单轴循环加卸载岩石非均匀变形演化特征

为了研究循环加卸载下岩石材料的力学响应机制,开展了花岗岩试件单轴循环加卸载非均匀变形演化试验研究。采用CCD相机对试验过程中试件的变形图像进行采集,基于数字散斑相关方法分析了循环加卸载过程中试件的非均匀变形、局部化影响特征参数演化规律。研究发现:随着循环次数的增加,非均匀变形现象越来越明显;非均匀变形统计指标S w随着加载应力的增大而增大,随着循环次数的增加而加剧;当试件出现局部化现象后,后续循环随着应力的增大及循环次数的增加,其挤压位移和局部化带影响宽度皆有所增大。     

类岩石试件三轴扰动破坏特性试验研究

为研究高应力围岩扰动破坏机制,开展了不同围压下类岩石试件的三轴常规压缩和三轴循环扰动试验,得到了试件的扰动应力–应变规律和变形破坏特征,并对试件开展了核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance)成像试验,从微观角度进一步阐明了试件扰动破坏机理。研究结果表明:(1)试件在不同围压下均存在一个阈值强度,轴向荷载超过阈值强度后,轴向变形对扰动变得敏感,再次施加扰动会引起试件显著变形,当轴向荷载低于阈值强度时,变形对扰动不敏感。阈值强度与极限强度的比值可以反映试件的抗扰动能力,随着围压增大,该比值呈现逐步递减的规律,说明高围压下试件抗扰动能力下降,对扰动作用更敏感。(2)扰动作用下类岩石试件存在弱化效应,如常规三轴10 MPa围压下试件表现出腰鼓破坏,而受扰动作用后,试件呈现斜切脆性破坏,与常规三轴5 MPa围压下破坏形态相近。(3)岩石试件在高应力作用下进入塑性流动状态,内部颗粒重新排列,内部小孔隙与大孔隙的占比减少,而中孔隙的占比显著增多,试件内部孔隙率整体降低。     

分级循环加卸载作用下脆性岩石损伤特性分析

以砂岩为研究对象,通过分级循环加卸载试验研究脆性岩石在分级循环加卸载作用下的损伤特性和演化规律。基于试验结果,定义了损伤值,推导出适用于加载阶段和卸载阶段的损伤本构模型。研究结果表明:提出的循环加卸载下的岩石损伤本构方程与试验应力应变曲线拟合度比较高,证明了其合理性和适用性。该损伤本构模型和定义的损伤值可以正确地反映出岩石的损伤演化过程,能够描述岩石破坏的各个阶段。参数敏感性对本构模型有不同程度的影响。     

块石胶结充填体循环加卸载损伤特性研究

在RMT-150C岩石力学试验系统上对四种不同块石含量胶结充填体试件进行单轴压缩和逐级循环加卸载试验,得到其损伤破坏全过程应力—应变曲线;通过分析各组循环过程应变与动弹性模量变化,发现块石胶结充填体卸载点应力水平由低到高的每个循环过程中,试件呈现先强化后劣化的规律,且适量块石的加入可提升充填体强化过程。采用改进的混凝土分段损伤本构模型对循环加卸载下的块石胶结充填体受压破坏应力—应变曲线外包络线进行拟合,理论曲线与试验曲线吻合度较高,此模型对块石胶结充填体循环加卸载损伤破坏过程描述较为准确。     

大理岩单轴循环加卸载破坏声发射先兆信息研究

工程施工中岩体常常处于循环荷载作用下,对循环荷载作用下岩石破坏的预测研究具有重要现实意义。以云南白色大理岩为研究对象,设置了两种不同循环应力路径,研究了大理岩在循环加卸荷下的声发射特征,研究结果表明:大理岩在循环前期阶段卸载过程没有明显声发射产生,声发射出现了间歇期。两种应力路径下,声发射Felicity比值变化趋于一致,均随着循环的进行应力水平的提高而降低,恒定应力下限条件下的Felicity比值较恒定应力上下限差值方案要低,表明恒定应力下限条件加卸载对岩石的损伤更为严重。整个循环过程中大理岩的声发射b值可以为3个阶段,在应力水平较低时,声发射b值随着应力的提高而降低,之后b值在一定范围内波动变化,表明岩石内裂纹稳定发育,在岩石的破坏阶段,b值出现小幅度升高。岩石单个循环声发射b值呈现V形变化趋势,在岩石即将破坏时b值出现大幅度的波动变化。将Felicity比值、整个循环过程b值和单个循环声发射b值结合使用可以提高预测岩石破坏的准确性。     

