三维动静组合加载含水煤样强度特征试验研究

为探讨含水煤样动静组合加载下的力学特征,利用改进split Hopkinson pressure bar(SHPB)和RMT–150试验系统对自然和饱水7 d煤样进行了三维动静组合加载、三维静载对比试验。结果表明:三维静载试验中,自然煤样峰值强度变化幅度为10.49%,饱水7 d煤样峰值强度变化幅度为59.98%,饱水强度软化系数为0.81;三维动静组合加载试验中,轴压强度低于单轴静载煤样强度的55%时,饱水7 d煤样的动态强度高于自然煤样动态强度,饱水7 d煤样比自然煤样动态强度分别提高了7.85%~18.44%(围压4 MPa)和8.71%~19.84%(围压8 MPa);不同围压相同轴压试验中,自然和饱水7 d煤样的动态强度随着围压增大均呈增大趋势,饱水7 d煤样动态强度增加幅度比自然煤样动态强度增加幅度大,表明饱水煤样对围压变化的响应较强。揭示饱水对煤样的强度影响较显著,但应变率起到控制作用,中或高应变率条件下裂隙水与裂隙耦合形成较大刚度,三维动静组合加载饱水煤样动态强度呈增高特征。     

动静组合加载含水煤样能量耗散特征分析

为探讨静载煤样受动力扰动作用下失稳破坏的能量耗散特征,利用改进SHPB试验系统对不同饱水状态煤样进行动静组合加载试验,分析含水煤样在冲击过程中能量耗散特征,得到试样的破碎块度、分维与能耗密度的关系。研究结果表明:3种饱水状态煤样的入射能与能耗密度均呈正相关;耗散率与透射率随着饱水时间的增加均呈逐渐降低,反射率随饱水时间增加而增加;试样破坏能耗密度随着饱水时间增长逐渐减小,动态强度降低,呈现饱水对煤样强度有弱化效应;相同能耗密度条件下,自然状态煤样的平均粒度大于饱水3,7 d,能耗密度与破碎粒度呈负相关,二者具有良好线性关系;饱水3和7 d煤样的能耗密度与破碎粒度拟合曲线明显偏低,表现含水对煤样破碎粒径影响显著;煤样破碎分形维数为1.67~2.25,自然状态煤样平均分形维数小于饱水3,7 d,煤样的分维数随着能耗密度的增加而提高,试样能耗密度与分形维数增幅均呈正相关,二者具有良好线性关系。     

真三轴卸载–动力扰动下自然与饱水砂岩破坏特性试验研究EI北大核心CSCD

为探讨不同含水状态红砂岩试样在动静组合状态下的失稳破裂特征,采用QKX-YB200真三轴岩爆试验系统、声发射监测系统以及高速摄像仪对自然和饱水状态下的红砂岩立方体试样开展真三轴卸载–动力扰动试验。研究结果表明:在真三轴卸载–动力扰动条件下,自然状态砂岩破坏模式为张拉–剪切混合型破坏,而饱水状态砂岩的破坏模式为张拉型破坏,不同含水状态砂岩的裂纹扩展程度与初始轴向静应力和动力扰动频率密切相关;相比于饱水状态砂岩,自然状态砂岩试样在动力扰动阶段出现了不同程度的块片弹射和飞溅现象,体现为典型的应变型岩爆特征;轴向静应力以及动力扰动频率对于不同含水状态砂岩的力学响应特征具有显著的差异性,其对于自然状态砂岩的力学响应主要体现为岩样的破坏剧烈程度,而对于饱水状态砂岩的力学响应则主要体现为岩样的破碎程度;对含水砂岩试样建立了真三轴卸载–动力扰动下裂纹扩展模型,认为水楔效应、中间主应力效应以及开挖卸荷效应是诱发饱水砂岩产生张拉型破坏的本质原因;基于室内试验结果,从能量转化、力学、物理以及化学的角度初步揭示了真三轴卸载–动力扰动下水弱化岩爆机制。     

动静组合荷载下自然和饱水砂岩抗拉特性研究

为研究水对岩石在动静组合荷载下拉伸强度和变形性质的影响,利用霍普金森压杆(SHPB)试验系统对自然和饱水状态砂岩开展了一系列动静组合加载平台巴西圆盘劈裂试验,同时采用数字图像相关技术(DIC)对试样的变形破坏进行监测。试验结果表明:饱水处理会降低岩石的静态拉伸强度及动静组合加载下的拉伸强度;动静组合加载下,自然和饱水岩石的拉伸强度均呈现出率效应,其率敏感性与岩石含水状态有关,饱水岩石的率敏感性显著高于自然状态岩石;随着加载率的增大,饱水岩石中的Stefan效应逐渐增强,孔隙水产生的抗力阻碍了裂纹的发育扩展,饱和岩石从而表现出动态弹性模量增强的力学行为。     

