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3D digital-image correlation insight into generalized relaxation behavior of sandstone under stress and pore pressure coupling

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Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering 2024年第7期16卷 2516-2536页

作者： Cancan Chen Heping Xie Jiang Xu seisuke okubo Shoujian Peng Cunbao Li Minghui Li State Key Laboratory of Intelligent Construction and Healthy Operation and Maintenance of Deep Underground Engineering Shenzhen UniversityShenzhen518060China Guangdong Provincial Key Laboratory of Deep Earth Sciences and Geothermal Energy Exploitation and Utilization Institute of Deep Earth Sciences and GreenEnergyCollege of Civil and Transportation EngineeringShenzhen UniversityShenzhen518060China State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control Chongqing UniversityChongqing400044China

The occurrence of geological hazards and the instability of geotechnical engineering structures are closely related to the time-dependent behavior of ***,the idealization boundary condition for constant stress in creep or constant strain in relaxation is not usually attained in natural geological ***,generalized relaxation tests that explore the simultaneous changes of stress and strain with time under different stress levels with constant pore-water pressure are conducted in this *** results show that in area I,area II,and area III,the stress and strain both change synchronously with time and show similar evolutionary laws as the strain-time curve for creep or the stress-time curve for *** the applied stress level surpasses the sci or scd threshold,the variations in stress and strain and their respective rates of change exhibit a significant *** radial deformation and its rate of change exhibit greater sensitivity in response to stress *** apparent strain deforms homogeneously at the primary stage,and subsequently,gradually localizes due to the microcrack development at the secondary ***,interconnection of the microcracks causes the formation of a shear-localization zone at the tertiary *** strain-time responses inside and outside the localization zone are characterized by local strain accumulation and inelastic unloading during the secondary and tertiary stages,*** width of the shear-localization zone is found to range from 4.43 mm to 7.08 mm and increased with a longer *** electron microscopy(SEM)reveals a dominant coalescence of intergranular cracks on the fracture surface,and the degree of physiochemical deterioration caused by water-rock interaction is more severe under a longer *** brittle sandstone’s time-dependent deformation is essentially controlled by microcrack development during generalized relaxation,and its expectancy-life is determi

关键词： Generalized relaxation Stress level Direction coefficient Major-strain field Microcrack damage Stress threshold

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单轴压缩和巴西劈裂试验条件下Ⅰ类和Ⅱ类岩石的荷载速率依存性指标研究

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Journal of Central South University 2023年第2期30卷 477-487页

作者：张海龙汤杨俞缙 okubo seisuke School of Civil Engineering Chongqing University of Arts and SciencesChongqing 402160China Fujian Research Center for Tunnelling and Urban Underground Space Engineering Huaqiao UniversityXiamen 361021China Department of Systems Innovation The University of Tokyo7-3-1HongoBunkyo-kuTokyo113-8656Japan

掌握岩石的时间依存性,对于估算地下结构的长期变形和稳定性是必不可少的。本文采用恒定加载速率(CLR)和交替加载速率(ALR)方法,对Ⅰ类和Ⅱ类岩石在单轴压缩(UC)和巴西劈裂(BT)条件下的全应力-应变曲线、峰值强度、加载速率效应和杨氏... 详细信息

掌握岩石的时间依存性,对于估算地下结构的长期变形和稳定性是必不可少的。本文采用恒定加载速率(CLR)和交替加载速率(ALR)方法,对Ⅰ类和Ⅱ类岩石在单轴压缩(UC)和巴西劈裂(BT)条件下的全应力-应变曲线、峰值强度、加载速率效应和杨氏模量进行了比较分析,探寻了两种条件下岩石的相似性和差异性,同时,对荷载速率依存性进行了量化分析和深入研究。结果表明,两种加载条件下的全应力-应变曲线具有相似的规律;不同类型岩石的单轴压缩强度与劈裂强度的相关系数k在0.0424~0.1394的范围内,两者可以相互转化;劈裂模量与弹性模量之间存在线性关系,两个模量具有明显的时间依存性,且可相互转换;把常数n作为岩石荷载速率依存性指标,其值与加载条件、试验环境等因素相关,地下岩体的速率依存性指标值n可定量评价和预测地下结构的长期稳定性。建立了基于n值的可变模量本构方程,模拟了两种试验条件下的实验数据,计算结果的一致性较好。

