干湿循环下节理砂岩细观能量演化规律研究

为探究干湿循环作用下的节理砂岩的细观损伤劣化规律,采用颗粒流软件开展了节理砂岩细观数值模拟,研究了不同干湿循环下节理砂岩的细观力学特性和能量演化机制。研究表明:随着干湿循环次数的增大,颗粒间的接触力和平行黏结力最大值呈线性递减规律;干湿循环下节理砂岩裂纹演化主要经历缓慢增加、均匀增加、阶梯增加及突变增加4个阶段,且裂纹数目(总裂纹、拉伸裂纹及剪切裂纹)与干湿循环次数呈正相关;细观边界能、平行黏结应变能及线性黏结应变能随干湿循环次数的增加呈逐渐减小趋势,节理砂岩中耗散能与微裂纹数大致呈正相关;干湿循环作用导致颗粒间抗断裂能力弱化,使岩样能量储存能力降低,这是造成节理砂岩干湿损伤劣化的能量机制。

干湿循环节理砂岩单轴压缩声发射演化特征

干湿循环对岩石造成不可逆的累积损伤,而岩石的变形破坏过程伴随着明显的声学特征。为探讨干湿循环后节理砂岩变形破裂机理,通过开展节理砂岩室内单轴压缩试验,采用声发射测试技术监测岩样损伤破坏的声学数据,研究历经0、1、5、10、15、20次干湿循环作用后的完整、单节理、双节理砂岩岩样在变形破裂过程中声发射参数的演化特征。结果表明:随着干湿循环次数的增加,砂岩岩样峰后塑性特征逐渐增强,声发射活动表现存在微弱、增强、陡增、剧烈4个阶段;随着干湿循环次数的增加,节理岩样声发射剧烈活动阶段的持续时间、累计振铃计数的降幅以及变形破坏过程中的声发射b值均呈逐步增大的趋势;各种干湿循环次数情况下完整岩样的声发射b值均大于节理岩样。研究成果可为干湿循环下节理岩体变形破坏机理研究提供有益的参考。

高温后节理砂岩强度及变形破坏特性

利用单轴压缩试验对经历不同温度后节理砂岩的物理力学性质进行分析研究,得出了关于节理砂岩高温后应力-应变曲线、峰值强度、峰值应变及弹性模量等参数随温度的变化规律。同时利用声发射仪器监测岩石压缩过程中的声发射分布特征,探讨不同温度对于变形破坏机理的影响。分析结果表明:温度对于节理砂岩性质的影响是多方面的。当经历温度较低时,温度对于节理砂岩性质的增强效果大于削弱效果;而当温度较高时,则反之。400℃为试验的温度阈值。在400℃前后,节理砂岩的峰值强度、峰值应变、弹性模量等均呈现不同的变化趋势。节理砂岩经历高温后,产生的裂纹主要分布在节理附近,且经单轴压缩破坏后,裂隙同样主要沿节理分布,受热后,岩石的破坏模式由脆性破坏向延性破坏转变。

单轴压缩下单节理砂岩峰前能量自我抑制演化规律

从能量角度探寻节理对岩体损伤破坏规律的影响,可为工程岩体稳定性分析提供参考。利用室内岩石单轴压缩试验、数字图像相关法以及PFC数值模拟方法,基于岩石能量理论,对单轴压缩下单节理砂岩力学特征和能量自我抑制演化模型的节理倾角效应、节理长度效应特征进行了研究,建立了节理砂岩峰前弹性应变能和轴向应变之间的自我抑制演化模型,并探讨了节理长度、节理倾角及围压对节理砂岩峰前宏细观能量自我抑制演化的影响。研究表明:节理砂岩峰前宏细观能量积聚过程可用其能量自我抑制演化模型来表征,其分别与室内试验结果、数值模拟结果拟合效果良好;从模型参数的演化规律来看,考虑自我抑制效应和不考虑自我抑制效应下,影响能量积聚转化作用机制的节理倾角效应和节理长度效应特征均具有同步性和竞争性,但抑制能量转化作用的机制对峰前能量积聚的最终结果起了决定性作用;高围压条件会削弱节理砂岩峰前细观能量积聚过程的自我抑制作用。同一围压水平下,节理砂岩峰前宏细观能量自我抑制作用随节理倾角增大而先增强后减弱,能量积聚速率先减小后增大,相应的峰值点处的储能极限先减小后增大;随着节理长度的增大,节理砂岩峰前宏细观能量自我抑制作用逐渐增强,能量积聚速率逐渐减小,相应的峰值点处的储能极限逐渐减小。

