干燥和饱水状态下砂岩力学特性试验

为研究饱水对岩石力学特性的影响,以干燥砂岩和饱水砂岩为研究对象,利用MTS815多功能岩石力学系统,对其进行10,20,30 MPa围压作用下的三轴压缩试验,得到干燥砂岩和饱水砂岩的偏应力-应变曲线和破坏形态,基于库伦准则,分析2种状态下砂岩的强度特征和变形特性.结果表明:随着围压的增大,干燥砂岩和饱水砂岩的峰值偏应力...     

含水对泥质粉砂岩I型断裂的影响机理及试验研究

张性断裂是工程岩体一种常见的致灾破坏形式,而工程现场中普遍的水环境增加了探究张性断裂的复杂性。利用TAW-3000电液伺服岩石试验机及PCI-2型全数字化声发射监测系统,对三种不同含水状态的泥质粉砂岩进行巴西圆盘劈裂试验,得到干燥状态、自然状态及饱水状态下岩石的力学曲线和声发射特征。试验结果表明,三种含水状态的泥质粉砂岩均发生了纯I型断裂,受泥质胶结成岩方式的影响,该岩石受水的软化作用效果明显,饱水状态岩石的平均抗拉强度仅为干燥状态下的39.71%。岩石I型断裂演化过程中,饱水岩样的声发射活动受到抑制,加载过程中能量释放微弱。此外,在岩石临近破裂前,干燥状态有高频主频值出现,饱水状态下有低频主频值出现。随着含水量增加,100kHz附近主频带逐渐减少,分布逐渐向中低主频带集中。值得注意的是,20 kHz和50 kHz的中低主频带“分布极少→集中出现→逐渐消失”的演化规律可作为本次泥质粉砂岩I型断裂试验的敏感频段。     

饱水白砂岩折线与三维强度特征

为了研究干燥和饱水状态下白砂岩力学特性的差异及饱水对白砂岩力学行为的影响程度,采用RMT岩石力学试验系统进行了白砂岩干燥和饱水状态的单轴和三轴试验,研究结果表明:饱水使得白砂岩的线弹性变形特性减弱,而非线性屈服特性增强,且随着围压的增大,这一特性更加明显;围压大于20 MPa时白砂岩应力应变曲线不出现压密阶段;饱水对白...     

加载速率和饱水对砂岩力学行为和微观损伤特征的影响

为明确加载速率和饱水对砂岩力学特性和微观损伤机制的综合影响,在岩石力学测试仪进行了加载速率在0.001～0.1 mm/s范围内9级速率下的干燥和饱水砂岩试验,详细分析了强度、应变能、微观损伤和宏观破裂特征在不同加载速率下的变化规律.结果表明:随着加载速率的增大,在0.001～0.01 mm/s加载速率区间,砂岩单轴抗压...     

浸水时间对饱水岩石损伤破坏过程中声发射特征影响的试验

为研究不同浸水时间饱水岩石损伤破坏过程中的力学特性和声发射特征,对天然及不同浸水时间的饱水闪长岩进行单轴压缩力学试验和声发射试验,研究单轴应力状态下其力学特性和声发射特征,结合累积声发射数与损伤变量一致的观点,建立了基于浸水时间的饱水岩石声发射损伤模型。结果表明:饱水岩石的单轴抗压强度和弹性模量随浸水时间的增加呈指数的变化规律逐渐减小,浸水60 d后其值均趋于稳定;在加载的各个阶段不同浸水时间的饱水岩样均有声发射事件产生,声发射事件率与岩样的应力-应变关系趋势均具有较好的一致性;声发射累积数的变化规律与岩样内部损伤演化规律具有一致性。     

