白云岩的单轴压缩力学特性及声发射特性研究

对从青川县东河口滑坡区采集的白云岩进行了单轴压缩试验,测得了白云岩的单轴抗压强度、弹性模量等力学参数,并在单轴压缩试验的全过程运用了声发射测试技术,研究了岩石损伤破坏过程中的声发射参数(振铃计数、能量)演化规律及其与岩石的应力响应之间的相关性,并尝试对岩石损伤破坏前兆的声发射特征点进行了分析。研究结果体现了白云岩的初始缺陷对其力学特性及声发射特性会产生较大的影响。分析表明:1)白云岩的变形破坏过程大致可分为五个阶段,且不同阶段出现了与之相对应的声发射信号特征;2)白云岩的声发射振铃计数和能量在反映岩石损伤演化过程方面有较高的一致性。明显的声发射活动主要出现在岩石加载的中后期,在岩石进入裂纹非稳定扩展阶段后出现振铃计数和能量激增的现象,在临近破坏阶段,个别岩样进入声发射活动的相对平静期;3)对比声发射特征点和应力屈服点出现的时刻,两者的差值与岩样的初始缺陷密切相关。但无论是累计振铃计数还是累计能量,基于两者识别出的特征点时间都是超前于或接近应力屈服点出现的时刻。基于本次研究结果,如果作为岩石破坏前兆信息识别,选用累计能量参数会使得安全储备更充足。     

低温下煤岩体力学特性实验研究

基于岩石低温损伤问题,为进一步研究煤岩在低温下力学特性,选取黄陵煤岩样,冻结到不同温度(-60~20℃)后进行单轴压缩实验,研究力学性质及破坏特点。实验结果表明:低温下煤岩体积明显收缩,温度越低其体积收缩程度越大,平均收缩率约为0.02 mm/℃;根据曲线图采用面积积分法量化出各温度下煤岩破坏做功总值以及各阶段吸收的能量;煤岩体的单轴抗压强度随着温度降低有增加趋势,但当温度低于-40℃后趋于稳定;煤岩随温度降低逐渐呈现脆性增强,塑性减弱趋势,其破坏以类似岩片崩落为主。     

层状岩体单轴抗压强度的速率效应力学特性研究

以地下工程建设中普遍存在的层状岩体为研究对象,针对不同层理角度岩样开展了大跨度单轴加载速率试验,系统研究了加载速率对千枚岩力学特性的影响,试验结果表明:千枚岩由于微裂隙的存在,加载速率对裂隙的发育存在一个临界值,随着加载速率的增加,峰值强度未单调增加,而是呈现先升后降再升的S型曲线;层理软弱物质的承载力有限,在高速率条件下,出现了弹性模量下降现象;总能量、弹性应变能、耗散能具有与强度类似的S型曲线变化规律,层理倾角为0°时能量最高、90°时能量最低。     

破裂岩体承压注浆加固力学特性试验研究

在完整岩样单轴压缩试验的基础上,采用自制注浆系统对破裂岩样进行了承压注浆加固和固结体的力学特性试验,并利用 KH-3000视频仪对注浆加固前后岩样的微观结构进行了观测和分析。研究结果表明：破裂岩样存在大量的贯穿裂隙,岩样破坏以张拉破坏为主;承压注浆后,破裂岩样的张拉和倾斜破裂面得到了不同程度的充填和固结,其强度与破裂岩样残余强度相比有较大的提高,但强度恢复系数不高;承压注浆能够促进破裂岩样的变形由脆性向延性转化,并使其侧向变形和轴向变形趋于协调;围压水平对浆液注浆量、岩样径向应变、注浆固结体强度及强度恢复系数有着很大影响,随着围压的增大,加固效果显著增强。     

层面倾角对组合岩体破坏失稳的力学特性影响研究

具有层面倾角的组合岩体具有明显的倾角效应,其力学性质会随着层面倾角大小的变化而改变。为了探究层面倾角对组合岩体破坏失稳的力学特性影响,通过理论分析和室内实验相结合的方法,得到了单轴压缩下不同层面倾角岩石试样的RA值、应力-应变曲线、峰值强度以及弹性模量。结果表明：不同层面倾角组合岩体在加载初期主要发生剪切破坏,加载到后期贯通扩展为拉伸破坏;倾角15°试样主要发生剪切拉伸复合破坏,倾角25°试样主要发生剪切滑移破坏;峰值强度和弹性模量都随着层面倾角的逐渐增大而减小。     

