高强度红砂岩峰后分级加载蠕变及强度特征

通过RLW-2000型伺服流变仪,对一组红砂岩8个试样进行峰后分级加载蠕变试验,研究了红砂岩峰后蠕变基本特性,确定了试样峰后蠕变破坏强度与卸载峰值强度、瞬时强度的关系,分析了蠕变试验曲线与理论曲线内在机制,探讨了试样峰后蠕变破坏的基本形态。结果表明:随着应力水平提高,峰后红砂岩试样瞬时应变呈近线性增加趋势;在相同应力水平下,随着蠕变破坏强度的增加,瞬时应变呈微小增加趋势;随着应力水平提高,试样蠕变应变表现为减小-平稳-增加-急速增加的S曲线增加趋势,最后一级应力水平下,试样呈非衰减蠕变,蠕变应变加速明显;在相同应力水平下,随着蠕变破坏强度增加,蠕变应变呈轻微减小趋势;试样峰后蠕变破坏强度分别达到卸载峰值强度与瞬时强度的84.00%与79.92%,卸载峰值强度是瞬时强度的95.27%;伯格斯流变模型能较好地表征蠕变试验曲线,高蠕变应力水平下蠕变试验曲线与理论曲线相关性大于低蠕变应力水平;试样破坏形态表现为压剪破坏主控面与无规则弱化区的复合,蠕变破坏强度越小,主控面角度与弱化区范围越大,而卸载峰值越大,主控面越明显。     

基于围压增量的岩石峰后蠕变试验研究

为研究围压增量对岩石峰后蠕变过程的影响,使用MTS815岩石力学试验系统,对加工成型的岩石试件进行三轴等应力蠕变实验,在峰后恒载蠕变之前对试件施加围压增量,得出增加围压后的岩石峰后蠕变曲线并分析研究.结果表明:主动增加围压改变了试件蠕变变形特性,其蠕变曲线出现了明显的减速蠕变阶段,岩石变形速率显著降低,失稳破坏时间大大延长.这一蠕变规律为矿井巷道支护参数的确定提供了新的理论参考,巷道围岩破裂失稳时间对围压增量的敏感性值得更深入的研究.     

不同加载速率对类软岩三轴峰值强度的试验研究

利用相似材料配制类软岩试件,对类软岩试件进行不同围压下不同加载速率的三轴破坏室内试验,分析了不同围压下不同加载速率对类软岩的应力应变曲线、三轴峰值强度、轴向应变等物理参数的影响。得出结论,相同围压下,类软岩试件峰值强度、应变整体上随加载速率增大先升高后降低,但相比围压为0的环境,峰值强度降低缓慢;相同加载速率下,围压越高,峰值强度和应变越大;加载速率为0.5 MPa/s时,相邻围压间的峰值强度差值较为均等。     

分级加载速率对无烟煤蠕变特性的影响规律试验研究

为研究分级加载速率对无烟煤蠕变特性的影响规律,通过进行4种不同分级加载速率下无烟煤三轴蠕变试验,分析了分级加载速率和应力水平对煤样瞬时应变、蠕变应变及蠕变速率的影响规律。结果表明：在同级应力水平下,分级加载速率越大,瞬时应变越小,蠕变应变越大,但蠕变应变的增加趋势逐渐放缓;分级加载速率相同时,随着应力水平的提高,煤样瞬时应变表现为快速减小—缓慢减小—增加的整体减小趋势,而煤样蠕变应变则表现为基本不变—缓慢增加—快速增加的整体增大趋势;蠕变速率的变化过程可分为急速衰减、缓慢衰减和稳定3个阶段,同级应力水平下,分级加载速率越大,最大蠕变速率越大,蠕变速率衰减越快。     

不同加载速率下石灰岩与砂岩的声发射特征试验研究#br#

通过RMT 150b岩石力学刚性伺服机进行了不同加载速率的单轴压缩声发射试验,测试和分析了变形破坏过程中石灰岩和砂岩的声发射特性。结果表明：当加载速率增大时,强度为148.89~202.02 MPa的高强度石灰岩的单轴抗压极限强度和振铃计数极值均先增后减,而振铃计数频率先减后增;强度为77.52~94.59 MPa的低强度砂岩的单轴抗压极限强度随速率增大而减小,振铃计数极值先减后增,低速率时声发射活动在岩石损伤阶段活跃,振铃计数频率高且分布均匀,高速率时振铃计数易突增,振铃计数频率降低且分布不均。声发射能量则与振铃计数变化规律一致。研究结果对于利用声发射监测技术预测矿井围岩的失稳破坏具有一定意义。     

