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。     

循环荷载模式下砂岩的力学特性及能量演化研究

基于循环加卸载试验结果,分析砂岩的应力-应变曲线特征、变形特征以及声发射能量特征,结果表明:砂岩循环加卸载曲线形成尖状滞回环,滞回环不断向后迁移;加卸载循环下砂岩峰值强度较单轴压缩降低,且与循环应力呈负相关;根据砂岩循环加卸载过程中残余应变数据,得到累计残余应变差与循环次数的变化规律;探究加卸载阶段弹性模量特征,得到卸载阶段弹性模量始终比加载阶段大,弹性模量值与循环应力呈正相关;循环加卸载下声发射能量变化呈现规律性,分析能量变化情况,得到破坏各阶段的能量释放特征。     

循环加卸载下饱和类岩石材料能量演化和损伤特性分析

为了研究循环荷载作用下饱水岩石的能量演化和损伤特性,利用水泥砂浆材料开展分等级循环加卸载试验和等荷载幅值循环加卸载试验,对比分析饱和类岩石材料在不同循环加卸载方式下的弹塑性应变、弹性模量、能量密度、损伤变量随循环次数的变化规律。结果表明:两种循环加卸载作用下,饱和类岩石材料的初始循环残余塑性应变均较大,分别占总残余塑性应变的61%和76%;分等级循环加卸载作用下,弹性模量随循环等级的升高先增大后逐渐减小,输入能密度和弹性能密度随循环等级的增加不断增大,耗散能密度先减小后逐渐增大,耗能比曲线呈现出"勺"形演化特征;等荷载幅值循环荷载作用下,弹性模量随循环次数先增大后缓慢降低,3种能量密度在损伤稳定发展阶段基本保持定值,材料破坏阶段耗能比迅速增大;基于耗散能定义的损伤变量,分等级循环荷载作用下,随循环等级的增加损伤变量变化曲线呈"上凹"形上升;等荷载幅值循环荷载作用下,损伤变量随循环次数的增加呈线性增长,且累积总应变能是分等级循环加卸载的34.5倍,损伤破坏程度更大。     

不同加载条件下原煤力学渗流特性试验研究

以潞安集团常村煤矿煤样为研究对象,利用WYS-800微机控制电液伺服三轴试验装置研究不同加载条件下原煤的力学渗流特性。结果表明,三轴压缩煤样的极限抗压强度和弹性模量均大于单轴条件下的相应值;随着围压的不断增大,煤样抗压强度和弹性模量也会增大,且弹性模量呈现很好的线性;循环加卸载轴压应力-应变曲线在一定程度上受制于常规三轴压缩试验相应曲线,峰值强度降低;煤岩应力-体应变曲线,在低围压试验下表现出扩容机制;在高围压条件下,从峰前至峰后,煤样体积始终呈压缩状态。三轴压缩条件下含瓦斯煤的渗透率与轴向应变呈斜"V"字型走势;循环加卸载轴压试验,随着加卸载次数的增加,煤样渗透率整体降低,但降低梯度减小。     

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。     

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。     

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。     

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。     

脆性岩石循环加卸载试验及应变损伤参数分析

为研究不同应力状态循环加卸载条件下脆性岩石的强度、变形和损伤力学特性,对马城铁矿辉绿岩开展了单轴压缩、三轴压缩以及单轴、三轴循环加卸载等不同应力路径岩石力学试验,得到了脆性岩石在单轴和三轴条件下的强度、变形特征以及循环加卸载应力-应变曲线变化规律。给出一种岩石循环加卸载过程中相对应变损伤参数,结合现有损伤力学理论,对脆性岩石破坏过程中的损伤演化规律进行了研究。试验结果表明：①UCS条件下,循环加卸载峰值强度比平均单轴压缩峰值强度低10%~20%;CTC条件下,峰值强度出现离散性。②循环加卸载过程中弹性常量变化趋势跟岩石内部微裂隙的闭合、张开、扩展等断裂损伤机制密切相关。③岩石内部的损伤积累程度随循环次数的增加而不断增大,绝对应变损伤参数几乎不受围压作用的影响,而相对应变损伤参数受到围压的约束作用。     