砂岩循环加卸载下损伤特性及声发射Kaiser效应研究

为了获得砂岩循环加卸载路径下损伤特性和声发射Kaiser效应特征,开展了不同围压下砂岩循环加卸载声发射试验;从轴向应力、加载应力水平、能量耗散损伤角度,研究了三轴循环加卸载下声发射的不可逆比变化规律;评价了三轴循环加卸载下岩石Kaiser效应判断方法。结果表明:循环加卸载下耗散能损伤参数能较好地反映岩石的渐进损伤破坏,基于耗散能损伤参数的计算,能较好地反映岩石不同阶段的损伤特性,避免了应变参数计算损伤时压密阶段损伤值异常增大的现象。从应力水平、能量损伤角度分析声发射FR,更真实地反映岩石声发射Kaiser效应,随着围压增大Kaiser效应失效的应力提前,同一应力水平、相同能量损伤下,围压越大FR越小,声发射不可逆性随围压增大逐渐变得模糊。     

不同循环加卸载速率下砂岩的力学特性研究

隧道开挖、矿山开采等工程中均涉及有岩石应力周期性压缩和拉伸现象,施工条件产生的力学效应对岩石结构影响显著。为研究不同加卸载速率下岩石的变形破坏特征,设计了砂岩在单轴条件下非等同加卸载速率循环荷载试验,基于应力-应变曲线、滞回环、残余应变及弹性模量等角度深入分析了砂岩岩体在循环荷载下的损伤、失稳劣化演化规律。结果表明：横幅循环荷载残余应变与循环次数呈对数函数相关,分级循环荷载中每一级的上限应力对应变的改变量要大于下限应力对应变的改变量;残余应变与循环次数拟合结果为同一斜率的线性相关函数;加载方式对岩样弹性模量大小有一定影响,且加卸载速率一致时对其影响最大。     

不同分级循环加卸载模式下岩石能量 演化规律研究

为了深入分析循环加卸载过程中岩样能量演化规律,设计了3种不同的单轴循环加卸载试验,详细分析了不同分级循环加卸载模式下的总吸收能、弹性应变能、耗散能、塑性变形能等参数的演化特征及其相互关系,建立了耗散能与循环应力等级、循环加卸载次数变化的演化方程。结果表明:1)随着循环加卸载应力等级的提高,耗散能Use和塑性变形能Ue呈现非线性增加的趋势;2)岩样在第3种循环加卸载模式下,整体上耗散能Use和塑性变形能Ue表现出"U"形变化的规律,在第Ⅰ级和第Ⅱ级循环荷载下强化效应突出,而在第Ⅲ级和第Ⅳ级循环荷载下扰动效应突出;3)循环加卸载上限应力不变,下限应力减小时,循环荷载对岩样的损伤效应比其强化效应明显;4)循环加卸载作用下岩样的耗散能Use与循环荷载应力等级、循环次数相关,可以采用非线性曲面较好的拟合,这为采用耗散能Use来定量分析循环加卸载过程中岩样的损伤奠定了较好的基础。     

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。     

岩石在不同应力幅值下受低频循环扰动的力学特性试验

设计3种不同类型的岩石在不同应力幅值下的循环扰动试验。试验结果表明:当扰动应力幅值较小时,岩石在循环加载下出现弹性模量强化效应,不同类型的岩石弹性模量强化程度不同;循环动力扰动加载试验存在应力上限门槛值,只有大于应力上限门槛值,试样才会发生破坏;扰动应力幅值对岩石的破坏影响显著,在高应力幅值下,循环次数迅速减少;在低应力幅值下,试件破坏形态为剪切破坏,在高应力幅值下,破坏形态复杂,出现板裂化破坏和碎块弹射。建立了循环扰动作用下的应变损伤模型,通过分析不同应力幅值下损伤变量的变化规律,得出如下结论:岩石损伤可划分为迅速增长阶段、平稳发展阶段、快速增大阶段,且随着扰动应力幅值的增加,平稳发展阶段的循环数显著减少;当应力幅值提高,损伤变量变化率显著提高,应变迅速增加,岩石破坏。     

