含水量、不同围压下试样的破坏形态、破坏点轴向应变、应力应变关系、残余强度、抗剪强度指标等进行对比分析。试验结果表明:试样破坏形式与含水率和围压有关,含水率越高,围压越大越容易出现鼓胀破坏、越不容易出现剪切面;破坏点轴向应变与含水率和围压大小有关;分析三种土的粘聚力和内摩擦角随含水率的变化趋势发现甘孜地区粉质粘土遇水稳定性最差,灰岩碎石土遇水稳定性最好。     

恒轴压卸围压条件下粉砂岩应力应变特征与能量演化

为了获得高陡山区地下工程顶部粉砂岩在开挖后的应力应变和能量演化特征,开展了不同围压下粉砂岩恒轴压卸围压三轴试验,分析其应力应变、应变能转化以及能量耗散特征。结果表明,恒轴压卸围压条件下,围压越高,试样围压卸载率越低,且试样破坏越快、变形越大。不同围压下能量转化特征曲线趋势基本一致,与应力应变曲线有较好的相关性。围压恒定轴压升高阶段,除围压产生的应变能密度基本恒定外,其他能量演化曲线具有呈指数升高的特征;主要表现为原生孔隙压密,能量转化率较低。轴压恒定围压卸载至试样破坏阶段,轴向应力与能量曲线两者突变点基本对应;产生较大程度宏观破裂,能量转化率较高。试样破坏后围压恒定和继续施加轴向应变阶段,低围压能量释放更强,试样破坏更为碎裂。能量耗散具有总体上先升高后降低再陡增的特征,围压越低,试样破坏时应变越小、能量耗散比越大,试样破坏更加碎裂;围压越高,对试样能量耗散抑制作用越强,有利于弹性应变聚集,更容易产生岩爆现象。     

温度对采动作用下含瓦斯原煤力学和变形的影响

以原煤为研究对象,利用"含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置",开展温度对采动作用下含瓦斯煤力学特性的影响研究.研究表明:1)在相同初始围压、气压和温度下,与恒定围压相比,卸围压煤样屈服段缩短,峰值应力和对应的轴向应变降低,横向应变速率增大,侧向膨胀系数和变形模量的演化进程加速;2)在相同初始围压和气压下,随温度升高,卸围压煤样强度降低,峰值应力处各应变均减小,侧向膨胀系数和变形模量均增大;3)高温环境下,煤岩发生失稳破坏和瓦斯突出的危险性变大,对采煤工作面巷道支护和瓦斯突出防治提出了更高的要求.     

考虑水-力耦合和不同应力路径的砂岩卸荷力学特性试验

为研究不同渗透压力条件下的岩石卸荷力学特性,选取砂岩为研究对象,开展了不同渗透压力和不同应力路径下的三轴卸荷试验,并与常规三轴试验进行对比,比较了不同应力路径下的岩石强度特性,分析了渗透压力对岩石变形和强度参数的影响。试验结果表明：渗透压力的增大会弱化岩石强度,岩石的峰值强度随渗透压力的增大而降低,而轴向变形随渗透压力增大而增加,渗透压力越大,岩石的压密段特征越明显;针对两种不同的卸荷应力路径,恒轴压卸围压路径条件下,岩石的黏聚力不断降低,内摩擦角不断增加,而加轴压卸围压路径条件下,岩石的黏聚力不断增加,内摩擦角逐渐降低。     

石灰改良弃置泥浆土的三轴试验研究

为了解决弃置泥浆占用土地资源、优质路基填料紧缺的问题,通过控制围压和龄期,对石灰改良的泥浆土进行了三轴试验研究。结果表明:弃置泥浆土对环境无危害,性质稳定,可直接采用石灰稳定;在不同围压和龄期条件下,石灰固化试样的应力-应变曲线均呈现应变软化特性;随着围压的增大和龄期的延长,试样的峰值强度、残余强度均增大;随着龄期的延长,试样的黏聚力和内摩擦角也增大。     

致密砂岩循环加载试验及能量演化分析

为研究复杂应力路径下致密砂岩的力学行为,采用多功能岩石三轴测试系统开展围压为5 MPa、15 MPa和20 MPa的三轴循环加卸载试验并进行能量演化分析。试验结果表明:砂岩的抗压强度随着围压增加而增大,围压5 MPa、15 MPa、20 MPa下的体积最大压缩点对应的轴向偏应力分别为80.68 MPa、120.72 MPa、152.12 MPa;加卸载过程中会有部分外荷载做功转化成内能和其他形式能量,因而应力-应变曲线形成滞回环,并且随着应力的增加滞回效应逐渐明显;砂岩以剪切破坏形式为主,同时产生轴向和侧向倾斜裂纹。能量演化分析表明:岩石的破坏是弹性能积累到峰值突然释放的结果;岩样破坏前的峰值弹性能会随围压线性增加,围压对峰值弹性能的影响显著。     

