化学腐蚀后砂岩三轴压缩力学特性及其能量机制的试验研究

为研究不同化学溶液对砂岩力学性质及能量特征的影响,采用不同的水化学溶液对砂岩试样进行腐蚀,利用WDT-1500多功能材料试验机对化学腐蚀后饱和状态与自然状态的试样进行常规三轴压缩试验。试验结果表明:化学腐蚀后砂岩试样的强度及其抗变形能力呈现不同程度的劣化;化学腐蚀后砂岩试样的峰值应变小于相同围压下自然状态试样的峰值应变,与单轴压缩条件下不同,这可能是由于围压和化学溶液共同作用的结果;砂岩试样的似软化系数与围压之间呈现负相关性,同时,其降低速率随着围压的增加而降低。砂岩试样峰值前吸收的能量绝大部分是以可释放弹性应变能Ue形式储存下来的,而化学腐蚀后砂岩试样以Ue形式储存下来的能量占其总吸收应变能的百分比却有所下降;同时,围压与试样的可释放应变能/应变能比值之间呈负相关性,而与耗散能/应变能比值存在正相关性;岩石脆性指标修正值呈现不同程度的增加,试样的脆性减弱延性增强,即塑性变形增加,塑性变形与耗散能之间具有很好的线性特征。溶液的pH值、浓度和化学成分对砂岩试样峰值处各部分应变能的影响显著。     

花岗岩的加载速率效应及能量机制研究

加载速率对岩石的力学性质以及变形破坏方式具有重要的影响。基于MTS810电液伺服材料试验系统与PCI-2声发射仪对岩样进行不同加载速率作用下的单轴压缩和声发射试验。研究结果表明：（1）在各级加载速率作用下,岩样单轴压缩应力-应变曲线大致经历了压密、弹性、屈服、破坏四个阶段。岩样峰后曲线在加载速率为0.001~0.01 mm/s时出现台阶型分段跌落状,在加载速率为0.01~0.1 mm/s时呈现光滑、陡峭的连续曲线。（2）岩样峰值强度、弹性模量随加载速率的增加而增大,与加载速率对数均呈现三次多项式拟合关系。峰值应变随加载速率的增加而减小,与加载速率对数呈现线性拟合关系。（3）随着加载速率由0.001mm/s增加至0.1mm/s,岩样吸收的总应变能 具有波动性,可释放的弹性应变能 增幅60.42%,耗散应变能 降幅 66.38%, 增幅43.33%, 降幅66.67%,岩样破裂模式由拉剪破坏逐渐向张拉劈裂破坏过渡,岩样破裂块数增多。（4）加载速率为0.001~0.1 mm/s时,岩样破坏方式有所不同,但破坏为同一类损伤过程。单轴压缩状态下,能量耗散使得岩样损伤致使强度丧失,而能量释放使得岩样宏观破裂面贯通,并向着能量释放的方向张裂或弹射破坏。     

基于巴西劈裂法的饱水煤样能量耗散特征研究

为研究饱水煤样拉伸破坏过程中的能量耗散规律,利用RMT-150B岩石力学实验系统对赵固二矿二1煤层煤样在自然和饱水状态下进行巴西圆盘劈裂实验,探讨了自然与饱水状态下煤样的应力、强度及能量变化。结果表明:巴西劈裂实验时,加载过程应力-时间关系与实验控制方式有关。采用载荷控制方式时,峰值前拉应力与时间呈良好线性关系,达到峰值时应力瞬间跌落为零,表现出明显脆性破坏特征;采用变形控制方式时峰值前拉应力与时间呈非线性关系,峰值后出现分次破坏特征;采用两种控制方式在巴西圆盘劈裂实验破坏前没有本质区别;两种状态下不同层位煤样抗拉强度和峰值能率存在差异,自然状态下层位煤样抗拉强度较高(1.80MPa),中层位煤样抗拉强度较低(1.23MPa),上层位煤样抗拉强度介于两者之间(1.52MPa),饱水后上中下层位煤样的抗拉强度和峰值能率均有不同程度降低,抗拉强度平均软化系数分别为0.65,0.61和0.61,平均峰值能率降幅为36.0%,56.1%和40.6%;两种状态下煤样抗拉强度与峰值能率大致呈线性关系,表明抗拉强度越高的煤样,能量耗散越少,煤样抗拉强度越低,能量耗散越多。     

