实时高温真三轴试验系统的研制与应用

高温和应力耦合下的岩石力学特性是深部资源开发研究热点之一,自主研制实时高温真三轴试验系统,该系统主要由以下3个子系统构成:全刚性力学加载系统、高温温控系统和伺服控制与数据采集系统。该系统可真实模拟岩石在深部地层中温度应力场耦合环境,采用50 mm×50 mm×100 mm的标准岩石试样最高可在460℃(岩样表面温度)温度下进行单轴、常规三轴、真三轴、蠕变与循环加卸载等多种应力路径试验;3个方向(σ1,σ2,σ3)独立加载控制,其中σ1方向最大输出应力为1 000 MPa,σ2与σ3方向最大输出应力为200 MPa;高温温度控制系统由六回路可拆卸式柔性加热组件与气凝胶保温套组成,采用温控箱对每一回路进行单独温度监控,实现对岩样的实时加热和监控;热塑模具钢和水冷循环系统可保证高温下试验系统的整体刚度与工作稳定性,高精度闭环伺服控制系统和磁制位移传感器,可在实时高温下实现多种应力路径试验中3个方向位移与压力的精准伺服监测。通过对比实时高温真三轴试验系统与常规三轴试验系统的试验结果,验证实时高温真三轴试验系统的准确性和稳定性。然后,进行花岗岩实时高温真三轴试验,研究温度和中间主应力(σ2)对花岗岩的力学性质的影响,400℃高温对花岗岩的强度和弹性模量具有增强作用,中间主应力(σ2)对400℃高温下花岗岩的强度和峰值应变有增加作用,对室温(RT)下花岗岩的强度有增强作用和第三主应力方向峰值应变(ε_3~p)有减小作用。相关研究结果可为干热岩资源的开发利用、核废料处置库建设以及深部岩体工程提供理论和技术支持。     

真三轴压缩下砂岩的能量和损伤分析

为了探究真三轴压缩下砂岩的能量和损伤演化规律，利用自主研发的真三轴扰动卸荷岩石测试系统进行真三轴一次加卸载试验和真三轴压缩试验，对真三轴压缩应力–应变演化规律进行研究，探讨三向主应力加、卸载的对岩体的影响，利用图形面积积分法分别计算了真三轴压缩的弹性能密度、耗散能密度与输入能密度，分析三者随最大主应力卸载水平增加的规律及其相互之间的关系，进一步研究真三轴压缩过程中损伤演化规律，并对冲击地压倾向性判定条件弹性能量指数进行讨论。研究结果表明：真三轴压缩下最大主应力增大，使砂岩内部应力调整，从而引起中、小主应力方向应变变化，从能量角度定义该现象为能量“诱增”；划分了三个方向主应力加、卸载的种类，将加载分为损伤加载(最大主应力加载)与保护加载(中、小主应力加载)；将卸载分为常规卸载(最大主应力卸载)与损伤卸载(中、小主应力卸载)；真三轴压缩下中间主应力方向约束应力较大，使得该方向“诱增”弹性能密度比例高于最小主应力方向“诱增”弹性能比例；真三轴压缩下最大主应力方向应力提升，砂岩的弹性能密度、耗散能密度均与输入能密度之间存在线性函数关系，提出了真三轴压缩的能量分析方法，进一步得到了砂岩的储能极限...     

