白砂岩试件初始损伤后再加载力学特性试验分析

针对巷道开挖以及回采过程中围岩应力平衡-卸压二次平衡引起的巷道大变形问题,利用应变测试仪及红外热像仪对白砂岩三轴加载-卸载后单轴再加载的破坏过程进行监测.实验结果表明:试件单轴加载破坏形态与初始损伤程度有关,白砂岩三轴加载超过57.5%峰值强度后卸载,单轴再加载破坏形态发生了改变;岩石单轴加载过程中环向应变速率与岩石裂隙大小有关,裂隙越大,环向应变速率越大,反之,应变速率则越小;单轴再加载损伤后的岩石,存在张裂变形与剪切滑移变形,破坏时以剪切滑移为主.试件剪切破坏时滑移面温度急剧升高.     

加载速率和初始损伤对砂岩能量演化影响的试验研究

为研究加载速率和初始损伤对砂岩能量演化特性的影响,通过预压使部分岩样产生初始损伤,并进行原始岩样和含初始损伤岩样不同加载速率下的单轴压缩试验,分析了砂岩试件加载速率和初始损伤影响下的能量演化特征。试验结果表明,预压产生的初始损伤较为真实地反应岩石内部随机分布的微裂隙损伤,声发射技术能较为准确地表征损伤量及其位置信息;加载速率的不同对弹性能演化过程基本无影响,但造成岩样破坏前积聚的最大弹性能增加;初始损伤的存在使弹性能增长较无损伤岩样变缓,破坏前积聚的最大弹性能减少;从能量耗散的角度建立了岩石损伤演化方程,验算结果表明基于能量耗散分析建立的岩石损伤演化方程可以很好地描述岩石的损伤演化过程。     

冻融循环作用下卸荷砂岩微观损伤特性试验研究

在一带一路倡议背景下,大量岩体工程建设在高寒地区,研究高寒地区岩石在冻融环境下的微观损伤演化规律对分析岩石宏观力学性能具有十分重要的意义。以砂岩为研究对象,开展了冻融循环试验;然后,对经历不同冻融循环次数的砂岩进行三轴卸荷试验,得到破坏断口典型部位的切片;最后,对切片进行扫描电镜试验,统计砂岩微裂纹长度、宽度、面积及方位角等微观损伤信息。试验结果表明:在不同的围压和冻融循环次数条件下,断口微裂纹长度由指数分布演化到对数正态分布,微裂纹宽度及面积分别符合对数正态分布和指数分布,微裂纹方位角变化均无明显规律性。初始围压对断口微裂纹的长度,宽度,面积发育起着抑制作用,而冻融作用一定程度上起着促进作用。此研究成果对损伤岩石的宏细力学性能分析提供了一定科学依据。     

不同卸荷条件下砂岩力学特性试验研究

岩体开挖的卸荷效应研究对巷道围岩的稳定性、支护和设计等具有重要意义。为揭示不同卸荷时机和卸荷速率对岩石力学性质的作用效应,利用单轴压缩伺服试验机对砂岩开展单轴不同卸荷时机和不同卸荷速度试验。试验结果表明,同一卸荷时机下,岩石的强度和弹性模量随加卸载速度的增加而升高,相同卸荷速率下,卸荷时机越大,岩样的强度也越大;卸荷时机较小时,岩样破裂网络比较发育,岩样破碎程度较高,破碎岩块呈片状;在卸荷时机较大时,岩样破坏较简单,岩样破碎程度较低;低加卸荷速率下,岩样破坏较复杂,在高加卸荷速率下,岩样破坏较简单,在相同的卸荷速率下,破坏角随着卸荷时机的增加而增加;在相同的卸荷时机下,高加卸荷速率下岩样的破坏角比低加卸荷速率大;不同卸荷时机和卸荷速度下砂岩的声发射特征差异化明显。此研究为巷道开挖造成岩石失稳破坏的预测或判断提供参考依据。     