不同加载速率下充填体力学特性研究

地下矿山中的充填体往往会受到不同加载速率的载荷作用,因此研究不同加载速率下充填体的力学特性对矿山的安全生产具有重要意义。以湖南某铅锌矿的胶结充填体为对象,进行了不同加载速率下的单轴压缩试验,研究了其相应的力学特性。结果表明:总体而言,加载速率越大,充填体的抗压强度也越大;加载速率存在一个临界值,当超过该临界值时,随着加载速率的增大,充填体的抗压强度反而减小;灰砂比越大,充填体强度受加载速率的影响越大。     

不同加载速率下原煤与型煤的力学渗流特性对比研究

以原煤、型煤煤样为研究对象,在三轴压缩变形过程中进行渗流试验,研究了不同加载速率下煤样的力学渗流特性。研究结果表明：加载速率对原煤的弹性模量影响较大,而型煤的弹性模量变化较小,且随着加载速率的增大,原煤、型煤的峰值应力均呈现先增大后减小的趋势;在破坏阶段,型煤的破坏呈现延性特征,而原煤的破坏是突发性的,更接近于现场煤与瓦斯突出的破坏过程;同一加载速率下,型煤和原煤的渗透率虽然都随着应力的增大先减小后增大,但前期型煤的渗透率降低幅度远远大于原煤,且型煤为剪切滑移破坏形式,峰后渗透率低于初始渗透率,而原煤为剪张破坏形式,峰后渗透率激增;随着加载速率的增大,煤样渗透率呈现更明显的“V”字形走势。     

煤样分级加载蠕变破坏试验研究

为深入研究煤样分级加载蠕变的能量演化及损伤破坏特征,采用岛津AX-G250试验机对煤样进行了分级加载蠕变试验。试验结果表明:应力水平对煤样蠕变过程有显著影响,在煤样破坏前的蠕变应力水平,随蠕变应力的提高,初始减速蠕变阶段持续的时间逐渐增大;煤样分级加载蠕变能量演化过程分为能量停滞、能量稳定增加、能量显著增加和能量释放4个阶段;随蠕变应力水平的提高,弹性能耗比呈"U"型演化规律。基于耗散能量法的损伤公式表明:煤样分级加载蠕变损伤过程可分为损伤线性增加和损伤非线性显著增加2个阶段,后一阶段的出现可作为煤样分级加载蠕变破坏的前兆。     

加载速率效应对花岗岩破裂的力学性能及能量转化机制的影响

基于单轴压缩下的花岗岩破坏试验,结合岩石破坏过程中的能量转化机制,对不同加载速率下花岗岩损伤变形的力学参数、能量转化机制进行了探讨。研究表明,随加载速率的提高,花岗岩的峰值应力、起裂应力逐渐增大,峰值应变、起裂应变逐渐降低,但起裂应变与峰值应变之比却呈现先减小后增大的趋势;随着加载速率的提高,花岗岩试件的峰前总吸收能U^0、可释放应变能U^1、耗散应变能U^2均逐渐增大;当加载速率较低时,花岗岩试件沿最大主应力方向实现劈裂、张拉破坏,此时宏观破坏裂纹较少;而当加载速率较高时,岩石试件由多条裂纹贯通破坏,其破坏形式属于劈裂裂纹与剪切裂纹共同主导的混合破坏模式。     

劈裂损伤岩石胶结强化的蠕变特性与失稳模式

通过RLW-2000型三轴流变仪,对2组13个损伤试样进行胶结重增量加载蠕变试验,研究了损伤岩石胶结试样在不同蠕变应力水平下瞬时应变与蠕变应变特性,分析了不同胶结状态及胶结厚度对试样蠕变破坏强度影响,确定了胶结厚度与试样瞬时应变、蠕变应变关系,探讨了胶结试样蠕变破坏形态,确定了胶结试样蠕变破坏基本模式。结果表明:随着蠕变应力水平提高,2组试样瞬时应变均表现为减小趋势,大理岩和粗砂岩试样蠕变应变分别表现增加与减小趋势;紧缝胶结试样蠕变破坏强度大于无胶结试样,但随着胶结厚度增加,胶结试样蠕变破坏强度呈现减小趋势;在相同蠕变应力水平下,随着胶结厚度增加,胶结试样蠕变应变呈缓慢增加趋势,但蠕变应变增加幅度小于瞬时应变;紧缝胶结试样破坏主控面单一,主控面角度近似垂直,且破裂块体较大,而厚度胶结试样破坏主控面复杂,且试样上下部滑移错动失稳明显;胶结试样蠕变破坏模式分为分离破坏模式、贯穿劈裂模式与贯穿滑移模式。     