层状组合砂岩强度及变形特性试验研究

为研究煤矿层状砂岩顶板失稳破坏机理,明确岩石的厚度比对岩石力学性质的影响,选取两种强度比为1∶1.12的砂岩进行了不同组合的单轴压缩试验。结果表明:不同组合的砂岩,随着红砂岩厚度的增加,抗压强度、弹性模量变化范围较小,但红砂岩占比0.8的组合砂岩,上下端部存在10mm的较软岩石,消除了端面效应,吸收部分能量,改变了试样的破坏模式,导致其强度高;最先产生裂纹的位置受交界面的影响,无粘结试样的裂纹最初产生在交界面,有粘结试样的裂纹最初产生于端部,峰后破坏呈现明显的阶段性特征;组合砂岩的破坏模式主要有剪切滑移型、折线剪切劈裂型、贯通劈裂剪切型破坏3种;白砂岩厚度大的试样,破碎分维与抗压强度成正比,红砂岩厚度大的试样,破碎分维与抗压强度成反比。     

不同温度超临界CO２ 对页岩力学特性的影响

我国西南地区页岩气储层地温通常在６０℃以上,采用 超临界 CO２ 强化其开采效率是研究前沿.通过试验模拟不 同温度超临界 CO２ 作用于页岩,分析其力学性质变化,并探 讨不同温度超临界 CO２ 对页岩作用机理,主要研究结果表 明:随着浸泡温度升高和浸泡时间增长,页岩抗拉强度、三轴 抗压强度和弹性模量均发生不同程度的弱化,其中抗拉强度 的损失率最大,这３种力学参数与浸泡时间均呈负指数变 化,浸泡温度加速页岩弱化速度并在浸泡初期起主要作用. 分析表明:浸泡温度通过提高溶蚀速度增加页岩矿物的溶蚀 程度,增大页岩孔隙度和降低胶结强度,通过页岩升温膨胀, 促进微裂隙生成,浸泡时间通过累积溶蚀提高了页岩矿物的 溶蚀程度;另一方面,通过页岩吸附 CO２ 膨胀累积增长,促 进微裂隙萌生,进而劣化页岩力学性质.     

块体形状对岩石黏结颗粒模型力学特性的影响

为了研究块体形状对岩石黏结颗粒模型(BPM)力学特性的影响,分别选取随机多边形块体和随机三角形块体建立了Voronoi-BPM和Trigon-BPM模型,进行了岩石的单轴压缩、单轴拉伸和直剪数值试验。分别从破坏形式和宏-细观力学参数2个方面,分析了块体形状对岩石细观离散元模型力学特性的影响。     

煤块受载破碎过程中的细观力学特性演变研究

利用电子万能试验机对4种典型煤种的煤块进行单轴压缩破碎实验,并用高速摄像仪记录破碎过程中煤块表面结构演化的图像,对破碎特性和细观力学特性演变开展研究。结果表明,单轴应力载荷下煤块呈现出以沿纵向主裂隙劈裂破坏为主的组合破坏形式。同煤种煤块的力学特性呈现出较明显的各向异性,这是由于煤块内部孔隙、裂隙等缺陷分布的不均匀性;不同煤种之间表现出整体差异性,受煤种组分、孔隙结构、孔径分布、变质程度等内在因素影响。微米级孔隙的孔径大小、含量与破碎过程力学特性有明显关联。孔隙率越大,孔径越大,孔隙含量越高,弹性模量与抗压强度越低。应力-应变曲线的压密段长短受样品孔隙率及煤层堆积方向与受载方向的影响。应力-应变曲线的峰值波动现象主要由其内部孔隙并合所造成。     

