静应力对岩石波动参数的影响研究现状及新问题的思考

各类工程岩体中普遍存在静应力,静应力对岩体材料特性的影响极其重要且不可忽略。通过对现有文献进行系统梳理与归纳总结发现静应力对岩石纵波波速有影响且纵波波速与密度有关系,但当前研究存在两个问题:没有进一步分析静应力对岩石波阻抗的影响;静应力主要是等值静应力。而工程岩体中的静应力多为梯度应力,梯度应力的存在导致岩体波阻抗呈梯度形式变化,因此针对深部工程岩体爆破开挖及地震波传播等,有必要开展具有梯度应力岩石中应力波传播衰减规律的相关研究。     

高水压与高应力对岩石应力波传播速度的影响

深部高水压岩体工程爆破开挖时,围岩体承受高水压、高地应力和爆破动载荷共同作用的理论研究远落后于工程实践。因此,自研试验系统对红砂岩进行了应力波传播试验。结果表明,当冲击速度和轴向静应力一定时,随着水压的增加,红砂岩应力波波速逐渐增大,波速随水压的增加呈二次函数变化;在拟合函数中,二次项系数、一次项系数与轴向静应力之间呈线性相关,常数项与轴向静应力之间呈非线性相关;对于初始损伤较小的红砂岩,水压的存在导致岩石内部的裂隙被挤压,增强了岩石波阻抗,有利于应力波在岩石试件中的传播。     

川东北砂岩单三轴压缩过程中应力-波速变化规律的试验研究

为能够利用声波测井资料对岩石的力学参数进行反演,选取代表性埋深砂岩,对单三轴压缩过程中的应力-纵波波速之间的变化规律进行了研究,对不同围压下,压缩过程中的波速变化规律进行了比较。结果表明,在轴向压缩过程中,砂岩纵波波速显著增加,砂岩单轴抗压强度与纵波波速之间存在一定关系。砂岩压缩过程中,在低围压下波速变化相对明显;高围压下波速变化相对较小,在偏应力较小时,波速与应力基本为线性关系,当偏应力达到一定数值时,波速稳定在某一定值,即曲线出现水平渐近线。     

冻融循环和围压对岩石物理力学性质影响的试验研究

对饱和红砂岩进行开放系统下的冻融循环试验,记录红砂岩的冻融劣化过程及破坏特征;当试样经历0,5,10,20,40次冻融循环后,分别进行4种设定围压下的力学特性试验,分析了冻融循环和围压对岩石物理力学性质的影响规律。研究表明:红砂岩的冻融劣化模式主要为颗粒剥落、龟裂、脱落及断裂模式。随着冻融循环的进行,岩样的质量和密度呈现先增后减的趋势,而纵波波速持续减小;随着冻融循环次数和围压的增加,岩石的压缩性不断增强,峰值应变逐渐增大,塑性屈服段渐趋明显,残余强度降低速率减慢,破坏形式由脆性转化为延性;而弹性模量、抗压强度及残余强度随着围压的增大不断增大,随着冻融循环次数的增大明显减小。岩石的细观结构经历损伤的非线性演化,显现出宏观力学特性的变化。     

轴向静载荷作用下变截面红砂岩应力波衰减特性试验研究

基于动静组合加载试验装置,对变截面红砂岩试件进行应力波传播试验,研究轴向静应力对应力波波形、幅值衰减和频率相关性的影响。结果表明:当无轴向静应力时,应力波均为压缩波,而随着轴向静应力的增加,卸载段尾部出现了拉伸波;对于同一测点,随着轴向静应力增加,波宽逐渐变窄;在相同的轴向静应力增量下,随着传播距离的增加,幅值变化量逐渐减小;应力波幅值随传播距离的增加呈指数形式衰减,其幅值空间响应强度、空间衰减系数随着轴向静应力的增加而逐渐减小,减小速率逐渐变慢;应力波信号的能量主要集中在低频范围内,低频波受静应力的影响更为明显。     

岩石循环冲击损伤演化围压效应的实验研究

为研究岩石循环冲击荷载作用下损伤的围压效应, 对大理岩试件在压力试验机上进行模拟冲击加载, 测试受冲击后试件轴向超声波波速。用超声波波速变化量描述试件的损伤度。分析了围压、荷载冲量大小、冲击次数对岩石损伤演化的影响, 得出了大理岩在不同围压下冲击损伤与冲击次数的函数关系。分析了大理岩岩样循环冲击损伤的围压效应。结果表明, 岩石循环冲击损伤具有明显的围压效应, 围压的存在提高了岩石抗冲击破坏的能力。从试验角度证明了在深部矿井中高地应力的存在对钻孔的钻进效率和处于初始应力场中的岩石的爆破破碎效率有重要影响。     

