粉砂质泥岩常规力学、蠕变以及应力松弛特性的对比研究

 在相同围压下,对饱和粉砂质泥岩分别进行常规三轴压缩试验、三轴压缩蠕变试验以及三轴压缩应力松弛试验。基于试验结果,比较3种力学试验得出的岩石试样轴向强度大小以及轴向峰值应变大小,并从岩石破裂机制方面解释岩石强度以及变形差异产生的原因。采用Burgers模型描述粉砂质泥岩的蠕变与应力松弛特性,依据模型参数辨识结果,比较常规力学试验得出的剪切模量G与Burgers蠕变模型和应力松弛模型得出的瞬时剪切模量G1大小关系,并比较Burgers蠕变模型与应力松弛模型对应参数值之间的大小关系。研究结果表明：(1) 粉砂质泥岩试样的瞬时强度最大,蠕变长期强度其次,松弛长期强度最小。(2) 常规力学试验中试样的轴向峰值应变最大,应力松弛试验中试样的轴向峰值应变其次,蠕变试验中试样的轴向峰值应变最小。(3) 常规力学参数G值与Burgers蠕变模型和应力松弛模型参数G1值相差较大,分别是蠕变模型和应力松弛模型参数G1值的64.5,86.8倍。(4) 对于G1,G2,?1,?2这4个参数,蠕变模型辨识得出的参数值均较应力松弛模型辨识得出的参数值大。2种模型的G1参数值大小接近,而其他3种参数G2,?1和?2,采用2种模型辨识得出的参数值差别较大,相差1～2个数量级,其中G2参数值相差最小,?1参数值相差最大。与剪切模量G1,G2参数值相比,2种模型的黏滞系数η1,η2参数值相差较大,表明?1,?2对岩石蠕变与应力松弛特性的影响较大。(5) 粉砂质泥岩蠕变与应力松弛模型对应参数的比较结果,证明所得出的岩石蠕变与应力松弛模型参数的正确性,与线黏弹性材料不同,岩石的蠕变特性与应力松弛特性是不等同的,不能简单地由岩石的蠕变特性推导得出其应力松弛特性。     

基于梯度塑性理论的岩样峰后变形特征研究

提出了单轴压缩的岩样在受到剪切破坏条件下的全部变形特征,即轴向、侧向、环向、体积应变及峰后泊松比的解析式。弹性应变采用虎克定律描述;塑性应变依赖于局部化带尺寸,由梯度塑性理论确定。在弹性及应变软化阶段,由于分别采用了线弹性及线性应变软化的本构关系,轴向应力-轴向应变曲线、轴向应力-侧向应变曲线、轴向应力-体积应变曲线及轴向应变-体积应变曲线都具有双线性特征。然而,在软化阶段,轴向应力-峰后泊松比曲线却是非线性的;峰后泊松比是变化的,可能超过0.5,这与泊松比不同。由轴向应变及侧向应变计算得到的体积应变依赖于试样的几何尺寸,因此,在软化阶段,轴向应力-体积应变曲线的斜率并非材料本构参数。以往的力学模型很难采用解析式描述全部变形特征,这充分体现了这里所采用力学模型的优越性。     

基于莫尔–库仑准则的岩石峰后应变软化力学行为研究

 岩石类材料的应力–应变曲线关系分为峰值前区和峰值后区2个部分。在岩石应力–应变曲线峰前部分,一般将岩石视为弹性体,在此阶段采用线弹性本构关系;而在峰后部分,由于不能确定岩石的破坏形态和应力的跌落方式,其力学行为难以用经典理论来描述,因此确定岩石峰后模量的变化是研究岩石峰后力学行为的关键。基于莫尔–库仑强度准则,以内摩擦角?作为中间变量,通过理论推导,将峰后弹性模量 表征为应变 的函数,建立峰后岩体力学非线性应力–应变关系。通过数值算例得到大理岩在不同围压下的全应力–应变曲线,其数值计算结果与试验结果吻合较好,表明所提出的非线性本构模型是正确合理的,同时也表明该模型可以较好的描述不同围压下大理岩的峰后力学行为。     