关键词：深部岩体 Ⅰ和Ⅱ类岩石单轴压缩巴西劈裂时间依存性

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复合地层隧道围岩强度实时估算研究

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岩土力学 2022年第7期43卷 1877-1883,1932页

作者：张海龙汤杨任汀张东明王俊杰葛素刚大久保诚介重庆文理学院土木工程学院重庆402160 重庆大学土木工程学院重庆400044 重庆三峡学院土木工程学院重庆404020 重庆大学资源与安全学院重庆400044 重庆交通大学材料科学与工程学院重庆400074 中铁二十三局集团第六工程有限公司重庆401121

隧道TBM开挖过程中经常会遇到复合岩层,在这种地质环境下,隧道掘进机(tunnel boring machine,简称TBM)开挖过程中的隧道围岩强度很难估计,隧道开挖掌子面和围岩容易发生坍塌。为了提高隧道掘进效率、预防事故发生,对开挖隧道围岩强度进... 详细信息

隧道TBM开挖过程中经常会遇到复合岩层,在这种地质环境下,隧道掘进机(tunnel boring machine,简称TBM)开挖过程中的隧道围岩强度很难估计,隧道开挖掌子面和围岩容易发生坍塌。为了提高隧道掘进效率、预防事故发生,对开挖隧道围岩强度进行实时估算方面的研究很有必要。在重庆轨道九号线隧道TBM施工中,通过室内试验和现场实测数据发现,TBM推力F与岩石强度成正比、TBM扭矩推力比T/F(T为扭矩)与贯入度p成正比例关系。针对砂质泥岩、砂岩和灰岩组成的复合岩层,提出了一种利用现场实测推力F和扭矩T的值来快速估算开挖隧道围岩强度的方法,进一步对TBM实测数据进行线性拟合,从而得到估算公式中两个常数α、α的取值方法,并在10多个隧道实际工程中得到验证。结果表明,对于这种复合岩层地质环境,两个常数α、α的值与滚刀数量n和滚刀直径d相关。该研究成果为实时快速估算开挖隧道围岩强度提供了一种新的切实可行的思路,能提高隧道TBM施工的可靠性和安全性,具有重要的应用价值。

关键词：复合地层 TBM 隧道围岩实时估算可靠性

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气干与湿润状态下多孔隙岩石的黏弹性特性与力学模型

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岩石力学与工程学报 2007年第7期26卷 1325-1332页

作者：高秀君大久保诚介福井胜则东京大学工学系研究科

为研究多孔隙岩石的变形特性,提出一个适用于多孔隙岩石的非线形流变模型(本构方程)。本模型是由弹簧与阻尼器串连组成,弹簧部分采用作者曾经提出的本构方程;代表黏性部分的阻尼器设定加载前黏度很小,随着荷载的增加而逐渐加大。在低应... 详细信息

为研究多孔隙岩石的变形特性,提出一个适用于多孔隙岩石的非线形流变模型(本构方程)。本模型是由弹簧与阻尼器串连组成,弹簧部分采用作者曾经提出的本构方程;代表黏性部分的阻尼器设定加载前黏度很小,随着荷载的增加而逐渐加大。在低应力水平下的蠕变试验中,由于弹性系数没有明显的下降,因而设定阻尼器的应变与蠕变应变相同。为验证模型的准确性,对泥质砂岩、大谷凝灰岩、田下凝灰岩与河津凝灰岩4类岩石分别进行理论计算与试验测试。对于各类岩石,计算得到的应力–应变曲线与实测曲线基本一致,而且用此流变模型,发现气干与湿润状态下杨氏模量具有明显的差异。研究结果表明,在这2种状态下,杨氏模量的差异是由于非弹性应变(即阻尼器的应变)不同而引起的。在湿润状态下,阻尼器的应变增加越大,杨氏模量则变得越小。即使在较低的应力条件下,阻尼器的应变比以往研究中所认为的应变要大很多。

关键词：岩石力学多孔隙岩石凝灰岩泥质砂岩蠕变非弹性应变柔量本构方程

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岩石广义流变柔量、模量时间依存性

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工程科学与技术 2021年第5期53卷 62-69页

作者：张海龙汤杨任汀大久保诚介重庆文理学院土木工程学院重庆402160 中国建筑第七工程局有限公司河南郑州450004 重庆三峡学院土木工程学院重庆404000

地下工程中,岩体有蠕变特性和应力松弛特性,但在很多工程实践中,岩体变形既不是纯蠕变,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,表现出时间依存性变形,导致岩体最终发生破坏,这种现象用一般的蠕变和应力松弛特性... 详细信息

