高应力高水压下深部花岗岩力学响应联动机制

深部高应力环境下,岩体通常处于应力峰后段,裂隙发育,岩石破碎,在这样的环境下,高水压对岩体性能的影响将更为明显。本研究针对千米以深的岩体峰后特性开展试验研究工作。采用水力耦合条件下的三轴循环加卸载试验,获得全应力-应变曲线。通过获取起裂应力、扩容应力、峰值应力、残余应力等应力阈值,对岩石各个应力应变阶段进行划分。通过计算各变形参数及渗透率获取岩石水力参数的演化规律;针对高围压、高渗透压环境下花岗岩破坏后表现出的较高残余强度,对比分析不同围压等级下残余强度与峰值强度的比值,获得不同高围压等级对于花岗岩石峰值破坏时强度衰减的影响曲线;通过分析峰后残余段初始渗透率较峰值处渗透率的损失值,揭示岩石受围压因素影响从峰值处至残余段渗透性能变化过程,获得不同高围压等级与渗透率波动的相关性。最后通过拟合岩石扩容阶段、残余阶段损伤变量与渗透率演化曲线,研究两者之间的相关性。结果表明:碎裂质花岗岩受高围压、高水压耦合作用下,表现出无压密段、起裂点低、较长的屈服阶段与扩容阶段以及破坏后保留较高承载能力的力学特性;弹性模量在峰前阶段呈现下降趋势,在峰后残余阶段表现出先上升后下降的趋势,泊松比的演化规律正好相反...     

裂隙煤岩三轴压缩特性宏细观试验研究

依托焦坪矿区某煤矿顺槽支护工程,以预制裂隙煤岩体为研究对象,采用宏观三轴压缩试验与细观核磁共振试验相结合的研究方法对裂隙煤岩体三轴压缩试验下宏细观变形、破坏特征及力学特性进行研究。研究结果表明：(1)完整煤样的三轴压缩强度对围压的敏感程度最高,其次为含45°倾角裂隙的煤岩样,含60°倾角裂隙的煤岩样的敏感程度最低;(2)裂隙煤岩的破坏模式随围压增加由直剪破坏向斜剪破坏过渡;(3)裂隙煤岩破坏的峰总面积及第4峰面积所占总面积百分比与围压及裂隙倾角成正相关;(4)裂隙煤岩的孔隙孔径主要分布在1～10μm,破坏后大孔径孔隙所占比例较高,随着裂隙倾角及围压的增加,裂隙煤岩内部更加破碎。     

含两组交叉节理砂岩强度及破坏特征离散元分析

为研究含两组交叉节理岩体强度及破坏特征,采用一组经室内试验标定的砂岩细观参数,建立含两组交叉节理岩体颗粒流模型,进行单轴压缩和三轴压缩模拟。基于模拟结果,分析了节理数量、节理倾角和围压对含两组交叉节理岩体强度及破坏特征的影响。结果表明：① 与完整岩石相比,节理岩体强度明显降低。峰值强度随着节理数量的增加近似线性减小,随着节理倾角的增大呈先减小后增大非线性变化趋势,而随着围压的增大而提高;② 节理岩体表现为张性破坏、沿节理滑移破坏、穿节理剪切破坏、张性滑移破坏及剪切滑移破坏等5种破裂模式;③ 节理数量增加会加剧试样破坏程度,但不改变其破裂模式。单轴压缩下,当节理倾角较小时主要发生张性破坏,随着倾角的增大,表现为张性剪切或沿节理面滑移破坏。在围压作用下,试样表现为剪切破坏或剪切滑移破坏。最后从细观层面探讨了节理岩体宏观裂纹的细观位移场分布特征。     

水力耦合下节理砂岩三轴压缩渗透性能试验研究

为了研究节理砂岩在高地应力、高水压耦合环境下性能发展情况,利用配有渗流装置的岩石三轴伺服试验机,开展不同围压与渗透水压下节理砂岩三轴压缩渗透性能试验.结果表明:节理砂岩三轴压缩渗透峰值强度随着围压增加而增大、随着渗透水压增加而减少,围压对峰值强度的积极影响要大于渗透水压对峰值强度的消极影响;初始渗透率受试件所处力学环境...     

