绿片岩三轴流变力学特性的研究(I):试验结果

为了解锦屏一级水电站坝基绿片岩的流变力学特性,采用岩石全自动流变伺服仪对绿片岩进行了三轴压缩流变试验。基于试验结果,研究了绿片岩在不同围压作用下的轴向应变以及侧向应变随时间的变化规律,讨论了流变特性对岩石应力-应变曲线的影响,探讨了不同应力水平下的轴向以及侧向流变速率变化趋势,分析了不同围压下流变的破裂机制,掌握了绿片岩三轴流变的基本规律,从而为该水电站工程流变数值分析时参数的辨识提供了可靠的依据。

绿片岩三轴流变力学特性的研究(II):模型分析

首先,基于在岩石全自动流变伺服仪上得到的绿片岩三轴流变试验曲线,采用五元件线性粘弹性模型对表现为粘弹性流变特性的曲线进行了辨识,获得了绿片岩的粘弹性流变参数;然后,提出了一个新的非线性粘性元件,并将其与塑性体并联起来,得到一个新的非线性粘塑性体(NVPB),该体能充分反映岩石的加速流变特性:同时,将NVPB模型与五元件粘弹性模型串联起来,建立了一个新的岩石七元件非线性粘弹塑性流变模型。采用绿片岩加速流变全过程曲线,对提出的岩石七元件非线性粘弹塑性流变模型进行了辨识,得到了岩石七元件非线性粘弹塑性流变模型的材料参数。流变模型与试验结果的比较,显示了所建模型的正确性与合理性。

饱和状态下硬岩三轴流变变形与破裂机制研究

利用岩石全自动流变伺服仪对饱和状态下坚硬大理岩和绿片岩进行了三轴压缩流变试验,基于得到的硬岩三轴流变试验结果,研究了硬岩在不同围压作用下的轴向应变以及侧向应变随时间的变化规律,从而为岩石工程流变数值分析时参数的辨识提供了可靠的试验依据。然后研究了硬岩轴向变形与侧向变形之间的关系,探讨了围压与粒径对岩石轴向以及侧向变形特性的影响规律,分析了岩石三轴流变过程中的塑性变形特性,讨论了流变应力水平对岩石侧向-轴向变形特性的影响规律。最后对不同围压作用下岩石流变破裂断口微细观特征进行了分析。

岩石粘弹塑性模型的研究

根据岩石粘聚力在流变中的作用提出了新的流变机理,建立了新的一维粘弹塑性本构模型,推导了相应的一维蠕变本构关系和相应的一维松弛本构关系,并对蠕变实验结果进行了模拟,结果表明该模型能够反映岩石流变的全过程和模拟岩石蠕变中的第三蠕变,可以避免建模中的模型识别过程,反映岩石流变的机理,物理意义明确,适用范围广。实验证明该模型是合理的。

砂岩三轴循环加卸载条件下的渗透率研究

渗透率是地下工程的流-固耦合分析中的一个关键因素。对多孔红砂岩进行了三轴压缩试验,在不同变形阶段实施了轴向应力循环加卸载,并在试验全过程中测量轴向渗透率,得到了试样破坏全过程的渗透率演化规律。从平均应力和循环加卸载对渗透率的影响等两方面进行了深入分析,结果表明,(1)随着轴向变形的增加,初始压密阶段和弹性变形试样渗透率均匀减小;进入塑性变形阶段,渗透率与轴向变形的曲线逐渐趋于水平,低围压条件下渗透率略有增加。(2)轴向加载使骨架颗粒被压缩,引起孔隙减小,造成渗透率减小;采用经验公式定量描述了渗透率和平均应力之间的关系。(3)轴向应力循环加卸载过程中,骨架颗粒的不可恢复变形引起渗透率产生不可恢复现象。(4)峰值后渗透率只发生少许突跳,说明对于多孔砂岩,孔隙和裂隙对渗透率的影响相当,且渗透率的突跳程度随着围压的升高而降低。