循环加载下冲击倾向性煤能量耗散与损伤演化研究

为研究强冲击倾向性煤在多级循环加载条件下的能量耗散特征及损伤演化过程,在实验室开展了陕西某矿煤样的多级循环加载试验,试验研究结果表明:在多级应力循环下煤样的耗散能先迅速降低,后缓慢增加,当循环上限应力达到63%破坏载荷时,耗散能开始急剧增加;而能量耗散率先迅速降低,后逐渐稳定;煤样加卸载阶段弹性模量均有增大趋势,加载阶段弹性模量先迅速增大,后缓慢增加,而卸载阶段弹性模量变化较为平稳。采用累积耗散能定义循环加载中试件的损伤变量,并建立煤样损伤演化方程,通过试验和数值计算测定各个参数。理论和试验研究表明,基于能量耗散分析建立的冲击倾向性煤损伤演化方程能够较好反映煤样的损伤演化过程。     

循环加卸载下岩石力学性能的加载速率效应研究

矿山开采过程中存在岩石受周期性扰动影响,对岩石的力学性质产生显著影响。为了解不同循环加卸载方式下岩石的加载速率效应,对矽卡岩试样进行不同加载速率的恒下限循环加卸载和变下限循环加卸载试验,对比分析了不同加载速率两种循环加卸载方式下试样的变形特征、能量演化规律以及破坏特性。结果表明：试样的峰值强度和残余变形具有不同加速率效应,但其峰值强度相比于常规单轴压缩试验均有提升;随加载速率增大,试样各阶段的输入能、弹性能和耗散能均呈增长趋势,但表现形式有所差异;试样的破坏方式及形态均表现出加速率效应,随着加载速率的增大其破坏程度加剧。     

三轴循环加卸载作用下煤样的声发射特征

利用RMT-150B岩石力学试验机对煤样进行常规三轴、三轴循环加卸载作用下声发射试验,对不同加载条件下煤样的声发射特征进行分析。分析结果表明：在常规三轴压缩过程中声发射能量、累计计数和累计能量随时间变化趋势基本一致,均能较好反映煤样内部的破坏过程;在煤样循环加卸载过程间隔出现声发射信息,其能量、计数和幅值变化趋势一致,与煤样所受应力相吻合;煤样在常规三轴和循环加卸载破坏过程中声发射突变点在峰值应力的85%左右,可以作为判定煤样破坏的前兆;在循环加卸载过程中Felicity效应较明显,Felicity比值FR远小于1,随着循环应力水平提高,FR值不断降低,表明循环加卸载过程中声发射记忆具有超前特征,Kaiser效应的记忆效果较差,Kaiser效应作为煤体稳定性指标需谨慎。     

循环加卸载路径下不同含瓦斯煤渗流及损伤演化特征

循环载荷广泛存在于采矿活动中并对煤岩的强度、损伤及渗透性质产生较大影响,例如煤层群开采多重保护工程中,被保护层煤岩就受到循环加卸载作用,并显著改变了煤岩的力学及渗流特性;瓦斯对煤的力学性质及能量耗散特征也具有显著的影响,不同加卸载路径下煤岩力学及渗流特性与常规加载下的性质存在显著差异,因而有必要研究循环加卸载条件下不同含瓦斯煤的渗流及损伤演化特征。根据煤层群开采条件下被保护层应力状态实时监测的相似模拟实验结果,设计了3种简化的循环加卸载应力路径,即阶梯循环加卸载、逐级增大循环加卸载和交叉循环加卸载,采用重庆大学自主研发的含瓦斯煤流固耦合三轴渗流实验装置对取自平顶山十矿和袁庄煤矿的煤样进行了瓦斯渗流试验。结果表明:在3种循环加卸路径中,2种煤样的渗透率变化与轴向应力应变曲线具有显著的一致性,循环加卸载作用下,煤样渗透率随着应力的增大和循环次数的增加呈减小趋势;应力卸载和加载对渗透率的影响不同;渗透率受到应力和损伤累积的双重影响。相同应力水平下,煤样经过卸载-加载过程后的渗透率有降低趋势,相对恢复率随着循环次数的增加而先降低后增大,只有应力超过煤样的屈服阶段后才能使渗透率增大。主要结论为:①3种循环加卸载路径下煤样在加载阶段的增透率随应力增大和循环次数的增加都可以分为3个阶段且呈增长趋势,单位体积变化引起的渗透率增加在变大,循环荷载的增透效果随着循环次数的增加而增强。②随着峰值应力的增大和煤样中损伤的累积,渗透率对应力的敏感性逐渐降低。随着荷载的施加,应力卸载对渗透率的影响先增强后减弱。③通过计算各循环阶段的加卸载响应比得到了煤样损伤变量的演化规律,通过回归分析可知损伤变量与轴向应力之间的关系可以用Boltzmann函数表征,该函数可以作为损伤的经验公式对实验中煤样的损伤进行预测计算。④循环加卸载对煤样渗透率及损伤的作用受煤种不同的影响不明显。研究结果为深入揭示多重保护下煤层增透机制和基于循环荷载致裂(重复水力压裂等)的煤层强化增透机制及瓦斯抽采工程设计提供理论支撑。     

