不同配比大尺度相似模拟试件单轴压缩实验研究

依据相似模拟理论及试件单轴抗压强度不同,分别采用河沙-石膏-大白粉及河沙-石蜡两种相似模拟材料不同配比制作了3组共6块150 mm×150 mm×150 mm大尺度试件,在室内RMT-150B岩石力学实验系统上对其进行了单轴压缩实验。结果表明:低强度河沙-石膏-大白粉试件压密、弹性、屈服阶段轴向应变较小,峰值强度范围变化大,岩体破坏后残余强度缓慢减小,且轴向应变较大,试件沿轴向呈反拱及层状破坏;河沙-石蜡试件压密、弹性、屈服及破坏阶段明显,峰值及残余强度较为稳定;随着河沙-石蜡试件胶结程度的提高,峰值及残余强度增大,软化程度变小,试件沿轴向呈对角线剪节破坏,岩体破坏后残余强度减小较快,试件强度指标趋于稳定,试件均质性好。     

围岩-充填体组合承载宏细观损伤演化机理

充填体与围岩共同承载地应力,揭示其组合体宏细观损伤演化机理有助于完善充填体与围岩相互作用理论和优化充填体的配比和强度设计.开展不同灰砂比的围岩-充填体组合体单轴压缩试验和数值模拟,分析宏观下应力-应变曲线、力学参数及破坏模式,细观下裂纹扩展、能量变化及损伤演化规律.结果表明：灰砂比越高,组合体的峰值强度和弹性模量越大,峰值应变越小;组合体发生张拉剪切混合式破坏,低灰砂比时接触界面产生断裂破坏,高灰砂比时分层界面产生宏观裂隙;峰前阶段,接触界面和分层界面等薄弱部分先出现微裂纹,组合体以弹性应变能的转化为主,伴随小幅度能量损耗,损伤程度较低;峰后阶段,组合体耗散能急速增长并超过弹性应变能,内部损伤程度加速恶化.围岩内部裂纹数量大幅增加并迅速扩展贯通,率先出现宏观断裂面,充填体内部裂纹汇聚合并于分层界面,在高灰砂比时发挥良好的协同支护作用.     

胶结充填体力学特性的加载速率效应试验

为探究胶结充填体在不同加载速率状态下的力学参数变化规律及其破坏模式,采用数显式压力机分别对2.0、4.0、6.0、8.0 mm/min这4种加载速率下的胶结充填体开展单轴压缩试验.试验结果表明:在2.0~8.0 mm/min加载速率范围内,加载速率对于胶结充填体的抗压强度值和割线模量均具有明显的强化效应,且峰值抗压强度值和割线模量随加载速率增大而增大.峰值抗压强度与加载速率呈多项式函数规律,而割线模量与加载速率则呈指数函数分布规律.且随着加载速率增大,胶结充填体试件破坏形式表现为拉剪混合破坏向单一剪切破坏形式逐渐转化.研究结果揭示了胶结充填体的力学特性加载速率效应,为研究充填体破坏机制提供一定的参考依据.     

充填体包裹岩石组合强度与破坏机理研究

充填体与岩石的组合力学特性及破坏机理是深部充填法开采中的重要研究方向，对于保障地下采场安全、维护地下采场结构的永久稳固至关重要.文章针对充填体包裹岩石(BR)这一组合结构试件开展了单轴、三轴力学试验研究，分析了应力-应变曲线、峰值强度、破裂模式和等效力学特性，探索了体积分数及围压对组合结构承压特性及破坏机制的影响.结果表明：充填体能够抑制尺寸效应对岩石破裂模式产生的影响；BR试件的三轴全应力-应变曲线呈现出多峰值、阶梯式下降现象，兼具脆性和延性破坏特征；随着围压的增加，BR试件破裂模式以剪切破坏为主，趋于集中在上端部；结构面抑制了BR试件的侧向形变.基于试验结果和连续介质理论，从力学角度分析了BR组合结构的三向受力机理，构建了组合破坏强度模型.研究结论对于补充充填体与岩石相互作用理论研究和优化地下充填采场结构稳定性控制具有重要的科学意义.     

