浸水时间对饱水岩石纵波波速影响的试验研究

为探究浸水时间对饱水岩石纵波波速的影响规律,对天然状态、饱水状态及浸水时间分别为1,7,14,30,60d和90d的饱水闪长岩和饱水灰岩岩样进行纵波波速测试,试验结果表明:浸水时间对饱水闪长岩和饱水灰岩纵波波速的影响规律基本一致,即浸水时间不长(1~14d)时,纵波波速随浸水时间的增加其值降低幅度较大;浸水时间较长(14~60d)时,纵波波速随浸水时间的增加其值降低幅度逐渐较小;浸水时间超过60d后,纵波波速趋于稳定。     

基于多参量衰减表征的不同浸水时间饱水岩石损伤演化特征

浸水对围岩的质量产生显著的劣化作用,为探究浸水时间与饱水岩石损伤间的定量关系,对浸水1 d、7 d、14 d、30 d、60 d、90 d的饱水闪长岩进行纵波波速、单轴抗压与声发射、抗拉强度测试,并基于试验结果分析浸水时间对饱水岩石破裂失稳过程中损伤特征的影响规律.结果表明:浸水时间对基于纵波波速、弹性模量、抗压、抗拉强度、声发射能量累积数衰减表征的损伤变量及其日均占比均有显著影响,浸水1 d,各损伤变量大幅增加,而日均占比依次降低;浸水30 d,各损伤变量仍有较大幅度的增加,但增速呈降低趋势,除基于纵波波速的损伤变量的日均占比较小外,其他参数的日均占比相对较大;浸水60 d,各损伤变量增速趋于0,且日均占比下降明显;由各损伤变量及其日均占比的变化规律及其内在对应关系,可将基于弹性模量、发声射能量累计数、拉拉强度的损伤变量作为浸水时间对饱水岩石损伤劣化的特征参数.     

泥质粉砂岩冻融作用下含初始损伤岩石动力学特性试验研究

为研究冻融作用下含不同冲击损伤砂岩的动力学特性,对完整及不同初始损伤的泥质粉砂岩进行冻融 后开展冲击加载试验,研究冻融作用对含初始损伤泥质粉砂岩的宏观动力学性能和损伤演化规律。 结果表明:含初 始损伤砂岩的纵波波速、弹性模量与冻融周期呈负相关;含Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级初始损伤砂岩的纵波波速随冻融周期的增 大分别下降了 8. 1%、11. 9%、11. 2%、16. 8%,初始损伤等级越高的砂岩在冻融作用下纵波波速下降幅度越明显;冻融 损伤和初始损伤耦合作用下砂岩弹性模量的变化速率逐渐增加,抵抗形变的能力逐渐下降,塑性逐渐增大;在冻融作 用下含初始损伤砂岩的动态抗压强度与应变率呈指数衰减;初始损伤的存在加剧了冻融损伤对岩石的劣化作用,加 快了砂岩自身宏观动力学性能的弱化速率。     

浸水时间对饱水岩石抗剪强度参数影响的试验研究

为探究浸水时间对饱水岩石抗剪强度参数的影响规律,对天然状态、饱水状态及不同浸水时间的饱水闪长岩和饱水灰岩进行直剪试验,试验结果表明:浸水时间对饱水闪长岩和饱水灰岩的抗剪强度参数的影响规律基本一致,即在浸水时间不长(1~14d)的情况下,抗剪强度参数随浸水时间的增加其值降低幅度较大;在浸水时间较长(14~60d)的情况下,抗剪强度参数随浸水时间的增加其值降低幅度逐渐较小;浸水时间超过60d后,抗剪强度参数趋于稳定;浸水时间对饱水闪长岩和饱水灰岩内聚力的影响程度均大于其对内摩擦角的影响程度。     

高温后粗砂岩弹性纵波波速的试验研究

对粗砂岩经历不同高温后弹性纵波波速进行了相关研究.分析了粗砂岩波速与温度的变化规律.总体上随着加热温度的升高,粗砂岩弹性纵波波速处于单调下降的趋势.试验结果表明,粗砂岩作为高空隙度岩石,加热温度小于100℃时,弹性纵波波速变化不明显;而当加热温度超过100℃后,弹性纵波波速大致成线性降低,波速与温度具有良好的相关性.     

