不同围压作用下煤-岩组合体破坏行为及强度特征

通过MTS815试验机对钱家营矿煤-岩组合体进行常规三轴压缩试验。研究表明:围压作用下煤-岩组合体压密阶段较短,具有明显的线弹性及塑性屈服阶段,且随着围压的增大,峰后延性特征明显;根据峰值应变、弹性模量、破断角、强度的变化规律,10~15 MPa为组合体变形减缓的临界区间;煤样破坏主要以单斜面剪切破坏为主,并且个别岩体部分产生与煤样一致的剪切面,破断角处于14.1°~38.8°,均值为26.84°与理论破断角28.31°相差不大;随着围压的增大,残余强度有增高趋势,岩石强度衰减系数与之相反。围压从0~5 MPa,强度衰减系数降幅最大,体现出对围压的敏感性,随后围压继续升高,强度衰减系数呈线性递减;利用Hoek-Brown和广义HoekBrown准则对煤-岩组合体强度进行分析,讨论了适用于煤-岩组合体的参数m,s值。     

Effect of confining pressure on deformation and failure of rock at higher strain rate

Influence of confining pressure from 0 to 28 MPa, which acts on the two lateral edges of rock specimen in plane strain compression, on the shear failure processes and patterns as well as on the macroscopically mechanical responses were numerically modeled by use of FLAC. A material imperfection with lower strength in comparison with the intact rock, which is close to the lower-left corner of the specimen, was prescribed. In elastic stage, the adopted constitutive relation of rock was linear elastic; in strain-softening stage, a composite Mohr-Coulomb criterion with tension cut-off and a post-peak linear constitutive relation were adopted. The numerical results show that with an increase of confining pressure the peak strength of axial stress-axial strain curve and the corresponding axial strain linearly increase; the residual strength and the stress drop from the peak strength to the residual strength increase; the failure modes of rock transform form the multiple shear bands close to the loading end of the specimen （confining pressure=0-0.1 MPa）, to the conjugate shear bands （0.5-2.0 MPa）, and then to the single shear band （4-28 MPa）. Once the tip of the band reaches the loading end of the specimen, the direction of the band changes so that the reflection of the band occurs. At higher confining pressure, the new-formed shear band does not intersect the imperfection, bringing extreme difficulties in prediction of the failure of rock structure, such as rock burst. The present results enhance the understanding of the shear failure processes and patterns of rock specimen in higher confining pressure and higher loading strain rate.     

承载围岩渗透率演化模型及数值分析

为反映承载围岩变形破坏过程中渗透率的变化,将岩石变形破坏过程视作弹-脆-塑过程,分析了岩石全程应力-应变-渗透率关系,建立岩石渗透率演化数学模型。模型中岩石单元的渗透率演化包括如下阶段:①岩石单元破坏前,渗透率为孔隙率的函数;②若岩石单元发生剪切破坏,假设岩石单元剪胀扩容在单元体内引起两条斜交裂隙;③若岩石单元发生拉破坏,体积膨胀在单元体内引起两条正交的裂隙。基于平行板的渗透率立方体定律计算破坏岩石单元的渗透率,进而建立了承载岩石弹性变形、脆性破坏全过程的岩石渗透率演化模型。在FLAC软件下利用Fish函数方法实现了该模型。数值算例研究了不同围压下加载立方体岩样的渗透率演化过程,结果表明:建立的模型可以较合理地反映承载岩石弹性变形和破坏引起的渗透率变化,也可以较合理地反映围压对岩石渗透率的影响。     

Analyses of axial,lateral and circumferential deformations of rock specimen in triaxial compression

The axial, lateral and circumferential strains were analyzed for a rock specimen subjected to shear failure in the form of a shear band bisecting the specimen in triaxial compression. Plastic deformation of the specimen stemmed from shear strain localization initiated at the peak shear stress. Beyond the onset of strain localization, the axial, lateral and circumferential strains were decomposed into two parts, respectively. One is the elastic strain described by general Hooke’s law. The other is attributable to the plastic shear slips along shear band with a certain thickness dependent on the internal length of rock. The post-peak circumferential strain-axial strain curve of longer specimen is steeper than that of shorter specimen, as is consistent with the previous experiments. In elastic stage, the circumferential strain-axial strain curve exhibits nonlinear characteristic, as is in agreement with the previous experiment since confining pressure is loaded progressively until a certain value is reached. When the confining pressure is loaded completely, the circumferential strain-axial strain curve is linear in elastic and strain-softening stages. The predicted circumferential strain-axial strain curve in elastic and strain-softening stages agrees with the previous experiment. Supported by National Natural Science Foundation of China(50309004)     