砂岩变形率与水理效应的力学特性研究

通过不同变形加载速率下干燥和饱水岩样的单轴压缩试验,研究了砂岩抗压强度、 弹性模量、峰后应变和声发射特性的变形率效应和水理效应,定义力学参数的强化和弱化 因子,建立考虑砂岩变形率和水理效应的一维本构模型并进行验证。 结果表明:① 干燥砂 岩的应力-应变曲线包括弹性、弱塑性和破裂三个阶段,饱水砂岩则出现较长压实阶段,同 时弹性阶段缩短,塑性阶段增长。 ② 加载速率对干燥和饱水砂岩的抗压强度均具有强化作 用,抗压强度的率效应强化因子随加载速率的增大而增大;水对砂岩抗压强度具有弱化作 用,且水理效应弱化因子随加载速率的增大而增大;随着加载速率的增大,干燥和饱水砂岩 抗压强度的差值逐渐减小。 ③ 加载速率对干燥和饱水砂岩的弹性模量均具有强化作用,且 随加载速率呈线性增大趋势;水对砂岩弹性模量具有弱化作用,不同加载速率下砂岩弹模 的弱化因子变化不大。 ④ 加载速率对砂岩峰后应变的影响较小,饱水砂岩的峰后应变远大 于干燥砂岩,峰后应变的水理强化因子对加载速率不敏感。 ⑤ 砂岩的声发射信号随着加载 速率的增大而增多;相对于干燥砂岩,饱水砂岩的声发射能量累积速度明显推迟,但能量累 积的总量增大3~5 倍。     

干燥与饱水状态下砂岩的声发射特征研究

针对干燥和饱和含水两种状态下的砂岩进行了单轴压缩破坏声发射测试与岩爆倾向性研究。结果表明:砂岩含水状态的不同,其加载过程都可分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3个阶段,但两者对应各阶段的时域分布有较大差异;每阶段,饱水试件振铃计数均数、峰值、总计数都比干燥试件小,饱水试件振铃计数随时间序列分布较稀疏,饱水试件峰值集中出现在极限应力附近,而干燥试件峰值分布相对较分散;两种含水状态试件第Ⅰ、Ⅱ阶段能量释放趋势一致,都较缓慢,能量释放主要集中在第Ⅲ阶段,不同的是,干燥试件的能量释放呈现出多个阶跃,而饱水试件的能量释放主要集中在破坏瞬间,干燥试件接收到的声发射累积能量为含水试件的10倍左右。结论:岩石中水分会影响岩石的变形特性,饱水岩石失稳前兆信息较少,岩爆倾向性更强。     

干燥和饱水状态下炭质板岩力学特性试验

针对兰渝铁路二期木寨岭隧道炭质板岩富含裂隙水,遇水易软化的工程特性问题,开展了干燥和饱水状态下炭质板岩基本力学特性的试验研究,包括三轴压缩、巴西劈裂和楔形剪切试验。结果表明:炭质板岩饱水前后的应力峰值、应变峰值以及弹性模量均随围压的提高而增大,泊松比随围压的提高有所降低,并且干燥试样强度和弹性模量对围压的敏感度要高于饱水试样。相对于干燥岩石,饱水状态下岩石的强度峰值降低,而应变峰值提高,并根据楔形剪切试验结果,得到了饱水前后岩石的抗剪强度包络线,反映了水对炭质板岩强度和变形特性具有显著的影响。     

突出煤体单轴压缩和蠕变状态下的声发射对比试验

采用MTS815液压伺服岩石试验系统和DISP-2声发射监测系统,对突出煤体和砂岩进行单轴压缩全应力-应变和分级加载蠕变状态下的声发射试验.研究结果表明,由于试样初始损伤程度的差异,单轴压缩作用下煤样的声发射现象贯穿整个试验过程,而砂岩在弹性阶段声发射信号较少.分级加载蠕变试验过程中,前3级应力水平处于典型的第1,2蠕变阶段,期间声发射振铃事件比快速递减,其均值和递减时间随应力水平升高而增加.声发射累计振铃数变化曲线能较好地体现原煤试样蠕变特性的变化趋势.第4级荷载水平时,前期声发射曲线基本保持稳定,但数值明显高于前3个应力水平.在破坏前的极短时间内,声发射曲线急剧上升,预示试样即将完全破坏.     

