循环加卸载下泥岩能量演化与损伤特性分析

为探究循环荷载下泥岩试件能量耗散与损伤特性,进行荷载等级逐渐增加的循环加卸载试验与等荷载疲劳试验。分析不同荷载水平下各循环塑性应变与能量密度变化,以疲劳试验为参照,从能量角度对损伤变量进行定义,并对不同荷载上限疲劳试验中试件的疲劳寿命进行了预测。结果表明:同一等级荷载下初始循环塑性应变及耗散能密度远大于其他循环;初始循环耗散能占比从试件进入弹性段开始加速增大,临近破坏时有突增;从能量角度定义损伤变量可避免"负损伤"的出现,预测得到泥岩试件的疲劳寿命与荷载水平呈幂函数关系。     

三轴循环加卸载条件下岩石能量演化及分配规律

为探究围压对受载岩样能量演化特征的影响规律,设计了按轴向位移等梯度加载的恒围压卸轴压的试验应力路径,采用MTS815岩石力学试验系统开展了6种围压下岩样的三轴循环加卸载试验;提出基于加卸载曲线的面积来计算岩石能量的方法,避免采用弹性模量不变的假设而造成能量计算误差,采用特征能量密度和能耗比参数来表征受载岩样的能量积聚、耗散及释放行为,揭示了受载岩样能量演化过程及分配规律的围压效应。试验结果表明:随着从峰前向峰后阶段推移,弹性能占比逐渐降低,耗散能占比逐渐提高,在残余阶段能量占比趋于稳定。随着围压的提高,岩样的特征能量密度随之增大。能耗比(耗散能密度与弹性能密度的比值)可表征受载岩样内部损伤积累状态,在峰前阶段,能耗比随循环次数的增加而增大;在峰后阶段,能耗比先增大后减小,出现拐点(受载岩样大面积破裂或破坏的征兆点)。围压可抑制因岩样破裂或破坏时能量的耗散和释放,造成岩样破坏时所释放的弹性能不彻底;随着围压的提高,能耗比随之降低。     

真三轴加卸载下含裂缝砂岩能量演化规律研究

为了探明真三轴循环加卸载过程中含裂缝砂岩能量演化规律,设计了真三轴循环加卸载试验,深入分析了循环加卸载过程中吸收总能量、弹性能、耗散能的演化规律与变化特征,进而探讨了能量耗散与岩石强度之间的关系。结果表明:(1)吸收总能量、弹性能和耗散能变化规律与砂岩试样裂缝角度无关,均随循环次数的增加而增加,且增幅越来越大,临近破坏时最大;(2)不同裂缝角度砂岩的吸收总能量、弹性能和耗散能与应力上限呈二次函数关系增长,吸收总能量、弹性能和耗散能能量增速依次减小,但前两者增速显著大于耗散能增速,且耗散能拟合曲线呈“凹”形;(3)定义了表征岩石储能能力和能量耗散能力的储能系数和能量耗散系数,对比发现岩石裂缝角度越大,储能能力越强,能量耗散能力越弱,岩石的峰值强度越大。     

三轴循环加卸载条件下砂性土变形特性研究

利用基于局部变形数字图像测量的三轴试验系统和可提供循环加卸载的试验机,设计了砂性材料的三轴循环加卸载试验,研究了砂性散体材料在不同状态下的轴向、径向和体积变形特性以及泊松比的变化。加载体胀和卸载体缩是砂性材料颗粒结构性的具体表现,在多次加卸载循环后,颗粒的滑移、滚动和破碎等结构性变形最终完全消除,结构变形达到稳定状态。泊松比的变化与试样的体积变形密切相关,从体积变化趋势中可以分析出泊松比的变化范围。     

脆性岩石单轴循环加卸载试验及断裂损伤力学特性研究

 以向家坝砂岩单轴循环加卸载室内力学试验结果为基础,结合岩石内部微裂纹的细观力学分析,对脆性岩石单轴循环加卸载的应力–应变曲线特征、峰值强度及断裂损伤力学特性等进行研究。给出一种根据应力–应变曲线计算损伤变量的方法,损伤变量计算结果和声发射测试数据变化规律较为一致。试验结果表明,砂岩的循环加卸载强度要比单轴压缩强度要小很多,对于脆性岩石单轴循环加卸载的峰值强度来说,受到多种因素的影响。弹性常数计算结果表明,循环加卸载过程中泊松比逐渐增大,而弹性模量在第一次循环加卸载增大之后则缓慢减小。脆性岩石循环加卸载过程中,岩石损伤在逐渐累积,在微裂纹进入不稳定扩展阶段,岩石损伤会迅速增大,岩石宏观力学特性取决于内部微裂纹的细观力学响应。     

