基于花岗岩卸荷试验的损伤变形特征及其强度准则

对取自大渡河大岗山水电站的花岗岩开展高应力下2种卸荷方案的力学特性试验,并与同围压下的常规三轴压缩试验结果进行对比分析,研究岩石卸荷过程中的破坏机制、力学强度参数损伤劣化效应及其卸荷破坏的强度特性。研究结果表明:(1)岩石卸荷过程中向卸荷方向回弹变形强烈、扩容显著,脆性破坏特征明显。(2)卸荷试验中,开始卸荷点处的变形模量较常规三轴压缩试验已发生一定的损伤劣化,其损伤因子与初始围压近似成线性关系,而该点处的泊松比所表现出的损伤劣化效应却不明显。(3)卸荷过程中,泊松比随着围压的不断卸除,呈现指数关系增长;变形模量变化平缓,但在岩样卸荷屈服破坏点处陡降。(4)在高应力卸荷条件下,Mogi-Coulomb强度准则能很好地反映其破坏强度特性。(5)相比较于常规三轴压缩试验,卸荷时的抗剪强度参数c值减小而?值增大,其变化量与卸荷方式有关。这些结论揭示高应力条件下花岗岩的卸荷力学特性,为西部水利水电工程的开挖、支护设计及其稳定性分析提供了理论参考。

水力作用下砂岩三轴卸荷试验及破裂特性研究

高应力、高水压卸荷条件下岩石的非连续性微缺陷演化过程研究对揭示隧道围岩裂纹的起裂孕育、碎胀裂化和峰值破坏,分析围岩稳定性具有重要意义。利用MTS815型程控伺服刚性试验机开展了砂岩在固定围压、不同水压条件下的水力三轴卸荷试验。试验结果表明:岩石变形在卸荷前以压缩为主,变化微小;卸荷后不久开始快速扩容,直至损伤破裂。水力条件下应力–应变曲线上的各个特征应力值比无水压条件下的饱和试样有不同程度地提高,增加了应变能储备,从初始扩容到峰值强度的历时更短,曲线斜率更陡。随着水压的不断增大,各个特征应力值有所减小,表现在起裂条件降低,压缩极限减小,扩容时间提前,表明了砂岩在高水压条件下的脆性特性进一步增强,抵抗变形破坏的能力逐渐降低。通过扩容特征值与扩容点后的体应变关系,求得初始扩容点后的相对扩容应变与变形模量差,建立了多项式回归关系。研究结论揭示了水力作用下砂岩扩容变形行为的强烈性和突发性,可为水–力双场条件下的围岩变形预测及控制提供参考。

Hoek-Brown强度准则在隧道围岩卸荷试验中的应用研究

针对含水隧道围岩开挖卸荷后的强度准则适用性问题,以辽宁某在建隧道工程为背景,对该隧道围岩进行了考虑孔隙水压作用下的恒轴压、卸围压三轴卸荷试验,分析H-B强度准则在砂岩卸荷试验中适用性,结果表明:相同孔隙水压条件下,围压越大,试样的卸围压峰值强度越大,但增幅略有降低;相同围压条件下,孔隙水压越大,试样的卸围压峰值强度越小;不同孔隙水压下的H-B强度准则拟合相关系数均在0.95以上,拟合效果良好;建立了考虑围压及孔隙水压作用下的砂岩三轴卸荷H-B强度准则经验模型,并根据试验数据验证了经验模型的合理性.

岩石损伤本构模型在大理岩三轴卸荷试验中的应用

依据岩石强度服从统计分布的特点,通过定义损伤变量,并在一定的假定条件下,运用岩石力学中的D-P强度准则,建立岩石损伤本构模型。对大理岩在不同卸荷速率条件下的试验结果进行分析,利用试验所得的岩石力学参数及求解数据,通过拟合求得损伤本构模型的分布参数,进而确定损伤本构模型的演化曲线。通过与试验曲线对比分析,结果表明:理论曲线基本能反映大理岩在三轴卸荷条件下的应力-应变关系及强度特点;导致高卸荷速率下的大理岩试件强度相对要低的原因,是高卸荷速率的岩石在卸荷过程中其内部损伤演化发展相对要快。

某水电站蚀变岩三轴卸荷试验研究

研究蚀变岩在卸荷过程中水对其变形和强度的影响规律。选取西南某水电站右岸坝肩蚀变岩为研究对象,通过扫描电镜获取其微观结构状态和矿物分布;然后对处于天然状态和饱水状态的2种岩样进行三轴加、卸荷试验,分析讨论不同应力路径下水对蚀变岩的应力-应变曲线、变形特性及强度特征的影响规律。结果表明,与加载试验相比,卸荷试验下岩样内聚力增高,内摩擦角减小;饱水状态下蚀变岩三轴加载、卸荷试验的强度均小于天然状态下的强度;蚀变岩遇水后强度明显降低。