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。     

中生代砂岩细观结构对强度和能量耗散的影响

对取自东北部和西部侏罗白垩系煤矿中粒砂岩进行镜下观察,对比其矿物颗粒,胶结成分和结晶程度上的异同点,进行了三轴压缩试验和循环加载声发射试验,分析东北部和西部砂岩的强度和能量耗散特征,并用Kaiser效应和加卸载响应比理论研究了循环加载中的声发射规律。试验表明：以钙质胶结为主的东北部砂岩在Mohr-Coulomb准则下承载能力高于以钙泥质胶结为主的西部砂岩,随着压力的增大,耗散能所占比例呈现迅速降低、稳定、缓慢升高的趋势,且同等应力水平下东北部砂岩耗散能低于西部砂岩,Kaiser效应往往出现在低应力的弹性阶段,且在东北部砂岩中出现的频率和持续阶段要高于西部砂岩,加卸载响应比则出现急剧降低、缓慢平稳下降的趋势,在强度峰值点达到最小值,且东北部砂岩的加卸载响应比低于西部砂岩。东北部和西部砂岩的胶结物中泥质含量和重结晶成岩程度是产生上述力学性质和能量耗散特征差异的根本原因。     

基于卸加载响应比的煤岩变形破坏研究

基于加卸载响应比理论,克服加卸载响应比的不足与局限,提出卸加载响应比的基本概念,推导卸加载响应比与弹性模量之间的关系。从损伤力学的基本理论出发,结合材料的弹性模量与损伤变量之间的关系,建立卸加载响应比与损伤变量之间的关系模型。然后,利用WE-100型万能材料试验机,对煤试样进行了单轴应力试验研究,结合煤试样的应力-应变曲线,计算卸加载响应比值并分析其变化趋势,从而得到在卸加载过程中煤试样的损伤情况。因此,基于煤岩的单轴应力试验,研究由煤岩变形破坏的应力-应变关系定义的卸加载响应比及其演化规律,用于预测煤岩的变形破坏程度是可行的。     

干燥及饱和岩石循环加卸载过程中声发射特征试验研究

利用YAG-3000微机控制岩石刚性试验机和PCI-Ⅱ声发射监测系统,对中关铁矿深部闪长岩分别进行干燥、饱和2种条件下循环加卸载过程的声发射试验,以探讨这2种含水条件下岩石的力学特性、声发射特征、加卸载响应比的变化情况。结果表明:水对岩石的力学特性和声发射特征具有不同程度的影响。岩样从干燥状态到饱和状态,其抗压强度降低了6.96%;整个加卸载过程中,饱和岩样的声发射能量累积数为干燥岩样的17.94%,且试件发生宏观破坏之前,饱和岩样的声发射能量累积数为干燥岩样的4.6%;干燥岩样的加卸载响应比的最大值出现在峰值强度前的很短时间内,而饱和岩样的最大值出现在裂纹的非稳定扩展阶段。     

分级加卸载下节理软岩流变试验及模型

采用分级增量循环加卸载方式,对金川有色金属公司 Ⅲ 矿区软弱节理矿岩进行蠕变试验,按瞬时弹性应变、滞后黏弹性应变、瞬时塑性应变与黏塑性应变对流变试验数据进行分析,探讨了软弱节理矿岩的黏弹塑性变形特性;引入2种非线性元件--裂隙闭合体和非线性牛顿体,并将它们和描述衰减蠕变特性的开尔文体及描述瞬弹性的虎克体相结合,得到了一种新的复合元件流变模型,以研究复杂条件下节理软岩的黏弹塑性变形特性.试验结果表明,复合元件流变力学模型能很好地描述节理软岩在不同应力水平下的蠕变特性,特别是裂隙闭合阶段和加速蠕变阶段的特性,金川Ⅲ 矿区矿岩蠕变试验曲线与理论曲线较为吻合.     

动载诱发冲击地压的实验研究

运用自主研发的冲击岩爆实验系统,进行了动载诱发冲击地压实验研究,提出了一种判别动载是否诱发冲击地压的实验方法。实验采用对加载至500 m深度应力状态下的带圆柱形贯穿孔洞的立方体砂岩试样,在σv方向逐级施加扰动波,σh保持在恒定应力水平的加载方式,模拟了500 m深度砂岩巷道,由于顶板垮落产生垂直向冲击扰动,由此诱发冲击地压破坏的过程。通过数据采集系统实时采集力和位移数据,获得应力应变曲线;通过图像采集系统实时拍摄动载诱发冲击地压过程,获得颗粒弹射、碎屑剥落等特征现象。实验发现,动载诱发冲击地压过程经历了平静期、颗粒弹射、碎屑剥落和冲击地压剧烈破坏4个阶段。对巷道围岩应力状态进行计算,得出动载诱发冲击地压时巷道围岩最大切向应力大于其单轴抗压强度。对碎屑特征及微观结构分析发现,动载诱发冲击地压产生的碎屑呈现出明显的片状特征,以中、细粒碎屑为主,通过电镜扫描可见穿晶裂纹。计算碎屑块度分形维数表明,动载诱发冲击地压破碎程度较单轴压缩破坏高。     