脆性岩石循环加卸载试验及应变损伤参数分析

为研究不同应力状态循环加卸载条件下脆性岩石的强度、变形和损伤力学特性,对马城铁矿辉绿岩开展了单轴压缩、三轴压缩以及单轴、三轴循环加卸载等不同应力路径岩石力学试验,得到了脆性岩石在单轴和三轴条件下的强度、变形特征以及循环加卸载应力-应变曲线变化规律。给出一种岩石循环加卸载过程中相对应变损伤参数,结合现有损伤力学理论,对脆性岩石破坏过程中的损伤演化规律进行了研究。试验结果表明：①UCS条件下,循环加卸载峰值强度比平均单轴压缩峰值强度低10%~20%;CTC条件下,峰值强度出现离散性。②循环加卸载过程中弹性常量变化趋势跟岩石内部微裂隙的闭合、张开、扩展等断裂损伤机制密切相关。③岩石内部的损伤积累程度随循环次数的增加而不断增大,绝对应变损伤参数几乎不受围压作用的影响,而相对应变损伤参数受到围压的约束作用。     

含水压倾斜裂隙砂岩力学与渗流特性研究

为研究带压开采过程中煤层底板断层突水问题,利用三轴应力-渗流耦合试验系统对45°倾斜裂隙砂岩进行0、0.5、1、1.5、2 MPa裂隙水压条件下的三轴压缩渗流试验,研究不同水压条件下裂隙岩体力学特性与渗流特性的变化规律。结果表明：不同水压作用下,裂隙砂岩在三轴压缩下发生的破坏均为剪切滑移破坏,试件经历了裂隙压密、弹性变形、塑性破坏、剪切错动、残余强度等阶段;水压作用更容易造成试样发生剪切滑移,并且水压对岩体强度具有弱化作用,当水压从0增加到2 MPa,试件的三轴抗压强度从32.82 MPa降低为13.54 MPa,降幅58.74%。拟合分析表明,试件的弹性模量、峰值强度以及残余强度均随着水压的增大近似线性减小。裂隙渗流方面,渗透率随着水压的增大而增大;在峰前变形阶段,渗透率随着应变的增加呈指数函数关系递减;应力达到峰值强度后试件逐渐发生剪切错动,渗透率急剧增加;到残余强度阶段,渗透率发生微小波动但基本保持稳定。     

真三轴条件下等效围压对煤岩力学特性影响试验研究

为研究水平应力加载下煤岩的强度及变形特征,在试验室开展了不同应力条件下真三轴压缩破坏试验。试验结果表明:试件的三轴压缩峰值强度随最小水平应力和垂直应力的增大而增大,为比较复杂应力水平下煤岩力学特性,定义"等效围压"表述应力状态,得到试件峰值强度及峰值应变均随等效围压的增大呈线性增大;煤岩破坏产生的裂隙数量随着等效围压增大而增多;试件破坏程度随着等效围压的增大而增强且破断角随等效围压增大成二次函数递增。煤体所处应力水平影响其力学特性,试验结果对于煤岩深部高效开采及安全生产有重要的理论支持和实践意义。     

贯通节理砂岩峰后变形试验研究及其在隧道支护中的应用

深部资源开发中地下硐室围岩稳定控制必须面对峰后碎裂岩体的变形和破坏问题,但目前对峰值强度后的变形特征和强度特性研究不足,认识不充分,常导致大体积塌方、大变形等重大工程事故。采用RLW-1000型岩石三轴伺服刚性机对不同围压贯穿裂隙圆柱体标准试件进行常规三轴压缩试验,分析裂隙岩体在不同围压下裂隙岩体的峰后强度和变形特性。试验结果表明:裂隙试件的峰值强度,残余强度和峰值应变基本上是随着围压的增大而增大;围压越小,裂隙岩石峰后扩容现象越明显,岩石扩容随围压增大而减小,且岩石可塑性和围压共同影响岩石扩容。结合试验结果分析发现将峰后非连续体变形控制在残余强度的初始阶段,能以相对较低的支护阻力有效控制过高的破裂膨胀变形发生,保证隧道围岩的稳定。     

梅林庙矿负温饱水红砂岩加卸载力学特性研究

为研究冻结岩石在卸围压条件下强度特性、变形特性以及宏观破坏形态,以鄂尔多斯梅林庙矿风井冻结施工500~600 m处饱水红砂岩为研究对象,分别对其进行不同温度(10,-5,-10,-15℃)、不同围压(4,8,12 MPa)条件下的三轴压缩试验和三轴峰前、峰后卸围压试验。结果表明:1)饱水红砂岩峰前卸围压峰值强度大于单轴压缩强度,小于三轴压缩强度;峰后卸围压峰值强度近似等于三轴压缩强度,其值受人为因素和试验方案影响显著。2)峰前卸围压时,温度越低,试件变形对围压越不敏感,抗扰动性越强;初始围压越大,试件变形对围压越不敏感,抗扰动性越差;峰后卸围压时,温度对试件强度影响甚微,峰后强度大小取决于实时围压值。3)峰前卸围压破坏不同于三轴加载破坏和峰后卸围压破坏;峰前卸围压破坏实质为拉破坏,破坏形态取决于卸围压过程中裂隙的发育状态,峰后卸围压破坏形态取决于前期加载历程,与卸围压无关。     