基于破坏类型的本溪灰岩本构关系研究

根据单轴和三轴条件下本溪灰岩的压缩试验和峰后循环加载试验,总结本溪灰岩的强度、变形随围压的变化规律,研究不同围压下本溪灰岩的破坏过程和重复加载过程,分析不同应力条件下本溪灰岩破坏的方式.结果表明:本溪灰岩在应力刚过峰值且未完全进入残余强度阶段,其弹性模量与峰前相同,此阶段进行循环加载时,新的峰值应力低于卸载点应力;在残余强度阶段,残余强度不再随重复加载发生明显变化;采用比较峰值时的环向弹性应变值与环向应变值的方法来判别本溪灰岩的破坏类型是可行的;不同围压下,本溪灰岩的破坏方式有张性破坏和剪切破坏2种类型,这2种破坏方式下本构模型的控制参数是不同的.分别选取了环向应变和剪切应变作为控制参数建立了本构模型,该模型很好地描述了本溪灰岩峰后阶段的应力脆性跌落现象及应力与应变的关系.     

三轴压缩条件下胶结充填体能量耗散特征分析

开展不同灰砂配比、质量分数的充填体三轴压缩试验,研究了不同围压加载阶段充填体的能量耗散与围压、应变以及应力的内在关系.结果表明,在低围压时,充填体的极限抗压强度低;随着围压的增加,充填体的峰值强度随之增大,峰前能耗占总能耗的比重越来越大,说明充填体屈服阶段吸收的能量占总能量的比重提高,围压的增大能够提高充填体的破坏能耗量;充填体的峰前能耗量、峰后能耗量、单位体积变形能以及总能耗与围压呈二次函数曲线关系.当围压一定时,充填体在弹性变形阶段的能量变化与轴向应力、偏应力均呈线性关系,与轴向应变呈指数函数曲线关系;随着轴向载荷增加,能量随轴向应力、偏应力变化的增长速率加大.     

水灰比对高水材料力学特性影响的试验研究

充填开采是实现矿山绿色开采的有效方式,研究量大适宜的充填材料成为充填开采技术应用的关键。高水材料是一种新型矿山充填材料,其受压后的物理力学性能直接影响采空区充填体的稳定性。固体颗粒和水作为高水材料主要的组成物质,其相对含量直接影响高水材料的物理力学特性。利用宏观与微观相结合的综合试验手段,对高水材料在不同水灰比条件下的基本物理性能和强度特性进行了系统研究,结果表明：高水材料结石体微观结构呈网状结构、且具有稀疏多孔等特点,使其可以吸附自身重量数倍的水。水灰比越大,网状结构中孔隙越稀疏,从而形成更大的孔隙结构。高水材料具有与岩石类似的应力应变曲线,但高水材料塑性极高,达到峰值强度后仍能保持较好的完整性。单轴压缩条件下,高水材料会出现明显的析水现象,水灰比越大,析水现象越严重。在单轴压缩条件下,高水材料有X型共轭剪切破坏、单斜剪切破坏和拉伸破坏等几种典型的破坏类型,水灰比较高时,高水材料常呈X型剪切破坏;水灰比较低时,常为劈裂破坏。高水材料单轴峰值强度和残余强度均随水灰比的增大而减小,水灰比越小其应力应变曲线峰值处越陡峻,峰后强度下降得越快,但其残余强度仍保持较高水平。该种材料塑性较好,残余强度较高,适合作为地下矿山采空区的永久充填材料。     