塑弹塑性岩石的非线性损伤模型研究

通过分析岩石常规三轴试验应力应变曲线,发现某类岩石在峰前具有明显的压密阶段,表明该类岩石具有塑弹塑性材料的特征。基于塑弹塑性材料非线性应力应变曲线,引入非线性指标,并考虑损伤门槛值,应用统计损伤理论,提出具有塑弹塑性特征的岩石非线性损伤模型。该模型不仅能反映岩石应变硬化软化特性,而且能够刻画压密区的特性,更为准确地表征了该类岩石应力应变的非线性关系。采用辉绿岩试验数据对本文模型进行验证,结果表明,试验曲线与理论曲线吻合较好,从而验证了模型的合理性和适用性。采用峰前具有明显线弹性变形特征的岩石常规三轴试验数据进一步分析,结果显示,模型通过峰后引入非线性指标同样可以反映岩石应变软化特性。     

高围压下岩石卸荷的扩容性质及其本构模型研究

通过岩石试样高围压下的卸荷试验,研究卸荷条件下岩石的扩容性质。研究结果表明:初始扩容点即最大压缩体应变对应的变形模量可作为弹性阶段的弹性模量。根据试验研究,将岩石卸荷试验应力–应变全过程曲线分为弹性、应力屈服、峰后脆性及残余理想塑性4个阶段,并根据各阶段特征得到相应段的本构方程,最后得到卸荷岩体全过程的本构模型。用数据拟合的方法,得到不同卸荷试验下模型曲线,并验证模型曲线可以较好地模拟卸荷的应力–应变曲线。     

三轴应力作用下水对岩石应力松弛特性影响作用试验研究

 采用RLJW–2000岩石三轴流变伺服仪,在相同试验条件下分别对干燥与饱水状态下的粉砂质泥岩进行室内三轴压缩应力松弛试验。依据试验结果,分析了松弛稳定后水对岩石总应力松弛量、总应力松弛度、松弛稳定时间、平均应力松弛速率的影响作用,并且分析了松弛过程中随时间的增加水对岩石应力松弛量、应力松弛度、应力松弛速率影响作用的变化趋势。考虑粉砂质泥岩流变参数的损伤劣化效应,以Hooke-Kelvin模型为基础,引入损伤变量对模型进行改进,建立了岩石的非线性应力松弛损伤模型。应用Levenberg-Marquardt算法,辨识得出干燥与饱水岩石的应力松弛损伤模型参数。基于辨识结果,研究了水对岩石非线性应力松弛损伤模型参数的影响作用。研究结果表明：(1) 由于水的影响作用,松弛稳定后粉砂质泥岩的总应力松弛量减少、总应力松弛度增大、松弛达到稳定的时间增长;松弛过程中,随时间的增加,水对粉砂质泥岩应力松弛量与应力松弛度的影响作用减弱。(2) 由于水的影响作用,粉砂质泥岩的平均应力松弛速率减小,各时刻岩石的应力松弛速率降低;松弛过程中,随时间的增加,水对粉砂质泥岩应力松弛速率衰减的影响作用增强。(3) 粉砂质泥岩应力松弛过程中,水对岩石的黏性力学特性影响作用较大,而对岩石的瞬时弹性和黏弹性力学特性影响作用相对较小。(4) 粉砂质泥岩的应力松弛损伤受应变水平、时间以及水3种因素的共同影响,而非线性应力松弛损伤模型可以有效地反映3种因素对岩石应力松弛参数的综合损伤弱化作用。(5) 水对粉砂质泥岩应力松弛特性的影响作用是极其显著的,水极大地增强了岩石的时效特征,改变了粉砂质泥岩的应力松弛特性。因此,在重大工程设计和施工中,不能忽视水对岩石应力松弛特性的影响作用。     

单轴拉伸条件下细观非均匀性岩石本构关系研究

用损伤力学理论研究了细观非均匀性岩石拉伸应力应变关系(包括线弹性阶段、非线性强化阶段、应力降阶段、应变软化阶段) ,分析了产生应力跌落和应变软化的主要原因是损伤和变形局部化,将损伤和变形局部化引入本构模型是和以往模型的重要区别。通过和试验成果对比分析验证了模型的正确性和有效性。     

基于3种破坏类型的岩石损伤软化统计模型

为研究岩石峰后力学特性和本构关系,进行岩石的单、三轴压缩全程试验。基于不同阶段和不同破坏类型分别建立"分段本构模型"和"基于破坏类型的损伤软化统计模型"。分段本构模型通过屈服点、峰值点和残余强度点将岩石的应力应变划分为3个阶段,建立分段本构关系函数;基于破坏类型的损伤软化统计模型将岩石的压缩破坏划分为低围压(含单轴)下的环向张拉破坏、高围压下的剪切破坏以及中低围压下的张剪组合破坏,分别选取环向应变、剪切应变和体积应变作为损伤控制变量建立3种破坏类型的本构模型。结果表明,基于破坏类型的损伤软化统计模型能更好地描述岩石峰前及峰后的本构关系,揭示岩石内部损伤的发展过程。     

