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。     

循环冲击作用下砂岩动力学特性及能量耗散特征研究

以巷道围岩施工过程中受到多次动荷载扰动而变形失稳为背景,利用分离式霍普金森斯压杆对砂岩开展5种冲击气压下的循环冲击试验,探究循环冲击作用下砂岩动力学特性及能量耗散特征。试验结果表明:在较大冲击气压作用下,峰值应力随着冲击次数的增加呈线性下降趋势,峰值应变和平均应变率则随着冲击次数的增加呈线性增长趋势;而在较小冲击气压作用下,随着冲击次数的增加,峰值应力先缓慢下降然后陡降,峰值应变和平均应变率则先缓慢增加然后陡增;随着冲击次数的增加,试件裂纹不断萌生扩展,试件主要呈劈裂破坏,单位体积吸收能表现为两阶段变化趋势,累计比能量吸收能不断增加。     

循环荷载条件下原煤力学性质及损伤演化规律

对原煤试样分别进行了常规加载和循环荷载条件下的单轴和三轴力学强度试验,借助声发射技术,系统研究了单轴循环荷载及三轴循环荷载条件下原煤的损伤演化规律并对比分析。常规循环荷载试验结果显示:从循环初始至结束,煤岩内部损伤过程具有明显的3阶段,即初始损伤阶段,微裂纹扩展萌生稳定增长阶段,裂纹贯通破坏阶段;定量分析了应变峰值、卸载刚度及损伤变量在循环荷载过程中的变化规律,单轴循环试验初始损伤阶段的损伤程度较大,第3阶段损伤变量变化显著;三轴循环试验损伤过程中第1阶段最显著,而在损伤第3阶段,煤样临近破坏时损伤变量略微升高,与单轴试验损伤变量显著增加的情况不同;循环应力上限处声发射现象最强烈,说明循环过程中应力上限时的内部损伤程度最大。分级循环荷载试验结果显示:分级荷载增加初期应变回滞环较密集,声发射现象显著,试样破坏时声发射计数最大;各级循环也具有损伤不同阶段特征,达到损伤稳定阶段的损伤变量近似值与均值压力呈指数型变化关系。     

基于损伤演化的砂岩能量参数围压效应研究

岩石材料损伤演化状态所对应的特征参数,对岩土工程的稳定性设计、预测及监测等至 关重要。 本文开展不同围压下砂岩分级循环加卸载试验,利用横向应变法和体积应变法确定受 载岩样损伤演化状态,基于损伤演化状态分析各阶段、各损伤演化特征点处能量参数演化特征及 与围压的关系。 结果表明:不同围压下,峰前各阶段能量参数随应变增大而增大;随着围压的增 大,峰值应力处的弹性应变能、耗散能突变向峰后转移;峰后残余应力阶段各能量参数降低并趋 于平缓。 σcc 处能量参数与围压成幂函数下降关系,且耗散能随围压增大趋于稳定;σci、σcd 及 σp 处能量参数随围压呈线性增加,各特征点处输入能量与弹性应变能差值随围压的变化趋势较小, 且在 σcd 处两者相对差值最小,输入能量转化为弹性应变能最多。     

真三轴压缩下硬岩破裂过程超声波演化特征

为研究真三向应力下硬岩破裂过程3个主应力方向超声波波速变化规律及其与岩石破裂的关系,对云南砂岩开展了一系列真三轴试验,获得了砂岩破裂过程中3个主应力方向的波速变化特征,发现了3个方向波速具有明显差异,主要表现在三个方面:最大波速、波速初始下降时的σ₁和峰后波速变化特征。波速分析表明,最小主应力方向波速最能够反映岩石破裂过程。将基于最小主应力方向波速计算的损伤变量与裂纹体应变进行了对比分析,发现损伤变量能较好地反映岩石破裂演化过程。为了更好地描述岩石破裂演化过程,用Power函数拟合了岩石破裂增长阶段损伤变量的演化曲线,建立了多阶段破裂演化方程。试验数据拟合结果表明,该方程与试验数据拟合良好。     

砂岩单轴破坏损伤时空演化规律及前兆特征声发射试验研究

研究岩体损伤时空演化规律及破坏前兆特征对围岩灾害识别预警与防治具有重要意义,通过声发射试验,研究单轴加载下砂岩损伤时空演进过程。研究发现:砂岩损伤在时间-空间域有连续演进的行为特征,损伤发育速度在关键时刻有突变,主裂隙由"成核"区域发生并向四周扩散,最终贯通试件轴向与径向;高能声发射事件,空间上多分布在砂岩内部损伤集中的区域,时间上多发生于损伤快速扩展的时期,可作为损伤传导和加剧的重要参照;高频率出现的高能声发射信号可以作为砂岩破坏失稳时间域的前兆信息,高能声发射信号的空间密度可作为判断砂岩破坏起始区域的判定信息。     

