循环加卸载条件下花岗岩力学特性及疲劳损伤演化研究

为了研究岩石在循环加卸载下的力学特性及能量损伤演化规律,设计了5种花岗岩三轴循环加卸载试验。基于试验结果,详细分析了不同围压的循环加卸载模式下的总能量、弹性应变能和耗散能的演化特征及相互关系,建立了岩石损伤耗散能与循环加载次数及围压的耦合演化方程。结果表明:(1)当载荷小于峰值应力时,加载阶段的弹性模量小于卸载阶段的弹性模量;(2)峰值应力前,载荷所产生的能量主要表现为弹性应变能,而峰值应力后,载荷所产生的能量主要表现为耗散能;(3)随着围压的增加,岩石弹性应变能及耗散能增加;(4)循环加卸载作用下,岩石的耗散能与围压及加卸载循环次数有明显相关性,可以用非线性曲面进行拟合,可为定量分析循环加卸载过程中岩石损伤提供参考。     

不同加载方式下强冲击倾向性煤声发射特征研究

为探究强冲击倾向性煤在多级循环加载下能量积聚与耗散形态、损伤演化过程,以充分辨识冲击倾向性煤破坏前兆,利用TAW-2000型电液私服试验机对强冲击倾向性煤样进行了多级应变循环加载和多级应力循环加载试验。试验表明:在多级应变和应力加载条件下,振铃计数率均呈现加载初期振铃计数较高,临近破坏时振铃计数急剧增加趋势;每级加卸载产生的能量耗散与损伤变量均呈现出先降低后增加的趋势;受加载方式的影响,应力加载条件下振铃计数更高,且在载荷转换阶段,煤样有明显声发射现象,煤样内部结构劣化较快,单循环损伤程度严重,煤样累计损伤增长更快;伴随循环级数的增加FR值逐渐降低,且呈现加速下降趋势;循环加载初期煤样变形处于压密和弹性变形阶段,损伤程度低,Kaiser效应显著,上一级循环载荷超过煤样峰值强度的60%后,煤样损伤加剧,在次级加载时Felicity效应显著。     

循环载荷作用下饱水灰岩力学性能及能量演化规律研究

为了探究水力耦合作用下煤层底板石灰岩的力学特性及变形规律,预防因工程扰动而产生的底板失稳破坏,利用岩石微机伺服多场耦合试验系统,开展了不同围压下饱水灰岩的常规三轴压缩试验及循环加卸载试验。通过经典岩石力学理论划分了岩石全应力-应变曲线的各个阶段,从能量耗散及累积损伤的角度,对循环载荷作用下的岩石破坏机理进行研究。研究发现：(1)在围压不变的条件下,循环加卸载试验下岩样的峰值强度较常规三轴压缩试验有所降低,整体应变量随卸荷水平的增加而变大,扩容现象逐渐显著;(2)在围压及循环载荷作用条件下,饱水灰岩的破坏形式主要为剪切破坏,当围压增大后,逐渐出现了以横向、纵向为主的张拉破坏;(3)随着循环等级的增加,弹性应变能的占比相应降低,耗散能的占比逐渐增大,同一循环等级下,随着循环次数的增加,耗散能占比呈小幅降低趋势;(4)扩大卸荷水平,岩石损伤行为越发活跃,但同等级循环内岩石损伤出现小幅度降低,与耗散能的演化规律及机理基本一致。     

循环加卸载下饱和类岩石材料能量演化和损伤特性分析

为了研究循环荷载作用下饱水岩石的能量演化和损伤特性,利用水泥砂浆材料开展分等级循环加卸载试验和等荷载幅值循环加卸载试验,对比分析饱和类岩石材料在不同循环加卸载方式下的弹塑性应变、弹性模量、能量密度、损伤变量随循环次数的变化规律.结果表明:两种循环加卸载作用下,饱和类岩石材料的初始循环残余塑性应变均较大,分别占总残余塑性应变的６１％和７６％;分等级循环加卸载作用下,弹性模量随循环等级的升高先增大后逐渐减小,输入能密度和弹性能密度随循环等级的增加不断增大,耗散能密度先减小后逐渐增大,耗能比曲线呈现出“勺”形演化特征;等荷载幅值循环荷载作用下,弹性模量随循环次数先增大后缓慢降低,３种能量密度在损伤稳定发展阶段基本保持定值,材料破坏阶段耗能比迅速增大;基于耗散能定义的损伤变量,分等级循环荷载作用下,随循环等级的增加损伤变量变化曲线呈“上凹”形上升;等荷载幅值循环荷载作用下,损伤变量随循环次数的增加呈线性增长,且累积总应变能是分等级循环加卸载的３４．５倍,损伤破坏程度更大.     