干燥和饱水砂岩孔隙度对应力波能耗的影响

为探讨应力波穿越干燥、饱水砂岩时孔隙度对能耗的影响规律,开展了孔隙砂岩的SHPB试验,并采用核磁共振分析了SHPB试验前后孔隙的变化特征。结果表明:(1)砂岩冲击试验前后T2谱波峰数没变,但对应小孔径孔隙的波峰峰值有所增加。这说明,砂岩结构内部仍停留在微裂纹形成阶段,应力波能量仅能够促使新的微裂纹形成,而不足以撕裂扩展孔隙使其孔径更大。(2)相同孔隙度时,饱水砂岩比干燥砂岩能耗小;随着孔隙度增加,前者能耗相应减小,后者能耗反而增加。这一现象可分别解释如下:(a)由断裂力学理论可知,水的表面张力和Stefan效应使裂纹扩展受到很大阻力,因而,相对干燥砂岩,相同孔隙度的饱水砂岩更难产生新表面耗散应力波能量。(b)冲击加载时饱水砂岩处于不排水状态,饱水砂岩变形可近似等于砂岩和水的压缩变形之和。由于水比砂岩压缩变形小,随着孔隙度增大,即含水量增加,饱水砂岩变形量减小,出现塑性变形和新裂纹的概率减小,能耗值也随之减小。(c)随着孔隙度增大,干燥砂岩的动态强度相应降低,加载时更易出现新裂纹以表面能形式耗散应力波能量,因而孔隙度越大则能耗越大。     

不同围压下C60混凝土三轴压缩过程能量分析

针对复杂应力状态下高强混凝土受压变形破坏过程中的能量演化机制问题,开展不同围压下C60高强混凝土试样三轴压缩试验,分析其在受力全过程中的变形与破坏特征。根据试验结果,探究了不同围压下高强混凝土三轴压缩过程能量演化机制。研究结果表明:围压越大,混凝土试样破坏时,其峰值应力与峰值应力对应的轴向应变越大,破坏形式由张拉破坏向剪切破坏过渡;峰值应力前,混凝土试样主要以弹性应变能储存为主,峰值应力对应的输入能密度和耗散能密度均随围压的增大而增大,且均与围压满足指数函数关系,其形状改变系数FX与轴向应力呈正比关系,体积改变系数FV与轴向应力呈反比关系;达到峰值应力时,体积改变系数FV小于形状改变系数FX;峰值应力后,主要以弹性应变能释放为主,并随着混凝土试样的破坏转化为各种形式的能量耗散。研究结果可为今后从能量角度研究高强混凝土本构关系提供有益参考。     

加载速率影响的单裂隙类岩石试样能量演化规律

为了研究加载速率对单裂隙类岩石试样破坏过程中能量演化进程的影响规律,分析裂隙类岩石试样在不同加载速率下的能量响应特征,以预埋金属薄片方法制作的裂隙类岩石试件为研究对象,基于RMT-150B对单裂隙类岩石试样进行四级加载速率下的单轴压缩试验,获得四级加载速率下裂隙类岩石试样力学性能。试验结果表明:单裂隙类岩石试样峰值强度与加载速率呈正相关性,但增长速率随加载速率的增加而减小;当加载速度不断增大时,峰值处试样弹性应变能积聚能力增强,但是耗散应变能随加载速率的增大而逐渐减小;裂隙试样在峰值后会累积弹性应变能,但其积聚能力随加载速率的增大而有所削弱;裂隙试样耗散应变能转化速率在峰值前处于较低水平,在峰值后伴随宏观破裂面的贯通而骤增,表明单裂隙类岩石试样内部能量演化进程与其破坏规律之间具有内在联系。     

花岗岩破坏过程能量演化机制与能量屈服准则

为了明确岩石破坏的能量演化特性，结合单轴实验和颗粒流程序获得花岗岩的细观力学参数，进行不同应力状态的花岗岩实验，研究不同围压下花岗岩破坏过程的能量演化机理并推导能量屈服准则。获得以下主要结论:花岗岩破坏过程中低围压下内部损伤出现较早而高围压较晚，表明低围压花岗岩内部损伤是渐进发展过程，而高围压下内部损伤一旦出现便快速发展破坏；高围压花岗岩峰值前一定应变范围弹性应变能基本保持不变，吸收的能量全部转化为耗散能，表明高围压破坏时花岗岩内部损伤程度严重；弹性应变能经历不断积累并达到弹性储能极限而后减小的变化过程，而弹性储能极限与围压之间存在线性变化规律，因此高围压下岩体开挖卸荷时极易诱发大量弹性应变能的急剧释放，引起围岩失稳甚至发生岩爆；花岗岩峰值破坏时的能量比与围压无关，为一定值；基于能量原理导出了能量屈服准则，该准则包含岩性参数和所有主应力，能够综合反映岩石破坏影响因素。     

