高温后砂岩真三轴加卸载力学特性演化规律

煤炭地下气化、地热能开采过程中的高温环境及应力场的变化对岩石的力学性质及强度特征均会产生影响,对高温处理后的岩石在不同三轴应力作用下的强度和力学性质变化的研究,在地下工程实际应用中有着非常重要的作用。基于真三轴应力下煤岩水力润湿范围动态监测试验系统,开展不同温度不同三轴应力条件下砂岩的加卸载试验,分析高温后砂岩的变形特征、强度特征及能量变化规律,研究温度及三轴应力对砂岩宏观强度的影响。结果表明：砂岩的破坏以脆性破坏为主,不同温度砂岩的破坏面均沿着垂直最小主应力的方向形成,破裂角随温度的升高而增大,且趋近于垂直;砂岩的承载能力随温度的升高呈现先增强后减弱的趋势,600℃时,承载能力达到最大,1 000℃时最小;温度对砂岩的弹性模量、变形模量等变形参数的影响较为明显,三轴应力对变形参数影响相对较小;砂岩变形参数与温度大致呈负相关趋势,砂岩变形参数与三轴应力大致呈正相关趋势;1 000℃时,砂岩的弹性模量、变形模量和峰值强度均最小,极限应变最大;砂岩加卸载过程中能量密度变化趋势与峰值强度大致相同,其中弹性能占输入能比例较高对砂岩破坏影响较大;结合砂岩的矿物成分、孔裂隙结构及孔隙率的变化情况,发现砂岩的宏观强度变化与微观的结构变化表现一致。     

砂岩真三轴循环加卸载的能量演化与损伤分析

为了探究不同速率对砂岩真三轴循环加卸载破坏过程中的能量和损伤演化的影响,利用自主研发的真三轴扰动卸荷岩石测试系统,借助立方体砂岩试件,分别进行了真三轴压缩试验、真三轴一次加卸载试验以及真三轴循环加卸载试验。结果表明：真三轴条件下砂岩的峰值强度随循环加卸载速率的增大而增大;σ₁方向弹性能密度演化基本不随循环加卸载速率的改变而不同,而耗散能密度随循环加卸载速率的增大而减小,2者都随循环数呈现非线性增长;随着循环加卸载速率的增大,σ₁方向上耗散能密度占总输入能密度比例减小,弹性能密度占总输入能密度比例增加;随着循环数的增加,σ₂、σ₃方向上弹性能密度的增长率逐渐增大,而耗散能密度增长率在前5次循环时变化较小,在循环末尾阶段大幅提升;随着循环加卸载速率的增大,σ₂、σ₃方向上弹性能密度也随之提高,耗散能密度则与之相反;σ₂方向上弹性能密度占输入能密度的比例随循环数递增,在第6次循环出现拐点,随后突降;σ₃方向上弹性能密度占输入能密度的比例随着循环数的增加先减小后增大,呈现“V”型变化趋势;研究发现,弹性能密度和耗散能密度均与输入能密度存在线性函数关系,并且弹性能密度−输入能密度和耗散能密度−输入能密度均存在线性函数关系。真三轴循环加卸载作用下砂岩损伤分为初始损伤、损伤缓慢发育、损伤快速发展阶段3个阶段,损伤变量随着循环数的增加呈现非线性增长。     

真三轴不同循环加卸载模式下砂岩的能量演化规律

为阐明不同循环加卸载模式对砂岩能量演化的影响,利用自主研发的TAWZ-5000/3000岩石真三轴试验系统开展不同路径下真三轴循环加卸载试验。通过应力-应变曲线分析砂岩力学特性,得到砂岩弹性能密度、耗散能密度与输入能密度之间的线性函数关系。结果表明：(1)不同循环加卸载模式下,滞回环随最大主应变的增加呈现不同的演化特征;相同模式下,增加循环次数不会改变滞回环的变化趋势。(2)不同路径下岩样的破坏强度和最大主应力峰谷值应变均表现出明显的路径依赖特性。等幅循环加卸载模式下岩石峰值强度最低,其次是分级循环加卸载模式,梯级循环加卸载模式的峰值强度最高。(3)等幅循环加卸载模式下岩样能量密度更大,最大主应力方向输入能密度和耗散能密度初期迅速下降后逐渐趋向平稳,而弹性能密度保持不变;另外2种模式下最大主应力方向输入能密度、弹性能密度和耗散能密度随循环次数的增加呈“正相关”增长趋势。中、小主应力方向的能量密度远小于最大主应力方向。     

