粗砂岩变形破坏过程中的能量演化机制

对粗砂岩进行单轴试验测得其力学参数,然后采用颗粒流和fish程序获得粗砂岩的细观力学参数进行不同围压下的压缩试验,分析粗砂岩的变形和强度特性以及在变形破坏过程中的能量演化规律。获得主要结论:随着围压增加粗砂岩屈服阶段明显增加,峰值强度提高,峰后由明显软化逐渐向塑性流动过渡,表明随着围压增加粗砂岩脆性降低而延性提高,主应力表示的二次型强度准则比直线型更加贴近试验结果。粗砂岩在变形破坏过程中,弹性阶段吸收的能量主要以弹性应变能的形式存储,屈服阶段弹性应变能增速减缓而耗散能增速加快,围压越高峰值处对应的耗散能越大表明高围压下破坏时岩石内部损伤严重,峰后阶段弹性应变能在低围压下急剧减小而高围压下缓慢减小。弹性储能极限随围压增加呈现线性增大趋势,弹性应变能与岩石吸收总能量之比先减小而后趋于常值。     

单轴加卸载条件下岩盐变形过程能量和声发射特征研究

利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统及声发射(AE)实时监测系统,对取自平顶山和淮安两处矿井的纯盐岩进行单抽加卸载试验,得到岩盐的应力-应变加卸载曲线、声发射振铃计数率和能量率曲线,并从能量与声发射的角度研究纯岩盐变形破坏过程的基本特征。研究表明:岩盐单轴加卸载条件下,弹性变形阶段很短,屈服过程产生很大的塑形变形,且峰后的变形过程没有应力的急剧下降,整个试验过程中加卸、载之间滞回环面积很微小。在整个试验过程中,弹性应变能所占比例非常小;盐岩单轴加卸载变形破坏过程中,其耗散能随应变一直增加,且增长率递增,而当应力接近峰值时,增长率趋于恒定,耗散能曲线开始呈线性增长;弹性应变能在峰前一直增加,且增长率递减,在峰值处达到最大值,峰后开始下降。岩盐在试验初始阶段振铃计数率与能量率大量产生,后在屈服阶段呈现下降进入稳定发展期,直到峰值处,出现一个累计振铃计数和累计能量曲线的拐点,峰后以一个更高的速率稳定且呈现阶梯状发展。本文对于盐岩储气库的水溶开挖和采气过程中逐渐卸载的应力环境施工过程有一定的实际指导意义。     

单轴加卸载条件下岩盐变形过程能量和声发射特征研究 （研究生论坛）

利用 MTS815 Flex Test GT 岩石力学试验系统及声发射(AE)实时监测系统,对取自平顶山和淮安两处矿井的纯盐岩进行了单抽加卸载试验,得到了岩盐的应力-应变加卸载曲线、声发射振铃计数率和能量率曲线,并且从能量与声发射的角度研究了纯岩盐变形破坏过程的基本特征。通过研究表明,岩盐单轴加卸载条件下,弹性变形阶段很短,屈服过程产生很大的塑形变形,且峰后的变形过程没有应力的急剧下降,整个实验过程中加卸、载之间滞回环面积很微小。在整个实验过程中,弹性应变能占的比例非常的小;盐岩单轴加卸载变形破坏过程中,其耗散能随应变一直增加,且增长率递增,而当应力接近峰值时,增长率趋于恒定,耗散能曲线开始呈线性增长;弹性应变能在峰前一直增加,且增长率递减,在峰值处达到最大值,峰后开始下降。岩盐在试验初始阶段振铃计数率与能量率便大量产生,而后在屈服阶段呈现下降进入稳定发展期,直到峰值处,出现一个累计振铃计数和累计能量曲线的拐点,峰后以一个更高的速率稳定地且呈现阶梯状发展。本文对于盐岩储气库的水溶开挖和采气过程中逐渐卸载的应力环境施工过程有一定的实际指导意义。     

