循环加载保载卸载下泥质砂岩滞后破坏特性

采用TATW-2000电液伺服试验机对泥质砂岩试件进行单轴循环加载保载卸载破坏试验:首先对试件施加轴压至预定值,然后保持该压力值约115 s左右,以使泥质砂岩试件变形有足够时间达到一个相对稳定状态,以至于轴向变形速率小于0.005 mm/h;当试件在该压力作用下变形相对稳定后,再进行轴压卸载和下一个循环加载、保载、卸载过程;如此循环,直到试件在保载过程中发生破坏。本次试验研究结果表明,在循环加卸载试验中,无论是加载还是卸载过程,岩石变形都滞后于外部应力变化;在轴压加载至设定值并进入保载过程中的较短时间范围内,岩石变形并不立即停止而是随时间有一定程度的缓慢增长,即具有变形滞后特性;在循环加载、保载以及卸载条件下,岩石试件最终破坏前会产生大量的竖向裂纹;与常规单轴压缩试验相比,在单轴循环加载、保载、卸载条件下的泥质砂岩试件滞后破坏时的平均单轴抗压强度有所降低;在岩石恒载滞后破坏试验中,岩石滞后变形为试件达到破坏所需弹性能补充提供了供给途径。     

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。     

砂岩试件加载-卸荷-加载损伤弱化试验分析

为研究深部巷道围岩开挖和回采全过程中岩体强度的弱化规律,通过对砂岩试件进行不同加载速率的单轴加载、不同围压的三轴加载以及不同程度的三轴加载-卸荷-单轴加载试验对砂岩试件在加载、卸荷和再加载过程中的损伤、弱化机理进行研究。结果表明:试件的峰值强度与加载速率之间呈幂函数关系,与围压之间呈线性关系,加载速率和围压越大,砂岩试件强度越高。砂岩在三轴加载-卸荷-单轴加载时试件最终破坏形态与其受载历史无关,与岩石的最终受力状态相关。岩石的最终强度与其受载速率、围压大小和加卸-载扰动等受载历史相关,初始轴压越大加载速率越小试件的初始损伤越大,卸载后再加载的最终强度越小。此外,提出了基于能量密度的岩石损伤度指标和一种基于加载过程状态的强度弱化计算方法,经计算验证该方法是可行的。     

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.     

真三轴应力条件下加卸荷速率对砂岩力学特性与能量特征的影响

为了更准确地认识真三轴应力条件下加卸荷速率对岩石力学特性与能量特征的影响规律,利用自主研发的“多功能真三轴流固耦合试验系统”开展了砂岩真三轴加卸荷力学特性试验,实现了最小主应力方向上的单面卸荷,模拟实际围岩应力演化过程。试验结果表明：随着卸荷速率的增大,砂岩破坏时的最大主应力、最大主应变、最小主应变和体积应变均减小、中间主应变增大,扩容起始点提前,岩样破坏模式逐渐由剪切破坏转为张拉破裂,且张性裂纹多集中于卸荷面附近。加载速率的增大,砂岩破坏时的最大主应力、最大主应变、最小主应变和体积应变增大,扩容起始点滞后,岩样破坏模式逐渐由张剪破坏转向剪切破坏,产生非贯通性裂纹。引入应变偏应力柔量分析不同加卸荷速率下砂岩变形规律,最小主应变和体积应变的偏应力敏感性与卸荷速率呈正相关,最大主应变的偏应力敏感性与加载速率呈正相关。此外,岩石在峰值应力前能量演化有明显的阶段性,峰前吸收的能量大多以可释放弹性应变能的形式存储,耗散能在峰后超过弹性应变能。耗散能比例Ud/U随着最大主应变的增加呈现出先增后降再增的趋势,峰值应力时Ud/U随着卸荷速率的增大而减小,随着加载速率的增大而增大。达到峰值应力时,岩石吸收的总能量U、弹性应变能Ue、耗散能Ud和相应的应变能增量与时间间隔的比值u均随着卸荷速率的增大而减小,随着加荷速率的增大而增大。     

