含不同充填面倾角的胶结充填体力学特性及破坏模式试验研究北大核心

在大规模的采空区充填过程中,受限于充填站的连续造浆能力,多次充填导致充填面处易出现不同的倾角。为探究含不同充填面倾角的胶结充填体(CTB)的力学特性及破坏模式演化过程,制备不同养护龄期下含不同充填面倾角的CTB试件以及完整试件,采用WDW-20电子万能实验机进行单轴压缩试验。结果表明:1)含充填面倾角试件的峰值强度、峰值应变、弹性模量均随着充填面倾角的增加呈现减小的变化趋势,而养护龄期的增加能够有效弱化充填面倾角所带来的结构效应。2)与完整试件相比,含充填面倾角的试件在孔隙压密阶段以及裂纹扩展阶段历时较短。在峰后破坏阶段,均表现出延性破坏特征,但随着养护龄期增加,延性破坏特征逐渐减弱。3)含充填面倾角试件的总能量、弹性应变能、耗散能和能量耗散率均小于完整试件。充填面倾角与总能量之间遵循线性函数关系、而与弹性应变能和耗散能之间遵循二次多项式函数关系。4)充填面倾角显著影响了CTB试件的破坏模式,随着倾角的增加,破坏模式演化过程为充填面处张拉破坏(0°、10°)→垂直充填面处张拉破坏(20°)→充填面处张拉-剪切破坏(30°),研究结论可为存在充填面倾角的充填体强度设计提供一定的理论参考。     

循环冲击下胶结充填体动载力学特性试验研究

矿山开采过程中,充填体将频繁受到开挖和爆破等动载的循环扰动,使充填体损伤与破坏具有显著的累积特性。因此,研究充填体循环冲击下的动载力学行为及特征对维持矿山结构及采场稳定具有重要的指导意义。论文采用SHPB对6组30个胶结充填体试件进行了单轴单次冲击及多次循环冲击试验,探索了充填体在不致使发生较大宏观破坏的冲击速度下多次循环冲击的应力应变、动载强度及变形破坏特征。研究发现:多次循环冲击下,充填体试件的应力应变曲线在到达动态峰值应力前后分别出现了1～2个低应力波峰,且相较于单次冲击下低应力波峰更为明显;多次循环冲击更有利于充填体内部微裂隙及孔隙在到达峰值应力前进行充分的压实及闭合,并可提高充填体最终破坏时的动载强度及承载能力,试件发生破坏时的最终动载强度及承载能力为单次冲击条件下的2倍左右;多次循环冲击下充填体的最终破坏形式为压裂破坏,其破碎程度较相近动载强度下单次冲击时低。     

含V型相交裂隙岩体的力学特性及破坏模式试验

为深入了解V型相交裂隙岩体试件的力学特性和裂纹演化规律,采用MTS815电液伺服控制试验机对含不同夹角V型相交裂隙岩体试件进行了常规单轴压缩试验,基于试验结果,详细分析了试件的应力-应变曲线、强度与变形特性、裂纹演化与破坏模式及能量耗散特征。研究结果表明:①裂隙试件的应力-应变曲线进入裂纹萌生与扩展阶段早于完整试件,在峰前出现了明显的应力降现象,在峰后破坏阶段,完整试件表现为应力-应变曲线的快速跌落,而裂隙试件呈现台阶状多阶段性跌落,甚至缓慢水平下降,体现出明显的延性破坏特征;②裂隙试件的峰值应力、弹性模量和峰值应变均有明显减小。峰值强度和弹性模量随裂隙夹角的增加呈先增大后减小的变化趋势。轴向峰值应变主要受裂隙夹角的影响,总体随夹角的增大呈线性减小的趋势;③裂隙的存在能够完全改变岩体试件的破坏模式,随着裂隙夹角的逐渐增加,裂隙试件破坏模式的演化过程为:台阶式张拉-剪切复合破坏(30°)→张拉-八字形剪切复合破坏(60°)→台阶式平行双斜面剪切破坏(90°)。当裂隙夹角为60°时,试件的裂纹演化和破坏模式体现出对加载方向近似的结构对称性特征;④相交裂隙试件单轴压缩破坏的弹性应变能、耗散能、总能量和能量耗散率均较完整试件有大幅度的减小。裂隙试件产生的裂纹数量越多,试件表面的脱落现象越明显,耗散能和能量耗散率也越大。拉-剪复合破坏比单纯剪切破坏要消耗更多的能量。试件的破坏特征和破坏模式能很好地反映试件的能量耗散特性。     