饱水砂岩动态强度的SHPB试验研究

采用改进的φ75mm杆径SHPB试验装置,对长径比为0.5的开阳磷矿砂岩进行自然风干和饱水状态下的冲击压缩试验,对比INSTRON材料试验机的静载试验结果表明:冲击载荷作用下饱水砂岩的应力–应变关系不同于其静态应力–应变关系,中应变率加载条件下饱水砂岩动态强度与风干砂岩的动态强度相近,这与静载条件下饱水砂岩强度降低的结果相反;风干砂岩动态屈服应力与其静态相近,饱水砂岩动态屈服应力比其静态下的结果提高近2倍,表现出比自然风干砂岩更强的应变率敏感性;水对砂岩动态破坏效果有影响,自然风干砂岩比饱水砂岩受冲击破坏更为严重;冲击载荷作用下,饱水砂岩动态强度应考虑其自由水黏度及Stefan效应的影响。     

考虑中间主应力的原位岩体强度参数取值研究

为了研究深部隧洞或地下厂房围岩在三向应力状态下的强度特性,开展玄武岩和片岩原位真三轴卸载试验,基于Mohr-Coulomb强度准则和Mogi强度准则,探讨考虑中间主应力影响的岩体强度参数取值问题。分析结果表明:(1)对于玄武岩和片岩原位真三轴试验,采用Mohr-Coulomb强度准则的回归方程满足显著性水平?=0.05的检验要求,采用Mogi强度准则的回归方程则可满足显著性水平?=0.01的检验要求,因此采用Mogi强度准则拟合现场岩体真三轴试验结果更加可靠;(2)考虑中间主应力影响的Mogi强度准则确定的岩体抗剪强度参数?值比忽略中间主应力影响的Mohr-Coulomb强度准则确定的?值高约6%,但是Mogi强度准则确定的岩体抗剪强度参数c值,则比Mohr-Coulomb强度准则确定的c值低约60%。     

基于新型茂木式试验机的真三轴试验及加载边界效应研究

介绍新研制的茂木式岩石真三轴试验机,并利用互扣式端部垫块对大理岩进行真三轴试验。利用试验和模拟相结合方法对真三轴试验机的加载边界效应进行研究。研究表明:随中间主应力的增大,岩石峰值强度增大,达到一定值后随着中间主应力的增大而减小;同时,岩样脆性随中间主应力的增大而增强,扩容现象延后。传统式垫块加载真三轴试验过程中,由于空白角的存在,产生应力集中,对岩样应力、应变分布造成明显影响,岩样将在空白角处产生不均匀变形。岩样在互扣式垫块加载方式下的强度略大于在传统式垫块加载方式下的强度。     

真三轴压缩下砂岩的能量和损伤分析

为了探究真三轴压缩下砂岩的能量和损伤演化规律，利用自主研发的真三轴扰动卸荷岩石测试系统进行真三轴一次加卸载试验和真三轴压缩试验，对真三轴压缩应力–应变演化规律进行研究，探讨三向主应力加、卸载的对岩体的影响，利用图形面积积分法分别计算了真三轴压缩的弹性能密度、耗散能密度与输入能密度，分析三者随最大主应力卸载水平增加的规律及其相互之间的关系，进一步研究真三轴压缩过程中损伤演化规律，并对冲击地压倾向性判定条件弹性能量指数进行讨论。研究结果表明：真三轴压缩下最大主应力增大，使砂岩内部应力调整，从而引起中、小主应力方向应变变化，从能量角度定义该现象为能量“诱增”；划分了三个方向主应力加、卸载的种类，将加载分为损伤加载(最大主应力加载)与保护加载(中、小主应力加载)；将卸载分为常规卸载(最大主应力卸载)与损伤卸载(中、小主应力卸载)；真三轴压缩下中间主应力方向约束应力较大，使得该方向“诱增”弹性能密度比例高于最小主应力方向“诱增”弹性能比例；真三轴压缩下最大主应力方向应力提升，砂岩的弹性能密度、耗散能密度均与输入能密度之间存在线性函数关系，提出了真三轴压缩的能量分析方法，进一步得到了砂岩的储能极限...     

