高温作用下大理岩应力-应变全过程的试验研究

采用液压伺服刚性岩石力学试验系统,研究了大理岩在常温至800℃高温作用下的应力-应变全过程特性,比较系统地分析了高温作用对大理岩的刚度、峰值强度、峰后特性及残余强度等的影响.试验结果表明随着温度升高,岩石总体刚度、单轴强度降低表现出明显的软化特性,峰后特性及残余强度宏观上表现出由脆性向塑性的渐次演化.这些结果一定程度上反映了大理岩在温度作用下,其内部结构变化的基本规律,对今后高温岩体工程有一定的实用参考价值.     

高温和循环高温作用后大理岩力学性能试验研究与比较

采用MTS815．03电液伺服岩石试验系统，研究了深圳罗湖建成区F8断裂带大理岩在常温（20℃）至800℃高温下和在100℃～700℃循环高温下（8～9次循环）的应力-应变特性；系统地分析比较了高温和循环高温作用对大理岩的刚度、峰值强度及变形特性等的影响。试验结果表明：温度升高，岩石弹性模量降低，强度降低，出现峰值强度时的应变增加；当温度低于400℃的试样宏观上体现出脆性破坏的特征，而加温高于400℃的试样则渐渐体现出了延性破坏特征，峰值强度渐渐变的不明显。对两种试验比较可知：同温下，在循环加高温作用下试样的弹性模量、峰值强度等比只加一次高温要低，而且当加温温度越高时。峰值强度降低越明显。出现延性破坏特征也越明显。     

高温下大理岩力学性质的试验研究

 对徐州大理岩在常温至800 ℃下的力学性质进行试验研究,详细分析高温下及高温后大理岩的峰值应力、峰值应变、弹性模量以及应力–应变全过程曲线等随温度的变化情况,并通过扫描电镜对不同温度状态下大理岩的细观特征进行初步探讨。研究表明,随温度的上升大理岩的体积增大,而其质量及密度下降;低于400 ℃,大理岩的力学性质变化不大;高于400 ℃,大理岩的峰值应力和弹性模量均有不同幅度的降低,峰值应变随温度的升高而大幅增加;经800 ℃高温作用后大理岩的结构整体发生转变导致其力学性质发生突变;大理岩高温后的强度指标(峰值应力、弹性模量)低于其高温下的强度指标,同时,大理岩高温后的峰值应变低于其高温下的值。200 ℃以下大理岩断面微裂纹主要为张性裂纹,600 ℃以上大理岩出现缩聚裂纹和剪性裂纹且逐渐增多;高温后大理岩微裂纹的扩展、贯通比高温下更为明显。     

应变速率对大理岩力学特性影响的试验研究

 利用RMT–150B岩石力学试验系统,对细晶大理岩试样在应变速率2×10－5～5×10－3 s－1范围内进行了6级应变速率下的单轴压缩试验,分析应变速率对大理岩应力速率、峰值强度、弹性模量、弱化模量、峰值应变、泊松比、积聚能、释放能以及破裂形式等力学性质的影响。研究结果表明,不同应变速率下单轴压缩过程均经历压密、弹性、屈服和破坏4个阶段。应力速率与应变速率的对数可以用指数形式描述;大理岩的峰值强度与应变速率呈正相关,可采用二次多项式进行描述;大理岩的弹性模量、弱化模量和峰值应变受应变速率影响不大,泊松比与应变速率呈指数关系;试验过程中试样峰值前积聚能量、峰值后释放能量与应变率呈正相关,表明应变率越高微裂纹扩展越严重。在应变速率低于5×10－4 s－1时,试样以剪切破坏为主,随着应变速率的增加,试样破坏模式从局部剪切失稳破坏向全面剪胀失稳破坏转变,在高应变速率下更容易形成锥形破坏。研究结果能够对岩爆防治和工程抗震设计提供一定参考。     