落锤冲击下饱冰裂隙砂岩动态力学性能研究

为了研究饱冰裂隙砂岩的动态力学特性，通过落锤冲击试验与PFC数值模拟相结合的方法揭示了裂隙倾角对饱冰裂隙砂动态力学特性及裂纹扩展过程的影响规律。试验结果表明，不同倾角饱冰裂隙砂岩的应变时程曲线形式一致，裂隙倾角仅影响峰值应变的大小，其中裂隙水平时的峰值应变最小，且随裂隙倾角的增大峰值应变增幅超过40%。试样的宏观破坏模式均以张拉为主。数值结果表明，循环冲击会影响饱冰裂隙砂岩应力-应变曲线的形态和斜率。试样的起裂应力与起裂应变的大小以及微裂纹数量均随裂隙倾角的增加呈先增后减的变化过程，而峰值应力则随裂隙倾角的增加而线性增大。     

多次冲击下掺膨润土胶结充填体力学特性试验研究

采用SHPB杆对4组12个胶结充填体试样进行多次冲击试验,分析了同一冲击速度下掺膨润土胶结充填体多次冲击的应力应变曲线、动载强度、吸收能及变形破坏特征。结果表明,多次冲击后,未掺入膨润土充填体应力应变曲线出现显著下跌,掺入膨润土后充填体应力应变曲线逐级下降;膨润土掺量5%和10%的胶结充填体多次冲击比首次冲击先达到峰值应变,且出现动态强度软化;膨润土掺量15%时充填体首次冲击峰值应变出现在0.002附近,多次冲击峰值应变约0.003;充填体抗冲击次数随膨润土掺量增加呈先降后增趋势,动态抗压强度增强因子、动态抗压强度、吸收能、单位体积应变能与冲击次数呈负相关,其中掺膨润土充填体动态抗压强度增强因子均大于未掺膨润土充填体;试样最终破坏类型表现为轴向张拉破坏,掺入膨润土提高了充填体破碎整体性。     

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。     

单裂隙砂岩破坏特征和破裂演化规律试验北大核心

针对含不同倾角裂隙的板状砂岩试样开展单轴加载试验,从宏细观角度深入探索裂隙倾角对脆性岩石变形破坏特征、声发射及破裂演化规律的影响效应,揭示其破坏机制。结果表明:裂隙倾角α较小时(0°≤α≤30°),应力-应变曲线呈锯齿状;翼裂纹首先在初始裂隙中部萌生,次生拉伸裂纹扩展贯通导致试样破坏,声发射较为分散,以劈裂破坏为主;随裂隙倾角增加(30°<α<90°),应力跌落次数减少,峰值强度和弹性模量不断升高;翼裂纹起裂位置向初始裂隙尖端转移,起裂强度和起裂强度比逐渐增加,次生裂纹转为剪切裂纹,声发射趋于集中,破坏模式向剪切破坏过渡;裂隙倾角为90°时,应力-应变曲线光滑,初始裂隙起裂前试样瞬间破坏,声发射异常集中,以劈裂破坏为主,与完整试样基本一致。     