真三轴条件下砂岩强度、变形及破坏特征试验研究

研究真三轴应力状态下岩石强度、变形及破坏模式对于科学准确地预测和评价地下岩石工程稳定性具有重要的意义。通过自主研制的真三轴电液伺服控制系统开展一系列砂岩真三轴加载试验,结合CT扫描技术,系统研究了不同中间主应力影响下砂岩强度、变形及破裂特征。研究发现:随着中间主应力的增加,砂岩强度呈先增加后减小的趋势;中间主应力的增加促使该加载方向变形逐渐受到抑制,侧向膨胀主要沿最小主应力加载方向,并出现先减小后明显加快的趋势,中间主应力由对岩石的保护作用逐渐演变为损伤作用;真三轴条件下,岩样内部出现两条规则的破裂面,裂纹面沿着σ2方向,倾向于σ3方向,整体破裂形态较规整,岩样破裂面表面积随中间主应力的增加呈先减小后增加的趋势。本文研究成果对于更深入的理解真三轴条件下砂岩力学行为及破坏特征有一定的意义。     

白砂岩试件初始损伤后再加载力学特性试验分析

针对巷道开挖以及回采过程中围岩应力平衡-卸压二次平衡引起的巷道大变形问题,利用应变测试仪及红外热像仪对白砂岩三轴加载-卸载后单轴再加载的破坏过程进行监测.实验结果表明:试件单轴加载破坏形态与初始损伤程度有关,白砂岩三轴加载超过57.5%峰值强度后卸载,单轴再加载破坏形态发生了改变;岩石单轴加载过程中环向应变速率与岩石裂隙大小有关,裂隙越大,环向应变速率越大,反之,应变速率则越小;单轴再加载损伤后的岩石,存在张裂变形与剪切滑移变形,破坏时以剪切滑移为主.试件剪切破坏时滑移面温度急剧升高.     

真三轴卸荷条件下砂岩力学特性和剪切变形带预测模型

中间主应力和卸载作用对岩石剪切破坏特性具有重要影响。基于多功能真三轴流固耦合试验系统，开展不同中间主应力条件下砂岩加载和卸载破坏试验，分析其变形特征和强度特性，通过建立本构关系和剪切变形带角度预测模型，研究2者对剪切变形带角度的影响规律。试验结果表明：随着中间主应力增加，岩样峰值处偏剪切应力增加，且卸载条件下增幅较小；岩样最大压缩点呈现先增加后趋于稳定的趋势，达到最大压缩点后，加载条件下岩样体积应变由膨胀逐渐变为压缩，而卸载条件下均呈膨胀趋势。随着中间主应力增加，岩样偏剪切应变陡增，卸载条件下陡增提前。在峰值处，卸载条件下应力Lode角和应变Lode角均比加载条件下的大，且2个条件下2类Lode角的差值随中间主应力增加而增大。中间主应力和卸载作用可以通过应力Lode角反映岩石屈服特性，通过应变Lode角反映岩石内部裂隙演化方向。采用等效塑性应变表征内摩擦角和剪胀角，建立由三应力不变量构成的硬化本构关系；引入相关流动法则，构建剪切变形带角度预测模型。对比试验值，发现模型预测效果良好。随着中间主应力增加，变形带角度先减小随后趋于稳定；而卸载作用会减小变形带角度，并受中间主应力影响，角度减小...     

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。     

两种不同岩石在三轴压缩条件下的变形实验

利用电液伺服材料控制机试验系统,以不同的围压(5、10、15、20、25、30MPa)分别对矽卡岩和蛇纹岩试样进行三轴压缩试验,分析围压和岩样三轴抗压强度的关系,研究岩样各蠕变阶段非线性黏弹塑性变形特征,并比较两种岩样破坏形式的差异.试验结果表明,在三轴压缩条件下,两种岩样的三轴抗压强度与围压都有良好的线性关系;两种岩样的变形规律基本相同,且最终的破坏方式主要都为单斜面剪切破坏.     

