岩石在不同应力幅值下受低频循环扰动的力学特性试验

设计3种不同类型的岩石在不同应力幅值下的循环扰动试验。试验结果表明:当扰动应力幅值较小时,岩石在循环加载下出现弹性模量强化效应,不同类型的岩石弹性模量强化程度不同;循环动力扰动加载试验存在应力上限门槛值,只有大于应力上限门槛值,试样才会发生破坏;扰动应力幅值对岩石的破坏影响显著,在高应力幅值下,循环次数迅速减少;在低应力幅值下,试件破坏形态为剪切破坏,在高应力幅值下,破坏形态复杂,出现板裂化破坏和碎块弹射。建立了循环扰动作用下的应变损伤模型,通过分析不同应力幅值下损伤变量的变化规律,得出如下结论:岩石损伤可划分为迅速增长阶段、平稳发展阶段、快速增大阶段,且随着扰动应力幅值的增加,平稳发展阶段的循环数显著减少;当应力幅值提高,损伤变量变化率显著提高,应变迅速增加,岩石破坏。     

不同倾角岩体结构面在循环动力扰动下的力学特性

为了研究大型硐室或边坡中不同倾角岩体结构面在动力扰动下的变形特征和破坏机理,采用微控电液伺服疲劳试验机对不同倾角结构面岩石进行不同振幅的周期性动力扰动力学试验,实验结果表明:动力扰动下结构面岩石试件发生破坏时产生大量的沿着轴向发展的竖向裂纹,随后结构面岩石试件碎裂成相对较薄的片状或条状碎屑,在宏观上表现出沿着结构面倾向膨胀;每次加、卸载的应力应变曲线都会形成一条封闭的滞后环曲线,且该曲线总体呈现出疏—密—疏3个阶段的特征;在结构面岩体倾角一定时,滞后环曲线的面积及岩体的变形模量随着扰动应力幅值的增大而增大,表明扰动振幅增加使得扰动岩石在每个循环周期中内部积聚更多可消耗的能量,用于矿物颗粒之间的黏滑消耗以及原有微裂纹的增生和新裂纹的产生,导致岩石达到破坏所需的累积不可逆变形总量会降低,劣化试件的抗载性能;当扰动应力幅值一定时,滞后环曲线的变化幅度随着结构面岩体倾角的逐渐增大而增大,岩体的变形模量随之减小,岩石的阻尼比呈现先减小,然后稳定,再增大的趋势,反映了岩石中裂隙从初始变形(空隙压密)到等速变形(微破裂稳定发展)到加速变形(裂隙贯通)后整体破坏的过程;结构面岩石试件发生破坏的扰动应力...     

动力扰动下不同硬度煤层巷道围岩响应特征研究

为了探讨动力扰动对不同硬度煤层巷道围岩稳定性的影响规律,对动力扰动下不同硬度煤层巷道围岩力学响应进行了数值分析。结果表明：动力扰动对软硬煤煤层巷道围岩稳定性显著影响时间为0.4 s;在巷道顶板水平应力波动幅值、顶板及帮部围岩变形程度方面,软煤大于硬煤,而在帮部垂直应力波动幅值、底板水平应力波动幅值、底板变形程度及帮部和底板的塑性区面积方面,硬煤大于软煤;软硬煤煤层巷道顶板变形程度均大于底板和帮部,软煤帮部变形程度明显大于底板;在巷道变形位移显著上升时间段内,软硬煤煤层巷道帮部和底板位移变化速率不一致,而顶板位移变化速率一致。     

大理岩单轴循环加卸载力学特性研究

以室内力学实验为基础,通过不同循环路径下单轴循环加卸载试验,对大理岩的力学特性、声发射特征及破坏模式进行对比研究。结果表明:大理岩在循环荷载作用下具有良好的变形记忆特性;弹性常数的计算结果表明,恒下限加卸载加载弹性模量整体变化呈现减小趋势,泊松比有一个先增大后减小的变化趋势,而恒差值加卸载加载弹性模量呈现波浪曲线,泊松比呈现不断增加趋势;通过声发射特征分析得出,恒差值循环加卸载过程中除了产生Kaiser效应还会有Felicity效应,两者都具有间隔突发和相对平静的现象。     