不同尺寸岩石在点荷载作用下应力记忆效应的数值模拟

利用岩石破裂过程数值模拟软件RFPA2D对5种高宽比岩石试件进行了点荷载循环加载模拟试验。试验结果表明,岩石试件进行点荷载试验具有尺寸效应。岩石试样高×宽为100mm×50mm时,岩石对点荷载作用的应力记忆效应最明显,与实验室试验的结果一致。     

分级循环加卸载作用下花岗岩变形破坏研究

以地下深部花岗岩为试验材料,利用GAW-2000微机控制电液伺服岩石单轴试验机进行分级循环加卸载试验,研究在同一递增荷载幅度条件下,试件的抗压强度、变形、破坏特征、残余应变以及弹性模量的变化趋势。结果表明：在单轴分级循环加卸载试验作用下,岩样的峰值强度随着每级循环次数的增加呈现递减趋势,且单调荷载应力-应变曲线包络住循环荷载应力-应变曲线；岩样破坏特征主要以剪切破坏为主,随着循环次数增加,破坏裂纹更加分散；岩样在加载过程中,岩体内部的结构在不断地调整,导致结构面变得密集与裂隙间更加闭合,卸载时回弹变形有滞后现象,加载起点与卸载终点不重合；轴向弹性、残余应变与环向弹性、残余应变随循环次数变化的规律具有相似性,岩样弹性模量曲线的趋势以“波浪形”的规律交替变化。     

薄煤层动静组合诱发冲击地压的机制

理论分析了动静组合诱发冲击地压的应力条件和能量转化过程,揭示了动静组合诱发冲击地压机制,数值计算分析了工作面应力分布特征与煤厚之间的关系,采用微震监测数据分析了卸压爆破产生的应力波传播规律,并分析研究了薄煤层动静载特征及诱发冲击地压过程。结果表明:薄煤层工作面应力集中程度较厚煤层高,峰值应力区距离煤壁较近,应力梯度较大;采动动载直接与高应力叠加,且开采导致的应力降以及单位体积煤体释放的弹性变形能远高于厚煤层,在动静组合作用下,薄煤层工作面易于达到动静组合诱发冲击地压的应力和能量条件,显著符合动静组合诱冲机制。最后基于动静载组合诱发薄煤层冲击地压的机制,探讨了薄煤层冲击地压防治原则和技术方法。     

煤矿冲击矿压动静载叠加诱发原理及其防治

煤矿冲击矿压动力灾害日趋严重,且浅部也出现了该现象。理论研究了动载与静载叠加诱发冲击矿压的能量和应力条件,系统地提出了动静载叠加诱发冲击矿压的原理,并分析了煤矿动静载特征,根据应变率对煤矿载荷状态进行了界定,试验研究了煤岩力学特性与应变率的关系以及动静叠加作用下煤的破坏形态。结果表明：随着应变率增大,煤岩强度、弹性模量呈指数关系增大,当静载占比较大时,煤岩呈剪切破坏;当动载占比较大时,煤岩呈现劈裂甚至爆裂破坏。当动静叠加接近煤岩强度时,单轮或多轮动载作用可诱发煤岩冲击破坏;当动静叠加远小于煤岩强度时,多轮动载虽然能使煤岩产生损伤但难以诱发冲击破坏。动静叠加诱发冲击矿压表现为2种类型：① 高静载型,深部开采时,围岩静载较高,矿震产生的微小动载增量可使叠加载荷超过煤岩冲击破坏临界而诱发煤岩冲击破坏;② 强动载型,浅部开采时,围岩静载较小,强矿震的冲击动载较大,叠加载荷超过煤岩冲击破坏临界导致煤岩冲击破坏。基于冲击矿压的动静载叠加诱发原理,讨论了冲击矿压监测及防治思路和方法。