不同循环加卸载速率下砂岩的力学特性研究

隧道开挖、矿山开采等工程中均涉及有岩石应力周期性压缩和拉伸现象,施工条件产生的力学效应对岩石结构影响显著。为研究不同加卸载速率下岩石的变形破坏特征,设计了砂岩在单轴条件下非等同加卸载速率循环荷载试验,基于应力-应变曲线、滞回环、残余应变及弹性模量等角度深入分析了砂岩岩体在循环荷载下的损伤、失稳劣化演化规律。结果表明：横幅循环荷载残余应变与循环次数呈对数函数相关,分级循环荷载中每一级的上限应力对应变的改变量要大于下限应力对应变的改变量;残余应变与循环次数拟合结果为同一斜率的线性相关函数;加载方式对岩样弹性模量大小有一定影响,且加卸载速率一致时对其影响最大。     

不同加卸载路径下岩石卸荷劣化特征及机制研究

为研究深部煤层底板卸荷劣化破坏机理,开展了轴压不变卸围压、加轴压卸围压、卸轴压卸围压不同加卸载应力路径下的假三轴力学试验,分析并拟合了不同应力路径下岩石弹性模量、广义泊松比与围压的变化关系;构建了岩石断裂力学模型,分析了不同加卸载路径下,分支裂纹端部应力集中程度;从偏应力、能量、声发射事件等方面剖析了卸荷过程中岩石力学参数劣化机制。研究表明：(1)不同轴压加载方式下岩样的弹性模量劣化程度和泊松比变化幅度依次为加轴压>轴压保持不变>卸轴压;相同轴压不同围压卸载速率下,岩样的弹性模量劣化程度和泊松比变化幅度与卸荷速率呈正相关变化。(2)围压卸荷过程中,轴向加载或保持不变的应力路径相比于轴向卸载的应力路径,岩石积聚的能量增长幅度较大;在围压卸载至一定程度时,内部闭合的微裂隙和原生裂隙重新被打开,用于裂纹扩展的能量迅速增加,泊松比和弹性模量变化比例明显增大,声发射事件振铃数呈现出非线性增长的特点。(3)不同加卸载路径下,偏应力是诱发岩石失稳破坏的根本原因,偏应力增长越快,岩石弹性模量劣化程度和泊松比变化程度越明显。工作面附近处于压剪破坏区偏应力相对较大,岩体劣化程度相对较为严重,这...     

基于加卸载响应比的载荷岩石动力学特征试验研究

利用单轴循环加卸载扰动试验,在不同应力水平对岩石试件施加幅度较小、周期较短的循环扰动荷载,得到试件在不同应力条件下扰动时的应力-应变状态,同时利用声发射监测设备对加卸载过程中试件内部损伤演化过程进行记录.试验显示,加卸载响应比值Y的变化特性与岩体所处的应力状态及其稳定程度相关,当荷载水平较低时,加卸载响应比值Y接近于1,试件比较稳定;而当荷载水平较高,接近试件破坏的临界状态时,加卸载响应比值会急剧增加,所以可以用加卸载响应比理论定量地分析岩石试件损伤演化过程,为扰动致灾动力学机理、诱发模式及预测预报提供试验基础.     

不同分级循环加卸载模式下岩石能量 演化规律研究

为了深入分析循环加卸载过程中岩样能量演化规律,设计了3种不同的单轴循环加卸载试验,详细分析了不同分级循环加卸载模式下的总吸收能、弹性应变能、耗散能、塑性变形能等参数的演化特征及其相互关系,建立了耗散能与循环应力等级、循环加卸载次数变化的演化方程。结果表明:1)随着循环加卸载应力等级的提高,耗散能Use和塑性变形能Ue呈现非线性增加的趋势;2)岩样在第3种循环加卸载模式下,整体上耗散能Use和塑性变形能Ue表现出"U"形变化的规律,在第Ⅰ级和第Ⅱ级循环荷载下强化效应突出,而在第Ⅲ级和第Ⅳ级循环荷载下扰动效应突出;3)循环加卸载上限应力不变,下限应力减小时,循环荷载对岩样的损伤效应比其强化效应明显;4)循环加卸载作用下岩样的耗散能Use与循环荷载应力等级、循环次数相关,可以采用非线性曲面较好的拟合,这为采用耗散能Use来定量分析循环加卸载过程中岩样的损伤奠定了较好的基础。     

