循环荷载条件下充填厚度对结构面剪切力学特性影响试验研究

利用相似材料制作砂岩剪切破坏结构面并进行循环剪切试验,研究无充填及3种不同充填石膏厚度条件下结构面的力学性质和三维形貌演化规律.试验结果表明:无充填结构面的峰值剪切强度最大,随着充填厚度的增加,结构面的峰值剪切强度先下降后上升,表明充填物的厚度对结构面的剪切强度有较大影响.结构面的法向变形量随充填厚度的增加而不断增大,...     

煤体结构面剪切力学特性的数值模拟研究

为了研究煤体层理、割理结构面的剪切力学特性,给煤矿巷道围岩分类和围岩控制提供依据。本文以晋城矿区3号煤内的层理、割理结构面为研究对象,采用实验室试验确定了标准煤样的宏观力学参数,采用PFC软件建立了含真实煤体结构面的数值模型并模拟了不同粗糙度结构面的剪切破坏过程,采用理论分析的方法研究了结构面的细观变形破坏特征及剪切力学参数变化规律,结果表明：在低法向应力作用下,裂纹主要产生在层理结构面上较大凸起体的表面,且以拉裂纹为主;随着法向应力的增大,凸起体内部裂纹逐渐增多并连接贯通,形成明显的剪切裂隙带;随着煤体层理结构面粗糙度的增大,结构面会产生较大的剪胀变形,且沿凸起体根部会产生向试样内部延伸的宏观拉裂隙;煤体结构面模型的峰值剪应力及产生的剪切裂纹、总裂纹数量明显随粗糙度及法向应力的增大而增大,随法向应力的增大,剪切裂纹占总裂纹量的比重也逐渐升高,表明在高法向应力作用下,结构面发生的剪切破坏逐渐增多。割理会导致煤体结构面的抗剪切强度明显降低,最大减小量为0.3 MPa,降低幅度为11%,而割理分布方向的不同对煤体结构面的剪切强度基本没有影响,割理的存在会导致煤体结构面破坏时裂纹数量明显增多...     

真三轴条件下等效围压对煤岩力学特性影响试验研究

为研究水平应力加载下煤岩的强度及变形特征,在试验室开展了不同应力条件下真三轴压缩破坏试验。试验结果表明:试件的三轴压缩峰值强度随最小水平应力和垂直应力的增大而增大,为比较复杂应力水平下煤岩力学特性,定义"等效围压"表述应力状态,得到试件峰值强度及峰值应变均随等效围压的增大呈线性增大;煤岩破坏产生的裂隙数量随着等效围压增大而增多;试件破坏程度随着等效围压的增大而增强且破断角随等效围压增大成二次函数递增。煤体所处应力水平影响其力学特性,试验结果对于煤岩深部高效开采及安全生产有重要的理论支持和实践意义。     

不同应力速率下充填体强度特性和破裂机理研究

充填体是维护采场安全稳定的关键因素,是由多种物质混合而成的非均质材料,力学特性复杂,加载条件改变会对其力学特性和损伤破裂机理有显著影响。通过进行不同应力速率下的充填体单轴抗压强度试验,并结合非接触式全场应变测量系统对试样破裂演化过程进行监测。结果表明:随着应力速率的增加,充填体的峰值强度不断增大,低浓度、低灰砂比试样的强度增幅更加明显;低应力速率下试样表面出现大量宏观裂纹,发生拉伸破坏,高应力速率下试块发生单斜面剪切破坏;低应力速率下试样内部的微裂隙和孔隙充分发育形成贯通面,进而弱化了充填体的强度,高应力速率下,试样内部微裂隙和孔隙的发育被限制,试样的整体承载结构对强度的影响占主要地位;应力加载下,试样在达到峰值强度瞬间发生破坏,积蓄的能量集中瞬间释放,破裂现象剧烈。     