不同围压下灰岩力学特性及破坏力学模型研究

为了研究围压对灰岩力学特性及破坏力学模型的影响,采用MTS815对完整灰岩岩样进行三轴压缩试验。基于岩样宏观破坏形式,建立张拉剪切破坏模型,构建峰值强度与围压关系表达式;讨论张拉剪切模型与纯剪切模型对岩石剪切强度参数值（粘聚力与内摩擦角）的影响。研究结果表明：岩样弹性模量、抗压强度及残余强度均随围压升高而增大,且残余强度与围压呈非线性相关;当岩样最终破坏时,环向应变与轴向应变比值随围压升高呈负指数降低;一定围压范围内,岩石抗压强度受剪切强度参数和抗拉强度影响;张拉剪切模型确定岩石剪切强度参数值随破裂角增大而增大,与纯剪切模型相比,数值均较小。因此,低围压时,考虑岩石破坏模型具有一定的实际意义。     

含充填物的大理岩裂隙扩展过程及破坏特性

为了进一步了解非直裂隙的破坏机理,以天然粗粒大理岩及含不同充填物的大理岩为研究对象,采用全自动化雕刻设备进行裂隙试件制作,然后分别对"/"型裂隙试件和"S"型裂隙试件进行单轴压缩试验.试验结果表明:1)在压缩试验中,"/"型和"S"型裂隙试件均发生剪切破坏,其破坏迹线基本一致;2)在同样外荷载作用下,含充填岩体破坏损伤度明显小于无充填岩体,充填物不仅影响前期强度还影响峰后残余强度的提高,其充填试件峰后应变增幅达到18.75%;3)不同的充填物对岩体抵抗开裂的能力不同,水泥浆的黏结力和强度比石膏好,故水泥浆具有良好的加固效果.试验探讨了非直裂隙("S"型)及充填材料对裂隙岩体破坏的影响,总结了充填材料作用下裂隙的扩展模式,为实际工程裂隙化岩体提供实验依据和参考.     

纤维增强膏体充填材料的宏细观试验

为了提高膏体充填体的稳定性,在膏体充填材料中加入纤维以改善其脆性. 采用宏细观试验方法研究了聚丙烯纤维增强膏体充填材料的破坏行为. 从宏观上,通过一系列单轴压缩试验定量研究了纤维掺量对膏体充填材料力学性能影响. 采用X射线CT多层切片扫描技术分析了纤维对膏体充填体试件细观结构的影响. 研究结果表明:水泥掺量为10℅时,纤维使膏体充填材料的峰值强度略有增加,纤维可大幅度提高其韧度和峰值强度点的应变;纤维能阻止试件中裂缝的扩展和延伸,使裂缝细化、分散,进而使试件在破坏前可形成更大体积的裂缝,这些裂缝在形成过程中可吸收更多的能量,从而提高膏体充填材料的韧性.     

充填体失稳破坏前兆识别及破坏形式演化规律研究

为研究充填体失稳破坏过程中声发射信号时频特征及破坏形式,对不同灰砂比充填体试件开展单轴加载声发射试验。通过频谱分析技术,采用时频域结合对试验结果进行深入剖析。结果表明:不同灰砂比充填体失稳过程中低频带信号占比最大,高频带信号次之,中频带信号最少;峰值应力前,低频信号明显减少,中、高频信号明显增加这一特征可作为充填体失稳破坏的前兆信息;声发射参数RA和AF特征值在不同时刻的分布特征,揭示了破坏形式的演变过程,灰砂比1∶6时充填体在压密及弹性阶段以张拉破坏为主,塑性变形及峰后破坏阶段以剪切破坏为主,灰砂比1∶10时充填体破坏全过程以张拉破坏为主、剪切为辅,灰砂比1∶15时充填体破坏全过程以张拉破坏为主。试验结果对细观角度下研究充填体失稳破坏机制以及采场充填体失稳的预测具有重要意义。     

含预制椭圆形孔洞砂岩强度及破坏特征试验研究

通过对含预制椭圆形孔洞板状砂岩试样进行单轴压缩试验,研究了椭圆长轴与短轴之比k及石膏充填作用对岩样强度和破坏特征的影响规律.研究表明,含孔洞岩样的强度和变形参数相对于完整试样均有不同程度的降低,而石膏充填后试样的峰值强度和弹性模量均有所提高,但峰值应变无明显变化规律;无论充填与否,试样峰值强度均随着k值的增加均呈指数形式降低;充填作用对岩样宏观破坏模式无明显影响,岩样最终均以剪切破坏为主,主破裂面沿对角线分布;相对于无充填的岩样,石膏充填后的岩样破坏时宏观裂隙数目增多,破坏程度加剧.     

