加载速率对石灰岩力学效应的试验研究

采用RMT-150B岩石力学电液刚性伺服控制试验系统对石灰岩标准试件进行4级不同加载速率的单轴压缩变形室内试验,定量的分析了加载速率对石灰岩试件单轴抗压强度、峰值强度以及对应的应变、破坏后的性态、破裂形式及应力–应变关系等物理力学性态的影响。得出该石灰岩试件单轴压缩破坏的全过程曲线及一些重要特性和参数,为该矿山开采设计提供重要依据。     

不同应力路径下煤样变形破坏过程声发射特征的试验研究

 利用RMT–150B岩石力学试验机对义马耿村具有冲击倾向性煤样进行常规单轴、三轴和三轴卸围压试验,研究在不同应力路径下煤样变形破坏过程中的声发射特征。试验结果表明,煤样在不同应力路径下加载变形破坏过程中产生的声发射特征有所差异。常规单轴压缩过程中各个阶段均有不同程度的声发射事件,与三轴筒内单轴压缩相比,声发射累计计数和能量明显偏大,破坏瞬时的声发射计数和能量大致相当;常规三轴压缩试验时,在围压作用下煤样屈服前声发射事件较少,进入屈服阶段声发射事件逐渐趋于活跃,计数和能量大幅度增大,标志煤样破坏前兆,破坏瞬时声发射计数和能量达到最大值;三轴卸围压试验时,在卸围压前煤样处于弹性阶段声发射事件较少,随围压逐渐降低,由正应力提供的摩擦力不断减小,煤样内部材料强度相对较低逐步屈服破坏形成微裂纹。屈服前期产生少量声发射事件,屈服后期声发射事件逐渐趋于活跃,计数和能量大幅度增大,标志煤样卸围压破坏前兆,破坏瞬间计数和能量同时达到最大值,与常规三轴压缩相比,声发射计数更大,能量则更高,表明三轴卸围压煤样破坏时更加强烈;常规单轴压缩煤样破坏产生的声发射累计计数和累计能量明显偏大,三轴筒内单轴、常规三轴压缩以及三轴卸围压试验时,声发射累计计数和能量大致相同,没有明显差异。     

天然裂隙性流纹岩三轴力学特性试验研究

 作为隧道裂隙性围岩开挖扰动滞后性破坏特性研究的基础,对含天然微裂隙的流纹岩进行三轴加卸围压试验和单轴预加载后再进行常规三轴压缩试验,在得到2种应力路径和不同裂隙发育流纹岩试样破裂特征和应力–应变曲线基础上,对流纹岩三轴试验下的破裂特征和力学参数进行分析,分析结果表明：(1) 天然裂隙性流纹岩表现出强烈的脆性特征,没有明显的屈服阶段;(2) 2种应力路径下,裂隙初始发育特征及优势方向对流纹岩力学性能影响表现为：初始优势发育方向近垂直于最大主应力方向的裂隙不易扩展贯通,试样的力学性能较好;(3) 初始优势发育方向与最大主应力方向夹角较小,并且初始连通或相互交叉搭接呈树枝状的裂隙极易贯通形成宏观拉裂面,显著削弱试样的力学性能;(4) 常规三轴压缩作用下,裂隙初始优势角为46°时,流纹岩的力学性能最差;(5) 单轴预加载使试样内部横向微裂隙闭合,再进行常规三轴压缩时,其强度、弹性模量和变形模量都增大,泊松比基本不变,而脆性特征更加明显。     

大理岩加卸荷破坏过程的能量演化特征分析

 根据大理岩加荷破坏与卸荷破坏试验结果,研究大理岩不同应力路径下的破坏特征和能量演化规律。结果表明,常规三轴破坏岩样吸收总能量 高于单轴压缩吸收总能量,峰值强度后常规三轴弹性应变能释放比单轴缓慢,储能极限高于单轴压缩的储能极限。随着卸荷初始围压升高,岩样峰值强度和峰值应变增大,破坏形式由张拉–剪切破坏向剪切破坏过渡,岩样在峰值强度处吸收的总能量 和弹性能 增大,耗散能 却没有明显变化,围压对峰值强度处的 和 无明显影响。卸荷速度增大,岩样峰值强度和峰值应变减小,破坏形式由剪切破坏向张拉–剪切破坏过渡,岩样在峰值点处吸收的总能量 和弹性能 减小,耗散能 却没有明显变化,卸荷速度对 和 无明显影响。加荷与卸荷2种应力路径下,岩样在到达峰值强度时所吸收的总能量和储能极限都与峰值强度呈线性关系。     