含瓦斯原煤三轴压缩变形时的能量演化分析

为了探究含瓦斯煤变形破坏过程中的能量演化规律,理论推导了恒定围压下含瓦斯煤样压缩变形时的能量计算公式.针对平顶山矿区八矿己15-14120工作面瓦斯突出煤体进行了4组不同瓦斯压力下的压缩破坏试验,得到了能量输入密度、弹性能密度和耗散能密度的演化规律.结果表明:1)含瓦斯煤三轴压缩变形破坏过程中,轴压方向能量吸收,围压方向能量释放,瓦斯压力做功与体应变有关.2)煤样达到峰值之前,能量输入密度、弹性能储存密度、能量耗散密度都随着轴向应力的增大而增大,吸收能密度最快,弹性能密度次之,耗散能密度增加缓慢;峰值过后,能量输入密度继续上升,弹性能密度下降,耗散能密度激增.3)基于声发射的能量释放规律与应力-应变曲线有很好的对应,瓦斯压力越大,相对于轴向应变的能量耗散来期越早,同时耗散速率也越快.4)随着瓦斯压力的提高,煤体变形声发射信号初始点、体积膨胀点、峰值应力点处的吸收能密度、弹性能密度降低,耗散能密度增大.     

应变速率对注浆体力学特性影响规律

为研究微震荷载作用下注浆加固体力学特性,以裂隙倾角30°、宽度4 mm的红砂岩裂隙注浆体为研究对象,借助岩石三轴伺服压力机进行变应变速率(10^-5 ~5×10^-3 s^-1)单轴压缩试验;然后从能量耗散、裂纹扩展及破坏形态等3个方面,分析变应变速率对注浆体力学特性的影响规律及机理. 研究表明:随着应变速率的增加,注浆体的峰值强度、弹性模量均随之而增大;且峰值强度与应变速率呈指数函数关系变化;注浆体受应变速率影响的响应分为敏感应变速率阶段和滞缓应变速率阶段,主要差异在于峰值强度变化率和弹性模量变化率;随着应变速率的增大,注浆体的总能量在增大;压密阶段是影响不同应变速率下注浆体力学特性的主要阶段;敏感应变速率阶段和滞缓应变率阶段中的压密阶段主要区别在于积散比大小,积散比进一步决定产生裂纹的多少和分布区域与规律;耗散能密度对注浆体破坏脱落面积以及粒径分布影响较大,耗散能密度越大,碎块越以大块为主(粒径大的比率逐渐增加),滞缓应变率阶段耗散能密度较敏感应变率阶段大,其破碎块体较敏感应变率阶段大. 研究在裂隙注浆加固体的变应变速率影响下力学特性,从能理原理、分形理论角度得到了其影响机理.     

灰岩单轴抗压特性的浸水效应研究

为了考察软岩浸水后软化行为对单轴抗压特性的影响,取河南陈四楼煤矿二1煤底板太原组灰岩为试验材料,在三种不同的加载速率下,对不同浸水时间下试样进行单轴压缩试验,得到关于灰岩抗压特性的浸水效应。试验结果表明:在一定的加载速率下,随浸水时间增加,抗压强度和弹性模量逐渐减小,且降低幅度越来越小;随浸水时间增加,试样逐渐由弹性变形转变为塑性变形,但极限应变基本不变;试样内部不可逆的损伤破坏加剧,总应变能和弹性能与浸水时间呈指数关系,耗散能随浸水时间的变化可以用线性关系拟合。     

冻结黏土单轴动态加载过程的能量耗散特征

为研究动态加载条件下人工冻结黏土的动力学特性,使用SHPB动力学试验系统进行了人工冻结黏土的单轴动态加载试验,分析了不同加载应变率及温度条件下人工冻结黏土的动强度和初始动弹性模量的变化规律,并重点讨论了动态加载过程中试样的能量耗散特征.结果表明:(1)在单轴动态加载条件下,人工冻结黏土的动弹性模量、动强度随应变率的增大或温度的降低而增大,但结果数据在低应变率区有一定波动;(2)随着试样内部塑性变形和裂纹扩展增加,试样弹性应变能密度与耗散应变能密度比值逐渐减小,试样也更容易呈现脆性破坏.以上结果有助于认识人工冻土的冲击破坏能量特征,为人工冻土工程设计与施工提供一定的参考.     

