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。     

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。     

砂岩循环加卸载下损伤特性及声发射Kaiser效应研究

为了获得砂岩循环加卸载路径下损伤特性和声发射Kaiser效应特征,开展了不同围压下砂岩循环加卸载声发射试验;从轴向应力、加载应力水平、能量耗散损伤角度,研究了三轴循环加卸载下声发射的不可逆比变化规律;评价了三轴循环加卸载下岩石Kaiser效应判断方法。结果表明:循环加卸载下耗散能损伤参数能较好地反映岩石的渐进损伤破坏,基于耗散能损伤参数的计算,能较好地反映岩石不同阶段的损伤特性,避免了应变参数计算损伤时压密阶段损伤值异常增大的现象。从应力水平、能量损伤角度分析声发射FR,更真实地反映岩石声发射Kaiser效应,随着围压增大Kaiser效应失效的应力提前,同一应力水平、相同能量损伤下,围压越大FR越小,声发射不可逆性随围压增大逐渐变得模糊。     

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.     

不同应力路径下岩石峰前卸荷破坏能量特征分析

基于岩石能量交换原理和3种不同卸荷路径下试验,研究了卸荷条件下岩石轴向吸收应变能、环向扩容消耗应变能、弹性应变能以及耗散能的演化特征与演化速率。研究结果表明:3个方案中,岩石轴向吸收的应变能主要转化为环向扩容消耗应变能,扩容程度方案III方案I方案II,而转化为耗散能较少,只有在临近破坏时耗散能才明显增加。初始围压对轴向应变能、环向扩容消耗应变能及弹性应变能的影响程度明显大于卸载路径,且都随着初始围压的增大呈近似线性增加。同一初始围压下,岩样临近破坏时存储的弹性应变能大小方案II方案I方案III,岩石发生破坏时,方案II发生岩爆的可能性最大。卸载路径和初始围压对耗散能有显著的影响。3个方案中应变能的演化速率均随着初始围压的增大而增加,初始围压对应变能演化速率的影响与卸载路径有关。     

卸荷条件下岩石破坏能量演化试验研究进展

岩石在变形破坏过程中不断与外界交换着物质和能量,是一个能量耗散的损伤演化过程,岩石破坏的实质是能量驱动下的状态失稳现象。综合介绍了在开挖瞬间,迅速增大的轴向应力随着时间增长逐渐趋于稳定和围压瞬间卸载的应力重分布情况,目前主要采用轴压升高、围压降低而轴压不变、围岩降低的室内试验方案。结果表明:岩石卸荷破坏具有明显的围压效应,总应变能、弹性应变能和耗散能与初始围压呈正相关关系;随着卸荷速率的增加,能量转化速率不断减小,岩石容易产生瞬间动态破坏;不同卸荷水平下能量演化存在明显的差异;碎屑岩块分形维数越大,扩容现象越明显,穿晶、沿晶裂纹越发育,消耗能量越多。基于现有的研究成果,提出完善试验系统、采用与工程实际相符合的应力路径、开展微细观裂纹研究、深入能量转化敏感阶段研究的发展趋势。     

侧向变形控制下的灰岩破坏规律及其峰后本构关系

根据不同含水状态（干燥和泡水饱和）和不同围压条件下的灰岩岩样的三轴压缩全程试验和峰后加卸载循环试验,分析干燥和饱水状态灰岩的变形破坏规律、围压对灰岩峰值强度和残余强度及破裂面角度的影响,研究灰岩峰前、峰后强度与变形之间的关系。结果表明：灰岩的破坏方式不仅和围压水平有关,而且和岩石的含水状态相关;灰岩的残余强度与峰值强度相比很小,且随峰后加卸载循环次数的增加继续衰减;该类灰岩在低围压下产生拉剪组合破坏,导致其破裂角度较Coulomb 准则预测值偏大,在高围压下发生完全剪切破坏,破裂角度与Coulomb 准则计算结果吻合;岩石轴向应力在峰值前是由其轴向应变决定的,峰后则由侧向变形控制,随侧向变形的增加逐渐衰减至残余强度。在此基础上建立了灰岩峰后本构模型,给出了分段的岩石应力-应变关系函数。利用该模型对岩石应力-应变全过程进行计算,计算结果与试验结果吻合较好。     

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.     

