岩石破坏前后曲线分类及脆-延转换围压研究——蚀变岩常规三轴压缩试验Ⅰ

蚀变岩是工程中少见的软弱岩类,在西南某重大水电工程中,蚀变岩处于工程的重要部位,为保证工程的长期稳定性,对蚀变岩力学特性进行了深入全面的试验研究。通过对孔隙度不同的饱水蚀变岩进行系统的常规三轴压缩试验和总结分析,提出了蚀变岩三轴压缩下破坏前应力-应变曲线可分为3大类,破坏后应力-应变曲线亦可分为3大类的形态模式。并得出结论:蚀变岩的破坏类型受围压与孔隙度的共同影响,在给定的12MPa围压下蚀变岩以脆性破坏为主,只有孔隙度大于16%且围压大于4MPa时才有可能进入脆-延转换状态,且脆-延转换围压随孔隙度增加而降低,临界状态应力比随孔隙度增大而增加。

大理岩脆-延-塑转换特性的细观模拟研究

针对锦屏深埋大理岩峰后变形破坏的脆-延-塑转换特性,采用颗粒流程序(PFC)中的簇单元模型(CPM)对其进行细观模拟研究。经过对室内试验结果的反复模拟校准,获得描述锦屏深埋大理岩力学性质的一组细观物理力学性质参数。模型试验结果表明:试样的一系列宏观力学表现,包括弹性模量、泊松比、单轴与启裂抗压强度、应力-应变曲线、峰值与残余强度包络线、拉压强度比以及破坏形态等均与锦屏深埋大理岩的试验结果具有良好的一致性。对不同围压下裂纹发育规律的研究表明:不同应力状态下细观裂纹发育特征的显著差异是导致大理岩的变形破坏出现脆-延-塑转换特性的主要原因;张性裂纹的大量发育决定介质的脆性破坏模式,而剪切裂纹数目的快速增长则促使介质由脆性破坏模式逐渐向延-塑性破坏模式转换。

基于煤岩冲击与大变形特征的统一脆延性指标研究

冲击倾向性和延性分别是硬脆性煤岩和软岩的本质属性,开展岩性表征和脆延转换研究对深部工程安全采掘具有重要意义。为提出一种综合表达脆性破坏和软岩大变形特征的评价指标,总结了现有的冲击倾向性指标,基于全应力-应变曲线建立了统一脆延性指标(B_(u)),并结合试验数据进行了分析与探讨。结果表明:统一脆延性指标反映了煤岩脆/延性变形特征与破坏程度,统一脆延性指标B_(u)<0对应峰后应变硬化,B_(u)=0对应理想弹塑性变形,B_(u)>0对应峰后应变软化,B_(u)趋于正无穷对应理想脆性破坏;基于统一脆延性指标将冲击倾向性划分为3个等级,B_(u)<4.0时为无冲击倾向性,B_(u)介于4.0~28.0时为弱冲击倾向性,B_(u)>28.0时为强冲击倾向性。统一脆延性指标为无量纲指标,可以反映单轴条件和不同应力水平下脆性破坏特征,以及软弱或高应力水平下煤岩峰后应变硬化特征,尤其突出了单轴条件下不同煤岩脆性跌落的差别,对测试峰后急剧跌落煤岩的冲击倾向性有非常好的适用性。

多轴应力对深埋硬岩破裂行为的影响研究

针对深埋硬岩在多轴应力条件下的破坏特征,在笔者所在课题组工作的基础上,提出能够反映岩石在多轴应力作用下力学参数随塑性内变量的演化关系以及中间主应力和最小主应力对深埋硬岩脆延转换行为影响的岩体局部劣化模型(rock mass local deterioration model,RLDM),该模型考虑真实岩体应力状态对岩体力学行为的控制作用,并嵌入到自行开发的三维弹塑性细胞自动机软件系统中,而基于局部作用原理的细胞自动机方法能够方便地考虑岩石破坏过程中局部力学参数的动态更新。实验室尺度岩样的破坏过程模拟,较好地反映了随着围压的升高,岩石由脆性向延性转化的试验现象;工程尺度的锦屏二级水电站引水隧洞破坏行为模拟,获得的隧洞破裂模式较好地反映现场实际破坏现象,从而验证模型和模拟方法的正确性和合理性。在此基础上,以深埋硬岩为研究对象,分别考虑不同侧压力系数、不同中间主应力大小和方向,分析多轴应力对深埋硬岩破裂行为的影响,解释造成深埋硬岩隧洞复杂破裂模式的原因。结果表明,最小主应力升高使深埋隧洞的稳定性增强;深埋隧洞围岩的稳定性具有中间主应力效应及其区间性的特征。

