冻融环境下红砂岩三轴蠕变特性及其模型研究

为研究寒区岩体工程在冻融循环与长期荷载耦合作用下的时效力学特性,对不同冻融循条件下的饱和红砂岩进行分级加卸载三轴蠕变试验,研究冻融循环对岩石蠕变特性的影响。结果表明:冻融循环对红砂岩蠕变变形的影响与加载应力水平有关。低应力水平下,岩石黏弹性应变随冻融次数的增加近似线性缓慢增长;而高应力水平时则呈非线性增长;黏塑性应变随冻融次数的增加均呈近似线性增长,第四级加载应力水平(70%σ_c)为红砂岩蠕变变形特征的分界点。红砂岩稳态蠕变速率随冻融循环次数的增加呈指数型增长。根据红砂岩蠕变试验结果,建立考虑冻融循环作用影响及蠕变损伤的冻融-损伤蠕变模型,得到三维应力状态下岩石蠕变本构方程;对模型进行验证及参数识别,理论值与试验值吻合较好;分析了冻融循环作用对模型参数的影响。研究结果为寒区岩体工程的建设及长期稳定性分析提供理论依据。     

冻融循环作用下砂岩的力学特性及细观损伤本构模型研究

针对寒区岩体工程中岩石的冻融问题,选取砂岩为试样,通过进行室内冻融循环试验、扫描电子显微镜观测和三轴压缩试验对砂岩质量损失、微观结构和力学特性进行了分析。然后基于Lemaitre应变等效假设理论,通过引入能够反映岩石冻融破坏过程中的细观冻融损伤变量和力损伤变量来描述岩石材料的劣化程度及损伤演化规律,并采用连续损伤力学理论,建立了冻融与围压耦合作用下岩石的损伤演化方程及细观损伤本构模型。采用理论推导的方法得出所需的模型参数表达式,最后利用冻融岩石的三轴压缩试验数据对该模型的合理性和准确性进行了验证。将试验曲线的峰值点与模型理论曲线的峰值点进行对比,结果表明两者吻合度较好,该损伤本构模型能够较好地反映岩石三轴压缩过程的应力-应变峰值特性,验证了该模型及模型参数确定方法的合理性与可靠性。该模型拓展了岩石在冻融与围压耦合作用下的损伤模型,进一步的揭示了岩石在冻融与围压耦合作用下的损伤机制和破坏规律。     

北山深部花岗岩弹塑性损伤模型研究

 基于力学特性试验和三维声发射监测技术,研究北山花岗岩在压应力条件下的力学行为特征和损伤演化机制,并构建岩石的力学损伤模型。试验结果表明,在低围压条件下岩石主要发生的是脆性破坏;随围压增大,岩石力学行为逐渐向延性转化,表现出剪胀、塑性变形等非线性行为。结合微裂隙产生和扩展规律,对岩石在外力作用下的损伤演化过程和破坏机制进行分析,认为北山花岗岩的破坏及非线性行为是损伤和塑性变形共同作用的结果。基于这一认识,在热动力学框架下提出北山花岗岩准唯象弹塑性损伤模型。模型引入非关联的塑性流动方程,以反映岩石在压应力作用下体积变形从压缩到膨胀的转化过程。基于已有的损伤理论建立损伤演化方程,并通过在塑性屈服面中引入独立损伤变量,建立塑性和损伤发展的耦合关系。数值模拟和试验数据的对比表明,模型可以很好地描述北山花岗岩在不同应力水平下的损伤演化规律和力学行为,特别是随围压增大岩石力学行为从脆性到延性的转化过程以及岩石峰前塑性硬化和峰后应力软化等行为特征。     

考虑空隙压密特征的岩石弹塑性损伤增量本构模型

岩石的变形破坏全过程包括压密–弹性–塑性–损伤多个阶段,现有的基于经典弹塑性理论与损伤力学同时考虑岩石压密变形机制的本构模型研究较少。将岩石抽象为岩石骨架与岩石空隙2部分,依据空隙变形机制计算非线性压密变形,基于Drucker-Prager准则分析塑性变形特性,采用体积变形描述损伤演化规律,在经典弹塑性损伤理论框架下建立岩石压密–弹塑性损伤增量型本构模型及其积分算法。将岩石总变形视为压密、弹性与塑性3个部分,考虑空隙部分无法承受剪力且各方向变形无相互影响的特征,通过应力、应变张量谱分解在主应力方向上计算总应变。数值积分方法为基于Drucker-Prager准则的主应力方向回映算法,采用压密弹性预测方法计算预测应力,以分析迭代步中压密应变增量对总应变增量的影响。压密–弹塑性损伤本构模型与算法充分考虑空隙非线性变形机制与压密变形特性,共涉及压密、弹性、塑性、损伤4类10个参数,适用于长期服役过程中外部环境作用下空隙占比逐渐增加,骨架强度逐渐减小的工程岩体。应用模型研究干湿、冻融循环2种典型外部环境对岩石特性的影响,结果表明模型能够很好地模拟外部作用后工程岩体变形破坏的全过程,具有一定的理论...     

