高低应力水平下胶结充填体蠕变特征及分数阶本构模型

胶结充填体在采场中会经历不同应力水平的长期荷载作用,其不同应力水平下的蠕变特征直接影响矿山的安全生产.基于此,本研究制备了不同灰砂质量比的胶结充填体试样,进行了单轴压缩与分级蠕变试验,获取了不同应力水平下胶结充填体蠕变变形规律,探讨了胶结充填体在低应力水平与高应力水平下的蠕变特征,构建了胶结充填体分数阶蠕变本构模型,并进行了验证.研究结果表明：胶结充填体的蠕变特征是其在蠕变过程中内部应力的不断调整、硬化与损伤共同作用所产生的结果;低应力水平下,胶结充填体蠕变全过程中硬化作用占据主导,其中减速蠕变阶段硬化特征最为显著;高应力水平下,胶结充填体蠕变全过程中损伤作用占据主导,其中加速蠕变阶段损伤特征最为显著;同一应力水平下,灰砂质量比越低的胶结充填体蠕变全过程中硬化-损伤作用越明显,即抵抗变形能力的提升与损伤累积的速度越明显;构建的胶结充填体分数阶蠕变本构模型与各试验数据均有较高吻合度,且较好地表征了胶结充填体在不同应力水平下的蠕变特征.研究成果可为提高胶结充填体稳定性和矿山安全生产提供理论依据.     

复合型裂纹扩展的有效应力准则

本文利用弹塑性理论中的有效应力概念,将裂纹体的复杂应力状态与单轴拉伸应力状态相联系,并且考虑到在金属材料中,裂纹扩展不可避免地伴随着裂纹尖端附近的局部塑性变形,裂纹总是沿最短路径穿过塑性区向弹性区扩展,因此,裂纹尖端弹塑性区边界至裂纹尖端的最短路径,将决定裂纹扩展方向。在此基础上,本文导出复合型裂纹扩展的有效应力准则。     

充填体裂纹演化与震源信号耦合关系试验研究

宏观裂纹扩展与细观震源信号集聚常作为分析充填体破裂过程的两类关键信息,但二者间的时空耦合关系缺乏直接的试验验证,这不利于全面剖析充填体损伤特性。基于声发射定位系统,应用盖格尔定位算法,对单轴加载下尾砂胶结充填体裂纹孕育萌生、扩展起裂、成核贯通的三维动态演化模式进行试验研究,并与震源信号的时空分布形态进行比对分析。结果表明:声发射事件与应力-应变等力学响应呈明显正相关关系;充填体宏观裂纹演化与细观震源信号集聚具有良好的时空耦合性;声发射定位能够准确反映内部震源信号衍生、集聚、延伸的动态演化过程,可有效追踪内部裂纹在三维空间中的分布状态。加载初期,声发射活动不明显,裂纹稳定扩展,震源信号逐渐堆簇成主震源区(central-area,C区),以C区为核,呈放射状向外扩展的内接球形三维空间区域(sphere-area,S区)出现零星分布的若干不均匀散点,声发射事件稳步上升;峰值强度后,C区纵深延展成柱带状,震源遍布S区,贯通试样,断裂破坏,引起声发射事件阶跃式陡增,声发射活跃度趋近。根据声发射定位结果中核状主震区的出现及其成型后的扩展方向、曲面形态,可对室内充填加载试验中出现的破裂源、破坏形态进行合理预测,为更深入有效研究充填体失稳破裂机制提供新思路。     

胶结充填体力学特性的加载速率效应试验

为探究胶结充填体在不同加载速率状态下的力学参数变化规律及其破坏模式,采用数显式压力机分别对2.0、4.0、6.0、8.0 mm/min这4种加载速率下的胶结充填体开展单轴压缩试验.试验结果表明:在2.0~8.0 mm/min加载速率范围内,加载速率对于胶结充填体的抗压强度值和割线模量均具有明显的强化效应,且峰值抗压强度值和割线模量随加载速率增大而增大.峰值抗压强度与加载速率呈多项式函数规律,而割线模量与加载速率则呈指数函数分布规律.且随着加载速率增大,胶结充填体试件破坏形式表现为拉剪混合破坏向单一剪切破坏形式逐渐转化.研究结果揭示了胶结充填体的力学特性加载速率效应,为研究充填体破坏机制提供一定的参考依据.     

