岩爆弹射破坏过程的试验研究

 利用自主研发的真三轴岩爆刚性试验机,对粗晶粒花岗岩试件开展应变型岩爆弹射破坏过程试验研究。设计不同的加载与卸载路径,模拟能量集聚驱动型与应力集中驱动型2类岩爆的弹射破坏过程,在借助高速摄像系统对岩石碎块弹射过程进行影像记录与速度测量的基础上,分析岩爆弹射破坏过程的特征与规律。研究结果表明：(1) 岩爆弹射破坏过程可概括为颗粒弹射、劈裂成板、剪切成块、板折弹射4个阶段;(2) 弹射破坏后的岩样母体具有二元破坏形态,即临空面出现V形或台阶状的岩爆坑,而岩身内侧出现贯穿性剪切裂缝;(3) 加载速率对应力集中驱动型岩爆具有重要影响,在0.05～2 MPa/s加载速率范围内,弹射动能随加载速率增大而增大;(4) 峰前集聚的弹性应变能足够大且能量输入速率足够大是岩样发生应力集中驱动型岩爆的基本条件;(5) 无论是能量集聚驱动型岩爆,还是应力集中驱动型岩爆,弹射动能占岩样峰前可释放弹性应变能的比例不足1%。     

二水石膏围压下轴向加载速率效应及能量耗散机制

开展不同加载速率下石膏力学特性演化试验研究,对探讨石膏矿山采空区失稳破坏和精细化处理有着重要理论研究意义。在围压10MPa下,进行不同加载速率的三轴压缩试验,研究不同加载速率下对二水石膏物理力学性质影响,深入分析加载速率对能量积累的影响及能量演化规律。结果表明:石膏试样破坏形式为剪切破坏,随着加载速率的增加,石膏试样的峰值强度和弹性模量都呈增大趋势;试样在加载后期并没有发生明显应力跌落现象,而是保持一定应力值不变;当加载速率大于0.04mm/min时,到达峰值出现应力屈服,应力表现出增–减–稳的变化趋势,说明石膏试样在高加载速率下通过内部结构调整,释放应变能,试样内部的损伤加剧;塑性阶段,石膏试样耗散能逐渐超过弹性能,峰值过后,耗散能迅速增加,总能量主要转化为耗散能成为主要分配方式,峰值后压力机产生的总能量主要被试样剪切面之间的摩擦吸收;轴向应变ε=0.01时,随着加载速率的增加总能量和耗散能有增加的趋势,弹性能减小;加载速率越高,石膏试样滑移面的剪切角度越大,破坏程度越高,与其对应的耗散能量呈正相关关系,峰后耗散能大小是决定石膏试样剪切破坏程度的本质因素。     

疲劳荷载下大理岩累积损伤过程的应变速率响应

通过不同围压下4种应力比进行应力控制的大理岩等幅循环加卸载三轴压缩试验,探索疲劳荷载作用下岩石累积损伤过程中的应变速率响应特征。结果表明:①在低围压或高应力比条件下岩样易发生疲劳破坏。随循环次数增加,发生疲劳破坏岩样的弹性模量呈急速下降趋势,未发生疲劳破坏岩样的弹性模量小幅波动后趋稳。②加载过程中岩样轴向应变速率随应变发展呈"U"型演化趋势,体变速率随体变发展呈反"L"型演化趋势,临近破坏时轴向应变速率和体变速率均大幅增加。卸载过程中轴向应变速率呈倒"S"型演化规律,体变速率呈"U"型演化趋势。③每次加载的初始和终了应变速率各自均与其对应的残余应变呈线性正相关关系,当次加载的初始应变速率可反映岩样在之前疲劳作用下的累积损伤程度。④新建立的归一化初始应变速率和损伤因子有明显的线性关系,系数K随围压增大或应力比值减小而减小。未破坏岩样在后期循环加载时的归一化初始应变速率和损伤因子曲线出现"弯钩"型回缩现象。     

