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...     

煤系砂岩真三轴试验及细观模拟研究

研究真三轴应力状态下岩石变形破坏特征及其机理,对于深地工程研究有着极高的指导价值与现实意义,结合室内真三轴试验,通过颗粒流离散元程序PFC~(3D)对真三轴应力状态下岩石的变形破坏过程进行了细观数值计算分析。研究发现:随着中间主应力的增加,煤系砂岩强度呈先增加后减小的趋势,对比数值模拟结果则为随着中间主应力的增加,拉黏结破坏百分比呈先减小后增大的趋势。岩石破坏是由其内部大量微裂纹拉伸扩展连接所引起的,往往剪切裂纹出现伴随有大量的张拉裂纹;同时总黏结破坏数曲线拐点的变化说明,中间主应力在真三轴试验条件下对岩石的破坏先起保护作用随后起加剧破坏作用。     

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。     

真三轴状态下煤岩单体的强度变形特性及破坏模式研究

煤矿巷道顶板具有特殊的煤—岩层状结构,研究煤岩单体的强度变形特征,对于巷道稳定性控制有着重要意义。以山西华晋韩咀煤矿为工程背景,使用中国矿业大学自行研制的岩石真三轴电液伺服加载试验系统分别对煤和岩石相似材料开展真三轴试验,分析了真三轴条件下中间主应力对两者在强度及变形方面的影响。研究表明：二者的峰值强度与峰值应变都随着中间主应力的增大而呈现出先增加后减小的趋势,且这种趋势受到最小主应力的影响;在中间主应力不断增大的过程中,煤样的破坏经历了从剪切破坏向劈裂—剪切组合破坏的过程;此外,当中间主应力过大时,二者会经历延性—脆性转化的过程。上述分析表明：中间主应力对煤岩体的破坏起到先保护后促进的作用。     

岩石真三轴分级加载声发射与波速演化规律试验研究

为研究岩石在真三轴分级加载过程中声发射特性与超声波波速演化规律两者间的关系,采用自主研发的岩石真三轴试验机、声发射监测系统及超声波测试系统,开展了岩石真三轴分级加载声发射定位监测及超声波测试试验。研究表明:声发射累计能量与累计计数变化趋势可作为岩石破裂前兆信息,第1阶段随着岩石压密其增幅较小;第2、3、4阶段砂岩内部裂隙开始发育其增幅缓慢增加;第5阶段为砂岩破坏的主要阶段其增幅超过80%,推断第5阶段砂岩由于应力达到峰值强度而失稳破坏。声发射定位可以很好地表征裂缝形态与扩展规律。第1、2、3阶段,砂岩内部极少产生声发射定位事件且分布较为分散。第4、5阶段,声发射定位事件大量产生并集中于最小和中间主应力方向两侧的破裂面与破碎带上。超声波波速变化对于岩石内部变形破坏以及裂缝扩展具有良好响应。加载过程岩石波速具有各向异性,最大主应力方向随岩石压密波速增加,压密程度降低波速增速降低;中间主应力方向波速随岩石压密升高,之后随岩石形成破裂面降低;最小主应力方向波速则首先随岩石压密升高,然后随岩石形成贯通破裂面,并伴随有破碎带导致波速迅速衰减骤降至较低水平。     

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。     

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。     

岩石在一般三维应力下控制应变的应力轨迹

为解释地下开挖空洞后岩体内的地压现象,需要掌握一般应力下岩石的变形和破坏特性。为此,考虑中间主应力的影响而兴起了真三轴试验。做为真三轴试验,一般加载过程有: (1)将最小主应力σ_3和中间主应力σ_2加到给定值后,保持给定值不变,同时增加最大主应力σ_1。对于σ_2=σ_3来说,相当于常三轴试验;     