煤样三轴压缩下变形和强度分析

基于在伺服试验机对煤样的常规三轴压缩和三轴卸围压试验,分析了煤样在不同应力条件下的强度和变形特征。煤样在围压作用下裂隙闭合后利用摩擦仍可以承载,并且所有煤样峰前变形特性基本一致。三轴卸围压试验峰值处出现屈服平台,与常规三轴相比峰后塑性明显增强,煤样破坏时的轴向应变量受常规三轴压缩全程应力–应变曲线控制。常规三轴压缩和三轴卸围压试验的峰值强度与围压均成线性关系,围压影响系数基本相同,内摩擦角能够表征材料力学性质,与加载方式没有关系,但相同围压下三轴卸围压时试样的承载能力比常规三轴加载时明显偏低,表明煤样经历较高轴向载荷作用后存在局部损伤。     

粉砂质泥岩三轴压缩应力松弛特性试验研究

 采用RLJW–2000型岩石三轴流变伺服仪,在分级加载条件下完成饱和粉砂质泥岩的三轴压缩应力松弛试验。基于试验结果,划分岩石的应力松弛阶段,分析岩石的应力松弛特征,研究不同应变水平下岩石的应力松弛速率、径向应变、体积应变以及松弛模量随时间的变化规律,探讨岩石应力–应变等时曲线特征,系统地揭示粉砂质泥岩三轴压缩应力松弛特性。选取Burgers模型来描述粉砂质泥岩的应力松弛特性,采用LM-NLSF法对模型参数进行辨识。对比模型拟合曲线与试验曲线,二者吻合较好,表明Burgers模型可以较好地描述粉砂质泥岩的应力松弛特性,辨识得出的模型参数具有一定的实用价值。     

岩石单轴压缩条件下裂纹扩展试验研究——以片状岩石为例

 为研究片状岩石渐进性破坏,首先对其应力门槛值：裂纹起始应力 、裂纹破坏应力 、单轴抗压峰值强度 及相互间的关系进行系统的总结和论述。基于片状岩石--丹巴二云英片岩单轴压缩试验轴向应力–轴向/ 径向应变曲线,首次将岩石渐进性破坏过程应力门槛值分析应用于片状岩石,得出加载方向与片理面方向平行、垂直和成30°夹角3种加载条件下的应力门槛值,并将其与其他岩石种类的应力门槛值研究结果进行比较。结果表明裂纹扩展过程与岩石种类有关,不同岩石矿物颗粒、胶结状况、片理面发育情况等因素都会影响岩石的渐进性破坏过程,从而对应不同的应力门槛值范围。二云英片岩的试验结果直接表明,由于片理面的发育,片状单轴压缩条件下的裂纹扩展过程存在显著的各向异性,这一特点显著区别于其他种类岩石,在地下工程开挖中应对其进行具体的量化分析,以指导开挖设计和支护加固。     

单轴静–动相继压缩下单裂隙岩样力学响应及能量耗散机制颗粒流模拟

 针对采矿岩柱体等的静–动相继单轴压缩受力特征,采用颗粒流数值模拟试验,探讨初始单轴静态压缩的细观损伤程度对单轴动态压缩下单裂隙岩样力学性质的影响规律,并阐述其能量耗散机制。静载初始损伤程度对后续动态压缩岩样应力–应变曲线形态的影响不大,损伤岩样具有较明显的峰前损伤和峰后裂隙贯通的渐进性突跃特征。相对于全程动态压缩而言,随着初始损伤的增强,岩样强度减小明显。但后续动态压缩对岩体强度的增加起主要贡献。随初始损伤的增强,裂隙尖端法向和切向破裂应力均略有减小。随着裂隙倾角的增大,裂隙尖端法向破裂应力明显减小而切向却明显增加。初始损伤程度并不改变后续动态应变率加载岩体的最终宏观破裂模式,但初始损伤变量越大,微裂纹数量越多且局部化程度越强。能量耗散与岩体细观损伤演化具有较好的相关性。初始损伤越强,吸收相对较小的能量即可达到峰值破坏但峰后耗散能越多。随着裂隙倾角的增大,峰值强度处耗散能和储存弹性应变能更多,峰后破碎程度越高。     

