单轴压缩煤岩损伤演化及声发射特性研究

 为建立声发射参数与岩石(煤岩)力学破坏机制的关系,更好地了解受载煤岩体的损伤演化规律,进一步揭示煤岩动力灾害演化过程及灾害时间效应产生机制,利用MTS815岩石力学测试电液伺服试验系统和8CHS PCI–2声发射检测系统,对单轴压缩煤岩的损伤演化及声发射特性进行试验研究,分析单轴压缩煤岩的声发射特性,提出基于“归一化”累积声发射振铃计数的损伤变量,建立基于声发射特性的单轴压缩煤岩损伤模型,得出煤岩的损伤演化曲线和方程。研究表明,声发射信息反映煤岩内部的损伤破坏情况,与其内部原生裂隙的压密及新裂隙的产生、扩展、贯通等演化过程密切相关,煤岩的声发射特征能较好地描述其变形和损伤演化特性。基于声发射特性的单轴压缩煤岩损伤模型是合理的。单轴压缩煤岩损伤演化过程可分为3个阶段：初始损伤阶段、损伤稳定演化和发展阶段、损伤加速发展阶段。煤岩由变形至破坏可视为一逐渐发展过程：由变形、损伤的萌生和演化,直至出现宏观裂纹,再由裂纹扩展到破坏的全过程。     

蠕变作用后大理岩强度与变形特性试验研究

为研究蠕变行为对岩石力学性质的影响,分别在裂隙压密阶段、弹性阶段、裂隙稳定扩展阶段和非稳定扩展阶段,对大理岩进行不同应力水平和时间的蠕变预处理,卸载后再进行单轴压缩破坏试验,分析不同条件蠕变作用后大理岩强度与变形特性的变化规律,同时提出采用体变速率进行岩石变形阶段划分的新方法。结果表明:(1)裂隙压密和弹性阶段蠕变对大理岩力学性能起强化作用,随蠕变时间增长,强度和弹性模量增大,泊松比减小,且弹性阶段蠕变的强化程度大于压密阶段。裂隙稳定扩展阶段蠕变呈现相反的变化规律,起劣化作用,而岩样在非稳定扩展阶段蠕变预处理时快速破坏;(2)依据扩容速率可将岩石变形过程分为3个阶段,分别为平稳压缩阶段、加速扩容阶段及减速扩容阶段;(3)裂隙压密和弹性阶段蠕变后,大理岩峰值扩容速率随蠕变时间增长略有减小,裂隙稳定扩展阶段蠕变后则随蠕变时间增长显著增大;(4)原始岩样和蠕变作用0 h后岩样的单轴压缩破坏形态以单一剪切面破坏为主。随蠕变时间增长,裂隙压密和弹性阶段蠕变后岩样破坏形态转为沿轴向劈裂破坏,裂隙稳定扩展阶段蠕变后转为剪切、劈裂组合破坏,除几条主裂隙外,还伴随众多次生裂隙。     

分级加载条件下岩石流变特性的试验研究

以红砂岩为例,采用重力加载式流变仪,在分级加载条件下对岩石的蠕变特性进行了单轴压缩蠕变试验研究,重点观察和分析了蠕变条件下岩石的弹性模量和泊松比的变形效应,同时对其他时效变形特点进行了分析。试验结果表明,侧向稳定蠕变阶段的应力门槛值低于轴向稳定蠕变的应力门槛值;侧向蠕变有明显的加速蠕变阶段,且比轴向加速蠕变阶段出现得早,而轴向蠕变的第三阶段则不太明显,一经出现试样随即破坏。在单体分级加载条件下,受蠕变的影响,随应力水平和变形量的增加,岩石的瞬时弹性模量有明显的增大,泊松比的变化则更为显著。     

基于反S函数的盐岩单轴压缩全过程蠕变模型

为了研究盐岩的蠕变特性,对盐岩试件开展不同轴向应力下的单轴压缩蠕变试验。试验结果显示,盐岩稳态蠕变率和相同时刻的蠕变应变均随轴向应力增大而非线性增大,两者随轴向应力的变化规律均可用指数函数描述;盐岩蠕变过程具有非线性特征,且轴向应力越大、蠕变时间越长,非线性特征越明显。为了确定盐岩长期强度,提出一种改进的稳态蠕变率拐点法,该法确定的盐岩长期强度值与等时应力–应变曲线拐点法确定的结果非常接近,可为类似研究提供一定的借鉴。从唯象学的角度出发,通过对S形函数求反函数的方法,提出一种新的岩石单轴压缩全过程蠕变模型,并利用盐岩蠕变试验结果对模型合理性进行验证。结果表明,该模型不仅能够描述盐岩在低应力水平下的衰减蠕变和稳态蠕变,还能反映高应力水平下盐岩单轴压缩蠕变破坏全过程,特别是能够反映加速蠕变。模型以一个统一的表达式即可描述盐岩单轴压缩蠕变全过程的3个阶段,克服了元件组合模型需要分段处理的缺点;同时,该模型表达式非常简单,方便应用。     

基于分数阶微积分的岩石非线性蠕变损伤力学模型

借鉴元件组合模型的建模方法,将含分数阶导数的软体元件与虎克体串联,引入能反映应力水平和时间影响的损伤变量,提出一种四元件非线性蠕变损伤模型,并给出该模型的本构方程和蠕变方程.在应力水平较低时,模型能够有效地描述岩石的衰减蠕变和稳定蠕变;当应力水平超过岩石的长期强度时,能够反映加速蠕变特性.利用蠕变试验数据对所提出的模型进行辨识,结果表明该模型不但能够很好地描述蠕变曲线中衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段,而且可以在保证拟合精度的条件下减少模型中的参数,为非线性蠕变模型研究提供了一种新的思路.     