混凝土轴心局部承压变形的试验研究

本文基于各种不同形状垫板、不同面积比混凝土试件轴心局压下的N—⊿、N—⊿_h关系,以及试件表面应变场的测定,给出了各种面积比时楔形体及母楔体的N—⊿、N—⊿_h曲线及其在中小型面积比时的四个工作阶段;给出了混凝土试件轴心局压时楔形体与其周围混凝土变形关系;给出了侧表面纵、横向应变分布,峰值区的位置以及楔形体与应变峰值区的关系。为研究混凝土局部承压的工作基理、破坏机构和建立计算理论提供依据。     

中等应变速率对砂岩破坏形态和力学性质的影响

以砂岩为研究对象,根据砂岩的颗粒分析试验、抗压强度、抗拉强度和强度试验结果,在颗粒流程序下,通过fish语言编程,虚拟实现了砂岩数值试件和单轴压缩试验,设计10-3、5×10-3、10-2、2×10-2、5×10-2、10-1、2×10-1s-1这7个应变率下的单轴压缩试验.分析应变率对砂岩破裂形态、裂纹数量和扩展、应力-应变曲线和能量转换的影响.结果发现:应变率的增加破坏了优势剪切带的发展,使得剪切带等速发展,材料由剪切破坏向锥形破坏发展;材料的力学性能表现出极大的伪增强,应力-应变曲线上扬、斜率提高、峰值提高,峰后曲线震荡剧烈;裂缝数量增多,其中拉裂缝减少,剪切裂缝增多;边界输入能量增加,造成加载过程中材料的摩擦能、动能和应变能单调增大,摩擦能增大说明剪切裂缝增多,动能增大说明破坏剧烈,应变能增大说明更容易产生岩爆现象.     

灌浆节理压剪变形、强度特点及破坏机制试验

通过对人工劈裂的节理试件进行水泥灌浆加固处理,并进行一系列室内压剪试验,总结了灌浆节理面压剪全过程剪应力-剪切位移的典型曲线形式,分析了充填度和法向应力对灌浆节理的变形、强度特点的影响规律,总结了由充填度决定的灌浆节理两种压剪破坏形式,揭示了其破坏机制.研究结果表明,低法向应力下灌浆节理面表现出脆性破坏特点,峰值剪切强度大于无灌浆节理面的,而在高法向应力条件下,灌浆节理面有一定的延性,峰值剪切强度小于紧密闭合且吻合系数较高的无灌浆节理面的;当充填度大于1.0时,各个充填度的灌浆节理面剪切强度差异较小.研究成果加深了对灌浆节理压剪破坏特性的认识,并具有一定的工程指导意义.     

应变速率对注浆体力学特性影响规律

为研究微震荷载作用下注浆加固体力学特性,以裂隙倾角30°、宽度4 mm的红砂岩裂隙注浆体为研究对象,借助岩石三轴伺服压力机进行变应变速率(10^-5 ~5×10^-3 s^-1)单轴压缩试验;然后从能量耗散、裂纹扩展及破坏形态等3个方面,分析变应变速率对注浆体力学特性的影响规律及机理. 研究表明:随着应变速率的增加,注浆体的峰值强度、弹性模量均随之而增大;且峰值强度与应变速率呈指数函数关系变化;注浆体受应变速率影响的响应分为敏感应变速率阶段和滞缓应变速率阶段,主要差异在于峰值强度变化率和弹性模量变化率;随着应变速率的增大,注浆体的总能量在增大;压密阶段是影响不同应变速率下注浆体力学特性的主要阶段;敏感应变速率阶段和滞缓应变率阶段中的压密阶段主要区别在于积散比大小,积散比进一步决定产生裂纹的多少和分布区域与规律;耗散能密度对注浆体破坏脱落面积以及粒径分布影响较大,耗散能密度越大,碎块越以大块为主(粒径大的比率逐渐增加),滞缓应变率阶段耗散能密度较敏感应变率阶段大,其破碎块体较敏感应变率阶段大. 研究在裂隙注浆加固体的变应变速率影响下力学特性,从能理原理、分形理论角度得到了其影响机理.     

