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。     

煤岩轴向应力恒定卸围压条件下力学参数的研究

分析了煤岩轴向应力恒定卸围压破坏时极限强度、峰值应变和破坏方式等力学参数，运用卸载破坏围压差的概念，反应不同初始卸载围压煤岩破坏的难易程度。通过对不同初始卸荷速率煤岩试件变形破坏力学参数的对比，研究开挖卸荷速率对地下工程的影响。     

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。     

循环载荷作用下饱水灰岩力学性能及能量演化规律研究

为了探究水力耦合作用下煤层底板石灰岩的力学特性及变形规律,预防因工程扰动而产生的底板失稳破坏,利用岩石微机伺服多场耦合试验系统,开展了不同围压下饱水灰岩的常规三轴压缩试验及循环加卸载试验。通过经典岩石力学理论划分了岩石全应力-应变曲线的各个阶段,从能量耗散及累积损伤的角度,对循环载荷作用下的岩石破坏机理进行研究。研究发现：(1)在围压不变的条件下,循环加卸载试验下岩样的峰值强度较常规三轴压缩试验有所降低,整体应变量随卸荷水平的增加而变大,扩容现象逐渐显著;(2)在围压及循环载荷作用条件下,饱水灰岩的破坏形式主要为剪切破坏,当围压增大后,逐渐出现了以横向、纵向为主的张拉破坏;(3)随着循环等级的增加,弹性应变能的占比相应降低,耗散能的占比逐渐增大,同一循环等级下,随着循环次数的增加,耗散能占比呈小幅降低趋势;(4)扩大卸荷水平,岩石损伤行为越发活跃,但同等级循环内岩石损伤出现小幅度降低,与耗散能的演化规律及机理基本一致。     

煤岩加卸载不同应力途径变形破坏力学参数的研究

分析煤岩轴向应力恒定条件下卸围压破坏时的力学参数,运用卸载破坏围压差的概念,反应不同初始卸载围压煤岩破坏的难易程度,通过不同初始卸荷速率时煤岩试件变形破坏参数的对比试验,研究开挖卸荷速率对地下工程的影响。将卸载试验与常规三轴加载试验的极限强度、破坏方式等力学参数进行对比,试验结论丰富了卸载岩石力学内容。     

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。     

不同应力路径下脆性岩石的加卸载响应比研究

加卸载响应比（LURR）理论是研究非线性力学系统稳定性的一种代表性方法。通过3种应力路径研究了冬瓜山典型脆性岩石包括砂岩、大理岩和蛇纹岩的LURR特征。以轴向应力为系统输入参数,单轴压缩轴向加卸载条件下,随着荷载增加,轴向应变的LURR值开始保持稳定,接近峰值时出现突增-回落现象,环向应变的LURR值在荷载中期出现反常突增情况。三轴压缩条件下保持围压恒定,轴向加卸载的轴向应变和环向应变的LURR值存在与单轴压缩类似的特征。研究了轴压不变围压加卸载的简单加卸载定义,轴向应变和环向应变的LURR值在逐级加卸载围压过程中保持稳定,然后在接近破坏时呈现较大幅度的增长。最后分析了不同应力路径下岩石的破坏特征。     

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.     

分阶段卸荷过程中构造煤的力学特征及能量演化分析

采用恒定轴压以不同卸荷速率分阶段卸围压的方式,分别对初始围压不同的三组煤样进行卸荷试验,然后对比分析了构造煤常规三轴加载和分阶段卸荷试验的应力-应变曲线特征,并从能量演化的角度分析了分阶段卸荷过程中煤样的能量变化规律。试验结果表明,构造煤分阶段卸围压试验的力学强度和变形能力明显小于常规三轴加载试验。分阶段卸荷过程中构造煤的偏应力和应变变化均呈现明显的阶梯状。在卸荷段,围压对试件的变形起到了限制作用,围压越大,应变增量越小、卸荷段越多;卸荷速率通过改变围压卸荷量影响应变变化,但相同卸荷速率时,围压越大应变增量越小;在恒压段,试件的应变变化呈现蠕变特征,通过数据拟合得到了其叠加开尔文体的蠕变方程。分阶段卸围压过程中,围压卸荷诱发弹性应变能持续释放,煤样吸收的总能量不断增加,其转化的耗散能也不断增大;围压卸荷速率越大,弹性应变能释放越快,耗散能变化率也越大,煤样强度衰减也更快;并且相同卸荷速率条件下,围压越小弹性应变能变化率也较小。     

不同卸荷速率下岩石的声发射及损伤特性研究

为探究不同围压卸载速率下岩石的声发射及损伤特征,对煤岩进行了卸载速率分别为0.02,0.05,0.1,0.2 MPa/s的岩石AE测试及变形损伤研究。结果表明:卸载速率越大,煤岩的损伤发展越充分、越缓慢,破坏时对应的轴向应变和围压值越低;卸载速率较高时,声发射呈明显的"两阶段"特征,存在明显的声发射分界点,而且与体变转折点相对应,而卸载速率较小时,声发射整体呈"缓变型",突变点不清晰;卸载速率与损伤值呈良好的幂函数关系;基于热力学原理得到的卸荷速率-损伤模型能较为准确预测各卸荷速率下煤岩的损伤演化情况。     