脆性材料斜裂纹扩展的数值试验与破坏模式分析

目的分析含斜裂纹脆性材料的破坏过程，研究不同裂纹对脆性材料力学性质的影响，确定斜裂纹的破坏模式．方法利用岩石破裂过程数值分析系统rpfa^2D对含一条斜裂纹岩石和三条斜裂纹岩石的破坏过程进行数值试验。应用断裂力学的方法对破坏模式进行理论分析．结果得到了单轴压缩条件下，含一条斜裂纹和三条斜裂纹岩石的整个破坏过程，确定了斜裂纹的破坏模式．结论数值试验的结果表明，单轴压缩条件下三条斜裂纹的扩展，一开始发生在内部裂尖，内部裂尖扩展到临近的预置裂纹之后，外部的裂纹开始扩展；含单裂纹岩石的强度约为三裂纹强度的1．2倍．但三裂纹的残余强度比单裂纹高．数值试验和应力强度因子法得到同样的结论：单轴压缩条件下含一条、三条斜裂纹岩石的初始扩展为压剪破坏，当两裂纹尖端开始扩展之后。形成的翼型裂纹破坏模式为拉剪破坏．笔者提供了一种研究复合型裂纹扩展和断裂破坏模式的新方法．     

基于DIC技术的充填体固结时间对花岗岩裂纹扩展的影响研究

为了研究地下工程中裂隙岩体的变形、破坏规律对岩体稳定性控制的影响,基于数字图像相关方法,对单轴压缩下未充填裂隙岩石、充填裂隙岩石的应变场演化过程进行监测,结合滑动裂纹模型理论,从宏观和细观角度系统地分析了裂隙岩石在破坏过程中的裂纹萌生、扩展和贯通规律。结果表明:未充填裂隙岩石应变场内最大应变值主要集中于两预制裂隙尖端连接处,沿预制裂隙某一侧贯通破坏,而充填裂隙岩石应变场内最大应变值主要集中于两预制裂隙连接处与次翼裂纹扩展处,沿预制裂隙两侧贯通破坏;未充填裂隙岩石的岩桥边界区域以剪切破坏为主,充填裂隙岩石的岩桥区域以张拉破坏为主,无论裂隙岩石充填与否,应变场内都主要分为拉应力与压应力区域;在弹性阶段内,应变场中已形成了沿翼裂纹、次翼裂纹扩展路径的局部化应变带;在内侧翼裂纹和次翼裂纹的搭接处,破坏程度最严重。随着充填体固结时间的延长,在预制裂隙尖端处,伴有剪切起裂的次生共面裂纹扩展,所形成的断面粗糙度高于其他断面。     

胶结充填体固结全程电阻率特性试验

通过开展不同灰砂质量配比、料浆质量分数和养护龄期条件下的胶结充填体固结全程电阻率和单轴抗压强度试验,对胶结充填体固结全程电阻率特性及其强度的关联性进行研究.基于胶结充填体的等效电路,综合考虑不同龄期的水化反应产物的类型及形态等微观结构影响因素,揭示了胶结充填体固结全程的电阻率变化机制,并推导了其电阻率模型;结合强度测试数据,构建了胶结充填体单轴抗压强度与其电阻率定量关系方程.结果表明:胶结充填体的电阻率具有与养护龄期相同的发展趋势,即电阻率先降至最低点,而后遵循先快后慢的增长规律;灰砂质量配比越小、质量分数越高,其电阻率越大;电阻率的变化规律与其内部微观结构密切相关,根据电阻率曲线发展特点,可将充填体固结全程分为5个阶段;充填体的单轴抗压强度和电阻率增长规律基本一致,且两者间存在明显的对数关系.     