循环扰动荷载下花岗岩的力学性质与声发射特征参数研究

在工程实际中岩体常常受到循环荷载扰动作用,进而表现出与静态荷载作用下不同的力学性质和声发射现象。因此本文以花岗岩作为试验对象,研究了其在不同循环扰动次数下的力学特性和声发射特征参数,并结合RA、AF值进一步探讨了其在受压过程中裂纹的演化规律。试验表明:试件强度随着循环次数增加而提高,且当循环次数大于一定量时,强度增幅比例开始下降;试件经历的循环次数越多,其在塑性变形时表现出的声发射陡增现象越明显; RA、AF值进一步表明花岗岩在受力至破坏全过程中首先出现剪切破坏事件,在临近峰值强度时,开始出现张拉破坏事件,且主要集中在剪切带周围。     

不同应力路径下大理岩声发射特性试验研究

利用TAW-2000高温岩石三轴伺服试验机和德国VallenAMSY-6声发射信号采集系统,对大理岩在单轴压缩、等幅循环加卸载和分级循环加卸载条件下损伤破坏全过程的声发射特性进行研究,并用快速傅里叶转换(FFT)对单轴压缩试验全过程的声发射信号、循环加卸载过程中Kaiser点和Felicity点的声发射信号频谱特性进行了分析。试验结果表明:单轴压缩试验过程中,声发射主频带主要位于两个区域——低于200 kHz区间和300 kHz附近,并且随着加载应力的增加,主频由低频向高频转移,主频幅值总体呈下降趋势;提出一个新的反映声发射波形信息的指标——次主比α,并指出单轴压缩过程中次主比呈上升趋势。分级循环加卸载过程中Kaiser点和Felicity点的主频变化不明显,Felicity点的次主比总体大于Kaiser点;采用第2次循环中与首循环峰值应力等值应力点的AE数作为Kaiser效应中"明显增多"的尺度能够观察到明显的Felicity效应。     

近距离采空区下巷道循环掘进的应力扰动特征

为探究近距离采空区下的巷道在重复性开挖过程中对邻近顶板的扰动影响,基于葫芦素煤矿2-1煤开采后22103运输巷的采掘环境,模拟巷道多次开挖推进过程,得到了卸载扰动应力与邻近锚固区顶板之间的扰动关系。结果表明,邻近顶板受到循环开挖的扰动应力呈现波形递减趋势,由应力波传播特点将扰动区域分为近场扰动区、中场扰动区及远场扰动区。顶板所受的扰动应力与距离两者之间的联系可视为“指数函数”关系式。同一位置顶板所受到的当次开挖卸载的扰动应力比前一次开挖卸载的扰动应力小,且每次的应力变化量近乎相同。现场钻孔窥视效果表明,厚锚固圈层的建立可大大提高顶板岩层整体性。     

高温热循环作用下大理岩三轴压缩力学特性

深部资源开采中,温度对围岩力学特性具有显著影响,准确掌握岩石在不同热损伤作用下的强度与变形性质对于评价深部岩体工程稳定性具有重要意义。基于常规三轴压缩试验研究了不同高温热循环次数作用下的岩石强度与破坏特性。结果表明:1)岩石低围压下表现为脆性,随围压增高,岩石延性增强,而随热循环次数增大,岩石延性逐渐减弱;2)不同热循环次数作用下岩石强度演化可以用Mohr-Coulomb准则进行表征,摩擦力随热循环次数增大基本保持不变,而黏聚力则线性降低;3)岩石在低围压下表现为单剪破坏,在高围压下发生共轭剪切破坏,随热循环次数增大,岩石在低围压下表现为轴向劈裂破坏,在高围压下表现为单剪破坏,岩样破坏时的完整性随热循环次数增大而降低。     

循环冷加载条件下受载煤样结构损伤规律

煤体是具有孔隙、裂隙结构的固体介质,孔隙的贯通程度、裂隙的宽度是煤层渗透能力的重要指标,为了使煤体裂隙结构发生损伤而达到增透的目的,对三轴受载煤样进行注液氮冷加载实验,利用液氮注入钻孔煤实验装置系统对煤样施加4 MPa围压,分别进行多周期冷加载作用,通过高倍相机、金相显微镜、声波测速仪和CT成像系统观测煤样表面裂隙宽度、波速衰减率及内部结构损伤情况。根据单轴压缩实验的应力-应变曲线,分析煤样结构随冷加载周期的变化规律。结果表明:(1)煤样裂隙结构损伤程度随冷加载周期的增加而增大,损伤速率随注液氮周期的增加呈现先增加后降低的非线性变化规律;(2)煤样经6周期注液氮冷加载后表面发生颗粒脱落,经过7周期注液氮冷加载后发生宏观碎裂;(3)冷加载对煤样原生裂隙损伤效果显著,并沿着层理方向延伸。液氮冷加载能使煤体结构发生显著损伤,这为冲击地压灾害防治与瓦斯治理提供了新的方法。     

