轴、侧向同卸荷下砂岩力学特性影响的试验研究

本文以实际岩体工程为背景,利用WDT-1500 仪器开展了轴向、侧向同时卸荷条件下砂岩的三轴试验. 结果表明:轴、侧向同卸荷这种卸荷路径下,砂岩试样破坏时并没有出现应力峰值,为了定义试样的破坏强度,将最大与最小主应力差随最小主应力的变化关系曲线上应力跌落的拐点处的应力值定义为破坏强度. 砂岩变形初始段发生应力跌落和轴向应变回弹,破坏前无明显的弹性和屈服阶段;试验的过程中,砂岩的侧向变形明显大于轴向变形,其体积应变一直处于膨胀状态;相对于砂岩的常规三轴试验结果,试样破坏时的强度在轴向、侧向同时卸荷条件下有所降低. 初始轴压和初始围压对试样的力学特征有十分显著的影响,但围压的卸荷速率却并不显著. 砂岩的破坏特征主要是以张-拉为主的混合张剪的破坏.      

频繁动力扰动对围压卸载中高储能岩体的动力学影响

基于冬瓜山铜矿深部巷道围岩开挖过程中面临的高应力和频繁爆破扰动问题,利用改进的SHPB动静组合加载系统,开展了频繁动力扰动对围压卸载中高储能岩体动力学影响的研究。研究结果表明,围压卸载中的矽卡岩受到动力扰动时,其动态峰值应力和弹性模量随动力扰动次数非线性变化。围压卸载中的高储能矽卡岩受到动力扰动时会释放能量。轴压促使岩样内微裂隙轴向发育,造成岩样抵抗动力扰动能力减弱;围压减缓岩样内微裂隙轴向发育,造成岩样抵抗动力扰动能力增强。动力扰动对微裂隙扩展有促进作用,使围压卸载中的岩样由拉伸破坏向剪切破坏转变。     

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。     

分级加载条件下紫色泥岩三轴蠕变特性研究

流变性质是岩石材料的重要力学特性,以紫色泥岩为例,在分级加载条件下研究了其三轴蠕变特性。采用自行研制的重力杠杆式岩石蠕变实验机,并配备三轴压力室,对紫色泥岩实施分级加载三轴蠕变实验。实验结果表明,紫色泥岩在相同轴压条件下,围压越大,瞬时弹性变形和蠕变变形越小;在相同围压条件下,轴压越大,二者变形越大。紫色泥岩的蠕变速率具有相同的变化趋势,且在相同轴压条件下,围压越大,稳定蠕变阶段的蠕变速率越不明显。另外,应力与瞬时应变线性拟合结果表明,瞬时轴向应变与轴向荷载近似成比例增长。通过分析紫色泥岩蠕变曲线变化趋势,认为采用H/M模型进行模拟较为合理。并且采用MATLAB软件非线性回归分析进行模型参数拟合,最后得到实验曲线与理论曲线的最大误差在2e-5左右。证明采用的H/M模型能较好地描述紫色泥岩的蠕变特性。     

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。     

饱水对煤层顶板砂岩单轴压缩破坏能量影响的分析

为研究饱水对砂岩力学参数和能量特征的影响,利用RMT-150B岩石力学系统对煤层顶板砂岩自然和饱水试样进行单轴压缩试验。试验结果表明:饱水对砂岩试样的强度和变形参数均有不同程度的影响,软化系数为0.79,弹性模量降幅为5.25%,变形模量降幅为5.92%;饱水后砂岩试样峰值前吸收能量、可释放弹性能和耗散能均有不同程度降低,吸收能量降幅36.8%,可释放弹性能降幅为34.4%,耗散能降幅为57.7%;饱水后砂岩储蓄能量的能力有较大减弱,脆性减弱,塑性明显增强;饱水砂岩试样压缩过程中积蓄可释放能难以使试样滑移破坏,仍需要吸收部分能量使试样逐步失稳破坏;饱水对砂岩试样压缩过程吸收能量、可释放能量比例关系的影响较小,而对耗散能比例关系的影响较大;自然状态下砂岩试样峰值前相同应变条件下吸收能量、可释放能均明显高于饱水试样对应能量值;深部巷道位置确定和支护设计时应充分考虑水对巷道围岩弱化的影响,对于完整坚硬围岩采用高压注水软化可有效防止冲击地压发生和减缓灾害程度。     

