不同卸荷应力路径下岩体破坏特征试验研究

隧道施工引起围岩应力释放的问题值得关注,目前对不同开挖方式引起隧道围岩强度及破坏的研究较少.因此,通过采用岩石三轴试验机,模拟隧道的不同开挖工况,针对不同卸荷应力路径下的岩石强度及破坏特征进行了深入研究,提出了相应的结论,可为后续理论研究提供试验参考.

卸荷应力状态下玄武岩变形破坏特征的试验研究

本文采用卸荷三轴试验,在实验室研究了玄武岩在卸荷状态下的变形和破坏特征。

基于K_0固结排水卸荷应力路径试验粉土应力–变形特性研究

针对开挖土体复杂卸荷应力路径,按不同初始应力状态和卸荷应力比,对南水北调南干渠粉质黏土开展了K_0固结排水卸荷应力路径试验。试样首先在不同围压条件下K_0固结稳定,然后根据不同的轴向应力和径向应力卸荷比,进行卸荷试验,以模拟实际土体开挖过程中的应力路径。试验结果表明土体的应力应变特性与应力路径密切相关:不同卸荷应力比条件下,试样可能为压缩,先伸长再压缩或者为伸长变形;卸荷应力路径下压缩和伸长应力比临界值与初始固结状态和土性相关;相同平均应力增量条件下,卸荷应力比越小,试样体积膨胀绝对值越大;土体强度参数受加荷方式和应力路径影响不大。试验结果和常规三轴试验有显著区别,需要发展能够描述卸荷应力路径下的土体本构模型,对开挖土体开展符合工程实际的应力变形分析。

加卸荷应力路径下巷帮煤体力学特性与损伤破坏研究

为探究煤巷开挖卸荷帮部破坏机理,开展巷帮煤体常规三轴压缩及峰前卸围压2种应力路径下实验室试验,分析其力学特性与损伤破坏规律。结果表明:常规三轴压缩试验中,破坏特征表现出由低围压下的脆性向高围压下的塑形转变;峰前卸围压应力路径下,破坏更易发生,且全部为脆性破坏;煤体强度对围压变化较敏感,卸荷条件下其峰值更低;变形模量随围压被卸除而降低,开始阶段变化平缓,随后下降趋势不断加剧;泊松比随围压减小而增大,其变化趋势同变形模量基本一致;卸荷应力路径下,煤体破坏是一种以剪切破坏为主,但仍存在部分劈裂破坏的复合状态;破断角以抛物线趋势随初始围压的提高而增加,但卸荷应力路径下其值明显更小;卸荷条件下损伤因子与围压之间的变化关系及趋势同泊松比一致;随初始围压的增加,卸荷条件下围压差比λ逐渐降低。

粘性土的卸荷应力路径试验研究

通过室内模型加荷试验,对微型土压力盒在粉质粘土中的应力微应变关系参数进行校正。然后进行加卸荷试验,确定测试土样的静止土压力系数和卸荷土压力系数分别为0.38和0.33。取模型内试验土样进行三轴应力路径试验,按模型试验测定的加荷侧压力系数进行K0固结,然后按轴向和侧向卸荷比3∶1进行卸荷试验得到测试土样的卸荷应力应变曲线,对其进行双曲线拟合后,得到卸荷变形模量,从而为基坑、隧道等开挖卸荷工程计算回弹变形提供依据。

不同卸荷应力路径下煤样破坏特征实验研究

现有对煤样破坏特征的研究存在力学参数测试较单一、应力加载方向局限性较大等问题,在反演真实地质情况下数值模拟效果存在偏差,并且对煤岩动力灾害和冲击倾向性判定是基于现场实验进行的宏观研究,对于真三轴不同卸荷应力路径下煤样的破坏特性机理研究较少。针对上述问题,以陕西彬长胡家河煤矿工程地质为研究背景,利用高频振动采集及孔内成像三轴动静载实验系统设计了3种不同卸荷应力路径下煤样真三轴实验,对煤样破坏特征、峰值强度特性、声发射响应特征和分形规律进行研究。结果表明:①3种不同卸荷应力路径下煤样破坏模式均为拉-剪复合破坏,煤样宏观裂纹的起裂破坏大多发生在强度相对较低的煤样中;各煤样均为轴向应力不断增加,各水平应力在逐渐降低的过程中为煤样提供了拉应力,导致不同卸荷应力路径下煤样各表面破坏形态显著不同。②3种不同卸荷应力路径下,峰值破坏阶段的应力存在明显差异,标准差达4.35 MPa,占峰值强度平均值的29.25%,当应力载荷超出3种应力路径峰值强度平均值14.87 MPa时,煤样均发生破坏。③在高静载作用下,煤样初始受载后孔隙压密,内部结构较均匀,无裂隙扩展使得在初始阶段损伤变量为0;在损伤稳定发展阶段,煤样内部孔隙达到极限状态发生破裂形成微裂隙,损伤变量为0.04~0.17;在加载过程中微裂隙迅速发育、扩展并汇集成裂隙网,煤样出现宏观破坏,煤样承载能力迅速下降,在损伤加速发展阶段损伤变量呈先急剧增加后平稳的趋势,最大损伤变量达1.0。当煤样受力失稳发生拉-剪破坏后,声发射能量出现突增现象;当声发射能量与损伤变量曲线交汇时煤样开始破裂,声发射能量与煤样破坏具有良好的耦合性。④在不同卸荷应力路径下,煤样分形维数越大,破碎程度越高。