盐岩裂隙渗流–溶解耦合模型及试验研究

根据盐岩溶解机制,对盐岩裂隙的溶解过程进行合理简化和假设;在此基础上,考虑盐岩裂隙溶解和渗透性变化的耦合条件,建立盐岩裂隙渗流–溶解耦合模型。利用自行设计研制的盐岩裂隙渗流–溶解耦合试验装置对特定条件下的盐岩裂隙渗流–溶解耦合过程进行试验研究,并应用盐岩裂隙渗流–溶解耦合模型进行模拟分析与验证,计算结果与试验结果非常吻合,表明所建立的盐岩裂隙渗流–溶解耦合模型可以很好地描述盐岩裂隙的渗流–溶解耦合机制。该研究成果为进一步研究盐岩的应力–渗流–溶解耦合机制奠定重要的理论和试验基础。

北山深部花岗岩弹塑性损伤模型研究

基于力学特性试验和三维声发射监测技术,研究北山花岗岩在压应力条件下的力学行为特征和损伤演化机制,并构建岩石的力学损伤模型。试验结果表明,在低围压条件下岩石主要发生的是脆性破坏;随围压增大,岩石力学行为逐渐向延性转化,表现出剪胀、塑性变形等非线性行为。结合微裂隙产生和扩展规律,对岩石在外力作用下的损伤演化过程和破坏机制进行分析,认为北山花岗岩的破坏及非线性行为是损伤和塑性变形共同作用的结果。基于这一认识,在热动力学框架下提出北山花岗岩准唯象弹塑性损伤模型。模型引入非关联的塑性流动方程,以反映岩石在压应力作用下体积变形从压缩到膨胀的转化过程。基于已有的损伤理论建立损伤演化方程,并通过在塑性屈服面中引入独立损伤变量,建立塑性和损伤发展的耦合关系。数值模拟和试验数据的对比表明,模型可以很好地描述北山花岗岩在不同应力水平下的损伤演化规律和力学行为,特别是随围压增大岩石力学行为从脆性到延性的转化过程以及岩石峰前塑性硬化和峰后应力软化等行为特征。

岩石变形劣化全过程细观试验与细观损伤力学模型研究

采用细观试验探究岩石变形劣化全过程是了解岩石变形破坏机制的重要手段。选取四川锦屏二级水电站深埋(2 525 m)隧洞围岩(大理岩),利用岩石变形破坏全过程细观力学试验系统,进行大理岩试样单轴压缩变形破坏全程的数字化试验,在SEM图像数字化处理基础上,对微裂隙的萌生、扩展及贯通过程进行数字化定量分析,统计试样在受压过程中微裂纹的面积、方位角、长度、宽度和周长基本几何数据。利用内变量热力学理论和摩擦弯折裂纹模型,分析微裂纹不同阶段的演化规律,建立微裂纹引起的非弹性应变与应力之间的定量关系,得到大理岩应力–应变关系计算曲线,并与试验结果对比,验证了本文理论模型的可靠性,从试验和理论两方面探究岩石试样单轴压缩过程中的破坏机制。

大理岩弹塑性耦合特性试验研究

大量研究表明,岩石经历塑性变形时其弹性参数会发生变化,即存在弹塑性耦合现象。为了研究岩石的弹塑性耦合特性,进行了两种大理岩的循环加、卸载试验。试验结果表明:与常规试验对比,循环加、卸载试验对岩石的变形、强度及破坏形态影响较小;弹性参数随塑性变形的变化显著,考虑弹塑性耦合时,弹性参数取体积模量和剪切模量更为合适;基于Mohr-Coulomb屈服准则,计算得到了强度参数,即黏聚力和内摩擦角随塑性内变量的演化规律。所得结论将为岩石弹塑性耦合本构模型的建立提供基本的试验支持。

峰后大理岩非线性渗流特征及机制研究

在围岩开挖扰动区中,围岩应力和裂隙水压力将会显著地影响其渗流性质。当水头压力梯度增大时,渗流速率增大,Darcy流转化为非线性渗流。首先,采用研制的温度–应力–渗流耦合的岩石力学试验系统进行不同静水压力下大理岩峰后非线性渗流试验,研究渗流速率随压力梯度的演化规律,将其演化过程分为稳定Darcy流、Darcy流向非线性渗流过渡段和非线性渗流3个阶段进行分析,并采用完全二次多项式描述渗流速率与水头压力梯度的关系。然后,通过试验中记录的变形数据,拟合临界启动压力梯度和裂隙水力开度与试样侧向变形的函数关系式,得到不同静水压力条件下由水头压力引起的裂隙水力开度的变化规律;并深入分析临界启动压力梯度、固有渗透系数和二次项系数演化的内在机制。随着静水压力的升高,试样中裂隙水力开度逐渐减小,引起固有渗透系数逐渐减小,二次项系数和临界启动压力梯度逐渐增大;随着水头压力的增大,裂隙水力开度逐渐增大,引起固有渗透系数增大,临界启动压力梯度和二次项系数减小。

