基于三轴试验与数值模拟的大理岩破坏特征研究

为了研究深部围岩在不同围压下的力学性质与破坏特征, 对不同围压下大理岩开展了三轴压缩试验; 利用RFPA^2D数值模拟软件对大理岩开展了不同围压下应力-应变特征、强度与声发射特征等研究。结果表明, 岩样峰值应力与围压有关, 随着围压增大, 岩样逐渐由脆性破坏转为延性破坏; 岩石弹性模量随着围压增大表现出非线性增大规律; 数值模拟结果也表明, 岩样声发射现象在单轴压缩时反应强烈, 伴随围压增大, 岩样声发射特征参数逐渐趋于稳定, 围压对岩石横向应变有明显束缚作用, 降低了岩石能量释放与破坏程度。RFPA^2D数值模拟可呈现大理岩试样在不同围压下裂纹萌生、发育、汇合至试样破坏的全过程, 其模拟结果与室内试验结果吻合度较高, 验证了结论的可靠性, 可为矿山深部开采提供理论依据和现实指导。     

砂岩真三轴分级加载声发射特性与损伤演化研究

深部矿井、隧道等深地工程岩体处于三向高应力状态,受采掘影响围岩在竖向常受到明显的分级加载作用。针对岩石真三轴分级加载声发射特性的研究,对于深地工程围岩变形破坏灾变监测预警具有重要意义。为此,开展了砂岩真三轴分级加载声发射监测试验,分析了砂岩在真三轴分级加载过程中的声发射信号特征,揭示了基于声发射窗口波形数的岩石损伤演化规律。结果表明:砂岩在真三轴条件下,随着最大主应力不断提高,破坏形式逐渐由拉伸破坏向剪切破坏转化。声发射窗口波形数对于砂岩内部应力变化具有良好响应,能够直观反映岩石内部损伤演化,因此提出了基于累计窗口波形数的损伤变量和损伤演化模型。砂岩损伤—应变关系可以分为4个阶段:初始损伤阶段,三向同时加载导致岩石内部缺陷压密闭合引起轻微损伤;损伤平稳发展阶段,损伤缓慢增加,损伤—应变关系接近线性;损伤快速发展阶段,岩石应变不随应力升高而增加,损伤迅速增长;破坏失稳阶段,岩石应变不断增加,内部裂隙扩展、贯通形成宏观破裂面直至岩石失稳破坏。     

岩石声发射振铃累计计数与损伤本构模型的耦合关系探究

为探讨岩石不同破坏模式下声发射特征及其参数与应力、应变、损伤变量之间的关系,通过RMT-150C型测试系统及SAEU2S声发射系统对砂岩、变粒岩、花岗岩和石灰岩4类岩石单轴压缩下声发射特征进行实验研究。研究表明:在峰值应力之前,脆性破坏、脆-延性破坏模式的岩石声发射振铃累计计数均有剧烈增加的现象,延性破坏模式的岩石声发射振铃累计计数则是先激增而后有一段"平静期",可作为岩石即将进入破坏阶段的前兆信息。以时间为中间变量,建立了脆性破坏、脆-延性破坏及延性破坏模式下岩石声发射振铃累计计数与应变的关系模型;基于威布尔分布岩石损伤本构模型,进一步推导出声发射振铃累计计数与损伤变量、应力的耦合关系。经实测数据与所建模型对比验证,延性破坏、脆性破坏模式本构模型精度较高,可为岩石损伤评估提供依据。     

饱水孔道砂岩力学特性试验

针对南方广泛存在矿山岩体含水层中的砂岩,利用MTS815试验机进行不同围压下三轴压缩试验,利用RMT-150C试验机进行单轴压缩试验,结果表明:(1)单轴压缩条件下,岩样的全应力-应变曲线明显分为4个阶段:孔隙裂隙压密阶段、弹性变形至裂隙发展阶段、非稳定破裂发展阶段、峰后破坏阶段.(2)单轴压缩条件下峰后应力-应变曲线表现出悬崖式下降趋势的特征;三轴压缩条件下无明显的压密阶段,峰后应力-应变曲线表现出由弹脆性向弹塑性转化趋势的特征.(3)随着围压的增大,除泊松比表现出减小的趋势之外,其余力学参数均有增大的趋势,对峰值强度和峰值应变的影响最为显著,峰值应变逐渐增大,岩样的塑性不断增加,表现出延性破坏的特征.(4)单轴压缩条件下岩样主要以X型裂纹的剪切破裂为主,单一斜平面的剪切破裂为辅;三轴压缩条件下岩样主要以单一裂纹的剪切破裂为主.     

