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“记忆”行为随加载的进行逐渐加强,峰后微裂纹主要产生于宏观裂纹之间的相互摩擦。结合裂纹在试样内的破裂过程分析,表明剪切带的形成是造成弹性模量和塑性应变出现拐点的主要原因,对试样在循环荷载作用下的破裂过程有了一定的认识。     

高围压高水压条件下岩石非线性蠕变本构模型

基于高围压高水压条件下砂岩三轴压缩蠕变试验结果,分析岩石蠕变规律,选取Burgers模型对低应力水平下的蠕变特性进行描述,效果较为理想。当应力水平高于屈服应力时,岩石在经历一段时间后发生加速蠕变。采用幂函数、对数函数混合方程对加速蠕变段进行拟合,再通过类比的方法提出一个新的非线性黏性元件,并将其与塑性体并联,得到一个可以反映岩石加速蠕变特性的非线性黏塑性模型,将该模型与Burgers模型串联,构建一个新的六元件非线性黏弹塑性蠕变模型,并推导了该模型在常规三轴应力状态下的蠕变本构公式。结合试验结果,运用通用全局优化算法,对提出的非线性黏弹塑性蠕变模型参数进行了辨识,辨识结果验证了新构建模型的正确性与合理性。     

西部弱胶结砂岩循环载荷作用下塑性应变能变化规律

通过不同应力路径下的三轴循环加卸载实验,对中国西部矿区中不同粒径弱胶结砂岩的塑性应变能和塑性变形变化规律进行了研究。实验结果表明,加载路径对砂岩的塑性应变能及塑性变形特征有显著影响;在加载过程中,粗砂,中砂,细砂储存的塑性应变能以及累计速度依次递减,并且塑性应变能随应力增大按指数规律变化;各加卸载周期内储存的塑性应变能随加卸载次数及应力的增大呈“U”字形变化,即初始阶段由于孔隙裂隙压密,会储存较多塑性应变能;弹性阶段变形源于晶格弹性压缩,卸载时可以恢复,储存的塑性应变能较少;屈服阶段由于破裂面滑移也会储存较多塑性应变能;轴向和径向残余应变随应力增大呈指数形式增长,并且径向残余应变增长速度大于轴向;残余应变与塑性应变能变化规律不同,塑性应变能更能真实反映岩石在受载过程中的状态变化。     

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。     

分级加卸载条件下岩石的弹塑性流变特性

利用RMT-150C微机控制电液伺服岩石力学试验机测定了三岔河矿区顶板粉砂岩的各项物理力学指标;采用分级加卸载的方式在RYL-600岩石剪切流变试验仪上进行了一系列的岩石流变试验;分析试验数据,发现该区岩石具有弹性-粘性-粘弹性的流变特性,总结岩石流变特性,对其流变模型进行辨识,发现岩石的流变特性与伯格斯模型性质很相似;利用伯格斯模型对该区岩石的流变特性展开研究,求取了不同应力水平下伯格斯流变模型各项参数,利用伯格斯方程拟合得出岩石的流变理论曲线,理论曲线和实际试验数据吻合较好,说明伯格斯模型能较好地反映三岔河矿区顶板粉砂岩的流变特性.     

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。     

牛马司水井头矿粉砂岩分级加载条件下的流变特性

取牛马司水井头煤矿粉砂岩,用RMT-150C微机控制电液伺服岩石力学机测得了粉砂岩的相关力学参数;在RYL-600仪器岩石剪切流变试验仪上采用分级加载方式进行岩石流变试验,得到了位移-时间曲线;处理位移-时间曲线为应变-时间曲线,分析应变-时间曲线,发现该粉砂岩有弹性-粘性-粘弹性的流变特性,这与伯格斯模型性质相似;用MATLAB对试验数据进行伯格斯方程拟合,得出4个应力水平下粉砂岩的流变拟合曲线,发现拟合曲线能较好地反映实验数据,表明伯格斯模型能较好地反映粉砂岩的流变特性;并求出了不同应力水平下粉砂岩流变模型的各项参数.     