不同含水率孔周煤岩体蠕变试验及蠕变模型研究

为探究不同含水条件下孔周煤岩体蠕变特性,制作不同含水率含孔方形试样,开展分级加载蠕变破坏试验,获取蠕变加载下试样轴向应变曲线;同时基于改进西原模型,引入含水煤岩体蠕变损伤变量D_w和时效损伤变量D_t,建立不同含水率孔周煤岩体蠕变模型;对比分析试验结果和模型计算值,验证蠕变模型合理性。研究结果表明：同一加载应力水平下,所有试样进入稳定蠕变阶段的时间均在1 h左右,但干燥试样轴向应变量较小,到达加速蠕变阶段的时间也较高,表明水对煤岩体具有物理侵蚀和软化作用;所建蠕变模型参数与含水率之间呈指数关系,且模型理论曲线与试验数据曲线有较好的吻合性。     

含水率对红砂岩瞬时和蠕变力学性质影响的试验研究

水是影响岩体工程稳定性的重要因素。为了全面分析水对岩石瞬时及蠕变力学特性的影响,设计了两类试验：单轴压缩强度试验和蠕变试验。通过吸水试验分析红砂岩的吸水特征,并以此为依据制备不同含水率的标准试件。首先对9组不同含水率的试件进行单轴压缩强度试验。利用体积应变法和LSR法(Lateral Strain Response)确定红砂岩在单轴压缩条件下的4个特征应力：闭合应力、启裂应力、损伤应力和破坏应力, 从而得到了含水率与红砂岩力学参数的定量关系。结果表明,应力应变曲线上各阶段特征应力随含水率增大而服从负指数规律衰减,并且当试件达到饱和后,各特征应力趋于稳定。由于高孔隙率的特性,导致红砂岩的特征应力在短时间内显著降低。启裂应力σi与闭合应力σc之差随着含水率的增加而减小。这说明水的增加导致红砂岩非线性特征增强。强度和弹性模量损失系数随含水率呈指数函数增长的趋势,饱和红砂岩的强度和弹模总损失系数分别是0.484和0.334。此外,将5组不同初始含水率的试件持续浸在充满水的环境试验箱中,开展荷载与水共同作用下的蠕变试验,从而得到长期水环境对红砂岩蠕变力学特征的影响。结果表明,试件的瞬时应变和稳态应变率随含水率增加呈指数形式增大,蠕变应变和破坏时间随含水率增加而减小。当含水率趋于稳定时,红砂岩的蠕变特性仍然有显著的变化,其原因在于环境中的水沿蠕变新生成的裂缝进一步运移到裂缝尖端,初始裂纹进一步扩展。实验结果不仅强调了短时间内水对高孔隙率岩石瞬时力学性质的急剧弱化作用,而且强调了环境中的水对饱和岩石蠕变力学性质的持续影响作用。此外,实验数据和拟合方程将为岩体工程长期稳定性的评估提供一定的参考价值。     

不同瓦斯压力下煤岩三轴加载时蠕变规律及模型

岩石蠕变模型众多,其适用性及优缺点亟待总结,而且低瓦斯压力与煤岩蠕变间的关系尚不确定,为此,进行了低瓦斯压力下分级加载轴压时型煤蠕变实验。结果发现,随着瓦斯压力增大,型煤轴向应变增大,说明煤岩蠕变与瓦斯压力呈正相关。利用实验数据检验常见蠕变模型时发现经验函数(幂函数、指数函数、多项式等)均存在缺陷,只能拟合衰减蠕变或非衰减蠕变中的一种;Burgers模型及其改进模型均存在不足,西原模型不适用于非衰减蠕变,西原加速模型适用于砂岩,用于拟合煤岩非衰减蠕变时存在滞后性。经过优化后得到改进的西原加速模型,经证明其可靠性强。另外,提出了蠕变拐点的观点,岩石发生非衰减蠕变是蠕变曲线上至少存在1个蠕变拐点的充要条件。这不仅完善了蠕变的数学理论,而且能为预防岩石失稳破坏等工程实践提供借鉴。     

