循环荷载作用下煤变形及渗透特性的试验研究

 利用自主研发的含瓦斯煤岩热流固耦合三轴伺服渗流装置,以型煤试件为研究对象,进行不同温度条件下循环荷载试验,研究循环荷载作用下煤变形及渗透特性。研究结果表明：(1) 随温度的升高,煤循环形成的滞回曲线所围成的面积逐渐减小。在单个循环曲线中,加、卸载阶段的主应力差、渗透率与轴向应变曲线呈现“X”状;在同一循环周期下,轴向应变与渗透率随温度的升高逐渐减小;在同一温度下,轴向变形随循环次数的增加逐渐增大。(2) 随温度的升高,加载阶段曲线斜率逐渐增加,累计变形总量降低,即提高了不可逆过程的发展速率。(3) 在各温度条件下,加载阶段应变及渗透率在整个循环过程中的变化均不明显。卸载阶段应变及渗透率在第1次循环期间变化较大,但从第2次循环开始,应变随循环次数的增加趋于平缓。在相同循环次数下,体积应变随温度的升高逐渐增大,渗透率逐渐减小。     

不同稳定时间对煤的变形及渗透特性影响试验研究

 为探讨在采动应力反复扰动下煤的变形及渗透特性,利用自主研发的含瓦斯煤岩热流固耦合三轴伺服渗流装置,进行不同稳定时间条件下煤的循环荷载试验。研究结果表明：(1) 不同稳定时间条件下煤的循环加卸载应力–应变曲线不相重合,形成塑性滞回环;随着稳定时间的增加,渗透率有相同的变化趋势,初始渗透率下降幅度亦减小。渗透率与轴向应变随主应力差增加呈负相关变化,轴向应变增大渗透率减小,反之亦然。(2) 煤的轴向应变最大值随稳定时间增加先减小后增大,并在稳定时间为100 s时到达最小;渗透率最小值随稳定时间增加先增大后减小,并在稳定时间为100 s时到达最大。煤的渗透率变化与轴向变形的发展密切相关。(3) 不同稳定时间条件下煤的渗透率变化均滞后于体积应变变化,且随稳定时间的增加,滞后量有增大的趋势。     

循环载荷下突出煤样的变形和渗透特性试验研究

 以典型煤与瓦斯突出矿井——天府煤业有限责任公司三汇一矿K1煤层原煤制备的煤样为研究对象,利用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流系统,进行固定瓦斯压力及不同围压情况下突出煤试样循环载荷下渗流试验研究。研究结果表明：在循环载荷作用下,煤样产生塑性变形,煤样的弹性模量和渗透率随着循环次数增加呈下降趋势,且在第一循环下降最为明显;卸载过程中渗透率逐渐增大,加载过程中渗透率逐渐减小,卸载和加载时的渗透率–应变曲线围成一个封闭环,与轴向应力–应变曲线形成的封闭滞回环相对应,说明渗透率的变化与煤样的损伤变形密切相关;渗透率变化率和损伤变量呈正相关变化,前几个循环变化较为明显,经过之后几个循环,其数值趋于稳定。     

循环加卸载作用下砂岩孔隙度与渗透率演化规律试验研究

研究砂岩在多次循环荷载作用下孔隙度及渗透率随荷载的变化规律,利用致密岩石惰性气体渗透率测试系统对砂岩进行了5次循环加卸载试验。试验结果表明:砂岩的孔隙度和渗透率随围压的增大而减小,循环加卸载过程中,砂岩的孔隙度、渗透率在加载阶段与卸载阶段的变化曲线均是不重合的。围压加载阶段孔隙度和渗透率随围压的变化关系均呈指数关系,在围压卸载阶段孔隙度与渗透率随围压变化均呈幂函数关系。砂岩在低围压条件下渗透率随围压变化的程度较大,在高围压条件下渗透率变化程度较小。加载阶段砂岩渗透率变化程度在第1次循环期间较大,从第2次循环开始由于岩样一定程度的压密渗透率随围压变化越来越小,而卸载阶段5次循环过程中渗透率随围压的减小而增大,但是循环次数增加过程中,渗透率的恢复程度相对于第一次循环越来越小。     