循环荷载作用下红砂岩能量演化特征研究

岩石是一种非均质、各向异性的天然介质,由随机分布的晶粒和裂隙构成.结合红砂岩单轴循环加卸载试验,重新划分了加卸载过程中的应变能密度的组成,包括塑性应变能密度和弹性应变能密度,后者为裂隙应变能密度与基质应变能密度之和,旨在进一步探索红砂岩在循环荷载作用下的能量演化特征.研究结果表明:① 随着应力水平的升高,各应变能均呈指数式增长,弹性应变能占主导,为60％～80％,其中基质应变能基本不低于70％,塑性阶段,二者增速降低;② 将整个加卸载过程分为3个应力水平阶段:低于20％应力水平、20％～70％应力水平和大于70％应力水平,与岩石单轴载荷作用下的压密阶段、弹性阶段和塑性阶段具有一致性;③ 弹性能量指数整体呈先升后降趋势,在65％～75％应力水平时出现最大值,该应力状态下岩石启动岩爆的可能性增加,回弹变形指数整体呈降低—波动—升高—降低的趋势,反映岩石内部基质与裂隙在载荷作用下的变形特征.研究结果可为分析工程岩体稳定性及冲击危险性提供参考.     

循环加卸载下岩石力学性能的加载速率效应研究

矿山开采过程中存在岩石受周期性扰动影响,对岩石的力学性质产生显著影响。为了解不同循环加卸载方式下岩石的加载速率效应,对矽卡岩试样进行不同加载速率的恒下限循环加卸载和变下限循环加卸载试验,对比分析了不同加载速率两种循环加卸载方式下试样的变形特征、能量演化规律以及破坏特性。结果表明：试样的峰值强度和残余变形具有不同加速率效应,但其峰值强度相比于常规单轴压缩试验均有提升;随加载速率增大,试样各阶段的输入能、弹性能和耗散能均呈增长趋势,但表现形式有所差异;试样的破坏方式及形态均表现出加速率效应,随着加载速率的增大其破坏程度加剧。     

循环荷载作用下红砂岩能量演化特征研究

岩石是一种非均质、各向异性的天然介质,由随机分布的晶粒和裂隙构成。结合红砂岩单轴循环加卸载试验,重新划分了加卸载过程中的应变能密度的组成,包括塑性应变能密度和弹性应变能密度,后者为裂隙应变能密度与基质应变能密度之和,旨在进一步探索红砂岩在循环荷载作用下的能量演化特征。研究结果表明:(1)随着应力水平的升高,各应变能均呈指数式增长,弹性应变能占主导,为60%～80%,其中基质应变能基本不低于70%,塑性阶段,二者增速降低;(2)将整个加卸载过程分为3个应力水平阶段:低于20%应力水平、20%～70%应力水平和大于70%应力水平,与岩石单轴载荷作用下的压密阶段、弹性阶段和塑性阶段具有一致性;(3)弹性能量指数整体呈先升后降趋势,在65%～75%应力水平时出现最大值,该应力状态下岩石启动岩爆的可能性增加,回弹变形指数整体呈降低—波动—升高—降低的趋势,反映岩石内部基质与裂隙在载荷作用下的变形特征。研究结果可为分析工程岩体稳定性及冲击危险性提供参考。     

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。     

不同加载条件下花岗岩声发射特征及其岩爆倾向性研究

试验现场取样并利用TYP-500型三轴试验机进行岩石力学实验,借助PCI-2声发射系统记录试件的加载破坏全过程的声发射响应信号;通过声发射振铃计数分析单调加载不同围压、循环加卸载不同围压、单轴不同加载以及三轴不同加载条件下花岗岩声发射特征,发现常规单轴和常规三轴试验岩样声发射规律基本一致;大致均在峰值应力强度的90％左右,声发射累计计数突然增大,可将此作为判定花岗岩破坏的前兆特征;在室内岩石力学试验与现场调研的基础上,基于全应力-应变图,结合冲击能系数判据,确定金源矿区的岩爆倾向性,且用单轴循环加卸载方式来快速判断岩石岩爆倾向性具有一定的参考价值,并可在进一步的研究中将其应用到现场预测当中。     

