循环加-卸载岩石本构模型研究

循环加-卸载岩石本构模型是预测压气储能洞室长期稳定性的关键,但目前还没有适用的本构模型,因此,提出了一种能够描述岩石循环加载和卸载的本构模型。鉴于岩石在循环作用下损伤不断累积,将基于Weibull分布的岩石损伤软化模型进行拓展,并用内变量疲劳本构模型描述每个循环的初始模量和卸载模量的变化,进而得到循环加-卸载作用下的岩石本构模型,然后将该模型与现有的试验结果进行对比。该模型物理意义明确,涉及的参数较少,且便于拟合。提出的循环加-卸载下岩石本构模型对试验数据拟合效果较好,能较准确地反映循环荷载上、下限值对应的轴向应变,也能反映出循环内部变形模量衰减的趋势。该模型的成功建立为循环加-卸载下岩石本构模型的研究提供了新思路。     

软黏土在循环荷载作用下动力本构模型的研究

针对软黏土在循环荷载作用下的变形特性,即几乎不存在纯弹性变形阶段及应变趋于零时仍存在能量耗散,结合软土地铁车站振动台模型试验中对饱和软黏土进行的动三轴试验,利用边界面模型理论建立了软黏土的黏弹塑性动力本构模型。并进一步利用该模型对自由场振动台试验进行数值模拟计算,计算与试验的结果基本吻合。该本构模型可用于循环荷载作用下软黏土的动力响应分析。     

不同含水状态砂岩分级循环荷载试验研究

为探究不同含水状态砂岩在循环荷载作用下的力学行为差异,对干燥、天然以及饱和三种含水状态下的砂岩进行了单轴分级循环加卸载试验。研究结果表明:由于水对砂岩的物理化学软化作用,饱水、天然以及干燥状态下的强度依次递减,而变形依次增加;卸载模量随着循环周次的增加呈先增大后减小的整体趋势,同一循环周次下,含水量越高,其卸载模量越小;体积应变开始出现拐点时的循环周次正好与卸载模量转折点所处的加卸载周次相对应;能量值随循环周次的增加均呈幂函数型增长,同一循环周次下,含水率越高的砂岩各项能量值越大;基于能量耗散的损伤定义表明:砂岩初始损伤值不为零,且均经历了一个先减小后增大的损伤演化过程,相同循环周次下,饱和、天然以及干燥砂岩的损伤量依次增大。     

控制吸力循环荷载下非饱和黏性土的弹塑性双面模型

建立非饱和土在动态荷载作用下的本构模型有助于解决相关的工程问题。在塑性增量流动理论框架内,将BBM(Barcelona basic model)模型与笔者提出的塑性硬化准则相结合,考虑控制吸力的循环荷载作用,建立了一个描述非饱和黏性土的弹塑性双面模型。该模型包含一个边界面和一个几何相似的加载面,二者结合记忆中心的概念,共同描述应力路径周期性改变加载方向时非饱和土的非线性、循环塑性和变形累积特性。采用动三轴剪切试验确定了一种非饱和黏质粉土的动态力学特性,分析了吸力、净围压和动应力幅值对循环塑性的影响。模型预测与非饱和土在静、动态加载下的试验结果的对比显示,二者吻合较好,表明所建立的弹塑性双面模型能够模拟非饱和土在控制吸力循环荷载作用下的力学行为。     

基于微震的底板采动裂隙扩展及导水通道识别技术研究

华北型煤田开采面临奥陶系石灰岩岩溶富水性强、水压高、地质构造复杂、隔水层薄等问题,防治水工作面临巨大挑战,导水通道识别是底板水害防治的关键问题.论文结合微震监测原理,提出基于微震能量密度及岩层破裂连通度反演导水通道的识别方法,以河北葛泉矿东井11916工作面底板突水监测工程为背景,应用上述基于震源参数的底板导水通道识别...     

承压水沿煤层底板递进导升突水机理的物理法研究

完整底板和非完整底板的注水试验发现底板深处的耗水早于浅部,显示底板的破裂发生在采前,相似材料模拟具一定导升高度的底板在采动中的变化揭示了同样的规律。底板的原位应力测试发现承压水在采前出现了向上入侵的现象,二次应力给导升的发展提供了条件,递进导升是突水机理之一。     