高温作用下围压对页岩力学特性影响的试验研究

利用MTS815型程控伺服刚性试验机对页岩开展高温常规三轴压缩试验,基于试验结果分析围压与页岩应力-应变曲线特征、峰值强度、弹性模量、泊松比、峰值应变的关系。结果表明,按体积应变特征,应力-应变曲线可归为3类：扩张型、压缩-扩张过渡型和压缩型,围压对页岩具有较明显的扩容作用。在同一温度时,在5～25 MPa围压范围内,页岩峰值强度（σ1-σ3）较低,表现出较强的塑性变形破坏特征,峰值强度和弹性模量具有随围压增加而增大的趋势。围压小于15 MPa时,页岩泊松比随围压增大而增大,而峰值轴向应变和峰值横向应变均随围压增加而逐渐降低;围压大于15 MPa后,泊松比随围压增加呈小幅下降,峰值轴向应变和峰值横向应变随围压增加而略有增大。     

纤维加筋固化淤泥力学特性影响研究

水泥固化淤泥虽然能够在强度上满足工程要求,但是其表现出明显的脆性。为了探讨纤维加筋对固化淤泥力学特性的影响,通过开展不同加筋率、不同纤维长度以及不同加筋纤维材料的一系列单轴抗压强度试验,对纤维加筋固化淤泥的力学特性进行分析和探讨。结果表明:纤维的掺入能够很好地改善固化淤泥土的力学特性;随着纤维掺量的增加,纤维固化淤泥土的强度逐渐提高,并且纤维的质量加筋率大于0.2%时,加固效果较好;在相同加筋率的情况下,纤维长度为12 mm时,纤维固化淤泥土的强度最大,利用纤维加筋时应该考虑最优的纤维长度;聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维的加筋效果相差不大,聚乙烯醇纤维的加固效果最好。     

掺纤维分层胶结充填体力学强度特性试验

针对充填体胶结强度低和易开裂等问题，开展纤维类型、分层数对充填体单轴抗压强度的影响规律实验研究。结果表明：未掺纤维的充填体为张拉破坏，掺纤维充填体受压膨胀呈现鼓状，整体裂而不断，保持较高的完整性。分层面在一定程度上劣化了充填体力学性能，随分层面的增多充填体单轴抗压强度逐渐减小。添加纤维充填体在达到峰值荷载后仍具有一定承载能力，呈现“裂而不碎”的特征。通过对比聚丙烯腈纤维、玻璃纤维、聚丙烯腈纤维三种纤维，添加聚丙烯腈纤维更有利于充填力学性能的改善。     

基于离散元法的岩石单轴压缩模型建立及参数校核

建立基于离散单元法的脆性岩石单轴压缩可靠模型,通过单一变量数值模拟方法,分析4个关键参数对应力—应变曲线的影响,并较准确地模拟真实岩石的力学性能。通过仿真试验可得出结论:临界切向应力主要影响轴向压缩力—应变曲线的最大值,随着临界切向应力的减小,曲线的最大值逐渐减小;临界法向应力主要影响曲线的下降段,随着临界法向应力的减小,曲线的下降段斜率逐渐增大;切向接触刚度对曲线的3段均有影响,随着切向接触刚度的线性增加,曲线的上升段斜率逐渐增大,曲线最大值逐渐增加,下降段斜率逐渐增加;法向接触刚度主要影响曲线的最大值,随着法向接触刚度的增加曲线的最大值增加。当选取黏结参数:法向接触刚度400 MN/m³、切向接触刚度为300 MN/m³、临界法向应力为40 kPa、临界切向应力为20 kPa,按照这组参数标定可以较可靠地模拟出大庆三肇地区2 500~3 000 m深的岩石特性。     

