基于线性储能规律和剩余弹性能指数的岩爆倾向性判据

在考虑岩石加载全过程中能耗特性的基础上,提出一种基于线性储能规律和剩余弹性能指数的岩爆倾向性新判据。选用14种岩石(包括6种花岗岩、2种大理岩、4种砂岩、1种板岩、1种灰岩)进行不同应力水平下的单轴压缩一次加卸载试验,利用图形积分方式获得岩石试样在不同卸载点处的总输入能密度、弹性能密度、耗散能密度值,分别考察弹性能密度、耗散能密度和总输入能密度之间的定量关系,得到弹性能密度和总输入能密度之间的线性函数关系,发现储能系数(不同应力水平下弹性能密度和总输入能密度的比值)为定值的线性储能规律。在此基础上,提出一种计算岩石材料在峰值强度时储存在岩石内部弹性能的方法,改进了峰值能量冲击性指数的计算公式,进而建立一种基于剩余弹性能指数(峰前弹性能密度和峰后破坏能密度的差值)的岩爆倾向性判据。依据岩石试验破坏情况,提出基于定性指标和定量指标的室内岩石材料岩爆等级划分标准。研究结果表明,依据岩爆倾向性新判据所得判别结果和岩石材料实际岩爆倾向性等级比较一致,为从岩石材料全加载过程中能耗特性方面分析岩爆倾向性提供了一种新方法。     

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。     

大理岩加卸荷破坏过程的能量演化特征分析

 根据大理岩加荷破坏与卸荷破坏试验结果,研究大理岩不同应力路径下的破坏特征和能量演化规律。结果表明,常规三轴破坏岩样吸收总能量 高于单轴压缩吸收总能量,峰值强度后常规三轴弹性应变能释放比单轴缓慢,储能极限高于单轴压缩的储能极限。随着卸荷初始围压升高,岩样峰值强度和峰值应变增大,破坏形式由张拉–剪切破坏向剪切破坏过渡,岩样在峰值强度处吸收的总能量 和弹性能 增大,耗散能 却没有明显变化,围压对峰值强度处的 和 无明显影响。卸荷速度增大,岩样峰值强度和峰值应变减小,破坏形式由剪切破坏向张拉–剪切破坏过渡,岩样在峰值点处吸收的总能量 和弹性能 减小,耗散能 却没有明显变化,卸荷速度对 和 无明显影响。加荷与卸荷2种应力路径下,岩样在到达峰值强度时所吸收的总能量和储能极限都与峰值强度呈线性关系。     

受载岩石能量演化的围压效应研究

 能量演化贯穿于岩石变形破坏的全过程,为了探究围压对受载岩石能量演化特征的影响规律,对红砂岩试样进行6种固定围压下的轴向加、卸载试验,揭示岩石弹性能和耗散能演化及分配规律的围压效应,并探讨工程采动岩体的能量演化路径。研究结果如下：(1) 提出岩石储能极限、最大耗散能密度、残余弹性能密度3种特征能量参数,可分别表征岩石的能量积聚、耗散和释放行为特征;(2) 峰前主要表现为能量积聚,峰后主要表现为能量耗散和释放,但随着围压的增高,岩石储能极限大致呈幂指数增长,残余弹性能密度呈线性增加,最大耗散能密度呈幂指数增加,表明围压增大了能量输入的强度,减弱了能量释放的烈度;(3) 围压越大,弹性能比例在峰前阶段越大,在峰值破坏时下降幅度越小,在峰后阶段二次上升所达到数值越接近于峰前值,表明围压提高了能量积聚的效率,提升了岩石破裂重组后的储能能力;(4) 工程采动岩体失稳破坏的能量路径是增加储能水平和降低储能极限2条途径的组合,能量路径斜率越大,越容易因为围压的突然卸载而发生强能量释放行为。     