循环荷载作用下煤体力学特性及能量演化规律研究

为了预防布尔台煤矿4^-2号煤层巷道冲击地压危险,选取4^-2煤层原煤试件进行三轴实验及循环加卸载作用下的单轴实验,研究了煤体力学特性与能量演化之间的联系,分析了不同实验下各项参数的变化规律。三轴实验结果表明：围压的增加会延缓煤体破坏灾变阶段的应力跌落趋势,但会使煤体内部储存更多的弹性应变能;强度及扩容特性能宏观反应出煤体内部总能量的变化形式。循环加卸载作用下的单轴实验结果表明：煤体内部能量转化具有明显的阶段性特征,依据能量演化曲线可划分为初始能量累计阶段、能量加速累计阶段和能量快速耗散阶段,能量加速累计阶段煤体中主要存储弹性应变能,能量快速耗散阶段则以耗散能增长为主。研究成果可为煤矿监测预警提供一定的理论依据。     

峰后冷热循环下砂岩破坏过程力学特征及能量演化规律北大核心

在煤火治理中常因复燃等原因而多次注浆/水灭火,围岩经历反复升温遇水冷却,致使强度降低,发生破坏,延伸地表形成塌陷、裂缝,造成安全隐患,为此研究了峰后高温冷热循环下岩石力学变化情况;以砂岩为研究对象,测试了岩样超声波波速与吸水率,开展了单轴压缩试验,分析了砂岩力学损伤特征,并进一步探究了其能耗演化规律。结果表明:峰后500℃开始,岩样超声波波速衰减率与吸水变化率由正转为负,波速变小,吸水率增加;500℃为峰后高温岩样力学突变的阈值温度,之后应力应变曲线峰值点快速右移,峰值应力大幅衰落,冷热循环造成的初始热损伤加剧,延性破坏突出;在岩样承压破损不同阶段,能耗演化特征不一;峰后500℃开始,峰前耗散应变能占比逐渐大于弹性应变能,耗散应变能与力学强度负相关。     

裂隙重合度对砂岩力学性质及损伤演化的影响

为了研究裂纹重合度对裂隙砂岩力学性质和损伤演化规律的影响,利用RFPA~(2D)软件对5种裂纹重合度的砂岩试样进行了单轴压缩试验数值模拟,分析不同裂纹分布条件下的力学特性、声发射特性和损伤演化过程。结果表明:预制裂纹重合度越接近100%,平行裂隙砂岩试样的峰值强度和起裂强度越大,声发射计数量也随之增多;裂纹扩展都是由翼裂纹萌发开始,不同裂纹分布情况下,翼裂纹发展的趋势有明显差别,裂纹重合度小于100%时会出现岩桥贯通现象;当裂隙重合度接近100%时,有其中1条翼裂纹主导破裂过程,发育过程较慢,强度相对越高;而当裂纹重合度大于100%时,两端的翼裂纹相对独立的扩展直至形成贯通裂纹,裂纹发展速度快,加速了破坏失稳的形成。     

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。     

脆性岩石循环加卸载试验及应变损伤参数分析

为研究不同应力状态循环加卸载条件下脆性岩石的强度、变形和损伤力学特性,对马城铁矿辉绿岩开展了单轴压缩、三轴压缩以及单轴、三轴循环加卸载等不同应力路径岩石力学试验,得到了脆性岩石在单轴和三轴条件下的强度、变形特征以及循环加卸载应力-应变曲线变化规律。给出一种岩石循环加卸载过程中相对应变损伤参数,结合现有损伤力学理论,对脆性岩石破坏过程中的损伤演化规律进行了研究。试验结果表明：①UCS条件下,循环加卸载峰值强度比平均单轴压缩峰值强度低10%~20%;CTC条件下,峰值强度出现离散性。②循环加卸载过程中弹性常量变化趋势跟岩石内部微裂隙的闭合、张开、扩展等断裂损伤机制密切相关。③岩石内部的损伤积累程度随循环次数的增加而不断增大,绝对应变损伤参数几乎不受围压作用的影响,而相对应变损伤参数受到围压的约束作用。     

预制裂隙红砂岩在冲击荷载作用下的动力特性

红砂岩是南方地区普遍存在的泥状胶结结构土,为研究其在冲击荷载作用下的动力特性,本文采用理论分析和落锤试验相结合的方法,开展了节理砂岩和完整砂岩的冲击动力试验。结果表明:砂岩加载速率和卸载速率近似相等,节理砂岩达到峰值强度后存在短暂的蠕变现象;当冲击能较小且岩石较质密时,加载中后期位移会出现轻微反弹,反弹位移随落锤质量的增加而减小;节理的存在使得加速度时程曲线出现两个峰值,砂岩破坏被分为两次峰值加速度前后明显的两段;根据能量守恒原理,验证了裂隙岩体破坏时吸收的能量小于完整岩体吸收的能量。本试验研究可为红砂岩类围岩硐室的稳定性控制提供理论依据。     

砂岩单三轴压缩过程中声发射特征的试验研究

利用RMT-150B岩石力学试验系统,对义马曹窑煤矿顶板砂岩进行单轴、常规三轴和三轴卸围压试验,加载同时进行声发射检测.试验结果表明,岩样压缩变形破坏过程中的声发射参数与加载方式有关.单轴压缩时,各个阶段均有不同程度的声发射事件,声发射事件较为强烈,累计计数和能量明显偏高;常规三轴压缩时,岩样屈服前声发射事件较少,屈服...     