温度变化对花岗岩井壁稳定性的影响

针对深井、超深井钻遇的花岗岩地层,通过对花岗岩进行加温后纵波波速测量和常规三轴压缩试验,并基于所得到的试验结果研究不同温度后花岗岩的纵波波速和三轴压缩状态下的宏观力学特性,分析了花岗岩纵波波速、峰值应力、弹性模量、峰值应变与温度的关系;同时对三轴压缩条件下花岗岩的宏观破坏形式进行总结。研究结果表明,经过加温冷却后,花岗岩的纵波波速随着温度的升高呈降低趋势;同时,围压一定时,温度为20~200℃时,随着温度的升高,试样的峰值应力、弹性模量、峰值应变呈增大趋势,而在200~400℃,这些力学参数呈降低趋势。温度的升高,不仅会使得岩石内部的含水量逐渐减小,而且由于岩石内部矿物成分的热膨胀性不同等因素使得岩石内部产生附加热应力,从而使得岩石内部的初始裂纹发生扩展、贯通或产生新裂纹,进而影响井壁及围岩的稳定性。     

高应力下花岗岩抗剪强度参数特征试验研究

为促进深部矿产资源的安全高效开采,基于取自程潮铁矿西区-395m水平的主要围岩花岗岩的试件,通过伺服试验系统开展高应力下的常规三轴压缩强度试验,研究花岗岩的破坏、强度和参数特征。研究结果表明:1)随着围压的增加,花岗岩的破坏形式由剪切破坏逐渐向剪切劈裂复合型破坏转变,破坏形态由单一破坏断面逐渐转变为多破坏断面,破坏断裂角逐渐减小。2)花岗岩的三轴强度和抗剪强度与围压的关系在低围压下基本均呈线性,在高围压下则均呈上凸的非线性。3)花岗岩抗剪强度参数具有明显的围压效应特征,具体表现为凝聚力和内摩擦角随着围压的增加分别呈逐渐增大和减小的趋势。结合Hoek-Brown准则对瞬态抗剪强度参数的确定进行了初探,结果表明参数推导值的变化趋势符合参数试验规律,但推导值与试验值存在一定的差异,说明Hoek-Brown准则在表征高应力下岩石三轴强度的非线性上仍存在局限,有待进一步研究。     

岩石三轴流变扰动效应损伤演化特征试验研究

为了从微观损伤角度建立不同围压下岩石是否进入"强度极限邻域"的判别标准,对红砂岩进行常规三轴流变扰动逐级加载试验,通过核磁共振手段对流变扰动前后岩石进行分析对比,得到不同围压下T2谱曲线、孔隙率、孔径分布.试验结果表明:① 不同围压下的岩石存在一个流变应力阈值,当岩石应力状态小于该阈值时,施加扰动载荷T2谱曲线第1,2谱峰高度均无明显的变化;当岩石应力状态大于该阈值时,T2谱曲线第1,2谱峰出现突增现象,且产生新的谱峰曲线,同时T2谱曲线发生向右偏移现象,说明该应力阈值是判别岩石是否进入"强度极限邻域"内、外的界限;② 不同围压下岩石存在一个"强度极限邻域"界限范围,当纵向应力小于该应力时,T2谱曲线谱峰总面积在扰动前后变化不明显,当纵向应力大于该应力时,T2谱曲线谱峰总面积明显增大,且出现第3个T2谱曲线谱峰面积,说明处于"强度极限邻域"外的岩石损伤较小,不易产生流变扰动破坏,反之会加大岩石内部损伤,最终致使岩石发生扰动失稳破坏;③ 岩石在围压0.5 MPa时比围压1.5,3.0 MPa下先进入"强度极限邻域"范围,围压的存在提高了岩石长期强度,随着围压的增大损伤逐渐减小;④ 核磁共振成像图谱清楚地反映出"强度极限邻域"内、外岩石孔隙结构变化特征.     

