含水率及围压对砂岩蠕变特性影响的试验研究

在荷载作用下,岩石不仅表现出弹性和塑性,而且具有与时间相关的性质,即岩石的流变性。工程实践中,岩石流变现象随处可见,岩石流变所造成的危害也不容忽视。但目前在岩石含水率及围压对其流变特性影响研究仍不完善。本文采用岩石三轴压缩流变仪开展了不同含水率及围压条件下的砂岩压缩蠕变试验。试验发现,围压越大,砂岩的蠕变量越小;但当围压达到一定值后,围压对蠕变量的影响降低;砂岩含水率越高,瞬时应变越大,破坏时应变越大,长期强度越低;瞬时应变和破坏时应变均与含水率呈线性关系,长期强度与含水率呈负指数关系。     

岩石蠕变特性试验研究

针对大安山煤矿+550水平西二石门围岩蠕变变形严重的问题,采用室内蠕变试验与理论分析相结合的方法研究岩石蠕变特性。选取泥质粉砂岩作为软岩试样,通过自制三轴蠕变仪对所取岩样进行恒围压分级增轴压的三轴压缩蠕变试验,结果表明:随应力水平的提高,起始蠕变速率增大,进入稳态蠕变阶段用时延长,稳态蠕变速率从0h-1增大到3.12e-4·h-1,瞬时应变以线性关系增加,围压9MPa条件下的起始蠕变应力阈值为6MPa,当应力水平超过岩石长期强度时出现加速蠕变。基于蠕变试验规律,考虑起始蠕变应力阈值,将一种可用阶跃函数表示的开关元件与广义K体并联,并引入损伤元件对CVISC蠕变模型进行改进。采用1st-Opt中的Levenberg-Marquardt+通用全局优化法计算蠕变参数并进行反演。反演结果表明理论曲线与试验曲线的吻合效果较好,证明了所建模型的合理性。上述研究成果可为岩石工程的长期稳定性分析提供试验和理论依据。     

高应力高水压下砂岩三轴蠕变特性试验研究

对砂岩进行高围压高水压条件下的三轴压缩蠕变试验。试验表明,在整个加载过程中,孔隙水压力主要起到增强轴向变形和横向变形的作用;但在加载的初始阶段,孔隙水压力在一定程度上抑制了轴向变形。当应力水平高于屈服应力时,横向蠕变速率明显大于轴向蠕变速率,且横向蠕变率先进入加速蠕变阶段。本文提出一个新的非线性黏性元件,并引入一个能判断是否进入加速蠕变阶段的计时器元件,组建一个非线性黏塑性加速蠕变启动模型,将该黏塑性模型与Burgers模型串联,构建一个新的非线性黏弹塑性蠕变模型,推导了该模型在常规三轴应力状态下的本构方程。基于试验结果,通过对非线性优化算法(BFGS)的Matlab编程,实现对本文提出蠕变模型的参数识别,识别效果比较理想。对比试验曲线与拟合曲线,二者相当吻合,验证了新提出的非线性黏弹塑性蠕变模型的正确性。     

结构面泥岩非线性蠕变特性试验研究

利用自制蠕变试验装置对含有平直闭合结构面的泥岩试样进行单轴蠕变试验研究。结果表明:轴向应力为8~12MPa时,结构面泥岩蠕应变与总应变比值呈线性增加;随着轴向应力增加,蠕应变与总应变比值突变呈上凹型增加,继而呈上凸型变化;结构面泥岩蠕变速率随轴向应力增加衰减显著,与时间为负指数关系。为描述不同轴向应力下结构面泥岩蠕变规律,提出一种非线性元件与时间呈负指数关系的非线性黏滞体,构建结构面泥岩法向非线性蠕变模型,并进行参数辨识及拟合分析。分析发现改进的Burgers模型能很好地描述结构面泥岩的法向非线性蠕变特性。     

