含水率对红砂岩瞬时和蠕变力学性质影响的试验研究

水是影响岩体工程稳定性的重要因素。为了全面分析水对岩石瞬时及蠕变力学特性的影响,设计了两类试验：单轴压缩强度试验和蠕变试验。通过吸水试验分析红砂岩的吸水特征,并以此为依据制备不同含水率的标准试件。首先对9组不同含水率的试件进行单轴压缩强度试验。利用体积应变法和LSR法(Lateral Strain Response)确定红砂岩在单轴压缩条件下的4个特征应力：闭合应力、启裂应力、损伤应力和破坏应力, 从而得到了含水率与红砂岩力学参数的定量关系。结果表明,应力应变曲线上各阶段特征应力随含水率增大而服从负指数规律衰减,并且当试件达到饱和后,各特征应力趋于稳定。由于高孔隙率的特性,导致红砂岩的特征应力在短时间内显著降低。启裂应力σi与闭合应力σc之差随着含水率的增加而减小。这说明水的增加导致红砂岩非线性特征增强。强度和弹性模量损失系数随含水率呈指数函数增长的趋势,饱和红砂岩的强度和弹模总损失系数分别是0.484和0.334。此外,将5组不同初始含水率的试件持续浸在充满水的环境试验箱中,开展荷载与水共同作用下的蠕变试验,从而得到长期水环境对红砂岩蠕变力学特征的影响。结果表明,试件的瞬时应变和稳态应变率随含水率增加呈指数形式增大,蠕变应变和破坏时间随含水率增加而减小。当含水率趋于稳定时,红砂岩的蠕变特性仍然有显著的变化,其原因在于环境中的水沿蠕变新生成的裂缝进一步运移到裂缝尖端,初始裂纹进一步扩展。实验结果不仅强调了短时间内水对高孔隙率岩石瞬时力学性质的急剧弱化作用,而且强调了环境中的水对饱和岩石蠕变力学性质的持续影响作用。此外,实验数据和拟合方程将为岩体工程长期稳定性的评估提供一定的参考价值。     

新型单向岩体应力,应变匹配系列传感器的研制

新型单向岩体应力、应变匹配系列传感器，是最新研制的应用于岩体及相似材料模型等压力、变形量测量的匹配型系列传感器，其弹性元件的弹性模量与被测岩体的弹性模量相等，是岩体应力、应变定量测量型传感器它可以同时测得岩体被测点的压力和变形量，其测量范围为硬岩、中硬岩体、软岩、具有一定弹性模量的相似材料和土壤等的应力、应变测量经过在井筒及其围岩和相似材料模型上的应用，其重复性、稳定性等技术指标满足了岩体和相似材料模型的测试     

岩体绝对应力测量

本文概括地介绍了使用三轴应变计应力解除的岩体绝对应力测量方法;给出了使用三维有限元法得出的圆柱形钻孔平底面的应变系数矩阵,它可以考虑岩石波桑比的影响。还介绍了岩体应力测量在一些矿山的应用。     

硬岩脆性损伤声发射特征及蠕变破坏机理研究

岩石蠕变对矿山岩体力学安全性具有重要影响。开展了硬岩损伤过程中的应力应变分析及声发射矩张量反演,认识到岩石内部细观结构损伤和强度劣化是蠕变的诱因,研究了岩石的强度、弹模的时间效应及岩体自身结构微细观损累积特性,更加充分阐释了岩体作为工程介质其自身蠕变机制特征。应用细观蠕变损伤模型模拟了岩石试样在单轴载荷作用下蠕变损伤规律,研究结果可望为井巷、边坡等工程的安全设计与长期稳定性评价提供参考。     

透明岩体相似材料配制及其物理力学特性分析

针对岩体内部变形破裂难以直接观测的“黑箱”难题，研发配制透明岩体相似材料进行相似模拟试验。选取E-44型环氧树脂作为骨料，三乙醇胺作为固化剂，外加酒精松香饱和溶液(RSS)来调节脆性。设计考虑2因素4水平的全面试验，以E-44型环氧树脂与三乙醇胺的配比及RSS在混合溶液中的含量为2个因素，系列研究了不同配比下透明岩体的透明度、类岩石性和强度可调性。研究结果表明：不同配比制备的透明岩体均具备透明性。不同配比制备的透明岩体试样在单轴抗压强度、应力-应变曲线和破坏模式方面与岩石力学性质相似，表明不同配比制备的透明岩体试样具有类岩石性。透明岩体试样的单轴抗压强度、峰值应变和弹性模量随E-44型环氧树脂和固化剂配比和RSS含量的变化而产生较大的变化，因此，可通过改变原料配比调整透明岩体试样的力学性质，制备的透明岩体试样满足强度可调性。     