间歇性变围压循环荷载作用下饱和软黏土变形特性

交通荷载由循环加载和间歇停振两部分组成,间歇停振对土体动力特性的影响不容忽视。交通荷载引起的应力场包含循环变化的轴向偏应力和围压。因此,通过对软黏土开展一系列间歇性变围压循环加载试验,对饱和软黏土在间歇性加载和循环围压作用下的变形特性进行了研究,分析了循环围压和间歇停振阶段排水条件对软黏土累积轴向应变的影响。研究结果表明,不同试验条件下软黏土累积轴向应变增量随加载阶段的变化趋势保持一致,即累积轴向应变增量随加载阶段的增加逐渐减小。累积轴向应变增量随循环围压的增大而减小。间歇停振阶段不同排水条件下,试样累积轴向变形变化规律也有所区别：部分排水条件下,循环加载阶段产生的超孔隙水压力在间歇停振阶段消散,试样累积轴向应变在间歇停振阶段有一定程度的增长;不排水条件下,循环加载阶段产生的一部分变形在间歇停振阶段得以慢慢恢复,试样累积轴向应变有所减小。上述研究成果可加深对间歇性循环荷载作用下软黏土变形规律的认识。     

分级等荷循环受压下橡胶水泥砂浆的疲劳损伤演化

为探究橡胶水泥基材料的疲劳及损伤演化特性,以橡胶水泥砂浆为研究对象,对其分别进行10、20、30 kN荷载等级下的10次(低次/限次)等荷循环加-卸载试验,并对试件产生的加载应变、加载应变差、累积残余应变、累积残余应变差、不闭合度、累积残余应变损伤(塑性损伤),以及加载和卸载变形模量进行分析.结果 表明:试件的加载应变和累积残余应变均随着循环荷载等级的增大而增大;试件的加载应变差和累积残余应变差随着循环次数的增加以互相交错波动的形式逐渐减小至0附近;随着循环次数的增加,试件的不闭合度减小,塑性损伤增大,且两者均随循环荷载等级增大而增大;试件的加载和卸载变形模量随着循环次数的增加以分段线性波动的形式增大,也随着循环荷载等级的增大而增大.同时建立了基于临界塑性损伤假定条件下的塑性损伤模型和刚度变化模型,对试件在高次/不限次等荷循环加-卸载过程中的疲劳塑性损伤和刚度演化特征进行了初步预测和表征.     

循环加卸载作用下不同高度煤样渗透性试验研究

为获取循环荷载作用下不同高度煤样渗透率的变化规律,应用煤岩三轴加载渗流试验装置,对直径相同高度不同的煤样进行循环加卸载轴压渗透性试验。研究结果表明:加载阶段,渗透率随轴压增加而降低;卸载阶段,渗透率随轴压降低而增加;渗透率与轴压呈负指数函数关系,渗透率应力敏感性随循环次数增加而降低;加载阶段与卸载阶段渗透率产生明显差值,其差值随循环次数增加而降低,渗透率损失量主要发生在初期加卸载阶段。不同高度煤样应力敏感性存在显著差异,应力敏感性随煤样高径比增加而降低;在加载与卸载阶段,无因次渗透率损失量随高径比增加而增大;经历循环加卸载作用后,渗透率损失率随高径比增加而增大,渗透率恢复率随高径比增加而降低。     

三轴循环荷载作用下混凝土的力学性能及损伤特征研究

开展了不同循环加卸载（荷载分别为单轴抗压强度20%、30%、40%、50%、60%、70%和80%）作用下的三轴试验，研究了不同循环荷载作用对灌注桩混凝土力学性能的影响，并分析了混凝土的损伤特征。结果表明：在各级循环加卸载作用下，混凝土的应力-应变曲线出现内凹和右移推进现象；弹性模量随循环次数的增加先增加后减小；在各级循环内，泊松比呈“减小-稳定-增大”的变化规律，第90次循环后超过名义泊松比，混凝土损伤逐渐积累加深，轴向和横向不可逆应变均随循环次数的增加而增加；屈服阶段前混凝土的累计损伤小，屈服阶段后混凝土的横向累计损伤参数比轴向大。     