循环加卸载作用下完整和裂隙煤体渗透性演变规律研究

为了得到煤层群重复采动作用下被保护层的渗流特性,总结出被保护层所承受的应力路径,分为加载、卸载和恢复3个阶段,基于自制的受载煤体注气驱替瓦斯测试仪,进行模拟重复采动影响渗流实验,分析完整和带有贯穿裂隙2类煤样在此路径下的渗流规律.研究结果表明:(1)重复采动作用会对煤体产生损伤,采动次数越多,渗透率变化越明显,卸载阶段...     

循环加卸载过程中砂岩能量耗散演化规律

为了深入分析循环加卸载过程中岩石能量耗散演化规律,设计、进行砂岩的单轴循环加卸载试验。详细分析典型循环加卸载滞回圈曲线变化特征,探讨加卸载过程中的总功、弹性变形能、耗散能、能量耗散率、残余应变、损伤变量等参数的变化规律及其相互关系。结果表明:(1)循环加卸载过程中,应力–应变滞后现象明显,而且存在明显的残余应变,在计算各能量参数时应该考虑这些因素的影响;(2)考虑残余变形和滞后效应的影响,提出循环加卸载过程中各能量参数修正的计算方法;(3)岩样在循环加卸载临近破坏的时候,各能量参数及残余应变出现明显的增大,能量参数和残余应变的突变均可以较好地预测岩样的破坏;(4)能量耗散率与残余应变的相关性也从另一个角度说明了在能量参数计算时不可忽略残余应变的影响。研究成果对岩石循环加卸载过程中岩石能量损伤演化规律分析具有较好的参考价值。     

循环加、卸载条件下北山深部花岗岩损伤与扩容特性

采用MTS815岩石力学试验机和声发射监测系统,研究我国高放废物地质处置库北山预选区深部花岗岩在三轴循环加、卸载条件下的损伤和扩容特性。基于试验结果,分析岩石全应力–应变曲线与累计声发射撞击数和事件数的时空分布关系,进而揭示其破裂演化机制。通过构建岩石在循环加、卸载过程中的塑性应变轨迹,获得峰后剪胀角随塑性剪切应变的变化规律,探讨岩石扩容对塑性剪切应变和围压的依赖性。研究结果表明:(1)声发射事件增量最大值出现在应变软化阶段,在该阶段的反复加载是加剧其内部损伤和裂隙宏观贯通的主导因素,残余变形阶段的裂隙行为主要表现为宏观断裂面间的摩擦、滑移,岩石扩容率趋于恒定;(2)卸载过程对于裂隙发展的影响远小于加载过程,由于裂隙的发展状态不同,在裂隙损伤应力(σcd)之前和之后卸载导致的声发射特征具有显著的差异性;(3)峰后剪胀角随塑性剪切应变的增加而减小,并随围压增加其衰减梯度不断减小,采用指数函数建立围压和塑性剪切应变为影响因素的剪胀角模型,可合理描述北山花岗岩的扩容特性。     

三轴循环加卸载过程中盐岩声发射演化特征分析

为探究盐岩储气库运行过程中的声发射特征,对取自平顶山岩穴一号钻孔的盐岩进行不同围压作用下的三轴循环加卸载试验及全过程声发射监测试验。试验研究表明:围压施加过程中,声发射信号主要出现在围压施加前期,声发射振铃计数率和能量率的最大值出现在围压压力5~10 MPa的时间区段,且振铃计数率和能量率达到最大以后,声发射信号随着围压的增大逐渐减弱;围压越低,试验加载初期产生的声发射信号越强,整个试验过程中累积振铃计数越多,能量率和能量越高;围压会使试验过程中声发射信号后移,且围压越大,后移现象越明显;围压的增大会使得盐岩加载过程中的平静期缩短和后移,直至平静期的消失;考虑三轴加卸载过程,加载段有明显的声发射信号,卸载段鲜有声发射信号,偏应力峰值前有明显的Kaiser现象,峰值后伴随大量的声发射信号,但Kaiser现象消失。     