江西重塑红黏土动特性研究

本文以江西东乡县重塑红黏土为研究对象,在不同物态和应力状态下进行室内动三轴试验研究。主要研究在不同含水率和固结围压条件下,红黏土破坏动应力-破坏振次关系、动粘聚力和动内摩擦角、动应变-动弹性模量关系以及阻尼比的变化规律。试验结果表明：相同破坏振次条件下,高固结围压和低含水率能提高土破坏时的动强度。土的动粘聚力和动内摩擦角随着土样含水率的增加线性递减。红黏土动弹性模量随着轴向动应变的增加而减小,同时动弹性模量的减小幅度也越来越小,最后趋于平缓。相同轴向动应变条件下,高固结围压和低含水率土样的动弹性模量更大。拟合后的红黏土动本构关系符合Kondner双曲线模型。同时红黏土的阻尼比随着固结围压和含水率的增大而增大。     

加、卸荷条件下岩石变形及三轴强度研究

基于实际岩石工程开挖过程中存在的卸荷现象,通过大理岩、花岗岩、砂岩等常规三轴加载与固定轴向位移的三轴卸围压实验（包括加地破坏后的卸围压实验）,对常规三轴与三轴卸卸围压条件下的变形模量及强度参数（弹性模量、峰值程度、残余强度等）进行了对比分析,试验表明卸载过程变形模量及强度指标明显小于加载过程的变形与强度指标,而三轴加载到峰值破坏后的卸围压试验表明其抗剪强度内摩擦角远大于加载破坏时的内摩擦角,内聚力一般比加载条件下加载峰值内聚力及峰后残余内聚力小。     

含甲烷水合物非固结沉积物三轴实验

利用自主研发的水合物合成与分解一体化三轴实验装置,以中细砂作为水合物赋存介质,在不同有效围压(1 MPa、2 MPa、4 MPa)条件下,对不同水合物饱和度(0%、13.3%、26.6%、39.9%)的松散沉积物进行三轴剪切实验,探讨了水合物饱和度和有效围压对沉积物应力应变曲线形态及不同抗剪强度指标的影响规律,得到不同强度参数的经验模型。结果表明:含甲烷水合物非固结沉积物的应力应变曲线形态是水合物饱和度和有效围压共同作用的结果;抗剪强度、起始屈服强度与水合物饱和度有关,而受温度和有效围压的影响较小;黏聚力和内摩擦角随水合物饱和度的增大而增大。     

干湿循环作用下红砂岩堆石料力学性能研究

为研究红砂岩堆石料在干湿循环作用下的力学性能,以干湿循环次数为主要变量,开展常规三轴压缩试验。研究结果表明:不同干湿循环次数下,红砂岩堆石料应力-应变曲线变化规律基本一致,整体呈现出明显的应变软化。应力-应变曲线在初期快速增加,直至出现峰值,而后开始降低,最后趋于稳定;相同干湿循环次数下,试样破坏强度随围压增大而逐渐增长;相同围压,破坏强度随干湿循环次数增加而逐渐降低,破坏强度与干湿循环次数呈现指数关系;当干湿循环次数增加时,试样强度指标黏聚力逐渐减小,从125.9 kPa降低到62.3 kPa,黏聚力降幅约50%,且黏聚力与干湿循环次数之间成负线性关系;与之相似,另一强度指标内摩擦角逐渐减小,但降低幅度较小,减小幅度为15%左右,与干湿循环次数呈现指数关系。     

围压和渗透压对花岗岩残积土抗剪强度影响的三轴试验研究

为研究渗流对花岗岩残积土抗剪强度衰减的影响,使用SLB型号三轴剪切渗透试验仪,分别进行了K0固结排水剪切试验、恒水头渗流剪切试验和恒流量渗流剪切试验,研究了围压和渗透压对试样应力-应变关系、峰值强度和抗剪强度参数的影响.研究结果表明:应力-应变曲线均为应变硬化曲线,随着轴向应变的增加试样的主应力差增加,且增加的趋势逐渐减小.试样在相同的应变情况下,主应力差值和峰值强度均随着土体试样围压的增大而增大;随着渗透压的增加,主应力差值和峰值强度均逐渐减小;随着轴向应变的增大,渗透压对应力-应变曲线的影响越明显.随着渗透压增加,有效黏聚力逐渐下降,但有效内摩擦角几乎不受渗透压的影响.     