胶结充填体应变率与声发射特征响应规律

应变率是影响胶结充填体力学特性和声发射特征的重要因素.为研究胶结充填体应变率与声发射特征响应规律,文中进行了单轴压缩条件下胶结充填体的声发射试验,研究了应变率、声发射在加载过程中的时序特征,探讨了应变率与声发射时序特征之间的相关性,以及两者变化趋势之间的内在联系,进一步揭示了荷载作用下胶结充填体的裂纹演化规律.结果表明:胶结充填体应变率、振铃计数率在变形全过程均表现出"升→降→稳→升"的变化趋势和阶段性特征,两者相关性较高;胶结充填体内部破裂是由骨料之间的摩擦以及胶结材料的断裂演化造成,应变率对声发射特征在一定程度上起到了支配作用;基于应变率在塑性屈服和失稳破坏阶段表现出明显的突变性,可为胶结充填体破裂预测提供有效的前兆信息;结合声发射振铃计数率、平静期以及扩容现象可更加全面的反映胶结充填体破裂情况.研究结果可为胶结充填体力学特性研究奠定理论基础.     

围岩-充填体组合承载宏细观损伤演化机理

充填体与围岩共同承载地应力,揭示其组合体宏细观损伤演化机理有助于完善充填体与围岩相互作用理论和优化充填体的配比和强度设计.开展不同灰砂比的围岩-充填体组合体单轴压缩试验和数值模拟,分析宏观下应力-应变曲线、力学参数及破坏模式,细观下裂纹扩展、能量变化及损伤演化规律.结果表明：灰砂比越高,组合体的峰值强度和弹性模量越大,峰值应变越小;组合体发生张拉剪切混合式破坏,低灰砂比时接触界面产生断裂破坏,高灰砂比时分层界面产生宏观裂隙;峰前阶段,接触界面和分层界面等薄弱部分先出现微裂纹,组合体以弹性应变能的转化为主,伴随小幅度能量损耗,损伤程度较低;峰后阶段,组合体耗散能急速增长并超过弹性应变能,内部损伤程度加速恶化.围岩内部裂纹数量大幅增加并迅速扩展贯通,率先出现宏观断裂面,充填体内部裂纹汇聚合并于分层界面,在高灰砂比时发挥良好的协同支护作用.     

含单个孔洞大理岩裂纹扩展细观试验和模拟

采用扫描电镜实时观测系统,对含单个孔洞大理岩进行了单轴压缩试验,实时观测了大理岩加载过程中裂纹的萌生、扩展、演化和贯通特征,获得了不同应力下大理岩裂纹扩展过程,试验结果表明:大理岩裂纹首先在孔洞周边的拉伸应力集中区域产生,随后沿加载方向或晶粒边界逐渐向试样端部或边界薄弱部位扩展.考虑岩石材料非均质性,采用岩石破裂过程分析系统,进一步对两种非均质岩样进行了数值模拟分析,模拟结果再现了两种晶粒大理岩试验过程中裂纹的扩展特征.试验和模拟得到的裂纹扩展规律吻合较好,非均质性(晶粒及其尺寸)对岩样中裂纹扩展特征具有较大的影响.     

金川镍矿混合充填集料胶结充填体强度试验研究

针对金川矿山棒磨砂充填集料存在的成本高和供不应求的矛盾,开展了棒磨砂、戈壁砂和尾砂3种充填集料不同配比的混合集料胶结充填体强度试验研究。通过9组混合充填集料的胶结充填体强度试验和数据分析,揭示了影响胶结充填体强度的因素与规律。研究结果表明:合理添加尾砂的棒磨砂和戈壁砂混合充填料,不仅可以提高充填体强度,而且还能够减小充填料浆的分层和离析,有利于提高充填体整体质量。通过建立神经网络模型,进行不同配比的混合集料胶结充填体强度预测和回归分析,获得了满足金川矿山充填法采矿安全高效生产的充填材料配比:灰砂比为1∶4、料浆浓度大于80.8%、混合集料平均粒径不大于1.692 mm和非均匀系数不小于38.4,由此对应的3 d充填体试块密度不小于2.24 g/cm3。该研究成果为混合集料在金川镍矿充填采矿奠定了基础。     

