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。     

分级循环加卸载作用下煤岩损伤本构模型研究

以煤岩为研究对象,通过分级循环加卸载试验研究煤岩损伤力学特性;应用Weibull统计分布函数,并引进损伤变量D,基于煤岩微元体强度符合Mises屈服准则,建立了适用于煤岩加卸载阶段的损伤本构模型;根据试验数据,采取非线性拟合的方法确定各循环等级的模型参数值,分析了模型参数的物理意义。研究结果表明:基于Mises屈服准则建立的损伤本构模型能够准确反映煤岩分级循环加卸载下的应力-应变关系;随着加卸载等级的提高,残余应变逐渐积累,弹性模量先增大后减小,滞回环形状表现为"胖"-"瘦"-"胖"的特点;本构模型参数具有明确的物理意义。     

受压圆孔板的闭合裂纹尖端应力强度因子解析解

研究多应力场相互作用下的裂纹尖端应力强度因子是断裂力学中的重要内容,探究压缩荷载下圆孔与裂纹相互作用下的裂纹尖端应力强度因子对受压材料断裂准则与强度的影响至关重要。在含圆孔板单轴压缩初始解的基础上,采用叠加原理推导得出了单轴压缩圆孔板的裂纹尖端应力强度因子积分方程,采用切比雪夫多项式推导得出了积分方程的近似解;运用有限元方法对同一问题进行分析,并与积分方程的近似解进行对比;分析了圆孔尺寸、裂纹尺寸、裂纹位置以及裂纹面摩擦系数对裂纹尖端应力强度因子的影响。结果表明：通过叠加原理得出的裂纹尖端应力强度因子解与有限元方法解基本吻合,证明了基于初始解与叠加原理得出的裂纹尖端应力强度因子积分方程的正确性;更大的裂纹尺寸和圆孔尺寸、与孔边更近的位置以及更小的裂纹面摩擦系数会造成更大的应力强度因子,同时,靠近孔边侧的裂纹应力强度因子波动相较于远离孔边侧更为明显。     

中间岩层和节理弱面厚度对上行开采的影响

为了探究中间岩层厚度和节理弱面厚度对上行开采的影响，以甘肃平凉某矿为背景，利用块状离散元软件3DEC对中间岩层厚度比值为5.5、6.5、7.5、8.5、9.5以及节理弱面厚度从0至布满中间岩层的模型进行分析，得到了模型在不同中间岩层厚度比值以及不同节理弱面厚度下的塑性区分布图，同时得到了煤层1在不同工况下的下沉量。结果表明：随着中间岩层厚度比值的增加，煤层1在稳定区的下沉量分别减小了18.11%、24.48%、33.06%、42.09%，这意味着更厚的中间岩层有着更小的上部煤层变形和更大的下部煤层开采长度；同时，随着节理弱面厚度的增加，煤层1下部和上部岩层先后经过煤层1下部岩层未完全屈服；煤层1下部岩层屈服，但煤层1上部岩层尚未屈服；煤层1上、下岩层均屈服且发生离层的3个阶段，使得煤层1的下沉量发生2次突变，并先以较缓的趋势线性增加，随后以较快的趋势线性增加，最终演化为非线性变化趋势。     

含单裂纹带圆孔板单轴破坏试验及仿真

为了研究含不同预制裂纹长度及倾角下的单裂纹带圆孔板单轴应力状态下的裂纹扩展状况,分别制作裂纹倾角为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°及裂纹长度为7.5 mm、12.5 mm、17.5 mm的带直径为15 mm圆孔的类岩石试件,利用DDL-200型试验机进行单轴压缩试验,并使用颗粒流离散元软件PFC对试件应力状态和裂纹扩展做进一步研究。结果表明：合理的预制裂纹能够提高试件的抗压强度,并且随着裂纹倾角的增加,试件应力集中逐渐从裂纹尖端过渡至孔边,使得新裂纹的萌生和扩展向孔边转移,同时,较大的裂纹长度和较小的裂纹倾角使得试件有更大的受拉区域面积和更加不均匀的应力分布;此外,应力强度因子随着裂纹倾角的增大呈先减小、后增大的变化规律,降低阶段和上升阶段所对应的裂纹分别属于闭合型和张开型。该研究成果可为地下工程中的巷道支护和切顶卸压提供一定的参考。     

基于叠梁应力势函数的煤层顶板破坏研究

为了研究煤矿开采中煤层顶板的破坏程度及破坏特征，将直接顶与间接顶简化为遍布水平节理与垂直节理的叠梁模型，引入弹性力学中的应力势函数，结合摩尔-库伦强度准则分析煤层顶板的破坏域尺寸及形状|并使用3DEC软件进行进一步验证。结果表明：煤层顶板的破坏可分为由水平节理造成的离层以及由垂直节理造成的断裂|离层破坏域呈上陡下平的“类双曲线”分布、断裂破坏域呈拱形分布|随着间接顶弹性模量的增大，直接顶的离层宽度、高度明显降低|随着间接顶层高的增加，间接顶的断裂高度占比逐渐降低，离层宽度逐渐提升。这说明：当层高确定时，煤层顶板应力向硬岩转移，造成更大的破坏域面积|当岩性确定时，较大的间接顶层高可以显著降低断裂高度，转而提高离层破坏宽度。可以为煤层顶板破坏领域的工程实际问题提供理论依据。     

硬岩夹层对组合岩石蠕变性能的影响研究及应用

为了探究硬岩夹层对组合岩石蠕变性能的影响，通过试验与数值仿真相结合的方法，分析了不同夹层数量、厚度以及间距的情况下组合岩石轴向变形的变化规律。结果表明：硬岩夹层的厚度越大、数量越多，组合岩石的蠕变量越小；硬岩夹层可以降低其影响范围内软岩的形状改变比能，进而提高软岩抵抗蠕变变形的能力，但随着夹层间距的增加，组合岩石抵抗蠕变变形的能力先增大后减小。通过类比研究，为巷道围岩注浆的时机选择提供了一定的依据。