加载速率和围压对煤能量演化影响试验研究

借助TAW-2000型电液伺服岩石力学试验系统进行了不同加载速率和不同围压下煤样的单轴压缩和三轴压缩试验,研究了加载速率和围压对煤样能量耗散特征的影响规律,探讨了煤样耗散应变能转化速率随加载速率和围压的变化规律。研究表明:单轴压缩试验第Ⅰ阶段试件的弹性应变能随加载速率的增加呈现先增大后减小的特点,耗散应变能转化速率均处于较低水平,且与加载速率呈负相关,第Ⅱ阶段耗散应变能随加载速率的增加也呈先增大后减小的趋势,各煤样耗散应变能转化速率的最大值均出现在峰值点或峰后轴向应力陡然跌落点。耗散应变能转化速率对围压十分敏感,围压越大,耗散应变能的转化速率也越大,煤样变形损伤越快。     

主动围压下地下工程岩石的冲击压缩特性试验研究

 岩石等脆性材料的力学性能与其所受围压的大小密切相关。为了研究地下工程岩石在围压下的冲击压缩特性,采用具主动围压加载的分离式Hopkinson压杆,对岩石进行主动围压下的SHPB冲击压缩试验,得到岩石在不同围压和不同应变率下的轴向应力–应变曲线,并对试验过程中试件的应力均匀性进行分析。研究表明：岩石类脆性材料在围压作用下其抗压强度和韧性大大提高,并且具有向延性特征发展的趋势,显现出较强的围压效应;在同等级围压下,岩石的峰值强度和峰值应变随应变率的变化表现出显著的应变率相关性,动态强度增长因子与应变率的对数呈近似线性关系,动态强度随应变率的增加而近似线性增长。单轴动荷载下,岩石在以拉应力为主,其他应力联合作用下发生破坏,表现出明显的脆性特征;随着围压的增加,岩石试件将发生脆性向延性的转变,破坏形态以压剪破坏为主,同时发生拉应变破坏和卸载破坏。     

考虑层理方向效应煤岩巴西劈裂及单轴压缩试验研究

 针对淮南矿区B10煤层以水平层理为主,且层理性较强的特点,通过巴西劈裂及单轴压缩试验,研究煤岩在垂直和平行于层理面方向上的拉、压力学特性。研究结果表明：(1) 煤岩垂直和平行于层理面方向抗拉强度均具有明显的离散性,但前者离散程度更大;对比两者均值,前者显然小于后者,各向异性显著。(2) 宏观煤岩成分分布的随机性及其物理力学性质的差异是导致煤岩抗拉特性离散性的重要条件;而宏观煤岩成分的条带状分布特点,以及煤岩割理系统分布的方向性,则是决定煤岩力学特性各向异性的内在原因。(3) 煤岩垂直与平行于层理面方向单轴压缩轴向应力–应变曲线相比,前者峰前变形特征相似,力学性态稳定,峰后应力跌落迅速,脆性特征明显;后者则峰值前、后各曲线均变形各异,力学性态不稳定。煤样的轴向峰值应变均小于1%,变形特征属脆性破坏。(4) 垂直和平行于层理面方向单轴压缩煤样的断口破坏形态分别以剪切和劈裂破坏为主,且2个方向的单轴压缩强度及变形参数均具有明显差异,各向异性特征显著。(5) 煤岩垂直和平行于层理面方向单轴压缩特性均具有一定的离散性,但后者离散程度更大。(6) 煤岩单轴抗压强度远大于抗拉强度,垂直和平行于层理面方向单轴抗压强度分别为抗拉强度的40.1和14.7倍。     

微型单轴煤岩试验机的研制及试验研究

 针对较小煤岩试件单轴抗压强度的测定和破坏规律研究的不足,设计针对f 5 mm×10 mm的微小试件单轴试验的微型试验机,对煤岩破坏过程中的裂纹扩展规律及破坏机制进行研究。该试验机主要由预应力装置、主加载应力装置、试件腔和液压传输系统组成,与现有试验机相比,有如下特点：(1) 能够在煤岩试件加载过程中,与三维显微CT耦合使用,观测内部裂纹裂缝的产生、发展和对试件破坏的影响;(2) 可以绘制出与普通试验机相类似的煤岩全应力–应变曲线,通过尺度效应换算系数a得出任意大小煤岩试件的单轴抗压强度,并且能够如实反映微型煤岩试件加载过程中的各个变形阶段;(3) 与之前对煤岩破坏研究的数值模拟方法相结合并比较其结果的异同点,得出的结论可以深化煤岩破坏规律的相关理论。装置操作性和便携性较强,为了使其应用范围进一步扩大,还将对各部件进行改进,提高加载装置的刚度和加载对试件产生的最大应变值,使其能够测定更高强度的岩石试件。初步的试验结果证实试验机研究的可行性,试验机的研制弥补普通试验机和大型试验机对煤岩破坏规律研究的不足,对岩石力学学科的发展起到一定的推动作用。     