真三轴应力条件下钻孔围岩稳定性及塑性区特性

为探究中间主应力对预制孔岩石力学性质的影响,基于自主研发的"多功能真三轴流固耦合试验系统",进行了等b等σ3试验。试验结果表明:主应力方向、中间主应力对岩石变形和强度特性均有较大影响。裂纹特征应力值随中主应力系数b的增加呈现先增大后减小的趋势;裂纹主要在垂直孔轴线方向发育并首先在较小的主应力方向发生破坏。几种条件下试样的强度均随中主应力系数的增大而先增大后减小。其中,最大主应力平行于孔轴线时强度最高,稳定性最好;在中主应力系数b较小时,中间主应力平行于孔轴线时强度最低,而b较大时孔轴线沿最小主应力时强度最低。基于广义平面应变理论,分析了中间主应力对孔周围塑性区的影响。     

底板硬岩多轴条件下的力学特性和冲击倾向性

为研究深部煤矿顶底板围岩在高应力下的冲击危险性,以跃进煤矿为工程背景,取自23092工作面的底板硬岩作为试验对象,应用真三轴试验机进行了一系列多轴(常规三轴和真三轴)条件下的压缩力学特性试验,部分试验还同步了破坏过程声发射信号测量。借助光学显微镜和场发射扫描电镜辅助分析试样微观特性表征。多轴压缩力学试验表明23092工作面底板硬岩具有明显弹脆性变形破坏行为,底板硬岩在单轴压缩情况下的脆性程度最高,中间主应力与脆性破坏指数负相关。最小主应力恒定时,中间主应力增加情况下的岩样的全应力-应变曲线、宏观破坏模式、岩样破裂角、脆性指数以及破坏岩样的SEM图像的变化特征均表明底板硬岩的脆性破坏特征与应力状态有关,即中间主应力增加促进其脆性破坏行为。底板硬岩在多轴应力状态下表现出峰值强度较大离散性,这与成岩过程中软弱矿物夹杂汇聚造成的岩石均质性差异有关。底板硬岩的冲击倾向性受真三向应力状态影响,最小主应力接近零的巷道底板表层附近硬岩表现为无或弱冲击危险性,但在中间主应力较高的深层硬岩则表现强冲击危险性,且随中间主应力增加而增强。多轴条件下压缩破坏的声发射信号具有前兆释放性,声发射信号伴随峰后多阶段破裂显著增强。     

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。     

不同加载速率红砂岩峰后蠕变特性试验研究

低强度岩石峰后蠕变特性复杂,在实验室通过RLW-2000型三轴流变仪,对2种加载速率9个红砂岩样进行峰后增量加载单轴蠕变试验,分析岩样峰后不同应力水平与不同加载速率下瞬时应变与蠕变应变特征,确定瞬时强度与峰后蠕变破坏强度关系,探讨不同阶段红砂岩样破坏失稳基本形态。结果表明：在相同应力加载条件下,加载速率越大,瞬时应变变化越小,衰减蠕变应变增量越大,等速蠕变应变增量越小;随着蠕变应力水平的提高,红砂岩样瞬时应变表现为快速减小-缓慢减小-缓慢增加-快速增加的整体减小趋势,而红砂岩样峰后蠕变应变则表现为平缓-增加-急速增加的非线性增加趋势,且非衰减蠕变具有明显蠕变3阶段特征;峰后岩样蠕变破坏强度较为接近,离散性小,岩样峰后蠕变破坏强度平均达到了瞬时强度的89.73%;瞬时压缩破坏岩样呈现压剪破坏,岩样破坏块度大,峰后蠕变破坏主控破裂面形态复杂,加载速率越小,峰后蠕变岩样局部弱化特征越明显,但破坏失稳以主破裂面压剪失稳为主。     

基于分形维数的三轴压缩下泥质粉砂岩力学特性研究

为研究不同应力环境下泥质巷道围岩的变形破坏特征，选取典型泥质粉砂岩岩样，开展了三轴剪切试验，获得了不同主应力加载速率和围压下泥质粉砂岩的应力应变曲线。并采用FLAC3D数值模拟软件对三轴剪切试验结果进行验证，发现增大试验机主应力加载速率以及围压均能提高岩石试件抗压强度。同时，通过收集岩样碎屑，采用“粒度-数量”分形维数研究方法，分析了岩样的破坏规律。发现主应力加载速率、围压越大，试件破坏程度越低，碎屑分形维数值就越小。以上结果表明，主应力加载速率和围压能够有效减缓岩石试件的裂纹扩展速度，减缓岩石试件损伤的发展，增强其抗压强度，同时降低试件破坏后所表现出的破碎性。     