剪切载荷作用下岩体结构面动态接触特征数值模拟

准确认识岩体结构面的动态接触特征是评价和预测结构面剪切行为的基础.首先,通过FISH语言修正了FLAC3D软件自带的INTERFACE本构模型,使其能够准确表达粗糙结构面在剪切过程中的力学行为;然后,采用数值模拟和室内试验相结合的方法对剪切过程中结构面接触和受力的分布及其演化规律进行了研究,分析了法向应力和结构面粗糙度...     

含贯通-非贯通交叉节理岩体等效弹性模型及强度特性

基于等效弹性模型的方法,构建综合考虑含贯通-非贯通交叉节理岩体宏细观缺陷的复合损伤模型。首先,将贯通节理部分看成一定厚度的独立材料,其主要产生闭合变形及沿节理面的剪切变形,其储存弹性应变能及剪切应变能;其次,基于断裂力学及应变能理论相结合,将交叉节理中的非贯通节理岩体部分看成岩体内部宏观损伤,对节理尖端的应力强度因子进行了计算,推导得出了储存在非贯通节理中的应变能计算公式,并将岩体内部的细观损伤按Weibull分布描述,建立综合考虑宏细观缺陷的节理岩体复合损伤模型;再次,对交叉节理岩体的强度准则进行了讨论,构建考虑交叉节理不同强度准则的等效弹性模型;最后,将计算结果与试验结果进行了比较分析,模型计算结果与试验结果吻合较好,证明了模型的合理性,同时讨论了贯通节理倾角、非贯通节理倾角对岩体峰值强度及破坏准则的影响,以及非贯通节理贯通率对初始损伤变量影响规律。     

基于三剪能量理论的巷道围岩弹塑性分析

针对弹塑性圆形巷道,应用三剪能量屈服准则,理论推导了塑性区半径、应力及径向位移公式,在塑性区半径公式的基础上,应用Mohr-Coulomb准则,进一步推导了破裂区应力及位移公式;通过具体算例,分析了不同影响因素对塑性区半径的影响。实例表明：原岩应力、黏聚力、支护反力、围岩应力对塑性区半径有一定影响。原岩应力及支护反力均随塑性区半径的增大而增大,但支护反力对塑性区半径的影响变化不大,当增大到一定程度时,半径将保持不变;黏聚力随塑性区半径的增大而降低;围岩应力随塑性区半径的增大而增大,当半径达到塑性区半径时,切向应力将保持不变,其值为原岩应力值,而径向应力在一定范围内仍将保持递增,但递增率减小,一直到原岩应力值;对比于单剪条件（Mohr-Coulomb准则）,得出了三剪能量准则条件下的巷道围岩弹塑性公式比Mohr-Coulomb准则条件更为准确的结论。     

深部软弱地层TBM围岩力学行为试验研究

为揭示TBM深部软弱围岩变形破坏力学特性,开展了反映深埋隧道TBM机械开挖卸荷本质——高初始围压下缓慢准静态卸荷这一卸荷特征的砂质泥岩三轴卸围压试验,研究结果表明:缓慢卸荷条件下的岩石峰前应力-应变曲线接近于常规三轴压缩峰前应力-应变曲线,卸荷屈服阶段产生损伤扩容,侧向变形加速增长,从体积压缩开始转向扩容;应力达到峰值强度后,岩石首先发生1~2级脆性跌落,随着围压继续缓慢卸荷,岩石沿一条斜率较小的近似斜直线发生伴随有多级次生微破裂的线性应变软化;岩石变形全过程由弹性变形段、峰前卸荷损伤扩容段、峰后脆性跌落段、含有多级微破裂的线性应变软化段以及残余强度阶段组成;岩石缓慢卸荷发生宏观张剪复合破坏,并伴有轴向劈裂裂纹,破裂断面为由许多劈裂裂纹相互贯通形成具有一定宽度的剪切带,剪切带内劈裂的岩片在轴向挤压力和沿破裂面的剪切力共同作用下被挤压和摩擦成许多细颗粒和岩粉。     