砂岩峰后蠕变失稳特性试验研究

为揭示岩石峰后蠕变失稳特性,利用MTS815电液伺服岩石力学试验系统,对红砂岩进行了峰后蠕变试验,采用线性回归的方法估算了蠕变失稳时间,探讨了损伤、初始围压以及围压增量对峰后蠕变特性的影响规律。结果表明:随着损伤的加大,蠕变变形速率增大,蠕变失稳时间缩短。同一围压下,各级应力水平下蠕变量随应力水平的增大而增大,且服从指数函数关系。增大初始围压,各级应力水平下的蠕变变形速率均有一定程度的降低,且对等速蠕变阶段蠕变速率的影响较加速蠕变阶段蠕变速率大,蠕变失稳时间延长。施加围压增量,大大减小了蠕变变形速率,促使了加速蠕变阶段向等速蠕变阶段转化,明显延长了蠕变失稳时间,减小了蠕变形变量。研究结果为工程围岩的长期稳定性分析提供了参考依据。     

砂岩卸围压蠕变特性及非定常蠕变模型

为了研究在不同围压卸载条件下,砂岩蠕变变形的变化规律以及蠕变参数劣化规律,采用TAW-2000试验机对砂岩进行室内分级卸围压蠕变试验研究,然后结合损伤力学理论将蠕变参数非定常化,建立非定常参数西原蠕变模型,最终将试验数据与模型曲线进行对比验证。试验结果表明:对砂岩进行不同初始轴向应力的卸围压试验,岩石的蠕变泊松比与蠕变变形一样,都具有衰减、稳定和加速三个阶段,蠕变泊松比是一个时间的函数,在加载过程中蠕变泊松比都超过常规状态下的值,甚至超过1;建立非定常模型与试验数据具有良好拟合度,它不仅准确地反映了衰减和稳定蠕变阶段蠕变特性,也克服了传统西原体难以描述加速蠕变的缺点。     

泥岩三轴蠕变实验研究

采用MTS伺服刚性压力实验机对高家梁煤矿泥岩进行了三轴蠕变实验研究,获得了泥岩在不同应力条件下的蠕变变形规律。实验表明围压对泥岩微观缺陷的发展有一定的限制作用。随着围压的增加,泥岩的三轴抗压强度和弹性模量均有所增加。在围压一定时:衰减蠕变量随轴压的增大而增大;衰减蠕变率随偏应力的增加而增大;稳态蠕变率随偏应力的增大而增大。在偏应力一定时,稳态蠕变率随围压的增大而减小。当围压大于4MPa后,围压的限制作用将明显减小。随着围压继续增大,稳态蠕变率变化并不明显。根据获得的实验数据,用回归法求出了H-K模型蠕变方程的参数。结果表明H-K模型能较好地模拟实验结果。在实际工程中可通过支护增加围压以提高围岩屈服强度,也可根据实际工程中泥岩蠕变的变化趋势确定合理的二次支护时间,避免流变破坏的发生。     

卸围压法测量岩石材料的泊松比

对岩样三轴加载后保持轴向变形、降低围压的试验，可以提供轴压随围压的变化曲线，从而依据弹性本构关系确定岩石材料的泊松比。这不仅方便准确，也更符合工程实际     

含水状态对石英砂岩单轴分级蠕变性能影响研究

为研究含水状态对深埋岩体开挖卸荷后蠕变力学行为的影响,对干燥状态与饱和含水状态石英砂岩开展单轴分级加载蠕变试验,同时结合声发射技术进行实时监测。结果表明:随着含水率的增加,岩石蠕变失效强度降低,其宏观特征由剪切破坏过渡为劈裂破坏;水的存在对岩石的瞬时弹性应变和蠕变应变均抑制明显,试件含水饱和后蠕变增量和相应的稳态蠕变速率均明显降低。通过Levenberg-Marquarat算法对蠕变曲线进行拟合和参数辨识,证明Burgers蠕变力学模型能较好表述石英砂岩蠕变特性;试件含水饱和后弹性系数E_1、E_2和粘性系数η_1、η_2降低,岩石粘滞性增强,损伤硬化特征明显;试件含水饱和后加载瞬间与蠕变阶段声发射事件能率降低,内部微裂纹演化进程减慢。通过对比分析发现,稳态蠕变阶段声发射事件能率与蠕变速率的演化趋势较一致。试验研究结果可以为工程岩体破裂失稳的预测和防治提供一定的理论参考。     

