循环荷载作用下煤岩强度及变形特征试验研究

采用MTS815.03电液伺服岩石试验系统,对鲍店矿3煤在循环荷载作用下的强度、变形及疲劳损伤过程进行研究。研究结果表明,煤岩比其他坚硬岩石更容易发生疲劳破坏,单轴循环荷载作用下鲍店矿3煤的疲劳破坏“门槛值”不超过其单轴抗压强度的81%,且在疲劳破坏“门槛值”以下进行循环加、卸载时,也会产生一定程度的疲劳损伤;煤岩轴向变形可划分为初始变形、等速变形和加速变形3个阶段,横向变形可划分为稳定变形和加速变形2个阶段,当横向变形明显加大,且卸载时变形恢复很小时,则预示着煤岩将发生破坏。循环荷载作用下,煤岩随循环次数的疲劳破坏过程可反映从压密、应变硬化到软化的发展过程,也可反映其损伤演化过程。     

煤岩强度、变形及微震特征的基础试验研究

煤是远古地表腐植物沉积演化的一种岩类矿物。煤岩力学性质试验研究成果较为匮乏,特别是考虑强度离散性基础上的系统、全面地反映煤岩的力学性质,在不同应力状态下强度及变形特征的试验研究成果则更为少见。在进行相关煤岩力学行为方面的数值计算及理论研究时,大都采用非煤岩石的试验资料及本构模型,因而缺乏煤岩试验资料的验证和支持,并制约井下煤体破坏和矿山压力研究的科学性和合理性。煤在微细观结构和组分方面和其他岩石有较大差异,采用可靠的试验手段进行不同应力状态下煤岩强度、变形及压缩破坏的微地震特征试验研究,对于合理分析煤岩体破坏失稳、预防矿山灾害发生具有重要的理论及实际意义。采用MTS815.03电液伺服岩石试验系统进行大量煤样单轴压缩、三轴压缩、循环荷载及全应力-应变过程的渗透性试验,同时进行煤样压缩破坏过程的声发射试验及煤矿井下采场覆岩破裂失稳的微地震监测,对煤岩强度、变形及微震特征进行较系统地分析研究。取得了以下主要成果:(1)通过扫描电镜测试和力学性质试验分析,发现煤岩在力学性质上表现出明显的不连续性、各向异性和非均质性特征。煤岩原生孔隙裂隙面积率可用原生损伤变量加以描述,原生损伤变量对煤岩强度和变形有显著影响。(2)大量煤样超声波速度和相应的力学参数测试结果表明,煤样强度与其纵波由速度间呈现出置信度很高的指数函数关系,为进行强度等对比性试验前合理选择煤样提供了依据。(3)煤岩的声发射特征能较好地描述其变形和损伤演化特性。由于原生损伤发育,在围压作用下,煤岩孔隙裂隙被压密闭合,故刚度增加,弹性模量与围压之间符合二次多项式关系。根据试验结果及模型简化拟合出常规三轴压缩条件下煤岩的分段本构方程。煤岩三轴压缩破坏符合Coulomb强度准则,但由于其内部存在大量微裂隙,煤岩沿随机裂隙剪切破坏偏离θ0=45°+?/2的可能性很大。(4)同坚硬致密的岩石相比,循环荷载作用下煤岩更容易发生疲劳破坏。煤岩疲劳破坏"门槛值"与其结构和组分等有关,其变形破坏过程与其损伤累计发展过程一致。(5)煤岩渗透率-应变曲线与其相应的应力-应变曲线总体变化趋势基本一致,但表现出相对"滞后"的特点,表明渗透率的变化与其损伤演化过程密切相关;同时煤体通过其内部裂隙的渗透需要一定的时间过程。根据试验结果拟合出具体煤岩的渗透率-应变关系分段曲线方程。(6)通过声发射参数时间序列的最大Lyapunov指数计算,证明采用声发射参数描述的煤岩压缩破裂演化系统的变化趋势不是完全依赖于初值的混沌状态,而是可以预报的。通过离散小波系数分解,发现采用不同尺度上声发射参数最先出现的Lipschitz指数α负值所对应的时间作为煤岩压缩破裂预报时间,与实际情况吻合较好。(7)通过对采场覆岩破坏微震的定位分析,证实微震发展演化与采场覆岩运动过程密切相关。根据岩体失稳破坏前微震事件频数、能量和距离的1～4阶差分的变化规律,能够较准确地预报岩体破裂,这对于采用微震监测技术解决矿山岩体破坏失稳预报、预防灾害发生具有重要的指导意义。     