淡水冰三轴压缩力学特性试验研究

为了能够充分认识三向受力状态下冰体的力学特性,采用TDW-200低温三轴试验机,并在4组温度、7组围压和5组应变速率条件下,对3种不同尺寸淡水柱状冰样进行单轴和常规三轴压缩强度试验,加载方向垂直于冰的晶轴方向.结果表明,在恒定应变速率和较低温度下,当围压在6MPa以内时,柱状冰试样以劈裂破坏为主,当围压大于6MPa时,试样由劈裂破坏向剪切破坏过渡;在试验温度范围内,围压对柱状冰试样强度的影响远高于温度的影响;柱状冰强度、弹模和泊松比均与应变速率呈良好的正线性相关,且应变速率增大使柱状冰由流塑破坏向脆性破坏迁移;柱状冰强度、变形和破坏模式受试样尺寸影响明显,当试样截面尺寸相同时,高径比越大残余强度和偏应力-应变曲线的曲率越小,对应强度、弹模却越大,当高径比相同时,残余强度、偏应力-应变曲线曲率、强度和弹模均随截面尺寸的减小而增大;提出一种新的改进Duncan-Chang模型,并利用实测柱状冰应力-应变曲线对新模型进行验证,取得良好效果.     

真三向应力作用下深部砂岩力学特性

基于真三轴试验机对取自某储气库、埋深3 600 m的试样开展了一系列砂岩真三轴压缩试验.研究了真三向应力作用下深部砂岩的强度、变形特征，并将深部砂岩与浅部砂岩的弹性模量、黏聚力、摩擦角和峰值破坏强度进行了对比.结果表明：在一定范围内随着中间主应力的增加，深部砂岩的峰值强度也会增加，深部砂岩的起裂应力和损伤应力也随之增加，峰值处的中间主应变呈现减小的趋势.随着砂岩深度的增加，砂岩的弹性模量、黏聚力和摩擦角均呈现增大的趋势.浅部砂岩峰值破坏强度的八面体剪应力与有效平均正应力表现为非线性关系，而深部砂岩峰值破坏强度的八面体剪应力与有效平均正应力表现为线性关系，且Mogi-Coulomb准则更适用于表述深部砂岩破坏时的强度特征.     

动静组合加载数值模拟砂岩损伤演化规律

为了定量分析砂岩在应力波作用下的损伤演化规律,利用LS-DYNA软件,对砂岩进行SHPB动静加载数值模拟,并基于裂纹密度法所建立的损伤模型,计算岩石的损伤变量,对不同冲击速度(8 m/s、10 m/s、12 m/s、14 m/s、16 m/s）,不同轴压（6 MPa、10 MPa、14 MPa、16 MPa）,不同轴压和围压组合（6 MPa、3 MPa;6 MPa、6 MPa;6 MPa、9MPa;12 MPa、3 MPa;12 MPa、6 MPa;12 MPa、9 MPa）下进行砂岩损伤规律模拟研究。研究结果表明：三种状态下砂岩的损伤随应变率的增大而增大;有轴压无围压作用时,砂岩的初始损伤速率较缓;两者共同作用下,当轴压和应变率固定时,损伤随围压增加而降低（围压值大于等于轴压值）,当围压和应变率固定时,损伤随轴压增加而降低。可见施加围压和轴压对砂岩的内部裂纹扩展具有一定的抑制作用。     

围压作用下岩石峰后应力-应变关系模型

假定峰后软化阶段任意一点皆满足摩尔库仑极限破坏条件,建立岩石峰后后继屈服面模型。利用岩石峰值处和残余阶段初始处应力状态绘制几组莫尔应力圆,获得不同围压下峰值处和残余阶段初始处的黏聚力c和内摩擦角φ,然后分别建立黏聚力c和内摩擦角φ同围压的函数关系。基于莫尔-库仑准则,以最大主应变ε作为软化参数,以分段线性函数形式演化黏聚力c和内摩擦角φ的正切,反求内摩擦角φ,从而建立岩石峰后应力-应变关系模型。数值算例研究Tennessee大理岩三轴试验的峰后应变软化过程,模拟结果与试验结果较吻合。研究结果表明:建立的峰后应力-应变关系模型合理而可靠,可以较好地描述不同围压下岩石的峰后力学行为。