花岗岩和混凝土在单轴冲击压缩荷载下的动态性能比较

采用黄铜波形整形器改进后的分离式Hopkinson压杆装置,分别对花岗岩和混凝土试件进行不同应变率（101～103）s-1下的单轴冲击压缩试验,有效地减少传统Hopkinson压杆试验中,岩石类脆性材料在内部应力达到均衡之前过早破坏以及输入波的高频震荡给试验数据带来的波动性。试验结果表明,应变率不仅影响这2种岩石类材料的强度,而且也影响材料的破碎程度和破碎形式,但对材料的初始弹性模量、破坏应变以及能量吸收率影响不大。从花岗岩和混凝土材料的微观结构特征和能量吸收能力等方面,对比分析这2种材料动态性能的共同特点和相互差异,合理地解释试验现象。该方法与结论对其他类型的脆性材料的动态性能研究具有一定的参考价值。     

冲击倾向性煤体破坏过程声热效应的试验研究

介绍自行设计的多系统、同步监测试验机构，并对冲击倾向性煤体分别进行单向加载和循环加载破坏试验。利用系统所具有的红外热像、声发射、应变等监测方式，分析两种加载条件下，冲击倾向性煤体破坏过程的声、热效应及破坏前的异常信息特征。对比研究不同监测方式下，冲击倾向性煤体中同一破坏事件的响应速度以及各自响应的灵敏度；获得冲击倾向性煤体的固有物理力学特性，并发现强冲击倾向性和非冲击倾向性煤体单轴压缩时的最终破坏前兆点分别为0．9和0．7个荷载强度比，也说明强冲击倾向性煤体的失稳破坏更突然、更难于预测。     

损伤岩样强度衰减规律及其尺寸效应研究

 损伤岩样的强度衰减规律是岩石力学领域的重要课题。采用一种新的方法预制损伤岩样,对其分别进行单轴和三轴压缩试验,并将结果与近似均质的完整岩样试验结果对比。结果表明,单轴压缩下,损伤岩样除劈裂破坏外还伴随有斜向断裂破坏;随围压的增大,损伤岩样容易在胶结面处出现一种新的近水平破坏。损伤岩样较完整岩样的强度衰减值,随围压的增大而增大,但增长幅度逐渐减小。根据室内试验的结果,借助于PFC数值软件,对损伤岩样单轴强度衰减的尺寸效应进行探究。研究发现,随岩样高径比的增大,单轴强度的衰减值不断减小,但减小的趋势逐渐平缓。提出单轴强度衰减的理论模型 (其中, 为任意损伤岩样的单轴强度衰减值, 为标准损伤岩样的单轴强度衰减值, 为圆柱体岩样的高径比,a和b均为材料参数),所得的理论曲线与试验值吻合得很好。计算得出损伤岩样尺寸为无穷大时,单轴强度衰减的无限趋近值 。     

单轴压缩下高温盐岩的力学特性研究

 对不同温度下(20 ℃～700 ℃)及高温后(100 ℃后,200 ℃后)喜马拉雅山盐岩进行单轴压缩破坏试验,获得其受高温作用的力学特征和破坏形态,探讨峰值应力、峰值应变和弹性模量的变化规律,并重点分析高温下其应力–应变曲线的特殊性。研究结果如下：当温度低于120 ℃时,盐岩的抗压强度和弹性模量随温度的升高而降低,120 ℃～200 ℃时,随温度的升高而增加;在较高温度下(500 ℃及以上),盐岩的内部结构发生突变,峰值应力大大降低;盐岩的应力–应变曲线在不同温度区间有较大差异,170 ℃是其发生突变的阈值;当温度为170 ℃～400 ℃时,盐岩呈现出明显的应变硬化特性;喜马拉雅山盐岩所能承受的极限温度不超过700 ℃;与同等高温下相比,经历100 ℃和200 ℃高温后的盐岩,其承载能力降低,变形及弹性模量较小,其内部出现较多裂纹,整体性较差。     