循环加卸载作用下贵阳红黏土损伤特性试验研究

为研究贵阳红黏土在循环荷载作用下的损伤特性,揭示抗剪强度参数随加卸载过程的损伤演化规律,通过应力-应变控制式三轴剪切渗透仪中的应力路径试验模块,对ω=29%、32%、35%以及38%4种含水率的贵阳红黏土在σ₃=100 kPa、200 kPa和300 kPa围压下开展固结不排水剪循环加卸载试验。研究结果表明：卸载过程中土样表现出变形增强性,卸载后轴向应变增量越大,松弛时间越长,回弹变形量越大;综合考虑含水率与围压条件的影响,建立贵阳红黏土剪切过程中弹性变形演化的数学关系式,并与试验结果进行对比验证,拟合度达95%以上;采用等效塑性剪切应变作为塑性内变量,对贵阳红黏土剪切全过程强度损伤特性进行研究,发现其胶结强度不断损失,而摩擦强度不断增加;且随着含水率的增加,内摩擦角的变化范围为21.8°～16.1°,黏聚力的变化范围为83.7～57.5 kPa。研究成果可为路基压实及考虑加卸载工况的土坡稳定性评价提供理论指导。     

双轴循环荷载条件下含预制裂纹类玄武岩岩桥贯通模式

揭示双轴循环荷载条件下类玄武岩内裂纹起裂、扩展及岩桥贯通模式。配制类玄武岩相似材料,预制裂纹倾角=30、裂纹长度2a=20mm、裂纹厚度l=0.3mm的双裂纹,设计不同岩桥长度L、岩桥倾角试样,采用双轴压缩、双轴循环加卸载方式,研究裂纹扩展及岩桥贯通模式。试验结果表明:(1)双轴循环加卸载条件下,裂纹扩展-岩桥贯通过程可分为翼裂纹起裂、翼裂纹扩展和次生裂纹起裂及扩展、岩桥贯通3个阶段;(2)岩桥贯通类型可分为剪性贯通、张剪复合贯通和张性贯通3类。双轴压缩条件下,岩桥贯通模式可进一步划分为9种模式,双轴循环加卸载条件下,岩桥贯通模式可分为8种模式;(3)双轴循环加卸载试验比双轴压缩试验更易发生剪性贯通,且在部分试样岩桥处出现局部压碎隆起现象;(4)岩桥倾角和岩桥长度L对岩桥贯通模式影响显著,随着岩桥倾角的增大,岩桥贯通模式逐渐转变为剪性或张剪性贯通。双轴压缩条件下,岩桥长度增加,贯通模式由张剪复合贯通过渡为剪性贯通,而双轴循环加卸载试验则恰恰相反。     

循环脱吸湿与加卸载耦合作用下土体持水性能试验研究

土体所经历的干湿循环和应力历史,对其孔隙结构和持水性能影响明显。为进一步深入研究二者耦合作用的影响,开展了先竖向固结再循环脱吸湿以及先气压脱湿再反复竖向加卸载两种不同加载路径的水分变化测量试验,探索土样持水性能和变形能力的演化规律。研究结果表明:(1)脱湿与吸湿路径对比,土体的持水能力具有明显的差异性,且土体越密实,这种差异性越强烈;(2)随着脱吸湿循环次数的增加,土样的进气值略有增大,减湿段和吸湿段的斜率都会减小,但影响趋势随循环次数增多而减弱;(3)对于气压减湿后的非饱和土样,其前期固结压力随气压值增加而增大,而加卸载形成的滞回圈的面积却随之减小,土体的持水性能和变形能力也降低;(4)重塑土样从不同加载路径首次达到同一应力状态时,先固结再脱湿路径下土样的体积收缩更多,而先施加气压再加载路径下土样持水性能减弱的更多。     

循环荷载作用下考虑颗粒破碎的堆石体本构模型

中国西部兴建的很多200～300 m高的堆石坝处于高烈度地震区。应力水平高时堆石体的颗粒破碎对其在循环荷载作用下的应力、应变特性有重要的影响。基于广义塑性理论,通过引入状态参数,建立了循环荷载作用下考虑颗粒破碎的堆石体的本构模型,并给出了模型参数的确定方法。与堆石体在400、800、1 500、2 200 kPa围压作用时的试验结果对比,表明所提出的本构模型可以较好地模拟循环荷载作用下颗粒破碎时堆石体的动应力和动应变响应。     