三轴应力加卸载作用下损伤煤岩渗透率模型研究

为研究低渗煤岩在应力加卸载作用下损伤破坏过程渗透性变化规律,基于"立方体"结构模型,综合考虑三轴应力加卸载煤岩损伤、有效应力及吸附/解吸作用引起的煤岩割理与基质变形,建立三轴应力加卸载作用下损伤煤岩渗透率模型,并基于试验结果对渗透率模型进行验证。研究结果表明:(1)所构建的渗透率模型,不仅可以较好地反映三轴应力加卸载作用下损伤煤岩渗透率变化规律,而且也可以反映有效应力对损伤煤岩渗透率的影响远大于吸附解吸作用的规律。(2)当煤岩应力水平低于峰值强度时,在恒定围压、持续加轴压应力作用下煤体处于压缩状态,瓦斯渗透率降低;在卸围压、持续加轴压应力作用下,煤体内部开始产生损伤破坏,瓦斯渗透率缓慢上升;使得煤岩在加卸载失稳破坏前,瓦斯渗透率整体呈"V"字型发展趋势。(3)不同初始围压条件下,煤岩加卸载破坏失稳后渗透率增大程度随着初始围压的增大而增大;不同瓦斯压力条件下,煤岩的初始渗透率随着瓦斯压力的增大而增大。研究结果可以为我国采煤工作面瓦斯高效抽采提供理论支撑,具有指导性意义。     

高温三轴应力下无烟煤、气煤煤体渗透特性的试验研究

利用自主研制的600℃20MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机系统,分别研究大尺寸(φ200mm×400mm)晋城无烟煤和兴隆庄气煤试样在恒定500m原岩应力(侧压系数1.2)条件下不同温度时渗透特性的演化规律。结果表明:(1)在室温～300℃中低温段,煤体渗透率随温度的变化存在一个阈值温度。当温度达到阈值温度时,渗透率降至最低值。(2)在300℃～600℃高温段,煤体渗透率随温度的变化存在一个峰值温度,峰值温度处渗透率为该温度段内的最大值。(3)煤体渗透率随温度的变化呈现阶段性:室温至阈值温度为第一阶段,渗透率随温度的增加而降低;阈值温度至峰值温度为第二阶段,渗透率随温度的升高而增加;高于峰值温度后,渗透率随温度的增加而降低。(4)渗透率随温度变化的阈值温度和峰值温度与煤阶有关。无烟煤渗透率的阈值温度是150℃～200℃,峰值温度为450℃～500℃,而气煤渗透率的阈值温度为200℃～250℃。     

循环加卸载下柱状节理材料渗透率和孔隙度演化规律研究

 为了研究柱状节理岩体在多次围压循环加卸载下渗透率与孔隙度的演化规律,利用致密岩石惰性气体渗透测试装置,对柱状节理岩体相似材料进行3次围压循环加卸载模型试验,测量柱状节理岩体相似材料在3次围压循环加卸载下渗透率与孔隙度的变化过程,研究渗透率、孔隙度与围压之间的变化关系以及对应力的敏感性。试验结果表明：在第一次围压加载阶段,柱状节理材料渗透率和孔隙度变化较大,且围压卸载后不能恢复初始状态,在此后的围压循环加卸载阶段,围压变化对柱状节理岩体渗透率和孔隙度的影响较小;加载阶段,渗透率和孔隙度与围压均成幂函数关系;卸载阶段,渗透率与围压成幂函数关系,孔隙度与围压成指数函数关系;随围压增大,渗透率和孔隙度对围压变化的敏感性均减少,围压卸载后,渗透率和孔隙度对围压变化的敏感性可以恢复;在每个围压循环加卸载阶段,渗透率对围压变化的敏感性与柱体倾角的关系曲线均呈双峰形,且第一个峰值总是大于第二个峰值;围压加载阶段孔隙度与渗透率成幂函数关系,围压卸载阶段孔隙度与渗透率成指数函数关系;柱状节理材料的孔隙度越大,渗透率对孔隙度变化的敏感性越强;柱状节理材料渗透率对孔隙度变化的敏感性与柱体倾角的关系曲线呈双峰形,且第一个峰值大于第二个峰值。     