灰岩单轴压缩实验室尺度效应研究

尺度效应广泛存在于缺陷材料中,尺度效应根源于材料的非均匀性。而目前尺度效应研究大都沿用混凝土材料强度负幂率尺度效应研究成果。通过细观结构分析发现,岩石材料和混凝土材料存在较大差别。以灰岩为试验材料,通过单轴压缩试验,获得岩石材料的单轴抗压强度与应力–应变曲线等试验数据,进而分析研究岩石材料的尺度效应及其影响因素,得到与混凝土材料不同的尺度效应规律。研究结果表明：灰岩材料内部的缺陷层次直接决定岩样的强度、变形破坏方式等力学性质;每种非均匀岩石材料都存在一个明显的特征尺度,它与岩石材料内部微缺陷的构造层次(微缺陷自身尺度大小及其相对于岩样尺度的大小)密切相关;岩石材料的尺度效应根源于材料的非均匀性,而并非试件与加载端头之间的端部摩擦效应所造成。     

高应力下原煤三轴压缩力学特性研究

 基于取自淮南矿区－780 m标高B10煤层的原煤的试件,通过MTS815.04电液伺服试验系统进行高应力下原煤的常规三轴压缩试验,研究煤岩的变形、强度、参数及破坏特征。研究结果表明：(1) 煤岩偏应力–轴向应变曲线主要由弹性、屈服、峰后脆性破坏阶段或应变软化段构成。其中,弹性段明显较长,且围压越大,曲线越陡,弹性模量越大;屈服段则总体较短。(2) 煤岩在单轴或低围压条件下,峰后脆性破坏特征明显;随着围压升高,峰后开始呈现延性特征,且围压越高,延性特征越明显。当围压达到50 MPa时,峰后轴向应变几乎呈现塑性流动状态。(3) 随着围压的增加,峰值轴向应变呈抛物线趋势增加,峰值侧向应变则呈线性增加趋势。(4) 煤岩偏应力–体积应变曲线,在低围压条件下表现出扩容机制,且围压越低扩容特征越明显;在高围压下,从峰前越至峰后,则始终向右延展,呈现出不断收缩的状态;而峰值体应变随围压的增加呈抛物线形式增加,收缩特征明显。(5) 煤岩强度随围压增加呈线性趋势增加,且强度参数c,φ值分别为12.72 MPa,24.12°。(6) 煤样的破坏模式主要以剪切破坏为主,破断角大小为23°～35°,且随着围压的增加,以抛物线趋势增加。采用Mohr强度理论可以较好地解释这一变化。     

泥岩压剪破坏裂隙演化规律及其分形特征

 运用非线性分形理论,通过对自然含水状态泥试样品的变角剪切压模试验,研究泥岩压剪破坏裂隙演化规律和破裂块体分布的分形特征。研究结果表明：(1) 使用变角剪切压模试验数据绘制莫尔强度包络线可获得满意的岩石材料黏聚力和内摩擦角参数;(2) 压剪破坏的载荷–加载点位移曲线形状类似于岩石的全程应力–应变曲线,分为压密阶段、弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段等4个阶段,可真实反映压剪耦合作用下岩块的变形破裂过程;(3) 压剪破坏是能量耗散的非线性动力学过程,破裂块体分布具有明显的自相似性,可用分形维数值表征破裂块体的块度分布特征;(4) 受破裂类型由张性破裂为主转变为剪切破裂为主的影响,随剪切角的增大,破裂块体分布的分形维数值呈对数关系递减。     

2种岩石直接拉压作用下的力学性能试验研究

 利用Instron1342液压伺服机对2种典型硬岩和软岩试样进行单轴试验,包括单轴压缩试验和直接拉伸试验,研究这两种岩石在直接拉压作用下的力学性能,对比2种岩石的单轴抗压强度和单轴拉伸强度。试验过程中监测岩石试样的轴向应变和水平应变,并记录岩石试样的声发射特征,得到2种岩石在单轴拉压下的应力–应变曲线和声发射计数率曲线,对比2种岩石在单轴拉压下的声发射变化规律。试验发现,直接拉伸下2种岩石在加载初期较大范围内基本无声发射事件发生,直到破坏前声发射事件数才突然增大。讨论2种岩石在不同加载模式下的弹性模量和泊松比变化关系,发现单轴压缩下,硬岩的弹性模量随载荷变化先增大而后趋于稳定,当载荷超过单轴抗压强度的80%时又变小;而单轴拉伸下,硬岩的弹性模量初始较大,随后随着载荷增大而逐渐减小。单轴压缩下2种岩石的泊松比为0.2～0.3,而单轴拉伸下岩石的泊松比很小,几乎可以忽略。比较2种岩石的破坏角、内摩擦角以及黏聚力,讨论2种岩石在直接拉压作用下的不同破坏模式。利用三维表面形貌扫描仪对直接拉伸试样的破坏断面进行三维扫描,得到破坏面细观结构图和裂纹面表面粗糙度曲线。