岩石黏弹塑性损伤蠕变模型研究

岩石蠕变力学采用在经典元件模型基础上引入非线性元件和蠕变损伤的方法,来解决经典元件模型不能描述岩石整个蠕变过程中的非线性特征问题。首先分析这类方法在模型参数辨识、损伤蠕变方程建立和屈服条件选择等方面的不严谨之处,然后根据非线性流变理论以及损伤理论采用和构建弹性体、非线性Kelvin体、黏性体和损伤黏塑性体,并将四者串联,建立能够同时描述岩石瞬时弹性应变、非线性黏弹性应变、黏性应变和非线性黏塑性应变的损伤蠕变模型。推导岩石在恒应力情况下的一维、三维微分型损伤本构方程,再根据叠加原理得到损伤蠕变方程,结合蠕变曲线特征给出简单可行的模型参数辨识方法。最后采用砂岩分级加载单、三轴压缩蠕变试验曲线与理论曲线和预测曲线进行对比来验证模型的适用性。结果表明两者吻合程度较高,黏弹塑性损伤蠕变模型不仅可以精确反映衰减、等速阶段蠕变曲线的非线性特征,而且能够描述岩石在高应力状态下的加速蠕变特征,其适用性得到验证。     

岩石三轴压缩峰后曲线与抗剪强度参数关系探讨

对岩样在常规三轴压缩下应力应变曲线特别是峰后强度变化曲线进行深入分析,通过分段函数和双曲函数建立峰后强度参数随软化参数变化的规律,给出了花岗岩常规三轴状态下峰后应力应变关系式的具体求法,并发现岩石粘聚力和摩擦角可用岩石峰值强度和残余强度结合破坏角近似描述,因此,提出一种较简便的计算岩石黏聚力和摩擦角的近似方法。对多组花岗岩试样进行三轴压缩试验,利用不同围压下应力应变曲线,求得内摩擦角φ和黏聚力c,将后者结果与前者对比可知:(1)该函数可近似的描述岩石峰后的应力应变关系和软化规律;(2)在围压的许可范围内,利用花岗岩三轴压缩强度峰后曲线求得的粘聚力和摩擦角可作为岩石的抗剪强度参数的近似值。上述方法可在一定程度上反映岩石力学三轴试验中常出现剪切破坏的物理意义,并对实际工程和试验提供借鉴。     

不同尺寸裂隙岩石损伤破坏特性光弹性试验研究

为了充分认识试件尺寸与裂隙倾角对裂隙岩石损伤破坏的影响,开展了不同试件尺寸、不同裂隙倾角的光弹性单轴压缩试验。利用反射式光弹仪直观形象地记录试件损伤破坏全过程的彩色条纹变化,基于光学-应力定律计算得到裂隙岩石损伤破坏过程中试件表面的全场应力应变,分析岩石裂隙扩展失稳的尺寸效应及裂隙倾角对岩石强度及破坏模式的影响,研究裂隙岩石损伤—扩展—破坏的力学机制。试验结果表明:裂隙岩石单轴压缩的应力应变曲线可分为弹性阶段,塑性阶段,峰后软化阶段,残余阶段不明显;裂隙岩石峰前阶段的弹性模量随着试件高宽比的增加而增大,随着裂隙倾角的增加而减小;单轴抗压强度随着高宽比的增加呈减小趋势;峰后的软化阶段受试件尺寸与裂隙倾角的共同影响,裂隙倾角与高宽比越大,岩石的破坏越具有突然性,即脆性越明显;岩石损失破坏时最大应变与应力分布在预制裂纹中心,损伤首先从预制裂纹处发生。随着加载的不断进行,最大应变与应力的位置转变为裂纹的两端,逐渐向平行于轴向加载方向发展直至试件端部。岩石损失破坏时,最大应变与应力分布在预制裂纹中心,损伤首先从预制裂纹处发生。随着加载的不断进行,最大应变与应力的位置转变到裂纹的两端,裂纹逐渐向平行于轴向加载方向发展直至试件端部。     