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。     

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。     

早期加载养护下矸石骨料混凝土强度损伤及能量耗散研究

为研究早龄期加载养护对矸石骨料混凝土强度演化的影响，在第7天时对矸石骨料混凝土试样进行加载养护，第28天时开始单轴压缩试验，监测加载过程中试样的声发射振铃变化，同时采用扫描电镜观测试件的微观形貌，探究早期加载养护下矸石骨料混凝土的强度损伤及能量耗散规律。结果表明：早期承受50%～70%应力强度比的载荷可以促进试件后期强度的提高，而当早期载荷的大小超过70%的应力强度比时试件表现出强度劣化效应。早期不同应力强度比大小的载荷下养护的试样其单轴压缩过程中表现出不同的能量耗散特征，在峰值应力附近时试样内部聚集的能量突然急剧释放，探测到的声发射信号强度激增达到峰值。矸石骨料混凝土的损伤演化可视为结构模型中铰接键的断裂过程，早期一定的荷载提高了矸石骨料混凝土的自愈合能力。     

不同加载方式下强冲击倾向性煤声发射特征研究

为探究强冲击倾向性煤在多级循环加载下能量积聚与耗散形态、损伤演化过程,以充分辨识冲击倾向性煤破坏前兆,利用TAW-2000型电液私服试验机对强冲击倾向性煤样进行了多级应变循环加载和多级应力循环加载试验。试验表明:在多级应变和应力加载条件下,振铃计数率均呈现加载初期振铃计数较高,临近破坏时振铃计数急剧增加趋势;每级加卸载产生的能量耗散与损伤变量均呈现出先降低后增加的趋势;受加载方式的影响,应力加载条件下振铃计数更高,且在载荷转换阶段,煤样有明显声发射现象,煤样内部结构劣化较快,单循环损伤程度严重,煤样累计损伤增长更快;伴随循环级数的增加FR值逐渐降低,且呈现加速下降趋势;循环加载初期煤样变形处于压密和弹性变形阶段,损伤程度低,Kaiser效应显著,上一级循环载荷超过煤样峰值强度的60%后,煤样损伤加剧,在次级加载时Felicity效应显著。     

含雁行裂纹砂岩静态加载速率效应实验研究

为研究裂隙岩体的静态加载速率效应,以含预制雁行裂纹砂岩为实验对象,测试了不同加载速率下试样的力学性质、破裂模式、能量耗散及声发射响应特征,综合声发射定位和裂纹扩展演化录像,分析了裂纹扩展演化过程及加载速率效应机制。结果表明:(1)裂隙砂岩受载过程存在着明显的静态加载速率效应。随着加载速率的升高,试样峰值强度、峰值应变、起裂应力、峰值处积累的弹性能和声发射计数峰值均逐渐增大但增幅放缓,弹性模量呈现出先增大后减小趋势,累计声发射总计数则逐渐减小。(2)试样新裂纹的起裂萌生均对应着应力的局部下降、耗散能的突升及声发射的高值响应。(3)加载速率较小时,试样沿一条预制裂纹扩展、滑移而形成剪切型破坏;当加载速率较大时,试样最终破坏模式为裂纹岩桥贯通,并由裂纹外端沿与加载方向平行扩展而成的拉破坏。研究结果为深入认识煤岩动力灾害的力学响应机制及揭示其演化过程提供了有益的参考。     

单轴压缩条件下砂岩的声发射特征研究

通过对砂岩进行单轴加载声发射试验,获取岩石破裂过程的应力-应变曲线和相关声发射参数,综合分析了累计事件数、事件率、能率、声发射率之间随时间的变化规律。试验表明在加载初期小裂隙密集发育,后期以大裂隙发育为主。事件率和累计事件数没有明显前兆信息,声发射率和能率有明显的异常前兆。声发射定位表明裂隙发育由端部向中部转变,且无"空白区"阶段。声发射前兆信号为该类工程岩体的稳定性评价提供重要的理论依据。     

三轴卸围压条件下砂岩声发射统计特征

为深入探究深部开挖过程中岩体卸荷致灾过程的内部响应特征及其灾变规律,利用自主研发的三轴声发射采集系统,对砂岩进行不同围压、不同卸荷速率下的常规三轴卸围压声发射试验,并采用地震统计学方法对声发射绝对能量E,等候时间δ等参数进行统计分析。结果表明:(1)卸荷过程释放绝对能量的概率密度函数在10~1～10~4aJ 4个能级内服从幂律分布;(2)随着卸载速率减小,出现在小能量区间的声发射事件可能性增大,相同卸压速率下随着围压的增大也会出现类似的变化趋势;(3)声发射"余震"事件在不同围压和卸荷速率下遵循同一线性关系,且不受"主震"事件能量大小波动的影响;(4)在小等候时间区间内(0. 1 s),幂指数不受围压和卸载速率的影响,对于大等候时间区间( 0. 1 s),幂指数在1. 3到1. 9区间波动,并且不同能量阈值下的等候时间分布具有一致性。     