基于3D打印的类节理岩体模型及力学特性

节理裂隙构造分布对岩体变形与破坏特性具有关键控制作用,厘清节理构造及岩体力学特性对于指导工程稳定性具有重要意义。3D打印技术在岩石力学方面的应用为节理岩体力学特性研究提供了有效手段。基于3D打印技术提出一种节理岩体制备方法,开展单轴压缩测试分别分析了实心试样、RDFN模型和DFN试样的变形特性及破裂模式,讨论了透明硬水晶与PLA材料在预制节理岩体力学特性分析的适用性,对比了冷冻处理下透明硬水晶材料的力学变化。研究发现：基于PLA树脂的3D打印材料在单轴压缩条件下发生了膨胀扩容,并呈现显著的塑性变形特征,与岩石的力学性质有较大差异;硬水晶材料的破坏模式为明显的“X”共轭剪切变形破坏特征,峰前应力-应变曲线特征与岩石接近,含裂隙试样的表现为沿近似45°斜面的压剪破坏;裂隙网络的存在会显著降低类岩体模型的抗压强度,粗糙RDFN的类节理岩体模型强度高于直线型DFN类节理岩体模型,试样发生斜截面剪切破坏时,节理模型增强了裂隙系统的锁固效应;类节理岩体表现出一定的尺寸效应,并受PLA材料高塑性特性影响;承压强度实心试件总体来说最强,RDFN模型次之,DFN模型最小,3类模型强度存在一定的尺寸效应特...     

基于三轴试验与数值模拟的大理岩破坏特征研究

为了研究深部围岩在不同围压下的力学性质与破坏特征, 对不同围压下大理岩开展了三轴压缩试验; 利用RFPA^2D数值模拟软件对大理岩开展了不同围压下应力-应变特征、强度与声发射特征等研究。结果表明, 岩样峰值应力与围压有关, 随着围压增大, 岩样逐渐由脆性破坏转为延性破坏; 岩石弹性模量随着围压增大表现出非线性增大规律; 数值模拟结果也表明, 岩样声发射现象在单轴压缩时反应强烈, 伴随围压增大, 岩样声发射特征参数逐渐趋于稳定, 围压对岩石横向应变有明显束缚作用, 降低了岩石能量释放与破坏程度。RFPA^2D数值模拟可呈现大理岩试样在不同围压下裂纹萌生、发育、汇合至试样破坏的全过程, 其模拟结果与室内试验结果吻合度较高, 验证了结论的可靠性, 可为矿山深部开采提供理论依据和现实指导。     

基于摩擦滑动的峰后断续灰岩力学特性的研究

利用MTS815 Flex Test GT电液伺服岩石力学试验系统对完整灰岩及断续(裂隙、断裂)灰岩进行三轴压缩试验,研究不同围压下完整灰岩及断续灰岩的强度及变形特征。基于试验结果建立断裂灰岩圣维南体力学模型模拟岩石破裂形成断续结构后失稳摩擦滑动,在此基础之上,采用单结构面理论研究限定其发展的条件。试验结果表明:完整灰岩及断续灰岩试样峰前弹性模量随围压的增大并没有产生明显的变化,且裂隙灰岩峰前弹性模量与完整灰岩基本一致;完整灰岩表现为低围压下的脆性向高围压下的塑性破坏转化的变形特征,而裂隙灰岩在不同围压条件下均表现为塑性破坏,断裂灰岩则表现为理想弹塑性变形;完整灰岩及断续灰岩峰值强度都随着围压的增大而增大,相同围压下裂隙灰岩强度低于完整灰岩强度,但相差不大,循环加载对断裂灰岩强度影响较小;灰岩破坏形成断裂结构后,破裂面间的摩擦决定断裂灰岩承载能力,当破裂面剪应力超过摩擦力时,将发生塑性滑移,通过增大围压可以增强破裂面间摩擦进而提高断裂灰岩承载能力,抑制塑性滑移。     

基于PMC模型的破坏模式转化型强度准则

进入深部后,受高应力、强扰动影响,岩石岩体中拉断、剪切及压密屈服等破坏模式共生的现象凸显,深部岩石表现出明显地非线性行为,岩石破坏在多种破坏机制中转化。深部岩体强度理论需考虑中间主应力的影响,本文基于Paul-Mohr-Coulomb(PMC)准则,考虑多孔岩石破坏模式间的转化和高围压下裂隙坍塌的特征,提出了在高围压应力情况下,表征压剪屈服的Back-Paul-Mohr-Coulomb(BPMC)模型;推导了BPMC模型摩擦角包络线的表示方法,根据分段线性原则,在p-q平面中获得12边形BPMC线性破坏准则;基于应力不变量在p-q平面的转换关系,利用最小二乘法拟合获得了模型的特征参数。为了验证PMCBPMC准则及对应破坏模式转化理论的合理性,本文拟合了PMCBPMC模型,将拟合破坏面与试验数据进行对比;选用四川黄砂岩和金川大理岩,进行多组室内三轴压缩试验,研究不同围压下岩石破坏特征和强度特征,实验采用自主研发的便携式自密封岩石三轴试验高压舱加压系统。对试验数据进行拟合,获得的破坏包络线与实验数据拟合度较好;四川黄砂岩在围压达到90 MPa后出现剪应力峰值拐点,产生了孔隙坍塌型破坏,为压屈服破坏。结果表明:PMCBPMC模型能预测孔隙岩石的帽子屈服面,拟合岩石破坏模式从剪切破坏到压剪破坏的过渡,可预测不同围压下的破坏强度及对应破坏模式。     

