基于DIC技术的煤样裂隙发育特征及应变演化规律分析

为了深入分析煤样单轴压缩下裂隙发育特征及应变演化规律,采用数字图像相关技术(DIC)分别获得试验过程中试件裂隙场、应变场的全程图像和数据,研究结果表明：试件应变演化与裂隙发育具有潜在的联系,裂隙发育处往往存在明显的应变集中现象,在弯曲裂隙中,当其张开程度较大时,受垂直压应力影响,诱导反方向的水平变形,出现裂隙闭合,以及垂直应变剧增、水平应变剧减等现象。当裂隙张开或扩展时,最大主应变增大,同时会出现明显的应变集中现象|当裂隙闭合时,最大主应变减小,应变集中程度也随之减小|最大主应变方向与裂隙张开方向基本一致,与裂隙扩展延伸方向基本垂直。试件加载后期,裂隙快速发育,而此后也表现出多处局部应变快速集中现象。当试件裂隙瞬间产生或破坏时,最大主应变方向也会发生较大变化,该试验结果可作为试件破坏预警的前兆信息之一。     

真三轴应力条件下加卸荷速率对砂岩力学特性与能量特征的影响

为了更准确地认识真三轴应力条件下加卸荷速率对岩石力学特性与能量特征的影响规律,利用自主研发的“多功能真三轴流固耦合试验系统”开展了砂岩真三轴加卸荷力学特性试验,实现了最小主应力方向上的单面卸荷,模拟实际围岩应力演化过程。试验结果表明：随着卸荷速率的增大,砂岩破坏时的最大主应力、最大主应变、最小主应变和体积应变均减小、中间主应变增大,扩容起始点提前,岩样破坏模式逐渐由剪切破坏转为张拉破裂,且张性裂纹多集中于卸荷面附近。加载速率的增大,砂岩破坏时的最大主应力、最大主应变、最小主应变和体积应变增大,扩容起始点滞后,岩样破坏模式逐渐由张剪破坏转向剪切破坏,产生非贯通性裂纹。引入应变偏应力柔量分析不同加卸荷速率下砂岩变形规律,最小主应变和体积应变的偏应力敏感性与卸荷速率呈正相关,最大主应变的偏应力敏感性与加载速率呈正相关。此外,岩石在峰值应力前能量演化有明显的阶段性,峰前吸收的能量大多以可释放弹性应变能的形式存储,耗散能在峰后超过弹性应变能。耗散能比例Ud/U随着最大主应变的增加呈现出先增后降再增的趋势,峰值应力时Ud/U随着卸荷速率的增大而减小,随着加载速率的增大而增大。达到峰值应力时,岩石吸收的总能量U、弹性应变能Ue、耗散能Ud和相应的应变能增量与时间间隔的比值u均随着卸荷速率的增大而减小,随着加荷速率的增大而增大。     

真三轴条件下卸载速率对砂岩力学行为和能量演化的影响研究

通过真三轴流固耦合试验系统对砂岩进行真三轴加卸载试验，研究不同最小主应力方向卸载速率对砂岩试件的力学行为和能量演化特性的影响。试验结果表明：随着卸载速率增加，体积最大压缩量减小，达到最大压缩量所需的最大主应变也减小；卸载速率增加使岩样中间主应力系数增加，而静水压力和剪切应力值均减小；随着卸载速率增加，峰值处总能量下降，弹性能呈现出先增加后趋于平稳的趋势，耗散能呈下降趋势。试验开始到最大压缩点之前为阶段Ⅰ,最大压缩点之后到峰值处为阶段Ⅱ。随着卸载速率增加，在阶段Ⅰ中，耗散能转化速率增加程度较低，岩样变形以弹性为主；在阶段Ⅱ,耗散能转化速率增加程度较高，岩样变形以塑性为主。研究结果对控制岩石变形和破坏具有指导意义。     