基于双剪统一强度准则砂岩真三轴卸荷损伤本构模型研究

为完善真三轴加卸荷条件下砂岩损伤本构模型及参数确定方法,基于真三轴流固耦合试验系统,开展真三轴不同中间主应力、不同最大主应力加载速率条件下砂岩加卸荷试验,分析不同应力路径下砂岩的变形特征、各阶段渐进破坏特征和强度特性,选取真三轴加卸荷条件下适用的强度准则,建立可以有效描述砂岩受力破裂过程的损伤本构模型。结果表明：随着中间主应力的增加和加载速率的增加,砂岩试样起裂应力、损伤应力、峰值强度均增加。在两类应力路径下,双剪统一强度准则可以准确的描述砂岩强度特性。通过将双剪统一强度准则转化为合适的屈服函数形式,并考虑试样在不同主应力方向的损伤演化特性,建立真三轴损伤本构模型,对比分析模型参数对应变硬化特性的影响。模型分析结果与实际试验在不同主应力方向应力–应变曲线吻合,拟合结果较为稳定。该模型能准确反映砂岩微元强度受应力状态的影响,较好地反映砂岩不同主应力方向的受力破裂过程,可为实际岩石工程实践提供更好的理论指导作用。     

饱水时间对千秋煤矿2~#煤层冲击倾向性指标的影响

为分析饱水时间对煤体的力学性质与冲击倾向性指标的影响,对千秋煤矿2#煤层自然和饱水7~28 d处理后煤样,在RMT–150B岩石力学试验系统进行冲击倾向性指标测定。结果表明:在自然与饱水状态下,煤样的抗压强度与弹性模量、峰前积蓄能量和冲击能量指数均成正相关。饱水煤样的抗压强度、弹性模量、冲击能量指数以及峰前积蓄能量均有不同程度降低。饱水7~10 d后煤的力学性质和冲击倾向性指标变化显著,而后有所减缓。在自然含水状态下,2#煤层属于中等冲击类(II类),饱水7~28 d后2#煤层的冲击倾向性指标有较大降低,由中等冲击类变为弱冲击类(弱II类);建议千秋煤矿采煤工作面注水超前时间7~10 d,超前距离约30 m为宜。     

饱水时间对千秋煤矿2#煤层冲击倾向性指标的影响

 为分析饱水时间对煤体的力学性质与冲击倾向性指标的影响,对千秋煤矿2#煤层自然和饱水7～28 d处理后煤样,在RMT–150B岩石力学试验系统进行冲击倾向性指标测定。结果表明：在自然与饱水状态下,煤样的抗压强度与弹性模量、峰前积蓄能量和冲击能量指数均成正相关。饱水煤样的抗压强度、弹性模量、冲击能量指数以及峰前积蓄能量均有不同程度降低。饱水7～10 d后煤的力学性质和冲击倾向性指标变化显著,而后有所减缓。在自然含水状态下,2#煤层属于中等冲击类(II类),饱水7～28 d后2#煤层的冲击倾向性指标有较大降低,由中等冲击类变为弱冲击类(弱II类);建议千秋煤矿采煤工作面注水超前时间7～10 d,超前距离约30 m为宜。     

节理岩桥真三轴开挖卸荷试验研究

由于边坡内部岩桥聚积较高应力,节理岩质边坡开挖的卸荷容易诱发突发失稳。利用真三轴试验系统,对含不同岩桥长度花岗岩试样开展单轴加载和真三轴加卸载试验,研究岩质边坡开挖卸荷中复杂节理岩桥强度及破坏模式,并借助高速摄像机和声发射系统分析应力–应变曲线、峰值强度、裂纹扩展、破坏模式、声发射特征及声发射峰值强度的变化规律。研究结果表明:在单轴加载和真三轴加卸载试验中,真三轴加卸载下脆性破坏更加明显;随着岩桥长度增加,试样峰值强度、破坏时释放能量与声发射计数率均相应提高;在不同中间主应力下,试样抗压强度随中间主应力增加而增长,但声发射计数峰值反而降低,这是因为中间主应力带来的侧向压力使岩石内部结构更加紧密,微裂纹难以扩展;利用断裂力学强度因子叠加方法,揭示了开挖卸荷应力状态下岩桥长度与中间主应力对起裂扩展的影响机制。真三轴试验能更真实地模拟岩石开挖卸荷的应力状况,研究结果可对节理岩质边坡开挖稳定性评价提供理论支撑。     