高温后大理岩的冲击力学特性试验研究

 利用分离式霍普金森压杆设备对经历不同高温冷却后大理岩的冲击力学特性进行试验研究,得到不同高温作用后大理岩冲击压缩的应力–应变曲线,分析高温后大理岩纵波波速的变化及在冲击荷载作用下的峰值应力、峰值应变、弹性模量随温度的变化规律。研究结果表明,高温后大理岩的纵波波速随着温度的升高近似线性下降;在800 ℃之前,同一冲击加载速率作用下大理岩的峰值应力随着温度的提高变化并不明显,在800 ℃之后,峰值应力迅速减小;在600 ℃之前,同一冲击加载速率作用下大理岩的峰值应变随着温度的提高无明显变化,但在600 ℃之后,峰值应变随着温度的提高近似线性增加;总体上,弹性模量随着温度的升高呈现降低的趋势,且经历的温度越高,弹性模量下降的幅度越大。结合高温后岩石内部微观结构特征的变化,对大理岩冲击力学特性随温度的变化进行分析。     

大理岩应力脆性跌落系数的试验研究

岩石的应力-应变全过程曲线以峰值应力为界，通常分为破坏前区和破坏后区2个部分。由于岩石破坏后区的力学特性对诸多岩石类工程，如地下巷道、矿柱和岩爆等，具有重要的工程意义。因此，此方面的研究已受到理论界和工程界的重视。岩石的破坏后区一般处于非稳定状态，其力学响应难以用经典的应变软化模型来加以描述，而应采用脆塑性模型。使用RMT-150B型岩石力学试验系统，在轴向应变率保持为常数的条件下，对雅安大理岩进行常规三轴压缩破坏试验，得到不同围压下岩石的应力-应变全过程曲线。利用试验得到的应力-应变全过程曲线，获得大理岩的应力脆性跌落系数与围压的关系表达式，为采用非理想脆塑性模型对大理岩介质及其中的构筑物进行数值分析提供依据。     

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。     

锦屏大理岩加、卸载应力路径下力学性质试验研究

 地下岩体开挖卸荷应力路径不同于加载应力路径,由此引起的岩体强度、变形特征和破坏机制也不尽相同。针对锦屏二级水电站引水隧洞群围岩赋存于高地应力环境的特点,对其中3# 引水隧洞大理岩开展单轴加、卸载以及三轴压缩和高应力条件下的峰前、峰后卸围压等4种不同应力路径力学试验,得到了的应力–应变全过程曲线、变形破坏特征和主要力学参数的变化规律。试验研究结果表明：(1) 建立在岩样单轴逐级等量加、卸载应力路径下的回滞环面积递减,尤以屈服阶段的卸载对应变影响最大;(2) 不同围压下岩样三轴压缩全过程试验结果表明,当围压达到40 MPa时,应变软化特性转化为理想塑性,可以认为该值为锦屏大理岩脆－延转化点;(3) 对比以上不同应力路径下的强度准则方程以及峰前、峰后黏聚力和内摩擦角,相同初始应力条件下,岩石卸载破坏所需应力变化量比三轴压缩破坏情况下对应的应力变化量小,说明岩石卸载更容易导致破坏;(4) 在变形破坏机制方面,由于峰后比峰前卸围压塑性变形大,岩样塑性变形已吸收较多的弹性变形能,其脆性特性受到抑制,因而不像峰前卸围压破坏具有突发性,岩样由张性破坏过渡到张剪性破坏;(5) 根据大理岩岩样加、卸载破坏断口SEM扫描结果,从细观角度验证了脆性岩石在不同路径下微观剪断裂破坏机制。总之,以上研究结果揭示了锦屏大理岩加、卸载应力路径下力学特性差异,对解决工程实际问题具有重要的参考价值。     