岩石三轴流变扰动效应损伤演化特征试验研究

为了从微观损伤角度建立不同围压下岩石是否进入"强度极限邻域"的判别标准,对红砂岩进行常规三轴流变扰动逐级加载试验,通过核磁共振手段对流变扰动前后岩石进行分析对比,得到不同围压下T_2谱曲线、孔隙率、孔径分布。试验结果表明:(1)不同围压下的岩石存在一个流变应力阈值,当岩石应力状态小于该阈值时,施加扰动载荷T_2谱曲线第1,2谱峰高度均无明显的变化;当岩石应力状态大于该阈值时,T_2谱曲线第1,2谱峰出现突增现象,且产生新的谱峰曲线,同时T_2谱曲线发生向右偏移现象,说明该应力阈值是判别岩石是否进入"强度极限邻域"内、外的界限;(2)不同围压下岩石存在一个"强度极限邻域"界限范围,当纵向应力小于该应力时,T_2谱曲线谱峰总面积在扰动前后变化不明显,当纵向应力大于该应力时,T_2谱曲线谱峰总面积明显增大,且出现第3个T_2谱曲线谱峰面积,说明处于"强度极限邻域"外的岩石损伤较小,不易产生流变扰动破坏,反之会加大岩石内部损伤,最终致使岩石发生扰动失稳破坏;(3)岩石在围压0.5 MPa时比围压1.5,3.0 MPa下先进入"强度极限邻域"范围,围压的存在提高了岩石长期强度,随着围压的增大损伤逐渐减小;(4)核磁共振成像图谱清楚地反映出"强度极限邻域"内、外岩石孔隙结构变化特征。     

含气体突出煤岩纵波波速与应力耦合关系研究

为了更好地将震动波CT技术运用于煤与瓦斯突出灾害监测中,搭建了含气体突出煤岩三轴压缩波速测试系统,实验室研究了含气体煤岩所受轴压、围压和所通入的气压大小与波速之间的耦合关系,并建立了波速与各应力的数学模型。研究表明:当试样载荷不变时,随着通入气压的增大,纵波波速在开始会剧烈下降,随后趋于稳定,呈线性负相关;当围压和气压条件不变时,试样在开始受到轴压后,波速迅速增大,随后波速变化趋于平缓,接近线性增长,呈指数函数关系;当气压和围压条件不变时,试样的纵波波速会随着围压的增加而均匀增加,呈线性正相关;3种试验结果所拟合出来的数学模型均具有较高的相关性。     

考虑残余应力的砂岩损伤理论模型

采用自行研制的重力恒载蠕变渗流实验系统开展了砂岩恒定围压下的循环加载试验,得到不同围压下砂岩的应力应变过程。考虑岩样加载过程中的非线性变形特性,假定了轴向应力是轴向应变和球形应力函数;利用热力学基本原理,分析岩样损伤演化过程中能量耗散及转化关系;将受载岩样应力分为有效弹性部分和损伤部分,弹性部分受载损伤演化,损伤部分最终演化为残余应力;基于损伤力学基本原理,理论推导建立了三轴压缩情况下考虑残余应力的砂岩损伤本构关系,并对理论模型进行实验验证。研究结果表明所建立的损伤本构模型能很好地反映岩石受载损伤全应力应变过程,也能反映出围压对岩石损伤能量耗散的影响规律,随着围压的增大,砂岩需要损伤演化消耗的机械能也越大。     

岩体中电磁辐射信号的产生与传播

从压电效应机制出发,研究岩体在应力波作用下电磁辐射的传播规律.研究结果表明,岩体中电磁辐射随岩体的初始损伤增大而减小,随传播距离发生衰减,在应力波源处信号最强;随压电系数以及岩体的波阻抗增大而增大;随电阻率增大而增大,相对其它4个参数而言,其影响幅值较小.研究结果与现有的室内实验及现场观测结果相吻合.     