不同应力路径下花岗片麻岩渗透特性的试验研究

 采用全自动三轴伺服仪,对花岗片麻岩开展渗流应力耦合试验,研究常规三轴压缩和轴压循环加卸载2种应力路径下,渗透率与渗压、围压、有效围压、体积应变及应力路径等因素的关系。结果表明：(1) 在2种不同应力路径下,岩石渗透率演化规律有差异性和一致性,同种路径下变形各阶段渗透率随有效围压增大而减小,但渗透率曲线的形态保持不变;(2) 渗压和围压对渗透率的影响,通过对岩石变形过程中内部微裂纹和孔隙变化产生作用,有效应力系数发生改变,有效围压效应随之改变;(3) 循环加卸载试验中,卸载渗透率均明显大于相应加载渗透率,体积应变转折前,加载渗透率减小,卸载后渗透率增加,形成比较完整的渗透率回滞环,体积应变转折后,加载渗透率增大,卸载渗透率降低不能够完全恢复;(4) 体积应变较轴向应变更清楚和灵敏反映渗透率变化规律,可把体积转折应变或其对应应力作为岩石渗透率变化的一项指标。试验研究旨在为岩石工程渗流–应力耦合稳定性分析提供参考。     

三轴循环荷载下页岩变形及破坏特征试验研究

前期工作已经研究了含裂隙页岩在单轴循环荷载下的变形及破裂特征,为进一步认清围压与循环荷载耦合作用下的变形及破坏特征,利用MTS815.03岩石刚性压力机展开了对含裂隙页岩的三轴循环加卸载试验研究。试验结果表明:在三轴循环荷载下,含裂隙页岩的破坏形式主要为混合破坏,呈现出拉剪贯通模式;随围压逐渐增大,页岩的峰值强度呈线性增大,完整页岩经11周加卸载循环后,峰值强度增大9.98%~25.03%;而含裂隙页岩经15周加卸载循环后,峰值强度增大1.47%~6.98%;含裂隙页岩在同一循环内的弹性模量大于变形模量,卸载弹性模量大于加载弹性模量,卸载变形模量大于加载变形模量,并且损伤面积系数F越大,卸载弹性模量与加载弹性模量的差值也越大;随循环加卸载次数逐渐增加,加载变形模量与卸载变形模量呈先增大后单调减小的规律,加载弹性模量与卸载弹性模量表现出先增大,后逐渐呈"波浪式"减小的规律,剧烈波动的弹性模量是内部结构不断发生局部调整的有效证据。该研究为揭示在围压与循环荷载耦合作用下含裂隙页岩破坏形成复杂裂缝网的发展机理提供了有益参考。     

循环加卸载下塑性混凝土强度及变形特性

通过塑性混凝土在单调和循环加卸载下的试验,对不同加卸载作用下塑性混凝土的强度和变形性能进行研究。结果表明,经过循环加载后塑性混凝土的强度与单调直接加载相比有所降低,变化幅度均在10%以内;当循环加卸载最大荷载为单轴强度的60%时,塑性混凝土峰值应力大于其余循环水平下的峰值应力。塑性混凝土在循环荷载作用下的加载曲线与卸载曲线不重合,卸载曲线总是滞后于加载曲线,加载曲线和卸载曲线形成了封闭的塑性滞回环。滞回环面积的大小与循环加载最大荷载密切相关,与循环加卸载的次数无关,随着循环加卸载最大荷载的增大,滞回环面积相应增大,但滞回环的斜率保持不变,即变形模量保持不变。循环加卸载影响了塑性混凝土峰值应变,单调直接加载峰值应变大于循环加卸载作用后峰值应变。     

循环荷载作用下岩石疲劳变形及特性试验研究

通过开展恒定加卸载速率,不同偏应力条件下的循环加卸载试验,研究了轴向应变、径向应变以及体积应该随循环次数的演化过程,得到了在不同偏应力条件下岩石的平均变形模量随循环次数与偏应力的变化关系,进而分析了循环荷载作用下岩石疲劳变形及特性。研究结果表明：（1）偏应力在50MPa之前,轴向应变、径向应变、体积应变以及变形模量随着循环次数的变化基本稳定,反之,表现出发散的趋势;（2）偏应力在80MPa作用下的平均变形模量较1IOMPa作用下的大,这是岩石内部裂隙增加和扩张的结果;（3）在不同偏应力条件下,平均变形模量随着偏应力的增大逐渐增大且趋于收敛。     