基于单轴加卸载试验的千枚岩岩爆倾向性研究

为研究具有层理结构岩石的岩爆倾向性,以西鞍山铁矿地区的层理千枚岩为研究对象,现场取样并加工为标准试样,使用刚性压力机进行单轴加卸载压缩试验。对试验结果进行分析,揭示了西鞍山铁矿地区千枚岩的破坏特征,在室内岩石力学试验的基础上,结合线弹性能判据(PES)及弹性能量指数(WET)对不同层理角度下的岩石岩爆倾向性定量分析。结果表明:千枚岩强度在加载方向与层理夹角为0°、90°时最高,30°、45°时较低,60°最低,总体呈现出U型变化规律;千枚岩的弹性模量随夹角的增大逐渐增大:PES、WET指标均显示,千枚岩的岩爆倾向性呈0°最大,90°次之,60°最小的类U型变化趋势。研究结果为在层理岩石内开拓巷道、确定巷道走向及进行巷道支护等方面提供了有益参考。     

砂岩真三轴加卸载能量特征的速率效应

基于不同加卸载速率真三轴试验,研究砂岩加卸载能量特性的速率效应。结果表明:不同加卸载速率下的能量-应变曲线总体趋势基本相同,即输入的总能前期主要储存岩石弹性能,后期主要转化为用于岩石变形破坏的耗散能;加卸载速率对能量特性存在显著影响,高加载速率或低卸载速率下,岩石破坏时的总能、弹性能、耗散能增大;加载速率越大或卸载速率越小,破坏时的应力越大,卸荷比越小,变形破坏越剧烈,当卸荷比接近最终临界值时,总能与耗散能急剧增大,此时继续少量卸载σ_3就会引起岩石剧烈变形至破坏;加卸载速率改变了岩石的能量分配。     

真三轴加卸载下砂岩力学特性的速率效应

为研究砂岩力学特性的速率效应,开展砂岩真三轴加卸载试验.试验结果表明:加、卸载速率对砂岩力学特性有明显影响,随着加载速率的增大,岩石弹性增强,三轴抗压强度增大,变形发育更充分,岩石破坏时围压水平提高,破坏更加迅速,所需时间减少,破坏时应变增大;而随着卸荷速率的增大,岩石的弹性承载能力减弱,强度降低,破坏时卸载方向变形增大,岩石破坏时围压水平降低,但卸载速率越小,岩石最终破坏时裂纹发育越充分;加卸载过程中,岩石变形模量逐渐劣化损伤,加载速率越大,卸荷速率越小,变形模量的劣化损伤变慢.     

真三轴加卸载条件下巷道周边裂隙岩体变形破坏试验研究

岩体内含有大量的节理裂隙,在巷道开挖卸荷施工过程中,裂隙会暴露出来,并影响岩体工程结构的整体稳定性。为了更清晰地表现裂隙岩体的变形破坏特征,进行了真三轴卸载试验,采用依托于“微机控制电液伺服压力试验机”改进的真三轴试验机,以地下深埋巷道为原型,对含有不同倾角裂隙的混凝土试样进行加卸载试验,并使用有限元理论对单轴压缩试验进行模拟,研究了卸荷条件下试样的变形破坏特征及应力脆性跌落系数规律。结果表明：① 试验加载初期试件呈现出明显的压密现象,且试件裂隙倾角越大,压密现象越明显;② 随试件裂隙倾角增大,卸荷变形呈上升趋势,即扩容现象呈上升趋势;③ 裂隙倾角越小,越容易形成脱落性破坏;随裂隙倾角变大,破坏向远离卸荷面方向转移;并且,主要破坏形式为拉伸破坏,相对于单轴压缩试验,扩容造成的破坏特征更加明显;④ 随裂隙倾角增大,试件应力脆性跌落系数增大,间接显示出试件由脆性向延性转化的倾向,试件脆性破坏特征削弱。     

真三轴应力路径下花岗岩岩爆特征试验研究

为分析高应力条件下开挖卸荷对巷道围岩破坏特征的影响,利用真三轴岩爆试验系统,通过三向六面加载、单面快速卸荷的方法对花岗岩的破坏形态、能量演化特征和声发射基本特征参数进行研究.试验结果表明:岩石破坏过程分为小颗粒弹射、岩板劈裂、板折剥落、块状弹射４个阶段.试样在卸荷面形成“V 形”岩爆坑,内侧出现剪切裂纹,其整体破坏形态在空间分布上呈二元分布;通过对岩爆能量的研究发现,卸荷过程前岩石所吸收的能量主要以可释放的弹性应变储蓄在岩石自身,在卸荷过程后所累积的弹性应变能释放,促进岩石的破碎;声发射 AF 和RA 特征值的变化规律表明,试验过程中岩石试样产生张拉裂纹和剪切裂纹,且以剪切破坏为主.岩石的损伤变量曲线与应力曲线有较好的对应关系,可以反映岩石内部结构的破坏程度,为深部工程灾害监测提供一定的理论依据.     

