三轴压缩条件下饱水岩石破坏后区荷载速率效应试验研究

采用三轴压缩交替荷载速率试验,对3种饱水岩石破坏后区荷载速率效应进行研究,探讨围压对破坏后区荷载速率效应的影响规律。研究结果表明,(1)岩石在峰值处的荷载速率效应系数n值随围压的升高而逐渐增大,表明岩石在峰值处的荷载速率效应随围压的升高逐渐减弱;(2)岩石在破坏后区也呈现明显的荷载速率效应,且随着围压的升高,田下凝灰岩和荻野凝灰岩在破坏后区的荷载速率效应变得越来越明显,而井口砂岩在破坏后区的荷载速率效应则逐渐减弱;(3)运用4种荷载速率效应系数对破坏后区应力-应变曲线进行修正,其与高荷载速率对应的破坏后区应力-应变曲线重合性均较好,表明4种荷载速率效应系数均能用于量化分析岩石破坏后区荷载速率效应,但基于岩石卸载模量求取的nd最适合用于对岩石破坏后区荷载速率效应进行量化分析。

强度破坏点后岩石应力-应变曲线荷载速率依存性研究

利用3种试验方法对在强度破坏点之后处于低应力下的岩石应力-应变曲线的荷载速率依存性进行研究。首先,对三城目安山岩、稻田花岗岩和田下凝灰岩进行交替变换荷载速率试验,按一定应变间隔Δε,对同一个试样交替施加高低2种不同的荷载速率,得到对应于2种荷载速率的应力-应变曲线。试验结果表明,在破坏点之后仍可以清楚地观察到应力-应变曲线的荷载速率依存性。其次,对三城目安山岩和稻田花岗岩在恒定速率下进行循环加载卸载试验,得到了应力-应变曲线上很多点处的卸载曲线。将在交替变换荷载速率试验中得到的对应于低荷载速率的应力-应变曲线沿着卸载曲线平移,可以与高荷载速率对应的应力-应变曲线重合。最后,对三城目安山岩、稻田花岗岩和田下凝灰岩进行组合试验,即对一个岩石试样施加2种交替变换荷载速率和循环加载卸载。结果表明组合试验具有操作简单性和很强的适应性,可以用来研究岩石强度破坏点处以及强度破坏点之后领域的荷载速率依存性,强度破坏点之后的应力变化率与强度点处的基本一致。

基于巴西劈裂试验的岩石应力–应变曲线荷载速率依存性研究

岩石荷载速率依存性是岩石类材料流变力学研究的基本内容之一。通过对井口砂岩、江持安山岩及田下凝灰岩开展交替荷载速率条件下的巴西劈裂试验,分析交替荷载速率条件下岩石巴西劈裂破坏过程及应力–应变曲线的峰前和峰后荷载速率依存性特征,结果表明:(1)交替荷载速率条件下岩石巴西劈裂裂纹先从试件中心起裂并逐渐沿劈裂面向两端扩展,其破坏过程可分为4个阶段;(2)采用交替荷载速率试验得到的巴西劈裂试验曲线,可以清晰地观察到岩石在峰值前和峰值后阶段应力–应变的荷载速率依存性特征;(3)岩石巴西劈裂强度随加载速率的增大而增大,表现出了明显的荷载速率依存性,并通过计算荷载速率依存性系数n值,定量分析了3种岩石的荷载速率依存性特征。

基于应力归还控制的岩石荷载速率依存性研究

采用应力归还伺服控制方法,对I和II类岩石荷载速率依存性进行研究。首先,运用变阻器技术,实现伺服试验机应力归还控制,能对岩石峰后进行稳定控制,完整地获得岩石的全应力–应变曲线。其次,对I(田下凝灰岩、荻野凝灰岩)和II类岩石(江持安山岩、井口砂岩)进行恒定荷载速率、交替荷载速率和加载–卸载–加载组合试验,组合试验对弹性和非弹性应变成功地进行了分离,得到非弹性应变和应力的对应关系。试验结果表明,破坏强度、破坏应变、杨氏模量和破坏寿命具有明显的荷载速率特性。最后,对峰前区域的荷载速率依存性常数n提出了3种求解方法,为研究岩石的速率效应奠定了基础。

河津凝灰岩广义应力松弛特性及数值模拟研究

在很多地下工程实践中,岩体既不是纯蠕变,也不是纯应力松弛,而是随着时间的增加,应力和应变同时发生变化,表现出时间依存性,导致岩体最终破坏,这种现象用一般的蠕变和应力松弛很难解释清楚。全面系统地阐述了广义应力松弛特性及其工程物理意义,借用非线性Maxwell模型,求解了广义应力松弛条件下可变模量本构方程解析解,特别提出了通过交替荷载速率试验和加、卸载试验,精确求解峰前区域荷载速率依从性系数n_1的新方法。进行了70%和90%应力水平下广义应力松弛试验,并讨论和分析了不同应力水平、不同方向系数下广义应力松弛试验的时间依存性,最后用基于非线性Maxwell模型的可变模量本构方程对70%和90%应力水平下的广义应力松弛试验进行了数值模拟,结果表明,计算和试验结果一致性较好,很好地解释了河津凝灰岩广义应力松弛特性。