地下工程中,岩体有蠕变特性和应力松弛特性,但在很多工程实践中,岩体变形既不是纯蠕变,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,表现出时间依存性变形,导致岩体最终发生破坏,这种现象用一般的蠕变和应力松弛特性很难解释清楚,是岩石力学研究工作者所面临的一个难题。为确保地下工程及其构筑物在长期运营过程中的安全与稳定,需要通过广义流变理论对岩体流变力学特性进一步深入研究。在线性黏弹性理论中,蠕变柔量和松弛模量分别由蠕变试验和松弛试验获得,两者呈线性流变特征,数值上互为倒数关系,且可相互转化,没有本质区别。但在非线性黏弹性理论中,蠕变柔量和松弛模量两者关系还不明确,由应力归还控制实现的广义流变为研究两者关系提供了可能。利用应力归还控制的伺服试验系统执行启动点为50%和80%田下凝灰岩的广义流变试验,使用同样的加载方式执行启动点为50%、65%和80%三城目安山岩广义流变试验,两种岩石的广义流变方向系数均为3.0、±∞、–3.0、–1.0、–0.3、0、0.3。结果显示:两种岩石的广义流变演化规律具有相似性,且应力和应变随时间变化的规律符合对数法则。本文在线弹性蠕变柔量和松弛模量的基础上,定义了广义关联应变和广义关联应力,并提出广义流变柔量和模量的计算方法。对两种岩石的广义流变试验结果进行计算。由计算结果可以看出,该计算方法具有广义性;蠕变柔量和松弛模量是广义流变属性的两种特殊形式。两种岩石广义流变柔量和模量都与黏弹性变形相关,具有明显的时间依存性、方向系数依存性和非线性流变特征;广义流变柔量和模量的比值随着时间的增加逐渐减小,表明破坏前岩石刚性逐渐降低,变形逐渐增大。因此,本文构建的计算方法可进一步分析岩石破坏前和破坏后刚度和塑性变形的定量关系,为研究岩石的时间效应奠定了基础,对评估地下工程的长期稳定性具有重要的意义。

关键词：广义流变柔量广义流变模量非线性黏弹性刚性塑性变形

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压密试验中破碎岩石压密特性的本构方程及数值模拟分析

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岩石力学与工程学报 2011年第6期30卷 1258-1265页

作者：雷鸣羽柴公博福井胜则大久保诚介东京大学工学系研究科

在以往室内压密试验的基础上,利用变量依存性本构方程对压密试验中试样的压密特性进行数值模拟。本构方程中,假定岩石破坏速度随着破坏接近度Sv的增加而增大;将破坏接近度扩展到三维应力状态,且在破坏接近度为负值的区域,引进强度恢复参... 详细信息

在以往室内压密试验的基础上,利用变量依存性本构方程对压密试验中试样的压密特性进行数值模拟。本构方程中,假定岩石破坏速度随着破坏接近度Sv的增加而增大;将破坏接近度扩展到三维应力状态,且在破坏接近度为负值的区域,引进强度恢复参数Hp(Hp=-Sv);通过假定压密岩石强度的恢复程度依赖于恢复参数Hp,对本构方程进行修正。从数值模拟结果可以看出:在压密过程中依存性变量λ逐渐变小时,修正后的本构方程可以描述压密过程中岩石的性质;尽管还需进一步研究和完善修正本构方程,但其具有较强的应用前景,能够较好地描述压密试验中破碎岩石的压密特性,解释地下建筑物围岩开挖扰动区的恢复现象。

关键词：岩石力学压密试验本构方程开挖扰动区强度恢复

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适用于小型岩石试件的三轴压缩试验技术与设备的开发及其应用

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岩石力学与工程学报 2006年第10期25卷 1960-1968页

作者：高秀君羽柴公博大久保诚介福井胜则东京大学工学系研究科

为了用有限的岩石试样在室内进行大量的岩石力学试验测试,对直径10 mm、长度20 mm的小型岩石试件进行开发、制作。同时对***等(2002)开发的透明围压容器进行改进,其围压可达10 MPa左右。用此改进的试验设备对小型岩石试件进行三轴压缩... 详细信息