不同加卸载路径下煤岩渗透性变化特征分析

查明不同加卸载路径下煤岩渗透率变化特征是进行采、掘过程中煤岩裂隙变化规律研究的基础。利用RMT-150B型岩石力学伺服实验系统对不同煤样进行了不同应力、不同变形阶段的多次加-卸载下的渗透性测试试验,基于孔裂缝的演化机理对渗透性变化规律进行总结,并对变化机理进行了分析。结果表明:峰值前进行加卸载时,渗透性变化幅度较小;应变-渗透性曲线较应力-应变曲线滞后性不明显。其变化主要取决于弹性变形;峰值后进行加卸载时,渗透性发生质的变化,增加幅度较大,并且应变-渗透性曲线较应力-应变曲线滞后性明显,其变化主要取决于塑性变形。同时随着循环加卸载次数的增加,渗透性均是逐渐变大,尤其是同一加卸载过程中相同应变所对应的加载与卸载时渗透性的差值。     

循环加卸载下饱和类岩石材料能量演化和损伤特性分析

为了研究循环荷载作用下饱水岩石的能量演化和损伤特性,利用水泥砂浆材料开展分等级循环加卸载试验和等荷载幅值循环加卸载试验,对比分析饱和类岩石材料在不同循环加卸载方式下的弹塑性应变、弹性模量、能量密度、损伤变量随循环次数的变化规律。结果表明:两种循环加卸载作用下,饱和类岩石材料的初始循环残余塑性应变均较大,分别占总残余塑性应变的61%和76%;分等级循环加卸载作用下,弹性模量随循环等级的升高先增大后逐渐减小,输入能密度和弹性能密度随循环等级的增加不断增大,耗散能密度先减小后逐渐增大,耗能比曲线呈现出"勺"形演化特征;等荷载幅值循环荷载作用下,弹性模量随循环次数先增大后缓慢降低,3种能量密度在损伤稳定发展阶段基本保持定值,材料破坏阶段耗能比迅速增大;基于耗散能定义的损伤变量,分等级循环荷载作用下,随循环等级的增加损伤变量变化曲线呈"上凹"形上升;等荷载幅值循环荷载作用下,损伤变量随循环次数的增加呈线性增长,且累积总应变能是分等级循环加卸载的34.5倍,损伤破坏程度更大。     

干燥及饱和岩石循环加卸载过程中声发射特征试验研究

利用YAG-3000微机控制岩石刚性试验机和PCI-Ⅱ声发射监测系统,对中关铁矿深部闪长岩分别进行干燥、饱和2种条件下循环加卸载过程的声发射试验,以探讨这2种含水条件下岩石的力学特性、声发射特征、加卸载响应比的变化情况。结果表明:水对岩石的力学特性和声发射特征具有不同程度的影响。岩样从干燥状态到饱和状态,其抗压强度降低了6.96%;整个加卸载过程中,饱和岩样的声发射能量累积数为干燥岩样的17.94%,且试件发生宏观破坏之前,饱和岩样的声发射能量累积数为干燥岩样的4.6%;干燥岩样的加卸载响应比的最大值出现在峰值强度前的很短时间内,而饱和岩样的最大值出现在裂纹的非稳定扩展阶段。     

