基于卸荷试验路径的泥岩变形特征及数值计算

通过先固结后径向卸载的三轴剪切试验方法模拟煤矿泥岩巷道开挖过程中应力状态变化,在试验围压内,径向卸荷条件可以用Drucker Prager强度准则较好地描述软岩破坏过程。蠕变试验结果表明：随偏应力水平的降低,蠕变速率明显减小,当偏应力水平较低时（10 MPa）,轴向蠕变无变化,蠕变速率几乎为0;当轴应力较高时（35 MPa）,泥岩蠕变过程经历减速、定常和加速蠕变3个阶段。根据试验提出了泥岩的弹黏塑流变本构模型,将泥岩的蠕变试验结果与计算值进行对比：两者变形规律完全一致且数值较吻合,从而验证了泥岩本构模型的正确性。     

阿勒山露天煤矿边坡层间薄层滑带土蠕变特性研究

以阿勒山露天煤矿蠕变失稳边坡为例,采用室内三轴剪切试验,获取滑带土试样在不同围压和应力水平下的应变规律,并进一步采用等时曲线法确定滑带土长期强度。研究表明,层间薄层滑带土具有典型的蠕变特征,蠕变阶段可分为衰减蠕变和稳定蠕变2个变形过程;滑带土绝对蠕变量和稳定蠕变阶段的变形速率均与轴向应力值呈正相关,而衰减蠕变阶段的持续时间随着剪应力水平增加基本呈线性增加。滑带土长期强度小于相同条件下的瞬时强度,与常规强度参数比较,其长期黏聚力C值和长期摩擦角准值分别下降24.8%和22.4%。     

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。     

高德煤矿花岗岩蠕变损伤模型研究

为了研究高德煤矿围岩的蠕变特性以及加载过程中的损伤演化性质,对花岗岩试样进行了分级加载蠕变试验,基于Burgers模型引入改进的Kachanov损伤模型,建立了能描述加速蠕变阶段的蠕变损伤模型,通过数值模拟计算对考虑和不考虑损伤的巷道控制点的变形量进行对比,探讨损伤模型在实际工程中的运用。研究结果表明:由径向蠕变确定的岩石长期强度小于轴向长期强度,且径向蠕变较轴向蠕变更加敏感;当应力水平达到径向长期强度时,开始出现扩容现象,当应力水平达到轴向长期强度时,体积应变开始由正值变为负值。结合轴径向蠕变试验曲线,对蠕变损伤模型参数进行辨识,决定系数达到0.97以上,模型曲线与试验曲线吻合度高,验证了所建立蠕变损伤模型的合理性;建立的蠕变模型考虑损伤比不考虑损伤的位移大许多,考虑损伤最大变形比不考虑损伤最大变形增大约0.055 27 mm,验证了蠕变损伤模型可以更好地反映巷道围岩的劣化效应,利于巷道的后期支护与安全。     

盐岩蠕变特性及其非线性本构模型

为了研究盐岩的蠕变特性,利用RLW-2000岩石流变试验机对盐岩试件进行了三轴压缩分级加载蠕变试验。试验结果表明:在围压一定的情况下,随着轴向应力增大,盐岩瞬时应变、蠕变应变以及蠕变速率等均随之增大,同时进入稳态蠕变阶段所需要的时间逐渐延长;等时应力-应变曲线显示,盐岩蠕变具有非线性特征,且其非线性程度与蠕变时间和应力水平有关,蠕变时间越长、应力水平越高,非线性程度越高。基于非线性流变力学理论,提出了一种非线性黏滞体,其黏滞系数是所加应力水平和蠕变时间的函数,将非线性黏滞体替换常规Burgers模型中的线性黏滞体,建立了可描述盐岩非线性蠕变特性的MBurgers模型,并根据盐岩蠕变试验结果,采用曲线拟合法对MBurgers模型的参数进行了反演识别。拟合曲线和试验曲线对比显示,两者吻合良好,误差较小,说明该模型可以描述盐岩的蠕变特性。     

