煤层顶板破碎岩石压实特征的试验研究

 为研究煤层顶板破碎岩石压实特征,对义马新安煤层顶板砂岩、砂质泥岩和泥岩,利用自制装置在RMT–150B电液伺服岩石力学试验系统上进行压实试验,得到3种碎石压实试验的应力–应变关系,分析岩石强度、块径、压实应力对碎石压实特性的影响。结果表明：碎石压实变形过程可分为快速压实、缓慢压实和稳定压固3个阶段;碎胀系数随块径增大而增加,可以采用对数关系描述;碎石经历压实后残余碎胀系数与岩石强度、块径的关系不大,差异性有所减小,碎胀系数减幅与块径相关,块径越大减幅越大;压实度为压实应力的函数,块径越大压实度变化越明显;压实能耗随岩石强度增高而増大,砂岩、砂质泥岩与泥岩平均能耗比约为3.5∶2.2∶1.0,同种岩石块径大于5 mm后压实能耗与块径关系不大。     

饱水砂岩动态强度的SHPB试验研究

采用改进的φ75mm杆径SHPB试验装置,对长径比为0.5的开阳磷矿砂岩进行自然风干和饱水状态下的冲击压缩试验,对比INSTRON材料试验机的静载试验结果表明:冲击载荷作用下饱水砂岩的应力–应变关系不同于其静态应力–应变关系,中应变率加载条件下饱水砂岩动态强度与风干砂岩的动态强度相近,这与静载条件下饱水砂岩强度降低的结果相反;风干砂岩动态屈服应力与其静态相近,饱水砂岩动态屈服应力比其静态下的结果提高近2倍,表现出比自然风干砂岩更强的应变率敏感性;水对砂岩动态破坏效果有影响,自然风干砂岩比饱水砂岩受冲击破坏更为严重;冲击载荷作用下,饱水砂岩动态强度应考虑其自由水黏度及Stefan效应的影响。     

饱水对煤系地层岩石力学性质影响的试验研究

 为研究饱水对煤系地层岩石力学性质的影响,在自然和饱水状态下,利用RMT–150B岩石力学系统对砂岩、砂质泥岩和泥岩进行巴西劈裂、单轴压缩和常规三轴压缩试验。试验结果表明：3种岩石的平均吸水率为0.241%～0.482%,吸水率与时间的关系可以用对数函数进行拟合;饱水后对3种岩石的强度和变形特征均有不同程度的影响,泥岩表现最为明显,其次是砂质泥岩和砂岩,抗拉强度的软化系数为0.40～0.92;单轴抗压强度的软化系数为0.58～0.94,弹性模量的降低系数为0.58～0.95,变形模量的降低系数为0.68～0.94,泊松比的降低系数为1.08～1.11;三轴压缩峰值强度的软化系数K与围压?3大致成正相关,表明饱水状态下试样峰值强度对围压的敏感度大于自然状态下试样峰值强度对围压的敏感度;饱水对3种岩石试样的黏聚力均有不同程度降低,降低幅度为20.6%～67.0%,而摩擦因数大致保持不变,表明黏聚力是一个结构参数,摩擦因数是一个材料参数。     

三轴应力作用下水对岩石应力松弛特性影响作用试验研究

 采用RLJW–2000岩石三轴流变伺服仪,在相同试验条件下分别对干燥与饱水状态下的粉砂质泥岩进行室内三轴压缩应力松弛试验。依据试验结果,分析了松弛稳定后水对岩石总应力松弛量、总应力松弛度、松弛稳定时间、平均应力松弛速率的影响作用,并且分析了松弛过程中随时间的增加水对岩石应力松弛量、应力松弛度、应力松弛速率影响作用的变化趋势。考虑粉砂质泥岩流变参数的损伤劣化效应,以Hooke-Kelvin模型为基础,引入损伤变量对模型进行改进,建立了岩石的非线性应力松弛损伤模型。应用Levenberg-Marquardt算法,辨识得出干燥与饱水岩石的应力松弛损伤模型参数。基于辨识结果,研究了水对岩石非线性应力松弛损伤模型参数的影响作用。研究结果表明：(1) 由于水的影响作用,松弛稳定后粉砂质泥岩的总应力松弛量减少、总应力松弛度增大、松弛达到稳定的时间增长;松弛过程中,随时间的增加,水对粉砂质泥岩应力松弛量与应力松弛度的影响作用减弱。(2) 由于水的影响作用,粉砂质泥岩的平均应力松弛速率减小,各时刻岩石的应力松弛速率降低;松弛过程中,随时间的增加,水对粉砂质泥岩应力松弛速率衰减的影响作用增强。(3) 粉砂质泥岩应力松弛过程中,水对岩石的黏性力学特性影响作用较大,而对岩石的瞬时弹性和黏弹性力学特性影响作用相对较小。(4) 粉砂质泥岩的应力松弛损伤受应变水平、时间以及水3种因素的共同影响,而非线性应力松弛损伤模型可以有效地反映3种因素对岩石应力松弛参数的综合损伤弱化作用。(5) 水对粉砂质泥岩应力松弛特性的影响作用是极其显著的,水极大地增强了岩石的时效特征,改变了粉砂质泥岩的应力松弛特性。因此,在重大工程设计和施工中,不能忽视水对岩石应力松弛特性的影响作用。     