深部高应力硬岩板裂化破坏特性及应变型岩爆发生机制

板裂化破坏和板裂化岩爆是深部高应力硬岩巷道或硐室常见的破坏形式,尤其是板裂化破坏,其诱发因素和诱发机制复杂,至今尚不明确。鉴于此,针对地下非煤矿山巷道围岩周边或采场硐壁处所产生的一系列板裂化破坏现象,采用理论分析、室内试验、数值模拟以及现场监测相结合的方式,探讨深部高应力硬岩板裂化破坏特性及岩爆诱发机制,为非煤矿山实现安全高效开采提供理论依据与技术指导。研究工作主要集中如下:(1)采用有限元/离散元耦合数值模拟(FEM/DEM)研究单轴压缩下长方体硬岩破坏特性,分析不同试样高宽比硬岩裂纹扩展规律,阐述硬脆性岩石由剪切破坏到板裂化破坏的转化机制,进一步验证硬岩在压缩状态下为张拉型破坏的本质。对于高试样而言,其宏观剪切带是由一系列微小的拉伸裂纹所组成,而矮试样发生板裂化破坏是由于有限的裂纹扩展路径所致。端面摩擦效应对硬岩单轴抗压强度具有较大的影响,而以Mohr-Coulomb应变软化为基础的本构模型在预测岩石发生板裂破坏时所对应的峰值强度时仍存在一些不足。数值模拟获得的硬岩破坏模式与板裂化强度与先前室内试验和现场监测结果具有较好的一致性。(2)通过真三轴卸载试验,以汨罗花岗岩为研究对象,分析不同试样高宽比与中间主应力σ_2作用下长方体硬岩破坏特性。研究结果表明:在真三轴卸载下,长方体硬岩的破坏特性是试样高宽比和σ_2共同作用的结果。对于高试样而言,发生板裂化破坏需要较大的σ_2,而对于较矮试样,较小的σ_2便可以产生板裂化破坏。当σ_2为一定值时,不同的σ_2/σ_3比值对于花岗岩破坏模式,峰值卸载强度以及岩爆程度影响很小(σ_3为最小主应力)。试样的岩爆剧烈程度随试样高宽比的降低呈现单调递增趋势,而随σ_2的增大呈现先增高后降低的趋势。当σ_2较大时,试样内部出现较大程度的损伤,促进了能量的进一步耗散。(3)通过真三轴加载实验,以汨罗花岗岩为例,根据不同最小主应力值σ_3分别设计5组试验。通过设定不同中间主应力值σ_2,研究真三轴加载下硬岩破坏模式与强度特性。率先在真三轴加载条件验证了板裂化破坏的存在,并认为硬岩板裂化破坏的发生条件应当满足3个条件,即:(1)大于或等于某一特定的σ_2/σ_3值;(2)处于较低的σ_3水平;(3)具有较低的试样高宽比。以真三轴强度数据为基础,根据实际工程可预测性、实验值与预测值偏差、强度准则在偏平面应力轨迹、强度准则在子午面和τ_(oct)-σ_(oct)平面上应力轨迹4个方面因素,对7种经典强度准则进行系统的评估与分析,认为Mogi-Coulomb准则,修正Wiebols-Cook准则以及修正Lade准则能够很好地体现硬岩真三轴状态下峰值强度特性。(4)为了分析深部高应力硬岩板裂屈曲岩爆的力学机制与控制对策,对板裂化岩体建立了正交各向异性薄板力学模型,推导出双向受力条件下板裂屈曲岩爆临界荷载值,依据能量法求得了薄板压曲状态下的挠度值。提出采用充填法的控制对策以防治板裂屈曲岩爆的发生,并推导出充填体所需的围压值。研究表明:(1)轴向应力的增加不仅促进了板裂化破坏的形成,还加剧了板裂屈曲岩爆发生的可能性;(2)在一定范围内,板裂体在压曲作用下的水平挠度值随板厚的减小而增大,且当长高比为■时(E_1,E _2分别为纵向和轴向方向弹性模量),有最大挠度值;(3)在对采空区进行充填时,较小的充填体围压值便可以有效抑制板裂屈曲岩爆的发生。(5)采用FEM/DEM耦合数值模拟对含结构面深埋高应力硬岩巷道破坏特性进行了系统地研究,模拟中同时考虑了开挖卸荷效应与岩体的非均质性。研究结果表明:结构面倾角、位置(揭露与非揭露)、摩擦系数以及初始地应力(侧压力系数)对于巷道围岩的破坏具有重要的影响。开挖卸荷导致的板裂化破坏以及结构面诱导的剪切滑移破坏在一定情况下会相互作用、相互影响。一方面,渐进的板裂化破坏过程促进了切向集中应力作用下结构面的扩展;另一方面,结构面在剪切错动过程中会释放剧烈的能量,进而又会诱发板裂化围岩结构的整体失稳破坏,该种情况下极易诱发高强度岩爆。     