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。     

深部煤层底板岩体能量演化特征及卸荷劣化破坏机制研究

为研究深部煤炭回采过程中底板岩体能量变化特征及卸荷劣化机制,开展了不同围压卸载速率下岩石力学试验,综合理论分析和实验室试验分析了不同卸载阶段的岩石损伤断裂能量、弹性模量的变化特征。研究表明：卸围压过程中的岩石变形破坏可划分为围压卸载起始点至失稳破坏、失稳破坏到加速破坏、进入加速破坏3个阶段。在围压卸载起始点至失稳破坏阶段和失稳破坏到加速破坏阶段,相同轴压下,不同围压卸载速率对岩石弹性模量劣化程度产生的影响较小;在围压卸载起始点至失稳破坏阶段,损伤断裂能量消耗较少,但岩石弹性模量劣化程度较为明显;在失稳破坏到加速破坏阶段,弹性模量的劣化程度相比于围压卸载起始点至失稳破坏阶段趋缓,但损伤断裂能量消耗呈现增长变化趋势。在岩石进入加速破坏阶段,卸载速率越快,岩石卸围压过程中释放的损伤断裂能量越大,越易形成宏观贯穿式裂纹,煤层底板突水危险性随之增大。     

循环载荷作用下含水煤岩组合体损伤特性及裂纹扩展规律

同忻煤矿8105工作面煤岩体和隔水煤柱长期受水化作用影响,受矿震、采动应力等循环载荷扰动明显,现以该工作面为研究背景,在实验室开展了不同含水率下3种不同顶底板岩性(泥岩、砂岩、石灰岩)的煤岩组合体单轴压缩及循环加卸载试验。通过力学试验分析获得了其损伤劣化机制和能量演化规律,并基于电镜扫描、数字散斑和RFPA数值模拟,揭示了其裂纹从微观到宏观的破坏规律。结果表明：(1)随着含水率增大,煤岩组合体试件的峰值强度劣化幅度逐渐降低,4个阶段饱水百分比的试件峰值轴向应变逐渐减小,循环加卸载条件下要比单轴压缩条件下阶段劣化幅度更大,阶段劣化度由大到小依次为：N20、S20、SH20;(2)水化作用下,煤岩体结构面胶结程度降低,由致密变得软弱,循环加卸载情况下,随岩煤强度比增大组合体破坏模式由张拉-劈裂破坏逐渐向拉伸-剪切混合破坏转变;(3)基于RFPA模拟分析得出,循环加卸载下,随着顶底板岩性强度增大,组合体破裂形成的主裂隙逐渐明显,衍生的次生裂隙逐渐变少,水化作用下强度更高的煤岩组合体破坏时仍能保持更强的脆性破坏。该研究成果可为富水工作面的安全生产提供一定的参考借鉴。     

单轴循环载荷与渗透水压下预应力裂隙岩石破坏试验研究

为研究受地应力与渗透水压耦合作用下的深部岩体受到爆破等动力扰动的力学响应,研制了渗透水压加载装置,对含裂纹类岩石材料的混凝土试样加载预应力后,进行有渗透水压作用和无渗透水压作用下单轴循环加卸载压缩破坏对比试验。试验结果表明,在试样弹性阶段加载有限次循环载荷有助于类岩石材料的强化;在有渗透水压作用下,单轴循环加卸载后岩石的强度降低,降低的程度与循环载荷加载时预应力的大小有关,在弹性阶段加载循环载荷的岩石强度高于在损伤阶段加载循环载荷的岩石强度,而且在渗透水压作用下岩石的应变大于无渗透水压作用下岩石的应变。具有岩爆倾向性的岩石可以通过加载、卸载产生损伤以降低其岩爆倾向性,同时低渗透水压的作用可使岩爆降低程度更剧。     

冻融后循环荷载作用下红砂岩力学特性试验研究

为了研究寒区岩石在往复荷载作用下的力学性质,采用TAW-100微机控制岩石力学试验机及冻融循环试验箱对经历不同冻融循环次数的红砂岩进行常规单轴压缩试验和单轴循环加卸载试验。结果表明,随着冻融循环次数的增加,岩石的峰值强度、弹性模量逐渐减小,而峰值应变和泊松比逐渐增大,岩石的破坏则呈现出由脆性向延性转变的趋势;循环加卸载平均模量随冻融次数的增加迅速降低,单位体积耗散能则随加卸载应力水平的增加逐渐增大,但这一趋势随冻融循环次数的增加逐渐降低。     

不同应力途径下灰岩卸荷试验研究

考虑不同应力路径下的卸荷对岩石强度、变形模量等参数的影响,以铜坑矿区小扁豆状灰岩为研究对象,结合现场工程地质条件,开展了岩石卸荷力学试验,试验研究发现:卸荷岩石的破坏主要表现为脆性破坏,峰前卸围压的破坏程度大于峰后卸围压的破坏程度,峰后卸围压的破坏程度大于常规三轴的破坏程度,峰前卸围压破坏具有突发性,岩样由张性破坏过渡到张剪性破坏;在相同初始应力下,岩石卸载破坏所需应力比常规三轴压缩破坏对应的应力小,卸荷破坏时的变形比连续加载时大;衍生的卸荷裂隙随机发生,方向大体平行于X型共轭剪节理,对洞室开挖临空面定向破坏有判定性,由此现象引发片帮、冒顶等隐患需及时采取工程措施治理。     