三轴压缩岩石应变软化及渗透率演化的试验和数值模拟

三轴压缩下岩石峰后应变软化行为及渗透率演化规律是岩石工程稳定性分析的基础。取新疆巴里坤砂岩样在室内开展了三轴压缩试验和三轴渗流试验,获得了不同围压下巴里坤砂岩的全程应力应变曲线、体积应变与渗透率关系曲线。试验结果表明：随着围压增加,岩石峰后残余强度增加,体积扩容和脆性减弱;随着轴向应变增加,岩石先发生弹性压缩,空隙空间减小,渗透率降低;当应力达到屈服强度,岩石内裂隙开始扩展,渗透率降低速率趋缓;在峰值应力后,岩样破坏,裂隙扩展加速,并伴有新裂隙的萌生,岩样渗透率开始快速增长,岩样的渗透率呈“V”型变化。提出了描述围压对岩石峰后脆性影响的新参数,即脆性模量系数,围压与脆性模量系数之间服从负指数关系。基于脆性模量系数、强度退化指数和扩容指数,建立了考虑围压影响的岩石应变软化模型。在分析体积应变与岩石渗透率之间关系基础上,建立了基于体积应变增透率的岩石渗透率演化模型。在FLAC下模拟了巴里坤砂岩不同围压下的应变软化行为和渗透率演化过程,结果表明：岩石应变软化模型能很好地模拟围压对岩石残余强度、体积扩容和峰后脆性的影响;所示模型能较好地模拟围压和剪胀对岩石渗透率的影响;岩样峰后内部出现了明显的剪切破坏带,剪切破坏带与大主应力的夹角随着围压的增加而增大。在剪切破坏带内单元的渗透率显著增长,最后形成了一个流动通道。     

破碎磷矿体力学特性及等效损伤规律研究

针对宜昌地区磷矿体破碎、节理裂隙发育等特点,进行多围压三轴压缩试验,建立三轴压缩等效耦合损伤变量模型,研究不同围压作用下破碎岩体压缩变形特性和损伤规律,揭示破碎岩体节理裂隙、围压大小、损伤特性、力学强度的相互影响关系。研究表明:围压的增加,可有效提高破碎岩体力学强度,并减小岩体损伤变量的谷值。在高围压作用下,破碎岩体应力应变曲线峰值处近似"折线状",峰值处呈脆性破坏,破坏后峰值强度迅速衰减;低围压作用下,峰值处岩石试样呈现弹塑性破坏,峰值强度衰减缓慢。     

不同围压下黄砂岩力学特征与声发射特征

为研究不同围压下黄砂岩的力学特征、声发射特征和岩石破裂形态,采用ROCK 600-50型岩石三轴流变仪与声发射系统对黄砂岩进行常规三轴试验,研究不同围压下的黄砂岩的峰值应力、峰值应变、残余强度及破坏形态变化特征,讨论了黄砂岩破裂过程声发射计数演化规律。结果表明:黄砂岩试件的峰值应力、轴向峰值应变和残余强度均随围压的增加而增大,围压对径向峰值应变影响较弱,通过对声发射计数分析,黄砂岩破坏程度随围压增大更加剧烈,会出现二次或多次破坏,围压减少了黄砂岩破坏过程中主裂纹数目,并明显抑制了次生裂纹的产生。     