真三轴条件下砂岩渐进破坏力学行为试验研究

借助于多功能真三轴流固耦合试验系统,基于深部初始高地应力状态还原思路,对砂岩进行了不同应力路径、不同模拟深度下的真三轴正交力学试验,获得了真三轴不同工况下砂岩变形全过程应力-应变曲线,深入分析了砂岩在Z,Y,X三个方向上的渐进变形演化规律,表征了真三轴条件下砂岩渐进破坏力学行为演化特征,较好地反映了与之相对应的深部矿井巷道开挖后围岩的渐进变形演化特征及其渐进破坏力学机制。研究结果表明:①同一应力路径、不同模拟深度下的砂岩峰值强度随模拟深度的增加而不断增大,这表明深部效应对砂岩强度演化规律存在显著影响;②同一模拟深度、不同应力路径下的砂岩Z向主应变随Z向主应力的增大而不断增加,X向主应变却是随Z向主应力的增大而不断减小,这表明应力加载路径是影响砂岩X方向与Z方向渐进变形破坏机制的一大因素;③路径2与路径3下的砂岩Y向主应变均是随着模拟深度的增加而不断增大,而路径1下的砂岩Y向主应变却是随着模拟深度的增加呈现出先增大后减小的渐变规律,这说明应力卸载程度会显著影响砂岩Y方向的渐进变形特征。另外,不同应力路径下的砂岩X向主应变均是随着模拟深度的增加而不断增大,深部效应显著。     

基于实时CT扫描的岩石真三轴条件下三维破裂演化规律

实时准确掌握岩石破坏全过程中内部裂隙扩展演化规律,对于科学指导地下岩体工程稳定性控制,推动矿山资源安全开采具有重要的工程意义。研制一套能够与CT扫描系统配套的真三轴加载试验设备,位于CT扫描区域的设备部件均采用新型碳纤维材料的设计,包含竖向加载系统、横向加载系统、真三轴压力室等核心部件,使得X射线能够有效通过装置中预先设计的CT扫描区域,实现了真三轴应力环境下实时CT扫描的功能。利用该设备开展了三轴不同应力条件下完整岩石和含裂隙岩石加载实时CT扫描试验,获得了整个加载过程中岩石应力-应变曲线。获取了不同工况下岩石内部裂纹形态的空间三维CT特征,结果发现:与CTT条件下岩石内部裂纹复杂的空间扩展形态相比,TTT条件下岩石内部裂纹空间形态简单,为一沿σ₂方向的平面裂纹。说明了真三轴条件下岩石内部裂隙具有明确的扩展方向(沿σ₂方向扩展)。TTT-c2(含裂隙且沿σ₂方向)和TTT-c3(裂隙沿σ₃方向) 2种工况下岩石内部均出现了4条萌生裂纹,但前者萌生裂纹均与预制裂纹前缘线共面,而且预制裂纹面仍然基本保持完整;后者均与预制裂纹前缘线垂直,呈现横切预制裂隙的趋势,最终形成了复杂的裂隙网络,导致预制裂隙多处出现挤压破坏。真三轴3种工况下所有的裂纹倾角分布极为集中,均与σ₂方向大致平行,表明了中间主应力对岩石内部萌生裂纹扩展方向起到决定性的作用,岩石内部裂隙扩展发育过程强烈依赖中间主应力方向。     