循环加卸载下岩石浆体力学特性试验研究

为研究循环加卸载下岩石浆体力学特性,利用RMT-150B岩石力学试验机对岩石浆体进行恒定围压下的循环加卸载轴压的岩石力学试验,对岩石浆体的强度和变形特征进行了分析。结果表明:岩石浆体随着下一级加载轴压的提高,塑性滞回环面积增加;低应力状态下的循环会使岩石浆体更加致密,岩石浆体在加卸载下的强度高于常规三轴,超过临界强度时就会发生破坏,强度随岩石粒径增加而降低;在循环加卸载下,岩石浆体以剪切破坏为主,低围压和粗粒径更易形成明显的剪切带。基于研究成果,提出了增高锚杆预应力和增强注浆效果的软岩注浆加固关键技术。     

大理岩单轴循环加卸载力学特性研究

以室内力学实验为基础,通过不同循环路径下单轴循环加卸载试验,对大理岩的力学特性、声发射特征及破坏模式进行对比研究。结果表明:大理岩在循环荷载作用下具有良好的变形记忆特性;弹性常数的计算结果表明,恒下限加卸载加载弹性模量整体变化呈现减小趋势,泊松比有一个先增大后减小的变化趋势,而恒差值加卸载加载弹性模量呈现波浪曲线,泊松比呈现不断增加趋势;通过声发射特征分析得出,恒差值循环加卸载过程中除了产生Kaiser效应还会有Felicity效应,两者都具有间隔突发和相对平静的现象。     

单轴循环加卸载过程中砂岩能量变化特征实验研究

通过砂岩试样的单轴等幅循环加卸载实验,分析试样变形过程中能量变化特征。分析实验结果,发现卸载过程中,应力-应变曲线表现出明显的应变滞后现象;分析滞后能发现随着循环次数的增加,滞后能逐渐减小;不同的等幅加卸载过程,岩样能量分布略有不同,随着循环次数的增加,耗散能逐渐减小,弹性能基本保持稳定。     

周期荷载作用下盐岩疲劳特性试验研究

利用RMT-150C型岩石力学多功能试验机,针对盐岩进行了单、三轴周期荷载作用下的疲劳试验,研究了盐岩的破坏特征、变形特性及损伤。单轴试验结果表明,盐岩疲劳破坏终点的变形量受静态轴向应力-应变全过程曲线的控制,周期荷载的上限应力和幅值对盐岩的疲劳寿命有着显著影响;轴向应变和损伤都可以分为初始、等速和加速三个阶段;当上限应力小于单轴抗压强度的75%时,盐岩未发生明显破坏,疲劳效应明显弱化,可以认为是盐岩的门阀值为75%。盐岩的三轴疲劳试验表明:不同上限应力和幅值对疲劳寿命起关键作用;盐岩在三轴周期荷载作用下,很快完成初始变形阶段,而很长时间内处于稳定的等速变形过程,这种疲劳特性对储气库的稳定性有利。     

动静荷载作用下硬岩峰后力学试验研究

对3种典型岩石分别进行了峰后循环加卸载试验和峰后振动试验, 研究了围压对岩石变形和弹性模量的影响。结果表明:抗压强度随峰后循环加载静荷载次数增加而衰减, 弹性模量在循环加载中也出现软化现象; 峰后每个循环的卸载过程及加载初期无明显声发射现象, 在应力加载到新峰值的60%~90%时才开始出现声发射激增现象, 使用“应变历史”作为凯瑟效应判断标准可以较好地解释这一现象; 在振动荷载作用下, 围压的初步增加对粉砂岩和花岗岩的损伤闭合有积极作用, 但进一步增加会抑制粉砂岩损伤的继续闭合。     

干燥和饱水状态下炭质板岩力学特性试验

针对兰渝铁路二期木寨岭隧道炭质板岩富含裂隙水,遇水易软化的工程特性问题,开展了干燥和饱水状态下炭质板岩基本力学特性的试验研究,包括三轴压缩、巴西劈裂和楔形剪切试验。结果表明:炭质板岩饱水前后的应力峰值、应变峰值以及弹性模量均随围压的提高而增大,泊松比随围压的提高有所降低,并且干燥试样强度和弹性模量对围压的敏感度要高于饱水试样。相对于干燥岩石,饱水状态下岩石的强度峰值降低,而应变峰值提高,并根据楔形剪切试验结果,得到了饱水前后岩石的抗剪强度包络线,反映了水对炭质板岩强度和变形特性具有显著的影响。     

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.     