等幅循环加载与分级循环加载下砂岩声发射Felicity效应试验研究

利用MTS815材料试验机和12 CHs PCI-2声发射信号采集系统,对砂岩在等幅循环加载和分级循环加载条件下损伤破坏全过程的声发射规律进行了研究,探讨了Kaiser效应与Felicity效应,以及Felicity效应声发射中“明显增多”的尺度界定问题。试验结果显示：砂岩在试验中的Kaiser效应显著,但有一定的局限性;当加载达到或超过其峰值强度的70%后,砂岩应力记忆特性中Felicity效应表现显著,Felicity比的演化显示出3个阶段特征,且总体呈下降的趋势;只要声发射“明显增多”的尺度范围设定合理,则对Felicity比的演化趋势没有影响。     

循环加卸载下岩石变形破坏的损伤、能量分析

利用金川二矿区深部采集的含辉橄榄岩、花岗岩和混合岩进行了常规单轴压缩试验和循环加卸载试验,结果表明循环加卸载条件下的弹性模量值较常规单轴压缩试验小。运用损伤力学分析了循环加卸载条件下弹性模量降低的现象,结果表明应力—损伤呈线性关系,损伤—应变也呈线性变化,含辉橄榄岩的累积损伤最大,花岗岩次之,混合岩最小;基于损伤力学的"应变等效假说"算出了加卸载条件下弹性模量的理论值,与实测值比较发现偏差较大。对循环加卸载应力—应变曲线中的塑性滞环进行了能量分析,研究表明含辉橄榄岩的能量耗散值最大,花岗岩次之,混合岩能耗最小;能量耗散值与应力呈线性关系,后次循环加卸载所耗散的能量不等于前几次能耗值的累加,主要是由于岩石材料的缺陷和非线性的特征所致。     

考虑频率影响的盐岩变参数蠕变损伤模型

基于低频三轴循环加卸载试验得到盐岩轴向初始衰减和稳态蠕变变形规律,以及卸载模量随着循环周次的增加呈现负指数型弱化趋势。以弹性模量的折减表征循环荷载下盐岩损伤劣化,考虑损伤因子的频率和时间效应,得到统一损伤演化方程,建立考虑频率影响的变参数Burgers蠕变损伤模型。对比分析表明,该模型能够准确描述不同频率循环荷载作用下盐岩蠕变变形特征和损伤演化过程,为盐岩地下储气库注采运营稳定性分析提供更为合理的分析模型和力学参数。     

循环荷载作用下冻结灰砂岩强度特征与弹性模量演化规律

针对典型中生代富水弱胶结地层中的灰砂岩,利用TDW-200冻土三轴试验机对冻结饱水灰砂岩进行常规三轴压缩试验和循环加卸载试验,分析不同围压条件下的强度特征,重点研究了循环加卸载作用下冻结灰砂岩弹性模量的演化规律。试验结果表明:循环加卸载时,在低围压下峰值强度有所增加,而在高围压下峰值强度有"弱化"的现象;冻结灰砂岩试样加卸载全过程中弹性模量的变化规律与加卸载路径变化趋势具有一致性;单个滞回环内,切线弹性模量随着偏应力水平的增加呈现出先增加后减小的趋势,同一偏应力水平下,切线模量随循环次数的增加也表现为先增加后减小趋势。     

岩石单轴压缩试验中能量演化分析方法

为了探究岩石单轴压缩试验过程中的能量演化规律,利用RMT-150b岩石力学测试系统采用相同的加载速率对白砂岩分别进行了单轴压缩试验、单轴分级加卸载试验。基于裂纹产生及扩展模型研究,假设疲劳损伤和裂纹间的界面摩擦对弹性能无影响,则可以认为单轴压缩中与单轴分级加卸载各卸载点荷载相等处,弹性能均相等。基于上述假设对单轴压缩过程中弹性能、耗散能、弹性能占总能量比例、耗散能占总能量比例、弹性能与耗散能比值等进行分析。通过利用红砂岩单轴循环加卸载中弹性能的演化规律验证了这一假设的正确性。研究结果表明:① 通过对单轴压缩试验过程中能量演化规律分析发现塑性耗散能、弹性能、滞回效应耗散能存在于岩石单轴压缩的各个阶段。② 部分滞回效应能可以储存在岩石内部并且随着荷载增大呈线性增长。③弹性能与塑性能的增长速率都随着荷载增大而增大,通过对弹性能与耗散能比值分析,得出了不同荷载范围内岩石的弹性能与耗散能增长速率的比较,并且在岩石强度的80%左右处弹性能与耗散能比值达到最大,与弹性能量指数相等,说明该分析方法对岩石能量演化趋势的分析具有一定的合理性。④ 通过红砂岩单轴循环加卸载试验分析发现,疲劳损伤和裂纹间的界面摩擦会产生塑性变形导致岩石加卸载曲线逐渐右移,且对弹性能无影响。⑤根据单轴分级加卸载各卸载点弹性能分析单轴压缩试验过程中能量演化规律,并使用单轴循环加卸载试验的弹性能演化规律进行验证,说明了分析方法的正确性。     