高应力条件下深部巷道变形和破坏特征分析

高应力是深部巷道在开挖时所必然遇到的现实客观情况,深部岩石在高应力情况下会出现分区破裂化现象。通过FLAC3D数值模拟软件,模拟分析了深部巷道在复杂应力场下的脆延转换、分区破裂化等新的现象,同时也研究了埋深以及软化模量对深部巷道的影响。研究结果表明:500米埋深是深部巷道稳定应力变化的临界条件,低于500米时,稳定应力随着深度的增加而降低;大于500米时,稳定应力随着深度的增加而增加。

渗透压–应力耦合作用下砂岩渗透率与变形关联性三轴试验研究

为了探讨渗透压–应力耦合作用下岩石渗透率与变形的关联性,采用岩石伺服三轴试验系统,在不同围压和渗透压条件下,利用稳态法对砂岩全应力–应变过程进行渗透率试验研究。根据试样渗透率变化与其破坏过程的对应关系,分析全应力–应变过程中试样渗透率随其脆性、延性变化的特点及渗透率–轴向应变和渗透率–体积应变之间的关联性。试验结果表明:(1)在渗透压–应力耦合作用下,试样初始渗透率、峰值强度随着围压与渗透压的改变而改变。(2)在渗流场–应力场耦合作用下连续加载的全应力–应变过程中,渗透率先随着轴向应变的增大而逐渐减小,进入弹塑性阶段后,渗透率变化曲线随围压变化呈现增大、持平及减小3个不同趋势。其中,渗透率曲线持平的现象为三轴渗透试验研究中的新现象。(3)围压较高时,若形成局部压缩带,则试样进入弹塑性阶段后,渗透率的变化趋势是由岩石微裂隙的萌生、扩展与岩石骨架颗粒压碎这2个主要因素共同决定的。(4)岩石微裂隙的萌生、扩展对渗透率增大起积极作用,岩石骨架颗粒压碎形成的压缩带对渗透率增大起抑制作用。(5)岩石进入塑性阶段后,随围压增大,渗透率由上升趋势转变为下降趋势的现象先于脆–延转换的临界状态发生。(6)岩石的体积应变对渗透率有一定影响,在脆–延转换阶段存在体积应变增大而渗透率减小的现象,这需要其他能够更精确地测量体积应变变化的试验进一步验证。

深埋大理岩力学特性对岩爆发生条件的影响分析

岩爆作为深埋地下工程围岩的一种破坏方式,其发生条件受多种因素的制约。根据在锦屏二级深埋隧洞掘进过程中的岩爆统计结果,即使应力条件和岩体强度达到一定的要求,岩爆发生与否以及剧烈程度还与岩体力学特性有密切的联系。锦屏二级深埋隧洞沿线以大理岩为主,为此开展了大理岩力学特性与岩爆发生关系的相关研究工作。根据大理岩三轴压缩试验结果,验证了大理岩的脆-延-塑转化特性,确定了锦屏白山组大理岩的转化围压和相关的Hoek-Brown强度参数,并利用经验的方法初步评价了锦屏深埋大理岩的岩爆风险。为了进一步明确岩体力学特性对岩爆风险的影响,利用现场实际的岩爆破坏形态,通过考察不同深度处测点的应力路径,校核了现场岩体的力学参数。在此基础上分析了具有岩爆风险的围岩力学状态,分别研究了岩石强度、岩体完整性和岩体脆性特征对岩爆发生条件的影响。研究结果表明,锦屏大理岩岩石强度和脆性特征可以影响到锦屏深埋隧洞围岩岩爆风险程度,但其影响相对较小,而岩体完整性对岩爆风险形成具有比较明显的影响。