非共面双裂隙红砂岩宏细观力学行为颗粒流模拟

通过颗粒流程序(PFC)细观参数敏感性分析与完整红砂岩在常规三轴压缩下的试验结果,获得一组能够真实反映完整红砂岩宏观力学行为的细观参数。在此基础上,对断续双裂隙红砂岩在不同围压作用下进行颗粒流模拟,分析围压以及岩桥倾角对断续双裂隙红砂岩强度破坏特征的影响规律,揭示断续双裂隙红砂岩在不同围压作用下裂纹扩展的细观力学响应机制。研究结果表明：与完整红砂岩相比,断续双裂隙红砂岩峰值强度参数显著降低,且降幅与岩桥倾角?密切相关,黏聚力和内摩擦角均随着岩桥倾角?的增大呈非线性变化。当断续双裂隙红砂岩?= 0°和30°时,两者裂纹扩展模式相近,裂隙①和②之间无贯通;当?= 60°和90°时,两者裂纹扩展模式相近,裂隙①和②之间出现一处贯通;当?= 120°时,在低围压下裂隙①和②之间出现两处贯通,在高围压下只有一处贯通。当应力增大到一定程度之后,颗粒之间黏结断裂,微裂纹不断产生、汇集和贯通,最终形成宏观裂纹,使得试样发生失稳破坏。围压的增加在细观上提高了颗粒之间的接触力,在宏观上表现为强度增大。高围压的存在限制了微裂纹的扩展速率。     

岩石材料变形的稳定性分析及破坏形式的分叉分析

材料的非稳定性分析及局部化剪切带分叉分析是当前固体力学研究的前沿课题.本文试图将二者引入到岩石力学研究中,从理论上解决两个问题第一是岩石材料在峰值点后的变形稳定性问题;第二是岩石材料在单轴压缩及常规三轴压缩应力状态下的破坏形式问题.为此,首先建立了岩石材料的应变软化损伤模型,用于这两个问题的分析;其次运用经典稳定性问题的能量准则分析了获得岩石材料应力-应变全过程曲线的条件及岩石材料在峰值点后的损伤变形稳定性问题;最后,采用弹塑性材料的不连续分叉准则分析了岩石材料在单轴压缩及常规三轴压缩应力状态下的破坏形式.根据上述内容,全文分为3个部分,各个部分的主要工作及成果如下第一部分分析了岩石的基本变形性质,引用Frantziskonis和Desai损伤模型的概念,建立了能够反映岩石材料基本变形性质尤其是应变软化特征的损伤本构模型,并与实验结果进行了对比,证明该模型是适用的.第二部分介绍了结构及材料的稳定性问题的基本概念及基本理论和岩石力学中的稳定性问题及其研究现状.运用稳定性的能量准则,分析了获得岩石材料应力-应变全过程曲线的条件.除了在刚性压力机上,采用位移控制的加载方式,获得岩石材料的应力-应变全过程曲线外,在普通压力机上,如果采取适当的措施,无论是何种加载方式,均能获得岩石材料的应力-应变全过程曲线.运用稳定性的能量准则,分析了岩石材料在峰值点后的变形稳定性问题.证明了岩石材料的峰值点仅是一个分叉点而非失稳点,并提出了分叉点和失稳点的判别方法.模拟计算结果说明上述结论是正确的.第三部分介绍了岩石材料脆性破坏的基本特征及在单轴压缩和三轴压缩应力状态下的破坏形式和弹塑性材料分叉研究的基本理论以及岩土材料分叉研究的现状.采用不连续分叉理论,对岩石材料轴对称问题进行了局部化剪切带分叉分析.结果表明,单轴压缩应力状态下的岩石材料的脆性破坏形式是张破裂的;而常规三轴应力状态下岩石材料的脆性破坏形式是剪切破裂的,不存在张破裂的形式,剪切带方位角随围压的增加而降低.模拟计算结果表明在单轴压缩及低围压三轴压缩状态下,岩石材料的局部化剪切带发生于峰值应力之后,峰值应力点附近.但随着围压的增加,局部化剪切带分叉点将逐步远离峰值点,岩石材料的破坏逐步呈现塑性破坏的特征;当围压增加到一定值时,局部化剪切带将不会发生,此时岩石材料的破坏为塑性破坏形式.     