中间主应力与层理方向对页岩力学和渗透特性影响的试验研究

 为探讨中间主应力与层理方向对页岩力学和渗透特性的影响,运用自主研制的多功能真三轴流固耦合试验系统,以含气页岩为研究对象,进行真三轴应力条件下不同中间主应力加卸载试验。研究结果表明：中间主应力对页岩渗透率的影响在中间主应力垂直于层理面时最大,最小主应力垂直于层理面时次之,最大主应力垂直于层理面时最小;当中间主应力垂直于层理面或平行于层理面时,中间主应力与渗透率呈负相关。中间主应力垂直于层理面时渗透率对中间主应力的敏感性明显大于中间主应力平行于层理面时的敏感性,二者相差1～2个数量级;此外,定义损伤变量D表达式,发现加载过程中损伤变量–中间主应力曲线斜率变化不大,而在卸载过程中斜率变化明显,中间主应力垂直于层理面时损伤变量全程大于中间主应力平行于层理面时的损伤变量。     

双向加载煤岩破坏过程能量演化机理及强度准则

为明确煤岩双向受载强度和破坏过程的能量演化机理,通过单轴试验测定煤岩力学参数,并利用颗粒流与Fish程序相结合获得煤岩的细观力学参数,进而研究双向加载条件下煤岩强度和破坏过程能量演化机理。研究得出:中主应力对煤岩应力-应变屈服段影响显著,对峰后段基本没有影响且应力-应变曲线没有延性特征,表明双向加载下煤岩峰后不具有脆性—延性的转化特性;弹性应变能经历先增大后减小的过程,约在极限应变的1/2处增速最大,峰后弹性应变能以同一速率快速减小;中主应力越大,煤岩耗散能随轴向应变增大的速率加快,但在较大中主应力作用下内部损伤一旦出现便会迅速发展,导致煤岩突发破坏,而较小中主应力作用下煤岩破坏相对缓变;双向加载下煤岩破坏的弹性储能极限不随中主应力发生变化,为一定值,且峰值时弹性应变能与吸收总能量的比值和耗散能与吸收总能量的比值也为定值;基于最大储能极限导出的能量强度准则物理意义明确,能从本质上反映双向加载煤岩破坏的综合因素,能很好地描述煤岩破坏应力之间的关系。     

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。     

压实黄土平面应变方向的主应力特性

对不同含水率压实黄土进行等小主动主应力σ_x的平面应变三轴试验,研究了含水率w及小主动主应力σ_x对加载过程中平面应变方向主应力σ_y特性的影响,根据试验结果提出了描述平面应变方向与其它方向主应力双线性关系的表达式,验证了基于典型强度准则的中主应力公式描述压实黄土σ_y变化的适用性。研究结果表明:在等向固结及初始加载阶段,平面应变方向主应力不是中主应力σ_2,而是小主应力σ_3;平面应变方向主应力比σ_y/σ_x随着主动主应力比R的增大先平缓后快速增大,转折点前后主应力之间分别呈线性和非线性关系;转折点处的主动主应力比Rz大于平面应变方向主应力由小主应力转变为中主应力临界点处的主动主应力比Rc,w及σ_x对Rz的影响较大,对Rc的影响很小。R较小时,w及σ_x对加载过程中σ_y/σ_x几乎没有影响。主应力参数K(=2σ_y/(σ_x+σ_z))与主动主应力比R之间呈双直线;前段为水平直线,K近似为常数Kc;后段为倾斜向上的直线;Kc及直线斜率m与w及σ_x的大小无关。提出的双线性函数能较好地预测压实黄土加载过程中σ_y的变化特性,而仅在土样破坏时,基于Lade-Duncan及SMP准则的中主应力公式的预测值与试验值比较接近。     