高围压卸荷条件下大理岩变形破坏及能量特征研究

能量的耗散与释放是岩石变形破坏的本质。基于MTS815 Flex Test GT岩石力学试验平台,通过室内三轴卸荷试验和数学物理分析方法,揭示了大理岩在高围压三轴卸荷条件下的应力应变关系及能量变化特征。结果表明,初始围压的增大将显著提升岩样峰值强度时的可释放应变能以及最终总能量;随着围压的增大,岩样所吸收的能量变化的快慢程度随着偏应力变化而有所减缓;峰值强度时岩样可释放应变能占总能量的比例随着围压的增大而急剧增大,而残余强度时所吸收的总能量几乎全部转化为耗散能;大理岩能量指标存在明显的围压效应,即峰值总能量和残余总能量随着围压增大而显著提高,且具有良好的线性关系。     

高温后岩石变形破坏过程的能量分析

从非平衡热力学角度出发,结合岩石在不同高温作用后的单轴压缩和声发射试验,详细阐述了岩石变形破坏过程中的声发射特点,分析了经历不同高温后岩石强度与能量耗散和能量释放之间的关系。研究结果表明高温作用后花岗岩声发射曲线大致经历了以下6个阶段:初始沉寂段、上升段、前峰值段、高幅持续段、后峰值段、后期沉寂段。声发射曲线较好地反映了岩石在整个破坏过程中由稳定态向亚稳定态、临界态、失稳破坏直至新的稳定态的发展过程。岩石峰值强度与耗散能呈反比关系,与弹性能呈正比关系,能量耗散使材料发生劣化,强度降低。声发射能率与弹性能呈正比关系,与耗散能呈反比关系,弹性能突然释放引起岩石的失稳破坏。岩石的破坏是能量耗散与能量释放共同作用的结果。研究结果有助于研究高温后受外载岩石微缺陷的演化并最终破裂的过程,对高温后岩体工程起到一定的参考作用。     

三轴压缩条件下胶结充填体能量耗散特征分析

开展不同灰砂配比、质量分数的充填体三轴压缩试验,研究了不同围压加载阶段充填体的能量耗散与围压、应变以及应力的内在关系.结果表明,在低围压时,充填体的极限抗压强度低;随着围压的增加,充填体的峰值强度随之增大,峰前能耗占总能耗的比重越来越大,说明充填体屈服阶段吸收的能量占总能量的比重提高,围压的增大能够提高充填体的破坏能耗量;充填体的峰前能耗量、峰后能耗量、单位体积变形能以及总能耗与围压呈二次函数曲线关系.当围压一定时,充填体在弹性变形阶段的能量变化与轴向应力、偏应力均呈线性关系,与轴向应变呈指数函数曲线关系;随着轴向载荷增加,能量随轴向应力、偏应力变化的增长速率加大.     

三轴应力下盐岩声发射特征研究（研究生论坛稿件）

利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统和PCI–2声发射(AE)三维定位实时监测系统,开展不同围压下盐岩的三轴压缩声发射定位试验,探讨盐岩轴向加载过程中声发射特征的围压效应。研究结果表明：盐岩AE定位点多少与振铃计数率大小、能率高低具有良好的一致性。声发射高计数、高能率、定位点集聚段等随围压增加而滞后。低围压下,盐岩发生剪切破坏,高计数、高能率、AE定位点集聚段主要出现在屈服阶段和峰值应力前阶段;高围压下,盐岩呈塑性大变形特征,高计数、高能率、AE定位点集聚段主要在峰值阶段及峰后阶段出现。围压增加,累计计数和定位点的总量呈减少趋势;最大能率和累计能量随围压增加而减小,5MPa约分别为30MPa的43倍和22倍。     

循环加卸载下花岗岩破裂过程及能量演化研究

使用MTS815实验机对北山花岗岩进行了循环加卸载实验.基于实验结果,探讨了循环加卸载条件下北山花岗岩声发射特征,研究了北山花岗岩破裂过程中能量演化特征.结果表明:1)峰值应力前循环,卸载阶段弹性模量略大于加载阶段弹性模量.2)根据声发射变化特征可以很好地判定岩石所处的应力状态和损伤程度,并在一定程度上证明了岩石材料的Kaiser效应.3)峰值应力前,能量演化主要表现为以弹性能为主的聚集和释放;在峰值应力时耗散能迅速增多导致岩石内部结构发生根本性的变化,耗散能在峰后阶段所占比重持续增加导致岩石进入加速破坏阶段.4)峰值应力前,围压对弹性能和耗散能的影响很小;但弹性储能极限和岩石破坏所需的耗散能随围压的升高线性增大.     