花岗岩材料在动态压应力作用下力学特性的实验和模型研究

 博士学位论文摘要　岩石材料动态力学特性是评价岩石结构在爆炸以及地震载荷作用下稳定性的重要参数, 是国防和民用防护工程研究的基本资料, 具有重要的学术价值和应用价值。对花岗岩材料在动态压应力(单轴和三轴) 作用下的力学特性进行了较系统的实验和理论研究。首先通过实验研究了花岗岩材料的动态断裂特性以及在单轴和三轴动态压应力作用下的强度以及变形特性。结果表明, 花岗岩的动态断裂韧度随加载速率的增加以及加载时间的减小而增加。在单轴情况下, 花岗岩的抗压强度随应变速率的增加而增加, 杨氏模量以及泊松比随应变速率的变化很小。在三轴情况下, 花岗岩的抗压强度也随应变速率的增加而增加, 强度的增加幅度随围压的增加有减小的趋势, 杨氏模量以及泊松比随应变速率的变化不大; 花岗岩的杭压强度随围压的增加明显增加, 在不同的应变速率下具有相同的趋势, 花岗岩的杨氏模量以及泊松比随围压的增加有小幅度的增加趋势。在实验研究的基础上, 应用滑移型裂纹模型对花岗岩材料在压缩应力作用下的力学特性进行了理论研究。在单轴情况下, 采用一组与轴向应力平行的滑移型裂纹系列模拟岩石材料的劈裂破坏模式同时考虑裂纹间的相互作用。根据裂纹的动态扩展准则以及能量平衡理论, 得到了不同应变速率下花岗岩的理论强度值以及应力应变关系, 这些理论结果与实验结果符合得非常好。本部分的研究还表明, 在动载荷作用下, 裂纹的扩展速率以及岩石材料的动态断裂韧度的率相关特性导致岩石材料的单轴抗压强度随应变速率的增加而增加。当应变速率为10- 4～ 100S- 1范围时, 裂纹的扩展速率对岩石材料的破坏影响可以忽略, 岩石材料的抗压强度随应变速率的增加仅仅由于岩石材料的动态断裂韧度的率相关特性造成。在三轴情况下, 用一组与轴向应力成一定夹角的滑移裂纹系列模拟岩石材料的剪切破坏模式, 并根据虚拟力方法得到了该裂纹系列的应力强度因子表达式。根据动态裂纹扩展准则以及能量平衡理论, 也得到了不同围压以及不同应变速率下花岗岩的理论强度值以及应力应变关系。结果表明, 花岗岩的抗压强度以及应力应变关系随应变速率的变化规律与实验结果符合得比较好。模型结果还表明, 由模型得到的强度以及应力应变曲线随围压的变化规律在较低围压时(小于110M Pa) 与实验结果符合得比较好。本项研究在实验研究的基础上, 创新性地从研究岩石内部固有的微裂纹在动载荷作用下的扩展聚合特性入手, 结合细观力学以及动态断裂力学的相关理论, 揭示了花岗岩的率相关特性机理, 初步建立了岩石材料宏观动态力学特性与岩石内部固有的裂纹动态扩展特性的关系以及岩石材料强度与应变速率的关系和率相关的岩石材料本构模型, 构筑了系统研究岩石材料率相关特性的基本框架。     

不同温差冻融后砂岩蠕变特性及分数阶损伤模型研究

为研究不同冻融环境下岩石工程的长期稳定性,开展不同温差冻融后石英砂岩、变质砂岩及红砂岩核磁共振检测及三轴蠕变试验,探讨各类砂岩在不同温差冻融作用下的孔隙结构发展规律及蠕变劣化特性。试验结果表明,冻融循环作用促进了砂岩内中小尺寸孔隙的发育扩展,冻融温差范围越大则变质砂岩与红砂岩孔隙的发育程度越高,而石英砂岩对冻融温差的敏感性较弱;随着冻融循环次数的增加,冻融后砂岩的蠕变量随之增加,而长期强度逐渐降低。冻融温差的变化控制着冻融后砂岩蠕变量的上升幅度及强度的下降趋势,红砂岩在不同温差冻融作用下的时效力学响应最为突出,而较大温差冻融后石英砂岩及变质砂岩在破坏应力水平下更易发生加速蠕变。基于统计损伤与分数阶微积分理论,建立能够表征不同温差冻融后砂岩三轴蠕变力学行为的分数阶损伤蠕变模型,模型参数分析表明,体积模量与黏弹性剪切模量具有随冻融循环次数及温差范围的增加而普遍下降的趋势,分数阶阶数及时效损伤参数与砂岩蠕变的时间及变形尺度相关。模型曲线与试验数据的吻合度较高,验证模型能准确描述不同温差冻融后砂岩蠕变全过程力学特性。     