裂隙数量和开度对低强度岩体力学特性及破坏模式的影响

采用MTS815电液伺服控制试验机对不同裂隙数量和不同裂隙开度条件下的低强度岩体试件进行常规单轴压缩试验,基于试验结果,详细分析了每种类型裂隙试件的应力-应变曲线、强度、变形参数及破坏模式。研究结果表明:① 裂隙数量可使试件应力-应变曲线的峰后破坏阶段由快速下跌转变为台阶式下跌,最后变为水平延伸式缓慢下跌,呈近似塑性流动变形破坏,相对而言裂隙开度对试件应力-应变曲线的影响则非常小;② 受结构效应的影响,试件峰值强度只在水平和倾斜裂隙条件下才随裂隙数量的增加呈明显减小趋势,而裂隙开度对试件峰值强度的影响较小,且存在最弱影响开度值;③ 裂隙数量对不同裂隙倾角条件下试件的变形特征均有较大影响,而裂隙开度只对倾斜裂隙试件的变形特征影响较为明显;④ 裂隙数量对倾斜和垂直裂隙试件破坏模式的影响要比水平裂隙试件的明显,但影响规律不明确。裂隙开度可以完全改变垂直裂隙试件的破坏模式,使其由纯拉伸破坏向单一剪切破坏转变,但对水平和倾斜裂隙试件的破坏模式基本没有什么影响。     

双孔洞式双裂隙类岩石力学特性及裂纹扩展分析

为了研究单轴压缩下含有双孔洞和双裂隙缺陷岩石的力学响应,通过完整类岩石室内单轴压缩试验和颗粒流程序PFC~(2D)模拟试验试样的弹性模量和峰值强度等相关参数及破坏形态的对比分析,最终选取一组合理的细观参数,对双孔洞、双裂隙和双孔洞式双裂隙试样进行单轴压缩模拟试验。研究表明:双孔洞和双裂隙缺陷显著弱化了岩石抗压承载的力学特性,双孔洞缺陷的弱化效应大于双裂隙,随裂隙的倾角增大,双裂隙对岩石的弱化作用逐渐减小,且双孔洞和双裂隙对岩石产生的共同弱化效应小于叠加弱化效应;当裂隙的倾角较小时,试样的初始裂纹萌生于裂隙尖端和孔洞与裂隙的岩桥,孔洞与裂隙较容易贯通,随倾角增大,孔洞的上下部开始萌生初始裂纹,且当倾角为90°时,初始裂纹仅萌生于孔洞的上下部,孔洞与裂隙不贯通;双孔洞式双裂隙试样的破坏模式主要为拉伸破坏,且拉伸破坏主要发生在孔洞的上下部、外侧和裂隙的尖端,剪切破坏主要在孔洞与裂隙的岩桥产生。     

桩底沉渣对钻孔灌注桩力学性质影响研究

钻孔灌注桩因其自身众多优点而在工程中被广泛应用,而沉渣的存在对桩的承载特性有较大影响。根据现有工程资料,利用有限元软件详细分析了桩底沉渣厚度、弹性模量、泊松比、内聚力及内摩擦角各几何、物理力学参数对桩承载特性的影响。研究结果表明:沉渣厚度对单桩极限承载力有较大影响,沉渣的存在使得单桩极限承载力快速降低。沉渣厚度对极限承载力的影响存在临界值,其值在35~45 cm;沉渣各个模量下,桩顶P—S曲线均呈现出突变型变化,极限承载力随着沉渣弹性模量影响的增大而增大;各沉渣泊松比和内聚力下桩顶P—S曲线变化趋势类似,可认为沉渣泊松比和内聚力对单桩承载特性影响较小;单桩极限承载力随着沉渣内摩擦角的增大而增大,根据tan Φ—极限承载力散点图拟合出了沉渣内摩擦角对单桩极限承载力影响评价的定量公式。     

破碎磷矿体力学特性及等效损伤规律研究

针对宜昌地区磷矿体破碎、节理裂隙发育等特点,进行多围压三轴压缩试验,建立三轴压缩等效耦合损伤变量模型,研究不同围压作用下破碎岩体压缩变形特性和损伤规律,揭示破碎岩体节理裂隙、围压大小、损伤特性、力学强度的相互影响关系。研究表明:围压的增加,可有效提高破碎岩体力学强度,并减小岩体损伤变量的谷值。在高围压作用下,破碎岩体应力应变曲线峰值处近似"折线状",峰值处呈脆性破坏,破坏后峰值强度迅速衰减;低围压作用下,峰值处岩石试样呈现弹塑性破坏,峰值强度衰减缓慢。