岩石单轴声发射及能量耗散特征颗粒流模拟研究

基于石膏岩室内单轴声发射试验，结合PFC^2D颗粒流模拟，分析了单轴压缩下岩石声发射演化特征，从空间角度反演了微裂纹萌生、汇集到破坏的过程，同时对渐进破坏过程的能量变化进行分析。研究结果表明：岩石颗粒流细观参数对宏观参数的显著性影响各不相同，利用正交试验及回归分析可量化宏细观参数关系；单轴压缩过程中，声发射事件在峰后阶段大量产生，发展过程可依次划分为无损期、平静期、增长期和陡增期，声发射事件陡增期存在沉寂期，可作为岩石破坏的前兆判据；岩石模型内部最先出现张拉裂纹，峰前阶段内部裂纹随机产生，汇集性并不明显，宏观破裂面形成于峰后阶段，且破裂面附近富集大量拉伸裂纹；岩石内部能量在峰前阶段以弹性能储存为主，峰后应变能大量释放，耗散能急剧增加，能量耗散比呈“N”形变化；基于声发射试验结果所得本构模型更适用于描述离散元单轴压缩过程中的应力应变关系。     

石英岩加卸载声发射特性研究

为了研究岩体在掘进过程中其内部破损的过程,采用TYP-500型三轴压缩试验机和PCI-2声发射系统对灵宝金矿石英岩进行单轴和三轴压缩声发射试验,以分析岩石破坏过程中的声发射特征。试验结果表明:在声发射试验过程中,石英岩的振铃计数与能量释放近似成正比例关系;当岩样发生破裂时,主破裂之前能量提高,表明岩样内部裂隙裂纹增多,释放大量能量,岩体承载力迅速下降;单轴压缩下声发射信号峰值和应力峰值基本同时发生,而三轴压缩下声发射信号峰值滞后于岩样应力峰值,因此认为,主破裂前围压加强了岩样的峰后承载能力,主破裂后单轴压缩下的岩体较三轴压缩条件下相对稳定。     

爆破后砂岩力学性质的三轴压缩试验研究

为了定量研究受爆破冲击后岩石在三向应力作用下的力学特性,采用在大块砂岩(600 mm×600 mm×120 mm)中钻眼安装粉状硝铵炸药和火雷管爆破的方式,制备了一批经受过冲击损伤的标准试样;然后开展了3种围压作用下的三轴压缩试验,基于试验结果分析了爆心距和围压对砂岩力学性质的影响。研究表明:1随着爆心距的增加,试样的三轴抗压强度、弹性模量、软化模量、内摩擦角和黏聚力表现出以幂函数强化的趋势,而泊松比呈现出以幂函数弱化的趋势,峰值应变逐渐增大但较为离散;爆心距相同的试样,其宏观力学参数随着围压的增加而增大,而软化模量却减小。2试样的声发射活动随着爆心距的增大变得滞后,且爆心距越小岩石的声发射活动越强烈。3随着爆心距的增大,试样的脆性变形特征不断增强,破坏模式由张拉破坏变为拉剪混合破坏,进一步演化为剪切破坏。     

常规三轴加载下尾砂胶结充填体的力学特性及能量变化特征

基于室内常规三轴压缩试验,结合能量耗散原理,系统研究了质量浓度及围压的变化对尾砂胶结充填体力学性能及能量演化特征的影响规律。结果表明：三轴加载下,尾砂胶结充填体的变形破坏均经历了微孔隙、裂隙压密阶段(OA)、线弹性变形阶段(AB)、屈服阶段(BC)及应变硬化阶段(CD);充填体的峰值应力随着质量浓度或围压的增加而不断增大,其中一次函数能够很好的表达围压与峰值应力间的关系;充填体的残余应力及弹性模量随着围压的增大基本遵循一次函数和指数函数递增规律,且质量浓度的增加也有利于提高充填体的残余应力及弹性模量;充填体的裂纹分布密度均随着质量浓度或围压的增加而降低,说明围压或质量浓度的提高均能够有效的提高充填体的抗变形破坏能力;三轴加载下,充填体的总能量、弹性应变能及耗散能均随着围压或质量浓度的增加而增大,并且围压与各能量间的关系符合二次函数模型。     