节理岩桥真三轴开挖卸荷试验研究

由于边坡内部岩桥聚积较高应力,节理岩质边坡开挖的卸荷容易诱发突发失稳。利用真三轴试验系统,对含不同岩桥长度花岗岩试样开展单轴加载和真三轴加卸载试验,研究岩质边坡开挖卸荷中复杂节理岩桥强度及破坏模式,并借助高速摄像机和声发射系统分析应力–应变曲线、峰值强度、裂纹扩展、破坏模式、声发射特征及声发射峰值强度的变化规律。研究结果表明:在单轴加载和真三轴加卸载试验中,真三轴加卸载下脆性破坏更加明显;随着岩桥长度增加,试样峰值强度、破坏时释放能量与声发射计数率均相应提高;在不同中间主应力下,试样抗压强度随中间主应力增加而增长,但声发射计数峰值反而降低,这是因为中间主应力带来的侧向压力使岩石内部结构更加紧密,微裂纹难以扩展;利用断裂力学强度因子叠加方法,揭示了开挖卸荷应力状态下岩桥长度与中间主应力对起裂扩展的影响机制。真三轴试验能更真实地模拟岩石开挖卸荷的应力状况,研究结果可对节理岩质边坡开挖稳定性评价提供理论支撑。     

脆性岩石单轴循环加卸载试验及断裂损伤力学特性研究

 以向家坝砂岩单轴循环加卸载室内力学试验结果为基础,结合岩石内部微裂纹的细观力学分析,对脆性岩石单轴循环加卸载的应力–应变曲线特征、峰值强度及断裂损伤力学特性等进行研究。给出一种根据应力–应变曲线计算损伤变量的方法,损伤变量计算结果和声发射测试数据变化规律较为一致。试验结果表明,砂岩的循环加卸载强度要比单轴压缩强度要小很多,对于脆性岩石单轴循环加卸载的峰值强度来说,受到多种因素的影响。弹性常数计算结果表明,循环加卸载过程中泊松比逐渐增大,而弹性模量在第一次循环加卸载增大之后则缓慢减小。脆性岩石循环加卸载过程中,岩石损伤在逐渐累积,在微裂纹进入不稳定扩展阶段,岩石损伤会迅速增大,岩石宏观力学特性取决于内部微裂纹的细观力学响应。     

残积红粘土的力学特性试验研究

通过对某建筑工地地基土的单轴固结压缩和固结不排水三轴剪切试验研究,得出了其地基土—残积红粘土的固结压缩特性,以及原状土和重塑土在不同围压下的破坏形式的变化,主应力差(σ1-3σ)和有效应力比(1σ′/σ3′)与轴向应变ε之间的关系,原状土和重塑土的孔隙水压力和轴向应变ε的关系等一系列的力学特性。     

三峡永久船闸边坡岩体在复杂应力路径下的变形特性

三峡永久船闸边坡开挖后,岩体应力调整,且其变化路径复杂。为研究三峡永久船闸边坡岩体在此状态下的变形特性,在边坡勘探平洞进行复杂应力路径下的原位岩体真三轴试验,试验荷载模拟边坡初始地应力场及其在边坡开挖过程中的变化情况,按3种路径施加:σ1卸载时,σ2和σ3保持不变;σ1加载时,σ2保持不变,而σ3同步卸载;σ1卸载时,σ2保持不变,而σ3同步加载。根据试验结果,建立此3种应力路径下岩体切线弹性模量Et与主应力差间的经验关系式,分析边坡岩体的变形特性。研究结果表明:在一个主应力减小(卸荷)、另一主应力增加(加载)的应力路径下,岩体变形具有非线性和各向异性;在卸荷方向,切线弹性模量随有效主应力差(负值)的减小而加速减小;在加载方向,切线弹性模量基本保持稳定。     