低频周期扰动荷载与静载联合作用下岩爆过程的真三轴试验研究

 利用自主研发的真三轴岩爆试验系统,以中粗晶粒花岗岩为岩石试样,在实现低频周期扰动荷载与静载联合作用下岩爆过程模拟的前提下,研究不同荷载影响因素对岩爆的影响。研究结果表明：在其他荷载参数固定的条件下,在轴向低频周期动力扰动荷载作用下,轴向静应力、第三主应力和扰动荷载幅值均存在岩爆方面的门槛值,当达到或超过门槛值时,试样发生岩爆的可能性急剧增大,此时这3个影响因素的小幅变化可导致岩爆弹射动能与岩爆碎块破碎程度的显著变化;在其他荷载参数固定的条件下,在0～3 Hz频率范围内,随着扰动荷载频率的增加,岩爆弹射动能呈先增大后减小的变化规律;静载作用下试样积聚足够大的弹性能和扰动荷载持续输入足够大小和合适速率的能量是此类岩爆发生的能量条件;试样弹性应变能小幅度突增且弹性应变能极限存储能力快速下降的“双向背离效应”是此类岩爆发生的能量机制。     

真三轴卸载–动力扰动下自然与饱水砂岩破坏特性试验研究EI北大核心CSCD

为探讨不同含水状态红砂岩试样在动静组合状态下的失稳破裂特征,采用QKX-YB200真三轴岩爆试验系统、声发射监测系统以及高速摄像仪对自然和饱水状态下的红砂岩立方体试样开展真三轴卸载–动力扰动试验。研究结果表明:在真三轴卸载–动力扰动条件下,自然状态砂岩破坏模式为张拉–剪切混合型破坏,而饱水状态砂岩的破坏模式为张拉型破坏,不同含水状态砂岩的裂纹扩展程度与初始轴向静应力和动力扰动频率密切相关;相比于饱水状态砂岩,自然状态砂岩试样在动力扰动阶段出现了不同程度的块片弹射和飞溅现象,体现为典型的应变型岩爆特征;轴向静应力以及动力扰动频率对于不同含水状态砂岩的力学响应特征具有显著的差异性,其对于自然状态砂岩的力学响应主要体现为岩样的破坏剧烈程度,而对于饱水状态砂岩的力学响应则主要体现为岩样的破碎程度;对含水砂岩试样建立了真三轴卸载–动力扰动下裂纹扩展模型,认为水楔效应、中间主应力效应以及开挖卸荷效应是诱发饱水砂岩产生张拉型破坏的本质原因;基于室内试验结果,从能量转化、力学、物理以及化学的角度初步揭示了真三轴卸载–动力扰动下水弱化岩爆机制。     

不同含水率粘土在不同试验条件下的应力-应变特性

采用单轴固结试验和三轴剪切试验对饱和、湿润、风干以及烘干的藤森粘土进行了应力-应变特性研究。在试验过程中,进行了不同轴向应力水平下的恒应变率加载试验、蠕变试验以及卸载与重复加载试验。局部变形测量传感器(LDT)被用于三轴剪切试验中的轴向变形测量以提高小应变测量的精度。试验结果表明,不同含水率与饱和度的藤森粘土在单轴固结试验与三轴剪切试验条件下都表现出明显的粘塑性。它们的加载速率效应、蠕变效应都相似;而且在蠕变结束后的一小段邻域内藤森粘土的强度有明显的提高。笔者提出用参数β来描述藤森粘土的粘性。对试验结果的计算分析表明,在单轴和三轴试验条件下不同含水率与饱和度的藤森粘土的β值介于0.034到0.064之间;而且,含水率高的藤森粘土的β值大于含水率低的藤森粘土的β值,单轴试验条件下的β值大于三轴试验条件下的β值。     

渗流水压力分级加载岩石蠕变特性研究

采用RLW-2000M微机控制煤岩流变仪,以细粒砂岩为研究对象,对三轴压缩条件下岩石渗流水压力分级加载蠕变试验进行了蠕变特性研究。重点分析了渗流水压力分级加载时蠕变条件下岩石的应变、渗流体积(体积速率)演化曲线,同时对不同渗流水压力分级加载条件下的岩石蠕变与渗透系数演化曲线进行了分析和对比。试验结果表明:分级加载渗流水压力作用下细粒砂岩的蠕变曲线符合蠕变演化三阶段特征;随着渗流水压的逐级加载,瞬时轴向、横向应变和瞬时泊松比呈增大的趋势;随着应变的累积,横向应变量大于轴向应变量呈扩容效应,直至发生蠕变破坏;分级加载渗流水压力作用下渗流体积曲线呈线性演化。研究认为:渗透系数先瞬时减小后增大,初始渗透系数都具有记忆性,即岩石孔隙通道具有记忆特征,孔隙通道经过变形→闭合→冲蚀→形成新通道过程。     