基于应变水平的砂岩脆性破坏声发射信息研究

岩石脆性破坏过程中的声发射信息与其受载变形破坏过程密切相关,在岩石破裂前的膨胀点、应力峰值点和应力-应变曲线峰值后拐点位置存在声发射会出现突增现象。利用岩石破坏的三维重整化群理论给出了岩石破裂前声膨胀点所对应的应变和岩石峰值应力对应的应变水平比值的表达式,单轴荷载条件下其临界比约为74%与78%之间,并通过砂岩刚性加载试验得到了验证;同时通过对试验数据的分析发现,岩石破裂前的膨胀点、应力峰值点和应力-应变曲线峰值后拐点位置所对应的应变值之间具有很好的比值关系。     

单轴压缩过程砂岩破坏特性研究

岩体灾害孕育过程中引起的岩体变形、破坏,会改变岩体的声学特征,在工程中可通过观测声波在岩石内部传播变化判别岩石的稳定性和承载状况。为了确定砂岩裂纹扩展不同阶段声波传播规律与破坏模式,通过声波监测装置及岩石破裂全过程分析系统RFPA^2D研究单轴压缩下砂岩在不同应力水平下波速变化及破坏模式。结果表明:砂岩在进入弹性加载阶段前波幅增速最大,在随后的弹性加载阶段纵波波速增长速度最快,在发生宏观破坏前纵波波速达到最大;根据裂纹应变模型得到裂纹闭合应力σ_cc约为0.19σ_c;裂纹起裂应力σ_ci约为0.28σ_c;在体应变达到极值时,得到试样的损伤应力,砂岩的损伤应力σ_cd约为0.66σc;由RFPA^2D得到由于拉破坏和压剪破坏产生的声发射数,得到在加载初期岩石微裂纹的产生均为压剪破坏,由于压剪破坏产生的剪切面出现时,拉破坏成为主导因素,并导致裂纹扩展及贯通,最终试样失稳破坏。可见砂岩破坏经历的压密阶段—弹性阶段—裂纹稳定扩展阶段—裂纹加速扩展—峰后...     

基于声发射时频特征的不同含水煤样冲击倾向试验研究

为探究含水煤样冲击倾向指标与其声发射时频特征的关联性。采用物理试验和信号处理分析方法,以河南耿村煤矿7609工作面煤样为研究对象,考虑饱水、自然含水和烘干24 h三种含水条件,深入研究不同含水煤样冲击倾向的变化规律;建立不同含水率煤样冲击倾向与其声发射时频信号的对应关系。结果表明:煤样加载破坏过程监测获得的声发射时频信号分布特征能够反演其受载阶段,声发射幅频信号的变化不仅能够判定煤体结构的破坏尺度,而且可利用不同频率范围声发射能量分布推断其冲击倾向强弱和发生动力破坏的可能性。定义了煤体结构冲击倾向的声发射反演能量比值Kae和频率幅值相对值比值Kaf;以河南耿村矿7609工作面煤样为例,验证了声发射信号时频特征和关键参数反演煤体结构冲击倾向的可行性。     