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。     

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。     

应变速率和尺寸效应对岩石能量积聚与耗散影响的试验研究

岩石的变形破坏过程是能量积聚与耗散的过程,岩石变形破坏是能量驱动的结果。基于不同尺寸与应变速率下的岩石单轴压缩试验,计算了不同尺寸与应变速率下岩样吸收的总能量、弹性应变能及耗散能,研究了能量积聚与耗散的演化规律,分析了在岩样变形破坏不同阶段的能量分配规律,并从能量角度分析了岩样破裂失稳的原因。研究表明：在单轴压缩试验时,岩样变形各阶段的能量特征有所差异,岩样吸收的总能量U0与耗散能Ud曲线呈非线性增加趋势,弹性应变能Ue曲线呈先增加后减小的趋势。岩样的能量与其高径比呈负相关的关系,两者呈幂函数关系;而与应变速率呈正相关,两者呈对数关系。岩石高径比越小或应变速率越大,岩石强度越高,单位体积岩样所吸收的能量也越高,造成岩样的破碎程度越大。在压密与弹性阶段,基本上将吸收的能量全部转化为弹性应变能储存于岩样内,弹性应变能是能量分配的主体。在塑性阶段,虽然弹性应变能的数值增大,但其所占比率有所下降;而耗散能比率有所增加,耗散能逐渐成为能量分配的主体。在峰后破坏阶段,弹性应变能瞬间释放,岩样吸收的能量几乎全部转化为耗散能,被裂隙面滑移摩擦而耗散掉,在峰后破坏阶段耗散能是能量分配的主体。     

常规三轴加载下尾砂胶结充填体的力学特性及能量变化特征

基于室内常规三轴压缩试验,结合能量耗散原理,系统研究了质量浓度及围压的变化对尾砂胶结充填体力学性能及能量演化特征的影响规律。结果表明：三轴加载下,尾砂胶结充填体的变形破坏均经历了微孔隙、裂隙压密阶段(OA)、线弹性变形阶段(AB)、屈服阶段(BC)及应变硬化阶段(CD);充填体的峰值应力随着质量浓度或围压的增加而不断增大,其中一次函数能够很好的表达围压与峰值应力间的关系;充填体的残余应力及弹性模量随着围压的增大基本遵循一次函数和指数函数递增规律,且质量浓度的增加也有利于提高充填体的残余应力及弹性模量;充填体的裂纹分布密度均随着质量浓度或围压的增加而降低,说明围压或质量浓度的提高均能够有效的提高充填体的抗变形破坏能力;三轴加载下,充填体的总能量、弹性应变能及耗散能均随着围压或质量浓度的增加而增大,并且围压与各能量间的关系符合二次函数模型。     

深部软弱地层TBM围岩力学行为试验研究

为揭示TBM深部软弱围岩变形破坏力学特性,开展了反映深埋隧道TBM机械开挖卸荷本质——高初始围压下缓慢准静态卸荷这一卸荷特征的砂质泥岩三轴卸围压试验,研究结果表明:缓慢卸荷条件下的岩石峰前应力-应变曲线接近于常规三轴压缩峰前应力-应变曲线,卸荷屈服阶段产生损伤扩容,侧向变形加速增长,从体积压缩开始转向扩容;应力达到峰值强度后,岩石首先发生1~2级脆性跌落,随着围压继续缓慢卸荷,岩石沿一条斜率较小的近似斜直线发生伴随有多级次生微破裂的线性应变软化;岩石变形全过程由弹性变形段、峰前卸荷损伤扩容段、峰后脆性跌落段、含有多级微破裂的线性应变软化段以及残余强度阶段组成;岩石缓慢卸荷发生宏观张剪复合破坏,并伴有轴向劈裂裂纹,破裂断面为由许多劈裂裂纹相互贯通形成具有一定宽度的剪切带,剪切带内劈裂的岩片在轴向挤压力和沿破裂面的剪切力共同作用下被挤压和摩擦成许多细颗粒和岩粉。     

混合岩变形及损伤演化试验研究

利用SAM-2000型岩石伺服试验系统和DS2声发射监测仪，对混合岩进行三轴压缩声发射试验，利用声发射参数，分析三轴压缩条件下岩石的损伤演化特征。试验结果表明：轴应变随着围压的变化呈现线性正相关关系；混合岩岩样每出现裂缝时，累计声发射振铃计数数值将发生骤增，且随着围压的增大，岩石破裂前夕声发射特征参数呈现突发性特征；建立了混合岩体应变损伤演化模型，该混合岩体应变损伤演化模型描述混合岩损伤过程分为初始损伤阶段、损伤稳定发展阶段、损伤加速发展阶段及损伤破坏阶段；低围压下混合岩主要发生弹脆性破坏，随着围压的增大，混合岩由弹脆性到延性的转换，混合岩在20MPa围压压缩过程中发生由延性状态转化为塑性状态。该结果合理地反映由低围压到高围压，混合岩由弹脆性到弹延性再到弹塑性的转化。