脆性岩体在不同围压下卸载的岩爆特性

岩爆是高地应力环境下开挖扰动的一种地质灾害。通过对类岩体大尺寸试件进行不同围压下的顶部梯度加载-单面卸载的加卸荷试验,采集试件内部测点在岩爆前后的应变过程,结合岩爆岩体的宏观破坏现象,分析脆性岩体在不同围压加卸载条件下的岩爆特性。研究表明：不同围压下进行加卸载试验时,试件卸载时的围压大小会直接影响岩体在岩爆时的破坏形态;试件在2种加载路径下发生岩爆时,卸载面产生的岩爆起裂点均是由卸载面中部的拉伸破坏,进而由卸载面上、下处岩体的压缩破坏引起的;试件在高围压环境下产生岩爆瞬间,内测点的垂直应变变化值大于其在低围压环境下的变化值,试件在高围压加卸载路径下产生的岩体岩爆烈度相对较大。     

循环加卸载下含瓦斯煤能耗与渗流特性研究

以马兰矿8#煤层煤样为研究对象,进行不同围压下的采动轴向循环加卸载实验,研究煤体渗流特性及能耗损伤特征。结果表明:随着轴向应力的循环加卸载,σ1-ε1曲线呈现螺旋式上升,卸载曲线与下一次的加载曲线之间形成明显的滞回环,加卸载渗透率-应变曲线逐渐变为细长的"条带状"曲线,并在较低围压下出现交叉;随着加卸载次数的增加,渗透率绝对恢复率减小,最大降低率达20%左右,围压越大渗透率恢复越困难。随着加卸载上限应力的增大,煤体在加卸载过程中吸收的总能量、弹性能和耗散能均随着循环次数的增加而增加,煤体的损伤变量也在增大,但增加速率较缓;在循环加卸载结束至煤体屈服点阶段,渗透率随损伤增加呈对数函数减小,直至达到渗透率最低点;在屈服点至煤体破坏阶段,煤体损伤变量增加速率变快,渗透率随损伤的增加呈指数函数增大,煤体开始加速破坏。     

大理岩单轴循环加卸载碎屑分形研究

为了研究单轴不同循环加卸载路径对岩石破坏模式和程度的影响,对大理岩单轴循环加卸载的峰值强度、弹性模量进行研究;收集大理岩单轴循环加卸载破坏后的碎屑,对不同粒径范围内的碎屑进行分析和分形计算。研究结果表明,受循环加卸载后的碎屑条状、条块状特征明显,并且条状、块状、板状特征依次减弱;碎屑在长、宽、厚3个方向上分形维数越小,岩石越易破碎,破坏程度越大;岩石受循环加卸载的破坏模式以纵向劈裂为主,少有剪切破坏;循环荷载在一定程度上对大理岩的强度起到一定的强化作用,施加小的循环荷载对大理岩的强度强化作用显著使其破坏程度减小;施加大的循环荷载对大理岩的强度强化作用大大减弱,造成的损伤作用更为显著使其破坏程度更大。     

TiAl合金压缩损伤演化过程的细观分析

通过对TiAl合金的压缩及压缩卸载的力学试验和电子扫描显微镜的观察分析,研究合金压缩过程中的损伤演化和断裂行为。结果表明,在试样压缩的弹性和屈服阶段不产生损伤,而产生损伤后该材料仍然发生很大的塑性变形,说明其耐损伤能力很强。随着卸载应力的增大,从细观层面可以清晰地观察到其压缩中出现的晶体滑移、起裂、沿晶扩展、穿晶连接及至最后断裂的整个损伤断裂全过程。     

循环加卸载下花岗岩能量演化及分配规律

为探究岩石损伤破坏过程中的能量演化及分配规律,以焦家矿区花岗岩为研究对象,利用ZTR-276三轴应力试验系统进行三轴循环加卸载试验,。研究结果表明：循环加卸载试验过程中,花岗岩的应力峰值和轴向应变量随着围压增加逐渐增大,表现出明显的围压效应;循环加卸载试验下,总能量密度,弹性能密度和耗散能密度在峰前阶段均与轴向应变呈正相关关系;随着围压增大,岩石储能效率增加,最大弹性能占比增大,最大耗散能占比却随着围压的增大而降低。研究结果可为循环扰动条件下深部巷道围岩损伤破坏失稳提供理论指导意义。