库岸边坡水-岩作用对节理砂岩力学特性影响研究

三峡库区蓄水之后,库水位在145 m和175 m之间呈周期性的升降变化趋势,考虑消落带岩体的实际赋存环境,设计进行了考虑水压力升降变化和浸泡-风干循环的水-岩作用试验,分析了水-岩作用的劣化效应。研究结果表明:(1)节理砂岩抗压强度、变形模量随节理倾角的变化呈先减小再增大的U形变化规律,在周期性水-岩作用下,节理砂岩的抗压强度和变形模量劣化效应明显,其中前5次水-岩作用导致的劣化效应尤为显著;(2)水-岩作用使得节理砂岩的各向异性力学特性逐渐减弱,其中,抗压强度的各向异性度从1.56降低到1.41,变形模量的各向异性度从1.53降低到1.33;(3)水-岩作用不仅使得岩体整体力学性质劣化,也逐渐改变节理岩体的破坏模式,导致不同倾角节理砂岩力学特性劣化趋势存在明显差异,其中,在节理倾角为0°和90°附近时,水-岩作用导致的劣化幅度相对较大,而节理倾角为60°左右时的劣化幅度相对较小。研究结果可为库岸边坡的长期变形稳定分析提供较好的参考。

单轴压缩下节理砂岩能量演化机制倾角效应

基于室内单轴试验和岩石能量理论,研究单轴压缩下不同倾角节理砂岩能量演化机制,分析节理砂岩峰值点各能量指标和峰前、峰后能量突变幅度的倾角效应。研究结果表明:根据节理砂岩的各能量占比和能量曲线斜率的变化规律,可将节理砂岩能量演化过程划分为初始压密耗能段、峰前线性储能段、峰前能量跳跃积聚段、峰前加速耗能段和峰后能量突散段;节理砂岩峰值点处总应变能和弹性应变能随节理倾角增大均呈不对称"U"型演化特征,岩体受能量驱动而发生变形破坏的难易程度呈难—易—难变化趋势;节理砂岩峰前能量突变幅度随倾角增大呈不对称"倒V"型变化趋势,缓倾角节理砂岩峰前突变损伤程度强于陡倾角节理砂岩;节理砂岩峰后能量突变幅度随倾角增大呈不对称"V"型分布,峰后裂崩程度先减小后增大,倾角为45°的节理砂岩峰后裂崩程度最小。

充填节理砂岩波速及强度影响试验研究

为研究不同节理材料和厚度对砂岩波速及单轴抗压强度的影响,采用充填10mm厚度水泥砂浆、石膏、水泥浆和充填5mm、10mm、15mm厚度水泥砂浆的方案,对含节理试件的纵波波速和强度及破坏形态进行了研究。结果表明:不同节理材料和厚度对节理砂岩试件纵波波速有显著影响,且随着砂岩节理厚度的增加,砂岩的纵波波速逐渐降低;节理砂岩试件的抗压强度随着节理材料强度的降低而降低,随着节理厚度的增加呈现降低的趋势;不同节理材料砂岩试件的破坏以张拉破坏为主,不同节理厚度的砂岩试件的破坏以拉剪破坏为主。

水力耦合下节理砂岩三轴压缩渗透性能试验研究

为了研究节理砂岩在高地应力、高水压耦合环境下性能发展情况,利用配有渗流装置的岩石三轴伺服试验机,开展不同围压与渗透水压下节理砂岩三轴压缩渗透性能试验。结果表明:节理砂岩三轴压缩渗透峰值强度随着围压增加而增大、随着渗透水压增加而减少,围压对峰值强度的积极影响要大于渗透水压对峰值强度的消极影响;初始渗透率受试件所处力学环境影响较大,围压和渗透水压变化均会引起初始渗透率改变,且其发展趋势与峰值强度相反;三轴压缩渗透初始阶段随着应力增加渗透率降低,弹性阶段渗透率则保持相对平稳状态,屈服阶段渗透率开始随着应力增加逐步上升最终达到最大。

循环加卸载下节理砂岩宏细观损伤破坏机制研究

为研究节理岩体疲劳荷载条件下累积损伤宏细观力学特征及破坏机制,开展节理砂岩不同上限应力比循环加卸载试验。试验结果表明:(1)随上限应力比增加,节理砂岩滞回圈间距由“疏–密”两阶段转化为“疏–密–疏”三阶段的变化规律。(2)当上限应力比小于0.90时,循环加卸载后节理砂岩单轴抗压强度均有不同程度增高,且随上限应力比增加而呈现先增大后减小趋势,当上限应力比为0.80时,单轴抗压强度最大;当上限应力比≥0.90时,节理砂岩在循环过程中发生破坏,且随上限应力比增加疲劳次数减小。(3)不同倾角砂岩破坏时经历的疲劳次数呈90°>60°>0°>45°规律;通过对比分析循环加卸载后节理砂岩破坏模式,发现不同上限应力比主要影响试样破坏程度,上限应力比越高,破碎程度越大;节理倾角主要影响试样破坏模式,60°和45°节理砂岩试样以剪切破坏为主,90°和0°节理砂岩试样以张拉破坏为主。(4)采用核磁共振(NMR)以及扫描电镜(SEM)测试循环加卸载疲劳损伤后节理砂岩孔隙变化情况以及细观结构特征,发现试样疲劳破坏可分为以“间隙压密填充–黏土矿物破碎–骨架矿物破碎”为主要特征的“减速疲劳–稳定疲劳–加速疲劳”三个阶段。