胶结碎石充填体强度影响因素的研究

为了提高胶结充填体的强度,降低水泥耗量,考察加入碎石对胶结充填体强度性质的影响,文中进行了34组包括不同水灰比、不同龄期、不同掺入碎石量和不同级配的胶结碎石充填体单轴压缩试验,根据试验结果,讨论了上述因素对强度的影响效应并借助于拟合分析导出了描述这些影响效应的关系式。     

相变储能充填体强度与热学性能

以硬脂酸丁酯为相变材料、膨胀珍珠岩为吸附介质制备复合相变材料,将其按一定质量分数替代尾砂后与水泥、尾砂混合制成相变储能充填体.为探究相变储能充填体强度和热学性能表现,分别制备不同灰砂比、质量分数和复合相变材料质量分数添加量的相变储能充填体,并采用DSC、SEM、单轴压缩试验、巴西劈裂试验和导热系数试验等测试方法得到不同...     

分层尾砂胶结充填体力学特性变化规律及破坏模式

为探究胶结充填体力学特性与填充次数之间的变化规律,以某金矿分级尾砂和胶固料为原料,设置灰砂质量分数为65%,70%,72%和75%,填充次数分别为1,2,3和4制作不同分层胶结充填体试件并进行单轴压缩试验.结果表明:充填体抗压强度与填充次数之间满足多项式函数关系.抗压强度随灰砂质量分数增大而增大,随填充次数的增多而减小;割线模量与填充次数呈幂函数分布并随填充次数增多而逐渐减小.而分层充填体的破坏模式则以共轭剪切破坏和贯穿分层面的张拉破坏为主.     

单轴压缩下充填正交裂隙花岗岩强度及裂纹扩展演化

为研究充填材料类型对裂隙岩石力学特性及裂纹扩展演化的影响特征,对含充填正交裂隙花岗岩板状试样进行单轴压缩试验.结果表明:与单裂隙试样相比,含充填正交裂隙试样峰值强度和弹性模量明显劣化,劣化幅度分别为17.45%~39.19%和9.64%~27.42%.随充填材料强度的增加,充填试样峰值强度和弹性模量均逐渐增大.充填类型对试样次生裂纹的起裂形式影响显著,充填材料强度较低时,试样首先在充填物与次裂隙的交界面发生"脱黏"现象,然后由次裂隙外侧尖端开始起裂,而充填材料强度较高时可抑制次裂隙尖端裂纹萌生,试样初始破坏表现为主裂隙尖端的拉裂纹扩展.充填材料强度越大,充填试样的起裂应力越接近峰值强度,起裂应力水平越高.获得了充填试样轴向应力-应变曲线与次生裂纹扩展的实时关系,表明每一次较大的应力跌落均对应一条次生裂纹的萌生和扩展.     

充填体失稳破坏前兆识别及破坏形式演化规律研究

为研究充填体失稳破坏过程中声发射信号时频特征及破坏形式,对不同灰砂比充填体试件开展单轴加载声发射试验。通过频谱分析技术,采用时频域结合对试验结果进行深入剖析。结果表明:不同灰砂比充填体失稳过程中低频带信号占比最大,高频带信号次之,中频带信号最少;峰值应力前,低频信号明显减少,中、高频信号明显增加这一特征可作为充填体失稳破坏的前兆信息;声发射参数RA和AF特征值在不同时刻的分布特征,揭示了破坏形式的演变过程,灰砂比1∶6时充填体在压密及弹性阶段以张拉破坏为主,塑性变形及峰后破坏阶段以剪切破坏为主,灰砂比1∶10时充填体破坏全过程以张拉破坏为主、剪切为辅,灰砂比1∶15时充填体破坏全过程以张拉破坏为主。试验结果对细观角度下研究充填体失稳破坏机制以及采场充填体失稳的预测具有重要意义。     