采动应力下深部煤体渗透率演化规律研究

为了研究深部开采工作面前方煤体的渗透属性,首先基于典型开采方式应力路径进行了不同瓦斯压力下的深部煤体渗透率测试,然后根据渗透率升降速率和单调性对渗透率的演化过程进行划分,归纳出常规三轴加载和采动应力下煤体渗透率演化过程概化模型,最后结合三向扰动应力下的深部煤体渗透率模型与二次多项式拟合关系建立了深部采动煤体全应力–应变渗透率理论模型。结果表明：典型开采方式采动应力路径下深部煤体的应力–应变曲线不存在压密阶段;峰值应力之前和之后测点的渗透率增加率上升幅度较小,而峰值点的渗透率增加率上升幅度较大;常规三轴加载的煤体渗透率曲线呈“V”字形,相应的概化模型包括下降段、峰前缓升段、急升段和峰后缓升段;采动应力下的深部煤体渗透率曲线呈倒“Z”字台阶形,相应的概化模型可划分为峰前缓升段、急升段和峰后缓升段;建立的渗透率理论模型能够表征不同开采方式下深部煤体全应力–应变过程的渗透率演化。     

基于能量耗散的煤岩三轴受压损伤演化特征研究

在煤矿资源的地下开采工程活动中,煤岩处于轴压、围压和瓦斯气体相互耦合的复杂应力环境。为探究煤岩受压过程中的损伤变形及能量演化特征,利用含瓦斯煤热–流–固耦合三轴伺服渗流试验装置,开展煤岩在不同围压及不同瓦斯压力条件下的三轴压缩试验研究。基于连续损伤力学理论,从能量角度理论推导由非均质威布尔函数、能量耗散函数及塑性应变函数构成的损伤应力–应变函数,并在此基础上建立基于能量耗散的煤岩损伤本构模型。研究结果表明:(1)不同围压、不同瓦斯压力下煤岩应力–应变变化趋势及塑性变形行为具有阶段性特征。(2)对应不同的变形破坏阶段煤岩的能量演化趋势呈阶段性变化,应力峰值点处煤岩吸收的总能量随围压的增大而增大,弹性能及耗散能也呈现增大的趋势;随着瓦斯压力的上升,煤岩吸收的总能量和弹性能在应力峰值点处呈下降趋势,耗散能呈上升趋势。(3)构建围压及瓦斯压力效应下基于能量耗散的煤岩损伤本构模型,并通过试验验证该模型具有较好的合理性。(4)不同围压及瓦斯压力下煤岩能量耗散与损伤演化均呈S型演化趋势。     

循环加卸载下节理砂岩宏细观损伤破坏机制研究

为研究节理岩体疲劳荷载条件下累积损伤宏细观力学特征及破坏机制,开展节理砂岩不同上限应力比循环加卸载试验。试验结果表明：(1)随上限应力比增加,节理砂岩滞回圈间距由“疏–密”两阶段转化为“疏–密–疏”三阶段的变化规律。(2)当上限应力比小于0.90时,循环加卸载后节理砂岩单轴抗压强度均有不同程度增高,且随上限应力比增加而呈现先增大后减小趋势,当上限应力比为0.80时,单轴抗压强度最大;当上限应力比≥0.90时,节理砂岩在循环过程中发生破坏,且随上限应力比增加疲劳次数减小。(3)不同倾角砂岩破坏时经历的疲劳次数呈90°>60°>0°>45°规律;通过对比分析循环加卸载后节理砂岩破坏模式,发现不同上限应力比主要影响试样破坏程度,上限应力比越高,破碎程度越大;节理倾角主要影响试样破坏模式,60°和45°节理砂岩试样以剪切破坏为主,90°和0°节理砂岩试样以张拉破坏为主。(4)采用核磁共振(NMR)以及扫描电镜(SEM)测试循环加卸载疲劳损伤后节理砂岩孔隙变化情况以及细观结构特征,发现试样疲劳破坏可分为以“间隙压密填充–黏土矿物破碎–骨架矿物破碎”为主要特征的“减速疲劳–稳定疲...     