深部巷道破裂围岩强度衰减规律试验研究

 为研究深部巷道破裂围岩强度衰减规律,设计模拟巷道破裂区应力演化规律的应力路径,采用MTS815岩石力学伺服试验机对完整的砂质泥岩试样进行加卸载试验,得到不同损伤程度的初始损伤岩样;通过单试件法对初始损伤岩样在不同围压下的三轴强度特性进行试验研究。采用卸载点的应力减低比D?、体积膨胀比DV作为损伤变量,分别建立损伤岩样峰值强度及强度参数与二者的函数关系,研究成果表明,初始损伤岩样的峰值强度、黏聚力与内摩擦角随损伤程度的增大大幅减小,且呈指数衰减规律。     

三轴卸荷条件下大理岩扩容与能量特征分析

扩容现象是岩石变形破坏过程中的重要特征。基于MTS815 Flex Test GT岩石力学试验平台,采用室内三轴卸荷试验和塑性力学理论分析,揭示了大理岩在卸荷条件下的扩容特征及能量变化特征。结果表明,随着围压的增大,岩样的各特征应力随之增大,其扩容特征随之减弱;岩样的扩容参数——扩容指标以及剪胀角均具有围压效应,即扩容指标与围压呈良好的指数型分布,剪胀角与应力比呈线性分布;岩样的卸荷破坏过程中能量特征为初始时以可释放应变能为主到破坏时的耗散能为主,其间的转折点为初始损伤扩容点,同时卸荷条件下的特征能量值与围压具有良好的指数类型关系;在峰值点与残余点处,岩样的能量损伤值与剪胀角以及能量特征值与扩容指标均存在着较好的指数类型关系。     

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。     

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。     

煤岩组合体破坏行为的能量非线性演化特征

利用MTS 815试验机对煤岩组合体进行单轴和循环加卸载试验,研究了煤岩组合体的能量演化特征及规律。试验结果表明:输入能密度与应力关系可分为3个阶段,即缓慢增长阶段、非线性增长阶段、峰后跌落阶段;单轴压缩下输入能密度和弹性能密度均随着应力的增大而增大,耗散能密度与应力关系比较复杂,其增长率逐渐减小,并趋于0,而后迅速增大,体现出明显的非线性特征;循环加卸载下输入能密度、弹性能密度和耗散能密度随着应力的增大而增大。当试样发生屈服时,耗散能比例增加,弹性能比例降低;研究结论为煤矿动力灾害的能量驱动机制提供一定的理论参考。     

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...     

不同应力路径下砂岩能耗特征的研究

利用WDT–1500多功能材料试验机对砂岩试样进行定围升轴、卸围升轴及定轴卸围3种应力路径下的三轴试验,对比分析砂岩在这3种应力路径下的能量耗散规律,以及能量与围压、岩样变形之间的关系,从而提出不同应力路径下砂岩破坏点的确定方法。试验结果表明:在不同应力路径下岩石的变形破坏过程中都存在能量耗散与释放,能量的释放使得岩石发生破坏;卸围升轴和定轴卸围下砂岩的耗散能相对于定围升轴较小;耗散能和可释放弹性应变能主要受初始轴压和初始围压的影响,并且在不同变形阶段都有明显的围压效应。     

正交型裂隙岩石单轴压缩作用下的能量演化规律

天然岩体中裂隙主要以交叉形态分布,为了探究交叉型裂隙对岩石力学特征及破坏过程中能量变化规律,预制正交型交叉裂隙,借助GAW-2000刚性试验压力机对单轴加载条件下岩石强度与能量演化规律进行计算与分析,研究结果表明:由于预制裂隙造成了初始损伤,含正交型裂隙岩石的储能能力均明显弱于完整岩石;岩石储能能力受裂隙分布形态影响并与岩石峰值强度保持良好的一致性。当主裂隙倾角为30°和60°时,岩石强度较高,分别为133.56 MPa和129.87 MPa,主裂隙为90°时,岩石试样的储能能力与峰值强度均最低。当岩石耗散能比例增加时,宏观裂隙大量产生,且耗散能占比开始增加的时间点不会晚于岩石峰值强度出现,耗散能占比的转折点可以作为岩石破坏的前兆性指标。     