卸荷条件下花岗岩破裂面粗糙度特征及成因分析试验研究

【目的】为探究工程岩体在高应力下加卸载过程中的断裂形貌变化及成因,【方法】以粗糙度作为描述形貌几何特征的重要参数,定量表征形貌变化,以拉剪比作为描述断裂特征的重要参数,定量表征断裂模式变化,选取两类花岗岩,开展加卸载力学试验,通过数字图像技术对破裂面粗糙度及成因进行分析。【结果】结果显示:在高应力卸荷条件下,初始围压、卸围压速率及矿物粒径均对花岗岩破裂面粗糙程度起负相关影响;超景深显微观察发现,粗糙程度越低的花岗岩,其断口出现剪切断裂占比越高;在围压卸荷破坏过程中,30 MPa围压卸荷,岩石破裂面以沿晶拉伸断裂为主,40 MPa围压卸荷,以沿晶和穿晶拉剪复合型断裂为主,50 MPa围压卸荷,以穿晶剪切断裂为主;随着矿物粒径和卸围压速率的增大,破裂面均呈现剪切断裂占比增加的趋势。【结论】结果表明,高围压卸荷下岩石破裂时张拉断裂占比越高,其破裂面越粗糙,相反剪切占比高,其破裂面粗糙度越低。

含卸荷裂隙北山花岗岩蠕变特征试验研究

为研究开挖卸荷后围岩的长期力学行为特征,以完整岩石卸荷试验获得的含裂隙花岗岩为研究对象,基于裂隙试样三轴压缩试验获得的强度参数,开展了干燥和饱和2种状态下的蠕变特性试验研究。试验过程中采用三维声发射定位系统对试样的应力应变全过程进行实时监测。结果表明:裂隙花岗岩的横向蠕变变形及稳态蠕变速率均比轴向上更加显著;饱和条件下的蠕变应变占总应变的比例及稳态蠕变率比干燥条件下的更低;损伤加速发展的临界应力值约为抗压强度的90%,声发射累积振铃计数的变化趋势与横向应变的变化趋势一致;建议在地下工程围岩稳定性分析中,根据工程实际状况考虑含水状态对围岩变形和强度弱化效应的影响。

基于真三轴卸荷试验的煤岩力学及损伤特性研究

为深入研究煤矿开采中开挖速率对煤岩力学及损伤特性的影响,通过自主研发的地声过程模拟试验系统,开展了不同卸荷速率条件下煤岩真三轴卸荷试验。结果表明:随着卸荷速率由0.05 MPa/s增至0.4 MPa/s,煤岩在卸荷破坏时的最大主应变值、最小主应变值及体积应变值分别降低了48.2%、73.8%及113.1%,中间主应变值增加了16.3%;卸荷速率越大,煤岩的扩容现象越明显;煤岩在低卸荷速率条件下的破坏形态表现为剪切破坏,而在高卸荷速率条件下则表现为张剪复合破坏;通过试验数据验证,修正后的Drucker-Prager强度准则对煤岩卸荷破坏更为适用;卸荷速率越大,煤岩在破坏时对应的声发射累计振铃计数越大,能量越高;基于累计振铃计数建立的煤岩损伤演化方程能较好地描述煤岩卸荷过程中的损伤过程,研究结果可为实际工程开挖稳定性预测提供参考。

卸荷状态下黏性土的变形和强度试验研究

南京河西地区原状黏性土应力路径试验表明,不排水情况下,侧向卸荷试验得到的割线模量E5′0要大于轴向加荷试验得到的割线模量E5 0,且大致有E5′0=1.7 E5 0关系;轴向加荷和侧向卸荷条件下得到的有效抗剪强度指标基本一致。上述结论在工程实例数值模拟分析中的应用明显改善了地面沉降预测结果与实测结果的吻合程度。

卸荷条件下花岗岩力学特性试验研究

基于岩石试件的卸荷试验,研究卸荷条件下岩石的变形、参数及破裂特征。研究结果表明:(1)卸荷过程中岩石向卸荷方向回弹变形较为强烈、扩容显著,脆性破坏特征明显。(2)卸荷过程中岩石的变形模量E逐渐减小,泊松比μ逐渐增大,E减小了5%～27%,而μ增大了50%～335%,变化均随初始围压的增大和卸荷强度的增强而增大,两者均与体积应变相关。(3)相对于加载试验,卸荷岩石的c减小而φ增大,且卸荷强度愈强,c减小得越多,φ增大的程度越小。峰值c减小了33.2%～47.8%,而残余c为正常值的65.3%～77.6%,峰值φ增加了14.7%～33.2%,而残余Φ增大了5.9%～9.4%。(4)卸荷条件下岩石破坏具有较强的张性破裂特征,各种级别的张裂隙发育,双向卸荷时甚至在次卸荷方向上也可能出现张拉裂隙,剪性破裂面一般追随张拉裂隙发展。