岩石材料三轴压缩动力特性的试验研究

应用RDT-1000型岩石高压动力三轴仪,在围压为0～90MPa,轴向应变速率为(10^-5～10¹)/s的范围内,对凝灰岩和混凝土进行动力三轴试验,系统研究它们在冲击动力作用下的破坏强度及其力学响应。获得凝灰岩和混凝土在此条件下的破坏判据及如下特性:应变速率和加载速率的对数呈线性关系;破坏强度和变形模量随加载速率的提高而提高;泊松比随加载速率的提高而减少;对破坏性态来说,提高围压或降低加载速率可增加岩石类的塑性,使破坏向塑剪型发展,反之则向脆断型发展。     

饱和重塑网纹红土恒应力比路径下应力应变特性

针对土体在恒应力比路径下应力应变的复杂性问题,本文采用应力控制式全自动GDS静三轴仪对几组含水率相同、干密度相同的饱和重塑网纹红土试样分别进行了不同恒应力比路径下三轴固结排水试验,通过试验结果探讨了应力应变之间的关系。试验结果表明:当加载速率保持恒定时,不同恒应力比路径下的轴向应变与加载时间关系曲线、轴向应力与轴向应变关系曲线均呈直线型;通过拟合试验结果得到了轴向应变与时间、应力比的关系及轴向应变与轴向应力、应力比的关系,这可以很好地预测实际工程中的沉降量。     

应变加载速率对盐岩力学性能的影响

 对盐岩进行不同围压下变应变加载速率的三轴压缩强度与变形特性的室内测试,分析应变加载速率对盐岩三轴强度、轴向应变及侧向应变以及破裂形式等物理力学性质的影响。在所测试的应变加载速率范围内,加载速率对盐岩三轴强度的影响可分为3个阶段：无明显影响的弹性阶段、强度差异形成的塑性阶段初期、强度差异保持的应变硬化阶段,最终的结果是抗压强度随着加载速率的提高而增大。对试验后岩样的破坏形式进行细观分析可知,高应变加载速率对盐岩内部结构造成的破坏更明显,裂纹长度大且外观明显,与低应变率下的裂纹破裂形式有显著的差异。对三轴试验后的岩样进行单轴压缩测试,发现三轴试验时的应变率较大,试验后岩样的弹性模量越小,表明高应变率导致盐岩的结构破坏更严重,对盐岩的内部损伤越大。对比不同围压下的试验数据并结合其他单轴试验下的研究结果,得出围压是加载速率对盐岩性质有无影响的先决条件,并且围压越高加载速率对盐岩力学性质的影响越明显的结论。以本次试验研究所得成果出发,结合实际工程中盐岩溶腔的各种用途以及建造、运营的各个阶段内不同的盐岩应变率进行分析,提出对工程有益的建议。     

Rockburst characteristics of several hard brittle rocks:A true triaxial experimental study

Rockburst is a typical rock failure which frequently threatens both human life and construction equipment during highly stressed underground excavation.Rock lithology is a control factor of rockburst.In this paper,rockburst tests were conducted on rectangular prismatic specimens of six types of intact hard brittle rocks,i.e.granodiorite,granite,marble,basalt,sandstone and limestone,under one-free-face true triaxial loading conditions.With the use of high-speed cameras,an acoustic emission(AE)system and a scanning electron microscope(SEM),rockburst of different rocks was investigated.The results show that the strainbursts of granodiorite,granite and marble were accompanied by tensile splitting near the free face,and consequently were relatively strong with a large amount of fragment ejection and kinetic energy release.For basalt,sandstone and limestone,failure was primarily dominated by shear rupture.The strainbursts of basalt and sandstone were relatively small with minor fragment ejection and kinetic energy release;while no burst failure occurred on limestone due to its relatively low peak strength.Rock strength,fracturing and fragmentation characteristics,and failure modes of different rocks can significantly affect rockburst proneness and magnitude.The AE evolution coupled with SEM analysis reveals that the differences in the inhe rent microstructures and fracture evolution under loading are the primary factors accounting for different rockbursts in various rock types.     

