岩石中间主应力效应及强度理论研究进展

综述岩石中间主应力效应试验和强度理论的研究进展,总结了岩石中间主应力效应的基本规律和现有岩石强度理论的特点与不足,最后介绍了统一强度理论及其对岩石真三轴试验的预测与在岩土工程中的应用。研究结果表明:中间主应力效应及其区间性是岩石强度的重要特性,且已是目前岩石强度准则建立所必须考虑的基本问题之一;应用统一强度理论并考虑更多复杂因素的综合影响,可得到更符合实际情况的较理想解答。     

中间主应力对塑性混凝土变形性能的影响研究

为研究中间主应力对塑性混凝土变形性能的影响,设计2种不同配合比的塑性混凝土开展不同中间主应力的真三轴试验。试验过程中,最小主应力设计为0.4MPa和0.8MPa这2种情况,每种情况下中间主应力设置为3～4个等级,保持最小主应力和中间主应力不变,施加最大主应力,直至试件破坏。试样结果表明,中间主应力对塑性混凝土的变形性能有较明显的影响。在保持最小主应力不变的情况下,随着中间主应力的增加,塑性混凝土轴向峰值强度、峰值应变均随之增大,峰后近似水平段长度也随之增加,提高了试件的延性变形能力和抗裂性能,但对峰值前的变形模量和体积变形模量影响较小。试件破坏的特征受中间主应力与最小主应力差值影响,差值越大越偏向小主应力方向。     

颗粒形状和中主应力对砂土力学特性耦合影响的真三轴试验研究

天然状态下,砂土地基处于三维受力状态。经过复杂的沉积和搬运作用,砂颗粒形态各异,进一步影响其在受力状态下的接触形式。砂土的宏观力学响应同样会受到微观颗粒形状的影响。研究针对不同比例石英砂和玻璃圆(碎)珠的混合颗粒试样开展真三轴剪切试验,研究三维应力状态下颗粒形状对砂土力学特性的影响。结合动态颗粒图像分析技术定量识别颗粒形状参数,获得颗粒形状参数伴随玻璃珠掺量增加的变化趋势。查明中主应力与颗粒形状对砂土宏观力学响应的耦合影响机制。试验结果表明：具有规则颗粒形状的玻璃珠–石英砂混合物能有效抑制试样剪胀特性。对于给定的中主应力系数,玻璃珠–石英砂混合颗粒材料的峰值摩擦角随着颗粒形状不规则度的增加而增大,峰值强度对应的大主应变随着颗粒形状不规则度的增加而减小。玻璃珠–石英砂混合物的峰值强度伴随中主应力系数的变化趋势可以较好地通过岩土材料经典的三维强度理论进行预测。     

岩石指数型强度准则在主应力空间的特征

 指数型强度准则利用显式函数表示最小主应力和中间主应力对强度的影响,强度准则参数具有明确的力学含义;常规三轴压缩强度表明,随着正应力增大,剪切强度趋于常数,而破裂角趋于45°;但Mohr应力圆与外包络线在切点附近差异较小,且岩石并非均匀各向同性材料,实际破裂角与理论破裂不会完全一致。真三轴试验数据的离散性较大,强度准则参数对拟合偏差的影响并不显著,而以最小拟合偏差确定的参数未必体现岩石的真实力学性质。在研究强度准则在主应力空间内的力学特征之后,建议依据应力趋于无限时中间主应力与最小主应力对强度的影响系数在s2 = s3处相等来确定强度准则参数,由此得到的拟合误差并未显著增大。     