高地应力条件下卸荷速率对锦屏大理岩力学特性影响规律试验研究

岩石所处的初始应力状态及开挖等工况诱发的卸荷速率大小对其力学特性具有明显的影响,通过室内三轴卸荷试验和破裂断口的SEM细观扫描分析,研究高应力环境中不同卸荷速率下锦屏一级水电站大理岩的变形破裂及强度特征。卸荷速率vu和初始围压σ30越大,岩石脆性及张性断裂特征愈明显,快速双向卸荷时甚至可在次卸荷方向产生张拉裂缝。张性破裂断口细观形态随vu和σ30的增大依次呈现"树枝形张裂状"、"千层饼形撕裂状"和"近光滑平面形弹射状";卸荷过程中轴向压缩应变增量Δε1随vu和σ30增大而减小,而侧向膨胀应变增量Δε3却增大;不同的卸荷变形阶段卸荷速率vu对变形模量E的影响规律不同,峰前E随vu的增大而增大,而峰值E随vu增大先逐渐增大再迅速降低;卸荷过程中岩石的泊松比μ逐渐增大,并随vu和σ30增大而显著,特别是从峰值点后;相对于加载试验,卸荷条件下岩体的黏聚力c大大减小,而内摩擦角?却有少量增大,vu越快,c减小得越多,?增大的较少。

不同卸荷速率下变质石英砂岩力学性质试验分析

为研究不同卸荷速率下岩石力学特性,以锦屏一级大奔流沟料场特高边坡变质石英细砂岩为例,开展不同卸荷速率和不同围压下的卸荷试验,得到了应力-应变曲线,重点分析了卸荷速率对应力-应变关系、破坏特征、破坏应力差、强度参数的影响规律.结果表明:卸荷作用对岩石脆性破坏特征明显;常规加载试验为压剪破坏,卸荷试验为张剪破坏;随着围压的降低,弹性模量不断降低,卸荷速率越快,非线性关系越明显;卸荷速率越快,泊松比增加越慢;卸荷条件下岩石的黏聚力减小,内摩擦角增大.

基坑土体卸荷剪切模量真三轴试验研究

通过对基坑土体真三轴卸荷不排水试验结果的分析,研究了由广义虎克定律推导出的土体广义剪应力与广义剪应变的关系,并根据土体实际应力路径定义了中主应力系数,推导了基坑土体卸荷切线剪切模量计算公式。研究表明:土体广义剪应力与广义剪应变关系曲线呈明显的非线性,中主应力对土体强度的影响存在区间效应。在中主应力σ2的数值由σ3逐步增加到σ1的过程中,土体的强度逐步提高到一定峰值后,再逐步减小。

卸荷岩体力学特性研究的试验条件

首先根据加载力学特性试验研究的方法 ,结合已有的卸荷试验研究 ,制定出卸荷试验研究的一些试验条件 ,并综合考虑了各种试验条件对卸荷岩体力学特性的影响 。

冻融循环作用下砂岩卸荷强度特性试验及损伤特性研究

建立在寒区的岩土工程,其岩石的损伤劣化不仅受冻融风化作用,而且还受到开挖卸荷的影响。采用冻融循环试验和三轴卸荷试验相结合的方法,对砂岩同时受2种破坏作用的强度特性和损伤特性进行系统的分析。分析结果表明:随围压的增加,冻融循环下岩石的破坏特性由张拉破坏逐渐转变为剪切破坏特征,随着冻融次数的增加,岩样明显产生侧向膨胀,侧边中部明显向外凸出,并出现了不同级别的张裂纹、环向裂纹及许多岩粉和岩石碎块;对于三轴卸荷试验,岩样的峰值强度随着冻融次数的增加而降低;扩容应力随冻融次数增加呈指数下降关系;破坏围压与冻融次数呈二次函数关系;冻融损伤值随冻融次数增加呈线性增长,表明岩样的损伤受冻融的影响逐渐增大。研究成果可为寒区岩土工程设计和施工提供指导。