卸荷应力路径下海积软土力学性质试验

利用GCTS空心圆柱扭剪仪对天津滨海新区第一海相沉积软土进行了卸荷应力路径下的三轴试验,探讨等P、减P应力路径下土样的应力-应变、孔隙水压力、有效应力路径、应变速率等特性.试验结果表明:不同应力路径下土样的力学性质有很大的不同,减P土样最终破坏时的应变量要比等P土样的小很多;不同应力路径下土的峰值强度不同;试样的孔隙水压力经历了先增加后减小的过程,当孔压达到峰值时,土样的抗剪强度最小,也是基坑开挖最危险的时刻.其研究成果可为解决软土地区的基坑开挖、隧道施工等卸荷工程问题提供理论支持.

爆破开挖卸荷应力波对岩体的变形破坏作用机理研究概述

岩体的变形破坏机理复杂,文中介绍了对岩体采用爆破开挖的方式时产生的卸荷应力波在岩体中的传播过程的研究,探讨了结构面、初始地应力对应力波传播的影响,介绍了学者们就应力波对岩体产生变形破坏的作用过程进行的理论推导和数值模拟,综合分析了目前关于卸荷应力波对岩体的变形破坏作用机理研究存在的不足,如对影响因素考虑的欠缺,损伤模型的匮乏等。

淤泥质黏土卸荷应力路径本构模型研究

本文针对佛山地铁3号线桂城站基坑中淤泥质黏土进行了不同应力路径固结不排水剪切试验研究,分别为减围压三轴压缩试验、轴向减载三轴伸长试验和三轴伸长试验。通过分析佛山地区软黏土在不同应力路径下的力学特性以及引入归一化因子,建立了佛山地区软黏土卸荷应力路径本构模型,为佛山地区淤泥质土层的基坑开挖提供了理论参考及设计依据。

不同卸荷应力路径下砂岩时滞变形破坏特征研究

地下工程中高地应力赋存环境下的脆硬性岩体在开挖卸荷过程中极易发生时滞型岩爆。通过开展不同卸荷应力路径下考虑围压卸荷速率及卸荷量影响的砂岩三轴时滞变形破坏试验及细观检测分析,探讨不同影响因素作用下的的砂岩时滞变形破坏特征。研究结果表明:不同卸荷应力路径下,时滞变形段总时间均随围压卸荷速率v3先增大后减小,而随围压卸荷比V_(σ)则呈现持续减小的趋势,但升轴压卸围压条件下时滞变形段总时间显著大于恒轴压卸围压,结合试样宏观破坏特征可知,升轴压卸围压应力路径下试样时滞变形破坏程度更高。此外,利用SEM+EDS进行断面特征定量分析表明,不同影响因素作用下的断面矿物颗粒特征与时滞变形段总时间密切相关;最后,结合重整化群理论,建立基于logistics函数的分阶段损伤本构模型,并计算验证模型的合理性。研究结果对于时滞型岩爆的孕育机制研究具有一定的指导意义。

基于卸荷路径的软岩大变形隧道计算模型

近些年来,软岩大变形隧道施工带来的安全事故日益频繁,其主要原因是目前暂未形成有针对性的、可以准确反映软岩大变形力学行为的隧道计算模型。隧道开挖过程实际是一个卸荷的过程,在这种应力路径条件下,隧道塑性区内围岩的力学性能相对未开挖状态减弱。本文基于隧道典型软岩—泥岩卸荷三轴试验得到考虑峰后损伤的力学本构模型,并建立软岩隧道计算模型。与传统Fenner公式计算结果进行对比发现,本文模型更加符合高地应力下软岩隧道开挖和支护计算结果。利用Euler显式差分求解算法对模型进行理论求解,研究不同支护力、不同黏聚力、不同摩擦角、不同变形模量对隧道塑性圈半径与洞周位移的影响。基于FISH语言平台,将计算模型嵌入FLAC 3D得到了支护时间对支护效果的影响。最后基于龙溪隧道的现场实测数据验证了本文的隧道计算模型。研究成果可以为准确计算大变形段落围岩响应提供理论依据。