基于饱水岩石静动力学试验的水防治屈曲型岩爆分析

岩爆发生涉及岩石动力学与岩石静力学两方面的范畴,水防治岩爆动力学机制研究极少。在对开阳磷矿饱水砂岩静力学与动力学试验的基础上,基于饱水岩石的静态和动态破坏特征,从围岩结构效应、应力波边界效应和能量原理等角度,探讨了水防治层裂屈曲型岩爆的静力学与动力学机制。饱水砂岩的静态破坏表现为张拉与张剪等综合破坏形式,在一定程度上能抑制岩体劈裂成板的形成,从而破坏层裂屈曲型岩爆孕育的过程。水影响下的砂岩动态力学性能显著提高,遇水软化巷道的应力波边界效应影响围岩非主要承载结构,遇水围岩仍具有相当的承载能力,从而抑制层裂屈曲型岩爆的发生。饱水砂岩动态破坏块度要明显大于自然风干的岩样,同时饱水岩体积聚弹性能的能力下降,故能抑制洞室层裂屈曲岩爆的岩块弹射。     

煤巷层状顶板岩石钻进动态响应特性数值试验

层位组合和物理力学性质是锚杆支护煤巷顶板稳定性的重要影响因素,顶板锚固孔钻进装置对于不同岩石类型具有不同的动力响应,可间接反应岩层的厚度与强度。因此,为克服煤巷顶板岩层状况的隐蔽性问题,合理设计锚杆支护参数,防止出现冒顶问题,对较易发生冒顶事故的煤巷顶板岩石类型进行钻进特性数值试验,研究结果表明:煤巷顶板岩石钻进过程是不连续的,锚固孔的形成是"跳跃式"的;在岩石为均质条件下,钻进速度关系为:砂质泥岩粉砂岩泥岩砂岩,钻头所受阻力关系为:粉砂岩砂岩泥岩砂质泥岩。以上指标在钻进锚固孔过程中利用相关仪器进行监测,对于判别煤巷顶板锚固孔范围内岩石类型及厚度具有重要意义。     

四川盆地红层水岩作用岩石弱化时效性研究

 通过对四川地区16个水库采样点现场调查及所采集的岩石样品进行室内微观分析及软化系数测定,红层岩石具有经历长时间浸泡后软化系数随年代逐渐变小的规律,这种强度的降低是水库库水变幅带的“化学风化作用”及“浸泡软化作用”共同叠加的结果。试验结果表明,红层经过30～50 a水库浸泡后,泥岩的软化系数较目前设计部门给出的降低10%～20%,粉砂质泥岩浸泡后软化系数降低15%左右,低于泥岩降低幅度。     

动静组合荷载下自然和饱水砂岩抗拉特性研究

为研究水对岩石在动静组合荷载下拉伸强度和变形性质的影响,利用霍普金森压杆(SHPB)试验系统对自然和饱水状态砂岩开展了一系列动静组合加载平台巴西圆盘劈裂试验,同时采用数字图像相关技术(DIC)对试样的变形破坏进行监测。试验结果表明:饱水处理会降低岩石的静态拉伸强度及动静组合加载下的拉伸强度;动静组合加载下,自然和饱水岩石的拉伸强度均呈现出率效应,其率敏感性与岩石含水状态有关,饱水岩石的率敏感性显著高于自然状态岩石;随着加载率的增大,饱水岩石中的Stefan效应逐渐增强,孔隙水产生的抗力阻碍了裂纹的发育扩展,饱和岩石从而表现出动态弹性模量增强的力学行为。     