基于CT三维重构的深部煤体损伤演化规律

为研究不同应力条件下深部煤体损伤演化规律及破坏机理,以平煤十二矿己15-17220工作面的深部煤体为研究对象,进行了单轴压缩的实时CT扫描实验,结合细观统计损伤力学,提出了一种基于CT图像灰度值定义损伤变量的方法,定量分析了煤样单轴压缩过程中损伤演化规律。通过CT扫描实验、压汞实验和室内基本力学实验,建立了能够反映固体基质分布的深部非均质煤样的三维数值几何模型,进行了合理的网格划分,确定了不同材料组分的本构模型及其物理力学参数,在位移控制加载条件下开展了煤样单轴压缩的数值模拟,定性研究了煤样单轴压缩过程中的损伤演化规律及破坏机理。进一步,在单轴压缩数值模拟基础上,通过对煤样施加不同的环向应力,进行了5种不同围压条件下煤样三轴压缩的数值模拟,从应力-应变曲线形态、煤样破裂形态及破裂角大小等方面定性分析了三轴压缩条件下深部煤体损伤演化规律。结果表明:单轴压缩数值模拟的应力-应变曲线及损伤演化特征与CT实时扫描实验得到的结果具有较好的一致性。随着轴向应力的逐渐增加,煤样损伤依次经历了零损伤阶段、局部损伤产生阶段、损伤线性和非线性稳定增长阶段和损伤加速增长致使完全破坏阶段。试件最终破坏时其最大剪切应变率区域及塑性区都近似平行或垂直于煤基质和煤杂质的交界面,且损伤发生的两个主破坏面相互垂直。单轴压缩的整个过程煤样主要发生拉伸破坏,屈服应力后由于煤样的不均匀变形才发生剪切破坏。基于CT重构的煤样三轴压缩的数值模拟得到的损伤演化特征和经典的岩石损伤演化的6个阶段能够很好的吻合,煤样主要发生剪切破坏;随着围压的增大,峰值强度、扩容点应力和残余强度均逐渐增大,破裂角逐渐减小,破裂角与围压之间近似呈负线性相关。在数值模拟的网格划分、几何模型建立、材料参数和本构模型的选取以及应力应变的计算方法等方面做出了优化,取得了较好的数值模拟效果,能够消除实验样品差异性带来的影响,且能够直观准确地定性描述单轴和三轴压缩过程中的损伤演化规律。     

脆性岩石循环加卸载试验及应变损伤参数分析

为研究不同应力状态循环加卸载条件下脆性岩石的强度、变形和损伤力学特性,对马城铁矿辉绿岩开展了单轴压缩、三轴压缩以及单轴、三轴循环加卸载等不同应力路径岩石力学试验,得到了脆性岩石在单轴和三轴条件下的强度、变形特征以及循环加卸载应力-应变曲线变化规律。给出一种岩石循环加卸载过程中相对应变损伤参数,结合现有损伤力学理论,对脆性岩石破坏过程中的损伤演化规律进行了研究。试验结果表明：①UCS条件下,循环加卸载峰值强度比平均单轴压缩峰值强度低10%~20%;CTC条件下,峰值强度出现离散性。②循环加卸载过程中弹性常量变化趋势跟岩石内部微裂隙的闭合、张开、扩展等断裂损伤机制密切相关。③岩石内部的损伤积累程度随循环次数的增加而不断增大,绝对应变损伤参数几乎不受围压作用的影响,而相对应变损伤参数受到围压的约束作用。     

循环加卸载下花岗岩能量演化及分配规律

为探究岩石损伤破坏过程中的能量演化及分配规律,以焦家矿区花岗岩为研究对象,利用ZTR-276三轴应力试验系统进行三轴循环加卸载试验,。研究结果表明：循环加卸载试验过程中,花岗岩的应力峰值和轴向应变量随着围压增加逐渐增大,表现出明显的围压效应;循环加卸载试验下,总能量密度,弹性能密度和耗散能密度在峰前阶段均与轴向应变呈正相关关系;随着围压增大,岩石储能效率增加,最大弹性能占比增大,最大耗散能占比却随着围压的增大而降低。研究结果可为循环扰动条件下深部巷道围岩损伤破坏失稳提供理论指导意义。     