基坑开挖卸荷路径下饱和粉土强度特性研究

结合南京市福建路地铁站基坑工程,开展饱和粉土的常规剪切和一系列不同应力比下K0固结排水剪切三轴试验,研究粉土在不同卸荷路径下的强度特性。结果表明:饱和粉土的应力-应变特性与应力路径密切相关,侧向卸荷及双向卸荷应力比小于1时为压缩破坏,轴向卸荷及双向卸荷应力比大于1时为拉伸破坏;偏应力增加的压缩破坏和偏应力减小的拉伸破坏临界状态线不相同;在坑底轴向卸荷区,常规三轴试验测得的内摩擦角显著偏大,会导致坑底被动土压力计算值偏于不安全。

软土的卸荷应力——应变特性

本文通过模拟盾构法隧道掘进过程和基坑工程中土体的卸荷应力路径,对上海地区三种典型的软土(灰色淤泥质粘土、灰色淤泥质粉质粘土、灰色粘土)进行了一系列的应力路径试验,对软土的卸荷应力—应变特性进行了较深入的研究,发现软土的卸荷应力—应变关系与应力路径密切相关,卸荷应力—应变曲线为双曲线形式。对于同一类型的应力路径试验,可以用平均固结压力归一化,并建立了相应的方程,本文的研究成果可进一步分析软土的应力应变本构关系。用于计算盾构法隧道掘进所引起的地面变形,以保护隧道周围的建筑物和地下管线。也可以用于基坑周围地层变形计算。

基于Mindlin解的基坑分层卸荷附加应力计算及回弹变形的多因素影响分析

基于Mindlin应力解提出分层开挖条件下深大基坑底部土体卸荷附加应力计算方法,并在分层总和法计算回弹变形时考虑了基坑开挖过程中土体回弹模量与附加应力的非线性关系。计算结果表明:受分层卸荷作用深度的影响,大部分深度范围内分层开挖下土体卸荷附加应力小于一次性开挖,且在坑底以下3倍基坑深度范围内两者差值较为明显;基坑面积相同时,长条形基坑坑底卸荷附加应力小于正方形基坑;该方法结合当层法后可用于分析坑底加固对土体卸荷附加应力及回弹变形的影响,即随着加固体回弹模量或厚度增大,卸荷附加应力与回弹变形均减小,且回弹变形减小的幅度也相应递减。通过对杭州火车东站西广场项目的分析,验证了该方法的合理性,并基于参数分析提出了加固体回弹模量与厚度的等效设计方法,对实际工程具有指导意义。

不同卸荷起点应力水平砂岩卸荷力学特性试验研究

开挖卸荷岩体在实际工程中随处可见,卸荷时的应力水平对其力学特性有较大影响。基于此,以三峡库区典型砂岩为研究对象,开展了不同卸荷起点应力水平砂岩卸荷试验,研究了不同卸荷起点应力水平砂岩卸荷力学特性。结果表明:岩样卸荷起点应力水平越高,岩样的初始损伤越大;岩样的峰值强度、峰值应变与卸荷起点应力水平呈线性关系;岩样围压卸荷量与垂直变形量之间的关系曲线与卸荷起点应力水平有较大关系。该研究成果一方面验证了卸荷起点应力水平与岩样内部损伤之间的关系,另一方面也可为岩体开挖施工提供参考。

爆炸载荷诱发地应力瞬态卸荷对深部围岩的损伤特性

地应力瞬态卸荷是造成深部巷道空间变形垮塌的主要诱因。近似认为爆炸荷载与地应力瞬态卸荷的耦合应力场是在一定的地应力条件下,由爆炸荷载激发的动态应力场和地应力瞬态卸荷激发的动态应力场在相应的时域和空间上叠加而成。采用数值模拟的方法研究了爆炸载荷扰动诱发的高地应力瞬态卸荷对巷道围岩的损伤规律。研究表明:爆炸载荷对围岩的扰动先于地应力瞬态卸荷,二次应力分布时程曲线受爆炸应力波的影响显著,耦合应力场对巷道顶板拐角、两帮、顶板、底板中央围岩处的动力扰动仍以爆炸载荷为主,且对顶板的扰动作用更强。巷道两帮的围岩损伤比顶、底板深,质点振动速度峰值随着向围岩远处的传播呈衰减趋势。随着侧压系数的增大,巷道两帮围岩塑性损伤范围减小。