预制裂隙花岗岩动静组合加载力学特性和破坏规律试验研究

为了研究动静组合加载下深部含裂隙岩体的力学特性和破坏规律,选用花岗岩加工制备50 mm×50 mm含裂隙的圆柱形试样,采用改进的霍普金森压杆装置,进行6个典型轴压水平和3个冲击气压水平的动静组合加载试验,并借助三维数字图像相关技术(3D-DIC)记录并分析试样的变形破裂过程。试验结果表明,裂隙的存在降低了花岗岩试样的抗压强度;随着轴压的增大,试样动态强度和动态弹性模量整体呈先上升后下降的趋势,组合强度基本呈上升趋势,动态应变则呈下降趋势;随着冲击气压的增大,试样动态强度和组合强度均增大,表现出显著的应变率效应。试样的能量吸收率随轴压增大呈先上升后下降的趋势,但在常规静载轴压比0.6～0.7时转而释放能量,并且轴压越大,释放能量所需的冲击气压越小,表现出硬岩岩爆特征;随着冲击气压增大,试样能量吸收率有所下降。对于完整试样,局部高应变先在试样端部集中并形成拉伸起裂裂纹,最终呈劈裂拉伸破坏;对含预制裂隙试样,局部高应变大多先在裂隙尖端或附近集中并形成翼裂纹,最终在轴压0～30 MPa动静组合加载下呈拉剪复合型破坏,但受端部效应影响,在轴压50～70 MPa动静组合加载下,裂隙尖端会形成2条近似平行的反翼裂纹,最终试样呈剪切破坏。     

一维动静加载下组合煤岩动态破坏特性的试验分析

依据动载诱发冲击地压是动静组合加载下煤岩体结构失稳这一科学认识,采用改进的霍普金森杆,开展一维动静加载下组合煤岩动态破坏特性的试验研究.选取强度和碎片分维作为特征参数,采用4种典型轴压,进行不同应力波能量下的冲击试验.获得组合煤岩的动态强度和碎片分维随动静载荷的变化规律,从而揭示裂隙数目、煤岩结构特性及动静载荷对组合煤岩破坏失稳的影响.结果表明:组合煤岩试样的动态强度和碎片分维随应力波能量的增大而增大,随静载的增大呈现先增大后减小的趋势.含有裂隙越多的组合煤岩对高动载的抵抗能力越强,而破坏的剧烈程度越低,说明煤层卸压措施不但能增强煤岩体结构对高动载的抵抗能力,还能降低冲击发生的剧烈程度.煤岩体结构特性增强了煤层对动静载荷的抵抗能力以及煤层破坏的剧烈程度;同时结构特性削弱了高动载对煤层的作用效果,而加强了高静载的作用效果,其原因在于动、静载荷作用的时间尺度差异较大.     

一维动静组合加载下岩石冲击破坏试验研究

 利用研制的岩石动静组合加载SHPB试验装置,系统研究岩石在一维动静组合加载下的冲击破坏特性。首先按照一维应力波传播理论,对动静组合加载的试验原理进行理论论证。试验过程中预先在轴向施加不同载荷,按照静载强度的20%,30%,40%,70%,80%和90%等6个系列进行,然后沿轴向进行冲击加载,考察岩石的临界破坏承载强度。研究结果表明：在临界破坏的情况下,动态冲击的应力–应变曲线(包括常规冲击和动静组合加载)最后都会出现总应变减小的现象,这是由于冲击过程中岩石内部储存弹性能释放所致。在轴向静压较小时,岩石的组合加载应力–应变曲线跟常规的冲击试验曲线类似;轴压较大时,岩石的组合加载应力–应变曲线没有初始的近似线弹性段,直接从非线性段开始。随着轴向静压的增大,岩石的抗冲击强度呈现出先增大后减小的趋势,大约在静载强度60%时,抗冲击强度达到最大值。在入射能较小时,岩石吸收的能量会缓慢增加,在入射能较高时,岩石吸能会快速增加。常规冲击下岩石的临界破坏模式为劈裂形式,动静组合加载下呈现压剪形式。     

端部效应对岩石真三轴压缩强度的影响

真三轴强度准则已提出很多,而真三轴试验结果却很少,且可靠性需要确认。如茂木清夫所做Orikabe二长岩和Yamaguchi大理岩,在真三轴应力下的强度及变形较为特别:中间主应力?2恒定时强度不随最小主应力?3增加而增加,在延性变形阶段?2对强度的影响大于?3。拉西瓦花岗岩强度也存在类似的奇异。合理的解释是,在?3较高时试样轴向变形较大,引起加载?2压板产生摩擦而提高强度。修正摩擦效应意味着增大?3而减小?1,?2对强度的真实影响将不再随?3显著增加。     

