基于最大能量耗散率的岩爆倾向性指标研究

岩爆倾向性判别为隧洞岩爆风险评价提供了基本依据。在分析岩石单轴压缩各阶段能量耗散演化特征的基础上,提出基于最大能量耗散率(耗散能密度时间导数的最大值)的岩爆倾向性评价新指标,从稳定性判定准则、经验和岩爆倾向性定义3个角度阐明其科学合理性。为定量计算所提指标,建立考虑空隙压密和初始损伤的弹脆性损伤本构模型;为验证指标及损伤模型的适用性,开展4种岩石(玄武岩、花岗岩、灰岩、砂岩)在刚性和柔性压力机下的单轴压缩及循环加卸载试验。最后基于正交试验、相关性分析和极差分析,揭示岩爆倾向性的影响因素及不同指标间的内在关系。结果表明：岩石单轴压缩应力–应变曲线峰后阶段存在能量耗散率峰值,该值可作为材料固有稳定性指标评价岩爆倾向性,兼顾了岩石的峰前能量储耗特性和峰后特征;所提弹脆性损伤模型较好反映了岩石单轴加载下的非线性力学行为和内蕴能量演化特征,应力–应变和耗散能密度理论曲线均与试验值吻合良好;不同岩石最大能量耗散率与实际岩爆等级一致,证实了所提指标的可靠性;弹性模量、脆性和初始损伤是岩爆倾向性的主要影响因素,最大能量耗散率指标较好体现了岩石脆性对岩爆倾向性的影响,与剩余弹性能指数的相关性最强(相关系...     

红砂岩张拉破坏过程中的线性储能和耗能规律

为了考察岩石张拉破坏过程中的能耗特性,利用MTS322和MTS Landmark岩石材料试验系统,通过设置不同的卸载水平,对红砂岩分别进行一系列的一次加卸载试验,试验类型包括巴西劈裂试验、点荷载试验和中心直裂纹半圆盘断裂试验。利用图形面积积分法,分别计算不同卸载水平下岩样内部的总输入能、弹性能和耗散能,并对三者随卸载水平增加的规律及其相互之间的关系进行分析。研究结果发现:(1)3种试验条件下,试样在各卸载水平处的总输入能、弹性能和耗散能均随着卸载水平的增高呈非线性增长趋势,满足二次函数关系。(2)各卸载点处的弹性能、耗散能与总输入能之间分别存在线性函数关系,这一函数关系和卸载水平无关。发现了岩石张拉破坏过程中存在的线性储能和耗能规律。岩样达到峰值点处的内部弹性能和耗散能,可以依据该线性函数计算得到。根据得到的线性储能和耗能规律,给出储能系数和耗能系数的定义(分别为试样加载过程中弹性能、耗散能和总输入能的比值)。上述结果为从能量角度对岩石的破坏行为进行研究提供了新思考。     

确定弹性应变能指标的岩样卸载点的声发射方法

弹性应变能指标方法是岩爆倾向性评判中应用最多的一种方法,但该方法的一个技术难题是在实验中难以确定卸载点。在武夷山隧道工程的岩爆倾向性评价的室内试验中结合岩石的声发射监测技术,试图解决这个难题,并利用弹性应变能指标法对该隧道的岩爆倾向性进行了评价。试验研究结果表明,采用声发射监测技术并利用岩石峰值破坏前声发射突增的特性,可以较好地控制初次加载达到岩石峰值强度的80%以上,且在岩石不发生破坏的情况下及时卸载,从而能很好地满足弹性应变能指标法对岩石加卸载条件的要求,提高了测试结果的可靠性。同时,本实验得出该隧道具有发生中等岩爆的倾向性的结论。     

受载岩石能量演化的围压效应研究

 能量演化贯穿于岩石变形破坏的全过程,为了探究围压对受载岩石能量演化特征的影响规律,对红砂岩试样进行6种固定围压下的轴向加、卸载试验,揭示岩石弹性能和耗散能演化及分配规律的围压效应,并探讨工程采动岩体的能量演化路径。研究结果如下：(1) 提出岩石储能极限、最大耗散能密度、残余弹性能密度3种特征能量参数,可分别表征岩石的能量积聚、耗散和释放行为特征;(2) 峰前主要表现为能量积聚,峰后主要表现为能量耗散和释放,但随着围压的增高,岩石储能极限大致呈幂指数增长,残余弹性能密度呈线性增加,最大耗散能密度呈幂指数增加,表明围压增大了能量输入的强度,减弱了能量释放的烈度;(3) 围压越大,弹性能比例在峰前阶段越大,在峰值破坏时下降幅度越小,在峰后阶段二次上升所达到数值越接近于峰前值,表明围压提高了能量积聚的效率,提升了岩石破裂重组后的储能能力;(4) 工程采动岩体失稳破坏的能量路径是增加储能水平和降低储能极限2条途径的组合,能量路径斜率越大,越容易因为围压的突然卸载而发生强能量释放行为。     