砂岩弹塑性力学特性的水物理化学作用效应—— 试验研究与本构模型

 针对干燥、饱水、蒸馏水以及不同离子浓度和pH值水溶液循环流动作用至水–岩反应平衡后的砂岩试件,开展一系列单轴压缩试验和CT损伤测试,获得这些不同状态及水溶液作用后砂岩试件的应力–应变关系全过程曲线和CT扫描结果;分别研究砂岩弹塑性力学特性包括应力–应变关系、弹性模量、峰值强度及残余强度的水物理作用和水化学作用效应与机制;基于CT检测结果开展相应的水物理化学损伤分析;在此基础上,通过分析水物理化学作用对砂岩应力–应变关系的影响特征与规律,探讨并采用改进的Duncan模型来描述存在水物理化学作用效应的砂岩非线性弹性变形行为。研究结果对于水–岩相互作用及相关领域的理论与应用研究,具有良好的促进与借鉴作用。     

三维动静组合加载含水煤样强度特征试验研究

为探讨含水煤样动静组合加载下的力学特征,利用改进split Hopkinson pressure bar(SHPB)和RMT–150试验系统对自然和饱水7 d煤样进行了三维动静组合加载、三维静载对比试验。结果表明:三维静载试验中,自然煤样峰值强度变化幅度为10.49%,饱水7 d煤样峰值强度变化幅度为59.98%,饱水强度软化系数为0.81;三维动静组合加载试验中,轴压强度低于单轴静载煤样强度的55%时,饱水7 d煤样的动态强度高于自然煤样动态强度,饱水7 d煤样比自然煤样动态强度分别提高了7.85%~18.44%(围压4 MPa)和8.71%~19.84%(围压8 MPa);不同围压相同轴压试验中,自然和饱水7 d煤样的动态强度随着围压增大均呈增大趋势,饱水7 d煤样动态强度增加幅度比自然煤样动态强度增加幅度大,表明饱水煤样对围压变化的响应较强。揭示饱水对煤样的强度影响较显著,但应变率起到控制作用,中或高应变率条件下裂隙水与裂隙耦合形成较大刚度,三维动静组合加载饱水煤样动态强度呈增高特征。     

高宽比及应力波扰动对砂岩块体超低摩擦影响试验研究

为揭示层状岩体在应力波扰动作用下岩块尺寸对超低摩擦型冲击地压影响机制,以沈阳红阳三矿顶板砂岩块体为研究对象,将5个块体上下依次叠放置于自主研制块系岩体超低摩擦试验装置加载腔内,始终以中间块体为工作块体,用不同工作块体的高宽比H_s/H_w(0.8～2.0)模拟不同构造层次或同一构造层次不同破碎程度的岩体,通过对块系模型系统施加应力波扰动P_v(频率0～10 Hz、振幅0～1 MPa)模拟爆破、顶板断裂、集中开采等扰动作用,施加轴压F_v和水平冲击F_h分别模拟岩体上覆岩层压力和顶板断裂冲击作用,开展应力波扰动作用下高宽比不同的砂岩块体超低摩擦试验。以高宽比作为反映岩块尺寸的表征指标,以应力波扰动频率和振幅作为反映扰动作用的表征指标,以工作块体水平位移作为超低摩擦效应强度的表征指标,分析得到轴压、应力波扰动及水平冲击组合作用下高宽比及应力波扰动对砂岩工作块体的超低摩擦效应强度影响规律与能量演化特征。研究结果表明：应力波扰动、轴压及水平冲击作用一定时,工作块体水平位移随其高宽比增大而呈递减趋...     

三轴压缩下水影响绿泥石片岩力学性质试验研究

为了解西安黑河水利工程坝肩绿泥石片岩的力学特性,利用RMT-150C岩石力学多功能试验机,分别对干燥和饱水状态的绿泥石片岩进行三轴压缩试验.基于试验结果,比较试样在不同围压作用下的力学性质,详细讨论水对试样强度和变形特性的影响规律,重点研究峰值强度、残余强度、软化系数、峰残差、峰残强降率、弹性模量及变形模量等强度变形指标的围压效应,最后分析三轴压缩状态下岩石的破坏类型及机制.结果表明,绿泥石片岩属于水敏型岩石,水对各个强度和变形特性的影响是显著的,并随着围压呈一定规律的变化.     