单向约束条件下摆锤冲击对煤岩损伤的影响

利用约束式摆锤冲击动力加载试验装置,配合超声波检测装置,分别研究单向静载轴压及循环冲量对煤岩损伤量的影响。建立煤岩微裂隙损伤模型,并给出煤岩损伤的判据,分析得出煤岩损伤量随冲击荷载增大而增大,随静载轴压增大而减小,并通过试验深入探讨并验证。试验研究结果表明:煤岩损伤量具有累计效应,损伤量随着冲击次数增大而增大;相同总冲量作用于煤岩时,恒定冲量形成的累计损伤量明显大于递增冲量的累积损伤量;递增冲量冲击时,煤岩内部微裂隙加速扩展,煤岩有加速破坏的趋势,恒定冲量冲击时,煤岩内部微裂隙减速扩展,煤岩有减速破坏的趋势;随着静载轴压的增大,煤岩损伤量变化趋向缓和,累计损伤量减小,抗冲击能力增大,煤岩完全破坏时需施加的冲击次数增大。     

分级循环荷载下层理煤岩力学特性试验研究

为研究层理煤岩在循环荷载作用下的变形破坏与力学特征,沿与层理平行和垂直方向分别制作圆柱形煤岩试样,并开展不同应力上限下的单轴分级循环加卸载试验。基于试验结果,分析在循环荷载过程中试样的残余变形、弹性模量及损伤变量等变化规律,结果表明在低应力循环作用下,2种层理试样的弹性模量均随循环次数的增加而有所上升,但随着应力上限的提升,试样内疲劳损伤不断累积,弹性模量最终呈下降趋势。同时,在循环荷载作用下层理煤岩具有显著的各向异性特征,具体表现为:对于加载方向与层理垂直的试样,其损伤变量在试样发生局部破坏时陡增,呈现出脆性断裂的破坏形式,而加载方向与层理平行的试样在完全破坏前损伤变量呈连续增长趋势,表现出明显的塑性变形特征。     

微裂纹损伤对纤维复合材料层合板强度的影响

基于连续损伤理论及Hoffman强度准则,采用多标量连续损伤模型和有限元法,对复合材料层合板在横向均布载荷下的损伤破坏过程进行了研究,分析中考虑了几何非线性的影响及单层板失效前由微裂纹损伤所引起的刚度下降。研究表明:微裂纹损伤对破坏区域的演化过程有较大影响;用损伤Hoffman准则得到的层板破坏荷载高于无损Hoffman准则的破坏荷载,提高程度受铺层方式的影响。     

冻融条件下混凝土劣化陡劣点的探讨

冻融作用导致的混凝土耐久性劣化,本质上是混凝土细观结构意义上的微裂纹及空隙等缺陷的萌生、扩展、连通所致.这与力学因素作用下混凝土的破坏过程类似.本文借用Saenz一维应力应变关系求得荷载作用下混凝土破坏特征点损伤.利用荷载作用下混凝土破坏特征点损伤与冻融作用下混凝土耐久劣化陡劣点损伤相等的原则确定了陡劣点损伤Dc.并将结果应用于分析冻融条件下混凝土损伤演变过程,结果证实了所求得的陡劣点损伤的合理性.陡劣点的确定有助于解决混凝土冻融损伤演化的规律,进而对混凝土材料进行性能设计与寿命评估具有重要的意义.     

预应力混凝土梁在地震作用下的损伤-破坏模型

结构在地震作用下的损伤状况及其抵御破坏荷载的残余能力,是抗震优化设计和震后工程加固的重要依据。根据对预应力混凝土梁在不同荷载历程下的耗能、破坏特性的试验研究,本文提出了构件破坏的定义,给出了构件在循环荷载下的破坏弯矩与骨架曲线破坏弯矩的数学关系,建立了预应力混凝土梁在地震作用下的损伤-破坏模型。该模型综合了变形、能量累积以及荷载历程对预应力混凝土构件损伤-破坏的影响,对不同的地震模式有更好的适用性。     