高温后花岗岩岩爆的真三轴试验研究

利用自主研发的真三轴岩爆试验系统,以200℃~700℃不同高温冷却后和常温25℃下的红色粗晶花岗岩作为岩样,进行岩爆弹射破坏过程模拟物理的试验。在借助高速摄像系统和声发射系统监测岩爆过程的基础上,分析了不同高温作用后岩样的岩爆弹射过程、破坏形态特征、峰值强度、声发射特性、碎块特征以及弹射动能的变化规律。研究结果表明:随着温度的升高,岩样从出现小颗粒弹射到整体弹射破坏的时间间隔逐渐减少;300℃为该类花岗岩高温后单面临空真三轴强度的阀值温度,小于等于300℃时,岩样的峰值强度变化不大,岩样脆性随温度的升高而增大,大于300℃时,岩样的峰值强度呈明显下降趋势,岩样的脆性随温度升高而降低;在岩样压密阶段,声发射撞击数随温度升高而增大,大于300℃时,岩爆发生前夕声发射撞击数显著下降的“平静期”持续时间随温度升高呈增大趋势;25℃~300℃温度范围内,岩爆弹射动能随温度升高明显增大,300℃~700℃高温后,岩爆弹射动能随温度升高显著减小。     

大尺寸试件岩爆试验碎屑分形特征分析

 通过自主研发的岩爆模拟试验装置对大尺寸试件进行岩爆试验,研究不同加卸载路径下产生岩爆碎屑的质量和形状分布特征,探讨试件发生岩爆的烈度与碎屑分形维数的关系。结果表明：(1) 大尺寸试件在不同加卸载条件下产生的碎屑形状分布不同,碎屑量不同;(2) 大尺寸试件岩爆的碎屑具有分形特征;(3) 试件在低围压环境卸载时,岩爆碎屑的分形维数值比其在高围压环境下卸载时的大,岩爆储存能量相对较少,岩爆烈度相对也小;(4) 在相同围压下卸载时,试件所受的竖向加载速率越大,试件产生的岩爆范围相对越小,试件岩爆时所受竖向荷载值相对越小,岩爆碎屑的大块率相对越少,分形维数值相对越大。     

花岗岩岩爆试验碎屑分形特征分析

 采用真三轴应力状态下单面突然卸载试验方法,进行莱州花岗岩岩爆试验,获得花岗岩岩爆碎屑。对碎屑特征进行测量,包括碎屑质量、长度、宽度、厚度,并对粗粒、中粒、细粒以及微粒等不同粒径范围内的碎屑数量、质量及粒度分布进行分析。对花岗岩岩爆碎屑分别按照长度、宽度、厚度与累计数量的关系,小于某一等效边长的累计质量与总质量之比与等效边长之间的关系,以及等效边长与累计数量的关系进行分形计算,结果表明花岗岩岩爆碎屑破碎程度较高,片状特征明显。对岩爆后的微粒碎屑(颗粒直径＜0.075 mm)利用激光粒度分析仪进行粒度分析。破坏后微粒碎屑所占百分比以岩爆试验最多,其次为真三轴试验,单轴压缩试验最少。微粒碎屑的粒度分布曲线形状不同,岩爆的平缓,小尺度的多,三轴和单轴压缩的大致相同,粒径大。分布曲线上百分比最大值对应的粒径岩爆的最小,为40和60 μm,三轴的为80 μm,单轴的为100 μm。对微粒碎屑按照粒度–体积分布进行了分形维数计算,结果表明岩爆微粒碎屑符合分形物理意义,三轴和单轴微粒碎屑不具有分形特征。岩爆微粒碎屑较多,反映其破坏时消耗的能量要多于三轴和单轴破坏。     

Fragmentation characteristics analysis of sandstone fragments based on impact rockburst test

Impact rockburst test on sandstone samples with a central hole is carried out under true triaxial static loads and vertical dynamic load conditions, and rock fragments after the test are collected. The fragments of sandstone generated from strain rockburst test and uniaxial compression test are also collected. The fragments are weighed and the length, width and thickness of each piece of fragments are measured respectively. The fragment quantities with coarse, medium, fine and micro grains in different size ranges, mass and particles distributions are also analyzed. Then, the fractal dimension of fragments is calculated by the methods of size-frequency, mass-frequency and length-to-thickness ratio-frequency. It is found that the crushing degree of impact rockburst fragments is higher, accompanied with blocky character- istics observably. The mass percentage of small grains, including fine and micro grains, in impact rock- burst test is higher than those in strain rockburst test and uniaxial compression test. Energy dissipation from rockburst tests is more than that from uniaxial compression test, as the quantity of micro grains generated does.     