基于Boltzmann函数的砂岩波速与温度关系特性试验研究

为了探究高温作用下砂岩物理性质的变化规律,对经受不同等级温度后的砂岩试样的纵波波速的变化特性进行研究。试验结果表明:可采用Boltzmann函数理论模拟砂岩vp-T变化曲线并推导出波速随温度变化的理论表达式;高温后砂岩的物理性质会出现弱化现象,其纵波波速会降低,且其经受的温度越高,波速降低的幅度会越大;该砂岩在500℃左右达到其门槛值温度。     

冻融作用对边坡泥质粉砂岩岩体质量与强度的影响

为探究冻融作用对边坡泥质粉砂岩岩体质量与强度的影响规律,对白砺滩露天煤矿南帮边坡泥质粉砂岩开展冻结温度为-20℃、融解温度为20℃、冻融循环为40次的试验研究,并对岩体强度参数进行计算,评价经历不同冻融次数后岩体的质量。结果表明:冻融作用对岩体强度参数、质量均产生重要影响,经历10,20,30,40次冻融循环后,饱水泥质粉砂岩岩体的单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、黏聚力和内摩擦角分别由未冻融时的29.62 MPa、1.92 MPa、2.26 GPa、0.30 MPa和45.64°下降到20.33 MPa、1.31 MPa、1.87 GPa、0.21 MPa和32.41。,降低幅度分别为31.36%、31.77%、17.26%、30%和28.99%,BQ值由未冻融时的453.8分别下降到401.4,360.7,340.2和302.7;经历30次冻融循环后对应的岩体基本质量级别由未冻融时的Ⅲ级下降为Ⅳ级。     

层状黑云变粒岩的波速模型及声发射定位新方法

为了提高层状黑云变粒岩破坏过程中声发射源的定位精度,建立了一种适用于该类岩石的各向异性波速声发射源定位方法。首先,通过波速测量结果构建了各向异性波速模型;然后,建立声发射定位目标函数,并采用直接网格搜索法进行优化求解;最后,通过单轴压缩条件下的层状黑云变粒岩声发射实验,对单一波速的传统定位法和该定位方法进行了验证。研究结果表明：该定位方法具有较高的精度,误差较单一波速的传统定位法减少了约4 mm,可以为研究层状黑云变粒岩破裂过程中裂纹时空演化规律提供技术基础。     

温度-水对深部砂岩动静弹性参数的影响

对鹤岗南山矿深部砂岩干燥与饱水试件在20℃~95℃状态下进行超声波测试,得到深部砂岩在干燥与饱水状态下的弹性波速随温度的变化规律,并与单轴压缩实验所得静弹性参数进行了比较分析,结果表明,当温度从20℃上升到95℃时,通过干燥与饱水状态岩样的弹性波波速呈不同变化趋势,变化幅度差异较大;干燥岩样的波速比小于饱水后的波速比,随着温度的升高,干燥与饱水波速比曲线线形变化较为复杂,变化趋势不尽相同;干燥岩样动、静态弹性模量大于饱水后动、静态弹性模量,且动态弹性模量大于静态弹性模量;干燥与饱水岩样的动、静泊松比变化规律性较差。     

洛河组砂岩解冻后物理力学性质及破坏特征研究

在实验室中还原了西部冻结建井过程,并通过改变冻结温度对洛河组砂岩进行一次完整的冻融过程。对解冻前后洛河组砂岩的质量及波速进行测量并基于力学试验得到洛河组砂岩解冻后的力学性质及围压对洛河组砂岩力学参数及破坏特征的影响。试验结果表明,洛河组砂岩孔隙率大、吸水能力强及饱水性好,解冻后质量损失率为5%,波速损失率达到40%,即洛河组砂岩对冻融作用非常敏感|随着冻结温度的降低,砂岩内部冻胀力增加,损伤加剧,解冻后的洛河组砂岩强度不断劣化,变形增大|其破坏形式也由原来的单一破坏模式向拉剪复合破坏模式转变,破坏时主裂缝变宽,并伴随众多次生裂缝。     

冻融循环和围压对岩石物理力学性质影响的试验研究

对饱和红砂岩进行开放系统下的冻融循环试验,记录红砂岩的冻融劣化过程及破坏特征;当试样经历0,5,10,20,40次冻融循环后,分别进行4种设定围压下的力学特性试验,分析了冻融循环和围压对岩石物理力学性质的影响规律。研究表明:红砂岩的冻融劣化模式主要为颗粒剥落、龟裂、脱落及断裂模式。随着冻融循环的进行,岩样的质量和密度呈现先增后减的趋势,而纵波波速持续减小;随着冻融循环次数和围压的增加,岩石的压缩性不断增强,峰值应变逐渐增大,塑性屈服段渐趋明显,残余强度降低速率减慢,破坏形式由脆性转化为延性;而弹性模量、抗压强度及残余强度随着围压的增大不断增大,随着冻融循环次数的增大明显减小。岩石的细观结构经历损伤的非线性演化,显现出宏观力学特性的变化。     