原状网纹红土的单轴蠕变模型研究

网纹红土具有一定的蠕变特性,相关研究中多运用参数少、适用性强的Singh-Mitchell模型来描述网纹红土三轴蠕变试验,但还未建立合适的网纹红土单轴蠕变模型。为进一步研究在工程实际中应用更为广泛的单轴蠕变试验条件下网纹红土的蠕变及其规律,采用长沙市岳麓山地区原状网纹红土进行了一系列分级、分别加载的单轴蠕变试验。在此基础上引入Singh-Mitchell模型研究试验结果,给出了试验曲线与模型曲线的比较情况,结果表明Singh-Mitchell模型适用于单轴蠕变试验,且该模型一般情况下能更好地描述分别加载条件下的蠕变特性。     

考虑层理方向效应煤岩巴西劈裂及单轴压缩试验研究

 针对淮南矿区B10煤层以水平层理为主,且层理性较强的特点,通过巴西劈裂及单轴压缩试验,研究煤岩在垂直和平行于层理面方向上的拉、压力学特性。研究结果表明：(1) 煤岩垂直和平行于层理面方向抗拉强度均具有明显的离散性,但前者离散程度更大;对比两者均值,前者显然小于后者,各向异性显著。(2) 宏观煤岩成分分布的随机性及其物理力学性质的差异是导致煤岩抗拉特性离散性的重要条件;而宏观煤岩成分的条带状分布特点,以及煤岩割理系统分布的方向性,则是决定煤岩力学特性各向异性的内在原因。(3) 煤岩垂直与平行于层理面方向单轴压缩轴向应力–应变曲线相比,前者峰前变形特征相似,力学性态稳定,峰后应力跌落迅速,脆性特征明显;后者则峰值前、后各曲线均变形各异,力学性态不稳定。煤样的轴向峰值应变均小于1%,变形特征属脆性破坏。(4) 垂直和平行于层理面方向单轴压缩煤样的断口破坏形态分别以剪切和劈裂破坏为主,且2个方向的单轴压缩强度及变形参数均具有明显差异,各向异性特征显著。(5) 煤岩垂直和平行于层理面方向单轴压缩特性均具有一定的离散性,但后者离散程度更大。(6) 煤岩单轴抗压强度远大于抗拉强度,垂直和平行于层理面方向单轴抗压强度分别为抗拉强度的40.1和14.7倍。     

珊瑚砂微生物固化体单轴损伤本构模型

利用MICP技术固化南海某岛礁吹填珊瑚砂,对固化体试样进行了单轴抗压强度试验,基于损伤力学理论建立了单轴压缩条件下的固化体损伤本构模型。结果表明:利用MICP技术得到的珊瑚砂微生物固化体无侧限抗压强度均大于5 MPa,固化体单轴受压应力-应变曲线可大致分为压密阶段、弹性阶段、塑性阶段与破坏软化阶段。基于连续介质损伤力学理论,假定固化体微元强度服从双参数的Weibull分布,考虑应力-应变曲线特征进行参数简化后建立了单轴压缩条件下的损伤本构模型;模型采用经验拟合方程与损伤本构方程结合的分段函数形式,用试验资料初步验证了模型的合理性。     

互层状岩体黏弹塑性流变特性的数值分析

 对锦屏II级水电站辅助交通洞的绿片岩进行单轴压缩蠕变特性试验,并以绿片岩和大理岩互层的层状岩体为研究对象,采用FLAC3D对互层状岩体进行单轴压缩蠕变试验的数值分析。试验和数值分析结果表明：当大理岩夹层倾角小于60°时,互层状岩体的破坏强度随着夹层倾角的增大而减小,但当夹层倾角大于60°时,互层状岩体的破坏强度反而随着夹层倾角的增大而增大;当大理岩与绿片岩之间的破坏强度比值较小时,采用Reuss模型和Voigt模型预测复合层状岩体的破坏强度是合适的。     

含瓦斯煤岩三维蠕变特性及蠕变模型研究

 研究含瓦斯煤岩的三维蠕变特性是理解煤与瓦斯突出孕育过程中瓦斯和煤岩相互作用关系的重要方面,而目前含瓦斯煤岩三维蠕变特性的研究很少,因此需要进一步深入研究含瓦斯煤岩的三维蠕变特性。基于这一认识,采用自行研制的含瓦斯煤岩蠕变实验装置,对取自重庆松藻煤矿的煤样进行含瓦斯煤岩三轴蠕变试验。研究结果表明,含瓦斯煤岩的三轴蠕变特性具有明显的蠕变规律。在含瓦斯煤岩三维蠕变特性的基础上,通过改进西原模型的参数,建立改进的西原模型,由此推导出含瓦斯煤岩三维应力状态下的蠕变方程,并通过拟合得到蠕变方程中的各个参数。利用含瓦斯煤岩的蠕变试验结果,对三维蠕变方程进行验证,发现理论结果与试验数据有着很好的一致性。研究结果表明,由改进的西原模型推导出的含瓦斯煤岩三维蠕变方程能真实反映含瓦斯煤岩的蠕变特性。