循环载荷作用下煤的力学性质及声发射特征演化规律

声发射是煤等脆性材料破坏过程中经常伴随的现象,可以通过研究煤的声发射规律掌握其损伤和裂隙的演化规律。借助三轴液电伺服加载系统和声发射测试系统,针对原煤试样,进行了循环加载实验,揭示了循环载荷作用下的煤力学性质和声发射演化特征。研究结果表明:多级加载疲劳试验中,循环载荷幅度相同的条件下,随着加载频率的减小,弹性模量降低30%～40%、不可逆塑性变形增加,说明煤样损伤及裂纹发展有时间效应;循环加卸载频率对于煤样内部原有的或新生的微裂纹扩展规律具有较大的影响;验证了声发射试验中的Kaiser效应和Felicity效应,发现煤的应力记忆特征、应变记忆特征具有Felicity效应,而且相对于应变记忆特征,应力记忆特征变化更加明显,说明煤的物性参数(应变)记忆能力相对好于状态参数(应力),更能准确地描述损伤。     

循环荷载作用下煤岩力学及声发射特征研究

为研究平行层理方向煤岩体变形破坏力学特性及声发射b值演化规律,以贵州毕节矿区煤样为研究对象。借助MTS815配套声发射开展室内煤样多级循环加卸载试验。结果表明:煤的弹性模量呈现出3阶段的变化趋势,即急剧增加-缓慢增加-急剧降低;煤的泊松比与不可逆应变也呈现出3阶段的变化趋势,即缓慢增加-逐渐增加-急剧增加。随着应力水平的增加,声发射b值出现一定的波动,然后又趋于平稳。当煤样接近失稳破断时,声发射b值进一步降低。     

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。     

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。     

不同加载形式的矿岩-充填体相互作用的力学变形特征分析

为研究矿岩-充填体组成的复合体及其接触带的力学变形特征,进行复合体试样的轴向加载、双向剪切加载、设计的类三轴加载试验等3种不同的模拟加载方式。借助应变片和应变计观察充填体与矿岩复合体在轴向加载作用下的应变变化情况,通过显微成像设备观察不同荷载作用下存在的裂纹萌生扩展。同时进行了相应的数值模拟研究。试验结果表明对于矿岩接触带的应变值,上水平面的应变值要远远大于下水平面的应变值;从充填体到接触带,再到矿岩,其应变值逐渐减小,其中靠近接触带充填体侧的应变值突变次数要多于靠近接触带矿岩侧的应变值;在荷载作用下,出现的裂纹萌生,会随着荷载的加大而逐渐扩展,而没有裂纹和破坏的表壁并没有相关破坏点。3种加载方式中都是矿岩产生损伤破坏相对较大,其中类三轴加载试验中的矿岩破坏最严重。数值模拟结果验证相应监测点的应变值变化规律,结果吻合较好。     

煤岩重复加载力学特性试验研究

利用MTS815.03电液伺服岩石试验系统,对运河煤矿煤岩试件在重复加载作用下的特性进行研究。研究结果表明,在重复加载作用下,煤岩强度极限较常规单轴压缩强度极限降低约23.65%;二次加载时弹性模量较初次加载时弹性模量增大约21.08%。由于煤岩含有大量原生损伤裂隙并且强度较低,在重复加载过程中,煤岩内部原生裂隙和新生裂隙的闭合与张开以及不可恢复的宏观裂纹的产生为煤岩弹性模量的增大、强度极限的降低给予较为合理的解释。在重复加载作用下,有超过1/3的能量以内部裂隙的闭合,材料的屈服、破坏、损伤、断裂以及裂隙面的滑移摩擦等形式消耗掉。煤岩的破坏过程经历了从压密、应变硬化到软化的变化过程。