煤柱-顶板结构能量演化特征及稳定性研究

煤矿事故的发生大多是由煤柱及其上覆顶板岩层失稳破坏引起的。为了研究不同煤-岩高度比对煤柱-顶板结构变形破坏及能量演化机制的影响,对煤-岩高度比分别为1∶3、1∶2、1∶1、2∶1及3∶1的煤-岩组合体进行了单轴加载及循环加卸载试验,研究了煤-岩结构体变形与能量演化之间的变化关系,利用加卸载响应比对煤-岩组合体的稳定性进行分析,对煤-岩组合体稳定性进行定量评价。结果表明：煤-岩组合体在单轴加载及循环加卸载作用下的峰值强度均随着煤-岩高度比的增加而逐渐降低,煤-岩组合体在循环加卸载作用下的峰值强度均低于单轴加载试验中的峰值强度,煤-岩高度比越大,循环载荷作用下组合体峰值强度降低率越小;组合体输入能、弹性能和耗散能随应力增加呈非线性增加,煤-岩高度比与组合体循环载荷过程中产生的平均弹性应变、平均弹性能、平均残余应变、平均耗散能、总残余应变和加卸载响应呈正比关系,与总弹性应变、总弹性能和总耗散能呈反比关系。     

分级循环加卸载作用下脆性岩石损伤特性分析

以砂岩为研究对象,通过分级循环加卸载试验研究脆性岩石在分级循环加卸载作用下的损伤特性和演化规律。基于试验结果,定义了损伤值,推导出适用于加载阶段和卸载阶段的损伤本构模型。研究结果表明:提出的循环加卸载下的岩石损伤本构方程与试验应力应变曲线拟合度比较高,证明了其合理性和适用性。该损伤本构模型和定义的损伤值可以正确地反映出岩石的损伤演化过程,能够描述岩石破坏的各个阶段。参数敏感性对本构模型有不同程度的影响。     

有岩爆倾向岩石的声发射特征试验研究

在一次循环加卸载条件下,通过对有岩爆倾向的石英闪长岩破坏过程的声发射试验,研究了声发射事件数(AE数)、能量、事件率、能率与应变、时间的关系以及AE信号的频谱特征。试验结果表明：岩石经历了初始压密段和非弹性塑性破坏段2个阶段。卸载条件比初始加载条件下的声发射活动要强烈,卸载作用进一步促进了岩石非稳定性破坏;岩石在发生破坏前,AE率与能率突然急剧增大;在加载-卸载-加载过程中,声发射活动的主频表现出了先低频再中频,最后到高频并伴随次高出现的这样一个发展过程;这为此类岩体的岩爆预报提供了一定的依据。     

基于单轴加卸载试验的千枚岩岩爆倾向性研究

为研究具有层理结构岩石的岩爆倾向性,以西鞍山铁矿地区的层理千枚岩为研究对象,现场取样并加工为标准试样,使用刚性压力机进行单轴加卸载压缩试验。对试验结果进行分析,揭示了西鞍山铁矿地区千枚岩的破坏特征,在室内岩石力学试验的基础上,结合线弹性能判据(PES)及弹性能量指数(WET)对不同层理角度下的岩石岩爆倾向性定量分析。结果表明:千枚岩强度在加载方向与层理夹角为0°、90°时最高,30°、45°时较低,60°最低,总体呈现出U型变化规律;千枚岩的弹性模量随夹角的增大逐渐增大:PES、WET指标均显示,千枚岩的岩爆倾向性呈0°最大,90°次之,60°最小的类U型变化趋势。研究结果为在层理岩石内开拓巷道、确定巷道走向及进行巷道支护等方面提供了有益参考。     

循环加载下冲击倾向性煤能量耗散与损伤演化研究

为研究强冲击倾向性煤在多级循环加载条件下的能量耗散特征及损伤演化过程,在实验室开展了陕西某矿煤样的多级循环加载试验,试验研究结果表明:在多级应力循环下煤样的耗散能先迅速降低,后缓慢增加,当循环上限应力达到63%破坏载荷时,耗散能开始急剧增加;而能量耗散率先迅速降低,后逐渐稳定;煤样加卸载阶段弹性模量均有增大趋势,加载阶段弹性模量先迅速增大,后缓慢增加,而卸载阶段弹性模量变化较为平稳。采用累积耗散能定义循环加载中试件的损伤变量,并建立煤样损伤演化方程,通过试验和数值计算测定各个参数。理论和试验研究表明,基于能量耗散分析建立的冲击倾向性煤损伤演化方程能够较好反映煤样的损伤演化过程。     

牙轮钻头动静耦合碎岩机理及旋挖成桩应用

总结了在不同高温状态下冷却、不同加载速率及随机裂隙发育状态下花岗岩动态抗拉力学特性的变化规律;结合牙轮钻头孔底碎岩过程,分析了动静载荷耦合作用下岩石破碎的载荷-侵深特性曲线,认为动、静载荷耦合作用的加载点（即动载的施加点）应是在静载处于卸载阶段;并根据加载能量大小讨论了不同动静耦合工况下产生的岩石破裂深度及破碎体积,表明通过一定范围内增大静载荷及冲击力、预加静压对岩石进行预应力损伤、加载-卸载-加载的破碎循环模式,有利于高效碎岩及裂纹的发育。嵌岩桩基础工程实践表明,通过改造牙轮钻头等钻具结构形式及布齿方式,利用动静耦合加载方式及对钻头冷却处理,可实现牙轮钻头在微风化花岗岩高效钻进的目的,为牙轮钻头的旋挖钻进成桩应用提供了重要的技术支撑。     