不同瓦斯压力下煤岩声发射特征试验研究

利用自主研发的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置配合声发射监测系统，进行不同瓦斯压力作用下煤岩在常规三轴压缩下的声发射(AE)特征试验。研究结果表明，瓦斯压力对煤岩起到软化作用，随着瓦斯压力的增加煤岩在加载过程中的脆性减弱，延性增强，抗压强度和弹性模量随着瓦斯压力的增加呈现出减小的趋势。根据试验所得煤岩声发射特征与应力-应变以及声发射累积振铃数与应变关系，得出在常规三轴压缩破坏过程中不含瓦斯煤岩的破裂类型为突然破裂型，含瓦斯煤岩的破裂类型为稳定破裂型。在同时考虑应力和瓦斯压力引起煤岩损伤的基础上，建立不同瓦斯压力作用下，由声发射累积振铃数表示的煤岩损伤关系式，并对所建立的损伤关系式进行验证，验证结果表明建立的基于声发射的煤岩损伤关系式从某种程度上真实地反映了含瓦斯煤岩的破坏过程及强度特征。     

单轴压缩煤岩变形损伤及声发射特性研究

煤岩是一种具有内部结构的非均匀介质,在外裁荷作用下,煤岩内部微缺陷的成核、扩展以及相互之间的作用决定了煤岩的宏观变形、破裂特性.为了更好地了解受载煤岩体的变形损伤规律,进一步揭示煤岩动力灾害演化过程及灾害发生机理,本文对煤岩单轴压缩变形损伤及声发射特性进行了研究,研究表明煤岩单轴压缩应力应变全过程可分为四个阶段,各个阶段的声发射不同,且不同于一般岩石的有关特性;煤岩的声发射特征能较好地描述其变形和损伤演化特性.     

不同瓦斯压力条件下原煤剪切破裂细观特征试验研究

利用自主研发的含瓦斯煤岩细观剪切试验装置,开展不同瓦斯压力条件下原煤在剪切荷载作用时裂纹演化细观特性试验研究,分析裂纹开裂扩展与形态演化模式及其受瓦斯压力的影响规律。研究结果表明：煤岩裂纹的开裂扩展及破坏后形态受其原始裂纹影响;分析放大素描图发现,最终形成的宏观破裂是由一系列倾斜裂纹(主要从左下角至右上角)在剪切荷载作用下贯通形成的,并且随着瓦斯压力的增加,倾斜裂纹的扩展范围增大。不同瓦斯压力下剪切荷载–剪切位移曲线和开裂荷载水平Pk及贯通荷载水平PG对比分析表明,随着瓦斯压力增加,煤岩损伤加大,破裂加剧,完整性降低,开裂后破坏速度加快;对裂纹的开裂角度分析发现,在没有原始损伤的区域开裂时,裂纹开裂方向与剪切荷载作用方向呈一定角度相交但随着瓦斯压力的增加有减小的趋势,最终形成的宏观破坏方向也不完全与剪切荷载作用方向一致,而以一定角度相交。     

岩石损伤CT数分布规律的定量分析

在岩石CT扫描CT数分布规律的基础上，建立了CT数分布规律的数学模型，推导了岩石损伤密度与CT数的定量关系。重要的是将CT数和岩石损伤变量联系起来，推导了用CT数表达岩石损伤变量的公式，并和Bellion公式和Lemaitre用材料密度表达损伤变量公式进行计算分析比较，从而验证本文用CT数表达岩石损伤变量公式的正确性。     

普通RC梁与预应力RC梁的损伤分析

基于刚度下降提出了一种混凝土损伤指标,可直接表示为应变的函数。建立了弯矩与梁的变形、挠度、损伤等之间关系的一般公式,用数值计算方法给出了它们之间的关系曲线。对简支梁在常见荷载形式下进行全过程损伤分析,比较了普通RC梁和预应力RC梁的损伤情况,说明了本方法的可行性及其与实际现象的一致性,为设计、施工和维修加固提供有效依据。     

预应力混凝土结构在冻融循环条件下的疲劳性能研究

以预应力混凝土试件为研究对象,对不同冻融循环次数条件下的疲劳损伤特性进行分析。混凝土结构在经历一定冻融循环次数后,等效于先进行了一级疲劳加载,根据多级加载疲劳理论,以相对动弹性模量的衰减为参数建立多级疲劳损伤参量,引入冻融损伤因子kn来表征冻融损伤的影响,建立冻融循环条件下的混凝土结构疲劳损伤模型。该模型可考虑试件总体损伤程度。试验验证,模型计算损伤度值与试验值之间的误差在16%以内。     