矩形巷道围岩弹性变形能积聚特征分析

煤矿冲击地压主要发生在巷道中,其主要原因之一是巷道围岩积聚了大量的弹性能。为得出矩形巷道围岩弹性变形能积聚特征,降低巷道支护成本,推导了巷道冲击破坏失稳能量准则,并建立了矩形巷道围岩能量积聚计算模型,理论分析了采深、巷道断面尺寸和煤层厚度对矩形巷道围岩能量积聚影响规律,得出:矩形巷道积聚的弹性能随采深的增加而增大,采深越深,巷道积聚的弹性能增长速率越快。巷道围岩积聚能量随巷道断面尺寸增加而增大。当煤层厚度小于巷道影响范围时,巷道积聚能量随煤层厚度增加而增大。在实际工程中,尽可能减小巷道断面尺寸,尽可能沿顶、底板布置巷道。研究结果为冲击地压巷道布置和降低巷道支护成本提供了理论依据。     

ANALYSIS OF ACCUMULATION CHARACTERISTICS OF ELASTIC DEFORMATION ENERGY OF SURROUNDING ROCK IN RECTANGULAR ROADWAY1)

煤矿冲击地压主要发生在巷道中,其主要原因之一是巷道围岩积聚了大量的弹性能。为得出矩形巷道围岩弹性变形能积聚特征,降低巷道支护成本,推导了巷道冲击破坏失稳能量准则,并建立了矩形巷道围岩能量积聚计算模型,理论分析了采深、巷道断面尺寸和煤层厚度对矩形巷道围岩能量积聚影响规律,得出：矩形巷道积聚的弹性能随采深的增加而增大,采深越深,巷道积聚的弹性能增长速率越快。巷道围岩积聚能量随巷道断面尺寸增加而增大。当煤层厚度小于巷道影响范围时,巷道积聚能量随煤层厚度增加而增大。在实际工程中,尽可能减小巷道断面尺寸,尽可能沿顶、底板布置巷道。研究结果为冲击地压巷道布置和降低巷道支护成本提供了理论依据。     

单轴荷载下饱水岩石静态和动态抗压强度的细观力学分析

由于单轴荷载下饱水岩石的动态力学特性与静态力学特性存在很大差异,从宏观上进行力学分析 存在局限性。根据岩石受压全应力应变曲线的细观机制,分析了静态及动态单轴荷载条件下孔隙水影响饱水 岩石裂纹扩展的情况。在静态单轴压缩条件下,初始裂隙受压使自由水产生孔隙水压力,自由水对翼裂纹有 向外挤压的应力,促进裂纹扩展。在动态单轴压缩条件下,自由水会产生粘结力,抑制裂纹扩展。根据翼裂纹 受压扩展原理,推导出饱水单轴条件下动态抗压强度、静态抗压强度的计算公式,在相同断裂韧度下,饱水岩 石静态抗压强度风干岩石静态抗压强度饱水岩石动态抗压强度。对自然风干和饱水砂岩进行单轴静态、 动态压缩实验,结果与理论模型的结果相符。     

水分及冻融循环对红砂岩物理力学特性的影响

将干燥红砂岩进行饱水及开放系统下的冻融循环实验,并对干燥、饱水及经历一定冻融次数后的试样进行单轴压缩实验,系统地研究了红砂岩的遇水软化性及冻融损伤劣化特性,分析了岩石的弹性模量、强度、应力-应变关系的变化规律。结果表明：在水分的作用下,红砂岩的弹性模量及强度显著降低,且强度受水分影响引起的损伤较弹性模量大;水分及软弱结构面的存在促进了岩石的冻融损伤劣化,并伴随着岩石延脆性性质的改变,最终在冻融循环的作用下完全崩解;在寒区岩体工程设计和施工过程中,必须考虑水分和温度对工程稳定性的影响,采取加强防排水及隔热保温技术等综合防治措施减少冻融灾害。     

冻融环境下红砂岩力学特性试验及损伤分析

将实验研究与损伤力学理论分析相结合,对红砂岩进行饱水状态下的冻融循环试验及不同冻融次数下的力学特性试验,分析了岩石的冻融损伤劣化过程,系统研究了岩石的变形破坏规律及损伤扩展力学特性.研究表明:红砂岩呈现出剥落和断裂的冻融损伤劣化模式;随着冻融次数的增加,岩石的强度及弹性模量急剧降低,并表现出压密性增大、弹性减弱、塑性增强的特征;岩石初始细观结构的缺陷经过损伤的非线性演化,表现出宏观力学性能的劣化.     