卸荷岩体力学试验研究进展与展望

卸荷岩体力学试验是卸荷岩体力学理论研究的基础,也是模拟分析工程岩体开挖卸荷变形稳定的主要手段之一.随着岩土工程试验设备和相关测试技术的发展,卸荷岩体力学试验技术与方法取得了明显的进步.本文分三个方面系统回顾和分析了卸荷岩体力学试验的重要研究进展及不足:在室内岩石三轴卸荷试验方面,主要介绍了岩石常规三轴卸荷试验和多源测试技术、多场耦合三轴卸荷试验和室内真三轴卸荷试验技术的发展与应用;在工程岩体开挖卸荷模型试验方面,分析了模型试验在边坡工程与地下工程开挖卸荷模拟中的研究进展;在工程岩体现场开挖卸荷试验方面,介绍了现场真三轴试验系统的研制与应用进展情况,以及现场监测技术在工程岩体开挖卸荷变形与稳定分析中的研究进展.最后,结合卸荷岩体工程发展需求和卸荷岩体力学试验中所存在的不足,对卸荷岩体力学试验将来的发展方向进行了分析展望.

奥陶系灰岩卸荷力学特性试验研究

岩石在卸荷状态下的力学特性与其在加载状态下有着明显区别,对奥陶系灰岩进行了常规三轴与卸荷三轴的对比试验分析。试验结果表明,卸荷状态下岩石的变形以侧向变形为主,且扩容显著;卸荷状态下岩样没有出现明显的塑性阶段,峰后出现了明显的应力跌落,表明灰岩的脆性特征在卸荷状态下相对明显。相对于加载,卸荷岩石的黏聚力c和内摩擦角ψ均有所减小;卸荷状态下峰值抗压强度和残余抗压强度明显减小,并且随围压增加其减小的幅度也减小。

红黏土卸荷蠕变特性及对开挖边坡稳定性影响研究

文章以云南省保山市隆阳区汉庄镇一建设工程边坡开挖为例,首先进行了边坡上部红黏土卸荷蠕变试验。对比了不同初始应力下的卸荷蠕变试验应变-时间曲线特征。采用应力-应变等时曲线法确定了红黏土不同初始应力下的长期强度,并将其与常规三轴试验得到的瞬时强度进行对比分析。通过GeoStudio软件对该边坡开挖后土体强度的变化以及边坡位移、应力状态和稳定性进行分析。卸荷蠕变试验结果表明:红黏土卸荷蠕变变形量和达到稳定所需时间都与初始应力呈正比,而试样发生蠕变破坏所需的偏应力值Δq与初始应力呈反比。相较于对应初始应力下常规三轴剪切强度,长期强度降低了75.0%~79.0%。数值模拟结果表明:坡体开挖后水平方向的最大位移发生在坡体中下部和开挖形成的陡坎上部,基本形成贯穿之势。在陡坎底部形成了应力集中区,相较于开挖前,开挖后边坡稳定性系数降低了45.1%。

如美水电站花岗岩卸荷力学特性试验研究

在常规三轴试验和卸荷试验的基础上,对比了两种试验方案下岩石的变形特性、力学参数和破裂特征。研究结果表明:由于试验岩样固有脆性特性,峰前变形阶段为本实验主要阶段,因此将峰前变形阶段作为主要研究对象;卸荷试验中,泊松比总体呈增大趋势,相对于加载试验平均增大了52.5%~118.75%;卸荷试验中,岩石黏聚力相对加载实验降低了31%,内摩擦角相对加载试验增加了8%;卸荷试验中,岩石破坏张性破裂特征明显,各种级别张裂隙、剪裂隙以及张剪(压剪)裂隙发育,且沿各级张、剪裂隙发育的次级裂隙也较发育。

断续双裂隙砂岩三轴卸荷蠕变特性试验及损伤蠕变模型

为研究卸荷条件下裂隙岩体的蠕变特性,以通过对砂岩切割并充填水泥砂浆制备的裂隙试样为对象,开展了恒轴压分级卸围压三轴卸荷蠕变试验。试验结果表明:试件在破坏时对应应力差最小的是缓缓和陡缓裂隙组合岩体,其次为陡陡裂隙组合岩体和完整试样;从变形特点来看,相同应力状态下,瞬时应变与蠕应变从大到小的顺序依次均为缓缓、陡缓、陡陡裂隙组合岩体和完整岩石。采用元件模型对各试件不含加速蠕变阶段的变形进行的拟合显示,可采用同一形式的本构模型对裂隙岩体和完整试样进行描述。根据这一结论提出了基于Lemaitre应变等效原理和Sidoroff能量等价原理的裂隙岩体损伤蠕变模型,并与室内试验结果进行了对比与分析。该模型可通过完整岩石蠕变模型参数推导裂隙岩体蠕变模型参数,从而建立了完整岩石与裂隙岩体间的关系。