爆破震动对地下管道的影响规律探究

为研究在爆破震动作用下地下管道破坏规律,开挖沟槽填埋管道并进行爆破实验,测出爆破震动速度和主频率与地下管道轴向和环向的拉伸应变和压缩应变值,得出管道应变变化规律;通过对爆破震动速度和应变峰值进行拟合,得出爆破震动速度和应变峰值间的关系。结果表明:爆破震动作用下,管道轴向和环向的拉伸应变值大于轴向和环向的压缩应变值,管道轴向和环向容易因共振效应和爆破震动速度大而产生较大的拉伸应变值,管道轴向和环向容易因共振效应而产生较大的压缩应变值,使管道发生破坏。     

单-双孔爆炸荷载作用下应变测试试验

预裂效果是低渗透高瓦斯煤层深孔爆破增透技术的关键。采用超动态应变测试系统,实测了单孔起爆和双孔同时起爆作用下有机玻璃板中爆炸产生的应变波,对测试得到的轴向和切向爆炸应变波信号进行了分析。结果表明:单孔起爆产生的裂纹长度有限,双孔起爆由于应力波叠加作用产生的主裂纹长度扩展效果明显;应变波波形包括两个部分,首先以压缩为主的应变作用使裂纹产生,然后以拉伸为主的应变作用使裂纹长度扩展,且拉伸应变峰值是导致裂纹长度扩展的主要原因;双孔同时起爆爆炸拉伸应变峰值是单孔起爆的3~6倍,说明多点爆炸荷载对介质的作用并不是单纯的数值叠加。研究结果为进一步认识爆破破岩机理和爆破预裂技术提供新的试验依据。     

中俄原油管线冻土融沉对输油管道应变的影响研

中俄原油管线所穿越的欧亚大陆冻土区稳定性较差，差异性地质构造普遍存在，管道正常运行极易引发融沉灾害，造成管沟积水，影响管道安全运行。利用Abaqus软件建立管—土三维有限元模型，基于应变设计准则考虑管线钢的材料非线性特性，研究分析管道穿越冻土融化区域时管道的应变变化规律及融化段长度、融化深度、管道内压3种参数对管道应变的影响。研究结果表明，管道处于冻融区域时会产生3个应变集中区，最大等效应变值出现在管道顶部即融化段中部。融化段长度对管道应变影响最大，内压次之，融化深度影响最小。研究结果可为今后冻土地区埋地管道工程的运行维护提供理论参考，以保证管道在服役期内安全运行。     

郓城煤矿主井外壁混凝土应变的实测及分析

为了深入研究井壁的受力与变形规律,在郓城矿冻结法凿井过程中,开展了井壁应力、应变的现场实测研究。通过郓城主井冻结凿井现场实测,获得了郓城主井外层井壁混凝土应变的变化规律,并与混凝土允许应变值或极限应变值进行对比分析,预测了外壁的安全性。分析得出：郓城主井外壁混凝土环向受压很大但远小于高强混凝土的极限压应变,最大竖向拉应变较大但主要出现在混凝土强度已充分增长后,因此井壁是安全的。     

单轴压缩条件下岩体内部蠕变特性试验研究

基于岩体相似匹配特性,采用铁晶砂胶结岩土相似材料制作正方体似砂岩试块,试验前把改进的三维直角式接触应变花预埋进试块内部,接着在岩石蠕变仪上进行岩体相似模拟试块的蠕变试验。通过分析试块内部应变的测量结果,得出岩体内部某点蠕变变形的三维应变状态矩阵,通过假定试块中心点O为空间直角坐标系原点(0,0,0),α角为射线OA在x Oy平面上投影与x轴的夹角,β角为射线OA在y Oz平面上投影与z轴的夹角,用点O(0,0,0)、α角、β角便可以确定射线OA的三维空间位置。接着利用三维应变矩阵反算任意时刻OA方向应变值达到最大时所对应的α、β角度就可以表征岩体内部的蠕变特征。计算结果表明:α、β角度值和最大应变值在低荷载阶段均呈稳定发展;在高荷载阶段,当隐性裂纹产生时,α、β角度值和最大应变值在同一时刻发生突变且角度值和应变值的突变方向相反。     