真三轴压缩下砂岩的能量和损伤分析

为了探究真三轴压缩下砂岩的能量和损伤演化规律，利用自主研发的真三轴扰动卸荷岩石测试系统进行真三轴一次加卸载试验和真三轴压缩试验，对真三轴压缩应力–应变演化规律进行研究，探讨三向主应力加、卸载的对岩体的影响，利用图形面积积分法分别计算了真三轴压缩的弹性能密度、耗散能密度与输入能密度，分析三者随最大主应力卸载水平增加的规律及其相互之间的关系，进一步研究真三轴压缩过程中损伤演化规律，并对冲击地压倾向性判定条件弹性能量指数进行讨论。研究结果表明：真三轴压缩下最大主应力增大，使砂岩内部应力调整，从而引起中、小主应力方向应变变化，从能量角度定义该现象为能量“诱增”；划分了三个方向主应力加、卸载的种类，将加载分为损伤加载(最大主应力加载)与保护加载(中、小主应力加载)；将卸载分为常规卸载(最大主应力卸载)与损伤卸载(中、小主应力卸载)；真三轴压缩下中间主应力方向约束应力较大，使得该方向“诱增”弹性能密度比例高于最小主应力方向“诱增”弹性能比例；真三轴压缩下最大主应力方向应力提升，砂岩的弹性能密度、耗散能密度均与输入能密度之间存在线性函数关系，提出了真三轴压缩的能量分析方法，进一步得到了砂岩的储能极限...     

层理倾角对受载千枚岩能量演化及岩爆倾向性影响

选择5种不同层理倾角的千枚岩进行单轴一次加卸载试验,探讨层理倾角对千枚岩变形破坏过程中能量演化及岩爆倾向性影响.试验结果如下:各岩样应变能演化相似,在应力峰值前表现为能量积聚,峰值后为能量释放和耗散.但随着层理倾角的增大,其储能极限、残余弹性能和最大耗散能均呈U型变化,通过拟合在60°均取得最小值;随层理倾角增大,在峰前岩样的弹性能比例值呈倒U型变化,其中在60°取得最大值,表明峰前在60°处用于层理压密做的功最少.而且在峰前最大弹性能比例随层理倾角增加变化幅值较小,体现出峰前层理倾角对储能效率影响较小.在峰后弹性能比例下降幅度大小为60°>30°> 45°> 90°> 0°,说明含0°层理岩样的峰后裂隙发育最不充分表现出的脆性最大;结合弹性变形能指数(Wet)和冲击能量指数(Wcf)的优点建立新判据储能性能和峰后继续破坏耗散能的比例(W),并计算各倾角岩样的W值,其从小到大为60°→45°→30°→90°→0°.     

一种新的岩爆倾向性指标

从岩石的变形和破坏过程中的能量储存和能量耗散出发，指出岩石的单轴抗压强度与单轴抗拉强度之比值可以表征结构较完整岩石的弹性变形能的储存能力以及峰值前后的应变量之比值可以表征岩石的能量储存与耗散之间的相对大小，提出用这两种比值的乘积作为岩爆倾向性指标。采用铜陵有色金属公司冬瓜山深部矿床的典型矿岩进行试验，对这种新的岩爆倾向性指标与现有的岩爆倾向性指标进行对比分析，结合该矿床实际的岩爆调查，说明新指标可以较好地表征岩石的岩爆倾向性，并提出了这种新指标判据的初步建议。     