基于Monte Carlo方法的地应力测量可靠性分析及其误差估算

地应力测量分析在煤矿安全高效开采中具有非常重要的作用,但以往对地应力测试结果的可靠程度、影响因素及其误差分析方面研究较少。利用概率统计、Monte Carlo数值模拟等技术手段建立空心包体应变计法测试地应力的参数敏感性和误差估算模型,并以国投新集能源股份有限公司两淮矿区4个矿井的实验测试数据为例,统计分析了岩体物理力学参数分布概型和特性参数,并对地应力测量结果的敏感性因素及其影响规律进行了研究。结果表明:岩体泊松比、弹性模量和测孔直径是影响地应力大小的关键因素,而测孔方位角、岩体泊松比和内摩擦角则是影响地应力方位的重要因素,并通过多元回归分析方法获得了最大主应力的相对误差和方位偏角估算公式。研究成果可为空心包体应变计法测量地应力的结果可靠性分析及其他相关测试研究提供重要借鉴。     

低温环境下红砂岩蠕变特性及其模型

为研究低温环境下岩体工程的长期稳定性,以饱水状态下的陕西红砂岩为研究对象,采用MTS810岩石力学试验机进行不同温度(20,-10,-20℃)条件下的分级加卸载单轴蠕变试验,研究了不同温度条件下红砂岩的蠕变特性及温度对岩石蠕变特性的影响。根据蠕变试验结果,将岩样总应变分为瞬时应变和蠕变应变,瞬时应变由瞬时弹性和瞬时塑性应变组成,蠕变应变由黏弹性和黏塑性应变组成。结果表明,瞬时应变随应力水平的增加而增大,瞬时弹性应变与应力呈近似线性关系;随着应力水平的增加,黏塑性应变随时间逐渐增加,总应变中黏塑性应变的比例也趋于增大。随着温度的降低,岩样瞬时应变及相同应力水平下的蠕变应变均减小,蠕变持续时间延长,岩石破坏强度提高。根据岩样的变形特性结合蠕变试验结果,引入分数阶微积分,建立考虑低温影响的非线性流变模型;采用通用全局优化算法结合最小二乘法中的Levenberg-Marquarat算法对不同温度环境中的蠕变试验结果进行参数识别,理论曲线与试验结果吻合度较高,尤其加速蠕变阶段效果较好,表明该模型能够很好地描述红砂岩在低温环境下的蠕变行为;对不同温度条件下的模型参数进行分析,结果表明,随着温度的降...     

基于分数阶微积分理论的泥岩蠕变损伤本构模型

泥岩在吸水膨胀时,其各力学参数均会发生明显变化。建立泥岩分数阶损伤蠕变模型结构图,引入描述岩石损伤程度的损伤变量,当应力水平超过岩石的长期强度时,在泥岩加速应变率加载情况下,建立基于分数阶微积分理论的非线性蠕变损伤模型,基于蠕变模型建立加速应变率加载情况下的泥岩蠕变本构模型。通过本构模型得到,在加速蠕变阶段,应变与时间呈指数函数关系。利用蠕变试验数据对所提出的模型进行验证,结果表明,分数阶β为岩体固有参数并且能够反映岩体硬度,在加速蠕变阶段,分数阶损伤蠕变本构模型能够较好地描述泥岩蠕变的应力—应变关系。     

孔隙水压对岩体蠕变影响研究

将巷道围岩视为多孔介质,考虑地下水渗流作用的影响,应用弹性力学理论以及粘弹性蠕变力学理论,导出了巷道围岩的应力、应变、位移等的分布规律,以及它们与孔隙水压力之间的关系;找到了影响蠕变的又一主要因素———孔隙压力,建立了深部岩体非线性蠕变的力学模型和数学模型。     

饱水节理岩体蠕变特性研究

分析在裂隙水作用下岩体蠕变变形发育过程,通过Betti能量互异定理,从岩石的有效弹性模量和固有弹性模量的角度,引出了模量与岩体的裂隙形态之间的联系,并建立蠕变的力学模型及模型参数,表明在分析岩体结构时要充分考虑水的存在状态对工程结构的影响.     