裂隙岩石冻融循环下裂纹扩展特征研究

高寒山区工程岩体往往在水和温差作用下，受到往复的冻融荷载作用，导致岩体裂纹扩展甚至破坏。通过开展-20～20 ℃范围内4类含裂隙岩石冻融循环试验，分析了不同岩性裂纹扩展类型和原因、裂纹扩展随冻融循环增加的全过程，并讨论了20次冻融循环下灰岩和红砂岩的裂纹扩展机理。结果表明：含裂隙岩石裂纹扩展可分为3种类型：沿上部裂隙尖端贯通岩桥、沿上部裂隙尖端环向扩展和无明显裂纹破坏；板岩的水平板理导致裂纹沿环向扩展，灰岩局部发育的软弱面使裂纹反倾下部裂隙扩展，花岗岩高强度和低孔隙率的特征使其难以在此次试验条件下产生宏观裂纹。断裂力学分析揭示了灰岩和红砂岩呈Ⅰ型裂纹扩展的原因，表明初始裂纹扩展方向与上部裂隙走向近似，裂纹扩展长度与岩石抗拉强度和断裂韧度有关。     

高温单向约束下煤系砂岩物理力学及声学特性研究

针对煤炭地下气化通道围岩在气化过程中具有两个自由面的情况,采用自行研制的高温单向膨胀约束试验装置对煤系砂岩试件常温至700 ℃高温过程中的物理力学及声学特性进行了试验研究。试验结果表明,高温后由于水分挥发、有机物分解,砂岩试件的质量逐渐减少;砂岩试件高温加热后尺寸均有变大趋势,但由于约束条件的影响,沿y方向试件膨胀缓慢;整个高温过程中,砂岩试件的纵波波速随温度的升高逐渐减小,整体上,y方向声速随温度呈反S型变化,而x方向声速随温度呈二次曲线下降,y方向声速因施加约束,降幅较小,膨胀约束抑制试件沿约束方向损伤的发展,同时对x方向损伤因子的发展也起限制作用;高温单向约束加热后砂岩单轴压缩全过程应力-应变曲线经历了压密、弹性、屈服、破坏4个阶段,温度越高,曲线右移趋势越明显,高温单向约束条件下砂岩的峰值强度、弹性模型都随温度升高而降低,峰值应变随温度升高而增加。     

煤岩特性对超声波速影响的试验研究

超声波测试技术广泛应用材料内部缺陷与表面裂缝检测和描述,然而其声学参数同煤岩物理特性与结构特征的关系,成为该技术在地下采矿工程中应用的瓶颈问题之一。在大同煤矿集团塔山矿8212工作面采集煤块及顶板岩芯,采用美国Tektronix公司生产的超声波仪,开展不同层理方向煤岩及不同岩性岩石的超声波室内测试试验,并结合CT扫描、磨片分析等微观测试手段和覆压渗透试验获得煤岩内部物质含量组成形态及渗透特性,系统研究密度、层理方向、孔隙度、渗透率、矿物颗粒成分及大小等因素对超声波传播速度的影响。试验表明：纵波与横波波速均表现出随密度增大而增大的趋势;煤岩的超声波速有明显的层理效应,试验发现轴向与层理的夹角由小变大,其纵波和横波波速呈减小趋势,轴向平行层理煤岩的纵波、横波波速分别约为轴向垂直层理的1.22,1.23倍;纵波波速随孔隙率与渗透率的增大而减小,且煤的渗透率亦呈现明显的层理效应,轴向平行层理煤岩的渗透率约为轴向垂直层理的57.1倍;岩石矿物颗粒越细纵波波速越大,岩样纵波波速依次以细砂岩、中粗粒砂岩、含粗砂细砾岩和粗粒砂岩由大到小排列。     