单裂隙砂岩破坏特征和破裂演化规律试验

针对含不同倾角裂隙的板状砂岩试样开展单轴加载试验,从宏细观角度深入探索裂隙倾角对脆性岩石变形破坏特征、声发射及破裂演化规律的影响效应,揭示其破坏机制。结果表明:裂隙倾角α较小时(0°≤α≤30°),应力-应变曲线呈锯齿状;翼裂纹首先在初始裂隙中部萌生,次生拉伸裂纹扩展贯通导致试样破坏,声发射较为分散,以劈裂破坏为主;随裂隙倾角增加(30°α90°),应力跌落次数减少,峰值强度和弹性模量不断升高;翼裂纹起裂位置向初始裂隙尖端转移,起裂强度和起裂强度比逐渐增加,次生裂纹转为剪切裂纹,声发射趋于集中,破坏模式向剪切破坏过渡;裂隙倾角为90°时,应力-应变曲线光滑,初始裂隙起裂前试样瞬间破坏,声发射异常集中,以劈裂破坏为主,与完整试样基本一致。     

充填体单轴压缩峰后应力-应变曲线特征及声发射参数研究

低强度充填体在充填法开采中控制地压时可能处于峰后破坏阶段,其峰后应力-应变曲线特征及声发射参数与地压控制关系密切。以程潮铁矿灰砂比为1∶6的全尾砂胶结充填体为研究对象,开展了充填体单轴压缩及声发射监测试验,得到充填体单轴压缩下的应力-应变曲线及声发射参数,采用能率和声发射事件对峰后应力-应变曲线特征及破坏过程进行了分析。结果表明：充填体峰后应力-应变曲线斜率为负值,先逐渐减小,后逐渐增大,最后基本保持不变,根据峰后应力-应变曲线斜率变化趋势可将其划分为AB段、BC段及C以后段,其中AB段应力-应变曲线逐渐变陡,斜率逐渐减小,呈上凸型,充填体表面宏观裂纹不断增多,强度劣化加速,能率先急剧减小后快速增大,声发射事件定位点局部比较集中;BC段应力-应变曲线变缓,斜率逐渐增大,呈上凹型,剪切裂纹扩展、汇合形成宏观剪切面,破坏过程变缓,能率较高且逐渐下降,声发射事件定位点聚集呈带状分布;C以后段应力-应变曲线斜率基本不变,剪切面出现滑移,充填体残余结构支撑外部荷载,能率和声发射事件大幅下降;充填体峰后声发射参数能较好地反映其应力-应变曲线特征及破坏过程。     

超细全尾砂充填体动态力学特性研究

充填体作为人工矿柱,为矿房回采创造了条件,但经常受到爆破等冲击荷载作用。充填体的动态力学特性直接关系到充填采矿法的安全高效实施。通过单轴压缩试验和分离式霍布金森压杆(Split Hobkinson Pressure Bar,SHPB)试验技术,进行了不同充填配比参数的超细全尾砂充填体压缩试验,得到其静载和动载下的应力-应变曲线和能量变化曲线,并分析了其破坏模式。研究表明:充填体质量浓度越高,灰砂比越大,峰值应力和峰值应变随之增大,呈现正相关性,其中灰砂比和质量浓度对应力的影响相对一致,但应变受质量浓度影响更大;当冲击荷载由0.3 MPa增大至0.6 MPa时,充填体的破坏形式由保持完整形态变为产生裂纹,直至被压碎,转变为完全失稳破坏状态;充填体能量吸收随着冲击荷载的增加而逐渐递增,但质量浓度和灰砂比增大时,充填体比能量和能量吸收率反而下降,其中灰砂比是影响充填体吸能效率的主要因素,质量浓度次之。     

张开型节理角度和长度对类岩石材料动力学特性的影响

为探究冲击荷载作用下张开型节理对类岩石材料动态力学特性的影响,基于分离式霍普金森压杆实验装置(SHPB),研究完整试件和含不同角度和长度节理的水泥砂浆试件在动荷载下的应力波传播特征、峰值承载力、破坏形态,分析讨论了基于能量理论的损伤规律.结果表明:试件会形成一组沿轴向与节理面贯通的张拉裂纹面和一组几乎平行于试件端面的裂...     