三轴压缩下巷道围岩蠕变参数分析及寿命预测研究

为了研究不同围压作用下巷道围岩的蠕变力学特性，采用RLJW-2000流变仪开展了砂岩单轴压缩蠕变和围压为2 MPa、4 MPa、6 MPa和8 MPa的三轴压缩蠕变试验，引入一个带有长期强度和时间阈值的黏塑性损伤元件，与Burgers模型串联构建三维蠕变模型，分析了不同围压下岩石的蠕变参数演化规律。结果表明：蠕变作用下砂岩长期强度约为峰值强度的72%;建立的三维蠕变模型可以精准地描述不同围压下砂岩三轴蠕变全过程。最后，根据进入加速蠕变的应变阈值和损伤变量演化特征提出了蠕变寿命预测方法，预测结果具有较高的准确度。     

循环加卸载下岩石浆体力学特性试验研究

为研究循环加卸载下岩石浆体力学特性,利用RMT-150B岩石力学试验机对岩石浆体进行恒定围压下的循环加卸载轴压的岩石力学试验,对岩石浆体的强度和变形特征进行了分析。结果表明:岩石浆体随着下一级加载轴压的提高,塑性滞回环面积增加;低应力状态下的循环会使岩石浆体更加致密,岩石浆体在加卸载下的强度高于常规三轴,超过临界强度时就会发生破坏,强度随岩石粒径增加而降低;在循环加卸载下,岩石浆体以剪切破坏为主,低围压和粗粒径更易形成明显的剪切带。基于研究成果,提出了增高锚杆预应力和增强注浆效果的软岩注浆加固关键技术。     

细砂岩阶段蠕应变特征与粘滞性试验研究

对细砂岩试样进行单轴短时加卸载蠕变试验,得到轴向和径向蠕变试验曲线。对轴向和径向蠕变第Ⅰ、Ⅱ阶段的试验曲线分别进行Kelvin-Voigt模型和Burgers模型拟合,得到粘滞系数。粘滞系数-加载应力关系普遍符合扩展的正弦衰减(阻尼)波形函数,表明岩石的粘滞系数是变量,岩石材料的蠕变过程本质为非定常蠕变。细砂岩发生的总蠕应变平均占瞬态应变值的比例较低,其总体蠕变特性不明显,但稳态阶段的径向蠕应变率平均值是轴向蠕应变率平均值的3.6倍。细砂岩初期蠕应变量及稳态阶段蠕应变量随加载应力水平提高而增加,证明其粘性流动度呈递增趋势。     

基于短时三轴蠕变试验的岩石非线性黏弹塑性蠕变模型研究

为了研究一种更适合岩石短时三轴蠕变特性的蠕变模型,在对蠕变试验曲线三元件广义Kelvin模型参数识别基础上,基于加速蠕变试验特性对黏塑性模型中的黏性元件进行了非线性改进,并将得到的非线性黏塑性模型与三元件广义Kelvin模型串联组成一个新的非线性黏弹塑性蠕变模型.结果表明,该模型可以同时表征岩石瞬时加载应变、衰减蠕变、稳态蠕变以及加速蠕变等蠕变特征.最后,基于BFGS非线性优化算法对该模型参数进行了识别,同时将模型拟合曲线与改进西原模型曲线进行了比较分析,验证了非线性黏弹塑性蠕变模型的正确性.     

盐岩蠕变特性及其非线性本构模型

为了研究盐岩的蠕变特性,利用RLW-2000岩石流变试验机对盐岩试件进行了三轴压缩分级加载蠕变试验。试验结果表明:在围压一定的情况下,随着轴向应力增大,盐岩瞬时应变、蠕变应变以及蠕变速率等均随之增大,同时进入稳态蠕变阶段所需要的时间逐渐延长;等时应力-应变曲线显示,盐岩蠕变具有非线性特征,且其非线性程度与蠕变时间和应力水平有关,蠕变时间越长、应力水平越高,非线性程度越高。基于非线性流变力学理论,提出了一种非线性黏滞体,其黏滞系数是所加应力水平和蠕变时间的函数,将非线性黏滞体替换常规Burgers模型中的线性黏滞体,建立了可描述盐岩非线性蠕变特性的MBurgers模型,并根据盐岩蠕变试验结果,采用曲线拟合法对MBurgers模型的参数进行了反演识别。拟合曲线和试验曲线对比显示,两者吻合良好,误差较小,说明该模型可以描述盐岩的蠕变特性。     