胶结充填体固化与开挖矿体垂直应力匹配特征

以某铀矿山中和后的堆浸尾渣为骨料,制备了渣浆体积分数为78%,80%和83%,灰渣比为1∶6,1∶8,1∶10,1∶15,1∶20,1∶25,1∶30的尾渣胶结充填料试样,经不同养护时间后,测定了它们的单轴抗压强度;建立了尾渣胶结充填体固化强度与养护时间的关系。结果表明,最终强度值、强度响应系数、强度增长稳定时间和初始强度(t=3)等力学参数能定量描述不同尾渣胶结充填体的强度随养护时间的变化特征。引入能量匹配系数表征岩体开挖释放比能与充填体变形比能关系,得到上向进路胶结充填采矿法中一步骤充填体固化时间与二步骤矿体回采时间匹配与矿岩容重、矿岩埋深、矿岩弹性模量、充填体灰渣比、渣浆体积分数和养护时间密切相关。采用某铀矿山工程实例验证了本研究结果。     

分级加载下破碎砂岩渗透特性试验及其稳定性分析

煤岩体的渗透特性与孔压梯度满足渗流失稳条件时,易引发突水和瓦斯突出灾害。破碎岩体长时间缓慢变形过程中,其渗透特性将随孔隙率的变化而发生改变,且破碎岩体不同粒径的配比会影响其渗透特性。采用Talbol级配理论,利用DDL600电子万能试验机、渗透仪等试验设备,设置五级轴向恒载加压,每级恒载加压下对应4种不同渗透压进行试验,探究不同粒径配比下的破碎砂岩渗透特性。试验结果表明：① 轴向荷载从第1级加载至第5级,随着缸筒内破碎砂岩有效应力的增大,描述渗流速度变化的参数Dv均呈减小趋势;② 恒载变形后期,破碎砂岩随孔隙率减小,其渗透率总体呈减小趋势,而非Darcy流β因子的绝对值增加;③ 不同Talbol幂指数的破碎砂岩,渗透率与非Darcy流β因子的大小存在差异,n=0.5时,破碎砂岩渗透率最小,非Darcy流β因子最大,n=1.0时,破碎砂岩渗透率最大,非Darcy流β因子整体较小。研究可见,破碎砂岩颗粒粒径很小或颗粒破碎细化非常严重时,非Darcy流β因子较容易出现负值,破碎砂岩发生渗流失稳。     

单轴加卸载作用下井壁混凝土能量演化机理

针对深部地下工程条件的结构混凝土过早失效,易在高应力集中区产生类似“岩爆”现象的破坏等问题,通过不同种类混凝土单轴加卸载和声发射试验,研究典型种类混凝土的能量耗散和释放过程。结果表明:C70钢纤维混凝土和非蒸养型超高性能混凝土(UHPC)的滞回环更加趋于饱满,耗能能力更强。C70普通混凝土易积聚能量,在达到峰值强度时,储存的能量突然间释放,形成混凝土“岩爆”现象;钢纤维混凝土在加载过程由于塑性变形较大,导致损耗大量能量的同时会造成井壁混凝土的片裂行为;UHPC通过自身均匀的小损伤耗散较多的能量,且破坏之后仍能保持一定的完整性,其延性较好,不会引起能量瞬间涌出的“岩爆”破坏。能量耗散促使混凝土黏聚力劣化,能量释放导致混凝土的最终破坏,UHPC的结构自适应能力很强,可以有效抵御深地高地应力的作用,保护矿井的安全作业。     

不同冲击强度下的砂岩动态力学特性试验研究

为研究冲击强度对岩石动态力学特性的影响,以改装的霍普金森压杆(SHPB)装置对砂岩进行了不同冲击强度下的动力学试验,测得了动态应力-应变曲线和应力波波形。然后,基于试验数据分析了冲击强度对砂岩强度、应变特性以及能量耗散规律的影响。结果表明:动态应力-应变曲线未出现压密阶段直接进入弹性阶段,冲击强度越大,应力-应变路径越长;岩样以破碎形态为主,破碎程度与冲击强度呈正相关;随着冲击强度增大,平均抗压强度和平均应变呈线性增长,而平均应变率呈指数增长;平均抗压强度和平均弹性模量随平均应变率呈线性增加。冲击强度越大,入射能和反射能值显著提高而透射能变化不明显,透射系数和反射系数分别呈幂函数增长和对数降低。砂岩吸收能随冲击强度和平均抗压强度分别呈指数关系和对数关系。由此表明,不同冲击强度对砂岩应变特征、强度特征以及能量耗散具有显著影响,适当增加冲击强度可有效提高砂岩吸收能,进而提高破岩效果。     