分级循环荷载下裂隙岩石疲劳破坏特性与能量演化机制

分级循环荷载下裂隙岩石裂隙扩展模式、疲劳变形特性以及能量演化规律对地下工程安全施工和运营有着重要意义。考虑裂隙角度、裂隙数量和裂隙分布开展常规劈裂试验、分级循环荷载试验和非接触变形测量试验,对破坏特征、动弹性模量进行分析,研究轴向不可逆变形与疲劳寿命之间的关系。从能量角度出发,计算破坏过程中的总吸收能量、可释放应变能及耗散能,分析能量演化与裂隙扩展模式响应关系。研究结果表明：1）岩石疲劳变形可分为初始变形阶段、稳定阶段和加速破坏阶段,滞回环曲线呈现出“疏—密—疏”的特性,对每200个循环的动弹性模量进行分析,加载第2阶段动弹性模量有强化特征,进入第3阶段后动弹性模量减小;2）总吸收能、耗散能和弹性能都呈上升趋势,总吸收能增长缓慢,增长速度随着循环次数增加逐渐变缓,耗散能在进入破坏阶段后迅速上升,弹性应变能变化趋势不明显,中等倾角的耗散能较多;3）在破坏过程中均会产生翼裂纹和倾斜次生裂纹,裂纹相互作用和合并,产生连续塑性应变累积,形成压碎的小颗粒碎屑,这与静荷载作用下脆性破坏机制不同。     

围压作用下盐岩损伤恢复研究

为了解在围压作用下盐岩损伤恢复特性和盐岩损伤与强度之间的联系,设计了盐岩在不同围压、不同稳压时间之后盐岩强度测试试验。试验结果表明：加载初期,盐岩弹性模量随着稳压时间的增大而逐渐增大,且随着稳压时间的增大,盐岩峰值应力对应的轴向应变和横向应变均会逐渐增大;盐岩损伤与强度之间存在负相关联系;随着稳围压时间的增加,盐岩强度逐渐增大,最后保持在趋于相对稳定的状态;在围压作用下盐岩损伤愈合可以分为损伤快速恢复阶段和损伤缓慢恢复阶段,且对于不同稳压大小,盐岩损伤恢复两个阶段有明显的时间节点;在一定范围内,盐岩损伤快速恢复阶段的时间长短随着稳压阶段围压的增大而逐渐减小;增加稳围压阶段的围压大小可以一点程度上缩短盐岩损伤快速恢复阶段时间,但是增大围压可能会对盐岩造成新的损伤。     

不同冲击荷载下高温-水冷却花岗岩能量耗散特征研究（英文）

研究地热钻井施工中高温岩石冷却后的能量耗散特性,对提高岩石破碎效率至关重要。通过对分离式霍普金森压杆(SHPB)系统在不同冲击载荷下的动态试验,研究了高温-水冷却花岗岩的能量耗散特性。花岗岩的加热范围为25℃至1000℃。此外,还通过电镜扫描(SEM)和压汞试验(MIP)获得了该花岗岩的微观形貌和孔隙分布。以400℃为界,孔隙分布变化趋势可分为两个阶段：在400℃之前,微孔和小孔占比超过75.00%;当T≥400℃时,中孔占比迅速增加。此外,动态峰值应力和峰值应变随入射能量的增加而增加,而动态弹性模量的变化趋势不明显。当加热温度从25℃增加到800℃时,耗散能占比呈上升趋势,而加热到1000℃的花岗岩的吸收能量下降。当应变率在100 s^-1-120 s^-1之间时,能量利用效率最高。     

饱和花岗岩水-力耦合力学特性试验研究

采用全应力多场耦合三轴试验仪,对饱和花岗岩开展了不同加载速率、不同围压、不同孔压下的水-力耦合三轴压缩排水试验,分别给出了饱和花岗岩在不同加载速率、不同有效围压下的应力-应变曲线,分析了峰值强度、峰值应变、弹性模量随加载速率以及有效围压的变化规律。研究结果表明:(1)在不同有效围压和加载速率的条件下,岩样的应力应变曲线均经历了非线性压密、弹性、屈服、峰后四个阶段。偏压加载初期非线性压密阶段比较明显,而随着围压的升高非线性段逐渐消失;由于花岗岩的致密性较高,因而曲线的弹性阶段较长且相对平滑;在屈服和峰后阶段,岩石呈现出明显的脆—延性转化的过程。(2)饱和花岗岩的峰值强度随着加载速率的增加而增大;且当有效围压相同时,岩石的峰值强度大致相等,抵抗外界荷载的能力大致相同。(3)缓慢加载条件下饱和花岗岩的峰值应变表现出加载速率强化效应,但强化效果是有限的;且在有效围压相同条件下,随着围压和孔压的同步增长,峰值应变也呈增长的趋势。(4)弹性模量随着加载速率的增加呈二次多项式增长,但随着围压和孔压的同步增长而逐渐降低。     