基于真三轴卸载试验不同倾角组合煤岩力学特性研究

为深入研究煤炭开采过程中顶板结构面倾角对煤岩力学特性的影响,通过自主研发的地声过程模拟试验系统,开展不同结构面倾角条件下组合煤岩真三轴加卸载试验,并利用声发射探测系统进行监测。研究结果表明:随着结构面倾角的增大,试样的破坏强度逐步下降,裂隙发展也逐渐减弱,其破坏形态从张拉剪切破坏逐渐向剪切破坏转变,直至倾角达到40°时,试样整体发生滑移破坏;在卸载破坏前,倾角<30°的试样发生充分的塑性变形,其承载力得到充分发挥,而倾角≥30°的试样达到临界破坏极限时迅速破坏,出现部分或完全滑移破坏;声发射信号集中于卸载破坏阶段,试样的结构面倾角越大,声发射累计计数越少,当倾角达到40°时发生滑移破坏,最大振铃计数大幅下降,对其累计计数略有影响。研究成果可为深入认识顶板结构面倾角引起的卸载破坏机制及矿山安全开采提供参考。     

加卸载花岗岩强度与岩爆倾向性试验研究

为了进一步提高硬性花岗岩岩爆倾向性预测水平,系统开展了花岗岩巴西劈裂、单/三轴和不同卸围压速率应力路径下的岩石力学试验,详细分析了花岗岩强度和岩爆倾向性特征.研究结果表明:花岗岩在主应力σ3-σ1平面内,不同应力路径下的强度受围压和卸围压速率影响显著,呈带状分布;在τoct-(σ1+σ3)/2平面内,不同加卸载应力路径下的强度都呈良好的线性特征.据此建立了花岗岩八面体强度计算通式,可统一表达不同加卸载应力路径;针对花岗岩硬岩的压密和屈服特性不明显,弹性特性显著的特征,提出了简化剩余弹性能指数岩爆分级法;并依据花岗岩试验岩样破坏形态和破坏声学特征,对已有花岗岩岩爆等级进行了细分.揭示了在相同初始围压下,卸围压速率越大,简化剩余弹性能指数越大,岩爆倾向性越强;相同卸围压速率下,初始围压越大,简化剩余弹性能指数也越大,岩爆倾向性也越强.研究成果可为更科学合理的评估花岗岩岩爆倾向性提供理论参考.     

煤样三轴循环加卸载力学特征颗粒流模拟

基于煤样常规三轴试验,使用颗粒流程序PFC得到了一组能够较真实反映煤样宏观力学行为的细观参数。在此基础上,对煤样进行不同围压下循环加卸载颗粒流模拟试验,分析了不同围压下煤样的宏观参数、裂纹扩展过程及其之间的关系。通过分析弹性模量和塑性应变随加载轴向应变的变化规律,表明弹性模量随加载轴向应变先增大后减小、塑性应变随加载轴向应变先稳定增加后快速变化,证明了使用颗粒流程序模拟循环加卸载是可行的。其后对循环加卸载过程进行分析,结果表明裂纹数目的非     

基于岩石真三轴应力状态下的数值模拟研究

研究真三轴应力状态下岩石的变形破坏过程对于揭示地下工程岩体灾变机理具有十分重要的理论意义和指导价值。基于岩石真三轴应力状态下的实验结果,运用颗粒流离散元程序PFC~(3D)建立了岩石真三轴数值计算模型,模拟真三轴加载过程中岩石的损伤与破裂演化过程,分析了真三轴状态下岩石的损伤、破坏特征。     

不同扰动条件下深部岩石真三轴岩爆试验研究

为了研究深部工程受不同扰动的变形破坏特性,以某深部铁矿花岗岩为研究对象,采用QKX-YB200伺服真三轴岩爆试验仪,对试样施加2种不同动力扰动,进行\"预静载+动力扰动\"下围岩破坏试验.研究结果表明:试样在动力扰动作用下,存在发生岩爆的阈值(轴向静应力比为90％),当轴向应力超过该阈值时,岩爆很快发生,且随着轴压持续增大...     