干湿循环作用下泥质白云岩能量机制试验研究

为研究干湿循环作用下泥质白云岩力学特性和能量机制,利用MTS851.03岩石力学试验系统分别对干湿循环0次、40次及60次试样进行三轴压缩试验,分析了3种状态下泥质白云岩损伤破坏过程中的能量演化规律,并以可释放弹性应变能为统计分布变量,基于Weibull分布建立泥质白云岩的损伤统计本构模型。结果表明：3种状态下试样峰值强度与围压的回归关系符合主应力表达的Mohr-Coulomb准则特征;泥质白云岩试样能量实时演化过程具有阶段性;干湿循环作用使泥质白云岩的内部损伤和塑性变形加强;峰值点处试样各应变能随围压线性增大,储能极限随干湿循环次数逐步减小;以可释放弹性应变能为统计分布变量建立的损伤统计本构模型能较好模拟试样三维条件下的应力-应变关系。     

基于损伤释放能的岩石损伤计算方法

既有岩石损伤计算方法存在单轴加载和循环加载时能量计算结果不一致的问题。为解决此问题,分析既有能量计算方法和能量转化机制,进一步提出基于损伤释放能的岩石损伤计算方法,最后开展室内试验对其可靠性进行验证。研究表明,耗散能和岩样破坏时释放的弹性能均与岩样的损伤状态相关,可将这两部分能量统称为损伤释放能。其在单轴压缩情况下为加载到破坏时吸收的能量,在循环受压情况下为初始循环、中间循环以及最后加载段损伤释放能的总和。损伤释放能增量在初始循环可通过对加载段和卸载段积分求得,在中间循环为当前循环耗散能和前一循环阻尼能的差,在最后加载段为该循环输入能和前一循环阻尼能的差。室内实验发现,单轴压缩和循环受压情况下同种类型岩样破坏时的总损伤释放能大致相同,能够在仅有单轴加载结果的前提下分析循环加载期间岩样的损伤演化。此外,该方法能够较好地反映岩样损伤随加载进程的演化。     

充填节理岩石累积损伤动力压缩特性试验研究

充填节理的动态力学特性及其对应力波传播规律的影响是岩体工程响应和安全性评价的重要依据。由于现有对充填节理岩石累积损伤及动力强度弱化特性研究较少,研究对人工充填节理岩石试样展开了系列试验,分析了岩样累积冲击作用下的损伤演化规律及其对动态力学性能的影响。首先,利用简易落锤冲击装置对岩样进行多次预冲击试验,通过波速变化分析了充填节理岩样的累积损伤变化规律。在此基础上,对不同次数预冲击作用后的充填节理岩石试样进行了SHPB动态冲击破坏试验。通过试验结果,分别从岩样的强度变形特征、波传播特性以及能量耗散等方面分析了累积预冲击作用对充填节理岩石动态力学性能的影响。     

不同循环加卸载路径下红砂岩声发射与应变场演化规律研究

为研究不同循环加卸载路径下红砂岩的损伤演化规律,基于MTS815岩石力学试验系统对红砂岩开展恒下限和变下限循环加卸载试验,同步进行声发射和数字图像相关技术(DIC)监测。结果表明：相较于单轴压缩试验,恒下限循环加卸载下岩石平均抗压强度提高了6.5%,变下限循环加卸载提高不显著。恒下限循环加卸载下Felicity比平均值随应力增大而持续减小,而变下限循环加卸载后期的Felicity比基本保持不变。表观应变场演化趋势与声发射变化特征一致,恒下限循环加卸载下岩石破坏前损伤变形逐渐增大,呈缓增型特点;而变下限循环加卸载下加卸载前期损伤应变较分散,直至应力超过峰值强度66%时,岩石较大表观应变点才由分散快速集中,局部区域变形急剧增大,呈突变型特点,试样表现为剧烈的脆性破坏,实际工程中应予以重视。     