单轴压缩条件下胶结型汞矿渣细观破坏机理研究

胶结型汞矿渣在我国贵州省广泛分布,具有结构疏松、粒径相差大等特点,对其力学特性及破坏机理进行研究具有重要意义。选取代表性胶结型汞矿渣,进行单轴压缩—CT扫描试验,并基于颗粒离散元PFC3D程序开展了与室内试验相应的数值试验,研究了单轴压缩条件下的细观破坏规律、机理。结果表明:试样应力—应变曲线具有应变软化特征,在峰值强度前,试样结构趋向紧密,峰值强度附近开始出现裂纹,应变软化阶段,结构急速破坏;裂缝数在峰值强度前呈平缓增长,峰值强度后出现急剧增长,总体呈台阶状变化特征;随轴向应力的增大,位移量不断增大,位移等值线方向与水平面的夹角逐渐变大,最终趋于45°,并行粘结键上所受的力逐渐变大,至最终破坏时才有所减少;靠近上端部颗粒位移矢量,在峰值强度后出现杂乱现象;颗粒接触数在初始阶段有一定的增加,但随轴向应力的增大,颗粒接触数逐渐降低,并在峰值强度后急剧减少。     

不同剪切速率下软弱结构面抗剪特性分析

为分析不同法向应力与剪切速率情况下软弱结构面的剪切行为,通过数值计算软件建立含软弱夹层的锯齿形软弱结构面模型,模拟不同加载条件下的结构面直剪试验,探讨其抗剪过程中峰值前后的应力应变关系,建立抗剪强度τ与法向荷载σn以及剪切加载速率ν的关系式。结果表明:在相同正应力情况下,随着剪切加载速率的增大,峰值位移呈线性增大趋势;加载速率的变化对峰值后的应变软化阶段有明显的影响,随着加载速率的增大,应变软化阶段应力下降速率先增大后减小,并且剪切速率在0.25mm/step的时候达到最大值。随着加载速率的增大,抗剪峰值强度τ1呈线性增大趋势,残余强度τ2呈线性减小趋势。τ2/τ1呈近乎线性减小趋势,变化范围在0.95～0.3;得到软弱结构面抗剪强度与法向荷载以及剪切速率的关系式:τ=m+νtanβ+τntanθ+nνσ_n+lν~2σ_n。     

类岩体结构面峰值剪切强度尺寸效应分析

由于岩石力学试验不可重复性的缺点,在室内开展岩体结构面峰值剪切强度尺寸效应试验存在很大的困难。鉴于此,采用三维扫描技术获取结构面形貌数据,而后应用3D打印技术制作结构面模具,在此基础上,浇注一批大小不同的结构面试件,经养护后进行了4级法向力下的直剪试验。最后,应用PFC2D软件进一步开展了结构面剪切强度尺寸效应数值试验。结果表明:(1)三维扫描和3D打印技术是实现室内结构面剪切强度尺寸效应试验的有效方法;(2)随着结构面尺寸增大,其峰值剪切强度先增大而后减小,亦即结构面峰值剪切强度既存在正尺寸效应,也存在负尺寸效应;(3)3个不同类型的Barton标准剖面线的直剪数值试验表明,结构面粗糙类型不同,其尺寸效应特征有所区别,亦即结构面峰值剪切强度尺寸效应特征与其粗糙程度有关。     

不同倾角充-岩组合体三轴压缩力学特性及破坏特征

为探究交界面倾角β对充填体与围岩组合体(充-岩组合体)三轴力学特性影响规律,开展β为0°、15°、30°、45°和60°的充-岩组合体三轴压缩试验,对比分析了不同交界面倾角组合体的力学特性、破坏特征与强度演化规律。试验结果表明：当β≤30°时,组合体的应力-应变曲线可划分为孔隙压密、弹性变形、塑性变形和破坏发展4个阶段,其破坏特征以充填体压剪破坏为主;随着交界面倾角增加,组合体在达到峰值强度后应力陡降,无明显塑性变形和破坏发展阶段,其破坏特征由充填体内部压剪破坏逐渐转变为沿交界面滑移破坏;组合体的峰值强度随着交界面倾角增加先增大后减小,β=30°时峰值强度达到极大值。基于单弱面理论得到组合体滑移破坏的交界面临界倾角为57°～68°,其中β=60°时组合体发生沿交界面滑移破坏,理论计算与试验结果相吻合。     