层面倾角对组合岩体破坏失稳的力学特性影响研究

具有层面倾角的组合岩体具有明显的倾角效应,其力学性质会随着层面倾角大小的变化而改变。为了探究层面倾角对组合岩体破坏失稳的力学特性影响,通过理论分析和室内实验相结合的方法,得到了单轴压缩下不同层面倾角岩石试样的RA值、应力-应变曲线、峰值强度以及弹性模量。结果表明：不同层面倾角组合岩体在加载初期主要发生剪切破坏,加载到后期贯通扩展为拉伸破坏;倾角15°试样主要发生剪切拉伸复合破坏,倾角25°试样主要发生剪切滑移破坏;峰值强度和弹性模量都随着层面倾角的逐渐增大而减小。     

孔隙水压对岩体蠕变影响研究

将巷道围岩视为多孔介质，考虑地下水渗流作用的影响，应用弹性力学理论以及粘弹性蠕变力学理论。导出了巷道围岩的应力、应变、位移等的分布规律，以及它们与孔隙水压力之间的关系；找到了影响蠕变的又一主要因素——孔隙压力，建立了深部岩体非线性蠕变的力学模型和数学模型。     

不同循环加卸载速率下砂岩的力学特性研究

隧道开挖、矿山开采等工程中均涉及有岩石应力周期性压缩和拉伸现象,施工条件产生的力学效应对岩石结构影响显著。为研究不同加卸载速率下岩石的变形破坏特征,设计了砂岩在单轴条件下非等同加卸载速率循环荷载试验,基于应力-应变曲线、滞回环、残余应变及弹性模量等角度深入分析了砂岩岩体在循环荷载下的损伤、失稳劣化演化规律。结果表明：横幅循环荷载残余应变与循环次数呈对数函数相关,分级循环荷载中每一级的上限应力对应变的改变量要大于下限应力对应变的改变量;残余应变与循环次数拟合结果为同一斜率的线性相关函数;加载方式对岩样弹性模量大小有一定影响,且加卸载速率一致时对其影响最大。     

袁大滩矿主斜井冻土物理力学性质研究

为分析冻土单轴抗压强度、弹性模量和泊松比随温度变化的规律,以及冻土的蠕变规律,开展单轴压缩和单轴蠕变试验,研究袁大滩矿主斜井冻结表土层的物理力学性质。试验结果表明,单轴抗压强度和弹性模量随冻土温度的降低而增加,泊松比随冻土温度的降低而减小,冻土的蠕变应变较小,但当应力水平较高时,冻结黏土会发生蠕变断裂。     

岩石弯曲拉伸试验研究

岩石弯曲拉伸强度和变形性质是确定岩体力学特性的重要参数。为此,该文对32件砂岩、大理岩、花岗岩岩石试件进行了三点弯曲拉伸试验,获取其抗拉强度,绘制了岩石拉伸应力-应变曲线,给出了拉伸弹性模量。通过此次试验研究,并与其它试验进行比较分析,认为岩石弯曲拉伸试验可获得合理的力学参数,且在岩体工程中具有应用前景。     

深井巷道围岩锚固体流变控制力学解析

围岩流变是深井巷道变形破坏的主要特征,通过相似材料无锚体及锚固体蠕变实验,得出了锚固体蠕变特征及控制模式,建立了深井巷道围岩锚固体流变控制力学模型,分析了各因素对围岩锚固体流变稳定性的影响,确定了基本锚杆支护参数,最后进行了工程算例与实测对比。结果表明：锚固体流变的基本特征有别于无锚岩体,不仅表现出锚固体位移比无锚岩体位移小,而且锚固体呈现等速蠕变阶段时间长及蠕变应力水平高的特点,且锚固体存在明显的蠕变二阶段（主要）或三阶段（次要）特征;巷道围岩锚固体流变稳定性主要与围岩所处应力水平、锚固厚度、断面尺寸及加锚弹性模量有关;合理的锚杆支护参数能够实现巷道围岩锚固体流变稳定,实测数据与理论计算较为吻合,巷道支护效果显著。     