开挖扰动区内岩石的压密特性和强度恢复性研究

利用交替变换荷载速率试验研究压密后岩石试样的强度恢复和荷载速率依存性。首先,分别对田下凝灰岩、来待砂岩、河津凝灰岩和三城目安山岩4种岩石试样在空心圆筒内进行压缩破坏,然后持续轴向加载,压密破坏后的岩石试样。从空心圆筒中推出压密后的试样,进行单轴压缩下的交替变换荷载速率试验,即按一定应变或位移间隔,对同一试样交替施加高低2种不同的荷载速率,得到对应于2种荷载速率的应力-应变曲线。在整个交替变换荷载速率试验过程中,应力随荷载速率的切换而增减。从交替变换荷载速率试验得到的应力-应变曲线上的荷载速率切换点出发,利用3次样条曲线拟合得到2条对应于高低2种荷载速率的应力-应变曲线,并求解强度点处荷载速率依存性参数n。试验结果表明,田下凝灰岩、来待砂岩和河津凝灰岩的强度恢复现象明显,单轴抗压强度随着压密试验中轴向最大荷载的增加而增加,但没有观察到三城目安山岩的强度恢复现象。当压密试验中的最大轴向荷载较大时,压密后的试样的荷载速率依存性与完整试样的基本一致。当压密试验中的最大轴向荷载较小时,从极大和极小2个方面求解荷载速率依存性参数n,得出完整试样的n值介于压密试样的极大值n1和极小值n2之间,且差值不大。研究结果表明,在进行适当支护之后,随着时间的推移,开挖扰动区内的岩石存在强度恢复的可能性,且今后利用数值模拟考虑开挖扰动区内的岩石强度恢复特性和时间依存性时,在本构方程中可以采用与完整围岩区域一样的参数,从而简化数值模拟程序。

不同荷载水平及速率下超软土水相核磁共振试验研究

大规模建设中面临越来越多的淤泥等超软土地基处理,其目的是尽可能排出超软土体中的水而使土体固结,以改善其物理力学性能.静动力排水固结法试图利用高能量冲击而将超软土中部分结合水转换为自由水,进而实现更多水的排出而有效固结.然而,目前还不十分清楚能造成这种水相变化的冲击荷载究竟要达到何种水平及速率.为此,在模拟条件的、淤泥土的不同类型荷载水平及速率试验基础上,进行核磁共振水相测试,探索了典型荷载水平及速率下这种超软土中结合水可转化为自由水的条件及规律,主要为:1)对应于通常工程荷载的较低能量真三轴试验荷载速率与水平(1.6 MPa/s与100 kPa及以下),淤泥类超软土中非自由水不能转化为自由水.2)对应于静动力排水固结法条件的高速冲击荷载下(每击荷载水平3787 kPa,速率631.2 MPa/s),非自由水可转化为自由水;且冲击总能量越大(遍数及击数越多),就越易析出自由水.3)约束样品的侧限刚度对非自由水转化为自由水的影响可忽略.

分级循环加卸载下饱水细黄砂岩的变形破坏特征试验研究

针对富水隧道在不同施工阶段遭受的变幅荷载扰动下围岩损伤破坏问题,通过开展分级循环加卸载试验,分析循环加卸载过程中应力-应变滞回曲线、岩样变形参量和宏观破裂特征,揭示分级循环加卸载下饱水砂岩的变形破坏规律。结果表明:随加载幅值增加,滞回环迁移量先减小后增大,滞回环面积逐级增大,滞回环沿轴向应变呈“疏-密-疏”的发展;弹性模量呈“骤降→缓慢下降→加速下降”式逐级下降,泊松比呈“梯级式下降→相对稳定→回升”式U形变化规律。围压提高了岩样刚度和抵抗变形能力,整体弹性模量增大,加载起始泊松比增大,残余应变增大,但后期屈服段循环加卸载作用下弱化作用明显;荷载速率越快,加载啮合摩擦作用越明显,平均加卸载模量越大,岩样不可逆变形越小,但泊松效应不明显。围压增大,砂岩由拉剪复合破坏转变成压剪破坏;荷载速率越小,主裂隙越发育,贯通程度越高,破裂面冲刷程度较大。研究揭示的饱水砂岩变形破坏规律对富水隧道的围岩变形损伤和稳定分析具有显著的参考价值。