一维动静组合加载下岩石力学特性的数值模拟研究

为了探究一维动静组合加载下岩石的力学特性,采用数值模拟方法,对岩样进行模拟,以岩石单轴抗压强度的0%、20%、50%和80%作为轴压值,分别设置动荷载值进行加载。通过对模拟的应力-位移曲线、强度、应变、破坏特征进行分析,得出以下结论:在不同的轴压和动载下,峰后曲线出现应变回弹,应力跌落,峰后塑性3种变化;动态抗压强度随着应变率的增大而提高,随着轴压的增大,动态抗压强度呈现先增大后减小的趋势;轴压一定时,改变动载幅值,应变曲线出现先增大后减小、峰后曲线不随加载时间变化、一直增大3种变化趋势;无轴压下岩样的破坏模式为拉伸破坏,有轴压下岩样的破坏模式为压剪破坏。     

中间主应力对砂岩扩容及强度特性影响

基于自主研发的"多功能真三轴流固耦合试验系统",进行了真三轴应力(σ1﹥σ2﹥σ3)条件下,保持体应力不变、改变中主应力系数的砂岩强度试验,探讨了不同中主应力系数条件下砂岩的变形、强度及剪切破坏特性。试验结果表明:在真三轴应力条件下,扩容起点随中主应力系数b的增大而呈递减趋势。应力加载过程中扩容存在明显的阶段性:随最大主应力的增加,稳定压缩段,体应变近似呈线性递增趋势;加速扩容段,体应变近似呈二次函数增大,且应变速率呈线性增大。保持体应力不变条件下,砂岩峰值强度随中主应力系数b的增大而逐渐降低,符合修正Lade准则。试验应力条件下,岩样主要发生双斜面对称剪切破坏,剪切破坏面倾角随b的增加呈线性增大。     

动静组合加载下白云岩碎屑破坏特征研究

利用改进的三轴霍普金森压杆(SHPB)动静组合加载实验装置,对某矿深部白云岩试样进行常规动态加载及动静组合加载室内试验,收集破坏后的岩石碎屑,针对碎屑特征做分类的测量分析,包括碎屑质量、长度、宽度和厚度。并对不同粒径范围内的碎屑数量、质量分布、破坏形态等作分类研究,分析冲击荷载在不同静应力状态下对碎屑特征的影响,讨论冲击过程中白云岩的破坏特性。研究结果表明:冲击荷载下轴压会加剧岩石的破坏程度,破坏模式多为拉伸破坏且对碎屑形态的影响较明显;围压的存在会降低岩石的破坏程度,并使其破坏模式由拉伸破坏逐步转变为剪切破坏;当静力一定时,岩石破坏程度会随动载荷的升高而增大,但碎屑形态受其影响较小。     

煤岩加卸载不同应力途径变形破坏力学参数的研究

分析煤岩轴向应力恒定条件下卸围压破坏时的力学参数,运用卸载破坏围压差的概念,反应不同初始卸载围压煤岩破坏的难易程度,通过不同初始卸荷速率时煤岩试件变形破坏参数的对比试验,研究开挖卸荷速率对地下工程的影响。将卸载试验与常规三轴加载试验的极限强度、破坏方式等力学参数进行对比,试验结论丰富了卸载岩石力学内容。     

不同加载速率对类软岩三轴峰值强度的试验研究

利用相似材料配制类软岩试件,对类软岩试件进行不同围压下不同加载速率的三轴破坏室内试验,分析了不同围压下不同加载速率对类软岩的应力应变曲线、三轴峰值强度、轴向应变等物理参数的影响。得出结论,相同围压下,类软岩试件峰值强度、应变整体上随加载速率增大先升高后降低,但相比围压为0的环境,峰值强度降低缓慢;相同加载速率下,围压越高,峰值强度和应变越大;加载速率为0.5 MPa/s时,相邻围压间的峰值强度差值较为均等。     

