真三轴卸荷条件下砂岩力学特性和剪切变形带预测模型

中间主应力和卸载作用对岩石剪切破坏特性具有重要影响。基于多功能真三轴流固耦合试验系统，开展不同中间主应力条件下砂岩加载和卸载破坏试验，分析其变形特征和强度特性，通过建立本构关系和剪切变形带角度预测模型，研究2者对剪切变形带角度的影响规律。试验结果表明：随着中间主应力增加，岩样峰值处偏剪切应力增加，且卸载条件下增幅较小；岩样最大压缩点呈现先增加后趋于稳定的趋势，达到最大压缩点后，加载条件下岩样体积应变由膨胀逐渐变为压缩，而卸载条件下均呈膨胀趋势。随着中间主应力增加，岩样偏剪切应变陡增，卸载条件下陡增提前。在峰值处，卸载条件下应力Lode角和应变Lode角均比加载条件下的大，且2个条件下2类Lode角的差值随中间主应力增加而增大。中间主应力和卸载作用可以通过应力Lode角反映岩石屈服特性，通过应变Lode角反映岩石内部裂隙演化方向。采用等效塑性应变表征内摩擦角和剪胀角，建立由三应力不变量构成的硬化本构关系；引入相关流动法则，构建剪切变形带角度预测模型。对比试验值，发现模型预测效果良好。随着中间主应力增加，变形带角度先减小随后趋于稳定；而卸载作用会减小变形带角度，并受中间主应力影响，角度减小...     

不同加载速率下砂岩的单轴压缩试验力学特性及能量演化规律

从能量的角度出发，通过单轴压缩试验和单轴分级加卸载试验分析了砂岩在破坏过程中能量积聚和耗散的特点，并定量分析了弹性能和耗散能之间的关系。研究结果表明：( 1 ) 不同试验条件下，砂岩试样都经历了压密阶段、弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段4个阶段，随着加载速率的增加，弹性模量和峰值强度也呈现增加的趋势；( 2 ) 砂岩试样在各个阶段内都存在弹性能和耗散能，整体随加载速率的增加呈非线性增长的关系，弹性能和耗散能相互抑制的阈值为20 MPa，20 MPa之前，弹性能对耗散能抑制作用明显，20 MPa之后，耗散能对弹性能抑制作用显著；( 3 ) 单轴分级加卸载试验下，试样因疲劳损伤和裂纹界面摩擦产生的塑性变形对弹性能无影响，表现为加卸载曲线的逐渐右移，吻合单轴压缩试验对应弹性能的同时，证明了本研究方法的合理性。     

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。     

应变速率和尺寸效应对岩石能量积聚与耗散影响的试验研究

岩石的变形破坏过程是能量积聚与耗散的过程,岩石变形破坏是能量驱动的结果。基于不同尺寸与应变速率下的岩石单轴压缩试验,计算了不同尺寸与应变速率下岩样吸收的总能量、弹性应变能及耗散能,研究了能量积聚与耗散的演化规律,分析了在岩样变形破坏不同阶段的能量分配规律,并从能量角度分析了岩样破裂失稳的原因。研究表明：在单轴压缩试验时,岩样变形各阶段的能量特征有所差异,岩样吸收的总能量U0与耗散能Ud曲线呈非线性增加趋势,弹性应变能Ue曲线呈先增加后减小的趋势。岩样的能量与其高径比呈负相关的关系,两者呈幂函数关系;而与应变速率呈正相关,两者呈对数关系。岩石高径比越小或应变速率越大,岩石强度越高,单位体积岩样所吸收的能量也越高,造成岩样的破碎程度越大。在压密与弹性阶段,基本上将吸收的能量全部转化为弹性应变能储存于岩样内,弹性应变能是能量分配的主体。在塑性阶段,虽然弹性应变能的数值增大,但其所占比率有所下降;而耗散能比率有所增加,耗散能逐渐成为能量分配的主体。在峰后破坏阶段,弹性应变能瞬间释放,岩样吸收的能量几乎全部转化为耗散能,被裂隙面滑移摩擦而耗散掉,在峰后破坏阶段耗散能是能量分配的主体。     