鼠笼式煤矸分离装备破碎杆动态特性研究

为避免鼠笼式选择性煤矸分离装备破碎杆屈服变形,利用显示动力学分析软件LS-DYNA对不同杆径和杆长破碎杆受冲击过程进行了动力学仿真,根据仿真结果可以看出:约束处最大应力和被冲击点最大应力、应变与杆径呈指数关系;约束处最大应力和被冲击点最大应力、应变与杆长之间呈二次函数关系。     

真三轴采动卸荷条件下砂岩扩容行为和非共轴性研究

在实际地下工程开挖中,岩石处于采动应力状态,其采动应力路径用应力Lode角表示。基于多功能真三轴流固耦合试验系统,开展相同静水压力、不同应力Lode角的真三轴力学试验,研究不同应力Lode角对砂岩的扩容特性和非共轴性的影响。试验结果表明：应力Lode角的增加在一定程度上反映出卸荷作用对砂岩真三轴试验变形的影响。对比应力Lode角在-30°～0°和0～30°的主应力变化量可以发现：最大主应力变化量比较均匀,中间主应力变化量下降,最小主应力变化量上升。随着应力Lode角的增加,最大主应变压缩程度下降,中间主应变由膨胀转变为压缩,最小主应变膨胀程度增加,且最小主应力方向的膨胀量相对于最大主应力方向的压缩量增加。应力Lode角从-30°变化到30°,随着最大主应变的增加,体积应变呈现先减小后增加的趋势。引入应变偏应力柔量,随着应力Lode角的增加,广义剪切应力对最大主应力方向的压缩变形作用减弱,对最小主应力方向的膨胀变形作用先增强后趋于平稳;体积应变偏应力柔量整体呈现下降趋势。非共轴性表现为应力路径和应变路径不重合,不同应力Lode角下的应变路径均向低Lode角方向演化。引入偏转量,应力Lod...     

厂房下开采力学预计

传统法预计的危险变形区不一定是力学预计的主应变危险区。如文中原法预计的主加固房却位于力学预计的微应变区，可不必加固，其邻接小房采动过程中安然无恙就是明证。     

基于数字图像相关方法的单轴压缩煤样应变局部化过程试验

为了进一步揭示煤样的应变局部化过程,利用数码相机记录单轴压缩煤样一个观测表面的散斑场,采用数字图像相关方法计算应变场,根据清晰应变局部化带位置布置相互垂直的测线,获得了最大剪切应变的变异系数与纵向应力的依赖关系。研究发现:(1)子区尺寸及测点间距不会对最大剪切应变的变异系数-纵向应变曲线的发展趋势产生影响;(2)应变局部化带法向的最大剪切应变分布左右并非严格对称,应变局部化带切向的最大剪切应变分布并非均匀,前者应与煤的非均质性有关,后者反映了应变局部化带的传播;(3)随着纵向应变的增加,应变局部化带宽度有变窄的趋势,应变局部化带法向的最大剪切应变剖面有变陡峭的趋势;(4)只有应变局部化带经历由模糊到清晰的过程才能引起最大剪切应变的变异系数的突增,此时,应变局部化出现时的纵向应力与单轴抗压强度之比为0.56。     

导水断裂带发育高度的数值模拟

结合工程实例,采用ANSYS-2D,FLAC-2D和FLAC-3D程序对导水断裂带发育规律进行了大量计算和分析,认为:ANSYS-2D宜采用主应变指标来确定;FLAC-2D宜采用塑性区范围来确定;FLAC-3D宜采用应变增量（曲率）指标来确定.     

小应变范围内土体力学特性的试验研究

处于小应变范围(0．01％～0．3％)的土体在工程中广泛存在，所以对这一范围内土体特性刻画的准确与否将对数值计算结果产生较大的影响，到目前为止，对土体小应变特性的研究还不是十分深入，针对这一现状，采用由英国GDS公司进口的标准应力路径三轴测试系统对小应变范围内土体力学特性研究．得出一些有益的结论。     