峰后破裂岩石加、卸载围压过程渗流特性的试验

针对岩石裂隙面因加、卸载围压环境而引起渗流特性的改变,采用自行研制的温度-应力-渗流多场耦合岩石三轴试验系统,开展峰后破裂岩石加、卸载围压过程的渗流试验,研究峰后岩石裂隙在不同围压加、卸载路径下的非线性渗流特征。为了量化裂隙岩石非线性渗流过程,采用Forchheimer公式对水力梯度与渗流流量之间的关系进行拟合分析,将峰后破裂岩石渗流过程划分为线性Darcy流阶段与非线性Darcy流阶段,引入非线性影响因子E,作为区分达西流与非达西流的临界点。对比加、卸载围压过程中相同渗透压力下的裂隙渗流流量与裂隙渗透性,分析产生渗流差异性的发生机制。研究表明:峰后破裂岩石在围压的加载过程中,其渗流主要表现为非线性特征,裂隙的渗透性随围压增大而逐渐减小。在高围压作用下,虽然裂隙面会产生一定程度的压缩闭合,但存在的少量张拉裂隙会逐渐扩展和连通,可能会引起峰后破裂岩石的渗透性发生改变。当围压从较高水平卸荷后,且裂隙面渗透压力处于较低水平下时,裂隙渗透性没有增加反而减小,表明裂隙面在加、卸载围压和过流冲刷的共同影响下发生了不可逆的变形,导致裂隙面开度的逐步降低。当围压卸载到与加载过程同一水平时,各级渗透压力下的渗流流量均大幅下降,表明裂隙面的渗流能力的恢复存在明显的滞后效应。     

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。     

断续双裂隙砂岩三轴卸荷蠕变特性试验及损伤蠕变模型

为研究卸荷条件下裂隙岩体的蠕变特性,以通过对砂岩切割并充填水泥砂浆制备的裂隙试样为对象,开展了恒轴压分级卸围压三轴卸荷蠕变试验。试验结果表明:试件在破坏时对应应力差最小的是缓缓和陡缓裂隙组合岩体,其次为陡陡裂隙组合岩体和完整试样;从变形特点来看,相同应力状态下,瞬时应变与蠕应变从大到小的顺序依次均为缓缓、陡缓、陡陡裂隙组合岩体和完整岩石。采用元件模型对各试件不含加速蠕变阶段的变形进行的拟合显示,可采用同一形式的本构模型对裂隙岩体和完整试样进行描述。根据这一结论提出了基于Lemaitre应变等效原理和Sidoroff能量等价原理的裂隙岩体损伤蠕变模型,并与室内试验结果进行了对比与分析。该模型可通过完整岩石蠕变模型参数推导裂隙岩体蠕变模型参数,从而建立了完整岩石与裂隙岩体间的关系。     

冲击荷载下轴压对峰后破裂砂岩力学特性的影响

针对深部工程围岩常处于峰后破裂状态且遭受动力扰动影响的特点,利用动静组合加载SHPB实验装置对经静态压缩制备的峰后破裂砂岩进行冲击压缩试验,开展一维动静组合加载下破裂岩石的力学特性研究。试验中预先设置轴向静载为8,24和48 MPa三个系列,然后进行不同应变率下冲击加载,研究轴向静载对峰后破裂砂岩动力学特性的影响。对比完整砂岩试验结果表明:轴向静载8 MPa和相近应变率条件下,峰后破裂砂岩组合强度与冲击强度均低于完整砂岩组合强度与冲击强度,两者变形模量相差不大,但峰后破裂砂岩单位体积吸收能大于完整砂岩单位体积吸收能。轴向静载相同时,峰后破裂砂岩组合强度与冲击强度均随着应变率的增大而增大;轴向静载不同时,峰后破裂砂岩组合强度随着轴向荷载的增大而增大,而冲击强度随着轴向静载的增大先增大后减小。随着轴向静载的增大,峰后破裂砂岩单位体积吸收能也随之增大。动静组合加载下峰后破裂砂岩呈剪切破坏模式,且原始裂纹影响破裂面的扩展方向。     