高地应力下岩石的真三轴试验研究

通过真三轴试验模拟高地应力条件下地下工程开挖引起的复杂的应力路径的演化。在设定的加载方式下，针对拉西瓦新鲜花岗岩的试验结果表明：当卸载最小主应力时，岩石发生回弹变形，声发射计数率比卸载前显著增加，增加的幅度随中间主应力的增加而逐渐提高。岩石的应力一应变关系为弹脆性，峰值强度随中间主应力的增加有所提高，峰值强度的提高值与中间主应力的比值随中间主应力的提高逐渐减小。声发射计数率峰值与应力水平有关，峰值的次数与破坏后主裂缝的条数相对应。最后，分析了岩石的破坏机制。     

三维动静加载下不同长径比煤样力学特性及能量耗散规律

为研究三维动静加载下不同长径比煤样力学特性及能量耗散规律,利用改进的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,对直径50 mm,长径比分别为0.5,0.6,0.8和1.0的4组圆柱体试样开展三维动静加载试验,从动态应力和动态应变等方面研究不同长径比煤样的力学特性,并对破碎后煤样进行能量分析。研究结果表明：当试样长径比在0.5～1.0范围内时,动态峰值应力和组合峰值应力均随应变率增大呈乘幂函数关系增长,长径比越大,试样的应变率敏感性越强;相同应变率下,动态峰值应力和组合峰值应力随试样长径比增加而增大,且应变率越大,二者长径比效应越显著。试样动态峰值应变和动态最大应变均随应变率增大呈线性关系增长,不同长径比试样动态峰值应变及动态最大应变的应变率敏感性相差不大,相同应变率下动态峰值应变随试样长径比增加而减小,动态最大应变受预加静载及试样允许的最大变形量双重因素影响,随长径比增加表现为先减小再增大。试样长径比越大,煤的破碎耗能密度越小,破碎程度越高,破坏模式由张拉破坏向剪切破坏转变。研究成果有利于探究动静载叠加作用下冲击失稳破坏机制,为冲击地压防治提供理论支持。     

岩石动静组合加载力学特性研究

 根据深部岩石力学研究的需要,在分析深部开挖中岩石受力特点的基础上,提出岩石动静组合加载问题。通过对多载荷凿岩机、INSTRON系统、SHPB装置的不断改进和尝试,研制出中高应变率段岩石动静组合加载试验系统,该系统可实现岩石轴向静压0～200 MPa、围压0～200 MPa和冲击动载0～500 MPa的同时加载。基于新研制的试验系统,对岩石在不同动静组合加载下的强度特性、破碎规律及吸能效率进行研究。结果表明：冲击动载一定,轴向静压从0增大到其单轴静压强度70%时,岩石的组合加载强度大于其纯静载强度或纯动载强度。轴向静压不变,随着冲击动载的增大,岩石的组合加载强度逐渐增大,表现出率相关性。动静组合加载下,岩石的破坏呈拉伸破裂模式,岩石的破碎块度在冲击动载或轴向静压增大时都向细粒端发展。岩石的吸能率随着动静组合加载的不同而不同,通过选择合适的动静组合加载,可使岩石的吸能率最大。     

中间主应力与层理方向对页岩力学和渗透特性影响的试验研究

 为探讨中间主应力与层理方向对页岩力学和渗透特性的影响,运用自主研制的多功能真三轴流固耦合试验系统,以含气页岩为研究对象,进行真三轴应力条件下不同中间主应力加卸载试验。研究结果表明：中间主应力对页岩渗透率的影响在中间主应力垂直于层理面时最大,最小主应力垂直于层理面时次之,最大主应力垂直于层理面时最小;当中间主应力垂直于层理面或平行于层理面时,中间主应力与渗透率呈负相关。中间主应力垂直于层理面时渗透率对中间主应力的敏感性明显大于中间主应力平行于层理面时的敏感性,二者相差1～2个数量级;此外,定义损伤变量D表达式,发现加载过程中损伤变量–中间主应力曲线斜率变化不大,而在卸载过程中斜率变化明显,中间主应力垂直于层理面时损伤变量全程大于中间主应力平行于层理面时的损伤变量。