煤矿高浓度胶结充填体能量演化特征试验研究

为了研究煤矿高浓度胶结充填体的能量演化特征,借助RTR-2000高压岩石三轴动态测试系统开展了高浓度胶结充填体不同围压下的常规三轴压缩试验,分析了试件变形破坏过程中的应变能演化规律及围压效应。研究结果表明:(1)对于围压不为0的试件,峰值强度对应的耗散应变能占吸收应变能的比例超过70 %,试件在达到峰值强度前已经发生剧烈的塑性变形和破坏;(2)试件变形破坏过程中,吸收应变能快速增加,弹性应变能先积累后释放,峰值强度时达到储能极限,耗散应变能自屈服变形阶段开始快速增长;(3)相同轴向应变条件下,围压越大,试件的吸收应变能、弹性应变能越大,高围压试件的耗散应变能随轴向应变的增加将超过低围压试件的耗散应变能,围压可以大幅改善试件的应力水平,限制试件的径向变形,提高试件的储能能力,抑制试件的变形破坏。     

岩石加荷破坏弹性能和耗散能演化特性

开展大理岩、灰岩和砂岩的常规三轴试验,研究岩石变形过程的能量非线性演化特征。结果表明:岩样屈服前外力功大部分转化为弹性应变能存储于岩样内部,耗散能增加的很少,屈服点后耗散能快速增加,弹性能增速变缓。岩石的极限存储能具有围压效应,随着围压增加,岩石破坏时的极限存储能逐渐增加。极限存储能还与岩石本身的性质有关,岩石的强度越高,脆性越强,极限存储能愈大。灰岩极限存储能最大,大理岩极限存储能次之,砂岩极限存储能最小。根据弹性能和耗散能的演化规律,构建了岩石变形破坏过程中弹性应变能的非线性演化模型,理论模型与3种岩石的试验结果吻合较好。     

岩石卸荷破坏的变形特征及本构模型

对闪长岩试样进行了加轴压、卸围压试验,研究了卸荷条件下闪长岩的变形和破裂特征.结果表明：与加载试验相比,卸荷试验中岩样轴向应变没有明显的应变强化过程,轴向应变峰值较小,弹性模量与围压呈非线性关系降低,泊松比与围压呈非线性关系增加,岩样破坏特征以主剪切破坏为主.基于试验认识,采用损伤力学理论,通过岩石强度的随机分布假设和摩尔-库仑强度理论,引入比例系数,建立了一个能够反映岩石卸荷特征的三维损伤本构模型.基于试验结果给出模型参数, 模型能够反映岩石卸荷条件下的强度及脆化特征,理论结果和试验结果吻合较好.     

分级循环加卸载试验下砂岩的力学特性研究

采矿工程中岩体受开挖过程影响易发生不可逆破坏,为保证矿山开采的安全运行,须研究扰动荷载 下岩石的力学特性。为此,探讨了不同围压条件下,致密砂岩在常规三轴加载和分级循环加卸载作用下的力学特 性,并将二者进行对比分析。得出结论：破坏形式均属脆性破坏,循环加卸载下的砂岩试样破碎程度更大;循环加 卸载试验中,试样峰值强度较常规三轴试验有所减小,轴向峰值应变有所增大;增大围压能够提高砂岩抵抗变形的 能力;随着分级循环上限应力值的增加,滞回环曲线的面积逐渐增大,产生的耗散能也逐渐累积;循环加卸载过程 对砂岩弹性模量起到强化效应;同时,循环荷载加剧了裂纹损伤。此研究结果对砂岩在复杂应力下的矿山安全工 程实践具有重要的理论指导意义。     

砂岩真三轴加卸载能量特征的速率效应

基于不同加卸载速率真三轴试验,研究砂岩加卸载能量特性的速率效应。结果表明:不同加卸载速率下的能量-应变曲线总体趋势基本相同,即输入的总能前期主要储存岩石弹性能,后期主要转化为用于岩石变形破坏的耗散能;加卸载速率对能量特性存在显著影响,高加载速率或低卸载速率下,岩石破坏时的总能、弹性能、耗散能增大;加载速率越大或卸载速率越小,破坏时的应力越大,卸荷比越小,变形破坏越剧烈,当卸荷比接近最终临界值时,总能与耗散能急剧增大,此时继续少量卸载σ_3就会引起岩石剧烈变形至破坏;加卸载速率改变了岩石的能量分配。     

三轴循环加卸载下煤岩损伤的能量机制分析

由于煤岩的变形破坏是一个十分复杂的损伤演化过程,因此有必要深入研究各种加载模式下煤岩损伤演化过程的能量转化机制。通过岩石三轴循环加卸载试验,分析了不同围压作用下煤岩的损伤演化行为。实验研究表明,在循环加卸载情况下,煤岩表现出明显的循环滞后环,且随应力的增大煤岩的损伤耗散能增大。在低围压下及单轴压缩下,煤岩的弹性模量随循环应力增大而下降,但在高围压下煤岩的弹性模量没有随循环应力增大而下降。这表明围压的作用引起了煤岩损伤机制的变化。为此给出了基于能量分析的损伤变量定义及其演化规律,克服了传统的基于弹性模量定义的损伤变量的不足,可以较好地描述不同围压作用下的煤岩损伤演化程度。