岩石卸围压破坏过程的能量耗散分析

 在分析试验机与岩样之间能量交换的基础上,综合分析岩样卸围压破坏过程的能量耗散规律,以及能量与岩样变形、围压之间的关系。研究结果表明,在卸围压破坏过程中,能量耗散与岩样的破坏特征及施加围压有较大关系;延性破坏的能量耗散大于脆性破坏,同一种破坏模式下,岩样的能量耗散随施加围压的增大而增大。2种卸围压试验均表明,能量耗散与时间呈非线性关系,与侧向变形呈线性关系,且在相同侧胀水平下,施加围压越大,能量耗散越大,岩样更具脆性破坏特征。     

不同截面形状砂岩试样的力学特性试验研究

人们通常采用实心圆柱试样进行静态及动态加载试验分析岩石的力学特性,然而实际工程岩体中方形和空心圆柱体试样也很常见。为了研究不同横截面形状对岩石力学特征的影响,本文对相同高度和横截面面积的完整圆柱试样、方形试样和厚壁圆筒试样进行单轴压缩试验和声发射检测。试验结果表明,方形截面菱角、厚壁圆筒试样孔道自由面有利于岩石的局部变形,方形试样强度比实心圆柱体试样偏低6.2%而比厚壁圆筒试样偏高10.0%,方形试样弹性模量分别比实心圆柱体试样和厚壁圆筒试样偏低4.7%、2.8%。实心圆柱试样和厚壁圆筒试样在单轴压缩过程中峰值强度之前可释放弹性能占吸收总能量比值比方形试样大,耗散能所占比值比其小。实心圆柱试样和厚壁圆筒试样破坏以张拉复合破坏为主,方形试样出现了“沙漏”状的破坏形式,试样菱角处都出现明显的剪切面。研究结果为理解岩石的失稳破坏提供了参考。     

多次应力波作用下P-CCNBD岩样动态断裂的能量耗散特性研究

为了研究多次应力波作用下岩石的动态断裂破坏规律,采用直径100 mm的分离式霍普金森压杆径向加载直径为160 mm的含预制裂纹人字形切槽巴西圆盘大理岩试样,分别采用裂纹扩展计和普通应变片测定试样裂尖的起裂和扩展过程,分析试样破坏过程中的动态断裂规律和能量耗散特性。结果表明:在0.13 MPa的子弹发射压力下,出现了试样被多次应力波作用形成破坏的试验现象;入射能、反射能和耗散能均随着作用次数的增加而逐渐减小,但是试样的总耗散能却随作用次数的增加而增大;试样的能量耗散率和动态断裂韧度都随作用次数的增大而减小,并且满足近似的线性关系,这有助于理解多次应力波作用下岩石的动态断裂机制。     

层理倾角对受载千枚岩能量演化及岩爆倾向性影响

选择5种不同层理倾角的千枚岩进行单轴一次加卸载试验,探讨层理倾角对千枚岩变形破坏过程中能量演化及岩爆倾向性影响.试验结果如下:各岩样应变能演化相似,在应力峰值前表现为能量积聚,峰值后为能量释放和耗散.但随着层理倾角的增大,其储能极限、残余弹性能和最大耗散能均呈U型变化,通过拟合在60°均取得最小值;随层理倾角增大,在峰前岩样的弹性能比例值呈倒U型变化,其中在60°取得最大值,表明峰前在60°处用于层理压密做的功最少.而且在峰前最大弹性能比例随层理倾角增加变化幅值较小,体现出峰前层理倾角对储能效率影响较小.在峰后弹性能比例下降幅度大小为60°>30°> 45°> 90°> 0°,说明含0°层理岩样的峰后裂隙发育最不充分表现出的脆性最大;结合弹性变形能指数(Wet)和冲击能量指数(Wcf)的优点建立新判据储能性能和峰后继续破坏耗散能的比例(W),并计算各倾角岩样的W值,其从小到大为60°→45°→30°→90°→0°.