结构地震累积损伤指标研究进展

对现有地震累积损伤理论从材料、构件、结构三个层面进行介绍,并从损伤指标选取角度对比,分析经典理论模型优缺点,为进一步揭示结构地震破坏机理研究提出了建议。     

山岭隧道受震损害类型与原因之案例研究

 以1999年台湾集集地震造成完工通车仅1 a的三义壹号铁路隧道损害为例,应用隧道受震数值分析成果及相关研究,探讨隧道受震损害的原因。研究成果显示,受震损害区段皆落于埋深接近0.25倍岩体波长的范围内,即隧道埋深与岩体特性的组合强化震波受地表自由面反射与隧道散射的效应,导致衬砌受震引起应力大幅增加而造成破坏。而衬砌损害可归纳为4种类型：纵向裂缝、环向裂缝或环向施工缝错动、环状剥落以及斜向裂缝与剥落。分析隧道施工地质记录及震后检测结果显示,衬砌纵向裂缝主要受地盘深处上传的S波垂直方向或45?入射导致衬砌轴力与弯矩受震增加而影响。环向裂缝或环向施工缝错动则受到水平方向P波造成的张力破坏以及乐夫波造成衬砌应力增加的影响。环状剥落系隧道承受较显著的水平方向应力下,S波45?入射导致衬砌应力增量以及避车洞开口结构配置的影响。而斜向裂缝则受S波通过软硬地盘互层的应变差异以及隧道衬砌结构刚度特性所致。研究成果表明隧道受震损害原因与影响因素,可为山岭隧道耐震分析与设计提供参考。     

水泥土的弹塑性损伤试验研究

首先阐述了损伤理论中损伤变量的定义及其测定 ,并介绍了基本的损伤本构关系。然后通过对水泥土的弹塑性损伤试验 ,探讨了水泥土的损伤机制 ,并得到了一系列损伤关系曲线 ,为建立水泥土的弹塑性损伤模型奠定了基础。     

混杂纤维混凝土冻融耐久性与损伤模型研究

采用钢-玄武岩纤维增强混凝土的技术方法,通过冻融循环试验,研究了钢纤维与玄武岩纤维相互混杂对混凝土抗冻性的影响规律及其冻融损伤模型。研究结果表明:不同的纤维掺量对混凝土抗冻性影响较大,当钢纤维体积掺率为1.5%、玄武岩纤维体积掺率在0.05%左右时,混凝土的抗冻性最好,达到了F250以上水平;分析了混杂纤维混凝土的冻融损伤机理,分别以相对动弹性模量和冻融累积损伤为损伤变量建立了混杂纤维混凝土的冻融损伤模型,发现动弹性模量衰减模型优于冻融累积损伤衰减模型,且二次项函数模型比指数函数模型具有更高的拟合精度。     

泥岩蠕变损伤试验研究

 在岩石蠕变过程中,施加载荷超过某个应力水平后,其强度会随着时间和应力逐渐降低,这种损伤规律可以定量地用岩石基本力学参数如弹性模量E、黏聚力c和内摩擦角j 降低的多少来反映。对宝鸡市秦源煤矿泥岩进行8个不同应力水平、3个不同时间段蠕变试验,采用单试件法测得泥岩蠕变过程中各力学参数E,c,j的变化值,对试验数据进行分析,建立该泥岩E,c,j随应力水平、长期强度及时间的耦合函数关系,它们之间呈指数衰减变化。分析耦合函数中各个系数的特点,得到泥岩力学参数损伤规律的通用表达式,式中各参数物理意义明确,测试简单。其研究结果为建立岩石损伤流变本构模型奠定基础。     

拉伸载荷下准脆性材料微裂纹损伤宏细观损伤变量关系初探

给出一种建立拉伸载荷下准脆性材料微裂纹损伤宏细观损伤变量关系的方法,用于发展连续损伤力学和细观损伤力学思想相结合的损伤力学模型。通过假设宏观损伤分析和细观损伤分析所得到的有效模量等价得到宏细观损伤变量的联系,将宏观损伤变量赋予与细观损伤机制相关的物理意义,并以单轴拉伸为例表明这种分析方法的可行性。     

温度作用下脆性岩石的损伤分析

从花岗岩弹性模量随温度的变化规律入手,提出了热损伤的概念,在此基础上导出了热２演化方程和一维耦合弹脆性损伤本构方程,并讨论了损伤释放度随温度的演化规律。