基于偏应力第三不变量的窄煤柱合理宽度确定

为解决王家岭矿20103运输平巷窄煤柱合理宽度留设问题,提出了以偏应力张量第三不变量J_3为指标的研究方法。偏应力张量第三不变量表征了介质点应变行为,通过数值模拟手段进行围岩J_3来确定最优煤柱宽度问题。柱宽方案对比得出,8 m柱宽时,巷道实体煤区顶板围岩为低强度压缩应变状态,煤柱区顶板围岩为平面应变或低强度的拉伸应变状态,最终确定20103运输平巷合理的窄煤柱宽度为8 m。数值模拟和现场应用表明:剧烈综放采动影响下,8 m的窄煤柱仍存在有2~3 m的弹性核;现场未发现窄煤柱失稳现象且巷道服务状况好。     

等径角挤压的上限解分析

采用上限法分析模具外角=0和模具内角=90°时的挤压力。结果表明,当=90°时,单位挤压力q和等效应变εe随ψ的增大而减小,且单道次最小等效应变不小于0 90。随着模具外角ψ的增大,ECAP所需的最大挤压力减小,但当ψ大于3 0°以后,最大挤压力减小的趋势变得平缓。实测的最大挤压力与上限解数值吻合。模具外角ψ在等径角挤压过程中的影响应引起足够的重视     

桩基承载力动态测试研究

通过简单回顾国内外桩基动态测试应用研究的历史与现状．总结作者十余年在湖南的现场测试经验，采用一维单自由度模式分析系统最小激振力，利用一雏杆件振动模式．导出桩土系统的一阶与二阶振动频率，得出桩基位移与激振力的公式，从而克服了“低应变”法的计算“参振系统”缺陷．也避免了“高应变”法的激振能量太大而导致桩土系统进入较大的塑性破坏，从而能较好地解决桩基础承载力测试的工程应用问题。同时介绍作者的桩基承载力动态设计与测试分析应用系统PDDA的工程特性。     

高强度开采工作面煤岩灾变的推进速度效应分析

高强度开采工作面煤岩灾变存在冲击特征,采场围岩控制困难。采用室内试验、理论分析及数值模拟等综合研究方法,分析高强度开采条件下煤岩变形破坏和围岩应变能分布特征,并揭示采场煤岩动力灾变发生机制。研究表明：煤岩属于率相关材料,随着加载速率的提高,受压煤岩破坏形式由静态变为动力破坏,在后破坏阶段,存储于煤岩中的应变能降低形式以塑性功耗散转变为整体破坏后的快速释放,破坏用时减小;随着工作面推进速度提高,煤壁前方煤体中最大主应力加载速率和最小主应力卸载速率均增大,浅部煤体应变能密度升高,致使围岩发生动力灾变概率和危害程度升高;基本顶突然断裂和滑落,将贮存于顶板中的应变能快速释放并向下位煤岩传递,使煤层中应变能密度迅速升高,促使煤岩发生动压冲击性煤壁破坏;基本顶断裂前、后,煤体中应变能密度峰值点之间距离为超前段回采巷道动力灾变危险区,是采场围岩控制的重点区域。     

临涣煤矿井壁应力监测与井筒附加力计算

通过对临涣煤矿主井井壁应变的监测得出：井壁竖向、环向压应力的变化特性；井壁竖向应力随井深呈线性增加的规律；深部井壁最大主应力增量方向近似于井筒轴向等结果。同时对作用到井筒上的竖向附加力进行分析计算，得出地层作用到井筒上的最大竖向附加力和最小（滑动）附加力的大小，为新井井壁设计提供了现场实测的参考数据。     

采动影响下硐室群稳定性预测研究

在受采动影响情况下,为了判断岩体内硐室群的稳定性,提出了利用概率积分法与Drucker-Prager准则相结合的判断方法.在极坐标系统下,根据概率积分法原理,推导出岩体内任意一点的εx,εy,εz,γxy,γxz,γyz等6个变形分量;以此为基础,求出该点的最大主应变、中间应变、最小主应变,利用Drucker-Prager准则,求出应力差Δf;若Δf大于零表明该点己破坏,若小于零表明该点不受采动影响.利用自主开发的判别程序,生成离散数据,借助Grapher4.0后处理平台,生成可视化图形,进而直观地判断岩体内硐室群的应变状态是否达到破坏.工业性试验表明该方法判断岩体内硐室群受开采影响情况下具有一定的可靠性.