大理岩对多次冲击波的非线性动态响应

 利用霍普金森压杆装置对干燥和水饱和大理岩进行多次冲击波在长杆岩石试件中传播的实验研究。结果表明,冲击动态模量随应变或应力的改变而不断地变化。对于干燥大理岩,当冲击应力小于屈服强度时,随应力波传播时间或距离的拉长,模量表现为降低;并且,由于卸载模量大于加载模量,导致卸载波不断追赶加载波,使应力波形由宽变窄,应力波幅不断衰减。随着冲击次数的增加,实验显示出干燥岩石的模量增大,应力波形变窄,弥散效应减弱,衰减幅值减小,残余应变也随之减小的冲击压实效应。对于饱水大理岩,当冲击应力大于屈服强度时,其模量、应力波形特征均与干燥大理岩的冲击结果相类似;随着冲击次数的增加,饱水大理岩出现波形拉长散开,后沿缓波更显著,应力–应变曲线的模量降低,残余应变增大,这与干燥大理岩正好相反。这是因为超过屈服点的冲击导致饱水大理岩的裂纹扩展和新裂纹的生成,引起体积膨胀,模量下降。这些实验结果对大型工程尤其是防护工程的设计和施工是有现实意义的。     

真三轴卸载–动力扰动下自然与饱水砂岩破坏特性试验研究EI北大核心CSCD

为探讨不同含水状态红砂岩试样在动静组合状态下的失稳破裂特征,采用QKX-YB200真三轴岩爆试验系统、声发射监测系统以及高速摄像仪对自然和饱水状态下的红砂岩立方体试样开展真三轴卸载–动力扰动试验。研究结果表明:在真三轴卸载–动力扰动条件下,自然状态砂岩破坏模式为张拉–剪切混合型破坏,而饱水状态砂岩的破坏模式为张拉型破坏,不同含水状态砂岩的裂纹扩展程度与初始轴向静应力和动力扰动频率密切相关;相比于饱水状态砂岩,自然状态砂岩试样在动力扰动阶段出现了不同程度的块片弹射和飞溅现象,体现为典型的应变型岩爆特征;轴向静应力以及动力扰动频率对于不同含水状态砂岩的力学响应特征具有显著的差异性,其对于自然状态砂岩的力学响应主要体现为岩样的破坏剧烈程度,而对于饱水状态砂岩的力学响应则主要体现为岩样的破碎程度;对含水砂岩试样建立了真三轴卸载–动力扰动下裂纹扩展模型,认为水楔效应、中间主应力效应以及开挖卸荷效应是诱发饱水砂岩产生张拉型破坏的本质原因;基于室内试验结果,从能量转化、力学、物理以及化学的角度初步揭示了真三轴卸载–动力扰动下水弱化岩爆机制。     

砂岩高应力峰前卸围压试验研究

 对采自重庆鱼嘴的砂岩开展若干围压(最小10 MPa、最大130 MPa)的保持轴压不变峰前卸围压试验,并与同围压下的常规三轴压缩试验结果进行对比分析,研究砂岩卸荷过程中的变形特征、破坏形态、峰值强度与残余强度特性及其扩容参数演化特征。主要研究成果为：(1) 加载路径下,围压增至130 MPa时,应力–应变曲线不出现应力降,可以认为围压130 MPa为砂岩脆–延转化压力。(2) 加载破坏时,偏应力峰值前扩容量相对于峰后较小,但卸荷破坏偏应力峰值前则表现出较大的扩容量。(3) 相同初始应力条件下,卸荷破坏时偏应力变化量比加载破坏时大,证明卸荷应力路径更容易引起砂岩试样的破坏。(4) 相同围压下,卸荷破坏的破裂角大于加载破坏。(5) 卸荷条件下得出的抗剪强度参数c比加载条件下低1.2%,?值则高4.8%;不论卸荷还是加载,残余变形阶段c值都大大减小,?值则变化不大。(6) 围压对扩容的约束作用较显著,围压越大,剪胀角极值越小;卸荷开始后,剪胀角呈剧烈增加态势,迅速达到极值;剪胀角峰值与偏应力峰值不同步,前者滞后于后者;卸荷破坏剪胀角峰值比加载破坏剪胀角峰值大,且达到峰值经历的塑性剪切应变量相对较小,证明卸荷破坏的剪胀性更加显著。这些结论可揭示高应力条件下砂岩的卸荷力学特性,为西部深埋引水隧洞的开挖、支护设计及其稳定性分析提供理论参考。     