基于能量原理的卸围压试验与岩爆判据研究

 岩爆是高地应力区地下工程开挖卸荷产生的地质灾害现象。按照地下硐室开挖过程中围岩的实际受力状态,开展脆性花岗岩常规三轴、不同控制方式、不同卸载速率条件下峰前、峰后卸围压试验,研究岩石破坏的全过程,从能量的原理探讨岩石破坏过程能量积聚–释放的全过程,研究岩石的变形破坏特征、能量集聚–耗散–释放特征和基于能量原理的岩爆判据。试验结果表明：无论是峰前还是峰后卸围压,岩样都表现脆性破坏的特征,峰前卸围压时岩样破坏表现出的脆性比峰后卸围压更为强烈;且无论是加载还是不同控制方式卸围压条件下,岩石在破坏前所能够储存的最大应变能受围压和卸载速率的控制。从能量的观点和工程应用的角度出发,提出一种新的能量判别指标：岩体实际储存能量与极限能量之比为U/U0,该指标真实合理地反映地下工程开挖卸荷过程中围岩的能量变化过程,围岩能量的积聚程度以及岩爆的发生程度,通过数值仿真计算可以更合理地定量预测高应力下地下工程开挖过程中岩爆发生的强度和位置。     

地下洞室连续围岩岩爆定量预测模型

根据能量平衡理论,推导了岩爆能量公式,定量分析了地下洞室连续围岩岩爆区位置、面积及碎块弹射速度的影响因素。研究结果表明,围岩水平应力与竖向应力比值小于1,岩爆区面积和碎块平均弹射速度随侧压力系数增大而减小,否则反之。岩爆区面积随岩体峰值荷载前后模量比率系数、岩石颗粒直径、裂隙密度和岩石断裂韧度增大而减小,随泊松比增大而增大。碎块平均弹射速度随颗粒直径、泊松比和岩体峰值荷载前后模量比率系数的增大而减小,随岩石断裂韧度的增大而增大,随裂纹密度的增加先增加后减小最终趋于稳定值。     

不同加载路径下砂岩破坏模式试验研究

 鉴于以往对岩石不同加载路径下破坏模式综合研究的成果较少,采用MTS815刚性伺服试验机,对砂岩岩样分别进行单轴压缩、常规三轴压缩和三轴峰前、峰后卸围压4种不同加载路径下的试验,研究砂岩岩样在不同加载路径下的破坏模式,并对砂岩岩样破坏前、后各能量指标进行计算,采用能量耗散分析的方法探讨不同加载路径下砂岩岩样存在多种破坏模式的原因。研究结果表明,在单轴压缩试验中,砂岩岩样的破坏模式以劈裂破坏为主,单剪破坏为辅。常规三轴压缩和峰后卸围压试验,围压较低时砂岩岩样多发生单一剪切或劈裂破坏;围压较高时,砂岩岩样多发生二者组合破坏。三轴峰前卸围压,围压相对较低时,砂岩岩样多发生剪切与横向剪切组合破坏;围压相对较高时,砂岩岩样多发生劈裂与剪切组合破坏。随着围压的增加,常规三轴压缩试验中,砂岩岩样更易发生剪切破坏;而对于三轴峰前、峰后卸围压试验,砂岩岩样发生剪切破坏呈先增加后降低的趋势。不同加载路径下岩样破坏模式与岩样破坏前、后能量指标数值存在一定的对应关系,各能量指标数值较小时,岩样多发生单一破坏模式,且破坏后形成的块体相对较完整;各能量指标数值较大时,岩样多发生组合破坏模式,且破坏后形成的块体相对较破碎。