不同粒度砂岩力学和渗透特性试验研究

为探讨砂岩粒度对力学行为和渗透特性的影响,利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统,对取自同一工程的粗粒砂岩、中粒砂岩和细粒砂岩进行常规三轴试验和三轴压缩全过程渗透试验。研究表明:随着粒度减小,砂岩抗压强度及抗剪强度参数c和φ均增大;渗透水压作用下砂岩强度降低5.15%~24.66%。渗透率变化规律与变形变化特征呈阶段对应:线弹性阶段砂岩内部孔隙被压密,渗透率降低;弹塑性阶段渗透率先是缓慢增加然后急剧上升,在峰后达到最大值;峰后继续破坏阶段渗透率又呈逐渐降低特征。相同粒度砂岩的渗透性随围压增加而降低,且不同围压下渗透率可拟合成线性函数;相同围压下不同粒度砂岩渗透率整体特征表现为:粗粒砂岩渗透率K约为中粒砂岩的105倍,中粒砂岩渗透率K约为细粒砂岩的10倍。     

考虑中间主应力效应的隧洞岩石抗力系数的计算

基于统一强度理论导出圆形水工隧洞岩石抗力系数的计算公式。从该公式中不仅可得到以往的一些结果,还可得到一系列新的结果。这些新结果可以定量考虑岩石的中间主应力效应,因而能灵活地应用于各类岩石。     

黑色页岩力学特性及气体压裂层理效应研究

 气体压裂作为一种新型的无水压裂技术,对页岩气开采具有重要意义。为探究不同层理方向页岩气体压裂破坏机制,以彭水黑色页岩为试样,首先系统地分析其力学各向异性特征,并利用自行改造组装的高压气体压裂系统分别对轴向平行层理页岩和轴向垂直层理页岩开展气体压裂试验,研究层理方向对页岩的变形、强度、声发射特征和破坏形态的影响,揭示页岩气压致裂破坏的机制,讨论不同加载方式下层理效应对页岩破坏强度的影响。研究表明：(1) 黑色页岩的拉、压力学特征受层理方向影响明显,平行层理面加载页岩与垂直层理面加载页岩的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、剪切模量之比分别为：138.22%,44.37%,169.17%,173.27%,泊松比受层理影响小。页岩平行层理面加载时,容易沿层理面产生张拉破坏;垂直层理面加载时,在层理本身发生剪切滑移破坏。(2) 轴向垂直层理面页岩的破坏气压、破坏时间分别是轴向平行层理面页岩的4.2和3.35倍,前者沿层理弱面发生拉伸破坏,后者以拉伸破坏为主,也有剪切破坏发生,其破裂面凹凸起伏明显。所有变形曲线呈非线性变化,垂直层理面页岩的变形大,其变形曲线出现异常拐点,侧向变形曲线呈下凹趋势;轴向平行层理试样的变形曲线相对光滑,侧向变形曲线呈上凹趋势。AE能率反映了轴向垂直层理页岩破坏更加剧烈。(3) 加载方式对页岩强度的层理效应系数影响显著,影响最大的是气体压裂试验,最小的是单轴压缩试验。     

考虑中间主应力效应的筒仓侧压力计算

首先基于真三轴强度准则即Drucker-Prager准则、Matsuoka-Nakai准则、Lade-Duncan准则和统一强度理论推导了平面应变状态下4种考虑中间主应力效应的侧压力系数表达式,并给出各自的适用条件,进而将其应用于深仓和浅仓的侧压力计算,最后将计算结果与已有试验数据以及多国规范值进行了比较和验证。结果表明:深仓和浅仓侧压力计算的强度准则效应均很显著,中间主应力效应越强,对应的侧压力越小;对于深仓,欧洲规范计算结果最为保守,中国规范、参数b=0时统一强度理论以及Mohr-Coulomb准则三者的计算结果相同;对于浅仓,修正Coulomb理论计算结果最为保守,Rankine理论与参数b=0时统一强度理论的计算结果相同;4种真三轴强度准则均不同程度反映了中间主应力的影响,参数b=0时统一强度理论偏于保守,Drucker-Prager准则偏于危险,Lade-Duncan准则与试验数据吻合最好。     