不同岩爆倾向性灰岩加载声发射特征及损伤模型

为探讨不同岩爆倾向性灰岩声发射特征及其所表征的损伤模型,开展不同埋深灰岩的岩爆倾向性室内试验和单轴压缩声发射试验,综合弹性能量指数W_ET判据、变形脆性指数K_ε判据和线弹性能W_e判据对同一钻孔埋深600～1 000 m灰岩进行岩爆倾向性判别;以时间为中间变量,推导不同岩爆倾向性灰岩声发射累积能量与应变的关系;基于损伤力学基本原理,建立以声发射累积能量表征的损伤模型。研究表明：灰岩岩爆倾向性随埋深梯度的增加而增强;在应力临近峰值前,不同岩爆倾向灰岩声发射事件数及累积能量均剧烈增加,声发射累积能量呈“台阶”型演化。岩爆倾向从无到强,声发射事件数高发的频率越小,累积能量经历的平静期更长,“台阶”宽度愈发变窄,灰岩储存的能量由阶段性耗散逐渐转向瞬间释放。无岩爆倾向灰岩声发射累积能量符合幂函数增长特征,有岩爆倾向灰岩声发射累积能量呈阶段性突增,由此建立的损伤模型以灰岩有无岩爆倾向性分为2种不同的形式。损伤模型中A,B_T,C三个参数分别代表了岩石储能的大小、能量释放时间位置以及能量释放快慢程度,可为岩爆倾向性的判...     

玲珑金矿花岗岩岩爆倾向性的实验研究

通过基本岩石力学实验,得到了花岗岩的力学参数,在此基础上,建立了三种岩爆倾向性指标(岩石脆性指数、岩石弹性变形能指数、岩石冲击能指数)对其进行岩爆倾向性判别,结果表明:玲珑金矿花岗岩为强岩爆倾向性,已具备了发生强烈岩爆的内部条件。     

基于裂纹损伤应力及声发射数的卸载点判断

岩爆倾向性指数Wet是广泛应用于评价岩石岩爆倾向性的指标。但是,由于试验过程中卸载点难以判断,使得试验结果往往存在较大偏差。目前,通常认为裂纹损伤应力和声发射相对平静期对应的初始应力均接近岩石的峰值强度,可以作为卸载点。但是哪种方法的效果更优尚不明确。通过对花岗岩进行单轴加载试验,在试验时同时监测岩样的应力-应变关系曲线及声发射数,发现裂纹损伤应力与声发射相对平静期对应的初始应力相接近,且二者均接近岩石的峰值强度。因而在试验机无法自动显示和监测裂纹损伤应力时,可以通过声发射监测,将声发射相对平静期对应的初始应力作为卸载点。同时,由工程实例表明,将声发射相对平静期对应的初始应力作为卸载点,其按岩爆倾向指数Wet计算所得的岩爆倾向性结论与现场实际监测所得的结论相符。     

白砂岩相似材料配比试验及特性分析

岩爆已成为隧道工程中的常见灾害,物理模型试验是模拟和解决岩爆问题的一种有效科学手段。制作物理模型,材料选取和配比是关键。选取成昆铁路峨米段月直山隧道白砂岩为模拟对象配制白砂岩相似材料,引入弹性能指数、脆性指数和剩余弹性能指数,采用正交设计法配比相似材料,结合影响因素敏感性分析法对试验结果进行分析研究。以石英砂、铁粉、石膏、水泥、缓凝剂和减水剂为主要材料,选取石英砂含量、铁粉含量、石膏水泥比和砂子粒径4个影响因素,每个因素设定4个设计水平,一共16组配比方案。测定每组试验方案材料的单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、弹性能指数、脆性指数和剩余弹性能指数,对比分析这些指数随着4个影响因素的变化规律。最终挑选出合理的材料配比方案,得到满足要求的白砂岩相似材料。试验结果表明:基于弹性能指数、脆性指数和剩余弹性能指数,配制出的材料能够满足白砂岩相似材料模型试验的要求;以水泥作为胶结材料可以使相似材料峰后曲线变缓,有效增加材料储能能力;预配制出中等强度岩爆倾向性白砂岩相似材料的关键是要合理地控制好石英砂的含量和石膏水泥比两个因素,再根据实际情况调节铁粉含量和石英砂粒径大小。     

基于剩余能量释放速率指数的煤岩组合体冲击倾向性判定

煤岩冲击倾向性是煤岩是否发生冲击地压的自然属性，是煤岩发生冲击地压灾害的关键影响因素。为准确评判煤岩冲击倾向性，以煤岩组合体为研究对象，对其开展单轴循环加卸载试验，获得组合体不同应力水平下弹性应变能，建立弹性应变能与应力水平之间的函数关系，提出一种峰值应力时刻弹性应变能计算新方法。据此，提出一种综合考虑试件峰值强度、弹性应变能、破坏过程能量耗散及破坏时间的剩余能量释放速率指数，并结合现有指标给出冲击倾向性判定区间，最后进行合理性验证。结果表明：(1)随着应力的增大，弹性应变能呈现“缓慢→快速→缓慢”的增长规律，对应了应力–应变曲线的压密阶段、弹性阶段、塑性阶段。(2)输入应变能、弹性应变能、耗散应变能的演化规律与应力演化规律相似，均随应力的增大而增大，输入应变能增幅最大，耗散应变能增幅最小。(3)试验获得了组合体不同应力水平时刻的弹性应变能，建立弹性应变能与应力水平之间的函数关系，即任一时刻应力的平方与弹性应变能具有良好线性关系，据此，提出一种峰值应力时刻弹性应变能计算新方法。(4)综合考虑试件峰值强度、弹性应变能、破坏过程能量耗散及破坏时间等多种因素，提出一种新的冲击倾向性鉴定指标：...     