细砂岩峰后力学特性和材料强度研究

 通过细砂岩三轴试验,得到不同围压的应力-应变曲线和轴向应变-径向应变曲线,分析和研究了峰值点与断层产生点的不同。试验表明,岩石在断层产生之后沿断层面滑移,围压、岩块的材料强度和岩块排列的结构效应三者共同决定了岩石的峰后力学行为。将压缩试验得到的不规则岩块浇注在混凝土试样中,运用剪切仪进行了专门设计的剪切试验,获得岩块的材料强度。对比不同加载历史的岩块压剪试验数据,表明试验设计的围压对岩块材料强度影响很小,压缩实验和剪切实验得到的强度参数存在差异。     

混合岩变形及损伤演化试验研究

利用SAM-2000型岩石伺服试验系统和DS2声发射监测仪,对混合岩进行三轴压缩声发射试验,根据声发射参数,分析三轴压缩条件下岩石的损伤演化特征。试验结果表明:轴应变随着围压的变化呈线性正相关关系;每当混合岩岩样出现裂缝时,累计声发射振铃计数数值即发生骤增,且随着围压的增大,岩石破裂前声发射特征参数呈突发性特征;建立了混合岩体应变损伤演化模型,该混合岩体应变损伤演化模型描述混合岩损伤过程分为初始损伤阶段、损伤稳定发展阶段、损伤加速发展阶段和损伤破坏阶段;低围压下混合岩主要发生弹脆性破坏,随着围压的增大,混合岩由弹脆性向延性转换,混合岩在20MPa围压压缩过程中由延性转化为塑性。该结果合理地反映了由低围压到高围压,混合岩由弹脆性到弹延性再到弹塑性的转化。     

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。     

基于CT三维重构的深部煤体损伤演化规律

为研究不同应力条件下深部煤体损伤演化规律及破坏机理,以平煤十二矿己15-17220工作面的深部煤体为研究对象,进行了单轴压缩的实时CT扫描实验,结合细观统计损伤力学,提出了一种基于CT图像灰度值定义损伤变量的方法,定量分析了煤样单轴压缩过程中损伤演化规律。通过CT扫描实验、压汞实验和室内基本力学实验,建立了能够反映固体基质分布的深部非均质煤样的三维数值几何模型,进行了合理的网格划分,确定了不同材料组分的本构模型及其物理力学参数,在位移控制加载条件下开展了煤样单轴压缩的数值模拟,定性研究了煤样单轴压缩过程中的损伤演化规律及破坏机理。进一步,在单轴压缩数值模拟基础上,通过对煤样施加不同的环向应力,进行了5种不同围压条件下煤样三轴压缩的数值模拟,从应力-应变曲线形态、煤样破裂形态及破裂角大小等方面定性分析了三轴压缩条件下深部煤体损伤演化规律。结果表明:单轴压缩数值模拟的应力-应变曲线及损伤演化特征与CT实时扫描实验得到的结果具有较好的一致性。随着轴向应力的逐渐增加,煤样损伤依次经历了零损伤阶段、局部损伤产生阶段、损伤线性和非线性稳定增长阶段和损伤加速增长致使完全破坏阶段。试件最终破坏时其最大剪切应变率区域及塑性区都近似平行或垂直于煤基质和煤杂质的交界面,且损伤发生的两个主破坏面相互垂直。单轴压缩的整个过程煤样主要发生拉伸破坏,屈服应力后由于煤样的不均匀变形才发生剪切破坏。基于CT重构的煤样三轴压缩的数值模拟得到的损伤演化特征和经典的岩石损伤演化的6个阶段能够很好的吻合,煤样主要发生剪切破坏;随着围压的增大,峰值强度、扩容点应力和残余强度均逐渐增大,破裂角逐渐减小,破裂角与围压之间近似呈负线性相关。在数值模拟的网格划分、几何模型建立、材料参数和本构模型的选取以及应力应变的计算方法等方面做出了优化,取得了较好的数值模拟效果,能够消除实验样品差异性带来的影响,且能够直观准确地定性描述单轴和三轴压缩过程中的损伤演化规律。