三轴应力加卸载作用下损伤煤岩渗透率模型研究

为研究低渗煤岩在应力加卸载作用下损伤破坏过程渗透性变化规律,基于"立方体"结构模型,综合考虑三轴应力加卸载煤岩损伤、有效应力及吸附/解吸作用引起的煤岩割理与基质变形,建立三轴应力加卸载作用下损伤煤岩渗透率模型,并基于试验结果对渗透率模型进行验证。研究结果表明:(1)所构建的渗透率模型,不仅可以较好地反映三轴应力加卸载作用下损伤煤岩渗透率变化规律,而且也可以反映有效应力对损伤煤岩渗透率的影响远大于吸附解吸作用的规律。(2)当煤岩应力水平低于峰值强度时,在恒定围压、持续加轴压应力作用下煤体处于压缩状态,瓦斯渗透率降低;在卸围压、持续加轴压应力作用下,煤体内部开始产生损伤破坏,瓦斯渗透率缓慢上升;使得煤岩在加卸载失稳破坏前,瓦斯渗透率整体呈"V"字型发展趋势。(3)不同初始围压条件下,煤岩加卸载破坏失稳后渗透率增大程度随着初始围压的增大而增大;不同瓦斯压力条件下,煤岩的初始渗透率随着瓦斯压力的增大而增大。研究结果可以为我国采煤工作面瓦斯高效抽采提供理论支撑,具有指导性意义。     

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。     

多轴压缩下红砂岩的强度变形和破坏特性

本文探讨了红砂岩在多轴压缩下的强度、变形和破坏特性;分析了岩石强度极限面的特征;确定了中间主应力σ_2对红砂岩抗压强度的影响系数α;讨论了三个主应力方向上的应力-应变曲线与侧压力的关系.在试验中采用了刚性接触和柔性接触的试验方式,并且把这两种试验结果作了对比。     

准静态应变率下单轴煤岩特征应力确定方法研究

基于准静态应变率[10~(-5),10~(-2)] s~(-1)范畴下芙蓉白皎煤岩单轴压缩试验,开展不同应变率下煤岩变形破坏过程的能量演化规律分析,提出利用能量耗散率曲线和横向应变差确定单轴煤岩特征应力的新方法,并分析准静态应变率范畴下的变化规律。研究结果表明,不同应变率下的煤岩能量演化可划分为裂隙闭合、线弹性及裂隙快速扩展3个阶段,能量耗散率曲线均呈现峰前阶段先升后降再升的趋势。利用该趋势,根据能量耗散率曲线,将曲线的极大值点与极小值点分别确定为裂纹闭合应力点σ_(cc)与损伤应力点σ_(cd),结合获得的损伤应力点,计算横向应变差后确定裂纹的起裂应力点σ_(ci)。比较不同应变率下煤岩的特征应力与峰值应力之比,3个应力特征比值均随着应变率的增加呈降低的趋势。最后对比分析单轴煤岩特征应力确定传统方法的局限性及新方法的合理性、准确性,提出特征应力应变率效应研究的工程意义。     

基于真三轴强度准则分析页岩斜井坍塌风险

井壁稳定性分析常采用Mohr Coulomb(M-C)准则,由于其忽略了中间主应力(σ_2)的影响,使得结果偏于保守。为此,给出一种考虑了σ_2影响的真三轴Mogi Coulomb(MG-C)准则,通过拟合Yuubari页岩真三轴实验数据,评价了M-C、Drucker Prager(D P)和MG-C准则的适用性;基于孔隙弹性斜井井壁应力分布模型,采用3种强度准则进行了斜井相对坍塌风险的分析。研究表明,MG-C准则拟合结果最好,能够准确反映σ_2对强度的影响,岩石强度随σ_2增加,先增加后下降;采用3种强度准则计算的斜井相对坍塌风险分布规律基本一致,M-C准则计算结果偏高,D-P准则计算结果偏低,而MG-C准则比较准确地考虑了σ_2的影响,其计算结果比较适中,比较适合用于井壁坍塌压力分析。MG-C准则的材料常数可通过常规三轴岩石力学参数(内聚力和内摩擦角)计算得到,使得MG-C准则使用方便,采用测井资料分析井壁稳定可得到连续坍塌压力剖面。     