节理砂岩在循环加卸载下力学特性及损伤规律实验研究

为研究不同方向频繁扰动对节理岩体力学特性及损伤规律的影响,利用伺服试验机对南坡铜矿砂岩平行层理方向、垂直层理方向进行单轴循环加卸载,每次应力水平依次递增的实验,直至岩石破坏,通过实验数据分析得到:1平行层理方向加载的泊松比和弹性模量比垂直层理方向大,破坏强度相反;2卸载阶段的弹性模量和泊松比总比对应的加载阶段的要大;3随着循环次数的增加,两种加载方向均体现出形成的封闭塑性滞回环的面积逐渐增大,但垂直层理方向增加幅度要明显大于平行层理方向;且对应的各循环阶段的滞回环面积比平行层理方向要大;4每次循环残余变形量总比上一次的要大,但增长速度降低,降低幅度为5%~10%;5对于两种不同的加载方向,损伤规律、纵向应变的发展及应力大小有很好的一一对应关系,且岩石的损伤记忆性不受各向异性影响.

节理泥质粉砂岩卸荷流变试验及流变规律研究

为了解节理对泥质粉砂岩卸荷流变规律的影响,进行了同起始围压,不同应力水平下的节理泥质粉砂岩分级卸荷流变试验。首先,详细介绍了节理试样的预制方法及卸荷流变试验的过程,然后,研究了节理试样在不同应力水平作用下的轴向及侧向流变应变变化规律,得出节理倾角为0°的试样轴向及侧向流变应变随围压降低的增大趋势最陡,节理倾角为60°的试样其次,节理倾角为40°的试样最缓。同时,分析了节理对轴向及侧向流变速率变化趋势的影响,探讨了不同倾角节理试样的卸荷流变破裂机制。研究结果较为全面地掌握了节理泥质粉砂岩的卸荷流变基本规律,为进一步建立节理岩体的流变本构模型及参数辨识提供了可靠依据。

微凸体形状对砂岩节理摩擦因数的影响研究

为分析微凸体形状对砂岩滑动稳定性的影响,采用自制摩擦滑动装置对砂岩节理进行滑动摩擦试验,将砂岩表面微凸体形状考虑为规则正多边形,引入微凸体形状系数参数,建立包含微凸体参数的摩擦因数预测模型。结果表明:微凸体长度越大,摩擦因数越小,变化范围越窄。微凸体长度一定时,微凸体形状系数越大,摩擦因数越小;微凸体形状系数不变时,微凸体长度越大摩擦因数越小。当微凸体长度取值在2~5 mm之间时,摩擦因数预测值与试验值吻合较好。

3DEC中红砂岩节理模型开发及数值模拟

利用人工劈裂的红砂岩节理进行直剪试验,研究了红砂岩节理三维形貌与节理峰值抗剪强度的关系。基于节理形貌参数提出了劈裂节理峰值抗剪强度模型,采用新模型和Barton强度模型计算了红砂岩节理的峰值抗剪强度,并与试验结果进行对比。分析表明:采用Barton模型计算的误差平方和为0.67;而新模型计算的误差平方和为0.05,能更好地描述岩石节理峰值剪切强度。结合Barton对节理剪切变形的研究和Bandis提出的节理法向双曲线模型,采用C++语言编写了3DEC离散元程序的自定义节理模型。通过节理单轴压缩试验及直剪试验的模拟分析,验证了新节理模型可以合理反映红砂岩节理力学特性。

循环干湿处理后红砂岩节理的剪切性质试验研究

为研究干湿循环作用对节理岩体剪切力学性质的影响,通过倾斜试验筛选出JRC范围为4.95~5.45的节理试样,在恒定法向应力下对不同干湿循环次数的红砂岩节理进行直剪试验。在干湿循环初期,节理峰值剪切位移先增大后减小,8次干湿循环作用后有增大趋势。随着干湿循环次数增加,节理剪切刚度逐渐降低,低法向应力下剪切刚度下降更为明显。在干湿循环作用16次后,砂岩节理的峰值剪切强度降低了12.41%~23.77%,干湿循环作用的影响随着循环次数的增加而减弱,高法向应力下节理峰值剪切强度的劣化程度减小。黏聚力和内摩擦角在干湿循环次数较小时劣化显著,相同循环次数下,黏聚力的劣化程度大于摩擦角。节理表面损伤程度随着干湿循环次数的增加而增大,4次干湿循环作用后,损伤程度趋于稳定。干湿循环作用下,节理剪切力学特性劣化明显,节理表面附近裂纹、裂隙的产生和扩展是剪切力学参数劣化的原因。