轴压影响下砂岩循环冲击力学性质及损伤演化特征

采用能够施加轴压的霍普金森压杆系统对砂岩试样进行循环冲击试验,分析循环冲击过程中试样的应力-应变曲线变化规律,并使用波速测量装置监测单次冲击后试样的纵波波速值,探讨轴压影响下砂岩试样循环冲击损伤演化特征。结果表明,轴压0 MPa、15 MPa、25 MPa、35 MPa时,采用相同速度发射子弹,试样分别在第19次、9次、6次、4次发生宏观破坏。不同冲击次数后试样动态应力-应变曲线形态有所区别,主要体现在峰后曲线斜率、峰值应力等方面。在本次实验所施加的轴压范围内,试样破坏所需的循环冲击次数随着轴压增加而减少,平稳发展阶段累积损伤变量及首次冲击产生的损伤变量值均有所降低。轴压作用改变了试样内部微裂隙闭合或扩展程度,对循环冲击试样累积损伤发展趋势产生显著影响,轴压与循环冲击产生耦合损伤,共同影响岩石动态力学性质。     

大倾角煤层长壁开采底板非对称破坏形态与滑移特征

底板破坏滑移是大倾角煤层开采亟待解决的关键问题之一,以2130煤矿25221大倾角综采工作面为研究背景,采用理论分析、数值计算和现场监测相结合的研究方法,系统研究了底板的破坏和滑移特征。结果表明,在采动应力和支架载荷作用下底板的力学性状发生改变,由层状连续介质状态演化为具有"结构体+结构面"的块裂介质状态;底板沿工作面倾向的破坏形态呈现为下大上小的非对称反拱,其最大破坏深度位于工作面倾向下部区域,且其破坏深度和范围随着煤层倾角的增大而减小;支架载荷对底板破坏影响有限,主要涉及采场直接底岩层;在底板重力倾向分量及支架和相邻块体载荷作用下,当滑移体存在临空面、滑移体所受主动力与滑移面相交、且主动力合力与滑移面法线方向的夹角大于滑移面的摩擦角时出现底板滑移,且底板岩体结构失稳滑移的概率随着煤层倾角的增大、支架倾斜幅度和范围的增大、直接底破碎程度的增大而增大。     

饱水冻结裂隙砂岩力学特性试验研究

为探究寒区裂隙岩体的力学特性及破坏机理，对不同裂隙倾角的饱水砂岩开展-10℃冻结环境下的常规三轴压缩试验。结果表明：裂隙几何特征对加载过程中砂岩应力应变曲线发展有较大影响。应力应变曲线初始段呈“上凸型”特征，这是由于该阶段主要由岩体孔隙和裂隙内冰体承担荷载。砂岩峰值强度、弹性模量、抗剪强度参数与裂隙倾角呈线性正相关|泊松比、体积应变与裂隙倾角呈非线性负相关关系，但变化幅度不大|低温冻结环境一定程度上增强了砂岩颗粒间胶结度及摩擦力，使得不同裂隙砂岩均呈单斜面剪切破坏特征，除主剪切面斜裂纹外无明显翼裂纹及次生裂纹出现。通过建立考虑裂隙砂岩强度和变形的损伤演化方程发现，随裂隙倾角增大，砂岩起裂应力水平、扩容应力水平均逐渐增大，而峰后应力应变曲线跌落状态越明显，表明应力应变曲线弹性阶段相对变长，塑性阶段变短，砂岩脆性增强，抵抗塑性变形能力下降。     

加载速率对岩石破坏的影响研究

弹性模量和极限应力随着加载速率的增加,也随之增加,并存在一定的线性关系;缓慢应变速率下的试件在破坏时往往出现台阶型分段跌落状,而较快应变速率下的试件则为光滑、陡峭和连续曲线;随着加载速率的增大,岩石塑性滞回能也在增大,即岩石的塑性变形越明显。     