三轴应力下盐岩声发射特征研究

利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统和PCI-2声发射(AE)3维定位实时监测系统,开展不同围压下盐岩的三轴压缩声发射定位试验,探讨盐岩轴向加载过程中声发射特征的围压效应。结果表明:盐岩AE定位点多少与振铃计数率大小、能率高低具有良好的一致性。声发射高计数、高能率、定位点集聚段等随围压增加而滞后。低围压下,盐岩发生剪切破坏,高计数、高能率、AE定位点集聚段主要出现在屈服阶段和峰值应力前阶段;高围压下,盐岩呈塑性大变形特征,高计数、高能率、AE定位点集聚段主要在峰值及峰后阶段出现。围压增加,累计计数和定位点的总量呈减少趋势;最大能率和累计能量随围压增加而减小,围压为5 MPa时分别约为30 MPa时的43倍和22倍。     

含杂质盐岩三轴蠕变特性试验研究

针对杂质盐岩蠕变力学特性问题,利用大型程控流变仪,对两种不同杂质盐岩进行分级加载下的三轴蠕变试验。试验结果表明:围压和杂质含量不同,盐岩破坏形态及力学参数均有差异。围压小于临界围压,盐岩呈剪切破坏;围压大于临界围压,盐岩呈大变形鼓状破坏。围压和杂质含量一定,岩盐稳态速率随偏应力增加呈指数增长;偏应力和杂质含量一定,蠕变速率随围压增大而降低,长期强度有所增大;偏应力和围压一定,低杂质(ω=2.1%)盐岩稳态蠕变速率高于高杂质(ω=46.8%)盐岩。体积变形经历了压密期-平静期-扩容期3个阶段,高杂质盐岩体积应变低于低杂质盐岩。将不溶物杂质含量与应力敏感性常数n的关系同分数阶蠕变本构方程进行耦合,建立耦合杂质的盐岩分数阶非定常蠕变模型;将理论模型与试验数据对比分析证实了该模型的合理性。     

基于破坏类型的本溪灰岩本构关系研究

根据单轴和三轴条件下本溪灰岩的压缩试验和峰后循环加载试验,总结本溪灰岩的强度、变形随围压的变化规律,研究不同围压下本溪灰岩的破坏过程和重复加载过程,分析不同应力条件下本溪灰岩破坏的方式.结果表明:本溪灰岩在应力刚过峰值且未完全进入残余强度阶段,其弹性模量与峰前相同,此阶段进行循环加载时,新的峰值应力低于卸载点应力;在残余强度阶段,残余强度不再随重复加载发生明显变化;采用比较峰值时的环向弹性应变值与环向应变值的方法来判别本溪灰岩的破坏类型是可行的;不同围压下,本溪灰岩的破坏方式有张性破坏和剪切破坏2种类型,这2种破坏方式下本构模型的控制参数是不同的.分别选取了环向应变和剪切应变作为控制参数建立了本构模型,该模型很好地描述了本溪灰岩峰后阶段的应力脆性跌落现象及应力与应变的关系.     

围岩-充填体组合承载宏细观损伤演化机理

充填体与围岩共同承载地应力,揭示其组合体宏细观损伤演化机理有助于完善充填体与围岩相互作用理论和优化充填体的配比和强度设计.开展不同灰砂比的围岩-充填体组合体单轴压缩试验和数值模拟,分析宏观下应力-应变曲线、力学参数及破坏模式,细观下裂纹扩展、能量变化及损伤演化规律.结果表明：灰砂比越高,组合体的峰值强度和弹性模量越大,峰值应变越小;组合体发生张拉剪切混合式破坏,低灰砂比时接触界面产生断裂破坏,高灰砂比时分层界面产生宏观裂隙;峰前阶段,接触界面和分层界面等薄弱部分先出现微裂纹,组合体以弹性应变能的转化为主,伴随小幅度能量损耗,损伤程度较低;峰后阶段,组合体耗散能急速增长并超过弹性应变能,内部损伤程度加速恶化.围岩内部裂纹数量大幅增加并迅速扩展贯通,率先出现宏观断裂面,充填体内部裂纹汇聚合并于分层界面,在高灰砂比时发挥良好的协同支护作用.