重组竹顺纹冲击力学性能研究

重组竹是一种新型竹基复合材料,其力学性能优于落叶松等木材。为评价重组竹在动态加载下的顺纹抗冲击力学性能,以密度1.06 g/cm3、含水率8.52%、龄期3～5年的毛竹基重组竹为研究对象,通过准静态单轴压缩和循环加卸载以及动态加载实验,研究了重组竹加载变形过程、各项力学性能指标以及对应变率的敏感性。结果表明:重组竹顺纹压缩过程可以分为弹性变形和弹塑性变形阶段,破坏类型为延性破坏,其各项强度指标随应变率的提高而提高,动态增长因子与应变率之间呈现线性关系,斜率为0.0024;重组竹压缩过程中的应变比能与应变之间呈线性关系,且随应变率的增长而增大,证明其吸能能力随着应变率的增大而提高。实验结果证明,重组竹顺纹具有良好的抗冲击力学性能和显著的应变率效应。     

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。     

Mathematical model of creep for a microinhomogeneous nonlinearly elastic material

A mathematical model is proposed to describe the experimentally observed creep effect on the instantaneous elastic deformation of physically nonlinear elastic microinhomogeneous materials. Using a structural model of the medium, it is shown that, during unloading of a sample after creep at constant stress, the elastic strain can be both larger and smaller than the elastic strain during loading. It is shown that calculation results for a biocomposite material are in good agreement with experimental data. __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 49, No. 3, pp. 157–163, May–June, 2008.     

冲击速度和轴向静载对红砂岩破碎及能耗的影响

地下岩体工程爆破开挖中,距爆源不同距离处岩体承受的地应力和动载荷大小不同,从动载荷的角度表征岩石动态破坏结果与工程实际更吻合。为研究动载荷和地应力大小对岩体破碎和能量耗散特性的影响,利用动静组合加载试验装置,分别设置7个冲击速度和轴向静应力等级,对红砂岩试件进行冲击试验。根据试件的破碎状况,分析不同静应力工况下冲击速度对岩石破坏模式和机理的影响。计算不同工况下的应力波能量值,研究冲击速度和轴向静应力对岩石能耗特性的影响。对破坏试件进行筛分试验,研究岩石破碎分形维数随冲击速度和轴向静应力的变化关系。结果表明,随着冲击速度的增大,试件的破坏程度逐渐加大。无轴压时岩石试件破坏后整体仍是一个圆柱体,属于张拉破坏;有轴压时岩石试件宏观破坏后呈沙漏状,属于拉剪破坏。岩石耗散能随冲击速度的升高呈二次函数关系递增;轴向静应力越高,递增幅度越小。随着冲击速度的升高,岩石分形维数由零逐渐增加;随着轴向静应力的升高,分形维数由零转为大于零的临界冲击速度先升高后降低。     

Experimental Investigation on Mechanical Behavior of Coarse Marble Under Six Different Loading Paths

A series of triaxial compression experiments were preformed for the coarse marble samples under different loading paths by the rock mechanics servo-controlled testing system. Based on the experimental results of complete stress-strain curves, the influence of loading path on the strength and deformation failure behavior of coarse marble is made a detailed analysis. Three loading paths (Paths I–III) are put forward to confirm the strength parameters (cohesion and internal friction angle) of coarse marble in accordance with linear Mohr-Coulomb criterion. Compared among the strength parameters, two loading paths (i.e. Path II by stepping up the confining pressure and Path III by reducing the confining pressure after peak strength) are suggested to confirm the triaxial strengths of rock under different confining pressures by only one sample, which is very applicable for a kind of rock that has obvious plastic and ductile deformation behavior (e.g. marble, chalk, mudstone, etc.). In order to investigate re-fracture mechanical behavior of rock material, three loading paths (Paths IV–VI) are also put forward for flawed coarse marble. The peak strength and deformation failure mode of flawed coarse marble are found depending on the loading paths (Paths IV–VI). Under lower confining pressures, the peak strength and Young’s modulus of damage sample (compressed until post-peak stress under higher confining pressure) are all lower compared with that of flawed sample; moreover mechanical parameter of damage sample is lower for the larger compressed post-peak plastic deformation of coarse marble. However under higher confining pressures (e.g. σ ₃?=?30 MPa), the axial supporting capacity and elastic modulus of damage coarse marble (compressed until post-peak stress under lower confining pressure) is not related to the loading path, while the deformation modulus and peak strain of damage sample depend on the difference of initial confining pressure and post-peak plastic deformation. The friction among crystal grains determines the strength behavior of flawed coarse marble under various loading paths. In the end, the effect of loading path on failure mode of intact and flawed coarse marble is also investigated. The present research provides increased understanding of the fundamental nature of rock failure under different loading paths.     