大理岩加卸载力学特性的研究

利用锦屏一级水电站坝址区边坡的大理岩试件进行了加载和卸载条件下的系列三轴试验,对大理岩在加、卸载条件下的力学参数进行了计算整理,并对其应力–应变全过程曲线进行分析和比较。结果表明,大理岩在不同试验路径下的参数变化明显同加载条件比较,卸载条件下的变形模量减小,相同围压条件下抗压强度减小,而抗剪断强度参数中c值大幅减小、?值略有增加;在破坏过程中表现为卸载条件下侧向应变值较同等围压加载条件时增大,塑性特征减弱而脆性特征增强。这一结果揭示了大理岩在加、卸载条件下力学特性的具体差异,对解决工程实际问题有重要的参考价值。     

周期荷载作用下岩石疲劳变形特性试验研究

利用RMT—150B岩石力学多功能试验机完成了单轴压缩状态下砂岩、大理岩和花岗岩试件疲劳破坏变形及机理的较为系统的试验研究．试验结果表明，岩石的疲劳破坏受到静态应力．应变全过程曲线的控制，疲劳破坏时的变形量与周期荷载的上限应力在静态应力-应变全过程曲线后区对应的变形量相当．将岩石轴向不可逆变形发展划分为初始变形阶段、等速变形阶段和加速变形阶段3个阶段，3个阶段变形的累积将导致岩石的最终破坏．影响岩石疲劳寿命的主要因素是周期荷载的上限应力和幅值．     

峰前围压卸荷条件下岩石的应力-应变全过程分析和变形局部化研究

地下工程和边坡工程开挖一般处于卸荷条件。岩石在加载和卸荷条件下的力学特性不同，研究岩石在卸荷条件下的强度特性具有重要的理论和现实意义。根据损伤断裂力学知识建立了岩石处于卸荷条件下的全过程应力-应变关系，包括线弹性阶段、非线性强化阶段、应力跌落和应变软化阶段。理论和试验研究发现，岩石卸荷破坏所需要的应力比连续加载破坏时小，且卸荷破坏时的变形比连续加载时大，其主要原因是卸荷时存在裂纹张开，裂纹张开导致了无摩擦滑动和变形模量的减少，岩石的无摩擦滑动必定比摩擦滑动所需的应力小。通过和试验结果的比较验证了该理论的有效性和正确性，该理论对边坡工程和地下工程开挖具有重要的参考价值。     

大理岩蠕变特性试验研究

岩石的流变特性是岩石重要的力学特性之一，它控制着岩石的蠕变参数。利用自行研制的UCT-1型蠕变试验装置，采用单调连续加载和分级加载方式，对南阳大理岩进行了单轴压缩蠕变试验研究。根据试验结果，将蠕变强度与瞬时强度进行了比较，得出蠕变强度与瞬时强度之比为0．9左右的结论。拟合试验曲线得出了蠕变曲线经验公式，认为蠕变试验曲线接近对数规律；并分析了曲线的特点，建立了由Kelvin模型和Maxwell模型串联组成的Burgers大理岩蠕变理论模型，求出了相应的蠕变参数。     

高温下大理岩受压破坏的细观结构分析

探究高温对岩石的作用机制,对于解决高温岩石工程问题具有重要意义。利用日本日立公司制造S–3000 N扫描电子显微镜对在20 ℃,200 ℃,400 ℃,600 ℃,800 ℃高温作用下以及经历400 ℃,600 ℃和800 ℃高温作用冷却后受单轴压缩破坏的徐州大理岩进行表面元素分布测定、表面形貌观察和超微结构分析,以期在细观层次上对大理岩的受压变形、强度及破坏特性等做出机制性的解释。研究结果表明：常温下徐州大理岩的颗粒较为粗大,为典型解理开裂且部分颗粒内及颗粒间存在裂纹,温度升高至800 ℃时,岩样端口表面碎裂明显、颗粒变小且形态较为规整、部分区域内存在细长裂纹;高温下和高温后受压破坏的大理岩细观结构差异较大;800 ℃之前大理岩总体的质量百分比没有明显变化,温度达到800 ℃时大理岩各元素的质量百分比发生较大的变化,Ca元素的质量百分比急剧下降而Si元素的质量百分比迅速上升,说明其结构可能发生由晶态向非晶态的相转变,致使大理岩的力学指标骤降。     