受轴压压缩GFRP圆柱壳渐进失效行为分析

对层状纤维复合材料ＧＦＲＰ圆柱壳受轴向压缩下的失效模式进行准静态下试验研究。研究此类薄壁结构的缓冲性能,分析其渐进压缩破损模式和整体破坏模式的形成机理。结果表明随着纤维铺设角度的改变其压缩失效模式发生变化,并影响结构的能量吸收能力,其破损匠主导形式与分层扩展强度,环向断裂强度和纤维与基体脱胶裂纹相关。     

单轴压缩下三裂隙黄砂岩力学特性及裂纹扩展试验研究

为了研究单轴压缩下含裂隙黄砂岩的损伤劣化机理,利用伺服压力机对预制断续三裂隙黄砂岩进行单轴压缩试验,并结合高清摄像机录像对试样破坏全过程进行监控,进而分析了不同中心裂隙倾角α对三裂隙黄砂岩力学特性、裂纹扩展规律及破坏模式的影响。结果表明,随着中心裂隙倾角α的增加:(1)三裂隙黄砂岩单轴抗压强度先增大后减小,与完整砂岩试样相比,三裂隙黄砂岩试样峰值强度降低明显;(2)初始裂纹由岩桥区域附近萌生,α=15°、30°时垂直于中心裂隙B,α=45°时发展为连通裂隙AB、BC尖端并与中心裂隙B成一定角度,次生裂纹沿轴向扩展,主裂纹沿试样上下端面及边缘扩展;(3)裂隙砂岩试样的破坏模式由张拉破坏变为劈裂破坏,最后变为剪切破坏。     

不同倾角裂隙砂岩单轴压缩颗粒流模拟分析

为探索不同倾角裂隙岩体在单轴压缩作用下的破坏形式,利用二维颗粒流程序(PFC2D)对不同倾角裂隙岩体试样进行单轴压缩数值模拟,研究了不同倾角裂隙岩体的强度变化规律、破坏形式以及裂纹扩展路径。结果表明:不同倾角预制裂隙岩体的破坏模式略有不同;不同倾角预制裂隙岩体破坏过程基本一致,都会经历弹性变形阶段、裂纹稳定扩展阶段、岩体失稳阶段3个阶段;不同倾角裂隙的存在使得岩体的抗压强度有不同程度的降低;在单轴压缩破坏中,裂隙的顶点应力集中现象比较严重,沿裂隙岩体对角线方向产生的裂纹最多。该数值模拟分析为进一步探索地下工程中裂隙岩体失稳破坏规律提供了参考。     

断续节理介质爆生裂纹扩展的动焦散实验研究

应用动态焦散线测试系统,模拟断续节理岩体断裂爆破过程,进行了有机玻璃（PMMA）模型透射式动态焦散线实验,研究了无充填和充填断续节理对切缝药包断裂控制爆破裂纹扩展规律的影响和裂纹扩展的机理．结果表明：切缝药包爆炸应力波到达无充填断续节理面后,在节理的两端产生了两条翼裂纹,翼裂纹基本沿原爆生裂纹方向继续扩展,最长达2．5cm,翼裂纹尖端复合应力强度因子呈由小变大再变小连续波动变化的趋势,裂纹扩展速度和加速度变化趋势与应力强度因子变化类似;爆炸应力波到达充填断续节理面后,同样在节理两端产生了两条翼裂纹,翼裂纹向两侧偏移很大,翼裂纹最长达4cm,翼裂纹尖端应力强度因子KI^d呈由小变大再变小连续波动变化的趋势,动态应力强度因子K☆则呈由大变小连续振荡变化的趋势,而且翼裂纹扩展过程中具有起裂时间早、裂纹扩展速度和加速度峰值大的特征．