基于3D-DIC系统的白砂岩单轴压缩应变率效应的力学性能试验研究

通过选取典型岩样,研究了白砂岩在10^-5～10^-3 s^-1应变率范围内的单轴压缩性能,采用3D-DIC系统观测和采集岩样表面位移云图,并分析不同应变率下岩样变形破坏特征差异。结果表明,岩样表面位移场变化反映了破坏面演化规律,剪切破坏面与位移场集中存在对应关系。全局轴向应变差异主要发生在微裂隙压密到弹性变形期间;加载初期,全局径向应变存在差异,在峰值强度时下端部区域径向位移最大,岩样上端部变形受到端部效应影响,径向向外膨胀受端面与垫片间摩擦限制;此外,下端部局部轴向应变大于上端部区域。随着加载速率增大,岩样从延性特征向脆性特征转变。加载速率较低时,岩样破坏过程中孔隙坍塌使得部分裂隙再次闭合、滑移而产生摩擦效应,从而使峰值强度附近的应力-应变曲线出现波动。白砂岩峰值强度、弹性模量、泊松比等力学参数随加载速率增大而增加。     

不同轴向静压下硬岩受频繁动力冲击作用下的力学特性研究

为了研究在不同轴向静压条件下硬岩受频繁动力冲击作用下的力学特性,对取自冬瓜山铜矿深部(900m)的矽卡岩试样进行动力冲击试验。试验结果表明:轴向静压对岩石累积冲击次数影响显著,累积冲击次数与轴向静压呈二次函数下降关系。随着冲击次数的增加,弹模整体呈下降趋势,不同轴向静压下,弹模随冲击次数表现出不同的变化特征;随着冲击次数的增加,峰值应力整体呈降低趋势,轴向静压对峰值应力的影响显著。不同轴向静压下,试样随冲击次数表现出不同的能量耗散规律,当轴向静压为75MPa时,试样出现了吸收能量的现象;当轴向静压为85 MPa和100 MPa时,试样在冲击作用下始终为释放能量,说明在高应力作用下,储存在试样内部的弹性应变能已经能够完全提供试样发生破坏所需要的能量,此时,岩石在动力扰动的诱导作用下极易发生破坏。这一现象为揭示深井开采过程中的岩爆发生机制提供了依据。     

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。     

砂岩在单轴压缩条件下的声发射特性研究

对云南南坡铜矿两种砂岩进行了单轴压缩试验, 并利用SDAES型数字声发射仪测试了加载过程中的声发射活动。结果表明, 岩石的变形与声发射活动存在较好的对应性; 声发射活动也受岩石各向异性的影响。第一组砂岩各向异性较为显著, 试样垂直层理加载时, 弹性模量明显小于平行层理加载时的弹性模量, 强度明显大于平行层理加载时的强度, 声发射也较平行层理加载时更为活跃。第二组砂岩试样的试验结果与此类似, 但其岩石各向异性不显著, 垂直层理加载和平行层理加载时岩石的弹性模量、强度及声发射相差均相对较小。     

不同加卸载方式下饱和岩石力学特征的试验研究

为研究不同加卸载方式下饱和岩石的力学演化特征,开展了等增幅加卸载、多重加卸载和微扰动加卸载3种不同方式的加卸载试验,分析了不同加卸载方式下的岩石力学特征。结果表明,3种加卸载方式下各循环曲线大体呈下凹型; 等增幅加卸载下塑性阶段的各循环曲线会在应力峰值前突变为上凸型,并在加载段后期发生振荡,且出现越来越早的下跌; 多重、微扰动加卸载下曲线连续性好,首循环应变远大于多重或微扰动循环; 多重加卸载下,随着循环次数增加,应力零点处的曲线斜率越来越大,多重循环较首循环的加载曲线斜率大; 微扰动加卸载下,塑性阶段的卸载曲线为近似垂直线,加载段曲线斜率呈现“增-减-增”三段式变化。各加卸载方式下软化阶段、峰值应变的关系均为: 多重加卸载>等增幅加卸载>微扰动加卸载; 塑性阶段的长短关系为: 等增幅加卸载>多重加卸载>微扰动加卸载,而依此顺序岩石也由剪切破坏向张拉破坏变化。     

循环加卸载对砂岩变形特征影响试验研究

岩石变形特征与所受的应力状态以及加载历史密切相关.基于三轴循环加卸荷试验,研究了不同围压、不同应力状态、不同卸荷量对砂岩变形特征及参数的影响.试验结果表明,卸荷过程中岩石变形模量变化规律和加载时并不相同:①相同应力差下,围压越大,相同卸荷量引起的变形模量降低量越小;②相同的围压下,应力差越大,相同卸荷量引起岩样变形模量的降低值越大;③循环荷载在岩石极限强度30%以内时,完全卸荷后岩石变形模量降低30%左右;循环荷载为岩石极限强度的30%～100%时,完全卸荷后岩石变形模量降低30%～60%左右;④不同围压下,卸荷时岩石变形模量降低量和卸荷量呈很好的线性关系.