考虑滞后效应的岩石加卸载响应比试验研究

为了深入分析岩石在循环加卸载作用过程中的加卸载响应比和损伤变量的变化规律及二者的相关关系,设计并开展砂岩的常幅循环加卸载试验,详细分析试验过程中的应力–应变滞后时间差、加卸载响应比、损伤变量、上限应力对应的应变峰值的变化规律。结果表明:(1)循环加卸载过程中,应力–应变滞后时间差并不是一个常数,在循环加卸载的初期和临近破坏阶段,滞后时间差明显较大;(2)岩样在临近破坏时,应力–应变滞后时间差、加卸载响应比、损伤变量和上限应力对应的应变峰值均存在明显突变,说明岩石的各项力学参数具有较好的相关性,而且与岩石所处的应力状态及损伤程度密切相关;(3)考虑循环加卸载的损伤作用对岩石介质均匀程度的影响,修正了加卸载响应比与损伤变量相关关系式,结果表明,采用修正的关系式,可以用加卸载响应比较好地描述岩样的损伤程度。研究成果对岩石加卸载响应比及其与损伤变量关系的分析具有较好的参考价值,同时,相关试验分析方法也可以为类似试验提供参考。     

煤岩三轴细观损伤演化规律的CT 动态试验

利用本文第一作者主持设计和研制的与ＣＴ机配套的专用加载设备,进行了三轴和单轴荷载作用下煤岩破坏全过程的细观损伤演化规律的即时动态试验。得到了在不同荷载作用下煤岩中微孔洞被压密→微裂纹萌生→分叉→断裂→破坏→卸载等各个阶段清晰的ＣＴ图象,引入了初始损伤影响因子,定义了一个基于ＣＴ数的新的损伤变量。     

深部原位应力煤岩卸荷力学特性试验研究

为探究深部原位应力煤岩卸荷力学特性,利用MTS816岩石力学测试系统对原位应力煤岩开展不同卸荷速率的三轴加卸载试验,并与常规卸荷试验对比,通过获取全过程应力–应变曲线分析卸荷煤岩的力学性能与变形特征,结合CT三维重构技术研究煤岩的破坏特征,探讨原位应力卸荷煤岩的适用强度准则。结果表明：(1) 2种方案煤岩的峰值强度与卸荷速率均成反比,但原位应力煤岩较常规煤岩的峰值强度更高,这种趋势在低速卸荷时逐渐弱化。(2)原位应力恢复过程实施后,煤岩在卸荷速率升高条件下,峰值轴向应变先减小后趋于稳定,峰值侧向应变整体不变,峰值体积应变先降低后增加。卸荷条件下原位应力煤岩的弹性模量更平稳,应变硬化模量得以增强。(3) Mogi-Coulomb强度准则能更好地反映原位卸荷煤岩的破坏强度特征;原位应力煤岩较常规煤岩的黏聚力c增加39.23%,内摩擦角φ减少11.92%,表明原位卸荷煤岩的抗破坏主控因素为黏聚力。     

中间主应力对塑性混凝土变形性能的影响研究

为研究中间主应力对塑性混凝土变形性能的影响,设计2种不同配合比的塑性混凝土开展不同中间主应力的真三轴试验。试验过程中,最小主应力设计为0.4MPa和0.8MPa这2种情况,每种情况下中间主应力设置为3～4个等级,保持最小主应力和中间主应力不变,施加最大主应力,直至试件破坏。试样结果表明,中间主应力对塑性混凝土的变形性能有较明显的影响。在保持最小主应力不变的情况下,随着中间主应力的增加,塑性混凝土轴向峰值强度、峰值应变均随之增大,峰后近似水平段长度也随之增加,提高了试件的延性变形能力和抗裂性能,但对峰值前的变形模量和体积变形模量影响较小。试件破坏的特征受中间主应力与最小主应力差值影响,差值越大越偏向小主应力方向。