膏岩三轴压缩声发射特征及损伤演化研究

利用MTS 815岩石力学测试系统对膏岩进行不同围压下的三轴压缩试验,配合AE系统进行全过程声发射监测,展开了膏岩变形破坏过程的力学特性及声发射特征进行研究,并进一步探讨膏岩变形破坏过程损伤演化规律。试验结果表明:(1)膏岩是一种致密低渗岩石,气体孔隙度在1.30%~3.50%之间;(2)三轴加载条件下,膏岩的力学性质与声发射参数对围压的响应效果强烈,50 MPa围压较5 MPa围压下膏岩强度提高110.67%。高围压下声发射信号表现出明显的“滞后”效应,声发射集中分布区不断向后推移;(3)膏岩的临界围压为20 MPa。低围压下膏岩呈脆性破坏,破坏后形成宏观剪切面;临界围压下呈塑性破坏,破坏后形成共轭Y型剪切;高围压下呈延性破坏,破坏形态为鼓胀破坏;(4)膏岩损伤演化过程可分为初始损伤期、损伤快速发展阶期与损伤平稳期,能够与膏岩变形破坏阶段对应;损伤快速发展期为膏岩内部裂隙发展、贯通的主要阶段。     

基于岩石破坏全过程能量演化的脆性评价指数

 目前用于评价页岩可压性的脆性指数大都孤立地考虑峰值前后的力学特性,并不能反映岩石整个破坏过程的脆性特征。基于岩石的全应力–应变曲线,分析岩石材料由塑性变形转化为脆性断裂过程中各种应变能的演化规律,认为峰前耗散能和峰后断裂能水平是决定岩石是否发生脆性断裂的本质因素。结合这2种能量建立能反映岩石破坏前后力学特征的脆性评价指数,对不同岩石材料在不同围压下的脆性特征以及页岩脆性的各向异性进行评价。研究结果表明：建立的脆性评价指数能同时反映岩石脆性破坏的难易程度和脆性的强弱,可评价不同力学条件下的脆性变化特征。不同岩石材料峰前耗散能以及峰后断裂能随着围压增大而增大,脆性程度不断降低,但降低趋势有所不同,红砂岩和页岩分别在低围压时和高围压时出现了脆–塑性的转化,而花岗岩在围压不断增大的整个过程中都保持着较强的脆性。另外页岩脆性具有明显的各向异性,不同层理方向的页岩所表现出的脆性程度差异显著,随着层理倾角?的增大,页岩脆性表现出稳–减–增的变化趋势,? = 0°时页岩的脆性程度要强于? = 90°时,? = 60°时页岩脆性最弱且表现出很强的塑性特征。实验结果很好地验证了提出的脆性指数的可靠性,研究成果为岩石脆性的定量评价提供了一条新思路。     

砂岩三轴卸荷力学特性试验研究

基于三轴卸荷破坏试验,分析研究砂岩在卸荷应力状态下的应力-应变及破坏特征。试验结果表明:岩体卸荷破坏时脆性特征非常明显,相比于加载破坏,卸荷破坏更加突然和剧烈,岩体破碎程度更高;卸荷过程中轴向变形随围压降低不断增加,在开始卸荷阶段增加较慢,当卸荷量达到一定值后,变形突然增大,很小的卸荷量就会引起较大的变形。根据卸荷过程中岩体应力-应变曲线变化特征,将卸荷量作为重要参量,假定岩体在卸荷损伤屈服阶段符合Griffith屈服准则,接近极限破坏强度时符合Hoek-Brown屈服准则,认为卸荷造成岩体屈服发生塑性变形后,岩体卸荷条件下的屈服函数随卸荷量在Griffith准则和Hoek-Brown准则间呈线性变化,推导考虑卸荷应力状态的弹脆塑性力学模型。     