单轴循环加卸载过程中砂岩能量变化特征实验研究

通过砂岩试样的单轴等幅循环加卸载实验,分析试样变形过程中能量变化特征。分析实验结果,发现卸载过程中,应力-应变曲线表现出明显的应变滞后现象;分析滞后能发现随着循环次数的增加,滞后能逐渐减小;不同的等幅加卸载过程,岩样能量分布略有不同,随着循环次数的增加,耗散能逐渐减小,弹性能基本保持稳定。     

高径比对砂岩能量积聚与耗散试验及分析方法

为了探究高径比对岩石能量积聚与耗散的影响,利用RMT-150B岩石力学测试系统对同直径不同长度的砂岩试件进行了单轴压缩试验、单轴循环加卸载试验以及单轴分级加卸载试验。对比砂岩单轴压缩与单轴循环加卸载曲线发现,单轴压缩曲线近似为单轴分级加卸载曲线的外包络线,并且由于“硬化”作用单轴分级加卸载强度略高于单轴压缩。通过砂岩单轴循环加卸载下力学特性分析发现随着循环次数增多,残余变形逐渐减小,直至某次循环无残余变形产生砂岩出现非线性伪弹性体特征,继续承受加卸载作用非线性伪弹性体特性消失,残余变形再次出现,因此可以将残余变形演化规律归纳为：存在较大残余变形—残余变形逐渐减小—无残余变形—再次出现残余变形。基于砂岩弹性能的演化分析发现循环次数对弹性能的影响较小,即疲劳损伤对砂岩的弹性能影响较小,则可以假定单轴分级加卸载各卸载点的荷载与单轴压缩试验的荷载相等时,两者的弹性能也相等。利用单轴分级加卸载试验各卸载点的弹性能与单轴循环加卸载首次加卸载弹性能进行比较,验证了假设的正确性。进一步对不同高径比(L/D)下砂岩的单轴压缩试验进行能量分析,发现砂岩的弹性能演化服从线性储能规律。基于砂岩的单轴分级加卸载...     

单轴压缩下节理试件的能量耗散特征研究

为探究岩体变形破坏过程中的能量转化和耗散机制,对含节理试件单轴压缩下 的单位体积外力功、弹 性应变能和耗散能密度进行计算和分析。 研究发现:①节理试件的 4 类应力应变曲 线(类型Ⅰ-单峰型,类型Ⅱ-软化 段多峰型,类型Ⅲ-多峰平台后软化型,类型Ⅳ-多峰平台后硬化—软化型)的能量转化 和耗散过程都可以分为弹性变 形、连续体非弹性变形和不连续体变形 3 个阶段;在第一阶段,耗散能占比很少,外 力功大部分转化为弹性应变能;在 第二阶段,耗散能占比急剧增加,外力功大部分转化为耗散能;在第三阶段,外力功几 乎全部转化为耗散能;与类型Ⅰ 和类型Ⅱ试件相比,类型Ⅲ和类型Ⅳ试件的连续体非弹性变形阶段的持续时间较长、 延性较大;②以劈裂、压碎破坏 为主的节理倾角较低或较高的试件,其最终的耗散能远高于以剪切滑移、阶梯状破坏 为主的节理倾角中等的试件;③ 同一节理倾角下,随着节理连通率的增大,试件破坏所需的单位体积外力功和耗散能 密度均减小;④随着节理试件耗 散能密度对数值的增加,破碎体尺寸—质量分形维数值线性增加。     

岩石加荷破坏弹性能和耗散能演化特性

开展大理岩、灰岩和砂岩的常规三轴试验,研究岩石变形过程的能量非线性演化特征。结果表明:岩样屈服前外力功大部分转化为弹性应变能存储于岩样内部,耗散能增加的很少,屈服点后耗散能快速增加,弹性能增速变缓。岩石的极限存储能具有围压效应,随着围压增加,岩石破坏时的极限存储能逐渐增加。极限存储能还与岩石本身的性质有关,岩石的强度越高,脆性越强,极限存储能愈大。灰岩极限存储能最大,大理岩极限存储能次之,砂岩极限存储能最小。根据弹性能和耗散能的演化规律,构建了岩石变形破坏过程中弹性应变能的非线性演化模型,理论模型与3种岩石的试验结果吻合较好。     