单轴拉伸条件下细观非均匀性岩石变形局部化分析及其应力-应变全过程研究

岩土工程的开挖卸荷往往产生拉应力，因此研究单轴拉伸条件下细观非均匀性岩石的变形局部化和全过程应力．应变关系具有重要的理论和现实意义。利用损伤力学理论研究了岩石在线弹性阶段、非线性强化阶段、应力跌落、应变软化阶段的拉伸应力．应变关系，并分析了产生应力跌落和应变软化的主要原因是损伤和变形局部化，将损伤和变形局部化引入本构模型是和以往模型的重要区别。通过与实验成果的对比分析，验证了模型的正确性和有效性。     

粉砂质泥岩三轴压缩应力松弛特性试验研究

 采用RLJW–2000型岩石三轴流变伺服仪,在分级加载条件下完成饱和粉砂质泥岩的三轴压缩应力松弛试验。基于试验结果,划分岩石的应力松弛阶段,分析岩石的应力松弛特征,研究不同应变水平下岩石的应力松弛速率、径向应变、体积应变以及松弛模量随时间的变化规律,探讨岩石应力–应变等时曲线特征,系统地揭示粉砂质泥岩三轴压缩应力松弛特性。选取Burgers模型来描述粉砂质泥岩的应力松弛特性,采用LM-NLSF法对模型参数进行辨识。对比模型拟合曲线与试验曲线,二者吻合较好,表明Burgers模型可以较好地描述粉砂质泥岩的应力松弛特性,辨识得出的模型参数具有一定的实用价值。     

灰质泥岩常规三轴压缩试验与本构方程的研究

以宁夏固原地区城乡饮水安全水源工程灰质泥岩为例,使用TAW-2000型微机伺服岩石高低温三轴试验机对其在不同围压条件下的三轴压缩应力-应变全过程曲线进行系统的试验研究。分析岩石的屈服强度、峰值强度、残余强度与围压之间的关系,采用回归分析得出岩石峰值抗剪强度参数和残余抗剪强度参数。根据塑性力学的相关理论,建立考虑岩石应变软化的双线性弹性-线性软化-残余理想塑性四线性模型,得到灰质泥岩4个阶段的本构方程,并确定各阶段方程的相关参数,研究结果可为该地区地下岩土工程设计时岩石力学参数的选取提供参考依据。     

基于残余强度变形阶段特征的岩石变形全过程统计损伤模拟方法

岩石应变软化变形破坏全过程模拟是岩石力学研究的重要内容。首先在分析岩石应变软化变形全过程不同阶段变形特征基础上,针对现有岩石损伤模型难以反映岩石破坏后仍具残余强度特性的不足,假设受载岩石可抽象为损伤和未损伤两部分材料组成,其所受轴向荷载由这两部分共同承担,且损伤部分所受应力为残余强度,建立出可反映岩石破坏后仍具残余强度特征的新型损伤模型;其次,引进统计损伤理论,在探讨岩石微元强度合理度量方法的基础上,考虑岩石损伤阀值的影响,建立可反映岩石变形全过程特征的岩石统计损伤演化模型;然后,利用上述岩石损伤模型和损伤演化模型建立出可模拟岩石应变软化变形全过程的损伤统计本构模型,并建立其模型参数确定方法,该模型能较好地反映岩石峰后残余强度阶段变形特征;最后,通过实例分析与讨论,并与其他同类模型分析结果进行比较分析,表明本文模型与方法的合理性与优越性。     

珊瑚砂微生物固化体单轴损伤本构模型

利用MICP技术固化南海某岛礁吹填珊瑚砂,对固化体试样进行了单轴抗压强度试验,基于损伤力学理论建立了单轴压缩条件下的固化体损伤本构模型。结果表明:利用MICP技术得到的珊瑚砂微生物固化体无侧限抗压强度均大于5 MPa,固化体单轴受压应力-应变曲线可大致分为压密阶段、弹性阶段、塑性阶段与破坏软化阶段。基于连续介质损伤力学理论,假定固化体微元强度服从双参数的Weibull分布,考虑应力-应变曲线特征进行参数简化后建立了单轴压缩条件下的损伤本构模型;模型采用经验拟合方程与损伤本构方程结合的分段函数形式,用试验资料初步验证了模型的合理性。     