端部约束作用下巷旁支护体承载与破坏规律研究

为了预测不同端部条件及不同煤层倾角下巷旁支护体的变形和破坏规律,利用FLAC3D构建巷旁支护体模型,通过试算法,获得模型内聚力和内摩擦角随塑性剪切应变的折减函数关系,使数值模型与充填材料在物理压缩试验中获得的应力-应变关系和破坏规律一致。基于该种赋值条件,对巷旁支护体在不同端部条件下的变形破坏规律进行研究,获得以下结论:无端部约束下,峰前支护体内的应力分布近似均匀,可自由侧向变形,且倾角对支护体进入塑性时的峰值载荷大小没有明显影响;存在端部效应时,支护体的峰值承载能力有所提高,并将在侧向产生非均匀变形。在端部约束条件下,随着倾角的变化,支护体的破坏形式不同:当倾角为0°~10°时,呈现多重剪切破坏;10°~25°时,呈现双裂隙的剪切破坏;25°时,边界单元呈现摩擦剪切破坏。此外,在倾角作用下,存在端部约束时,在支护体的锐角处应力集中程度最高,在进行支护设计时应补强支护。     

裂隙岩石拉伸断裂破坏理论分析试探

利用边界配置法对最大周向应力理论、有效应力理论进行了修正,建立了实验室尺度下拉剪裂纹的两种破坏准则,并通过相应的破坏准则建立起了岩石单轴拉伸强度与断裂韧度之间的关系,给出了量化裂隙岩石试件抗拉强度的无量纲量,分析了裂纹倾角、裂纹长度对裂纹尖端开裂角及裂隙岩石试件的抗拉断能力的影响。结果表明,开裂角以及裂隙岩石的抗拉断裂能力(抗拉强度)均随裂纹倾角的增大而增大;对于具有宏观裂隙的试件,开裂角及抗拉断能力随裂隙长度的增加而递减;试件的尺度对裂隙岩石的强度影响不容忽视。     

断续双裂隙砂岩三轴卸荷蠕变特性试验及损伤蠕变模型

为研究卸荷条件下裂隙岩体的蠕变特性,以通过对砂岩切割并充填水泥砂浆制备的裂隙试样为对象,开展了恒轴压分级卸围压三轴卸荷蠕变试验。试验结果表明:试件在破坏时对应应力差最小的是缓缓和陡缓裂隙组合岩体,其次为陡陡裂隙组合岩体和完整试样;从变形特点来看,相同应力状态下,瞬时应变与蠕应变从大到小的顺序依次均为缓缓、陡缓、陡陡裂隙组合岩体和完整岩石。采用元件模型对各试件不含加速蠕变阶段的变形进行的拟合显示,可采用同一形式的本构模型对裂隙岩体和完整试样进行描述。根据这一结论提出了基于Lemaitre应变等效原理和Sidoroff能量等价原理的裂隙岩体损伤蠕变模型,并与室内试验结果进行了对比与分析。该模型可通过完整岩石蠕变模型参数推导裂隙岩体蠕变模型参数,从而建立了完整岩石与裂隙岩体间的关系。     

不同冲击倾向性煤样力学特性与能量演化规律研究

为了研究不同冲击倾向性煤样在循环载荷下的力学特征及能量演化规律,对强冲击倾向性煤样、弱冲击倾向性煤样和无冲击倾向性煤样进行系统分析,并提出了弹性能释放速率及计算方法,得到不同冲击倾向性煤样循环载荷下应力-应变曲线的特征、应变变化规律及耗散能和弹性能转化规律,给出不同冲击倾向性煤样破坏与能量演化关系。研究结论如下:无冲击倾向性煤样应力-应变曲线具有疏-密的特征,弱冲击倾向性煤样应力-应变曲线具有疏-密-疏的特征,强冲击倾向性煤样应力-应变曲线具有密的特征;随着冲击倾向性的增加,卸载峰值应变及平均卸载应变均在逐渐的减小;强、弱和无冲击倾向性煤样平均峰值应变整体呈现先增加后减小的趋势;随着循环次数的增加,耗散能整体也呈现先减少后增加的趋势,弹性能也越来越大且呈现近线性的增长;弹性能量指数呈现先增大后减小的趋势,局部出现波动;随着冲击倾向性增强,塑性能的消耗越少,储存的弹性能越多,破坏时转化的能量也就越多。