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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

加载速度对随机缺陷岩样破坏过程的影响

在单轴平面应变压缩条件下,采用FLAC模拟加载速度对具有随机材料缺陷岩样破坏过程的影响。采用编写的FISH函数规定随机缺陷及统计发生破坏的单元数。密实岩石服从莫尔–库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化–理想塑性行为。缺陷破坏之后经历理想塑性行为。随着加载速度的提高,强度及其对应的应变提高,峰后应力–变形曲线变得平缓。在加载过程中,每10个时步内破坏单元数–轴向应变曲线中存在破坏单元数有显著增加的3个区段。随着加载速度的提高,该曲线的区段2及3变得开阔,区段2的峰值降低,区段3的峰值提高。在初始加载阶段和缺陷全部破坏之前,加载速度较高时的破坏单元总数–轴向应变曲线比较平缓,这是由于加载速度较高时试样内部的裂隙传播和应力转移不充分,当应变小于一定值时,在应变相同时,破坏单元数较少。破坏单元总数–应变曲线表明,随着加载速度的提高,试样最终遭受到更严重的破坏。     

温度对盐岩疲劳特性影响的试验研究

 对不同温度下的盐岩试件进行单轴压缩试验,发现盐岩单轴抗压强度随着温度的升高明显下降,峰值应变却随着温度的升高而逐渐增大。根据不同温度下盐岩的单轴抗压强度选取合适的上、下限应力值,对各温度条件下盐岩试件进行循环荷载试验,发现：盐岩在相同应力比循环荷载作用下,疲劳寿命随着温度的升高而增加;不同温度下盐岩的疲劳损伤发展模式都包括减速损伤阶段、匀速损伤阶段和加速损伤阶段;随着温度的升高匀速疲劳损伤阶段所占的比例增加;与轴向应变曲线相比,体积应变的3个损伤阶段更加明显。最后应用弹塑性材料损伤分析公式,对盐岩的疲劳损伤进行分析,发现盐岩损伤发展模式与盐岩试件的体积应变发展模式较为接近,因此选取体积应变来描述盐岩的疲劳损伤较为合理。     

循环加、卸载孔隙水压力对砂岩变形特性影响实验研究

 利用MTS815岩石力学实验系统对饱和砂岩进行三轴等围压情况下的循环加、卸载孔隙水压力实验。结果表明：压密阶段的加、卸载曲线中出现了很多“Z”状的波动,这些小波的出现没有规律性,初始残余变形比较大,还没有形成明显的滞回曲线。在弹性耦合阶段稳定滞回曲线加载时,应变呈上凹“Z”状波动,在到达上限值前出现拐点,应变达最大值;卸载时,应变呈下凸“Z”状波动,在到达下限值前出现拐点,应变达最小值,该阶段形成稳定的滞回曲线,表现形式由疏变密,稳定滞回曲线包含弹性变形向塑性变形演化。在孔隙水压力的不同上限值和不同幅值区间的耗散能构成不对称“X”形。在加载段,随着孔隙水压力增大,耗散能逐渐减小;卸载段,随着孔隙水压力减小,耗散能逐渐减小。“X”形的交点出现的位置和夹角与不同上限值和不同幅值区间有关。在循环加、卸载孔隙水压力作用下,残余应变与循环次数的关系符合乘幂负指数关系。     

P/G类建筑织物膜材双轴剪切试验及力学特性分析

为测试建筑织物膜材的力学特性,对4种建筑织物膜材进行了双轴剪切试验,得到其剪应力-剪应变曲线、残余剪应变、滞回环面积和剪切模量.分析结果表明:每个应力阶段的第1次循环G类膜材均会产生明显的塑性剪切变形,P类膜材以弹性变形为主;随着循环次数的增加,建筑织物膜材的剪应力-剪应变曲线的加载上升段线性特征增强,加载段斜率逐渐增大;剪应力由正变负后,建筑织物膜材的残余剪应变、滞回环面积和加载段斜率有所差异;考虑加载全周期计算得到的剪切模量比仅考虑各应力阶段的最后1个周期计算得到的剪切模量小;4种建筑织物膜材剪切模量为FGT 800FGT 600F 1202F 1002.     

复杂应力路径下含瓦斯煤渗透性变化规律研究

 通过含瓦斯煤渗透特性试验研究,系统分析复杂应力路径下含瓦斯煤渗透性的变化规律,建立含瓦斯煤渗透率与轴向压力、围压、瓦斯压力、围压升降、全应力–应变过程等之间的定性与定量关系,深入探讨各种不同应力路径下含瓦斯煤渗透性的控制机制和变化规律。结果表明,应力路径对含瓦斯煤的渗透率有重要影响：(1) 含瓦斯煤渗透率随着轴向压力和围压的增大而减小,随瓦斯压力的增大而增大。(2) 含瓦斯煤渗透率与轴向压力、围压和瓦斯压力均呈指数关系变化。(3) 围压升、降过程中,含瓦斯煤渗透率会受到一定程度的损害,其损害程度可以用最大渗透率损害率和渗透率损害率来表征。同时,三维压缩条件下含瓦斯煤会发生二次密实效应。(4) 三轴压缩下全应力–应变试验过程中,含瓦斯煤的渗透率呈“V”字型变化趋势;渗透率随煤样的应变先减小后增大,然后达到最大值,并且渗透率的增幅小于其减幅。     

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。     

渗透压–应力耦合作用下砂岩渗透率与变形关联性三轴试验研究

 为了探讨渗透压–应力耦合作用下岩石渗透率与变形的关联性,采用岩石伺服三轴试验系统,在不同围压和渗透压条件下,利用稳态法对砂岩全应力–应变过程进行渗透率试验研究。根据试样渗透率变化与其破坏过程的对应关系,分析全应力–应变过程中试样渗透率随其脆性、延性变化的特点及渗透率–轴向应变和渗透率–体积应变之间的关联性。试验结果表明：(1) 在渗透压–应力耦合作用下,试样初始渗透率、峰值强度随着围压与渗透压的改变而改变。(2) 在渗流场–应力场耦合作用下连续加载的全应力–应变过程中,渗透率先随着轴向应变的增大而逐渐减小,进入弹塑性阶段后,渗透率变化曲线随围压变化呈现增大、持平及减小3个不同趋势。其中,渗透率曲线持平的现象为三轴渗透试验研究中的新现象。(3) 围压较高时,若形成局部压缩带,则试样进入弹塑性阶段后,渗透率的变化趋势是由岩石微裂隙的萌生、扩展与岩石骨架颗粒压碎这2个主要因素共同决定的。(4) 岩石微裂隙的萌生、扩展对渗透率增大起积极作用,岩石骨架颗粒压碎形成的压缩带对渗透率增大起抑制作用。(5) 岩石进入塑性阶段后,随围压增大,渗透率由上升趋势转变为下降趋势的现象先于脆–延转换的临界状态发生。(6) 岩石的体积应变对渗透率有一定影响,在脆–延转换阶段存在体积应变增大而渗透率减小的现象,这需要其他能够更精确地测量体积应变变化的试验进一步验证。