真三轴加卸载应力路径对原煤力学特性及渗透率影响

深部煤炭资源开采过程中,由于地应力和工程扰动的影响,煤岩体常处于三向不等压的真三轴应力状态(σ1>σ2>σ3),而采用常规三轴(σ1>σ2=σ3)的加载应力路径难以反映煤岩体的实际受力状态。为此,利用自行研制的“多功能真三轴流固耦合试验系统”,研究了真三轴加卸载应力路径下原煤力学特性及渗透率演化规律。结果表明:真三轴加卸载应力路径对原煤的变形、强度特性及渗透率演化规律有重要影响。与CCT加载应力路径相比,LUT,LUUT应力路径下原煤峰值强度降低;真三轴加卸载应力路径下原煤八面体剪应力与有效平均正应力之间存在线性关系。真三轴加卸载应力路径下的原煤破坏方式均为拉-剪复合破坏。此外,真三轴加卸载应力路径对原煤渗透率演化规律有显著影响。     

三轴压缩岩石应变软化及渗透率演化的试验和数值模拟

三轴压缩下岩石峰后应变软化行为及渗透率演化规律是岩石工程稳定性分析的基础。取新疆巴里坤砂岩样在室内开展了三轴压缩试验和三轴渗流试验,获得了不同围压下巴里坤砂岩的全程应力应变曲线、体积应变与渗透率关系曲线。试验结果表明：随着围压增加,岩石峰后残余强度增加,体积扩容和脆性减弱;随着轴向应变增加,岩石先发生弹性压缩,空隙空间减小,渗透率降低;当应力达到屈服强度,岩石内裂隙开始扩展,渗透率降低速率趋缓;在峰值应力后,岩样破坏,裂隙扩展加速,并伴有新裂隙的萌生,岩样渗透率开始快速增长,岩样的渗透率呈“V”型变化。提出了描述围压对岩石峰后脆性影响的新参数,即脆性模量系数,围压与脆性模量系数之间服从负指数关系。基于脆性模量系数、强度退化指数和扩容指数,建立了考虑围压影响的岩石应变软化模型。在分析体积应变与岩石渗透率之间关系基础上,建立了基于体积应变增透率的岩石渗透率演化模型。在FLAC下模拟了巴里坤砂岩不同围压下的应变软化行为和渗透率演化过程,结果表明：岩石应变软化模型能很好地模拟围压对岩石残余强度、体积扩容和峰后脆性的影响;所示模型能较好地模拟围压和剪胀对岩石渗透率的影响;岩样峰后内部出现了明显的剪切破坏带,剪切破坏带与大主应力的夹角随着围压的增加而增大。在剪切破坏带内单元的渗透率显著增长,最后形成了一个流动通道。     

隧洞岩爆孕育演化的细观力学机制

根据微损伤不可逆演化原理, 利用有限元模型, 模拟隧道断面在自适应位移加载条件下, 从点状微损伤斑图到宏观贯通断裂的不可逆的跨尺度生长过程。模拟显示的破坏区与现场观察非常一致。岩爆的孕育演化是大大小小的“V”形裂隙带将岩爆体从完整母岩中分划出来的过程。岩爆演化的细观力学机制研究表明, 裂隙带扩展受滑移驱动作用控制, 其扩展方向与最大剪切滑移方向一致, 裂隙带的宏观表现是滑移带, 内部具有张拉破裂的细观机制。随着滑移带扩展, 最后可形成两个驱动核组成的驱动团, 它们从相对方向将裂隙带贯通。裂隙带贯通前, 驱动团上的承载力明显增大。岩爆孕育过程的声发射、微震或电磁、热效应监测对于岩石类动力灾害的临兆预测具有重要意义。     

三轴循环加卸载条件下热损伤石灰岩力学特性演化规律

为了研究循环加卸载条件下岩石力学特性的温度-围压效应,设计了5个温度梯度石灰岩三轴循环加卸载试验,分析了循环加卸载条件下,不同温度、围压对岩石特征力学参数的影响,建立了岩石破坏形式和损伤的评价指标。结果表明：(1)岩石力学特性表现为围压强化和温度恶化效应,温度和围压越大,岩石峰后应力衰减越迟缓,其所能承受的循环加卸载次数越多,同时塑性变形量越大;(2)脆度系数越小,岩石延性越强,反之脆性越强,当围压和温度都增加时,岩石破坏形式由脆性破坏向延性破坏转化;(3)随着循环加卸载次数的增加,岩石损伤变量呈非线性增加,且峰后阶段增加迅速。研究成果可为分析高温条件下岩石稳定性提供参考。