饱和破碎岩石压实变形特性的试验研究

破碎岩石的变形性质是影响采空区覆岩垮落与地表沉陷的重要因素。利用一种专门的破碎岩石压实试验装置,在MTS815.02岩石力学试验系统上完成了饱和破碎岩石压实过程中的变形特性测定,得到了煤、页岩和砂岩3种岩样压实过程中的应力–应变关系,分析了粒径和强度对破碎岩石应力–应变特性的影响。研究结果表明:破碎岩石在压实过程中应力与应变之间近似呈指数关系;在相同的应力状态下,岩块强度越高试样应变越小;大粒径试样在加载初期应变增长率小于小粒径试样的应变增长率,随着应力的增加,大粒径试样的应变增长率大于小粒径岩样的应变增长率;饱和破碎岩石在相同的应力状态下的应变明显比在自然含水状态下大。     

围压和地下水对软岩残余强度及峰后体积变化 影响的试验研究

 就宜万铁路堡镇隧道高地应力大变形段中所揭示的黑色炭质页岩设计不同饱水时间下的三轴试验方案,进行三轴力学性质测试,获得围压和饱水时间对软岩残余强度和峰后体积变化的影响规律,探讨二者对软岩残余强度和体积变化的作用机制及特点,对隧道二次衬砌作用时机进行分析。     

高速公路路基加筋红层泥岩填料三轴试验研究

采用三轴试验主要从施工压实度方面对红层泥岩填料的物理力学特性进行研究.试验表明,压实度的提高虽然可以提高素土体的强度,但同时也降低其延性,加入土工化合物后可增加土颗粒的侧向约束、提高其围压达到改善土体路用性能的目的,同时加筋后不仅大幅提高了红层泥岩填料的峰值强度与残余强度,而且增大了峰值应变的区间并改变了土体的应力·应变模式.结合现行施工规范分别给出红层泥岩素填料及加筋填料合理的施工压实度,为确定高速公路施工压实度提供了可靠的数据支持.     

多因素影响下预崩解炭质泥岩动回弹特性研究

为探究多因素影响下预崩解炭质泥岩的动回弹特性,通过动三轴试验研究偏应力、最小体应力、含水率、压实度和干湿循环次数对动态回弹模量的影响,并建立考虑上述因素影响的动回弹模量预测模型。研究表明：动回弹模量与最小体应力、压实度呈正相关关系,与偏应力、含水率呈负相关关系;在同一围压下,动回弹模量随偏应力增加而降低,降幅区间为14.1%～30.7%;含水率为6%时对应的动回弹模量最大;在围压和偏应力相同时,含水率从6%递增至10%,动回弹模量降幅区间为18.6%～35.5%;压实度从93%递增至96%时,动回弹模量增幅区间为4.47%～20.64%。采用干湿循环损伤因子表征干湿循环次数对动回弹模量的影响,发现损伤因子随干湿循环次数N增加可分为3个阶段,即快速增长阶段(N=0～1)、缓慢增长阶段(N=1～6)和增长稳定阶段(N=6～9)。各因素按显著性由高到低排序依次为：压实度、干湿循环、含水率、偏应力、最小体应力。建立的综合考虑约束效应、剪切效应、压实度、含水率和干湿循环的预测模型具有较高地准确性和适用性,可有效评估和预测湿热地区炭质泥岩路堤的动回弹模量。     

膨胀性顺(互)层边坡崩塌机制研究

研究在干湿循环和集中降水条件下甘肃古浪砂岩泥岩互层顺层边坡的崩塌机制,对于砂岩此类边坡的崩塌治理具有重要意义。崩塌机制可概括为在干湿循环作用下软层泥岩反复胀缩,致硬层砂岩产生节理并贯通;在集中降雨影响下泥岩崩解致砂岩悬空,极限平衡打破则形成倾覆崩塌或滑动崩塌。基于室内侧限膨胀试验和直剪试验,考虑泥岩遇水膨胀和软化共同作用,建立膨胀性顺层边坡的砂岩抗裂、倾覆和滑动稳定力学模型,推导相应的抗裂系数、倾覆和滑动稳定系数计算公式,并在实际工程中进行了应用与验证。研究表明:(1)在含水率阈值范围内,泥岩的抗剪强度随着含水率的增加而增大,吸水膨胀所产生的膨胀力对抗剪强度起主要作用;当含水率超过阈值,则抗剪强度随着含水率的增加而减小,此时泥岩吸水致抗剪强度参数c,φ值降低对抗剪强度起主要作用。(2)悬空砂岩抗裂系数与砂岩岩层厚度的平方成正比,与下层泥岩的膨胀力成反比,与下层泥岩风化深度的平方成反比。(3)悬空砂岩的滑动稳定系数与岩层厚度成反比,与w d w(d-d)/d成正比,砂岩岩层倾角呈负相关关系,与抗剪强度参数c,φ呈正相关关系。