非均质岩石单轴压缩试验破坏过程细观模拟及分形特性

为了细观模拟非均质岩石试样单轴压缩试验的破坏过程,提出了一种新的有限元数值模拟方法。该方法以莫尔-库仑破坏准则为基础,将岩石视为非均质和准脆性材料,并假定岩石单元的抗剪强度参数服从正态分布。有限元细观模拟结果表明,岩样非均质性对本构关系曲线形状有显著影响,模拟的应力-应变曲线与试验曲线基本吻合。基于分形几何理论,采用计盒维数方法计算单轴压缩试验不同荷载条件下的岩石破坏分形维数,建立了分形维数与顶部位移之间的非线性演化模型。分形分析研究表明,岩石试样的破坏过程具有分形特性,分形维数可用来定量地表征单轴压缩试验岩样破坏过程。     

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。     

砂岩单三轴压缩过程中声发射特征的试验研究

利用RMT-150B岩石力学试验系统,对义马曹窑煤矿顶板砂岩进行单轴、常规三轴和三轴卸围压试验,加载同时进行声发射检测.试验结果表明,岩样压缩变形破坏过程中的声发射参数与加载方式有关.单轴压缩时,各个阶段均有不同程度的声发射事件,声发射事件较为强烈,累计计数和能量明显偏高;常规三轴压缩时,岩样屈服前声发射事件较少,屈服...     

杨家岭页岩微宏观下物理力学特征研究

杨家岭中采区北坡高程150 m处有滑坡,由此造成的破坏变形给安全生产带来极大影响。滑坡岩石为孤峰组页岩,为探究岩石宏微观破坏机制,利用X射线粉晶衍射、扫描电镜、MTS816型电液伺服控制试验机等对其进行研究。试验结果表明：研究区页岩主要由碎屑矿物石英和黏土矿物伊利石、少量绿泥石和高岭石组成,岩石具有一定吸水性;微观下,页岩内部整体为片状结构,含有直径约0.61～4.01μm的孔洞,长度约1.09～2.95μm的原生裂纹;单轴压缩下,岩石抗压强度与弹性模量随着加载速率的增大,而成指数关系增大,在低加载速率下,页岩有明显的屈服阶段,且破坏形式为脆性张拉破坏;三轴压缩下,页岩抗压强度平均下降了15.31%～20.40%、黏聚力下降了16.57%左右,围压能够提高饱水页岩的抗压强度,其主要发生脆性剪切破坏,且破坏倾角约为67.38°;岩石损伤强度和峰值应变受围压影响最为明显,其强度受围压敏感程度依次为损伤强度>峰值强度>起裂强度。研究结果表明：研究区页岩矿物成分和微观结构可能是诱发其宏观破坏的主要原因。     

真三轴条件下卸载速率对砂岩力学行为和能量演化的影响研究

通过真三轴流固耦合试验系统对砂岩进行真三轴加卸载试验，研究不同最小主应力方向卸载速率对砂岩试件的力学行为和能量演化特性的影响。试验结果表明：随着卸载速率增加，体积最大压缩量减小，达到最大压缩量所需的最大主应变也减小；卸载速率增加使岩样中间主应力系数增加，而静水压力和剪切应力值均减小；随着卸载速率增加，峰值处总能量下降，弹性能呈现出先增加后趋于平稳的趋势，耗散能呈下降趋势。试验开始到最大压缩点之前为阶段Ⅰ,最大压缩点之后到峰值处为阶段Ⅱ。随着卸载速率增加，在阶段Ⅰ中，耗散能转化速率增加程度较低，岩样变形以弹性为主；在阶段Ⅱ,耗散能转化速率增加程度较高，岩样变形以塑性为主。研究结果对控制岩石变形和破坏具有指导意义。