动荷载下峰后破裂砂岩能量耗散特征研究

采用霍普金森压杆(SHPB)实验装置对经静态压缩制备的峰后破裂砂岩进行单轴冲击试验。基于SHPB试验能量理论,研究峰后破裂砂岩在动态破坏过程中的能量耗散特征,并与完整砂岩进行对比分析。研究结果表明:动荷载作用下峰后破裂砂岩单位体积吸收能与入射能呈线性关系,且峰后破裂砂岩单位体积吸收能对入射能的敏感性低于完整砂岩;峰后破裂砂岩的破坏形态与试样吸收能量的大小相关,且存在一个吸收能量值使得峰后破裂砂岩和完整砂岩破坏程度的相对性发生改变。     

含纵向裂隙砂岩的强度劣化与加载速率效应

裂隙岩石力学行为是地下工程稳定性分析的基础。在基于西部浅埋巷道顶板受力特征分析的基础上,对单轴压缩压缩作用下含纵向裂隙砂岩的强度劣化特征及加载速率效应进行了试验研究。研究结果表明:裂隙偏移量较小(0~6 mm)时试样以劈裂破坏为主,而偏移量较大(12~24 mm)时试样出现劈裂和斜剪混合破坏,但斜剪是导致最终失稳的决定因素;随着偏移量的逐渐增大,试样承载力呈现先增大再减小后又逐渐增大的趋势,偏移量在6~12 mm之间出现一个明显的突变区域,这与试样破坏形态息息相关;随着加载速率的增大,裂隙试样承载力逐渐增大,而劣化系数逐渐减小,且表现为先剧减后平缓的分段式特征。     

掺早强剂充填体在不同加载速率下裂隙破裂特性

与传统采矿法相比充填采矿法具有环保、安全等特点而在矿山生产中广泛使用,但充填过程中充填体会受到灰砂比、级配、料浆浓度等内在因素的影响,还受早强剂、加载速率等外在因素的影响。通过不同加载速率对掺早强剂与未掺早强剂充填体进行单轴压缩试验及声发射试验,对其力学性能和声发射特性进行研究。结果表明,充填体强度在不同加载速率下会呈现先增后减的趋势,且早强剂掺量不同时充填体的强度增幅也是不同的。而基于声发射特征参数RA和AF发现,随着加载速率的增加,剪切裂隙占比减少,在达到临界加载速率后随着速率的增加剪切裂隙增加。未掺早强剂充填体与掺早强剂充填体相比,在同等速率下加载所产生的剪切裂隙占比较多。     

基于摩尔-库伦准则的岩石材料加(卸)载分区破坏特征

材料内一点的应力状态可以用摩尔圆来表示,而同一点的不同的应力状态可以用坐标系内应力圆的不断变化来表示,应力圆的变换主要可以分为"平移"、"翻转"、"半径扩大""半径缩小"4种方式,这4种方式几乎包含了岩石材料的所有加(卸)载过程;加(卸)载速率可以用来表征不同应力状态间的转化的快慢程度,加(卸)载速率并不是单纯的单位时间的变化快慢,可以是单位空间尺度的变化,如单位长度、单位深度等;基于摩尔-库伦准则对岩石材料"双向受压"、"双向受拉"和"一拉一压"3种状态下的加卸载过程进行了分析,并获得了与之对应的临界破坏方程,在此基础上,通过引入时间加权平均加(卸)载速率,进一步分析了岩石材料破坏与时间加权平均加(卸)载速率之间的关系,并以时间加权平均加(卸)载速率为基础对岩石材料破坏与否进行了分区;采用FLAC3D对7种不同加载路径下常规三轴数值模拟实验,模拟所获得材料发生破坏时最大主应力峰值与理论计算结果吻合度高达98%;同时又进行7种轴向与径向加载速率之比、4种加载速率条件下常规三轴数值模拟试验。结果表明,只有当轴向和径向加载速率之比处于一定范围时,材料才会发生破坏,加载速率与材料破坏时最大主应力峰值正相关,与最大主应力和最小主应力之比负相关。     

不同应力状态下岩石蠕变全过程

基于岩石流变理论,采用解析方法和蠕变试验分析相结合,研究了不同应力状态下岩石黏弹塑性变形全过程的表述方式、对应的本构方程、蠕变方程、蠕变破坏时间、蠕变变形与破坏属性,建立了岩石三维黏弹塑性蠕变基本方程的统一格式.该统一格式可方便描述蠕变变形全过程,包括根据不同应力状态呈现出完整3阶段全过程,或其中某2个蠕变阶段组成的蠕变变形全过程.将其应用于以西原模型表述的三轴蠕变试验,建立了相应的三轴蠕变本构方程、蠕变变形公式的显式.利用某地片麻岩蠕变试验结果,验证了所建立理论模型的正确性.