岩石峰值应力后扩容与围压的关系

通过理论推导和试验分析研究岩石扩容与围压的关系.应力状态和围压对岩石扩容影响显著.描述岩石扩容的主要参数为扩容角和扩容指数.扩容指数与围压的关系函数简单实用,方便应用于指导巷道稳定性分析和围岩支护设计,具有较大的参考价值.     

考虑围压影响的非均质岩石剪胀扩容模型

为了描述围压对非均质岩石剪胀扩容行为的影响,通过扩容指数建立了剪胀角和围压之间的关系式.利用Weibull分布考虑岩石力学参数的非均质性,假设岩石为理想弹塑性材料,建立了考虑围压影响的非均质岩石剪胀扩容模型,并在FLAC软件下利用Fish函数法予以实现.数值算例按3种方案研究了不同侧限下平面应变煤样的破坏行为,结果表明...     

基于PFC~(3D)的砂岩扩容特性的三轴压缩试验研究

基于颗粒流数值软件PFC~(3D)对砂岩进行了三轴压缩试验模拟,并与室内试验数据进行了对比分析,讨论了围压对砂岩承载过程中扩容行为和细观结构演化的影响。研究表明:砂岩的强度参数(扩容起始应力和峰值强度)和变形参数(轴向应变和环向应变)以及与围压的关系均可以采用正线性关系来表征,且岩石经过扩容转折点后,模型微裂隙数量开始剧增。     

高应力软岩非弹性体积增加试验研究

从砂质泥岩常规三轴试验出发,通过研究体积应变的变化规律,得到不同围压下砂质泥岩完全扩容应变与完全扩容极限.结果表明,软岩在力学作用下产生非弹性的扩容变形.进一步的试验及理论分析认为,砂质泥岩的体积变形存在一个门槛值即压缩扩容边界cd,完全扩容应变既是岩石试件体积应变的最小值同时也是最大压缩应变值.完全扩容应变及完全扩容极限与围压变化幅度一致,说明围压对扩容具有抑制作用.围压越高,压缩扩容边界cd出现的越迟,扩容之前的压缩变形愈大.     

贯通节理砂岩峰后变形试验研究及其在隧道支护中的应用

深部资源开发中地下硐室围岩稳定控制必须面对峰后碎裂岩体的变形和破坏问题,但目前对峰值强度后的变形特征和强度特性研究不足,认识不充分,常导致大体积塌方、大变形等重大工程事故。采用RLW-1000型岩石三轴伺服刚性机对不同围压贯穿裂隙圆柱体标准试件进行常规三轴压缩试验,分析裂隙岩体在不同围压下裂隙岩体的峰后强度和变形特性。试验结果表明:裂隙试件的峰值强度,残余强度和峰值应变基本上是随着围压的增大而增大;围压越小,裂隙岩石峰后扩容现象越明显,岩石扩容随围压增大而减小,且岩石可塑性和围压共同影响岩石扩容。结合试验结果分析发现将峰后非连续体变形控制在残余强度的初始阶段,能以相对较低的支护阻力有效控制过高的破裂膨胀变形发生,保证隧道围岩的稳定。     