分级加卸载硬岩短时蠕变特性实验研究

由单向抗压强度实验及8级加卸载短时蠕变实验,得到蠕变下限为27MPa的细砂岩试样典型的坚硬岩石脆性断裂特征.应力-应变等时曲线线性回归函数的相关系数均高于0.92,长期强度与瞬时强度之比达94.39%,证明细砂岩试样的整体蠕变特性不强.应力-轴向应变等时曲线线性回归函数的平均相关系数高出应力-径向应变等时曲线线性回归函数的平均相关系数3.92%,因此其轴向非线性蠕变特性相对于径向非线性蠕变特性更弱.随着时间延续,细砂岩试样的非线性蠕变特性总体服从负Gauss分布规律,具有明显的时间效应.随加载应力水平的提高,应力-轴向应变等时曲线和应力-径向应变等时曲线线性拟合函数的平均相关系数下降幅度分别为0.97%和0.67%,线性相关性普遍降低.所以细砂岩试样的非线性蠕变程度随加载应力水平的提高而提高,载荷效应明显.     

EXPERIMENTAL RESEARCH ON FAILURE AND ENERGY DISSIPATION CHRACTERISTICS OF THE SANDSTONE1)

通过三轴卸荷试验,探究了不同路径下卸荷速率对砂岩力学特性及破坏过程中的能量耗散的影响。试验结果表明在全过程应力-应变曲线的弹性阶段,轴向变形起主导作用,弹塑性阶段,环向应变的增加值大于轴向应变增加值。在围压卸荷阶段,卸荷速率越小,卸荷阶段的应变折合柔度越大,此时岩样的变形不充分,呈现明显的脆性破坏。恒主应力差路径下的耗散能大于恒轴压路径下的耗散能的35%,卸荷速率越大,岩样的弹性应变能越小。     

砂岩峰后卸除围压过程的渗透性试验研究

为了探讨煤层开采引起的围岩卸除围压过程中砂岩渗透性的变化规律,本文用数控瞬态渗透法在电液伺服岩石力学试验系统MTS815.02上进行了砂岩试样的渗透特性试验。得出了试样峰前渗透系数-应变与应力-应变的关系曲线,以及在峰后保持轴向应变一定卸除围压过程中试样的渗透系数-围压与主应力差-围压的关系曲线;对试验砂岩在变形破坏过程中渗透性变化规律进行了总结,重点分析了其峰后卸除围压过程中渗透性的变化规律;并对试验砂岩峰后渗透系数与有效围压关系进行了拟合,得出了拟合方程式,为煤层开采引起的围岩体应力场与渗流场耦合问题提供参考。     

含水率和围压对安家岭泥岩峰后力学特性影响的试验研究

为分析含水率和围压对泥岩峰后力学特性的影响,从山西安家岭矿取泥岩,制成不同含水率的5组试样,在YAW2000电液伺服试验机上开展了三轴试验,获得了不同含水率泥岩试样三轴全程应力应变曲线,使用激光共聚焦显微镜观测了泥岩增水过程中微观结构变化。利用试验结果,分析了围压和含水率对泥岩峰值强度、残余强度、弹性模量、破坏应变和脆性模量的影响规律和泥岩增水过程中微观结构的变化规律。引入脆性模量系数和强度退化指数来描述围压对泥岩峰后强度退化过程和残余强度的影响,与FLAC中的SS模型结合,建立了考虑围压影响的泥岩应变软化力学模型,模拟了围压对泥岩应变软化行为的影响。研究结果表明:(1)随着围压增加,泥岩的峰值强度、偏应力峰值、破坏应变和残余强度都增长,峰后强度降低速率趋缓,强度退化指数和脆性模量系数可以较好地描述围压对泥岩残余强度和峰后强度退化过程的影响。(2)泥岩增水过程中,岩样内微裂隙及尺寸增长,泥岩的力学性质劣化。随着含水率增加,泥岩的弹性模量、峰值强度和残余强度降低,破坏应变增长。含水率与泥岩的弹性模量、峰值强度和破坏应变之间近似服从线性关系。(3)本文基于脆性模量系数的岩石应变软化模型能较好地描述三轴压缩泥岩的全程变形行为。     