锦屏二级水电站深埋大理岩力学特性研究

采用锦屏二级水电站埋深2000m的白山组大理岩试样进行单轴压缩-声发射试验,通过试验结果的分析确定白山组大理岩的启裂强度和损伤强度,分别为0.4～0.5倍和0.8倍的单轴抗压强度,试验结果与加拿大URL针对Lac du Bonnet花岗岩的测试成果相接近。针对白山组深埋大理岩开展室内三轴压缩试验,试验成果显示锦屏白山组大理岩随着围压的增大其峰后应力-应变曲线具有明显的脆-延-塑转换特征。对比锦屏白山组大理岩、Lac du Bonnet花岗岩以及三峡花岗岩的三轴试验成果,说明大理岩和花岗岩峰后力学特征的显著差异。采用Hoek-Brown强度准则的本构模型描述大理岩的脆-延-塑转换特征,并将研究成果应用于引水隧洞的围岩损伤深度预测。

岩石破坏全过程的连续-离散耦合分析方法

在变形体离散元的框架内引入界面单元,提出模拟岩石等准脆性材料破坏过程的连续-离散耦合分析方法。假定损伤和断裂只发生在界面单元上,实体单元只产生弹性变形,采用带拉断的Mohr-Coulomb准则和标量损伤因子来模拟界面单元的损伤、失效过程,实现岩石由连续性向非连续性转换的物理过程。在数值试验中,岩石细观尺度上单元的弹性模量和单轴抗压强度服从Weibull概率分布并满足一定的相关性。数值模拟结果表明:本文方法能反映岩石在加载过程中的线弹性、非线性、软化、残余4个阶段和主要特点;能显式地模拟微裂缝的萌生、扩展直至贯通形成宏观裂缝的全过程;反映岩石强度的围压依赖性和脆-延-塑转换力学特性。

锦屏大理岩力学特性试验及其数值模拟

采用锦屏大理岩进行三轴压缩过程中力学特性室内试验,并从岩石细观力学角度对其力学特性成因进行探讨。在此基础上通过引入两个参数,进一步建立了能够反映大理岩全应力-应变过程中强度变形特性的黏聚力弱化-摩擦角强化(CWFS)改进模型,并采用试验结果对该模型进行验证。研究结果表明:(1)随着围压的增大,锦屏大理岩表现出明显的脆-延-塑性转换的峰后力学特性,峰值强度与残余强度之间的差值呈单调减小的趋势,应力-应变曲线中由峰值强度向残余强度跌落段曲线的斜率逐渐变缓;(2)高围压条件下岩石裂隙之间的摩擦力、岩石内部材料的均匀化程度是导致大理岩表现出脆-延-塑性转换的峰后力学特性的主要原因;(3)黏聚力弱化-摩擦角强化改进模型能较好地描述大理岩全应力-应变过程的强度、变形特征,且模型参数物理意义明确,易于获得。

Hoek-Brown准则的脆性不等式及其对GSI取值的限制

Hoek-Brown准则2018版指出,H-B准则仅适用于岩石脆性破裂,不适用于延性破坏,此论断对地质强度指数GSI的取值构成了物理上的限制,目前尚未得到充分讨论。针对该问题,从H-B准则的脆性破裂假设出发,基于岩石脆-延转换理论,通过推导和计算建立H-B准则的脆性不等式,给出应力强度比对GSI取值的限制条件,探讨不同岩性岩体的GSI取值与埋深的关系,指出不同类型岩体超过极限埋深后将进入延性破坏区,H-B准则也将随之失效。上述研究有助于H-B准则的合理使用,避免岩体参数估计出现较大的偏差。

围压效应下砂岩声发射与压缩变形关系的细观模拟

通过三轴压缩试验和声发射(AE)试验,得到砂岩不同围压下全应力–应变过程的声发射数据。基于室内试验结果,采用颗粒流软件PFC2D,从细观角度模拟不同围压下砂岩压缩变形过程中的声发射时空分布,并考虑张拉和剪切2种裂纹的不同发育规律,建立砂岩压缩变形过程中声发射特征与脆延转换之间的联系。研究表明,低围压下声发射经历"平静期"、"发展期"、"爆发期"和"回落期",声发射主要为张拉裂纹,且集中在剪切带上,并伴随少量剪切裂纹;高围压下声发射在"爆发期"后并没有明显的回落;峰值强度前弥散分布的剪切裂纹数量大于张拉裂纹,峰后相对集中而贯通的张拉裂纹数量超过剪切裂纹;张拉裂纹为主的声发射体现出脆性破坏特征,剪切裂纹大量发育则预示着试样由脆性向延性转换。