高温状态下大理岩力学性能实验研究

采用电液伺服材料力学试验系统对常温～800℃高温作用下大理岩的力学性能进行了研究,考察了大理岩的全应力 应变曲线、峰值应力σp、峰值应变εp、弹性模量E等量的变化特征。结果表明：随受热温度升高大理岩的峰值应力和弹性模量不同程度上渐次降低,尤其是在不同温度段岩石强度降低具有突变性,而峰值应变不同程度渐次增长。800℃时大理岩的延性明显增强,应力达到峰值后,应变仍表现出缓慢增加特性,但最终大理岩破坏方式仍以脆断为主。研究结果一定程度上反映了大理岩在温度作用下内部结构变化的特征,可为相关岩体工程设计与研究提供参考。     

锦屏二级水电站大理岩不同应力路径下加卸载试验研究

 针对锦屏二级水电站引水隧洞赋存于高地应力环境的特点,对隧洞内的大理岩开展常规三轴压缩试验及峰前、峰后卸围压试验,通过试验数据对比分析,研究大理岩的强度变形特征及破裂机制。主要研究成果：(1) 大理岩峰值强度与实时围压关系密切,应力路径不同、实时围压相同时,峰值强度相同。(2) 围压效应明显,峰值强度随初始围压增加而增加;相比三轴加载试验,峰前卸围压试验峰值强度降低约19.5%,峰后卸围压试验规律不明显,而峰后卸围压试验达到峰值强度时的围压值约占初始围压值的 97.2%,峰前卸围压试验结果较离散。(3) 相比三轴加载试验,峰前卸围压试验c值降低约27.5%, 值提高约22.6%,而与此相反,峰后卸围压试验c值增加约13.7%, 值降低约6.5%,表明大理岩抗破裂的主控因素峰前卸围压试验由摩擦力控制,峰后卸围压试验由黏聚力控制。(4) 峰后卸围压试验自卸荷点开始出现明显的应变平台,表现为理想塑性变形。(5) 峰前卸围压试验的体积应变自卸荷点开始出现明显的转折点。(6) 三轴压缩试验和峰后卸围压试验,大理岩的破坏模式主要为单一剪切破坏,随着围压增加,剪切破裂面端口的粗糙程度降低;峰前卸围压试验的破坏模式为：低围压时的劈裂破坏～中等围压时的“X”型共轭剪切破坏～高围压时的单一剪切破坏。这些研究结论揭示了锦屏大理岩加、卸载应力路径下的力学特性差异,可为西部深埋引水隧洞的开挖、支护设计及稳定性分析提供理论参考。     

岩石(大理岩)应力-应变全过程和应变梯度的研究及其分岔理论分析

岩石的破坏是一个渐进的过程,其宏观破裂是局部化非均匀变形积累（发展）到一定阶段的结果。基于这一思想,对岩石（大理岩）从宏观力学全过程、应变梯度和分岔理论分析进行了研究。     

三向高应力状态下深埋大理岩变形特性试验研究

为获得深部岩体的变形模量,在真三轴试验机上,对中等尺寸大理岩试样进行不同侧压下的变形试验,重点对同一试样进行多个等侧压和不等侧压的对比试验。试验表明：(1) 大理岩的变形模量与侧压之间具有显著的非线性关系,且当侧压增大至30 MPa后,变形模量不再随着侧压的增大而显著增大,该侧压值反映了大理岩脱离母岩后的弱化程度;(2) 建立大理岩的变形模量与三向应力之间的关系,用试样所对应部位地应力值计算出深埋大理岩的变形模量为66.7～68.2 GPa;(3) 变形模量计算值与采用其他间接方法获得的变形模量相当,并显著高于常规室内和现场变形试验值。由此说明,深部岩体在释放应力后容易使其力学性质弱化,弱化程度与所处的地应力大小有关。该方法对研究极高～高地应力环境下深部岩体及偏应力较大的边坡的变形特征具有重大意义。     