考虑应变软化及剪胀的井壁稳定统一解

基于统一强度理论和弹脆塑性软化模型,考虑岩石应变软化和剪胀特性,对井壁围岩进行弹塑性应力和位移分析,推导出井壁围岩缩径问题的弹性极限荷载、井眼压力和井壁位移统一解,并给出了井眼压力、井壁位移与塑性软化区半径之间的关系.进一步分析统一强度理论参数、应变软化特性参数和剪胀特性参数对统一解的影响,克服了以往基于Mohr-Coulomb强度准则或双剪强度理论的理想弹塑性解的不足,所得统一解可适用于不同强度理论的各类岩石材料的弹塑性分析.以井壁位移或变形作为控制条件的工程,不能不考虑剪胀的影响.     

三轴压缩岩石应变软化及渗透率演化的试验和数值模拟

三轴压缩下岩石峰后应变软化行为及渗透率演化规律是岩石工程稳定性分析的基础。取新疆巴里坤砂岩样在室内开展了三轴压缩试验和三轴渗流试验,获得了不同围压下巴里坤砂岩的全程应力应变曲线、体积应变与渗透率关系曲线。试验结果表明：随着围压增加,岩石峰后残余强度增加,体积扩容和脆性减弱;随着轴向应变增加,岩石先发生弹性压缩,空隙空间减小,渗透率降低;当应力达到屈服强度,岩石内裂隙开始扩展,渗透率降低速率趋缓;在峰值应力后,岩样破坏,裂隙扩展加速,并伴有新裂隙的萌生,岩样渗透率开始快速增长,岩样的渗透率呈“V”型变化。提出了描述围压对岩石峰后脆性影响的新参数,即脆性模量系数,围压与脆性模量系数之间服从负指数关系。基于脆性模量系数、强度退化指数和扩容指数,建立了考虑围压影响的岩石应变软化模型。在分析体积应变与岩石渗透率之间关系基础上,建立了基于体积应变增透率的岩石渗透率演化模型。在FLAC下模拟了巴里坤砂岩不同围压下的应变软化行为和渗透率演化过程,结果表明：岩石应变软化模型能很好地模拟围压对岩石残余强度、体积扩容和峰后脆性的影响;所示模型能较好地模拟围压和剪胀对岩石渗透率的影响;岩样峰后内部出现了明显的剪切破坏带,剪切破坏带与大主应力的夹角随着围压的增加而增大。在剪切破坏带内单元的渗透率显著增长,最后形成了一个流动通道。     

基于Drucker-Prager准则的深部巷道破裂围岩弹塑性分析

基于Drucker-Prager屈服准则和非关联流动法则,考虑中间主应力、塑性区弹性应变及岩体剪胀性的影响,推导了深部圆形巷道围岩应力、变形及塑性区半径的封闭解析解。结合工程实例,对比分析了不同屈服准则和围岩参数对围岩状态变化的影响,研究结果表明：中间主应力对围岩破裂范围和表面位移均具有重要影响,且表现出明显的区间效应;剪胀角越大,扩容系数越大,围岩破裂范围与表面位移也就越大;围岩参数(残余黏聚力、残余内摩擦角、初始黏聚力)和支护阻力越大,围岩塑性区及破裂区范围均越小;D-P准则解分别与统一强度准则解、双剪强度准则解和M-C准则解相比,围岩破裂范围及表面位移均偏大,但与M-C准则解最为接近;在满足相同围岩变形条件下,D-P准则解所需支护阻力较其他3种准则解均较大,更偏向于刚性支护形式,分析结果可为巷道围岩稳定性评价与支护设计提供重要理论依据。     