循环加卸载作用下砂岩孔隙度与渗透率演化规律试验研究

研究砂岩在多次循环荷载作用下孔隙度及渗透率随荷载的变化规律,利用致密岩石惰性气体渗透率测试系统对砂岩进行了5次循环加卸载试验。试验结果表明:砂岩的孔隙度和渗透率随围压的增大而减小,循环加卸载过程中,砂岩的孔隙度、渗透率在加载阶段与卸载阶段的变化曲线均是不重合的。围压加载阶段孔隙度和渗透率随围压的变化关系均呈指数关系,在围压卸载阶段孔隙度与渗透率随围压变化均呈幂函数关系。砂岩在低围压条件下渗透率随围压变化的程度较大,在高围压条件下渗透率变化程度较小。加载阶段砂岩渗透率变化程度在第1次循环期间较大,从第2次循环开始由于岩样一定程度的压密渗透率随围压变化越来越小,而卸载阶段5次循环过程中渗透率随围压的减小而增大,但是循环次数增加过程中,渗透率的恢复程度相对于第一次循环越来越小。     

循环加卸载下塑性混凝土强度及变形特性

通过塑性混凝土在单调和循环加卸载下的试验,对不同加卸载作用下塑性混凝土的强度和变形性能进行研究。结果表明,经过循环加载后塑性混凝土的强度与单调直接加载相比有所降低,变化幅度均在10%以内;当循环加卸载最大荷载为单轴强度的60%时,塑性混凝土峰值应力大于其余循环水平下的峰值应力。塑性混凝土在循环荷载作用下的加载曲线与卸载曲线不重合,卸载曲线总是滞后于加载曲线,加载曲线和卸载曲线形成了封闭的塑性滞回环。滞回环面积的大小与循环加载最大荷载密切相关,与循环加卸载的次数无关,随着循环加卸载最大荷载的增大,滞回环面积相应增大,但滞回环的斜率保持不变,即变形模量保持不变。循环加卸载影响了塑性混凝土峰值应变,单调直接加载峰值应变大于循环加卸载作用后峰值应变。     

三轴循环荷载作用下页岩能量演化规律及强度失效判据研究

基于不同围压下三轴循环加、卸载试验和能量原理,研究页岩吸收轴向应变能1U、积聚和释放可释放弹性应变能eU、塑性变形及裂隙扩展消耗损耗能dU和径向膨胀变形消耗径向扩散能3U的能量转化全过程特征,揭示其受载过程的能量演化规律,建立基于能量突变的岩石强度失效判据。研究成果表明:不同围压下的页岩三轴循环加、卸载全过程,能量演化行为相似,体现为峰前以能量积聚为主,破坏过程发生能量释放和能量耗散,峰后残余强度下重新开始积聚能量,但能量积聚能力和效率不如峰前。岩石破坏阶段,可释放弹性应变能eU沿主裂隙大量释放,破裂岩块沿主裂隙发生位移和摩擦,消耗大量损耗能dU,径向应变3?显著增大,径向扩散能3U大幅增长。与峰前相比,峰后残余强度阶段可释放弹性应变能eU和损耗能dU的量值水平大幅下降但总体保持平稳,径向扩散能3U显著增加。围压对峰前各能量参数的分配比例影响不大,对峰后残余强度下岩石的能量积聚能力有一定提升作用。页岩和红砂岩的弹性能耗比K在峰前阶段随轴向应变的增加缓慢减小,期间变化平稳,在岩样发生强度失效时,拐点出现,增长速度突然增大,产生突变。     

分级加卸载条件下Q3黄土三轴蠕变特性研究

采用分级增量循环加卸载方式,利用SR-6型三联式三轴蠕变仪对陕西省泾阳县某边坡原状黄土进行了三组室内三轴固结排水蠕变试验,着重研究了黄土黏弹塑性的基本规律,以此建立了黏弹塑性九元件蠕变模型。结果表明:该地区原状黄土具有明显的流变特性,总体呈线性衰减蠕变;卸载后,土样产生衰减黏弹性回弹变形,回弹量随着卸荷量的减小,围压的增大,含水率的增大而减小;加卸载应力历史对黄土蠕变变形具有累积效应;该地区原状黄土的回弹变形不明显,黏弹性变形在蠕应变中所占比重较小;所建立的元件蠕变模型可以较好地描述该地区黄土的三轴线性蠕变特性,物理意义明确,且模型参数易得。