砂岩脆性变形破坏过程中声发射信息试验研究

针对砂岩试样进行了单轴刚性加载试验,并测试整个过程的声发射信息。根据试验情况,可将砂岩在整个变形阶段的声发射信号特征划分为压密、弹性、稳定破裂、非稳定破裂和峰后情况五个阶段。通过对稳定破裂和非稳定破裂分界点对应的临界点处的应力和应变值与峰值应力及其对应的应变比值分析发现,大部分应变比在74%与78%之间;应力比则相对具有较大的离散性,均值在73%左右。上述研究,通过对砂岩脆性破坏过程中声发射信息与应力比和应变比之间的关系分析,增进了对岩石破裂过程中生发现象的认识,为相应岩石脆性破坏导致的地质灾害分析提供了新的研究思路。     

基于岩石蠕变及D-P准则的深部巷道围岩弹塑性分析

为深入分析岩石蠕变及中间主应力对深部高应力软岩巷道围岩稳定性及分区变形特性的影响机理, 通过剖析长期荷载作用下深部巷道围岩的变形特征, 揭示了基于围岩蠕变特性的深部巷道围岩四分区变形机理, 并依据Druck-Prager准则及关联性流动法则考虑了中间主应力、岩体扩容及应变软化的影响, 推导出巷道围岩各分区应力、变形和半径解析解. 结合工程算例, 通过对现场监测数据以及不同力学模型的计算结果进行对比分析, 论证了本文理论的科学性, 并揭示了不同强度准则和围岩参数对深部巷道围岩各分区形态的影响规律. 结果表明, 忽视深部巷道围岩的蠕变特性将导致初始黏聚力的取值大于实际值, 从而造成围岩的理论承载能力大于实际承载能力; 在[0, 0.7]区间内提高中间主应力系数可有效控制围岩塑性区及破碎区范围的扩展; 当初始黏聚力及内摩擦角减小时, 中间主应力系数对围岩塑性区、破碎区范围及巷道变形的影响力显著提高. 研究成果可为地下工程支护设计及围岩稳定性评估提供理论参考.      

MECHANISM AND CATASTROPHE THEORY ANALYSIS OF CIRCULAR TUNNEL ROCKBURST

Mechanism of circular tunnel rockburst is that, when the carrying capacity of the centralized zone of plastic deformation in limiting state reduces, the comparatively intact part in rock mass unloads by way of elasticity; rockburst occurs immediately when the elastic energy released by the comparatively intact part exceeds the energy dissipated by plastic deformation. The equivalent strain was taken as a state variable to establish a catastrophe model of tunnel rockburst, and the computation expression of the earthquake energy released by tunnel rockburst was given. The analysis shows that, the conditions of rockburst occurrence are relative to rock's ratio of elastic modulus to descendent modulus and crack growth degree of rocks; to rock mass with specific rockburst tendency, there exists a corresponding critical depth of softened zone, and rockburst occurs when the depth of softened zone reaches.     

深部岩体圆形巷道围岩松动圈形成机理数值试验研究

采用损伤力学和统计理论的单元本构模型,探讨深部岩体巷道围岩破坏规律, 利用岩石破裂过程分析软件RFPA$^{\rm 2D}$, 对深部 岩体中的圆形巷道的变形及非线性渐进破坏特征、巷道周边关键部位的位移和应力变化进行 了分析,研究了圆形巷道围岩松动圈的形成机理. 研究表明：巷道开挖后,其周边形成应力 集中带,随着围岩压力的持续作用,巷道周边产生塑性变形区,并沿径向形成裂纹;随着裂 纹的不断扩展,巷道周边出现松动破裂区,即松动圈. 产生破裂区后,应力集中程度减弱, 应力高峰点向远处转移.