RLW-2000岩石三轴流变试验系统研制

为研究深部高应力区以及卸荷等复杂应力条件下岩石流变特性,研制了RLW-2000岩石三轴流变试验系统。该试验系统采用先进的伺服电机、滚珠丝杠和液压等技术组合,配置进口原装全数字伺服控制器(EDC)和采用美国泰瑞泰克公司技术生产的变形测量装置。通过进行岩石三轴蠕变试验,对试验系统稳压性能、压力和变形测量系统以及岩石三轴流变试验功能进行了检验,检验结果表明其自动稳压、数据采集等整体性能良好。     

考虑弹性模量退化的砂岩非定常蠕变模型

针对传统西原模型不能描述岩石加速蠕变特性的问题,根据辽宁阜新海棠山隧道出现的围岩流变现象,通过现场取样,采用MTS-812.02岩石试验加载系统对砂岩进行不同围压和不同应力水平下的三轴蠕变试验,分析其蠕变特性。在传统西原模型的基础上,考虑了岩石进入加速蠕变阶段的判别条件,串联一个加速蠕变触发的元件,通过损伤定义流变参数的非定常性,建立了一个以屈服强度和长期强度为判别条件新型非定常蠕变模型,并将一维推广至三维;结合砂岩蠕变试验结果,对砂岩流变试验全过程曲线进行模型参数拟合,结果表明：建立的新型砂岩非定常蠕变模型与试验结果具有较高的拟合度,该模型克服了传统西原模型难以描述加速蠕变阶段的缺陷,不仅能够反映出砂岩瞬时应变、稳定蠕变和亚稳定蠕变阶段的流变特性,还能很好地描述了砂岩加速蠕变阶段的流变特性。最后,通过对砂岩流变参数的反演,得到了砂岩的损伤演化方程,结合现场围岩应变监测数据对模型参数进行拟合,很好地反映了流变参数损伤劣化规律。研究成果为研究岩体流变的非线性问题和确保工程安全提供了新思路。     

RLW-2000岩石三轴流变试验系统研制

为研究深部高应力区以及卸荷等复杂应力条件下岩石流变特性，研制了RLW-2000岩石三轴流变试验系统。该试验系统采用先进的伺服电机、滚珠丝杠和液压等技术组合，配置进口原装全数字伺服控制器（EDC）和采用美国泰瑞泰克公司技术生产的变形测量装置。通过进行岩石三轴蠕变试验，对试验系统稳压性能、压力和变形测量系统以及岩石三轴流变试验功能进行了检验，检验结果表明其自动稳压、数据采集等整体性能良好。     

细砂岩阶段蠕应变特征与粘滞性试验研究

对细砂岩试样进行单轴短时加卸载蠕变试验,得到轴向和径向蠕变试验曲线。对轴向和径向蠕变第Ⅰ、Ⅱ阶段的试验曲线分别进行Kelvin-Voigt模型和Burgers模型拟合,得到粘滞系数。粘滞系数-加载应力关系普遍符合扩展的正弦衰减(阻尼)波形函数,表明岩石的粘滞系数是变量,岩石材料的蠕变过程本质为非定常蠕变。细砂岩发生的总蠕应变平均占瞬态应变值的比例较低,其总体蠕变特性不明显,但稳态阶段的径向蠕应变率平均值是轴向蠕应变率平均值的3.6倍。细砂岩初期蠕应变量及稳态阶段蠕应变量随加载应力水平提高而增加,证明其粘性流动度呈递增趋势。     

深部灰岩分级加载蠕变试验及蠕应变增量分析

深部矿井岩体处于高应力的环境中,当岩体受到开挖影响后,在长期的高应力作用下具有较强的流变特性。采用GDS-VIS三轴流变仪对不同深度的深部灰岩做分级加载单轴蠕变试验。基于试验结果,分析了各分级应力水平下岩石蠕应变增量的变化规律。研究表明:随应力增加,岩石蠕应变增量先减小后急剧增加,当应力百分比在60%~68%范围内时,蠕应变增量出现谷底,岩石处于稳定状态;该稳定状态的上限应力与长期强度之比值k的均值为0.901,且随深度增加这一比值逐渐增大,通过二次函数拟合得到比值k随深度的变化规律,此研究结果为确定深部灰岩长期强度,实现矿山安全生产提供了参考。     

