排水条件对砂岩力学及其变形局部化特性影响试验研究

为了研究砂岩在渗流−应力耦合作用下的变形局部化破坏特征,利用可视化三轴伺服控制试验系统,结合三维数字图像相关技术(three-dimensional digital image correlation,简称3D-DIC),开展不同排水条件下的砂岩三轴压缩试验,对岩石力学、渗流及其变形局部化特性进行分析,并利用电镜扫描对砂岩破坏后其破裂面微观形貌进行分析。结果表明:排水条件下砂岩的峰值强度和弹性模量高于不排水条件下的值,且随着渗透水压增大,砂岩的峰值强度、弹性模量和泊松比均随之增大,出现贯通裂纹的时间点和渗透率最大值出现的时间点则会提前;当渗透水压相同时,不排水条件下砂岩表面变形场云图的局部化带比排水条件下的更宽,即岩石的宏观裂纹更明显,排水条件下水流将岩石内部的矿物颗粒带走,形成孔洞,其破裂面的表面比不排水条件下更光滑,而不排水条件下颗粒表面明显有片状岩屑附着;所有排水条件下径向变形局部化启动点始终高于轴向变形局部化启动点,平均提高了1.23%,变形局部化径向、轴向启动应力水平均随渗透水压的增大而增大,即启动的时间点更提前,排水条件下砂岩的径向启动应力水平、轴向启动应力水平均高于不排水条件下的值,平均分别提高了1.85%和2.21%,渗透水压相同时,不排水条件下启动应力及应力水平受水压的影响比排水条件更明显。

基于三维数字图像相关技术的砂岩渗流-应力耦合变形局部化特性试验研究

为研究渗流-应力耦合作用下砂岩变形局部化破坏特征,将三维数字图像相关(three-dimensional digital image correlation,简称3D-DIC)技术运用于可视化三轴伺服控制试验系统中,对砂岩开展了不同渗透水压条件下的三轴压缩试验研究。研究结果表明:(1)在渗流-应力耦合作用下,砂岩表面变形场云图经历了从均匀到非均匀的演化过程。在峰前的变形较为均匀,在峰值处出现应变集中,在峰后较短时间内迅速形成变形局部化带;(2)随着渗透水压的增大,岩石的峰值强度、弹性模量呈现指数型非线性衰减,峰值强度弱化系数和弹性模量弱化系数均增大,且渗透率逐渐增大,最大渗透率出现的时间点越早;(3)随着渗透水压的增大,砂岩变形局部化带从剪切状过渡到张拉-剪切状,轴向和径向变形局部化带带内外应变在峰后短时间内出现较大差异,且带内应变远大于带外应变;(4)随着渗透水压的增大,砂岩变形局部化启动应力水平越高,启动的时刻点越早。渗透水压与砂岩变形局部化启动应力水平呈线性相关性,轴向变形局部化启动水平受渗透水压的影响比径向更为显著。

三轴应力条件下凝灰岩广义应力松弛流变模型的构建

岩石的长期稳定性是影响岩土工程设计和施工的重要因素。在由弹性元件和Abel黏壶元件串联组合得到Abel黏壶蠕变模型的基础上,进一步提出适用于描述流变各个方向应变随时间演化的流变模型——广义Abel黏壶模型。根据不同围压条件下凝灰岩广义应力松弛特性试验结果,对凝灰岩流变特性进行分析计算,并将适用于蠕变方向的广义Abel黏壶模型与Kelvin蠕变模型进行对比。结果表明:构建的广义Abel黏壶模型能很好地描述凝灰岩广义应力松弛流变减速阶段和稳定阶段中的应变变化规律,对凝灰岩广义应力松弛特性的分析具有更好的拟合优度。

可视化三轴渗流-应力耦合伺服控制试验系统的研制与应用

在原有的可视化三轴压缩伺服控制试验系统中增加顶部和底部的渗流通道,以实现渗流-应力耦合条件下岩石的可视化三轴压缩试验。为验证该试验系统的可靠性和必要性,对砂岩进行不同渗流状态和不同渗透压差条件下的三轴渗流-应力耦合试验。试验结果表明,当岩石两端都存在水压的条件下,其力学性质会进一步弱化,2种渗流极限状态的试验并不能说明所有渗流-应力耦合条件对岩石力学特性的影响。随着轴向应力的增加,表面径向应变场中大应变数据点逐渐聚集至断裂面附近,出现变形局部化现象。因此,开展复杂渗流-应力耦合作用下岩石力学试验能够更好地研究渗流场对岩石的作用机制。