大理岩破坏阶段Biot系数研究

在流固耦合研究中经常采用有效应力原理,Biot系数的确定为其中困难之一。为了研究含裂纹大理岩中Biot系数演化规律,在三轴压缩塑性变形后期阶段的不同轴向变形条件下,进行轴向压力加卸载循环;并在轴向压力卸载末期对岩样施加孔隙水压力。通过记录试样的变形,在Shao提出的Biot系数计算方法的基础上,计算轴向和侧向Biot系数。得到了不同围压条件下轴向和侧向Biot系数随轴向变形的演化规律,并对此进行了深入分析。结果表明:(1)Biot系数表现为各向异性,三轴压缩试验时,试样中大部分裂纹沿最大正应力方向扩展,是造成这种现象的直接原因;(2)轴向和侧向Biot系数随着轴向变形的增大而增大,轴向变形的增大引起岩样中裂纹扩展,导致Biot系数增大;(3)低围压条件下轴向和侧向Biot系数均比高围压条件下的值大,这是由于破坏方式不同引起的。

岩石粘弹性模型辨识及参数反演

本文回顾了常用的几种岩石粘弹性本构模型 ,依据蠕变柔量的概念 ,用位移和蠕变柔量两步反分析法从粘弹性本构模型的一般表达式中辨识出岩石的本构模型 .先由相应的位移实测值用解析法反演岩石的蠕变柔量 ,再由岩石的蠕变柔量运用非线性优化技术辨识出岩石本构模型表达式 ,最后进一步由模型参数反算出岩体的粘弹性参数 .文中最后给出了工程实例 .

岩石力学参数的区间参数摄动反分析方法

考虑岩体量测数据及其力学参数的不确定性,将它们视为未知但有界的物理量,用区间变量表示,提出了区间参数有限元控制方程的摄动求解方法,进一步建立了识别力学参数的区间反分析模型。基于区间参数摄动求解方法,分两步依次辨识出需反演力学参数的区间均值及其离差,得到力学参数的区间范围。以某巨型水电工程地下厂房模型洞围岩力学参数反演为例,研究了量测精度对结果的影响,计算结果表明该方法是合理可行的。

多孔岩石塑性压缩本构模型研究

白垩是一种典型的多孔岩石,三轴试验研究成果表明白垩具有2种塑性力学机理:塑性压缩(孔隙坍塌)和剪切破坏。孔隙度对白垩的塑性力学特征有重要影响,在描述白垩塑性行为的本构方程中,特别是描述塑性压缩(孔隙坍塌)的塑性力学机理,需要考虑孔隙的影响。基于对白垩力学机理的认识,建立了基于Gurson屈服准则的本构关系用来描述白垩的塑性压缩(孔隙坍塌)机理的本构模型,模拟结果与试验成果相一致。

岩盐弹塑性损伤耦合模型研究

岩盐力学模型是进行能源岩盐储存工程稳定性分析的基础,而损伤和塑性机制并存且相互耦合是岩盐力学行为的基本特点。采用云应岩盐,进行了多组围压条件下的三轴压缩试验,分析了不同围压下岩盐的变形特征。在试验分析的基础上,提出了一种能够描述岩盐特性的弹塑性损伤耦合的模型,该模型描述了岩盐损伤的演化和塑性变形的耦合关系,并引入了一种非关联的塑性流动法则来描述岩盐从塑性体积压缩到膨胀的转化。采用该模型对在三轴压缩下的岩盐应力-应变关系进行了模拟分析,并与试验数据进行了对比,结果表明该模型能够较好地描述岩盐的主要力学和变形特性。