基于可释放应变能的岩石扩容准则

针对当前扩容准则计算精度不高,且难以反映震源释放应变能对岩体扩容影响的问题,基于能量转化是物质物理过程的本质属性,通过理论分析和试验研究,从弹性应变能的角度对已有扩容准则进行了研究,并据此建立了广义扩容准则。结果表明,已有扩容准则将泊松比等于0.5看作是任意应力状态下材料扩容的前提;已有线性扩容准则未考虑中间主应力对扩容影响,且扩容应力随围压线性增加。在对扩容准则分析的基础上,从能量角度提出弹性应变能达到某一临界值时材料开始扩容,并据此建立广义扩容准则;该准则突破了材料扩容时泊松比恒为0.5的传统假设,且能反映中间主应力、弹性模量、泊松比及未知可释放应变能(或震源释放应变能等)等对岩体扩容的影响;当泊松比等于0.5时,该准则蜕化为既有扩容准则;应力水平相同时,泊松比越小,广义扩容准则计算的扩容应力越小;随中间主应力增加,广义扩容准则计算的扩容应力可能会降低。广义扩容准则为地震预报提供了理论支撑,既可计算受震源释放应变能影响的岩体是否扩容,又可计算发生扩容的岩体吸收应变能大小。三轴拉伸与三轴压缩条件下岩石扩容应力的计算表明,广义扩容准则可描述岩石的扩容特性,并分析了产生上述结果的内在机理。广义扩容准则对岩石扩容、地震预报、深部矿产资源的开采及地下工程的稳定性均具有重要意义。     

深部工作面煤体扩容影响因素及扩容预测

依据含瓦斯煤力学试验,综合分析含瓦斯煤破坏变形特征与工作面煤体受力环境,采用模糊综合分析法,确定工作面煤体扩容重要因素及其权重;基于二元离散理论,构建工作面煤体扩容预测判别模型。研究表明,采动应力、含瓦斯煤的抗压强度、原岩应力是工作面煤体扩容关键影响因素,而采动应力是其主控因素,降低采动应力是控制深部煤体扩容的最有效途径。创建了以采动应力为主控因素,二元离散判据的工作面煤体扩容预测新方法,达到了工作面煤体扩容有效预测与防控的目的。     

考虑应变软化和扩容的圆形巷道围岩强度准则效应

为了研究强度准则效应对圆形巷道围岩稳定性的影响,首先对Mohr-Coulomb(MC)准则、Drucker-Prager(DP)准则、统一强度理论和Mogi-Coulomb(MO)准则等4种岩石材料常用的强度准则进行归纳总结,得到了平面应变条件下统一形式的屈服方程;然后将巷道围岩划分为破碎区、塑性软化区和弹性区,同时引入强度参数软化模量和扩容系数,考虑中间主应力效应、岩石峰后应变软化和扩容特性,推导了巷道围岩应力、位移和塑性区半径统一解,并对新解的各影响因素进行了对比分析。分析结果表明:本文所提出的新解不仅形式简洁,而且可以灵活匹配不同的岩石强度准则;不考虑中间主应力效应的强度准则相对偏于保守,考虑中间主应力效应时,MO准则和权系数<0.5的统一强度理论计算得到的塑性区半径和位移处于中间水平,而外接圆DP准则和权系数>0.5的统一强度理论对中间主应力效应考虑较多,选用时需谨慎;应变软化会使塑性区内围岩的性质得到进一步劣化,出现更大范围的破碎区,提高破碎区残余强度是一种有效的支护方法;巷道围岩的扩容特性不仅与剪胀角有关,而且还与塑性势函数有关,不考虑扩容将会低估围岩的真实变形。研究结果可为巷道围岩稳定性评价和支护设计提供重要理论参考依据。     

TBM掘进围岩挤压大变形机理与本构模型

通过对反映了TBM卸荷特征的砂质泥岩三轴卸围压试验结果分析,揭示了深部软弱地层TBM掘进围岩挤压大变形机理：挤压大变形主要由TBM开挖卸荷瞬时产生的峰前卸荷损伤扩容和峰后破裂碎胀造成的体积扩容组成,峰前岩石内部原生裂隙扩展和新裂隙萌生、扩展导致扩容变形,以及峰后裂隙汇聚贯通成宏观破裂面和多级次生破裂形成,破裂后块体间发生错动或翻转等相对运动引起峰后碎胀大变形,其中峰后的碎胀变形是构成大变形最主要的部分。获取了各特征应力（损伤扩容应力σ1cd、极限承载强度σ1m和线性应变软化应力σ1l）与围压σ3的相关关系,建立了各变形破坏阶段的临界准则;建立了卸荷损伤扩容阶段的损伤演化方程;基于三轴卸围压试验成果建立了弹性-卸荷屈服损伤扩容-峰后脆性跌落-线性应变软化-残余理想塑性5阶段挤压大变形本构关系。对挤压大变形本构模型在FLAC3D进行了数值实现,并验证了模型的合理性和数值实现程序的正确性。     