裂隙红砂岩冻胀力特性试验研究

裂隙岩体冻胀现象在富水岩层冻结工程中普遍存在,冻胀力易使得岩体裂隙尖端应力集中而产生新的微裂纹,微裂纹扩展贯通导致岩体发生不同程度破坏。为揭示裂隙岩体冻融损伤演化机制,探究以冻胀力驱动下的岩体裂隙扩展规律,利用超薄型电阻式压力传感器、温度传感器、低温恒温箱组成的冻胀力测试系统对不同冻结速率、不同裂隙尺寸、倾角以及不同边界条件下红砂岩贯通裂隙中的冻胀力进行测试,分析了贯通裂隙中冻胀力演化规律、冻胀劣化机制以及冻胀破坏模式。结果表明:含贯通裂隙试样典型冻胀力演化过程分为初始冻结阶段、迅速上升阶段、卸荷阶段、维持阶段、消散阶段;冻胀作用使得贯通裂隙端部附近出现明显裂纹扩展现象,试样整体呈竖向张拉破坏;贯通裂隙最大冻胀力随隙宽呈单指数函数增长、与温度成线性正相关;冻结过程中,试样边界条件对裂隙冻胀力影响显著,刚性约束边界条件下最大冻胀力达到1. 27 MPa,融化过程中,不同边界条件对应不同冻胀力跌落现象;低温条件下贯通裂隙红砂岩冻胀力变化特征与冻胀过程中声发射能量变化规律一致,充分验证了冻胀力对贯通裂隙岩体的损伤劣化作用。研究成果可为裂隙岩体冻胀力理论计算与数值分析、冻融损伤机制、冰-岩耦合特性以及煤矿立井冻结壁设计等提供参考。     

冻融-荷载作用下基于残余强度特征的岩石损伤模型

岩石变形破坏特性是寒区岩土工程建设所直接面临的基础力学问题。为模拟冻融与荷载作用下岩石变形破坏的全过程,将冻融-荷载作用下的岩石微元在轴向抽象为未损伤、冻融损伤、受荷损伤、冻融与荷载共同损伤4部分,这4部分材料共同承受轴向应力,其中冻融损伤、受荷损伤、冻融与荷载共同损伤3部分可承受残余应力。采用Weibull分布描述岩石材料的非均匀性,基于D-P破坏准则,定量表述了冻融与荷载的耦合效应对总损伤的影响规律,建立了考虑残余强度特征的冻融受荷岩石损伤本构模型;基于岩石变形破坏特征,推导出模型参数的理论表达式;开展红砂岩冻融循环及三轴压缩试验,研究岩石的变形破坏过程及冻融循环和围压对其力学特性的影响,验证所建模型的合理性;分析冻融-荷载作用下岩石的损伤力学特性。研究表明:本文所建模型反映了冻融受荷岩石变形破坏的全过程,并能表征冻融循环和围压对岩石变形特性的影响;岩石的总损伤演化途径反映了细观力学响应与宏观变形破坏特征相一致,刻画出冻融与荷载2种作用因素对岩石总损伤扩展的非线性影响特性,探寻了细观损伤演化所诱发的宏观力学效应,为揭示岩石的冻融破坏机制提供理论依据。     

Temperature measurements upon the chisel surface during rock cutting

In the laboratory, temperature measurements have been made upon the chisel surface and inside the chisel during rock cutting on moderately strong sandstone (UCS 19.5 MPa) and limestone (UCS 25.2 MPa), to study chisel wear during rock dredging. For the measurement of the temperature upon the chisel surface, a special thermocouple configuration has been developed. With the sandstone block the temperature on the chisel surface increases up to approx. 550°C at the end of the block and with the limestone block up to approx. 800°C. At a distance of 0.5–1.0 mm from the chisel surface, these maximum temperatures decrease to values of approx. 120 and 250°C, respectively. The length of the saturated block is 2.5 m and the cutting velocity is 2.5 m/sec. The extent of chisel wear on the sandstone block is small and limited to parallel tracks and polished edges. On the limestone block, however, large plastic deformations are visible.     

单轴压缩过程砂岩破坏特性研究

岩体灾害孕育过程中引起的岩体变形、破坏,会改变岩体的声学特征,在工程中可通过观测声波在岩石内部传播变化判别岩石的稳定性和承载状况.为了确定砂岩裂纹扩展不同阶段声波传播规律与破坏模式,通过声波监测装置及岩石破裂全过程分析系统RFPA2D研究单轴压缩下砂岩在不同应力水平下波速变化及破坏模式.结果表明:砂岩在进入弹性加载阶段...