Fatigue damage evolution of coal under cyclic loading

The experimental study of fatigue damage to coal under cyclic loading is important for guiding the design of pillars in underground coal mines where the pillars may be affected by repeated mining activity. In this paper, the strength, deformation, energy dissipation, and fatigue of samples of coal from a mine in China are studied using cyclic loading with a servo-controlled rock mechanical test system. The results indicate that coal is more likely to suffer fatigue damage than other, harder, rock lithologies. Under uniaxial cyclic loading, the fatigue failure “threshold value” for the coal samples studied is less than 78% of its uniaxial strength, but there is also a certain amount of fatigue damage when the cyclic loading/unloading experiments are carried out below the threshold value for fatigue failure. Axial deformation during the tests can be divided into three stages: initial deformation, constant steady deformation, and accelerated deformation. Transversal deformation can be divided into two stages: stable deformation and accelerated deformation. During cyclic loading experiments, imminent sample failure is signaled when transversal deformation increases significantly and quickly and the deformation recovers little when the load is removed. With an increasing number of loading/unloading cycles, a graph of energy dissipation per unit volume versus number of cycles presents an L-shaped curve when the coal samples do not suffer fatigue failure. However, for the coal samples that do rupture due to fatigue, the curve is U-shaped. Under cyclic loading, the evolution of compaction, strain hardening, strain softening, and failure of coal can be revealed in great detail by fatigue damage experiments.     

煤层底板承压水导升带影响因素正交模拟试验

承压水导升带是煤层带压开采安全评价的重要因素。为了综合研究其影响因素的作用,基于流-固耦合理论,建立了煤层底板突水的水文地质物理概念模型和数值模型,采用FLAC^3D数值模拟软件开展了工作面宽度（A）、隔水层厚度（B）、承压水压力（C）、煤层埋深（D）、隔水层渗透系数（E）5个因素5水平的有空列正交模拟试验。结果表明：煤层底板承压水导升高度与底板含水层水压和隔水层渗透性关系密切;各因素对试验结果的影响程度强弱顺序是E>C>D>B>A,其中因素E和C对实验结果影响显著;初始水头压力越大,水头衰减速率就越大,并随着导升高度的增加而加快。改变影响因素而导致承压水压力的变化揭示了煤层开采过程中承压水导升带高度的变化规律,为带压煤层的安全开采提供理论依据。     

Fabric evolution of granular soils under multidirectional cyclic loading

Acta Geotechnica - Cyclic behavior of granular soils under multidirectional shaking is significantly different from that under unidirectional loading. In this study, a series of undrained simple...     

Damage evolution of rock salt under cyclic loading in unixial tests

Cyclic loading tests of rock salt were performed to investigate the characteristics of damage evolution of the surrounding rock in gas caverns. In this experiment, the cyclic loading process was carried out on seven stress levels from 20 to 86 % of the uniaxial compressive strength. The sine wave with a frequency of 1 Hz was adopted in the cyclic loading test. Experimental results show that at the first stress level, the damage evolution is rather limited or negligible under cyclic loading, which is controlled within the elastic limit. With the increase in stress level, the damage evolution becomes more evident. An increasing tendency of damage variable can be observed if the stress level surpasses 40 % of the uniaxial compressive strength. A maximum damage value of around 0.95 is recorded when the stress level is over 85 % of the uniaxial strength. In this paper, a damage evolution equation is also introduced and good agreement is obtained with the experimental data. Based on the experimental data, it is shown that the design practice of gas cavern concerning the degree of strength utilization of the surrounding rock is rather conservative considering the reducing effect of the minimal gas pressure on the damage evolution.     

三轴循环荷载下砂岩损伤耗能比演化特征研究

为了研究循环载荷下岩石能量演化特征,引入耗能比?,开展砂岩不同围压下轴向循环加卸载试验,探究全应力-应变过程中?值演化特征,进而探讨岩石试样循环加卸载作用下损伤变形演化规律。试验结果表明：对应全应力-应变曲线的5个阶段,?值演化过程可划分为线性下降、稳定发展、缓慢增加、突然增加和平缓变化5个阶段,在?值整个演化过程呈现“勺”演化特征,该特征充分反映了试样变形演化过程中的能量转化关系及损伤演化程度;随着围压的增大,?值整体呈现减小趋势;同一应变水平下,不同围压下?值在线性下降阶段、稳定发展阶段差值逐渐减小,在缓慢增加阶段、突然增加阶段差值逐渐增大,在平缓变化阶段差值减小并趋于一个稳定值;分析循环加载下岩石材料参数演化特征,考虑围压作用及耗能比演化规律,建立岩石试样循环加卸载作用下的应力-应变演化理论公式,并进行了试验曲线拟合,验证了该理论公式的合理性。     

Study of rock joints under cyclic loading conditions

Summary A conceptual model for the behaviour of rock joints during cyclic shear and under constant normal stresses was proposed according to results from shear tests with 50 concrete replicas of rock joints. The shear strength and deformability of joint samples were found to be both anisotropic and stress dependent. Based on these experimental results, a two-dimensional constitutive model was developed for rock joints undergoing monotonic or cyclic loading sequences. The joint model was formulated in the framework of non-associated plasticity, coupled with empirical relations representing the surface roughness degradation, appearance of peak and residual shear stresses, different rates of dilatancy and contraction, variable normal stiffness with normal deformation, and dependence of shear strength and deformability on the normal stress. The second law of thermodynamics was represented by an inequality and used to restrict the values of some of the material parameters in the joint model. The new joint model was implemented into a two-dimensional Distinct Element Method Code, UDEC, and its predictions agreed well with some well-known test results.     