动荷载下峰后破裂砂岩能量耗散特征研究

采用霍普金森压杆(SHPB)实验装置对经静态压缩制备的峰后破裂砂岩进行单轴冲击试验。基于SHPB试验能量理论,研究峰后破裂砂岩在动态破坏过程中的能量耗散特征,并与完整砂岩进行对比分析。研究结果表明:动荷载作用下峰后破裂砂岩单位体积吸收能与入射能呈线性关系,且峰后破裂砂岩单位体积吸收能对入射能的敏感性低于完整砂岩;峰后破裂砂岩的破坏形态与试样吸收能量的大小相关,且存在一个吸收能量值使得峰后破裂砂岩和完整砂岩破坏程度的相对性发生改变。     

冲击加载下的砂岩动态断裂全过程的实验和分析

采用圆孔内单边裂纹平台巴西圆盘(HSCFBD)新型试样在直径为100 mm的分离式霍普金森压杆上进行径向冲击加载,完成I型动态断裂实验,首次研究了砂岩的动态断裂全过程。实验表明,在低加载气压(0.16~0.17 MPa)驱动炮弹条件下,炮弹撞击速度为3.7~4.4 m/s,检测到试样的破裂历经裂纹的动态起裂、扩展和止裂3个阶段,止裂后到第2次起裂开始,裂纹停滞较长一段时间。采用裂纹扩展计测得裂纹起裂、扩展和止裂完整过程的瞬时时间,以此确定试样的动态起裂时刻、裂纹扩展速度和止裂时刻,并运用实验-数值-解析法分别得到砂岩的动态起裂韧度、扩展韧度和止裂韧度。从微观角度分析了动态起裂韧度和起裂时间的加载率效应。最后,初步讨论了试样内应力波反射对止裂的影响。     

单轴压缩下砂岩破裂失稳时空演化特征研究

利用PCI-II声发射监测系统和高速摄像仪对砂岩进行单轴压缩条件下声发射试验,通过声发射参数演化信息,分析砂岩变形各阶段声发射参数变化特征和失稳前兆情况,揭示砂岩微裂纹时空演化规律.试验结果表明:进入屈服阶段,大于80 dB的高幅值声发射活动开始大量出现,各累积参数值在时序上出现突变拐点,呈指数上升趋势;声发射震级与能...     

真三轴应力条件下加卸荷速率对砂岩力学特性与能量特征的影响

为了更准确地认识真三轴应力条件下加卸荷速率对岩石力学特性与能量特征的影响规律,利用自主研发的“多功能真三轴流固耦合试验系统”开展了砂岩真三轴加卸荷力学特性试验,实现了最小主应力方向上的单面卸荷,模拟实际围岩应力演化过程。试验结果表明：随着卸荷速率的增大,砂岩破坏时的最大主应力、最大主应变、最小主应变和体积应变均减小、中间主应变增大,扩容起始点提前,岩样破坏模式逐渐由剪切破坏转为张拉破裂,且张性裂纹多集中于卸荷面附近。加载速率的增大,砂岩破坏时的最大主应力、最大主应变、最小主应变和体积应变增大,扩容起始点滞后,岩样破坏模式逐渐由张剪破坏转向剪切破坏,产生非贯通性裂纹。引入应变偏应力柔量分析不同加卸荷速率下砂岩变形规律,最小主应变和体积应变的偏应力敏感性与卸荷速率呈正相关,最大主应变的偏应力敏感性与加载速率呈正相关。此外,岩石在峰值应力前能量演化有明显的阶段性,峰前吸收的能量大多以可释放弹性应变能的形式存储,耗散能在峰后超过弹性应变能。耗散能比例Ud/U随着最大主应变的增加呈现出先增后降再增的趋势,峰值应力时Ud/U随着卸荷速率的增大而减小,随着加载速率的增大而增大。达到峰值应力时,岩石吸收的总能量U、弹性应变能Ue、耗散能Ud和相应的应变能增量与时间间隔的比值u均随着卸荷速率的增大而减小,随着加荷速率的增大而增大。