粉质黏土基坑卸荷隆起变形的简化计算方法

基坑卸荷隆起变形计算对基坑稳定性分析具有重要意义。基于现有土体压缩-回弹试验数据及多个地区粉质黏土基坑变形数据进行分析,推导出土体回弹模量与卸荷比之间的指数关系,并结合Mindlin应力解与分层总和法,利用两个实际工程案例进行验证对比,提出了一种卸荷条件下基坑隆起变形的简化计算方法。结果表明:简化计算方法仅根据常规土工试验参数(重度、压缩模量等)即可快速对基坑卸荷隆起变形量进行预估,且计算结果与现场实测值较为接近。进一步分析可知,基坑形状相同时,随着基坑面积的线性增大,基坑底部隆起变形会非线性增大;基坑面积相同时,长条形基坑的隆起变形小于正方形基坑。该方法可为粉质黏土地区卸荷条件下的基坑隆起变形预测提供参考。

深部开采原生煤岩组合体围压卸荷致裂特征及破裂模式

受开采卸荷扰动影响,深部岩体互层及其组合结构系统的破裂失稳是诱发采场突水等灾害的主要原因之一。为研究深部开采围压卸荷对岩体组合结构破裂的影响,室内开展了原生煤岩组合体三轴加卸荷-渗流试验,获得了不同初始围压下原生煤岩组合体围压卸荷致裂的竖向、倾斜及环向裂隙分类特征,研究了其轴压卸荷起点、围压卸荷终点的强度特征及主导破裂模式的力学机制;结合CT扫描与三维重构技术,获取了原生煤岩组合体卸荷破裂的几何特征;建立了围压卸荷量与岩体卸荷致拉破裂、致剪破裂的关系,揭示了围压卸荷致裂模式与渗透率突变关系,验证并判定了不同初始围压下原生煤岩组合体的主导卸荷致裂模式。结果表明:在围压卸荷和轴压加载共同作用下,原生煤岩组合体卸荷破裂模式主要分为围压卸荷致拉破裂、致剪破裂及轴压协同卸荷致裂模式3类;随初始围压增加,原生煤岩组合体围压卸荷致拉破裂的围压卸荷终点临界值及致剪破裂的轴压卸荷起点临界值均线性增加;围压卸荷可致轴压协同卸荷突降并驱动煤岩分界面及层理等原生裂隙结构环向张拉破裂,且以沟通倾斜及竖向裂隙为主导;而围压卸荷致拉破裂与致剪破裂模式均可致原生煤岩组合体渗透率突变增高,突变点致裂模式与其围压卸荷终点的卸荷量临界值密切相关。

分级卸荷条件下锦屏大理岩流变规律研究

结合锦屏水电站引水隧洞的工程实际,采用恒轴压分级卸围压的应力路径对锦屏大理岩开展了室内三轴压缩蠕变试验。首先,详细介绍卸围压蠕变试验的过程,并针对轴向和侧向蠕变规律的差异进行对比分析。然后,研究卸荷应力路径下应力状态与岩石蠕变变形的关系,研究结果表明,应力差是决定试样蠕变量的主要因素。最后,以Burgurs模型作为理论模型,在综合考虑试样整体变形的情况下,采用相关试验结果直接确定三维本构方程的模型参数。通过对锦屏大理岩轴向和侧向蠕变变形规律的对比分析,认为2个方向的蠕变变形规律存在明显差异,仅根据轴向蠕变变形规律确定的三维流变本构不能反映侧向的蠕变变形规律。因此,建议在建立三维本构时,必须考虑试样的整体变形特性。

大理岩卸荷条件下弹黏塑性本构关系研究

利用TLW–2000型岩石三轴蠕变试验机对锦屏大理岩进行恒轴压分级卸围压应力路径下的三轴流变试验,得到轴压恒定、不同围压下的应力–应变–时间曲线。根据卸荷应力路径下锦屏大理岩的流变变形特点,以Cristescu本构模型为基础,通过试验结果确定模型参数,并在模型参数的确定过程中考虑卸荷应力路径的影响。所建模型克服了三维元件组合模型不能考虑应力路径影响以及不能很好反映侧向流变变形规律的缺点。最后,用该模型对流变试验数据进行拟合,结果表明:该模型可以很好地描述卸荷应力路径下大理岩的整体变形随时间的变化规律。