不同因素影响下层间错动带颗粒破碎和剪切强度特性试验研究

为了获得不同初始颗粒粒径分布和含水率对层间错动带颗粒破碎和剪切强度特性的影响,通过对比泥夹碎屑、泥夹粉砂、全泥型3种不同层间错动带类型与现场3种不同含水率(10%、7%和3%)试样在法向压力2～10 MPa作用下的反复直剪试验和剪切面颗粒粒径分析试验结果,可得出以下结论:①粗颗粒越多(d60越大),采用相对颗粒破碎势Br量化的颗粒破碎程度越大;②较干颗粒(低含水率)由于磨损产生了更多的细小颗粒,而较湿颗粒(高含水率)由于破裂和摩擦产生了较大颗粒;③粗颗粒仅对峰值抗剪强度产生一定的影响,且粗颗粒越多,残余强度包线非线性越强;④黏聚力和内摩擦角随含水率线性减小,且低含水率试样残余强度包线非线性最强;⑤残余内摩擦角随颗粒破碎后的黏粒含量(<2μm)线性减小。提出的残余内摩擦角初步预测公式可供实际工程参考。

雾雨作用下的非饱和边坡稳定性研究

提出了一种雾雨作用下非饱和边坡的稳定性分析方法.采用模糊综合评判理论预测挑流泄洪雾化降雨量;将有限元法应用于模拟降雨入渗引起的边坡饱和非饱和暂态渗流场;采用有限差分法分析滑坡在渗流荷载作用下的稳定性.研究中综合运用了泄洪雾化降雨量的预测结果及渗流场的模拟结果,并在力学分析中直接使用了渗流分析的有限元网格,使得渗流力的考虑更加精确.以水布垭水电站坝区台子上滑坡为工程实例,分析了台子上滑坡在雾雨作用下的非饱和边坡稳定性问题,所得结论符合实际.

热处理后花岗岩纳米压痕试验研究

随着温度的升高,花岗岩宏观力学参数往往经历略升高、小幅降低、大幅降低几个阶段。利用纳米压痕测试仪器,对热处理后的花岗岩中主要矿物成分进行纳米压痕试验,揭示花岗岩宏观力学参数随温度演化的微观机理,(1)温度在300℃以内微观结构没有显著变化,基本上没有微裂纹产生,在300~500℃之间时岩体内部开始产生微裂隙,温度超过500℃时岩体内部产生大量微裂隙,并逐渐扩展增大;(2)石英在300℃以内弹性模量和硬度略有增加,超过300℃弹性模量和硬度开始下降。超过500℃晶体结构发生?相到?相转变,弹性模量和硬度急剧下降,长石在400~500℃之间时,弹性模量和硬度开始下降,超过800℃弹性模量和硬度急剧下降,云母在800℃以内弹性模量和硬度有所增加;超过800℃时弹性模量和硬度开始下降;(3)花岗岩宏观力学性能与主要矿物成分的力学性能和微观结构均相关,室温~300℃范围内主要受到前者控制,300~500℃范围内时受到两者联合控制,超过500℃后主要受到后者控制。研究结果可为研究花岗岩和其他岩石的温度效应提供实验数据和理论支持。

高压力下层间错动带残余强度特性和颗粒破碎试验研究

针对某水电站层间错动带的原状样与重塑样,模拟现场地应力条件,在试验法向应力高达10 MPa条件下开展了反复直剪试验。试验结果表明:原状样峰值强度高于重塑样,但强度下降较快,二者残余强度趋于一致;此外,试样发生了大规模的颗粒破碎,采用颗粒相对破碎势Br量化重塑样剪切面附近区域与非剪切面附近区域颗粒破碎程度,对比发现,前者颗粒破碎程度高于后者,且破碎机制不同;剪切面颗粒破碎是高压力下残余强度包线非线性的根本原因:剪切强度的下降(残余强度与峰值强度的比值)与Br和S2(试验前后小于粒径<2μm颗粒含量的比值)呈线性关系,颗粒破碎导致的能量释放和不断产生的黏粒(<2μm)降低了剪切强度。

岩石与水相互作用的正交各向异性损伤数值模拟

提出一种正交损伤模型,该模型能分别描述岩石材料的弹性变形、损伤变形和其他不可逆变形能。在该模型中,以二阶损伤张量来描述损伤的发展,损伤演化相关于裂纹扩展标准。以Gibbs自由能获取损伤材料的有效刚度矩阵。以能量原理合理地推导损伤参数的限制范围,提出借助于三轴试验决定模型参数的方法。对不同加载路径的饱和砂岩试验结果进行模拟,该模型的数值结果和试验结果吻合较好。随后,推广该模型到不同加载路径下得到岩石与水相互作用的力学特性,数值结果也显示:推广的模型是可以描述岩石与水相互作用的主要水力学特性的。