三轴循环加卸载条件下岩石能量演化及分配规律

为探究围压对受载岩样能量演化特征的影响规律,设计了按轴向位移等梯度加载的恒围压卸轴压的试验应力路径,采用MTS815岩石力学试验系统开展了6种围压下岩样的三轴循环加卸载试验;提出基于加卸载曲线的面积来计算岩石能量的方法,避免采用弹性模量不变的假设而造成能量计算误差,采用特征能量密度和能耗比参数来表征受载岩样的能量积聚、耗散及释放行为,揭示了受载岩样能量演化过程及分配规律的围压效应。试验结果表明:随着从峰前向峰后阶段推移,弹性能占比逐渐降低,耗散能占比逐渐提高,在残余阶段能量占比趋于稳定。随着围压的提高,岩样的特征能量密度随之增大。能耗比(耗散能密度与弹性能密度的比值)可表征受载岩样内部损伤积累状态,在峰前阶段,能耗比随循环次数的增加而增大;在峰后阶段,能耗比先增大后减小,出现拐点(受载岩样大面积破裂或破坏的征兆点)。围压可抑制因岩样破裂或破坏时能量的耗散和释放,造成岩样破坏时所释放的弹性能不彻底;随着围压的提高,能耗比随之降低。     

循环荷载下花岗岩应力门槛值的细观能量演化及岩爆倾向性

为研究三轴循环加卸载条件下三山岛花岗岩细观能量演化规律,采用颗粒流理论确定了花岗岩的应力门槛值(起裂应力σci、损伤应力σcd和峰值强度σf),研究了应力门槛值对应的边界能、应变能(线性接触应变能和平行黏结应变能)、耗散能(摩擦能和阻尼能)、动能随围压变化的规律,并从能量角度建立了岩爆倾向性评价指标Wx.结果表明:三山岛花岗岩不同围压下相应的σci/σf位于37. 0%～44. 8%区间,σcd/σf位于81. 2%～89. 0%区间,随着围压的增大,起裂边界能、应变能和耗散能呈线性关系增加,损伤(峰值)边界能、应变能和耗散能呈指数关系增加;其中耗散能受围压影响最为敏感,增幅倍数最大,其次是边界能,最后为应变能.围压对起裂应变能比例影响不大,损伤和峰值应变能比例随围压增大缓慢减小,峰值应变能比例下降幅度最大.基于岩爆倾向性评价指标Wx可知,当围压在20 MPa内,三山岛花岗岩岩爆倾向性相对较小;当围压达到30 MPa时岩爆倾向性开始迅速增加.研究成果为岩爆倾向性的评价提供了新的参考指标,进一步为井下岩体工程的稳定性研究提供了新思路.     

真三轴加卸载下含裂缝砂岩能量演化规律研究

为了探明真三轴循环加卸载过程中含裂缝砂岩能量演化规律,设计了真三轴循环加卸载试验,深入分析了循环加卸载过程中吸收总能量、弹性能、耗散能的演化规律与变化特征,进而探讨了能量耗散与岩石强度之间的关系。结果表明:(1)吸收总能量、弹性能和耗散能变化规律与砂岩试样裂缝角度无关,均随循环次数的增加而增加,且增幅越来越大,临近破坏时最大;(2)不同裂缝角度砂岩的吸收总能量、弹性能和耗散能与应力上限呈二次函数关系增长,吸收总能量、弹性能和耗散能能量增速依次减小,但前两者增速显著大于耗散能增速,且耗散能拟合曲线呈“凹”形;(3)定义了表征岩石储能能力和能量耗散能力的储能系数和能量耗散系数,对比发现岩石裂缝角度越大,储能能力越强,能量耗散能力越弱,岩石的峰值强度越大。     