为了用有限的岩石试样在室内进行大量的岩石力学试验测试,对直径10 mm、长度20 mm的小型岩石试件进行开发、制作。同时对***等(2002)开发的透明围压容器进行改进,其围压可达10 MPa左右。用此改进的试验设备对小型岩石试件进行三轴压缩试验。通过对田下凝灰岩的试验,由小型试件得到的力学参数——黏聚力和内摩擦角,与用常规试件获得的试验结果相一致。而且在载荷速率交替变换的试验中,用一个小型试件就可获得应力–应变曲线的载荷速率相关性。通过对三峡库区周边滑坡地带采集的岩石试样的测试,成功获得不同岩石的强度特性曲线及表示载荷速率相关性的参数。

关键词：岩石力学小型试件田下凝灰岩三轴压缩试验载荷速率相关性三峡库区

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3D-DIC系统在岩石力学试验中的应用

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岩土力学 2019年第8期40卷 3263-3273页

作者：大久保诚介汤杨许江彭守建陈灿灿严召松重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室

介绍了全场3D-DIC系统,在试样周围均匀布置三组3D采集元,利用散斑图像的采集,尽可能在较大范围内捕捉试样表面的变形并进行分析。为了验证3D-DIC系统测量结果的可靠性,以江持安山岩为试验材料,进行了单轴压缩条件下的恒定应变速率和交... 详细信息

介绍了全场3D-DIC系统,在试样周围均匀布置三组3D采集元,利用散斑图像的采集,尽可能在较大范围内捕捉试样表面的变形并进行分析。为了验证3D-DIC系统测量结果的可靠性,以江持安山岩为试验材料,进行了单轴压缩条件下的恒定应变速率和交替应变速率试验。通过3D-DIC系统的测量结果与应变片测量结果的对比发现,两者吻合度较好,表明3D-DIC系统能够满足岩石力学试验非接触式、可视化变形测量的需求。另外以田下凝灰岩为试验材料,通过图像分析得到了加载过程中岩石表面的全场变形信息,发现岩石变形的不均匀性和应变局部化现象,表明利用3D-DIC系统对岩石破裂过程变形测量比传统变形测量方法更具有优越性,为岩石力学试验研究提供了一种新的、便捷的测试方法。

关键词：三维数字图像处理岩石力学非接触式不均匀性变形全场应变

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压密试验后破碎岩石的透水系数试验研究

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西安建筑科技大学学报（自然科学版） 2017年第2期49卷 235-241页

作者：雷鸣羽柴公博福井胜则大久保诚介江苏圣泰实田环境修复有限公司江苏南京211106 东京大学工学系日本东京113-8656

通过室内试验研究探讨了破碎岩石压密后试样的透水系数降低.对于田下凝灰岩、来待砂岩、河津凝灰岩、三城目安山岩、本小松安山岩等5种岩石,在MTS伺服试验机下压碎空心钢制圆筒中的岩石试样,并持续加载压密至指定的最大轴向荷载.卸载后... 详细信息

通过室内试验研究探讨了破碎岩石压密后试样的透水系数降低.对于田下凝灰岩、来待砂岩、河津凝灰岩、三城目安山岩、本小松安山岩等5种岩石,在MTS伺服试验机下压碎空心钢制圆筒中的岩石试样,并持续加载压密至指定的最大轴向荷载.卸载后将钢制圆筒取出置于自制的试验装置中,利用变水头透水试验求解压密后试样的透水系数.试验结果表明,压密后的岩石试样的透水系数变小,透水系数的对数值与压密试验中的最终的轴向应变成反比例关系,且与压密试验中最大轴向应力/完整岩石单轴抗压强度的比值的对数值成反比例关系.挖掘扰动区内的部分岩石在满足一定的支护条件下,强度恢复和渗透性降低是值得期待的.研究结果可以为建立挖掘扰动区损伤恢复模型提供参考依据.

关键词：岩石压密试验开挖扰动区透水系数损伤恢复

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河津凝灰岩广义应力松弛特性及数值模拟研究

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岩土力学 2017年第4期38卷 1089-1096页

作者：张海龙许江大久保诚介羽柴公博福井胜则彭守建重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 重庆文理学院建筑工程学院重庆402160 东京大学工学系

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... 详细信息

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。

关键词：河津凝灰岩本构方程荷载速率依存性广义应力松弛数值模拟

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