不同含水率冻融后红砂岩剪切蠕变特性

针对高海拔地区岩体在冻融作用及含水状态下的劣化特征及长期稳定性,对不同含水率红砂岩进行了冻融后核磁共振检测及剪切蠕变试验,揭示了冻融循环及含水率变化对红砂岩细观结构及蠕变特性的影响机制,据此构建合理的剪切蠕变模型。研究结果表明:在冻融作用下,饱水红砂岩呈现出由小尺寸孔隙增长向中小尺寸孔隙共同增长的趋势,而饱和红砂岩主要以中、大孔隙增长为主。在长期荷载作用下,随着含水率的增加,冻融后红砂岩的蠕变量普遍增大,而长期强度及长期折减系数显著降低,破坏前试样更易出现加速蠕变特征,破坏后试样宏观形态更为碎裂。根据红砂岩的冻融损伤及时效性损伤效应,建立了红砂岩冻融剪切蠕变模型,并对模型进行了参数优化辨识,借此验证了模型的正确性及合理性。研究结果对于冻融岩质灾害的防控和评价具有参考价值。     

冻融作用下隧道围岩稳定性数值模拟研究

对取自新疆某隧道的砂岩岩样开展冻融循环试验,并进一步进行三轴卸围压试验,得到经历不同次数冻融循环后的砂岩的变形模量随变形的变化关系,然后,利用FISH语言编写变形模量随变形动态调整参数程序,为隧道计算模型提供参数值,对隧道围岩稳定性进行了数值模拟。结果表明:经历不同冻融循环次数的砂岩岩样随着围压的逐渐卸除,变形模量随着侧向变形的增大呈非线性下降趋势。经历80冻融循环后隧道围岩应力发生重分布,变形和塑性区逐渐增大,影响了围岩稳定性和支护结构的稳定性,在开挖工程设计和选用支护结构时应给予考虑。     

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。     

深部温度、压力条件及其对砂岩力学性质的影响

深部岩石处在一定的地质环境之中，其中温度和压力条件对岩石力学性质具有重要的影响。从温度和压力条件入手，研究塔里木盆地塔河油田石碳系和三叠系砂岩所处的地温和地压环境；在此基础上，采用三轴岩石力学测试系统研究砂岩的力学特性，剖析深部条件下不同温度和压力对砂岩力学性质的影响，建立砂岩力学性质与温度和压力之间的相关关系。研究结果表明，砂岩力学强度与其所处的地温环境和地应力环境密切相关，表现为岩石的刚度和强度均随温度的增大而降低，且砂岩破坏后其残余强度值也相对降低。而岩石的刚度和强度均随围压的增大而增大，其破坏机制也均随围压的增大而发生转化。     

不同成岩作用程度砂岩物理力学性质三轴试验研究

采用三轴岩石力学测试系统分析了不同侧压条件下砂岩岩石的孔渗性和力学特性及变形破坏机制 ,建立了砂岩岩石物理力学性质与侧压之间的相关关系。研究表明 ,砂岩的孔隙度和渗透率均随侧压的增大而减小 ,且服从对数函数变化规律。砂岩的刚度和强度均随侧压的增大而增大 ,具有明显的压硬性。岩石破坏后的残余强度随着侧压的增加下降梯度减小 ,而残余强度值相对提高。不同侧压下岩石的破坏机制表现出随着侧压的增大 ,成岩作用程度较弱的岩石应力 -应变曲线由应变软化性态向近似应变硬化性态过渡 ;而成岩作用程度相对较强的岩石在单轴压缩条件下表现为脆性张破坏 ,随着侧压的增加 ,便进入剪切破坏 ,岩石应力 -应变曲线表现出明显的脆性和应变软化特性     

节理对砂岩变形及破坏特征影响研究

工程岩体一般都含有各种不同级别的地质构造节理和软弱面,使得岩体的强度弱化。含有节理的岩体和完整岩石具有完全不同的力学性质。本文在三轴压缩试验的基础上,对不同节理倾角的三峡库区砂岩开展研究,探讨其变形及破坏特征。试验结果表明:①在同种围压下,节理岩样峰值强度的大小关系为:σ_60°<σ_30°<σ_90°<σ_完整。②相同围压下,完整岩样弹性模量及变形模量均高于节理岩样,随着围压升高,岩样弹性模量和变形模量逐渐增大,其增长速度随围压增大而逐渐降低。③在低围压下(＜5 MPa),节理倾角对岩样弹性模量和变形模量影响较大,相比完整岩样有较大幅度地降低,其中30°倾角和60°倾角岩样降低程度较高,弹性模量最高达31%,变形模量最高达40%;随着围压增大(大于10 MPa),节理倾角对岩样变形参数影响逐渐减小,相比完整岩样,节理岩样弹性模量降低幅度小于15%,变形模量降低幅度小于10%。④节理倾角和围压对岩石的破坏机制均有较大的影响,节理倾角及围压不同,岩样破坏形式不同。