考虑围压影响的岩石弹脆塑力学模型

为模拟围压对岩石峰后强度、模量退化和剪胀的影响,将岩石的变形过程简化为线弹性变形、脆性跌落和理想塑性3个阶段,利用退化指数和扩容指数描述围压对岩石峰后强度、模量退化和剪胀的影响,建立了考虑围压影响的岩石弹脆塑力学模型。通过Hoek-Brown和Mohr-Column准则之间参数的转换关系,给出了模型峰后力学参数的确定方法。在FLAC软件下,利用Fish函数方法实现了建立的弹脆塑性力学模型。在数值算例中,利用本文模型分析了不同围压下岩石的峰后力学特性劣化和剪胀扩容特征,结果表明本文模型不仅能较好地模拟岩石峰前、峰后全程变形发展过程,而且能较好地考虑围压对岩石峰后力学特性的影响。     

三轴压缩岩石应变软化及渗透率演化的试验和数值模拟

三轴压缩下岩石峰后应变软化行为及渗透率演化规律是岩石工程稳定性分析的基础。取新疆巴里坤砂岩样在室内开展了三轴压缩试验和三轴渗流试验,获得了不同围压下巴里坤砂岩的全程应力应变曲线、体积应变与渗透率关系曲线。试验结果表明：随着围压增加,岩石峰后残余强度增加,体积扩容和脆性减弱;随着轴向应变增加,岩石先发生弹性压缩,空隙空间减小,渗透率降低;当应力达到屈服强度,岩石内裂隙开始扩展,渗透率降低速率趋缓;在峰值应力后,岩样破坏,裂隙扩展加速,并伴有新裂隙的萌生,岩样渗透率开始快速增长,岩样的渗透率呈“V”型变化。提出了描述围压对岩石峰后脆性影响的新参数,即脆性模量系数,围压与脆性模量系数之间服从负指数关系。基于脆性模量系数、强度退化指数和扩容指数,建立了考虑围压影响的岩石应变软化模型。在分析体积应变与岩石渗透率之间关系基础上,建立了基于体积应变增透率的岩石渗透率演化模型。在FLAC下模拟了巴里坤砂岩不同围压下的应变软化行为和渗透率演化过程,结果表明：岩石应变软化模型能很好地模拟围压对岩石残余强度、体积扩容和峰后脆性的影响;所示模型能较好地模拟围压和剪胀对岩石渗透率的影响;岩样峰后内部出现了明显的剪切破坏带,剪切破坏带与大主应力的夹角随着围压的增加而增大。在剪切破坏带内单元的渗透率显著增长,最后形成了一个流动通道。     

基于退化角的岩石峰后应变软化模型

反映围压对岩石峰后脆性的影响,提出了描述岩石峰后软化行为的新参数,即退化角。对山西含碳泥岩三轴试验数据拟合表明,退化角与围压呈线性关系。推导了岩石峰后软化中等效塑性剪切应变与退化角之间的关系式,提出了基于退化角的岩石峰后应变软化模型。在FLAC环境下,利用Fish函数方法开发了相应的数值计算程序。数值算例研究了山西含碳泥岩在不同围压下的应变软化过程,模拟结果与试验数据规律基本一致,表明：退化角能较好地描述围压对岩石峰后脆性的影响;建立的峰后应变软化模型合理而可靠,为岩石峰后软化过程模拟提供了新的思路。     