分级循环加卸载试验下砂岩的力学特性研究

采矿工程中岩体受开挖过程影响易发生不可逆破坏,为保证矿山开采的安全运行,须研究扰动荷载 下岩石的力学特性。为此,探讨了不同围压条件下,致密砂岩在常规三轴加载和分级循环加卸载作用下的力学特 性,并将二者进行对比分析。得出结论：破坏形式均属脆性破坏,循环加卸载下的砂岩试样破碎程度更大;循环加 卸载试验中,试样峰值强度较常规三轴试验有所减小,轴向峰值应变有所增大;增大围压能够提高砂岩抵抗变形的 能力;随着分级循环上限应力值的增加,滞回环曲线的面积逐渐增大,产生的耗散能也逐渐累积;循环加卸载过程 对砂岩弹性模量起到强化效应;同时,循环荷载加剧了裂纹损伤。此研究结果对砂岩在复杂应力下的矿山安全工 程实践具有重要的理论指导意义。     

结构性效应对层状岩体力学特性与破坏特征的影响

煤矿地层广泛分布有层状砂岩、煤、页岩等层状岩体,层状岩体是一种沿着层面力学性质相同、垂直层面力学性质各异的各向异性岩体,基质和层面的不同组合导致层状岩体具有尺寸效应、层理密度和层面倾角效应等结构性效应,将影响层状岩体的强度和破坏特征。针对结构性效应对层状岩体力学性质和破坏特征的影响,开展了基质的尺寸效应、层状岩体的层理密度和层面倾角效应研究,分析了结构性效应对层状岩体应力-应变曲线特征、峰值强度、变形特征和破坏特征的影响。结果表明：峰值强度和弹性模量均表现出随试样高宽比增大而减小的尺寸效应;围压对尺寸效应有弱化作用,围压约束条件下,岩体结构性失稳程度减弱,延性特征逐渐显现;层面倾角为90°时层状岩体的峰值强度和弹性模量达到最大值;围压和层面倾角影响层状岩体的脆延转化特性、损伤程度和破坏形式。研究结果可为深井巷道层状围岩力学参数标定和破坏机制分析提供重要的理论依据。     

真三轴压缩及卸载条件下充填体力学特性研究

对于采用充填采矿法的矿山,充填体是井下采场的重要组成部分,在先采矿房并充填完成后再回采矿柱的充填采矿工艺过程中,充填体受原生地应力及矿体开挖的扰动、卸载作用.基于充填开采工艺过程中的应力变化路径,开展充填体真三轴压缩及卸载试验,分析充填体失稳破坏过程及声发射响应特征,研究充填体力学特性.结果表明:真三轴压 缩条件下充填体试件的破坏形式主要以拉伸破坏为主,表现出更好的弹性,峰值强度和弹性模量随养护时间的增加和围压的增大而增大;单向卸载条件下,充填体试件峰值强度较真三轴压缩条件下的峰值强度降低约17.74％,峰值强度随围压的增大而增大,弹性模量随围压的增大而减小,泊松比随围压的增大先增大后减小;双向卸载条件下,充填体试件快速失稳破坏,峰值强度较真三轴压缩条件下的峰值强度降低约17.76％,充填体试件的峰值强度、弹性模量、泊松比均随围压的增大而增大;充填体试件在双向卸载条件下比单向卸载条件下产生的变形更大,破坏强度也更低。     

贯通型锯齿状岩体结构面剪切变形及强度特征

利用二维颗粒流(PFC2D)程序,模拟研究了起伏角及法向应力对贯通型锯齿状岩体结构面的剪切变形及强度影响规律。剪切变形模式可分为爬坡、爬坡啃断和啃断3种基本类型,随着锯齿起伏角和法向应力的增大,逐渐由爬坡、爬坡啃断向啃断模式演变,且这种递变随起伏角和法向应力具有近对称矩阵分布特征。爬坡变形时,结构面两侧存在少量的擦痕及伴生的羽状微裂纹,但锯齿整体损伤破裂轻微,剪应力-剪切位移曲线峰后呈现波动型塑性流动。爬坡啃断变形时,锯齿中上部被剪断,同时结构面两侧也伴生着少量的爬坡摩擦产生的羽状裂纹,剪应力-剪切位移曲线呈现较明显的非线性和波动特征。啃断变形时,锯齿基本沿其根部整体被剪断,结构面两侧间的摩擦滑动损伤不明显,剪应力峰后脆性跃落。随着起伏角及法向应力的增大,剪切破坏时所产生微裂纹、吸收及耗散能量逐渐增多。锯齿状岩体结构面的剪切强度随法向应力及起伏角的增大均近线性增加。建立了一个同时考虑锯齿状结构面爬坡和啃断效应的剪切强度经验公式,并通过边坡稳定性算例得以验证。     