页岩起裂应力和裂纹损伤应力的试验及理论

为研究页岩在破坏过程中的起裂机制,对具有不同层理倾角的页岩岩样进行了不同围压下的常规三轴压缩实验,基于裂纹体积应变拐点和岩样体积应变拐点分别确定了页岩的起裂应力和裂纹损伤应力。试验结果表明,在相同围压下,层理倾角对页岩岩样的起裂应力大小影响很小,但对裂纹损伤应力的影响较大,这最终导致了页岩破坏模式和破坏强度对层理倾角的依赖性;当层理倾角相同时,随着围压增大,页岩起裂应力与峰值应力的比值变化逐渐增大,而裂纹损伤应力与峰值应力的比值变化很小,说明在层理倾角相同的条件下围压对页岩中裂纹的起裂有显著的影响,而对裂纹的非稳定扩展影响较小;基于断裂力学的压剪裂纹模型解释了页岩的起裂机制,并利用试验数据验证了该模型的合理性;利用该模型预测页岩中含有裂纹的平均长度约为0.985 mm,与现有文献中的结果较吻合;同时该模型的计算结果表明当页岩中的压剪裂纹长度超过3 mm时,裂纹长度对页岩起裂应力的影响不显著。     

页岩渗流-损伤演化特征试验研究

页岩属于低渗致密岩石,页岩储层渗透性是页岩气开采过程中的关键问题,基于岩石力学三轴渗透性试验,研究黔北下寒武统牛蹄塘组页岩渗流-损伤演化过程的特征。试验结果表明:页岩渗透率的变化与损伤作用与应力状态有着很强的关联性,页岩损伤演化过程存在不同阶段性特点,损伤主要发生在弹塑性变形阶段与在应变软化阶段;页岩渗透率演化落后于页岩损伤破坏演化过程;中等围压条件下试样出现局部变形带压缩带,造成页岩渗透率有一定程度的减小,压缩带是造成了页岩渗透率演化过程落后于页岩损伤破坏演化过程的原因。     

煤岩破坏过程的细观力学损伤演化机制

为了有效监测煤岩巷道围岩的损伤稳定程度,以漳村矿煤岩为例开展了煤岩损伤破坏特性的研究,首先对该矿煤岩进行单轴压缩试验测得其力学参数,然后通过颗粒流软件获得其细观力学参数进行了不同围压下煤岩试验。分析了煤岩破坏过程的声发射和应变能变化规律,并从煤岩损伤萌生、成核、扩展和贯通的过程研究了损伤演化机制,获得以下结论:最大声发射强度与峰值应力并不同时出现,具有一定滞后性,低围压范围滞后效应随围压变化敏感,高围压范围围压对其影响减弱;随着围压增加在最大声发射前会出现明显的平静期,并指出平静期的出现是由煤岩内部严重损伤区的产生和损伤愈合吸收应变能所致;将煤岩损伤破坏过程分为微损伤弥散分布、损伤局部集中发展成核、裂纹稳步扩展形成局部裂隙、局部裂隙贯通煤岩失稳4个阶段,指出围压对各个阶段的影响异同。     

不同含水状态下泥岩的力学性质及能量特征

不同的含水状态对岩石的力学性质和破坏机制有重要的影响。利用RMT-301岩石力学试验机,开展泥岩烘干样、天然样和饱水样在不同围压条件下的三轴压缩试验,研究不同含水状态下泥岩的力学性质和能量机制。结果表明:含水量越低,泥岩吸收的总能量越多;弹性能存储速率在压密阶段和弹性阶段随含水量的增大而降低,在弹塑性阶段弹性能增长速率减缓,失稳破坏阶段含水量越低,存储的弹性能越高,同一围压条件下,泥岩的储能极限随着含水率的增高而线性降低;耗散能在压密阶段和弹性阶段数值较小且增长缓慢,含水率越大,耗散的能量越多,进入弹塑性阶段后,吸收的总能量用于耗散作用的比例急剧增长,含水率越小,增长速度越快。声发射事件率随含水量的增大而降低,随围压的增大而降低,表明含水量越低,围压越小,泥岩内部破坏越剧烈,塑性减弱。