循环荷载作用下围压对砂岩滞回环演化规律的影响

 利用MTS815岩石力学试验系统对砂岩进行循环荷载作用下不同围压时的三轴压缩试验,研究循环荷载作用下围压对砂岩滞回环演化规律的影响。试验结果表明：(1) 可将滞回环分为加载段和卸载段分别进行二次拟合。在加载段,随着循环次数的增加,拟合参数A,B随围压的增大而增大,而拟合参数C随围压的增大而减小,拟合曲线的开口均逐渐增大并趋于稳定,且围压越大,其达到稳定的时间越短;在卸载段,随着循环次数的增加,拟合参数A随围压的增大而减小,拟合参数B,C随围压的增大呈现减小的趋势,拟合曲线的开口逐渐增大并趋于稳定,且围压越大,其拟合曲线的开口越大。(2) 随着围压的增加,砂岩的滞回环面积增大,这说明随着围压的增加,试件在每个循环中所耗散掉的能量也在增加,即裂纹扩展所需要的能量也会随着围压的增加而增加。(3) 分析试验参数和拟合曲线,得出轴向单位体积耗散能与循环次数的关系符合乘幂负指数关系,曲线的特征是随着循环次数的增加,轴向单位体积耗散能衰减很快,逐渐达到稳定。     

气体压力加卸载过程中无烟煤变形及渗透特性的试验研究

利用自主研发的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,以无烟煤型煤试件为研究对象,进行不同轴压、围压条件下气体压力加卸载过程中渗流试验研究,模拟不同煤层深度,以探讨煤变形及瓦斯运移演化规律.研究结果表明:(1)在加载过程中,煤应变量减小,吸附瓦斯产生较大的膨胀变形,呈现线性关系,在卸载过程中,煤应变呈增大趋势,煤逐渐被压缩.随轴压、围压增大,下降单位气体压力引起的煤应变升高量降低,应变响应程度减小.(2)在加载过程中,随气体压力升高,渗透率先减小后增大趋势,煤渗透率呈类似“V”型变化趋势,气体压力在1.2 MPa左右存在明显的拐点,体现煤孔隙扩张的程度和吸附瓦斯层增厚程度影响,依赖于吸附作用或有效应力占主导地位.在卸载过程中,随着气体压力降低,煤渗透率呈先减小后增大趋势,渗透率增大且变化速度加快,主要依赖有效应力作用或基质收缩的主导地位差异.(3)随有效应力的增大,煤渗透率呈先减小后增大的趋势.煤渗透率随有效应力增大呈对数函数或指数函数关系.(4)气体压力具有典型二阶段特征,同时渗透率与体积应变具有密切关系,体现出有效应力、吸附膨胀与煤基质收缩同时对裂隙等内部结构的影响.     

轴向应力循环加卸载作用下含瓦斯煤渗透性研究

 针对构造煤渗透率对轴向应力循环加卸载的响应特征,利用自行研制的含瓦斯煤热–流–固耦合三轴渗流试验装置,进行试验研究,并结合试验结果进行渗透率动态模型分析,结果表明：含瓦斯构造煤的渗透率与应变的关系呈斜“V”字型走势,峰值强度后,煤样渗透率增加趋势明显,且增速大于初始压缩阶段渗透率的降速;煤样渗透率与轴向应力在加卸载过程中符合负指数函数分布,渗透率在加载过程中减小,卸载过程中有所恢复,渗透率与有效应力未形成封闭曲线,循环加卸载使煤样中孔隙进一步压缩,渗透率损失量增大,同时渗透率对于有效应力的敏感度降低;通过引入加载过程渗透率敏感性损失因子及卸载过程中渗透率损耗因子,建立循环加卸载过程中渗透率与有效应力的动态演化模型,试验数据与理论计算数据对比验证了模型的适用性。     