某矿区岩石蠕变力学特性研究

利用RYL-600微机控制岩石剪切流变仪对某矿区岩石进行了蠕变试验, 在对试验数据进行深入分析的基础上, 选用Burgers模型对试样的蠕变特性进行了描述。结果表明, 当应力水平处于稳定状态时, 试样轴向应变逐渐增大并最终趋于稳定, 且蠕变应变随应力水平增长而增大; 随应力水平提高, 试样瞬时弹性模量呈上升趋势; 试验得到的蠕变试验曲线与模型理论曲线基本吻合, Burgers模型能较好地描述该矿区岩石的蠕变特性。     

改进的岩石非线性黏弹塑性蠕变模型及其硬化黏滞系数的修正

基于蠕变过程中的硬化-损伤机制,在对江西东乡铜矿砂质页岩单轴循环加卸载蠕变试验数据分析过程中,提出硬化-损伤效应的时效机制,并基于此对高应力条件下衰减蠕变阶段的黏滞系数(硬化黏滞系数)进行修正;结合定常蠕变阶段的损伤蠕变机制,提出高应力条件下岩石损伤效应的累积-扩散机理,并据此引入以累积损伤蠕变量为判定准则的加速蠕变触发模型(非线性蠕变体)描述岩石的不稳定蠕变特征。在此基础上,引入瞬时塑性元件,与虎克体和黏弹塑性体串联,建立了一个能够完整描述岩石蠕变全过程的非线性黏弹塑性蠕变模型。试验曲线与模型曲线较吻合,说明对高应力下硬化黏滞系数修正的必要性,改进非线性蠕变体的正确性与合理性。     

分级加卸载下节理软岩流变试验及模型

采用分级增量循环加卸载方式,对金川有色金属公司 Ⅲ 矿区软弱节理矿岩进行蠕变试验,按瞬时弹性应变、滞后黏弹性应变、瞬时塑性应变与黏塑性应变对流变试验数据进行分析,探讨了软弱节理矿岩的黏弹塑性变形特性;引入2种非线性元件--裂隙闭合体和非线性牛顿体,并将它们和描述衰减蠕变特性的开尔文体及描述瞬弹性的虎克体相结合,得到了一种新的复合元件流变模型,以研究复杂条件下节理软岩的黏弹塑性变形特性.试验结果表明,复合元件流变力学模型能很好地描述节理软岩在不同应力水平下的蠕变特性,特别是裂隙闭合阶段和加速蠕变阶段的特性,金川Ⅲ 矿区矿岩蠕变试验曲线与理论曲线较为吻合.     

锦屏深部大理岩蠕变特性及分数阶蠕变模型

为保障锦屏地下实验室(CJPL)硐室群的长期稳定性,开展2 400 m深埋大理岩蠕变特性的研究,在常规三轴压缩试验的基础上进行分级加载蠕变试验,系统分析了大理岩蠕变过程中的轴向与环向变形规律及不同围压(5 MPa和64 MPa)下大理岩蠕变特征差异,采用等时应力-应变曲线法确定了大理岩的长期强度,并基于分数阶导数改进了大理岩蠕变模型。研究表明:13,27 MPa围压下,大理岩轴向应力应变曲线达到峰值应力后快速跌落,40,53,64 MPa围压下,峰值应力附近的应变曲线呈现明显的平台段,表明CJPL深部大理岩变形行为随着围压的增加具有由脆性向延性转化的趋势;无论是低围压还是高围压,相比于低应力水平,高应力水平下大理岩更容易发生蠕变变形且环向蠕变现象更加显著,蠕变过程中的扩容现象也更加明显,试样破坏时64 MPa围压条件下的体积蠕变变形为5 MPa围压下的16. 3倍;在蠕变加载过程中,大理岩变形模量均为先增加后减小。变形模量增加阶段,高围压下增加幅度较低围压小,64 MPa围压下试样变形模量增加的幅值为1. 8 GPa,小于5 MPa围压下的3. 6 GPa,表明试样受高围压作用已经部分压密。随着应力水平的增大,变形模量减小,高围压下减小幅度较低围压更大,围压64 MPa下试样变形模量减小幅值为9. 4 GPa,约为峰值变形模量的22%,围压5 MPa下试样减小幅值仅为1. 8 GPa,约为峰值变形模量的4%,表明高围压试样在破坏前裂纹的产生和扩展更为剧烈,岩石劣化程度更大;相同偏应力条件下,围压越大的试样蠕变速率越小,但破坏时变形更大且扩容现象显著,表明相同外荷载条件下,深部围岩赋存环境应力水平较高,变形难以收敛,易发生时效大变形破坏;围压为5,64 MPa时,采用等时应力-应变曲线法确定大理岩长期强度分别为170,290 MPa,为相应围压三轴压缩强度的82%,73%;基于分数阶导数,改进了大理岩黏弹塑性损伤蠕变模型,该模型具有形式简单同时能够很好的描述大理岩蠕变过程中的非线性加速特征的特点。     