动静组合加载下岩石破坏的声发射实验

在霍普金森(SHPB)实验系统上进行了动静组合加载下岩石破坏的声发射实验,获得了动静组合加载下花岗岩声发射能量的变化规律。结果表明,动静组合加载下声发射能量规律呈现出2种明显不同的特征:I型,声发射峰值能量之后,能量迅速衰减,到加载末期,能量出现一定的回升,产生了拐点;II型,声发射峰值能量之后,能量衰减相对I型较慢,且不出现拐点。分别讨论了轴向静载和动载应变率对声发射能量的影响:声发射峰值能量随轴向静载增大而减小;当轴向静载位于岩石弹性段时,峰前声发射能量随静载缓慢增大,当轴向静载超过弹性段时,峰前声发射能量随轴向静载增大而急剧增大;声发射峰值能量和峰前能量均随动载应变率增大而减小。本研究对于重新寻求动静组合加载下岩石破坏的声发射前兆规律具有理论和实践意义。 更多还原     

高应力岩体爆破卸荷过程中应变率及应变能特征

针对高应力岩体爆破开挖卸载问题,自制了一台轴向加、卸载实验测试平台,通过实验测试获得了爆破卸荷过程中岩杆的动态应变及应变率数据。实测数据表明:开挖面附近岩体的爆破加、卸载以及初始应力卸载应变率均在10?1 s?1量级以上,验证了高地应力区岩体爆破开挖卸荷是一动态过程。建立了初始应力卸载一维力学模型,揭示了卸载波的传播机制;通过分析爆破卸荷过程应变能密度的时空分布特征,建立了应变能密度与各阶段应变率变化规律的联系。结合实测数据,采用隐式-显式顺序求解方法,进一步分析了高应力区岩体爆破卸荷荷载各阶段应变率沿岩杆的变化规律。结果表明:爆破加载阶段的平均应变率沿杆件逐渐衰减,且衰减速度逐渐减小;爆破卸阶段平均应变率沿杆件也呈衰减趋势;而初始应力的应变能稳定释放,其平均应变率无衰减趋势。     

Erratum to: Experimental Investigation on Mechanical Behavior of Coarse Marble Under Six Different Loading Paths

A series of triaxial compression experiments were preformed for the coarse marble samples under different loading paths by the rock mechanics servo-controlled testing system. Based on the experimental results of complete stress-strain curves, the influence of loading path on the strength and deformation failure behavior of coarse marble is made a detailed analysis. Three loading paths (Paths I–III) are put forward to confirm the strength parameters (cohesion and internal friction angle) of coarse marble in accordance with linear Mohr-Coulomb criterion. Compared among the strength parameters, two loading paths (i.e. Path II by stepping up the confining pressure and Path III by reducing the confining pressure after peak strength) are suggested to confirm the triaxial strengths of rock under different confining pressures by only one sample, which is very applicable for a kind of rock that has obvious plastic and ductile deformation behavior (e.g. marble, chalk, mudstone, etc.). In order to investigate re-fracture mechanical behavior of rock material, three loading paths (Paths IV–VI) are also put forward for flawed coarse marble. The peak strength and deformation failure mode of flawed coarse marble are found depending on the loading paths (Paths IV–VI). Under lower confining pressures, the peak strength and Young’s modulus of damage sample (compressed until post-peak stress under higher confining pressure) are all lower compared with that of flawed sample; moreover mechanical parameter of damage sample is lower for the larger compressed post-peak plastic deformation of coarse marble. However under higher confining pressures (e.g. σ ₃ = 30 MPa), the axial supporting capacity and elastic modulus of damage coarse marble (compressed until post-peak stress under lower confining pressure) is not related to the loading path, while the deformation modulus and peak strain of damage sample depend on the difference of initial confining pressure and post-peak plastic deformation. The friction among crystal grains determines the strength behavior of flawed coarse marble under various loading paths. In the end, the effect of loading path on failure mode of intact and flawed coarse marble is also investigated. The present research provides increased understanding of the fundamental nature of rock failure under different loading paths.     