加载速率和初始损伤对砂岩能量演化影响的试验研究

为研究加载速率和初始损伤对砂岩能量演化特性的影响,通过预压使部分岩样产生初始损伤,并进行原始岩样和含初始损伤岩样不同加载速率下的单轴压缩试验,分析了砂岩试件加载速率和初始损伤影响下的能量演化特征。试验结果表明,预压产生的初始损伤较为真实地反应岩石内部随机分布的微裂隙损伤,声发射技术能较为准确地表征损伤量及其位置信息;加载速率的不同对弹性能演化过程基本无影响,但造成岩样破坏前积聚的最大弹性能增加;初始损伤的存在使弹性能增长较无损伤岩样变缓,破坏前积聚的最大弹性能减少;从能量耗散的角度建立了岩石损伤演化方程,验算结果表明基于能量耗散分析建立的岩石损伤演化方程可以很好地描述岩石的损伤演化过程。     

饱水孔道砂岩力学特性试验

针对南方广泛存在矿山岩体含水层中的砂岩,利用MTS815试验机进行不同围压下三轴压缩试验,利用RMT-150C试验机进行单轴压缩试验,结果表明:(1)单轴压缩条件下,岩样的全应力-应变曲线明显分为4个阶段:孔隙裂隙压密阶段、弹性变形至裂隙发展阶段、非稳定破裂发展阶段、峰后破坏阶段.(2)单轴压缩条件下峰后应力-应变曲线表现出悬崖式下降趋势的特征;三轴压缩条件下无明显的压密阶段,峰后应力-应变曲线表现出由弹脆性向弹塑性转化趋势的特征.(3)随着围压的增大,除泊松比表现出减小的趋势之外,其余力学参数均有增大的趋势,对峰值强度和峰值应变的影响最为显著,峰值应变逐渐增大,岩样的塑性不断增加,表现出延性破坏的特征.(4)单轴压缩条件下岩样主要以X型裂纹的剪切破裂为主,单一斜平面的剪切破裂为辅;三轴压缩条件下岩样主要以单一裂纹的剪切破裂为主.     

煤单轴抗压强度特性的加载速率效应研究

为考察加载速率对煤单轴抗压强度特性的影响规律,利用TAW-2000型电液伺服岩石力学试验系统对取自山西省正利煤矿的4~(-1)号煤进行了不同加载速率下的力学性能测试,研究了峰值强度、弹性模量、轴向应变等与加载速率的关系,并探讨了试件可释放弹性应变能与耗散应变能随加载速率的变化规律。研究表明:1)与硬脆岩石不同,煤样的峰值强度随着加载速率的增大呈现先增高后降低的趋势。2)煤样的损伤应力与加载速率呈负相关。3)加载速率越快,试件轴向载荷增加越快,但当加载速率超过1.16×10~(-3) mm/s后载荷增加速度基本稳定。加载速率越快,试件损伤应力出现的越早,试件破坏越快。4)单轴压缩试验第Ⅰ阶段煤样耗散应变能转化速率均处于较低水平,且与加载速率呈负相关,第Ⅱ阶段耗散应变能随加载速率的增加大致呈先增大后减小的趋势,各煤样耗散应变能转化速率的最大值均出现在峰值点或峰后轴向应力陡然跌落点。     

真三轴条件下砂岩强度、变形及破坏特征试验研究

研究真三轴应力状态下岩石强度、变形及破坏模式对于科学准确地预测和评价地下岩石工程稳定性具有重要的意义。通过自主研制的真三轴电液伺服控制系统开展一系列砂岩真三轴加载试验,结合CT扫描技术,系统研究了不同中间主应力影响下砂岩强度、变形及破裂特征。研究发现:随着中间主应力的增加,砂岩强度呈先增加后减小的趋势;中间主应力的增加促使该加载方向变形逐渐受到抑制,侧向膨胀主要沿最小主应力加载方向,并出现先减小后明显加快的趋势,中间主应力由对岩石的保护作用逐渐演变为损伤作用;真三轴条件下,岩样内部出现两条规则的破裂面,裂纹面沿着σ2方向,倾向于σ3方向,整体破裂形态较规整,岩样破裂面表面积随中间主应力的增加呈先减小后增加的趋势。本文研究成果对于更深入的理解真三轴条件下砂岩力学行为及破坏特征有一定的意义。     