深部煤体非线性蠕变本构模型及实验研究

深部煤体蠕变规律研究对控制巷道围岩变形,预防煤与瓦斯突出及改善瓦斯抽采效果具有重要意义。基于分数阶导数流变模型,推导出煤体三维应力条件下非线性蠕变本构方程。考虑深部煤体赋存的高应力环境及应力变化路径,进行了三向应力状态下轴压恒定、分级卸围压的煤体蠕变实验。实验结果表明:在三向高应力状态下,试件的轴向和环向应变表现为初始蠕变和稳态蠕变,最终出现加速蠕变阶段;在相同差应力条件下,煤体蠕变变形随围压增大而减小。利用煤体卸围压蠕变实验数据对文中蠕变本构方程的参数进行拟合,结果表明:该蠕变本构方程能很好地描述煤体蠕变三阶段,特别是加速阶段。在蠕变本构方程参数确定的前提下,分析了应力水平、分数阶导数阶数及黏性系数对煤体蠕变特性的影响规律。     

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。     

不同开采条件下岩石的变形破坏特征及对比分析

基于3种典型的煤层开采方式(无煤柱开采、放顶煤开采和保护层开采),借助MTS- 815电液伺服岩石实验系统对潞安李村煤矿灰岩进行了同时恒定降围压、变速率加轴压的三轴卸荷试验,由此研究了不同开采卸荷条件下的应力路径对围岩的力学行为影响。实验获得了不同围压不同加载速率条件下灰岩的全应力-应变曲线及宏观破坏模式,认为灰岩的破坏模式与达到峰值时围压的大小有很大关系,而轴向加载应力路径影响较小;放顶煤开采条件下围岩的变形较保护层开采和无煤柱开采要大,特别是塑性变形较后两者也大。另外围岩的脆性和延性特征的转变与轴向加载速率有很大关系,即与煤层开采方式有关,并且围压越大,塑性特征越明显。     

岩石卸荷破坏的变形特征及本构模型

对闪长岩试样进行了加轴压、卸围压试验,研究了卸荷条件下闪长岩的变形和破裂特征.结果表明：与加载试验相比,卸荷试验中岩样轴向应变没有明显的应变强化过程,轴向应变峰值较小,弹性模量与围压呈非线性关系降低,泊松比与围压呈非线性关系增加,岩样破坏特征以主剪切破坏为主.基于试验认识,采用损伤力学理论,通过岩石强度的随机分布假设和摩尔-库仑强度理论,引入比例系数,建立了一个能够反映岩石卸荷特征的三维损伤本构模型.基于试验结果给出模型参数, 模型能够反映岩石卸荷条件下的强度及脆化特征,理论结果和试验结果吻合较好.     

硬岩三轴仪全应力应变曲线与流变试验功能分析

地下金属矿山进入深部开采阶段以后,硬岩的岩爆和流变等工程灾害问题凸显,试验研究是了解其破坏机制的基本手段。由于硬岩具有高强度和弹脆性特点,峰后行为的试验研究在常规三轴仪上很难实现,加之流变变形非常小,对传感器精度要求非常高。鉴于此,结合国际先进岩石三轴伺服系统的开发经验,提出系统可行方案和强化指标满足硬岩全破坏过程和流变试验要求,与长春朝阳试验仪器有限公司合作开发Rockman207岩石三轴仪。由于该系统具有较高的系统刚度、较快的伺服响应速度和高精度的体积变化测量特点,验证和前期试验结果表明,其在硬岩力学试验中可以满足短期全破坏过程试验和长期流变试验研究需要。     