花岗岩峰后力学特性试验与模型研究

深部围岩在开挖卸载过程中表现出的峰后复杂力学特性一直是工程界十分关注的问题,深入研究岩石峰后力学行为对深部资源开采工程具有重要意义。以深部立井马头门工程为依托,通过室内试验方法研究花岗岩峰后力学特性,采用非线性拟合方法获得花岗岩峰后软化模量与围压的指数关系式,假定岩石的剪胀角为恒定值,基于塑性理论构建考虑围压及剪胀角影响的岩石峰后应变软化模型;以FLAC3D为平台开发数学模型并进行验证,通过构建马头门巷道数值模型,分析深部围岩在应变软化条件下的破坏特征规律。通过研究可知,花岗岩峰后破坏具有脆–延性转化趋势,在高围压条件下,岩石峰后表现出塑性软化破坏特征,岩石峰后软化模量随着围压的增大而减小;通过FLAC3D进行数值验证可知,构建的应变软化模型与试验数据基本吻合,所建立的应变软化模型具有较高的可靠性;通过数值模拟方法分析深部马头门巷道围岩破坏特征可知,巷道拱顶及拱脚等局部区域出现了塑性剪切应变,与现场巷道围岩破损位置及深度基本相同。     

三种本构关系条件下锚杆摩阻力力学对比分析

为了研究锚杆体系的受力应力应变过程,提高锚杆的锚固效果,结合三种摩阻力本构模型完全弹性本构,弹性-理想塑性本构,弹性-软化塑性本构,建立了锚杆微观分析模型,对锚杆与岩体的相互作用力学过程进行了讨论。对于完全弹性本构给出了沿轴向分布的应力、应变和摩阻力,以及给出理论上的极限作用力;弹性-理想塑性本构存在一定范围内的屈服阶段,得到了屈服范围内的应力、摩阻力分布表达式,给出了对应作用力的屈服范围;弹性-软化塑性本构条件下,随着作用力的增大摩阻力呈现三个阶段,即完全弹性阶段、软化阶段以及残余阶段,并分析对应的应力、应变、摩阻力和分布范围。本文是基于锚杆摩阻力的不同模型条件下的力学分析,对于实际中的材料力学行为需要更多的实验工作。     

砂岩卸围压变形过程中渗透特性与声发射试验研究

 利用岩石伺服试验系统,对江西红砂岩岩样进行气体渗透三轴试验及声发射监测,研究在常规加载、峰前卸围压和峰后卸围压3种应力路径下,岩样变形破坏过程中的渗透规律和声发射特征。试验结果表明：(1) 随着有效围压的增大,岩石岩样的应力峰值逐渐增大,岩样的应力峰值对有效围压很敏感。(2) 常规加载时,渗透率在岩石屈服前呈现略微下降的趋势,屈服后迅速增长,峰后应变软化阶段有小幅回落;峰前和峰后卸围压时,在卸载之前渗透规律与常规加载时相同,卸载后渗透率均呈急剧增长的趋势,增幅也较大,其中峰前卸围压后渗透率增幅最大。(3) 在相同加载方式下,围压的增大不影响渗透率曲线的发展趋势,只影响渗透率在各阶段量值的大小。(4) 常规加载时,岩石声发射活动在屈服前比较平静,屈服后声发射活动非常活跃,峰后应变软化阶段声发射活动再次趋于平静;峰前卸围压不久后,声发射活动异常活跃、密集,能量数相对值较大并有明显峰值;峰后卸围压过程与常规加载过程中声发射规律相似。(5) 岩样的破坏过程中,随围压增大,脆性减弱、延性增强,在同一围压水平下,峰前卸围压破碎程度最高,脆性最强。(6) 岩石扩容点与渗透率最小值所对应的轴向应变值十分接近,体应变和渗透率随轴向应变的变化趋势对应较好,声发射活动的密集阶段均发生在体积膨胀之后,渗透率、声发射、应力及(体)应变之间存在一定对应关系。     

饱和、非饱和岩石损伤统计本构模型探讨

基于统计理论和损伤力学对岩石在荷载作用下的破坏、损伤特征进行了探讨,建立了弹性损伤统计本构模型。在损伤演化方程中全部采用有效应力,并能反映岩石剩余强度。在混合物理论基础上,建立了饱和、非饱和岩石损伤软化统计本构模型。该模型能反映岩石在单轴抗压试验中初始加载阶段全应力-应变曲线稍向上凹曲的特征,以及在岩石受力过程中损伤和空隙(或孔隙)中流体对应力-应变关系所起的作用。与试验结果的比较显示模型是合理的。