饱水冻结裂隙砂岩力学特性试验研究

为探究寒区裂隙岩体的力学特性及破坏机理,对不同裂隙倾角的饱水砂岩开展-10℃冻结环境下的常规三轴压缩试验。结果表明:裂隙几何特征对加载过程中砂岩应力应变曲线发展有较大影响。应力应变曲线初始段呈“上凸型”特征,这是由于该阶段主要由岩体孔隙和裂隙内冰体承担荷载。砂岩峰值强度、弹性模量、抗剪强度参数与裂隙倾角呈线性正相关;泊松比、体积应变与裂隙倾角呈非线性负相关关系,但变化幅度不大;低温冻结环境一定程度上增强了砂岩颗粒间胶结度及摩擦力,使得不同裂隙砂岩均呈单斜面剪切破坏特征,除主剪切面斜裂纹外无明显翼裂纹及次生裂纹出现。通过建立考虑裂隙砂岩强度和变形的损伤演化方程发现,随裂隙倾角增大,砂岩起裂应力水平、扩容应力水平均逐渐增大,而峰后应力应变曲线跌落状态越明显,表明应力应变曲线弹性阶段相对变长,塑性阶段变短,砂岩脆性增强,抵抗塑性变形能力下降。     

直剪条件下含裂隙岩石变形特征研究

为研究直剪条件下含裂隙岩石破坏过程中的变形特征,使用PFC^2D对含裂隙岩石进行直剪试验,分析试验中岩石的破坏位移、破坏功、抗剪强度之间的关系,并从细观角度分析试验过程中试样内部的位移情况。结果表明：裂隙使得岩石在破坏过程中产生了更大的变形;破坏功与破坏位移具有正相关关系;含单裂隙岩石两侧的位移方向和大小各不相同,越靠近裂隙中部,裂隙两侧的位移差越大,挤压情况越严重;含交叉裂隙岩石分为多个不同的区域,各区域内的位移大小、方向不相同,存在裂隙两侧张拉和挤压情况,在直剪条件下,内部各区域发生张拉破坏和挤压破坏。     

富水软岩的蠕变特性实验及非线性剪切蠕变模型研究

富水软岩巷道变形速度快,变形量大,巷道支护困难,建立描述该类软岩特性的流变模型是解决该问题的关键。通过不同含水率软岩的直剪蠕变试验表明:在同一剪应力水平下,随着含水率的上升,软岩瞬时弹性模量、极限变形模量和黏滞系数将下降,蠕变速率先增大后减小,加速蠕变的破坏时间缩短;在同一含水率条件下,随着剪切应力的增加,软岩瞬时剪切位移量、蠕变变形量和衰减蠕变段的曲率半径都逐渐增大。依据含水软岩蠕变的非线性特征,建立了能够描述含水软岩蠕变特性的非线性剪切流变模型,基于BFGS算法和通用全局优化法对模型参数进行识别,识别结果与试验曲线吻合较好,表明所建模型的正确性和合理性,该成果可为深部复杂地质力学环境下的富水软岩巷道稳定性研究提供参考。     

软弱破碎巷道围岩深浅承载结构力学分析及数值模拟

巷道围岩-支护相互作用体系中围岩承载区是围岩应力的主要承载体,控制围岩承载区域的稳定对巷道围岩的稳定具有积极作用。针对软弱破碎巷道围岩工程地质特性,采用理论分析和数值模拟相结合的方法对巷道围岩承载结构进行研究。考虑巷道开挖后岩体强度、应力和变形特征,建立了软弱破碎围岩巷道的理论计算模型,得到了围岩的应力场、位移场和塑性破坏区范围的解析解;考虑岩石峰后强度软化、剪胀扩容效应、原岩应力和支护阻力等因素的影响,在空间上将巷道围岩承载结构划分为"浅支撑层"和"深支撑层",同时在深支撑层内,存在一个高应力区域,承担了围岩的大部分荷载,对深支撑层的承载能力与稳定起着关键作用,称其为"关键支撑层"。通过算例分析了围岩残余强度和支护作用对深浅支撑层结构演化特征和巷道变形的影响。采用FLAC3D程序对深浅支撑层结构演化特征及巷道变形进行了数值模拟。研究结果表明:围岩的残余强度越大,深浅支撑层结构在空间上表现的越明显;剪胀扩容效应发生在深支撑层中的软化区内,但其最终导致浅支撑层发生变形;随着原岩应力的增大,巷道围岩深浅支撑层的厚度均不同程度的扩大。     