分级循环加卸载作用下煤岩损伤本构模型研究

以煤岩为研究对象,通过分级循环加卸载试验研究煤岩损伤力学特性;应用Weibull统计分布函数,并引进损伤变量D,基于煤岩微元体强度符合Mises屈服准则,建立了适用于煤岩加卸载阶段的损伤本构模型;根据试验数据,采取非线性拟合的方法确定各循环等级的模型参数值,分析了模型参数的物理意义。研究结果表明:基于Mises屈服准则建立的损伤本构模型能够准确反映煤岩分级循环加卸载下的应力-应变关系;随着加卸载等级的提高,残余应变逐渐积累,弹性模量先增大后减小,滞回环形状表现为胖-瘦-胖的特点;本构模型参数具有明确的物理意义。     

双向加压下岩石能量规律的实验研究

在保持侧向压力基本稳定的条件下,对岩石试件进行了竖向反复加卸载直至破坏的双向压缩实验,得到了不同侧压及不同竖向压力下卸载的等效卸载弹性模量;对岩石试件还进行了双向同步加卸载直至破坏实验,得到了不同加载速度及不同双向压力下卸载的等效卸载弹性模量;两种实验都得到了破坏时的总吸收能、总耗散能和总可释放应变能。同时完成了方板中心圆孔岩石试件在不同加载速度下的双向压缩红外热成像实验。实验结果表明,加载速度越高,则试件表面平均温度越低;反之,亦然。     

地下水库人工坝体强度损伤演化特征试验研究

在我国西部生态脆弱矿区,地下水库储水技术已成为煤水资源共采技术的重要组成部分,其中人工坝体的稳定性是评价地下水库能否构建并长期安全使用的关键因素之一。为研究地下水库人工坝体在吸水-失水、采动及矿震等循环作用下强度变化规律,以大柳塔矿地下水库人工坝体所使用的C30混凝土试样为例,开展了超声-回弹综合测强、循环加载和单轴压缩声发射试验研究。研究结果表明:超声-回弹综合测强公式可以对水作用下混凝土试样强度进行预测;循环加载影响下试样强度最大下降比例约17%,而水作用下的循环加载试样强度最小下降比例达26%;并结合声发射振铃计数研究了混凝土试样受载下的损伤演化特征。由此可知,循环加载(采动及矿震)和水(吸水-失水)共同作用下,对地下水库人工坝体稳定性影响较大。     

不同加卸载方式下饱和岩石力学特征的试验研究

为研究不同加卸载方式下饱和岩石的力学演化特征,开展了等增幅加卸载、多重加卸载和微扰动加卸载3种不同方式的加卸载试验,分析了不同加卸载方式下的岩石力学特征。结果表明,3种加卸载方式下各循环曲线大体呈下凹型; 等增幅加卸载下塑性阶段的各循环曲线会在应力峰值前突变为上凸型,并在加载段后期发生振荡,且出现越来越早的下跌; 多重、微扰动加卸载下曲线连续性好,首循环应变远大于多重或微扰动循环; 多重加卸载下,随着循环次数增加,应力零点处的曲线斜率越来越大,多重循环较首循环的加载曲线斜率大; 微扰动加卸载下,塑性阶段的卸载曲线为近似垂直线,加载段曲线斜率呈现“增-减-增”三段式变化。各加卸载方式下软化阶段、峰值应变的关系均为: 多重加卸载>等增幅加卸载>微扰动加卸载; 塑性阶段的长短关系为: 等增幅加卸载>多重加卸载>微扰动加卸载,而依此顺序岩石也由剪切破坏向张拉破坏变化。     

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     

指数—抛物线模型拟合大理岩单轴损伤试验

在对一些经典的岩石损伤模型评述的基础上 ,指出它们存在着简化和近似的局限 ,并提出一种新的指数—抛物线损伤模型 ,它以临界损伤点为界 ,将损伤分成虚拟损伤和实际损伤两个过程 ,前者损伤变量服从指数型分布 ,后者服从抛物线型分布