中主应力系数和主应力方向对原状黏土各向异性的影响研究

针对当前土体各向异性影响因素的研究比较缺乏,且研究对象多为无黏性土的现状,采用空心圆柱扭剪仪对中主应力系数和主应力方向变化情况下的杭州典型原状黏土的各向异性进行研究.试验结果表明:剪切过程中,中主应力系数b的取值对原状黏土的各向异性有显著影响,而主应力作用方向对原状黏土的各向异性无明显影响.b = 0时,原状黏土沿沉积方向呈横观各向同性.b = 0.5时,无论主应力作用方向如何,原状黏土试样的各向异性在应变上表现为轴向应变与切向应变大小相等、方向相反,体积应变始终等于第二主应变;当主应力轴偏转角较小时,试样破坏时表现出明显的剪胀性和应变软化现象,随着主应力轴的偏转角增大,试样在破坏时开始表现出明显的剪缩性,应变软化现象也逐渐消失,而b=0时则没有这样的特点.另外试验结果还表明,原状黏土在沉积方向上的压缩性最低,而与沉积方向成50°方向的压缩性最高.     

不同中主应力系数和负温条件下冻结砂土真三轴试验研究

为研究冻土在复杂应力路径下的力学性质,利用自主研发的冻土真三轴仪,研究了温度和中主应力系数bf对冻结砂土强度和变形特性的影响.试验结果表明:不同试验条件下的偏应力–大主应变曲线均表现出应变硬化的特性.当0≤bf≤0.5时,破坏强度随bf的增加而增加,当b从0.5增长到1时,破坏强度表现出降低的趋势,且bf>0时的强度均...     

不同中主应力条件下粗粒土应力变形特性试验研究

采用长江科学院大型真三轴仪,对粗粒土进行了一系列不同中主应力系数条件下的真三轴试验和平面应变试验,研究了中主应力对粗粒土的应力变形的影响规律。试验结果表明,中主应力比b一定时,应力–应变关系曲线的斜率和峰值强度随着固结压力的增大而增加,在低围压条件下,体变关系曲线在加载过程中表现为先剪缩后剪胀的特性,而在高围压下,整个加载过程中表现剪缩的特性;固结压力一定时,随着b值的增大,应力在峰值后的软化现象愈加明显,体变全过程曲线表现出剪胀特征对应的固结压力越来越低,小主应变–大主应变关系曲线的斜率绝对值增大。研究成果可为进一步研究粗粒土的本构模型奠定基础。     

高温三轴应力作用下油页岩的渗透特征各向异性演化规律实验研究

油页岩各向异性渗透率影响热解油气和对流加热流体在油页岩岩层中的运移速度和范围。因此,研究高温下油页岩渗透率的各向异性特征对于原位注热开采油页岩具有重要意义。采用实时高温三轴稳态法渗透测试系统研究了不同温度不同层理方向的油页岩的渗透率的演化规律。研究表明,垂直层理方向的渗透率在20℃～450℃在10^-20 m²之下,超出了稳态法渗透测试系统测试范围,处于超低渗阶段;当温度超过450℃之后,渗透率处于2.5×10^-19～1.17×10^-17 m²范围,450℃称之为垂直层理渗透率演化的阈值温度。平行层理的渗透率在20℃～400℃范围,都处于较低渗透率阶段,为2.3×10^-19～2.9×10^-18 m²,当温度高于400℃,平行层理方向的渗透率急剧增加,量级在10^-16～10^-15范围,因此400℃被称为平行层理渗透率演化的阈值温度。然后利用高温三轴瞬态法渗透测试系统,测得了...     