基于退化角的岩石峰后应变软化模型

反映围压对岩石峰后脆性的影响,提出了描述岩石峰后软化行为的新参数,即退化角。对山西含碳泥岩三轴试验数据拟合表明,退化角与围压呈线性关系。推导了岩石峰后软化中等效塑性剪切应变与退化角之间的关系式,提出了基于退化角的岩石峰后应变软化模型。在FLAC环境下,利用Fish函数方法开发了相应的数值计算程序。数值算例研究了山西含碳泥岩在不同围压下的应变软化过程,模拟结果与试验数据规律基本一致,表明：退化角能较好地描述围压对岩石峰后脆性的影响;建立的峰后应变软化模型合理而可靠,为岩石峰后软化过程模拟提供了新的思路。     

高压水射流破岩能量耗散与释放机制

从应力-应变角度建立的高压水射流破岩准则,其精确度取决于对屈服应力的表述,由于表达式中不含材料参数,不能精确计算高压水射流破岩参数,而从能量角度建立的岩石强度理论具有更好的适用性和准确性。开展了基于能量耗散和释放机制的高压水射流破岩机理,理论研究了自由射流段速度分布特征,分别计算了等速核区和射流边界层扩展区动能,建立了不同靶距处射流动能计算模型。高压水射流冲击破岩能量表征为冲蚀坑的形成和岩体的体积破坏;射流能量耗散于剪切面的扩展和滑动,储存弹性势能的释放导致岩体的整体体积破坏。根据岩石的统一能量屈服准则,建立了高压水射流破岩能量准则。通过砂岩、灰岩和花岗岩的单轴压缩应力-应变曲线得出3种岩石的材料参数,计算每种岩石的剪切应变能和体积应变能,得出射流破岩临界速度。根据高压水射流冲击破岩实验结果修正了考虑喷嘴流量系数的高压水射流破岩能量准则,该准则能够较为精确的计算射流破岩速度。且岩体的破坏形态证明从能量角度研究破岩机理更为适合。     

考虑流变和中间主应力的巷道围岩变形分区

考虑流变特性,将巷道围岩分为弹性区、塑性硬化区、塑性软化区和塑性流动区,并考虑围岩峰前应变硬化、峰后应变软化、扩容特性及中间主应力的影响;基于Drucker-Prager准则推导了各分区应力、位移和半径的封闭解析解,然后以实例为基础分析了围岩变形的影响因素。研究结果表明:中间主应力和围岩流变特性对巷道围岩位移和塑性区的大小均具有重要影响且中间主应力表现出强烈的区间性,在一定范围内提高中间主应力能够有效的控制巷道变形和塑性区的扩展。理论研究及工程实际中,若忽视围岩流变特性则无形中"高估"了围岩岩性,不利于巷道长期稳定性评估及支护设计参数的确定;合理运用中间主应力的Drucker-Prager准则,较Mohr-Coulumb准则更能保证工程实践的安全性。研究结果可为巷道围岩相关理论研究和工程设计提供借鉴。     

煤岩单轴与三轴压缩试验研究

在电液伺服岩石力学试验系统上进行了煤岩的单轴和三轴压缩试验。结果表明:在单轴压缩时,大部分试件表面出现剥落并发生X状共轭斜面剪切破坏或劈裂破坏;不同试样煤岩的强度离散性较大,对于强度较高的试件,其弹性模量也较大。三轴压缩时,煤岩的变形增加并沿某一斜面产生剪切破坏,变形表现出塑性材料的特征;煤样弹性模量相对单轴压缩时提高,离散性降低;三轴强度大于单轴强度,而且三轴强度和残余强度随围压的增加而增大。     

非均质岩石单轴压缩细观模拟及破裂特征描述

岩石的非均质性对岩石的破裂形态、模式有着重要影响。本文基于莫尔库伦准则建立了非均质岩石应力-损伤模型,通过FISH语言实现岩石非均质赋参及弹性模量、内聚力、内摩擦角等参量随塑性应变弱化,讨论了不同均质度条件下岩石破裂特征及不同描述单元状态的方法,并通过前人试验数据验证了模型的正确性。主要结论如下:随着均质度的增加岩石的破裂模式由塑性向弹脆性转变;单轴抗压强度和均质度呈对数函数关系;塑性区、单元破坏接近度、损伤值都可以对岩石的破裂特征进行描述,其中破坏接近度有着较强的优越性。