不同应变率下煤岩破坏特征及其本构模型

利用直径50 mm的分离式霍普金森压杆,对煤岩展开20～100 s?1动态应变率下的单轴冲击压缩试验,结合高速摄影分析其变形破坏特征,并建立基于Weibull统计分布和Drucker-Prager破坏准则的煤岩动态强度型统计损伤本构模型。试验结果表明:（1）煤岩动态应力-应变曲线存在明显的非线性特征,随应变率升高,动态抗压强度与弹性模量均呈线性增长且增幅显著,破坏形态由低应变率下的轴向劈裂破坏向高应变率下的压碎破坏过渡;（2）在动态应变率20～100 s?1下,煤岩破坏后碎块具有明显的分形特性,破碎块度分维值为1.9～2.2,且随着应变率的升高,煤岩破碎程度增大,碎块块度减小;（3）基于Weibull分布参数F₀、m和应变率的关系,修正煤岩的本构模型,并与试验结果进行对比,验证该模型的合理性。     

考虑裂隙间相互作用情况下围压卸荷过程应力应变关系

岩体的稳定性和变形特性主要决定于裂隙，同时裂隙间的相互作用对岩体的稳定和变形产生显著的影响。裂隙岩体在加载和卸荷条件下的力学特性有显著的区别。为此本文首次利用位错模型法结合叠加原理研究在围压卸荷条件下裂隙间的相互作用对岩体的变形的影响问题。文中推导了考虑裂隙间的相互作用情况下裂隙岩体围压卸荷过程的应力应变关系及应力强度因子表达式，且进行了数值计算。     

高围压条件下孔隙介质渗透特性试验研究

为研究不同围压条件下孔隙介质的渗透性能,利用新研制的高压渗流仪,对大尺寸低渗透性软弱岩进行了系统的试验测试。试验渗透压差波动幅度仅为0.02MPa,渗出端溶液体积变化量测试精度可达0.03mL。通过溶液体积变化与时间的线性关系,稳定渗流量大小可以精确测定。以稳定压差、流量法(即稳压法),试验验证了岩石的渗透系数随着围压的增加而下降,当围压降低时,岩石渗透系数回升,但回升路径低于原始路径。根据轴向应变的变化情况,提出了室内试验应力-渗流耦合过程中渗透性的变化主要是侧向压力使孔隙、喉道产生压缩变形所致。     

深部砂土三轴高压卸载结构变化的CT研究

用取自山东巨野矿区埋深近 6 0 0m的深部砂土样,在三轴试验机上进行围压为 12MPa的三轴卸载试验,同时用CT装置探测试样在试验全过程中内部结构变化,并对纪录的CT图片进行了计算机图像分析处理,分析了深部砂土在高压卸载条件下变形和破坏结构性变化本质特点。     

岩样单轴压缩变形破坏与能量特征研究

基于在伺服试验机上得到的同直径不同长度大理岩样的单轴压缩试验结果,研究了尺寸对岩石变形破坏与能量特征的影响规律.结果表明,岩石长度对峰值应力前的轴向变形特性没有显著影响,但明显改变峰后的轴向变形特性;岩样长度对峰后塑性变形特性影响不大;直径一定时随着长度的增大,岩样破裂形式由竖向劈裂变为剪切破坏.随着长径比的增加,岩石破坏应变能呈幂律衰减趋势,且当长径比增加至2以后,便基本趋于恒定,不再明显减小;而岩石破坏能呈先减小后增大的非线性变化趋势.     

冲击扰动下泥页岩块剪切蠕变损伤特性研究

矿体爆破是大多数露天矿山开采作业中的必要环节,然而持续爆破作业产生的冲击扰动作用会降低露天边坡的长期稳定性,甚至促使滑坡灾害的发生。为研究冲击扰动效应对边坡岩体蠕变特性的影响,以露天石灰石矿山二叠系软弱夹层中的炭质泥页岩为研究对象,利用自主研发的岩石冲击-剪切蠕变试验系统开展了不同冲击能量扰动下的剪切蠕变试验。试验结果表明：（1）冲击扰动对软岩剪切蠕变破坏具有明显的促进作用,随着冲击扰动能量的增加,软岩进入加速蠕变历时缩短,蠕变破坏总时长与剪切蠕变破坏强度亦随之降低。（2）冲击能量可改变泥页岩剪切破坏面的发育特征,冲击扰动能量越大,剪切面裂隙发育越充分且岩样结构形态越破碎。（3）岩样总体变形量与冲击能量呈正相关关系,随着冲击能量的增加,其造成的总变形中塑性永久变形占比越大而弹性变形占比约小,当冲击能量为7.09J时两次冲击后的塑形永久变形占比均不小于73.1%。根据试验结果,引入基于冲击能量的损伤因子D,建立了考虑冲击扰动效应的软岩剪切蠕变损伤模型。采用BFGS算法和1stOpt通用全局优化数学软件进行了模型参数辨识,采用损伤模型对试验结果进行拟合后发现,所建立模型能够较好地描述冲击扰动下泥页岩剪切蠕变变形的全过程,可为爆破扰动效应下的矿山边坡长期稳定性研究提供一定的理论基础。