温度-应力耦合作用下无烟煤的蠕变特性与本构关系研究

为了研究无烟煤在温度-应力耦合作用下的蠕变特性,采用自主研发的多功能三轴岩石力学试验机,通过理论分析与物理试验相结合的方法,进行了轴压20 MPa、围压4 MPa、不同温度(30、60、90℃)条件下的三轴蠕变试验。研究结果表明:瞬时应变随温度的升高而非线性增大,30℃、60℃、90℃条件下的瞬时应变分别为0.666%、0.908 4%、1.272 7%;温度的上升可以增加煤体减速蠕变和稳态蠕变的损伤过程,在72 h的蠕变过程中,30℃、60℃、90℃条件下的蠕变应变分别为0.503%、0.581 6%、0.686 3%。基于非线性流变力学理论,建立了1个非线性的黏弹塑性本构模型,根据蠕变试验结果,采用曲线拟合法对该模型进行拟合。结果发现吻合效果良好,说明该模型可以较好的描述无烟煤在温度-应力耦合作用下的蠕变过程。     

考虑湿度效应的膨胀岩流变模型

在西原体模型的基础上,综合考虑湿度因素对膨胀岩的影响,构造了含湿度因素的基本流变元件,将湿度效应引入到模型中,建立了膨胀岩应力和湿度耦合作用下黏弹塑性本构方程,得到了蠕变方程、卸载方程和松弛方程。研究结果表明：考虑湿度效应的西原体模型在应力小于屈服应力时,模型为稳定蠕变,其卸载曲线存在着瞬时弹性、弹性后效和由湿度效应引起的黏性流动;当应力大于屈服应力时,模型为不稳定的蠕变,其卸载曲线存在着瞬时弹性、弹性后效和由应力和湿度效应共同引起的黏性流动。根据等效应变和等效应力理论,推导了考虑湿度影响的多轴蠕变理论模型。模型较全面地反映了膨胀岩石在湿度作用下的流变特性,适用于湿度和应力共同作用下岩石的稳定性分析。     

深部煤体非线性蠕变本构模型及实验研究

深部煤体蠕变规律研究对控制巷道围岩变形,预防煤与瓦斯突出及改善瓦斯抽采效果具有重要意义。基于分数阶导数流变模型,推导出煤体三维应力条件下非线性蠕变本构方程。考虑深部煤体赋存的高应力环境及应力变化路径,进行了三向应力状态下轴压恒定、分级卸围压的煤体蠕变实验。实验结果表明:在三向高应力状态下,试件的轴向和环向应变表现为初始蠕变和稳态蠕变,最终出现加速蠕变阶段;在相同差应力条件下,煤体蠕变变形随围压增大而减小。利用煤体卸围压蠕变实验数据对文中蠕变本构方程的参数进行拟合,结果表明:该蠕变本构方程能很好地描述煤体蠕变三阶段,特别是加速阶段。在蠕变本构方程参数确定的前提下,分析了应力水平、分数阶导数阶数及黏性系数对煤体蠕变特性的影响规律。     

不同应力路径下脆性岩石的加卸载响应比研究

加卸载响应比（LURR）理论是研究非线性力学系统稳定性的一种代表性方法。通过3种应力路径研究了冬瓜山典型脆性岩石包括砂岩、大理岩和蛇纹岩的LURR特征。以轴向应力为系统输入参数,单轴压缩轴向加卸载条件下,随着荷载增加,轴向应变的LURR值开始保持稳定,接近峰值时出现突增-回落现象,环向应变的LURR值在荷载中期出现反常突增情况。三轴压缩条件下保持围压恒定,轴向加卸载的轴向应变和环向应变的LURR值存在与单轴压缩类似的特征。研究了轴压不变围压加卸载的简单加卸载定义,轴向应变和环向应变的LURR值在逐级加卸载围压过程中保持稳定,然后在接近破坏时呈现较大幅度的增长。最后分析了不同应力路径下岩石的破坏特征。