一种新的岩石非线性黏弹塑性蠕变模型研究

为了克服传统元件组合模型不能描述岩石蠕变过程中非线性特征的缺陷，首先根据加速蠕变阶段的应变和应变率随蠕变时间急剧增大的特点，建立黏塑性应变与蠕变时间的指数函数关系并提出非线性黏塑性体．将该非线性黏塑性体与广义Burgers蠕变模型串联，建立可以描述岩石全蠕变过程的非线性黏弹塑性蠕变模型，根据叠加原理得到一维应力状态下的轴向蠕变方程．然后基于塑性力学理论指出岩石三维蠕变本构方程建立过程中的不足之处，并给出非线性黏弹塑性蠕变模型合理的三维蠕变方程．最后采用不同应力水平下砂岩轴向蠕变试验对模型合理性进行验证，结果表明：拟合曲线与试验曲线吻合度较高，所建蠕变模型能够很好地描述砂岩在不同应力水平下的蠕变变形规律，尤其对加速蠕变阶段的非线性特征描述效果很好，验证了模型的合理性．     

动力荷载对围压卸载下岩石动态变形模量的影响

利用SHPB岩石动静组合加载实验系统，研究在不同轴压水平下围压以1 MPa/s速率卸载至预加值50%时矽卡岩受频繁冲击作用的动态变形模量变化规律。实验结果表明:高轴压促使岩石内部微裂纹萌发与扩展，降低了岩石抵抗外部冲击的能力。围压的侧向约束阻碍岩石内部裂纹的横向扩展，但在围压卸载时会加剧岩石内部的损伤，这是由于高轴压下，围压卸载导致岩石内部应力重新分布。轴压与围压卸载共同影响着冲击作用下的岩石动态变形模量，通过岩样在冲击荷载下的能量耗散分析岩石动态变形模量的变化规律，有助于了解深部岩体开挖的破坏机制。     

卸荷条件下粉质粘土变形性状研究

通过室内应力控制的三轴试验研究卸荷条件下土体的应力-应变关系和孔隙水压力变化特征,得到变形模量的确定方法。研究表明:在初始偏压应力固结条件下,无论是轴向压力保持不变而侧向压力不断卸荷,还是轴向压力和侧向压力同时卸荷,其应力-应变关系均表现为较好的双曲线函数关系。而且,侧向固结压力愈大,强度值愈大。在卸荷过程中,随剪切应力的增大和剪切应变的发展,土样呈现剪胀趋势并在后期产生较大的负孔隙水压力。不排水条件下由于负孔隙水压力的存在,土样的表观强度略有增大。     

软化Mohr-Coulomb材料强度参数的测定方法

为了得到试件的粘聚力和内摩擦角随轴向塑性压应变变化的曲线提出本方法。试件的弹塑性本构关系遵循相关联的Mohr-Coulomb强度准则;对常规三轴试验,试件受力进入塑性状态后,处在棱椎状屈服面的棱上,加载过程遵循Koiter流动法则。按经典塑性力学理论,推导得到轴向塑性压应变与轴向应力与轴向应变的关系;在常规三轴试验机上获得不同围压下试件的全程应力-应变曲线,进而可得到各自围压下轴向塑性压应变随加载过程的变化曲线;把来自不同围压下对应同一轴向塑性压应变的应力分别代入屈服面方程,即可求得对应的粘聚力和内摩擦角。结果表明,Mohr-Coulomb材料的两个强度参数的变化由轴向塑性压应变确定。轴向塑性压应变可以作为塑性变形的状态参数,它和试件的受力过程可以唯一确定试件的变形过程。