动静载荷作用下片麻岩蠕变实验及非线性扰动蠕变模型

深部巷道围岩应力状态处于岩石强度极限邻域内,围岩会产生较大的蠕变变形,特别是深部扰动荷载对巷道围岩蠕变变形的影响更为敏感。为了研究深部岩石在扰动载荷作用下的岩石非线性蠕变特性和蠕变扰动效应,利用自行研制的岩石三轴扰动蠕变试验台,以片麻岩为岩石试样,采用分级加载方式,开展静载轴压、不同扰动幅值、不同扰动频率作用下的岩石单轴压缩扰动蠕变试验,得到扰动载荷对岩石蠕变特性的影响。试验结果表明:轴压是岩石蠕变变形的主导因素,随着轴压的增加,岩石蠕变变形量逐渐增大;岩石蠕变变形量随着扰动幅值和扰动频率的增加而增大,在相同轴压和作用时间的情况下,扰动幅值对岩石蠕变变形比扰动频率明显;在相同的扰动条件下,随着轴压的增大,岩石蠕变破坏受扰动作用影响越大,当轴压大于40 MPa时,岩石蠕变受扰动影响敏感度越高;每次扰动加载后,岩石蠕变应变量出现台阶式突增,同时蠕变曲线也出现陡突现象,随着扰动幅值和扰动频率的增大,突变值越大。以试验结果分析为依据,引入非线性黏塑性扰动蠕变元件和损伤原件,并与Burgers串联,建立了岩石非线性扰动蠕变损伤复合模型。采用基于模式搜索的改进的非线性最小二乘法反演蠕变参数,并将蠕变方程计算结果与实验结果进行拟合,效果良好。     

高温后节理砂岩强度及变形破坏特性

利用单轴压缩试验对经历不同温度后节理砂岩的物理力学性质进行分析研究,得出了关于节理砂岩高温后应力-应变曲线、峰值强度、峰值应变及弹性模量等参数随温度的变化规律。同时利用声发射仪器监测岩石压缩过程中的声发射分布特征,探讨不同温度对于变形破坏机理的影响。分析结果表明:温度对于节理砂岩性质的影响是多方面的。当经历温度较低时,温度对于节理砂岩性质的增强效果大于削弱效果;而当温度较高时,则反之。400℃为试验的温度阈值。在400℃前后,节理砂岩的峰值强度、峰值应变、弹性模量等均呈现不同的变化趋势。节理砂岩经历高温后,产生的裂纹主要分布在节理附近,且经单轴压缩破坏后,裂隙同样主要沿节理分布,受热后,岩石的破坏模式由脆性破坏向延性破坏转变。     

2017年8月28日贵州纳雍县张家湾镇普洒村崩塌特征与成因机理研究

采用针对岩体崩塌监测研发的无线微震传感器及声发射监测技术,通过分级蠕变加载的方式模拟岩体崩塌孕育过程渐变自然应力作用,研究了白云岩拉裂型崩塌室内模拟试验过程声信号特征。研究发现：针对微震信号,自适应噪声完全集合经验模态分解(CEEMDAN)与小波相结合的联合去噪方法效果较好,可显著提高信噪比;各分级蠕变加载后,均在加载前期出现大量微震信号,最后一级破坏荷载段微震信号幅值和数量显著增大,临近破坏时微震信号主频降低明显。定义了声发射信号k值(AF/RA)并将其作为张拉破裂和剪切破裂的判据,岩体破坏前5 s内剪切破裂所占比例开始增大,破坏前1 s内突增。对比分析了试验中岩体变形监测结果,表明变形监测对小尺度岩石加载破坏全过程响应微弱,难以提取有效的破坏前兆信号。研究成果可为发展岩体崩塌突变失稳破坏监测技术提供重要支撑。

     

冻结裂隙砂岩解冻后蠕变力学特性研究

富水洛河组砂岩地层人工冻结法施工后,在长期应力作用下斜井井壁围岩会发生蠕变破坏。为了研究解冻后不同裂隙倾角岩石的蠕变破坏机理,以可可盖煤矿洛河组砂岩为原岩,制备预制不同角度裂隙的类砂岩,研究其解冻后三轴压缩蠕变力学特性。试验结果表明：岩样预制的三种倾角中,倾角45°时内部新生裂纹沿着预制裂隙发育与扩展程度更大,产生的轴向蠕变量更大且变化速率更快;其次是裂隙倾角0°时,最后为裂隙倾角75°。根据试验结果,基于西原体蠕变模型,引入裂隙塑性体元件及蠕变全过程劣化演化方程,建立考虑原生节理影响的非线性蠕变模型并且进行三维推广,并利用最小二乘法进行求解并拟合,拟合结果与试验数据基本吻合。