锦屏深部大理岩蠕变特性及分数阶蠕变模型

为保障锦屏地下实验室(CJPL)硐室群的长期稳定性,开展2 400 m深埋大理岩蠕变特性的研究,在常规三轴压缩试验的基础上进行分级加载蠕变试验,系统分析了大理岩蠕变过程中的轴向与环向变形规律及不同围压(5 MPa和64 MPa)下大理岩蠕变特征差异,采用等时应力-应变曲线法确定了大理岩的长期强度,并基于分数阶导数改进了大理岩蠕变模型。研究表明:13,27 MPa围压下,大理岩轴向应力应变曲线达到峰值应力后快速跌落,40,53,64 MPa围压下,峰值应力附近的应变曲线呈现明显的平台段,表明CJPL深部大理岩变形行为随着围压的增加具有由脆性向延性转化的趋势;无论是低围压还是高围压,相比于低应力水平,高应力水平下大理岩更容易发生蠕变变形且环向蠕变现象更加显著,蠕变过程中的扩容现象也更加明显,试样破坏时64 MPa围压条件下的体积蠕变变形为5 MPa围压下的16. 3倍;在蠕变加载过程中,大理岩变形模量均为先增加后减小。变形模量增加阶段,高围压下增加幅度较低围压小,64 MPa围压下试样变形模量增加的幅值为1. 8 GPa,小于5 MPa围压下的3. 6 GPa,表明试样受高围压作用已经部分压密。随着应力水平的增大,变形模量减小,高围压下减小幅度较低围压更大,围压64 MPa下试样变形模量减小幅值为9. 4 GPa,约为峰值变形模量的22%,围压5 MPa下试样减小幅值仅为1. 8 GPa,约为峰值变形模量的4%,表明高围压试样在破坏前裂纹的产生和扩展更为剧烈,岩石劣化程度更大;相同偏应力条件下,围压越大的试样蠕变速率越小,但破坏时变形更大且扩容现象显著,表明相同外荷载条件下,深部围岩赋存环境应力水平较高,变形难以收敛,易发生时效大变形破坏;围压为5,64 MPa时,采用等时应力-应变曲线法确定大理岩长期强度分别为170,290 MPa,为相应围压三轴压缩强度的82%,73%;基于分数阶导数,改进了大理岩黏弹塑性损伤蠕变模型,该模型具有形式简单同时能够很好的描述大理岩蠕变过程中的非线性加速特征的特点。     

接触面积对结构面传播特性的影响

岩体中大多数的结构面表现为既非连续也非完全不连续,试验研究发现结构面的接触面积对其透射系数影响非常大。采用基于连续介质的块体离散元程序(CDEM)模拟结构面处应力波传播过程,在结构面处进行了多尺度处理,模拟结构面的凹凸不平,研究了结构面的接触面积及其分布对应力波传播的影响,拟合得到透射系数和接触面积与总面积之比的关系是:纵波为Tp=0.25 ln(r)+1.003,横波为Ts=0.252 ln(r)+0.98。而且接触面积的分布也会影响应力波的透射系数和透射波的频谱分布。     

脆性岩体在不同围压下卸载的岩爆特性

岩爆是高地应力环境下开挖扰动的一种地质灾害。通过对类岩体大尺寸试件进行不同围压下的顶部梯度加载-单面卸载的加卸荷试验,采集试件内部测点在岩爆前后的应变过程,结合岩爆岩体的宏观破坏现象,分析脆性岩体在不同围压加卸载条件下的岩爆特性。研究表明：不同围压下进行加卸载试验时,试件卸载时的围压大小会直接影响岩体在岩爆时的破坏形态;试件在2种加载路径下发生岩爆时,卸载面产生的岩爆起裂点均是由卸载面中部的拉伸破坏,进而由卸载面上、下处岩体的压缩破坏引起的;试件在高围压环境下产生岩爆瞬间,内测点的垂直应变变化值大于其在低围压环境下的变化值,试件在高围压加卸载路径下产生的岩体岩爆烈度相对较大。     

动静加载下组合煤岩的应力波传播机制与能量耗散

运用改进的霍普金森压杆,在波动力学理论的基础上,研究动静载下煤岩结构的应力波传播机制与能量耗散,分析应力波幅值和静载对煤岩组合体中应力波的波形、透射系数、反射系数和能量耗散的影响规律。研究结果表明:应力波幅值和静载明显的影响组合煤岩中应力波的传播性质;并且煤岩组合结构初始处于弹性与塑性状态的透射、反射系数随动载的变化规律是不同的。动载能量耗散随应力波幅值的增大而增大,随着静载的增大呈现先增大后减小的趋势。同时注意到组合煤岩在静载在0.50~0.75动载耗散能量迅速降低,并且组合加载下煤岩结构的破坏失稳可分为两种形式,包括动载主导和动载诱发,分别以动载和静载为主要能量源。由静载对应力波传播机制和能量耗散的影响可知,埋深不同或距离采掘空间的远近不同,应力波传播机制和能量耗散是不同的。