单轴压缩下非贯通节理岩体损伤破坏能量演化机制研究

能量的积聚与释放伴随发生在节理岩体受荷变形全过程。为探寻加载过程中节理岩体能量演化规律,基于单轴压缩试验及岩石能量原理,研究非贯通节理岩体变形破坏过程中总能量U、弹性应变能U~e及耗散能U~d的转化特征,揭示节理岩体损伤破坏能量演化机制,建立了基于弹性能耗比变化率(dK/dε)的非贯通节理岩体裂缝扩展及强度失效准则。研究表明:节理存在对岩体中能量的存储具有明显的削弱作用,峰值点总能量与弹性应变能随节理数量的增加逐渐减小;节理岩体的弹性应变能U~e及耗散能U~d变化曲线存在"阶梯状"突减或突增,双节理岩样弹性应变能和耗散能突增或突减的数值明显小于单节理岩样;峰前与峰后阶段弹性能耗比变化率发生连续突变(dK/dε正负交替变换)与突变(dK/dε保持为正无穷)作为节理岩体裂缝扩展及强度失效判据。     

桃山90~#煤层有效弹性能量释放速度研究

冲击地压防治基础是进行冲击倾向性鉴定,测定指标的准确性和合理性尤为重要。在对现行冲击能量指数分析的基础上,综合考量煤岩体峰前塑性变形能释放和有效弹性能释放时间效应,建立有效弹性能释放速度计算模型,提出基于声发射特征参数和循环加卸载载荷表征峰值前释放塑性能,利用TYJ–500KN微机控制电液私服岩石剪切流变试验系统对煤样进行循环加卸载声发射实验,通过上述表征公式拟合得到分段函数计算式,进行冲击能量指数测定实验,验证表征公式可靠性。结果表明:依据峰值卸荷表征与声发射特征参数表征结果差仅为5.27%,2种表征方式相互印证。有效弹性能释放速度与冲击能量指数、单轴抗压强度、有效弹性能成正相关,与破坏时间成负相关。从而证明利用有效弹性能释放速度鉴定冲击倾向性具有一定合理性。     

基于剪切应变梯度塑性理论的断层岩爆失稳判据

应用应变梯度塑性理论及能量准则，提出了断层岩爆的失稳判据的解析解。断层带被视为一维剪切问题，断层带尺寸由岩石内部长度确定。断层带的一半及带外一侧的弹性岩石被视为一个系统。得到了依赖于断层带尺寸的断层带的耗散势能及峰后刚度表达式。应用能量准则，得到了断层带-围岩系统的失稳判据，它不仅与岩石材料的本构参数有关，也与岩石结构的几何尺寸有关，说明系统的稳定性具有尺寸效应。断层岩爆失稳判据与矿柱岩爆失稳判据具有类似性。目前的断层岩爆失稳判据的优越性在于：断层带的宽度、断层带的耗散势能、峰后刚度及失稳判据等都可以解析表示；而且，断层带内部具有不均匀的(塑性)剪切应变，这一点与有关的实际观测结果相符合。     

基于能量原理的卸围压试验与岩爆判据研究

 岩爆是高地应力区地下工程开挖卸荷产生的地质灾害现象。按照地下硐室开挖过程中围岩的实际受力状态,开展脆性花岗岩常规三轴、不同控制方式、不同卸载速率条件下峰前、峰后卸围压试验,研究岩石破坏的全过程,从能量的原理探讨岩石破坏过程能量积聚–释放的全过程,研究岩石的变形破坏特征、能量集聚–耗散–释放特征和基于能量原理的岩爆判据。试验结果表明：无论是峰前还是峰后卸围压,岩样都表现脆性破坏的特征,峰前卸围压时岩样破坏表现出的脆性比峰后卸围压更为强烈;且无论是加载还是不同控制方式卸围压条件下,岩石在破坏前所能够储存的最大应变能受围压和卸载速率的控制。从能量的观点和工程应用的角度出发,提出一种新的能量判别指标：岩体实际储存能量与极限能量之比为U/U0,该指标真实合理地反映地下工程开挖卸荷过程中围岩的能量变化过程,围岩能量的积聚程度以及岩爆的发生程度,通过数值仿真计算可以更合理地定量预测高应力下地下工程开挖过程中岩爆发生的强度和位置。     

基于能量法的TBM隧道岩爆预测

采用取自巴基斯坦N-J(尼鲁姆·杰卢姆)水电站的砂岩进行了一系列不同初始围压和卸载速率的卸围压试验。卸围压试验结果的分析表明,岩石的极限储存对受卸载速率不敏感,但是受初始围压的影响较大,随着初始围压的增大,岩石的极限存储能线性增加。利用得到的砂岩极限存储能,采用能量判据对N-J水电站引水隧道岩爆可能性进行预测,当隧道埋深为1900m时,发生中强岩爆的可能性较大。