含雁行裂纹砂岩静态加载速率效应实验研究

为研究裂隙岩体的静态加载速率效应,以含预制雁行裂纹砂岩为实验对象,测试了不同加载速率下试样的力学性质、破裂模式、能量耗散及声发射响应特征,综合声发射定位和裂纹扩展演化录像,分析了裂纹扩展演化过程及加载速率效应机制。结果表明:(1)裂隙砂岩受载过程存在着明显的静态加载速率效应。随着加载速率的升高,试样峰值强度、峰值应变、起裂应力、峰值处积累的弹性能和声发射计数峰值均逐渐增大但增幅放缓,弹性模量呈现出先增大后减小趋势,累计声发射总计数则逐渐减小。(2)试样新裂纹的起裂萌生均对应着应力的局部下降、耗散能的突升及声发射的高值响应。(3)加载速率较小时,试样沿一条预制裂纹扩展、滑移而形成剪切型破坏;当加载速率较大时,试样最终破坏模式为裂纹岩桥贯通,并由裂纹外端沿与加载方向平行扩展而成的拉破坏。研究结果为深入认识煤岩动力灾害的力学响应机制及揭示其演化过程提供了有益的参考。     

加载速率效应对花岗岩破裂的力学性能及能量转化机制的影响

基于单轴压缩下的花岗岩破坏试验,结合岩石破坏过程中的能量转化机制,对不同加载速率下花岗岩损伤变形的力学参数、能量转化机制进行了探讨。研究表明,随加载速率的提高,花岗岩的峰值应力、起裂应力逐渐增大,峰值应变、起裂应变逐渐降低,但起裂应变与峰值应变之比却呈现先减小后增大的趋势;随着加载速率的提高,花岗岩试件的峰前总吸收能U^0、可释放应变能U^1、耗散应变能U^2均逐渐增大;当加载速率较低时,花岗岩试件沿最大主应力方向实现劈裂、张拉破坏,此时宏观破坏裂纹较少;而当加载速率较高时,岩石试件由多条裂纹贯通破坏,其破坏形式属于劈裂裂纹与剪切裂纹共同主导的混合破坏模式。     

层面倾角对组合岩体破坏失稳的力学特性影响研究

具有层面倾角的组合岩体具有明显的倾角效应,其力学性质会随着层面倾角大小的变化而改变。为了探究层面倾角对组合岩体破坏失稳的力学特性影响,通过理论分析和室内实验相结合的方法,得到了单轴压缩下不同层面倾角岩石试样的RA值、应力-应变曲线、峰值强度以及弹性模量。结果表明：不同层面倾角组合岩体在加载初期主要发生剪切破坏,加载到后期贯通扩展为拉伸破坏;倾角15°试样主要发生剪切拉伸复合破坏,倾角25°试样主要发生剪切滑移破坏;峰值强度和弹性模量都随着层面倾角的逐渐增大而减小。     

不同卸荷速率下北山花岗岩力学特性试验研究

为探讨在增轴压卸围压的应力路径下不同卸荷速率对甘肃北山花岗岩力学性质的影响,对北山花岗岩进行了不同速率、不同围压条件下的卸荷试验,并与循环加卸载试验强度方面的数据对比分析,研究花岗岩的强度变形特征和破坏特点。研究结果表明:1围压效应明显,峰值强度随实时围压升高而增强;卸荷试验峰值强度包络线在循环加、卸载试验峰值强度包络线上方,且随着卸荷试验速率的升高,岩样峰值承载能力增强。2随着卸荷速率的增加,黏聚力增大,但内摩擦角变化较小且无明显规律;相比循环加卸载试验,卸荷试验的黏聚力降低了8%~20%,内摩擦角提高了9%左右。3随着围压的增加,卸荷试验峰值点至峰后应力跌落点的横向应变增量先减小后增加;不同围压下的卸荷起点至卸荷峰值点的横向应变增量在0.5~2.0 MPa/min卸荷速率区间内有相同的增减趋势。4随着卸荷试验速率的增加,岩样破裂面贯通程度增加;随着围压的升高,主破裂面破裂角增大,且破裂面更加平直。     