岩石材料局部化渐进剪切破坏特性及模型分析

为研究岩石材料局部化渐进剪切破坏过程和机制,利用RMT-150C岩石力学多功能试验机,对典型岩样进行三轴压缩试验,分析了岩石全应力应变过程,重点探讨应力软化、残余应力稳定2个峰后阶段,研究了岩石的破坏形式及机理.结果表明,应力在峰后阶段呈现渐进式跌落,并逐渐趋于稳定而达到残余强度.同时,基于局部化剪切带的形成过程,依据岩石应变软化机制,构建能模拟岩石渐进剪切破坏的力学模型.最后,对所建立的模型进行试验验证,模型计算与试验结果吻合较好,证明了该模型的合理性.     

低透气性原煤力学及渗透特性的试验研究

利用MTS815岩石力学试验系统和气体渗透试验系统,开展了原场应力状态下原煤煤样在不同瓦斯压力条件下的三轴压缩渗透试验,对比了不同瓦斯压力下煤样的变形、强度和渗流特征,分析了瓦斯对原煤煤样力学性质的影响,以及煤样变形破坏过程中其渗透特性的变化.结果表明:随瓦斯压力增加,弹性模量和峰值强度呈指数型衰减,泊松比、峰值轴向应变和峰值横向应变呈指数型增加,煤样变形能力增强,抵抗破坏的能力减弱.瓦斯渗透率随煤样加载变形破坏呈先减小后增大趋势.瓦斯渗透率变化与体积变形机制密切相关,在体积压缩阶段存在不可恢复性衰减,在峰后阶段随体积膨胀逐渐增加,残余阶段的渗透率一般远大于初始静水压力状态的渗透率.对低透气性煤层瓦斯抽采和煤炭安全开采具有现实指导意义.     

分层尾砂胶结充填体力学特性变化规律及破坏模式

为探究胶结充填体力学特性与填充次数之间的变化规律,以某金矿分级尾砂和胶固料为原料,设置灰砂质量分数为65%,70%,72%和75%,填充次数分别为1,2,3和4制作不同分层胶结充填体试件并进行单轴压缩试验.结果表明:充填体抗压强度与填充次数之间满足多项式函数关系.抗压强度随灰砂质量分数增大而增大,随填充次数的增多而减小;割线模量与填充次数呈幂函数分布并随填充次数增多而逐渐减小.而分层充填体的破坏模式则以共轭剪切破坏和贯穿分层面的张拉破坏为主.     

单轴压缩下充填正交裂隙花岗岩强度及裂纹扩展演化

为研究充填材料类型对裂隙岩石力学特性及裂纹扩展演化的影响特征,对含充填正交裂隙花岗岩板状试样进行单轴压缩试验.结果表明:与单裂隙试样相比,含充填正交裂隙试样峰值强度和弹性模量明显劣化,劣化幅度分别为17.45%~39.19%和9.64%~27.42%.随充填材料强度的增加,充填试样峰值强度和弹性模量均逐渐增大.充填类型对试样次生裂纹的起裂形式影响显著,充填材料强度较低时,试样首先在充填物与次裂隙的交界面发生"脱黏"现象,然后由次裂隙外侧尖端开始起裂,而充填材料强度较高时可抑制次裂隙尖端裂纹萌生,试样初始破坏表现为主裂隙尖端的拉裂纹扩展.充填材料强度越大,充填试样的起裂应力越接近峰值强度,起裂应力水平越高.获得了充填试样轴向应力-应变曲线与次生裂纹扩展的实时关系,表明每一次较大的应力跌落均对应一条次生裂纹的萌生和扩展.