岩石试件非线性黏弹塑性蠕变模型研究

蠕变是岩石的重要力学特征之一。根据岩石全过程应力-应变曲线的特征,建立非线性黏弹塑性蠕变模型,并建立了模型的状态方程、本构方程、恒应力状态下的蠕变方程和恒速率应力状态下的蠕变方程。通过引入岩石的流变指数建立的非线性黏弹塑性蠕变模型,较好地反映了岩石试件的3阶段蠕变过程,充分描述岩石加速蠕变特性;同时,得出岩石试件蠕变变形、蠕变速率和蠕变加速度的解析表达式。通过分析,岩石试件在恒应力速率下,只要应力大于岩石的长期强度,岩石试件就进入加速蠕变阶段;而在恒应力下,岩石试件在经过一定时间后才能进入加速蠕变阶段,这一时间的长短与岩石试件的力学性质有关。     

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。     

围压卸荷对矿柱破坏模式影响分析

利用东北大学岩石破裂过程分析系统(RFPA2D),研究了围压卸荷对矿柱破坏模式的影响。通过对不同围压卸荷方式中岩石试件的应力积累、裂隙扩展及整个破坏过程进行分析,得出了围压卸荷条件下矿柱的破坏规律。数值计算结果表明,当轴向载荷超过岩石试样的单轴抗压强度时,对试件围压实施一次卸荷容易引起岩石剧烈的脆性破坏,而对试件实施围压逐步卸荷,岩石试件则呈现出较明显的延性特征,其内部积累的能量随着卸荷步骤逐渐释放出来,能避免岩石发生剧烈脆性破坏。这一结果对指导采场开挖过程中,保护采场以及矿柱的稳定具有重要的理论意义。     

深部煤体采动应力下双曲函数型渗透率模型

深部资源开采中,采动应力下煤体渗透率演化规律成为煤炭开采理论研究的热点之一。通过对煤体常规三轴渗流实验和采动应力路径下渗流实验对比分析,发现深部含瓦斯煤体在采动应力路径下其渗透率-体积应变异于常规三轴渗透实验。煤体常规三轴实验主要以三向应力加载为路径,而煤体在不断采出过程中其应力路径主要表现为特定方向加载其他方向卸荷的过程,可凝练为加轴压卸围压的应力路径,而应力-应变分析的起始点为静水压力状态,这必然引起煤体力学物理性质异于三向加载条件的行为。在采动应力条件下的渗透率-体应变空间内,以煤体体应变扩容点为界,当体应变达到扩容点后,随着体应变从压缩变形转换为膨胀变形,渗透率呈现出降低、稳态、增加的过程。为了定量地描述深部煤体渗透率在采动破坏或流变失稳过程中先减小后增大的行为,基于在体积应变空间内真实渗透网络是所有可能渗透网络中最优演化形式的假设,建立以渗透率、体积应变为变量的泛函关系,从而得出由体积应变表示的渗透率表达式。考虑深部煤体流变过程,将分数阶微积分理论推导的煤体体积蠕变方程代入渗透率函数中,得出以轴向应变为自变量的渗透率表达式。根据已有的实验数据对渗透率模型进行验证,结果表明:基于最优渗透网络得出的渗透率模型能很好地描述煤体渗透率在破坏过程中的演化规律,同时也可拟合流变过程中渗透率的变化趋势。     

考虑湿度效应的膨胀岩流变模型

在西原体模型的基础上,综合考虑湿度因素对膨胀岩的影响,构造了含湿度因素的基本流变元件,将湿度效应引入到模型中,建立了膨胀岩应力和湿度耦合作用下黏弹塑性本构方程,得到了蠕变方程、卸载方程和松弛方程。研究结果表明：考虑湿度效应的西原体模型在应力小于屈服应力时,模型为稳定蠕变,其卸载曲线存在着瞬时弹性、弹性后效和由湿度效应引起的黏性流动;当应力大于屈服应力时,模型为不稳定的蠕变,其卸载曲线存在着瞬时弹性、弹性后效和由应力和湿度效应共同引起的黏性流动。根据等效应变和等效应力理论,推导了考虑湿度影响的多轴蠕变理论模型。模型较全面地反映了膨胀岩石在湿度作用下的流变特性,适用于湿度和应力共同作用下岩石的稳定性分析。