真三轴采动卸荷条件下砂岩扩容行为和非共轴性研究

在实际地下工程开挖中,岩石处于采动应力状态,其采动应力路径用应力Lode角表示。基于多功能真三轴流固耦合试验系统,开展相同静水压力、不同应力Lode角的真三轴力学试验,研究不同应力Lode角对砂岩的扩容特性和非共轴性的影响。试验结果表明：应力Lode角的增加在一定程度上反映出卸荷作用对砂岩真三轴试验变形的影响。对比应力Lode角在-30°～0°和0～30°的主应力变化量可以发现：最大主应力变化量比较均匀,中间主应力变化量下降,最小主应力变化量上升。随着应力Lode角的增加,最大主应变压缩程度下降,中间主应变由膨胀转变为压缩,最小主应变膨胀程度增加,且最小主应力方向的膨胀量相对于最大主应力方向的压缩量增加。应力Lode角从-30°变化到30°,随着最大主应变的增加,体积应变呈现先减小后增加的趋势。引入应变偏应力柔量,随着应力Lode角的增加,广义剪切应力对最大主应力方向的压缩变形作用减弱,对最小主应力方向的膨胀变形作用先增强后趋于平稳;体积应变偏应力柔量整体呈现下降趋势。非共轴性表现为应力路径和应变路径不重合,不同应力Lode角下的应变路径均向低Lode角方向演化。引入偏转量,应力Lod...     

扰动诱发高应力卸荷岩体破坏特征实验研究

为研究扰动诱发不同中间主应力单面卸荷岩体破坏特征,通过真三轴扰动卸荷测试系统和声发射监测系统,进行了不同中间主应力卸荷实验及卸荷扰动实验,研究了中间主应力对单面卸荷岩石强度特征、演变规律及破裂模式的影响,分析了中间主应力σ₂方向扰动作用后卸荷岩石的力学特性。结果表明:在一定范围内,随着中间主应力的增大,卸荷岩石的稳定性和峰值强度都有所增强,但较大的中间主应力会逐渐弱化岩石的承载能力;随着中间主应力的增大,卸荷岩石的开裂模式由张拉-剪切破坏逐渐转变成张拉-劈裂破坏;在σ₂≤30 MPa时,声发射信号经历了平静、持续出现伴随小幅突增、陡升高峰、持续低峰、大幅突增破坏;在σ₂>30 MPa时,声发射信号经历了平静、持续出现、多低峰、持续升高、突增破坏;不同类型扰动作用后卸荷岩石的破坏差异明显,中频中幅扰动后卸荷面形成明显V型破坏坑,分形维数最大,中频中幅扰动不仅加速了约束力小的卸荷面附近的小裂纹发育成核,同时也加速了远离卸荷面的大裂纹之间的连接贯通;扰动对岩石承载能力的损伤为中频中幅>高频低幅>低频高幅;工程建设时,不能简单增加σ₂从而增强围岩承载能力,还要综合考虑σ₂的增大会加剧卸荷岩体破坏时的剧烈程度,减少爆破和机械等对围岩的扰动,不能只单一地改变扰动源的频率或振幅。     

风化砂岩的力学特性及本构关系研究

以不同风化程度的砂岩试件为研究对象,对其单轴、三轴力学强度进行了试验研究.结果表明,随着风化程度的增加,砂岩的力学强度逐渐降低;三轴曲线的主应力差对砂岩强度的影响基本呈线性;随着风化程度的增加,砂岩的摩擦角逐渐增大;而粘聚力则随着风化程度的增加而减小;建立了岩石三轴受力的抛物曲线-线弹性-Duncan双曲线-塑性软化-残余理想塑性五段式模型,正确地反映岩石三轴受力变形的特点.     

中间主应力对煤岩力学与声发射特征的影响

为了研究煤矿因开挖而引起的安全问题,通过自主研发的地声过程模拟试验系统开展不同中间主应力条件下煤岩的真三轴加、卸载试验,并利用声发射探测系统记录煤岩在加、卸载过程中的损伤演化规律。结果表明:在真三轴卸载试验中,随着中间主应力增大,煤岩的破坏状态由剪切破坏转为局部剪切的张拉破坏再到整体屈服破坏;应力-应变曲线中,随着中间主应力的增大,中间主应力方向的应变由压缩逐渐变为扩张,体积应变由收缩转为扩容;Mogi-coulomb强度准则能较好反映煤岩在卸载时的强度破坏特征;应力差-声发射曲线图中,中间主应力增大使煤岩在加载阶段内部裂隙呈非稳定指数型增长且使煤岩在卸载完成阶段不再具备承载能力。     

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.