加热条件下煤岩力学行为与损伤演化特征研究

为研究地热循环地质条件对煤岩的力学行为及损伤发展的影响,开展不同温度下的煤岩循环加热单轴抗压强度试验。结果表明:不同温度下的煤岩在峰值应力点后均发生应力突降现象,煤岩应力-应变曲线均表现出明显的脆性破坏特征;随着温度的逐渐提高,煤岩的单轴抗压强度逐渐降低,二者之间呈线性关系;煤岩的弹性模量随温度升高呈现先升后降的变化趋势,这与高温作用下煤岩内部的水分含量的变化有关。     

含单一孔洞岩石形状效应数值模拟研究

为研究形状效应对含孔洞岩石强度特征、变形特征和破裂演化规律的影响,利用岩石破裂过程分析系统RFPA2D,对不同宽度孔洞岩石试样进行单轴压缩数值模拟。结果表明:随着试样宽度增大,完整试样峰值强度表现为逐渐减小的特征,而含孔洞岩石试样峰值强度先增大后又逐渐减小,当试样宽度为160 mm时,取得最大值;孔洞岩石试样的破坏模式随着试样宽度的增大逐渐由拉伸破坏演化为剪切破坏。     

张开型节理角度和长度对类岩石材料动力学特性的影响

为探究冲击荷载作用下张开型节理对类岩石材料动态力学特性的影响,基于分离式霍普金森压杆实验装置(SHPB),研究完整试件和含不同角度和长度节理的水泥砂浆试件在动荷载下的应力波传播特征、峰值承载力、破坏形态,分析讨论了基于能量理论的损伤规律。结果表明：试件会形成一组沿轴向与节理面贯通的张拉裂纹面和一组几乎平行于试件端面的裂纹面;节理长度由5 mm增大到30 mm时,应力波的反射作用越明显,试件的峰值承载力越小,破坏产生的裂纹面越小,因而损伤也越小。当节理角度从0°增至90°时,应力波的反射作用越小,损伤越小;峰值承载力随节理角度增大先减小后增大,当节理角度为60°时,峰值承载力最小,当节理角度为90°时,峰值承载力最大。     

真三轴应力条件下加卸荷速率对砂岩力学特性与能量特征的影响

为了更准确地认识真三轴应力条件下加卸荷速率对岩石力学特性与能量特征的影响规律,利用自主研发的“多功能真三轴流固耦合试验系统”开展了砂岩真三轴加卸荷力学特性试验,实现了最小主应力方向上的单面卸荷,模拟实际围岩应力演化过程。试验结果表明：随着卸荷速率的增大,砂岩破坏时的最大主应力、最大主应变、最小主应变和体积应变均减小、中间主应变增大,扩容起始点提前,岩样破坏模式逐渐由剪切破坏转为张拉破裂,且张性裂纹多集中于卸荷面附近。加载速率的增大,砂岩破坏时的最大主应力、最大主应变、最小主应变和体积应变增大,扩容起始点滞后,岩样破坏模式逐渐由张剪破坏转向剪切破坏,产生非贯通性裂纹。引入应变偏应力柔量分析不同加卸荷速率下砂岩变形规律,最小主应变和体积应变的偏应力敏感性与卸荷速率呈正相关,最大主应变的偏应力敏感性与加载速率呈正相关。此外,岩石在峰值应力前能量演化有明显的阶段性,峰前吸收的能量大多以可释放弹性应变能的形式存储,耗散能在峰后超过弹性应变能。耗散能比例Ud/U随着最大主应变的增加呈现出先增后降再增的趋势,峰值应力时Ud/U随着卸荷速率的增大而减小,随着加载速率的增大而增大。达到峰值应力时,岩石吸收的总能量U、弹性应变能Ue、耗散能Ud和相应的应变能增量与时间间隔的比值u均随着卸荷速率的增大而减小,随着加荷速率的增大而增大。