大理岩动态劈裂试样的破坏应变

脆性材料基于应变的强度准则逐渐受到重视,为研究岩石在动态拉伸条件下的破坏应变规律,利用分离式Hopkinson压杆对不同尺寸的大理岩巴西圆盘和带平台的巴西圆盘进行宽应变率范围的动态劈裂试验。研究不同类型的试样在不同应变率下的破坏应变,讨论试样尺寸、弹速、应变率对破坏应变的影响,得到了一些有益的结论:(1)大理岩的破坏应变随撞击压杆的弹速提高而增大,在一定的弹速范围内破坏应变增加趋势明显,而在此范围外破坏应变增幅很小;(2)试样尺寸对岩石的动态破坏应变的影响受弹速的影响比较显著;(3)在低应变率下,大理岩的动态破坏应变随着应变率的提高而显著增大,而带平台的试样的增加幅度更大,且数据的分散性也较小;当应变率较大时,应变率对破坏应变的影响较小,应变增幅较小,各类试样数据的分散程度都有所降低;(4)和巴西圆盘相比,在低应变率下平台巴西圆盘具有更大的承载力和更高的破坏应变,但是随着弹速的增加,平台巴西圆盘的趋势逐渐减少;当弹速大于某一数值时,其破坏应变反而小于巴西圆盘的破坏应变。     

大理岩循环冻融试验研究

岩石作为天然的建筑材料,通常承受着自然界的风化作用,因此,研究风化对岩石物理力学特性的影响是十分必要的。温度和水分的变化是引起岩石风化的主要原因之一,尤其是循环冻融更易使岩石风化。将采自焦作的大理岩分成饱水、干燥和对比3组岩样,通过对饱水组和干燥组岩样进行60次循环冻融(每个循环24h,即冻18h,融6h)试验研究,以模拟大理岩的风化过程。在冻融前、每10次循环冻融后,量测岩样的质量、体积,利用超声检测分析仪对各岩样进行超声纵、横波探测;利用RMT–150B岩石力学试验系统对上述3组大理岩岩样进行单轴压缩试验,同时采用LOCAN320声发射仪对岩样的变形破坏过程进行监测。通过试验研究,得到冻融前后焦作大理岩的质量、体积变化及超声波速、大理岩的单轴应力–应变全过程曲线、抗压强度、抗冻系数、风化程度系数、动弹性模量以及声发射参数,从而归纳出循环冻融下大理岩的主要物理力学特性。     

锦屏水电站大理岩在高应力条件下的卸荷力学特性研究

结合锦屏水电站深埋引水隧洞开挖工程,选取该区域典型大理岩,并以隧洞围岩实际应力环境为基础,开展卸围压破坏试验以及卸围压多级破坏试验.研究成果表明,锦屏大理岩在高应力条件下的卸荷力学性质主要表现为:(1)相同初始应力条件下,岩石达到卸荷破坏所需应力变化量比轴向压缩破坏时小,卸荷更容易导致岩石破坏;(2)岩石卸荷开始后侧向变形明显加快,且表现出显著扩容,如果忽略卸荷前岩样变形,则体积变形几乎按照侧向变形的规律增大;(3)卸围压过程中,泊松比近似按照多项式关系增长.变形模量初始变化不显著,屈服前微量围压减少引起变形模量急剧减小;(4)卸荷条件下抗剪强度参数c值比加载条件下低14%,而φ值比加载条件下高23%.这些结论揭示高应力条件下大理岩的卸荷力学特性,为深埋引水隧洞开挖稳定分析提供可靠依据.