双轴循环荷载下混凝土动态力学特性研究

进行了不同侧压力(0、80、230、390 k N)、不同应变速率(10-2/s、10-3/s、10-4/s、10-5/s)下,混凝土的轴向循环加卸载压缩试验,研究了循环加卸载下,混凝土在不同应变速率和侧压下的动态力学特性变化规律。结果表明:随着侧压的增加,混凝土抗压强度的率敏感性降低;混凝土的峰值应变随应变速率的增大总体呈现减小的趋势,且随着侧压的增大,峰值应变逐渐增大。随着应变速率的增加,混凝土循环加卸载应力–应变全曲线所经历的循环次数逐渐减小,且全曲线外包络线上升段形状愈来愈"陡"。当应变速率一定时,随着侧应力的增大,峰值应力以前循环次数不断增多,即侧应力延缓了损失,推迟了破坏。     

循环孔隙水压力作用下砂岩变形损伤的能量演化规律

 从能量的角度出发,分析砂岩在循环孔隙水压力作用下的变形损伤过程,并探讨在这一变形损伤过程中的能量吸收与释放的演化规律,结果表明：单个循环过程中岩石的滞回曲线分为4个阶段,同时单个循环过程中能量吸收与释放也分为4个阶段。在加载段,单位体积吸收能和单位体积释放能均随着循环次数的增加而减小且逐渐趋向于稳定,孔隙水压力循环下限值越大,单位体积吸收能和单位体积释放能均越大;能量吸收与释放分界点对应的轴向有效应力随着循环次数的增大而增大。在卸载段,单位体积释放能随着循环次数的增大而减小,而单位体积吸收能随着循环次数的增加而增大且孔隙水压力循环下限值越大,单位体积吸收能越小;能量吸收和释放分界点对应的轴向有效应力随着循环次数变化有逐渐下降的趋势。单位体积塑性能随着循环次数的增加而逐渐减小,即随着循环次数的增加,岩石在单个循环孔隙水压力后的损伤变形逐渐减小;在循环初期阶段,孔隙水压力循环上限值相同的情况下,下限值越大,单位体积塑性能越小。     

应力控制疲劳载荷作用下循环硬化的应变响应

南京砂岩、合肥砂岩在频率为0．5-25Hz的循环加载实验中取得了滞回曲线，其非稳定部分主要由加工硬化阶段产生的微损伤引起，且滞回曲线随频率的增高朝稳定滞回圈发展，随循环数增加，滞回圈由稀变密，滞回圈面积减小。从3方面阐明了循环加载的应变硬化和软化响应：在恒应力控制下轴向应变幅值减小，应变振幅随应力振幅的增大逐渐增大，随应变振幅的增大其模量减小。     

岩石分级加载蠕变的能量耗散与变形机制研究

通过对岩石加载–蠕变–卸载的能量转换与变形机制分析,利用RLW–2000型岩石三轴流变仪,对2组岩石进行单轴分级加载蠕变试验,分析岩石不同应变差值下能量的耗散过程,确定岩石不同加载水平(或循环次数)与变形模量的关系,研究加载蠕变与应力卸载的曲线路径。结果表明:岩石分级加载蠕变的能量转换可分为加载应变与蠕变应变2个部分,随着每一级载荷作用下应变差的增加,岩石塑性应变能与耗散能呈非线性增加趋势,且塑性应变能曲线与耗散能曲线的开口、应变差及岩石损耗能量也越大;在相同加载水平下,岩石塑性应变能大于耗散能,且应变差与塑性应变能、耗散能的关系可分别用二次多项式、乘幂函数进行描述;岩石变形模量随着加载水平(或循环次数)的增加而变大,表现为先突然增加较大到缓慢增加至趋于相对平缓,相同加载水平(或循环次数)下,高强度岩石变形模量大于低强度岩石变形模量;岩石加载蠕变应变与卸载应力松弛均随加载水平的提高而增大,相同加载水平下,高强度岩石蠕变应变小于低强度岩石蠕变应变,但高强度岩石应力松弛大于低强度岩石应力松弛,高强度岩石加载曲线穿越上一级载荷卸载后的应力松弛区,而低强度岩石加载曲线则穿越上一级加载水平后的蠕变应变区。     

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。