基于损伤演化的砂岩能量参数围压效应研究

岩石材料损伤演化状态所对应的特征参数,对岩土工程的稳定性设计、预测及监测等至 关重要。 本文开展不同围压下砂岩分级循环加卸载试验,利用横向应变法和体积应变法确定受 载岩样损伤演化状态,基于损伤演化状态分析各阶段、各损伤演化特征点处能量参数演化特征及 与围压的关系。 结果表明:不同围压下,峰前各阶段能量参数随应变增大而增大;随着围压的增 大,峰值应力处的弹性应变能、耗散能突变向峰后转移;峰后残余应力阶段各能量参数降低并趋 于平缓。 σcc 处能量参数与围压成幂函数下降关系,且耗散能随围压增大趋于稳定;σci、σcd 及 σp 处能量参数随围压呈线性增加,各特征点处输入能量与弹性应变能差值随围压的变化趋势较小, 且在 σcd 处两者相对差值最小,输入能量转化为弹性应变能最多。     

循环加卸载下岩石力学性能的加载速率效应研究

矿山开采过程中存在岩石受周期性扰动影响,对岩石的力学性质产生显著影响。为了解不同循环加卸载方式下岩石的加载速率效应,对矽卡岩试样进行不同加载速率的恒下限循环加卸载和变下限循环加卸载试验,对比分析了不同加载速率两种循环加卸载方式下试样的变形特征、能量演化规律以及破坏特性。结果表明：试样的峰值强度和残余变形具有不同加速率效应,但其峰值强度相比于常规单轴压缩试验均有提升;随加载速率增大,试样各阶段的输入能、弹性能和耗散能均呈增长趋势,但表现形式有所差异;试样的破坏方式及形态均表现出加速率效应,随着加载速率的增大其破坏程度加剧。     

轴向加载速率对原煤力学和渗透特性的影响

采用煤岩流变仪对原煤进行了不同轴向加载速率下的常规三轴力学渗流试验,运用体积扩容应力、峰值应力、弹性模量和变形模量作为原煤的力学指标,发现试验所用原煤与典型的脆性岩石的规律相同,原煤作为非线性弹性材料体,4种力学指标均随着轴向加载速率的增大而增大;加载过程煤样能量耗散可分为峰前和峰后阶段,峰前阶段绝大部分吸收的能量转化为可释放弹性应变能,耗散应变能增加的速率较缓,峰后阶段弹性应变能急剧下降,大量释放并转化为耗散应变能;同时应力峰值处的总能量随轴向加载速率的增大而增大;渗透率-应变曲线总体呈现"V"字形的变化特征;在全应力-应变过程中,煤岩渗透率与轴向应变之间满足二次多项式函数关系。     

中生代砂岩细观结构对强度和能量耗散的影响

对取自东北部和西部侏罗白垩系煤矿中粒砂岩进行镜下观察,对比其矿物颗粒,胶结成分和结晶程度上的异同点,进行了三轴压缩试验和循环加载声发射试验,分析东北部和西部砂岩的强度和能量耗散特征,并用Kaiser效应和加卸载响应比理论研究了循环加载中的声发射规律。试验表明：以钙质胶结为主的东北部砂岩在Mohr-Coulomb准则下承载能力高于以钙泥质胶结为主的西部砂岩,随着压力的增大,耗散能所占比例呈现迅速降低、稳定、缓慢升高的趋势,且同等应力水平下东北部砂岩耗散能低于西部砂岩,Kaiser效应往往出现在低应力的弹性阶段,且在东北部砂岩中出现的频率和持续阶段要高于西部砂岩,加卸载响应比则出现急剧降低、缓慢平稳下降的趋势,在强度峰值点达到最小值,且东北部砂岩的加卸载响应比低于西部砂岩。东北部和西部砂岩的胶结物中泥质含量和重结晶成岩程度是产生上述力学性质和能量耗散特征差异的根本原因。     