基于分段解除的深部空心包体应变计中非线性优化算法

随着浅部资源的日益枯竭,地下开采的深度不断增大,千米级乃至更深的矿产资源开采已成为常态。因此弄清深部岩体原岩应力的赋存环境是至关重要的,目前CSIRO地应力测量作为国际岩石力学学会建议直接测量方法,在世界各地广泛使用。在浅部岩体空心包体应变计地应力测量解析式中,弹性模量和泊松比都是通过室内双轴加载数据拟合获得的常数。进入深部岩体表现出高度的非线性,在对解除岩芯进行高压双轴加卸载试验中发现围压与应变的关系非线性,并且随着围压不断增大非线性关系尤为突出。传统的双轴加载试验设备最大围压加载值试验室内测得20 MPa,不能满足深部岩体解除岩芯的高压双轴试验模拟解除岩石在深部所受的应力环境。因此对传统的设备进行改造,研发了一套高压双轴加载试验装置,所承受的理论最大径向压力为200 MPa以上,目前试验测试的最大围压为100 MPa。对三山岛金矿埋深800 m的解除岩芯进行了高压双轴加卸载试验,分析应力与应变的关系提出一种平均应力与体积模量和剪切模量之间的非线性双曲线模型,明确了模型中3个拟合参数的物理意义,推导出平均应力与应变之间的非线性关系特征公式。基于弹性力学理论原岩应力分量计算在不考虑解除路径时,应用最小二乘法进行计算后获得最大主应力大小为53. 11 MPa,西北312°,倾角为8°。本文提出的考虑解除路径的优化算法,将整个解除过程分成多个阶段,每个阶段的变形模量计算参数与解除岩芯所受应力状态有关,且符合推导的应力与应变的非线性关系公式,各个阶段叠加计算的最大主应力大小为47. 78 MPa,西北311°,倾角为5°。     

裂隙充填对岩体单轴压缩力学性能及锚固效应的影响

用相似材料试件研究了裂隙不同充填物对节理岩体单轴压缩力学性能及锚固效应的影响。对裂隙含不同充填物节理岩体相似材料无锚及有锚试件进行了单轴压缩试验及数值研究,分析了不同充填物对节理岩体单轴压缩力学性能及锚固效应的影响。研究得到：充填物弹性模量在一定范围内,含充填节理岩体抗压强度峰值随着充填物弹性模量的提高而提高;充填物与基体材料弹性模量越接近,无锚含充填节理岩体试件的峰后塑性越好,但充填物对加锚试件的峰后塑性影响很小;充填物与基体材料弹性模量差值越大,试件峰后应力-应变曲线应力下降速率越快;当裂隙充填物弹性模量低于基体材料时,试件内沿受力方向出现拉应力,拉应力的峰值及分布区域随充填物弹性模量的降低而增大。     

金河磷矿马槽滩矿区保安矿柱安全开采的岩石力学研究

本文在岩石力学研究的基础上,对保安矿柱的作用进行了评价,提出其安全开采的一些建议。此外还介绍了用两种三轴应变计进行岩体应力测量的结果以及能考虑自重边界元法的实际应用。     

不同温度下含煤层气(瓦斯)煤蠕变规律实验研究

为探索温度场中含气煤体的蠕变规律,首先采用型煤进行了不同温度下的含气煤体全应力应变加载实验,确定了含气煤体蠕变实验时的轴向加载应力。随后,保持轴压、围压、气压不变进行了不同温度下的蠕变实验,测得了不同温度下含气煤体的轴向应变、径向应变、体积应变与时间的动态变化曲线。实验结果表明:不同温度下含气煤体蠕变过程中,轴向应变-时间曲线、径向应变-时间曲线、体积应变-时间曲线均随温度升高而增大,各类应变-时间曲线有不同程度的交叉,反映出不同温度下各类应变的初始瞬时应变及衰减速率不同,并有明显的减速蠕变与等速蠕变两阶段,加速蠕变阶段不明显;各温度下的蠕变全过程中,蠕变体积应变以轴向压缩应变占主导。温度越高,体积应变中轴向压缩应变越大。最后,建立含气煤体的蠕变应变表达式。计算表明,温度升高使得含气煤体弹性降低,黏性增大,煤体更易于产生压缩变形。