长期循环荷载下冻土内部温度变化的试验研究

对-0.5、-1.0、-1.5 ℃三种温度下的冻土试样进行单轴循环压缩试验,每5秒测试一次试样内部的温度,得到了不同振动频率、动应力幅值下冻土试样内部温度随振动时间变化的曲线。结果表明：在循环荷载作用下冻土内部温度会升高,动应力幅值越大,温升速率越大;在一定动应力幅值范围内,随着振动频率的增大,温升速率增大;温升幅值受土样是否破坏以及达到破坏的时间长短影响,在一定动应力幅值下,适中的某一振动频率下其内部温升幅值最大;冻土试样的破坏受其内部温度升高的影响,如果冻土试样内部温度不断升高,试样最后将会发生破坏;而不会破坏的试样内部温度升高到一定值后保持稳定或开始下降,这是由于试样和所处环境之间的热交换引起的     

循环荷载下竖向土拱演化规律试验研究

土拱效应广泛存在于结构?土相互作用体系中,并不可避免地受到动荷载的影响。为探究循环荷载下土拱的演化过程,开展了循环加载下的活动门试验,结合粒子图像测速法（PIV）,对土拱的结构形态、位移场及竖向应力的变化规律进行了分析。结果表明,初始土拱形成时活动门上方产生三角形脱空区,施加循环荷载后该结构边界逐渐沿竖向延伸并向填土表面发展,位移场影响范围呈扇形向两侧扩大。根据初始差异沉降的不同,土拱的发展演化呈现出最终状态的差异：达到新的稳定状态,或发生失稳破坏。循环荷载下,初始活动门位移较大时土拱更易趋于破坏,表现为脱空区贯通填土表面并形成竖向滑裂面。土拱结构的稳定性受到脱空区土体堆积对其下边界的支撑作用影响。     

循环荷载下干燥与饱和砂岩力学特性及能量演化

对取自陕北榆横矿区小纪汗煤矿顶板砂岩的干燥及饱和试件进行单轴循环加、卸载试验,分析了干燥与饱和状态下岩石的强度和变形特征以及岩石破坏过程中的能量演化与能量分配情况。结果表明:(1)循环加、卸载导致干燥试件的峰值强度较单轴压缩时下降19.47%;(2)饱水对砂岩的强度和变形均有影响,饱和试件的平均峰值强度比干燥试件低39.55%,同时饱和试件具有更加明显的压密阶段;(3)循环加、卸载下砂岩的加载和卸载弹性模量均呈现增大趋势,但饱和试件的弹性模量低于干燥试件;(4)通过峰值强度归一化处理后发现,在应力加载的不同阶段,饱和试件的弹性应变能Ue和耗散能Ud均低于干燥试件;(5)加载过程中,饱和试件弹性应变能Ue的占比高于干燥试件,该比例随着加载过程逐渐下降并在破坏前与干燥试件的Ue的占比达到近似水平。     

循环荷载作用下岩石劈裂结构面剪切力学特性演化与影响因素研究

基于现有结构面剪切力学特性研究中对简单几何形态结构面研究多,天然形态结构面研究少,力学性质演化研究多,几何形态演化研究少的研究现状,通过巴西劈裂试验制备近天然形态岩石结构面,并采用模拟材料批量复制劈裂结构面试样的方法,开展循环荷载作用下岩石劈裂结构面的剪切力学特性演化规律与影响因素研究,分析法向应力、循环剪切次数、岩壁强度以及结构面粗糙度对循环剪切作用下岩体结构面力学特性和形貌特征的影响。最终通过在黏着摩擦理论-Barton经验公式中引入与循环剪切次数Nd有关的负指数假定劣化参数,提出了岩体结构面循环剪切强度公式。研究结果表明：法向应力、岩壁强度、结构面粗糙度越大,结构面的最大剪应力越大;法向应力、循环剪切次数、结构面粗糙度越大,岩壁强度越小,则归一化粗糙度参数越小。提出的循环剪切强度公式较好地验证了试验结果,可为工程安全设计提供理论参考。