TBM滚刀破岩过程及细观机理颗粒流模拟

采用颗粒流再现了锦屏大理岩脆-延-塑性转化特征,利用获得的细观参数建立TBM滚刀破岩离散元模型,模拟了单个TBM滚刀侵入断续单裂隙岩体过程,分析了裂隙倾角和围压对滚刀破岩效果的影响规律,最后从细观层面探讨了滚刀破岩机理。结果表明：含单裂隙岩体在单刀作用下,总体上表现为压缩性破坏、规则裂纹萌生与扩展、粉核区形成和主裂纹贯通4个阶段;当裂隙水平时翼裂纹萌生于裂隙中部,裂隙倾角较小时翼裂纹萌生于距尖端一定距离处,随着裂隙倾角的增大翼裂纹在裂隙尖端萌生。随着围压的增大,粉核区的范围逐渐变大,在高围压作用下出现侧向裂纹向自由面扩展;裂隙岩体比完整岩石更容易发生破坏,而且不同倾角裂隙岩体破坏难易程度也有所不同,总体上表现为：15°<45°<60°<0°<30°<90°<75°破岩由易到难。有围压条件下破岩难于无围压条件,且困难程度随着围压的提高而增大。     

不同围压与节理特征下盘形滚刀破岩数值研究

为了研究围压、节理特征对盘形滚刀破岩的影响,采用颗粒离散元法建立了不同围压、节理特征下的盘形滚刀破岩模型并进行数值仿真,研究不同围压与节理特征下对应的破碎模式、破岩比能耗和裂纹数目。研究表明:盘形滚刀破岩时,随着围压与节理特征的变化,会呈现4种破碎模式;其中当围压为50 MPa,节理间距小于60 mm以及节理倾角在30°附近时呈围压促进破碎模式,该破碎模式类似于岩爆,破岩比能耗极低;当围压和节理间距一定时,比能耗随着节理倾角的增大先减小后增大,且在30°时取得最小值;当围压和节理倾角一定时,比能耗随着节理间距的增大而增大;当节理间距一定时,节理倾角在0°,90°附近时,比能耗随着围压的增大而增大。而当节理倾角在15°~75°时,比能耗随围压由1 MPa增加到25 MPa时而增大,由25 MPa增加到50 MPa时而减小;另外,破碎模式、比能耗和裂纹数目三者关系密切,其中比能耗和裂纹数目之间的变化趋势相反。     

锦屏深部大理岩蠕变特性及分数阶蠕变模型

为保障锦屏地下实验室(CJPL)硐室群的长期稳定性,开展2 400 m深埋大理岩蠕变特性的研究,在常规三轴压缩试验的基础上进行分级加载蠕变试验,系统分析了大理岩蠕变过程中的轴向与环向变形规律及不同围压(5 MPa和64 MPa)下大理岩蠕变特征差异,采用等时应力-应变曲线法确定了大理岩的长期强度,并基于分数阶导数改进了大理岩蠕变模型。研究表明:13,27 MPa围压下,大理岩轴向应力应变曲线达到峰值应力后快速跌落,40,53,64 MPa围压下,峰值应力附近的应变曲线呈现明显的平台段,表明CJPL深部大理岩变形行为随着围压的增加具有由脆性向延性转化的趋势;无论是低围压还是高围压,相比于低应力水平,高应力水平下大理岩更容易发生蠕变变形且环向蠕变现象更加显著,蠕变过程中的扩容现象也更加明显,试样破坏时64 MPa围压条件下的体积蠕变变形为5 MPa围压下的16. 3倍;在蠕变加载过程中,大理岩变形模量均为先增加后减小。变形模量增加阶段,高围压下增加幅度较低围压小,64 MPa围压下试样变形模量增加的幅值为1. 8 GPa,小于5 MPa围压下的3. 6 GPa,表明试样受高围压作用已经部分压密。随着应力水平的增大,变形模量减小,高围压下减小幅度较低围压更大,围压64 MPa下试样变形模量减小幅值为9. 4 GPa,约为峰值变形模量的22%,围压5 MPa下试样减小幅值仅为1. 8 GPa,约为峰值变形模量的4%,表明高围压试样在破坏前裂纹的产生和扩展更为剧烈,岩石劣化程度更大;相同偏应力条件下,围压越大的试样蠕变速率越小,但破坏时变形更大且扩容现象显著,表明相同外荷载条件下,深部围岩赋存环境应力水平较高,变形难以收敛,易发生时效大变形破坏;围压为5,64 MPa时,采用等时应力-应变曲线法确定大理岩长期强度分别为170,290 MPa,为相应围压三轴压缩强度的82%,73%;基于分数阶导数,改进了大理岩黏弹塑性损伤蠕变模型,该模型具有形式简单同时能够很好的描述大理岩蠕变过程中的非线性加速特征的特点。     