中主应力对砾石料变形和强度的影响

对砾石料进行了σ3不变,σ1和σ2等比例同时加载的等b试验,分别研究了中主应力对大、中、小主应变及强度的影响规律。将Mohr-Coulomb准则、Lade-Duncan准则、Matsuoka-Nakai准则和方开泽准则与砾石料的真三轴试验结果进行比较,发现Matsuoka-Nakai准则和方开泽准则反映的内摩擦角与b的关系与试验得到的规律差别较大,Lade-Duncan准则反映的规律与试验结果最接近,但数值上高估了b对内摩擦角的影响。因此,建议了一个破坏准则,推导了该准则的内摩擦角与b的关系式,并用几组真三轴试验结果进行验证,表明本文建议的准则比Lade-Duncan准则、Matsuoka-Nakai准则更准确地反映砾石料的内摩擦角与b的关系。     

研究土的特性时中主应力的影响作用

分析了中主应力对土的特性的影响，通过对邓肯一张及其修正模型的比较分析，指出为了更好地反映土体的应力-应变性质，研究考虑中主应力影响的土体本构模型有待进一步提出。     

不同应力路径下花岗片麻岩渗透特性的试验研究

 采用全自动三轴伺服仪,对花岗片麻岩开展渗流应力耦合试验,研究常规三轴压缩和轴压循环加卸载2种应力路径下,渗透率与渗压、围压、有效围压、体积应变及应力路径等因素的关系。结果表明：(1) 在2种不同应力路径下,岩石渗透率演化规律有差异性和一致性,同种路径下变形各阶段渗透率随有效围压增大而减小,但渗透率曲线的形态保持不变;(2) 渗压和围压对渗透率的影响,通过对岩石变形过程中内部微裂纹和孔隙变化产生作用,有效应力系数发生改变,有效围压效应随之改变;(3) 循环加卸载试验中,卸载渗透率均明显大于相应加载渗透率,体积应变转折前,加载渗透率减小,卸载后渗透率增加,形成比较完整的渗透率回滞环,体积应变转折后,加载渗透率增大,卸载渗透率降低不能够完全恢复;(4) 体积应变较轴向应变更清楚和灵敏反映渗透率变化规律,可把体积转折应变或其对应应力作为岩石渗透率变化的一项指标。试验研究旨在为岩石工程渗流–应力耦合稳定性分析提供参考。     

真三轴应力条件下层状复合岩石破坏准则

 为探究层状复合岩石的强度特性,利用均质化理论方法,将层状复合岩石虚拟为一种等效的均质岩石,建立了真三轴应力条件下基于MLC准则的层状复合岩石破坏准则,该准则由层状复合岩石各组分的强度参数以及几何参数来确定;同时,利用自行研制的多功能真三轴流固耦合试验系统,进行细砂岩、粉砂岩、板岩和层状复合岩石在三向不等应力条件(体应力不变,改变应力罗德角、等中主应力系数等?3)下的真三轴试验,研究层状复合岩石的强度特性以及中间主应力和中主应力系数对复合岩石强度的影响。真三轴试验结果表明,所建立的准则能较好的描述层状复合岩石的强度特征,可为解决层状岩石工程结构的强度及稳定性问题提供了理论参考和依据。     

考虑中间主应力影响的压力隧洞围岩抗力系数通用计算式

采用双剪统一强度理论,考虑中间主应力影响,建立了压力隧洞围岩抗力系数K的计算方法,给出了其相应解析计算式,并退化到莫尔–库仑屈服模型、特雷斯卡屈服模型,验证了所获成果的正确性与通用性。     

中主应力系数对应力主轴循环旋转条件下砂土变形特性的影响

采用香港科技大学的空心圆柱扭剪仪对日本标准丰浦砂进行了四个系列、每个系列包含中主应力系数b=0.1,0.5和1.0三种不同情况的纯应力主轴循环旋转排水试验,即试验过程中控制作用在砂样上的有效主应力的幅值不变,仅应力主轴在0°～180°循环旋转。试验发现中主应力系数b对应力主轴循环旋转条件下砂土的变形特性有显著影响,着重分析了这一参数对纯应力主轴循环旋转条件下砂土的应变分量和体应变的发展、剪应力剪应变关系曲线及流动规律等变形特性的影响。