砂岩真三轴加卸载能量特征的速率效应

基于不同加卸载速率真三轴试验,研究砂岩加卸载能量特性的速率效应。结果表明:不同加卸载速率下的能量-应变曲线总体趋势基本相同,即输入的总能前期主要储存岩石弹性能,后期主要转化为用于岩石变形破坏的耗散能;加卸载速率对能量特性存在显著影响,高加载速率或低卸载速率下,岩石破坏时的总能、弹性能、耗散能增大;加载速率越大或卸载速率越小,破坏时的应力越大,卸荷比越小,变形破坏越剧烈,当卸荷比接近最终临界值时,总能与耗散能急剧增大,此时继续少量卸载σ_3就会引起岩石剧烈变形至破坏;加卸载速率改变了岩石的能量分配。     

不同应力路径下岩石峰前卸荷破坏能量特征分析

基于岩石能量交换原理和3种不同卸荷路径下试验,研究了卸荷条件下岩石轴向吸收应变能、环向扩容消耗应变能、弹性应变能以及耗散能的演化特征与演化速率。研究结果表明:3个方案中,岩石轴向吸收的应变能主要转化为环向扩容消耗应变能,扩容程度方案III方案I方案II,而转化为耗散能较少,只有在临近破坏时耗散能才明显增加。初始围压对轴向应变能、环向扩容消耗应变能及弹性应变能的影响程度明显大于卸载路径,且都随着初始围压的增大呈近似线性增加。同一初始围压下,岩样临近破坏时存储的弹性应变能大小方案II方案I方案III,岩石发生破坏时,方案II发生岩爆的可能性最大。卸载路径和初始围压对耗散能有显著的影响。3个方案中应变能的演化速率均随着初始围压的增大而增加,初始围压对应变能演化速率的影响与卸载路径有关。     

中间主应力影响下含瓦斯复合煤岩体变形渗流及能量演化特征研究

深部环境中,复合煤岩体处于三向不等应力状态,中间主应力的存在对煤岩体变形、强度特性及能量演化特征有着重要影响。本文利用真三轴气固耦合煤岩渗流试验装置,开展了不同中间主应力条件下含瓦斯复合煤岩体变形-渗流试验研究。结果表明：(1)随着中间主应力的增大,当达到峰值强度时,试件最大主应力方向应变呈现先增大后减小的变化,中间主应力方向应变和最小主应力方向应变之间的差值越来越大;(2)低中间主应力下试件中间主应力方向呈现出膨胀变形,中间主应力较大时,ε₂-Δσ曲线达到峰值后发生回弹,中间主应力方向最终表现为压缩变形;(3)随着中间主应力的增大,试件相对渗透率系数谷值降低,相对渗透率系数曲线峰值拐点与ε₁-Δσ曲线的拐点一致;(4)达到应力峰值时,试件总输入能量先增大后减小,与试件强度变化趋势类似,弹性应变能先增大后减小,耗散能持续增大,U_e/U先升高后降低,U_d/U先降低后升高。     

不同分级循环加卸载模式下岩石能量 演化规律研究

为了深入分析循环加卸载过程中岩样能量演化规律,设计了3种不同的单轴循环加卸载试验,详细分析了不同分级循环加卸载模式下的总吸收能、弹性应变能、耗散能、塑性变形能等参数的演化特征及其相互关系,建立了耗散能与循环应力等级、循环加卸载次数变化的演化方程。结果表明:1)随着循环加卸载应力等级的提高,耗散能Use和塑性变形能Ue呈现非线性增加的趋势;2)岩样在第3种循环加卸载模式下,整体上耗散能Use和塑性变形能Ue表现出"U"形变化的规律,在第Ⅰ级和第Ⅱ级循环荷载下强化效应突出,而在第Ⅲ级和第Ⅳ级循环荷载下扰动效应突出;3)循环加卸载上限应力不变,下限应力减小时,循环荷载对岩样的损伤效应比其强化效应明显;4)循环加卸载作用下岩样的耗散能Use与循环荷载应力等级、循环次数相关,可以采用非线性曲面较好的拟合,这为采用耗散能Use来定量分析循环加卸载过程中岩样的损伤奠定了较好的基础。