筑坝粗粒料力学性质及本构模型参数试验研究

对某高坝筑坝粗粒料进行了大型三轴试验,分析了不同围压、级配下2种粗粒料的强度特性、变形规律。结果表明:2种粗粒料的应力—应变曲线具有明显的非线性,体变曲线整体变化规律为低胀高缩、先缩后胀,随着围压的增加,内摩擦角逐渐减小。低围压下,堆石料应力—应变曲线表现为硬化、体变变化为先缩后胀,砂砾料表现为软化、先缩后胀,峰值摩擦角随着围压的升高快速减小;高围压下,砂砾料由软化过渡为硬化,但堆石料在3 000 kPa下出现软化、其他条件下均为硬化,体变均由剪胀过渡到剪缩,随着围压的升高,峰值摩擦角的减小速率逐渐变小。研究得到,邓肯—张E-B模型参数随着围压、密度、级配的变化呈规律性变化。     

基于Drucker-Prager准则的深部巷道破裂围岩弹塑性分析

基于Drucker-Prager屈服准则和非关联流动法则,考虑中间主应力、塑性区弹性应变及岩体剪胀性的影响,推导了深部圆形巷道围岩应力、变形及塑性区半径的封闭解析解。结合工程实例,对比分析了不同屈服准则和围岩参数对围岩状态变化的影响,研究结果表明：中间主应力对围岩破裂范围和表面位移均具有重要影响,且表现出明显的区间效应;剪胀角越大,扩容系数越大,围岩破裂范围与表面位移也就越大;围岩参数(残余黏聚力、残余内摩擦角、初始黏聚力)和支护阻力越大,围岩塑性区及破裂区范围均越小;D-P准则解分别与统一强度准则解、双剪强度准则解和M-C准则解相比,围岩破裂范围及表面位移均偏大,但与M-C准则解最为接近;在满足相同围岩变形条件下,D-P准则解所需支护阻力较其他3种准则解均较大,更偏向于刚性支护形式,分析结果可为巷道围岩稳定性评价与支护设计提供重要理论依据。     

干湿循环作用下不同围压尾砂的力学特性

为探究吸湿脱湿循环作用下湖南省某尾矿库尾砂在不同围压下力学行为的变化规律,对尾砂试样进行0~6次吸湿脱湿循环试验。在围压为100、200、300 kPa的情况下分别对特定的尾砂试样进行室内常规三轴试验,得到了尾砂试样的承载能力变化趋势、吸湿脱湿循环对尾砂试样黏聚力和内摩擦角的影响、孔隙水压力与剪缩剪胀之间的关联等力学特性。试验结果表明:随着吸湿脱湿循环次数的增加,尾砂试样强度逐渐减弱且初次吸湿脱湿循环后强度下降较明显;吸湿脱湿循环导致尾砂试样内摩擦角和黏聚力下降;孔隙水压力的变化趋势在一定程度上能反映试样的剪缩剪胀特性;吸湿脱湿循环和高围压作用对试样的剪胀特性均有一定的抑制作用。