分级循环加卸载作用下花岗岩变形破坏研究

以地下深部花岗岩为试验材料,利用GAW-2000微机控制电液伺服岩石单轴试验机进行分级循环加卸载试验,研究在同一递增荷载幅度条件下,试件的抗压强度、变形、破坏特征、残余应变以及弹性模量的变化趋势。结果表明：在单轴分级循环加卸载试验作用下,岩样的峰值强度随着每级循环次数的增加呈现递减趋势,且单调荷载应力-应变曲线包络住循环荷载应力-应变曲线；岩样破坏特征主要以剪切破坏为主,随着循环次数增加,破坏裂纹更加分散；岩样在加载过程中,岩体内部的结构在不断地调整,导致结构面变得密集与裂隙间更加闭合,卸载时回弹变形有滞后现象,加载起点与卸载终点不重合；轴向弹性、残余应变与环向弹性、残余应变随循环次数变化的规律具有相似性,岩样弹性模量曲线的趋势以“波浪形”的规律交替变化。     

弹性范围内加卸载时岩石波速-应力-储能对应关系研究

为了获得岩石储能的定量化表征方法,基于岩石内部储能可以通过其受载状态下岩石应力-应变关系曲线下的面积来定量化计算的原理,在实验室内测试了岩石试样在弹性范围内反复加卸载下波速-应力、应力-储能的对应关系。结果表明,对处于弹性阶段的大理岩试件进行多次反复加卸载,加载过程中波速随压应力线性增加,卸载过程中波速随压应力减少而线性下降;且同一应力下,加载对应的波速一般低于卸载时波速,但随着加卸载次数增加,这种同一应力下的加卸载波速之间的差值会越来越小,趋近于相同,此时整体的线性规律性更加明显。测试结果还显示,弹性阶段内,大理岩试样的单轴加卸载应力与能量密度较好地符合复合幂函数关系。通过应力作桥梁,构建出波速与能量之间的量化对应函数关系,从而找到了一种用波速来表征岩石储能的定量化方法。     

加卸载速率对含瓦斯煤损伤-渗透时效特性影响试验研究

为探索轴压加载速率和围压卸载速率对采动含瓦斯煤损伤-渗透时效特性的影响规律,利用煤岩吸附-渗流-力学耦合特性测定仪开展了不同加卸载速率条件下煤体损伤-渗透试验。研究结果表明,轴压加载速率或围压卸载速率越高,试样损伤破坏的时间响应越快,峰值强度呈小幅度降低,即加卸载速率显著影响着试样损伤破坏的时效特性,但对试样抵抗破坏的能力影响较小;加卸载速率较低时试样呈相对稳态损伤,加卸载速率较高时试样损伤程度较高且呈非稳态损伤特征,易发生突崩式破坏;加卸载速率越高,则试样渗透率的时间响应越快,增幅越大,恒轴压卸围压试样的峰后渗透率可达到原始渗透率的163.0%~206.3%;围压卸载对采动煤体损伤-渗透的影响作用远大于轴压加载,因此在工程实践中需适当控制煤层开采速度,以有效避免煤岩瓦斯动力灾害。     

真三轴加卸载下砂岩力学特性的速率效应

为研究砂岩力学特性的速率效应,开展砂岩真三轴加卸载试验.试验结果表明:加、卸载速率对砂岩力学特性有明显影响,随着加载速率的增大,岩石弹性增强,三轴抗压强度增大,变形发育更充分,岩石破坏时围压水平提高,破坏更加迅速,所需时间减少,破坏时应变增大;而随着卸荷速率的增大,岩石的弹性承载能力减弱,强度降低,破坏时卸载方向变形增大,岩石破坏时围压水平降低,但卸载速率越小,岩石最终破坏时裂纹发育越充分;加卸载过程中,岩石变形模量逐渐劣化损伤,加载速率越大,卸荷速率越小,变形模量的劣化损伤变慢.     

循环加卸载下灰岩力学特性试验研究

为了更好地了解灰岩在循环荷载作用下的力学特性,利用TAW-2000D微机控制电液伺服岩石三轴试验机对灰岩进行单轴循环加卸载试验,研究了灰岩在不同循环加卸载路径作用下的强度、变形特征及破坏模式。结果表明:不同循环加卸载路径对灰岩的抗压强度的影响是各不相同的,且首循环加载载荷大小对灰岩的峰值强度影响较大。