循环冲击状态下砂岩力学及损伤特性研究

为研究循环冲击状态下砂岩力学及损伤特性,本文采用分离式Hopkinson压杆试验装置对红砂岩进行不同入射幅值的循环冲击试验,通过Weibull分布统计损伤模型分析了红砂岩损伤演化规律。研究结果表明,以90MPa入射应力进行循环冲击试验时,随着循环冲击次数的增加,动态强度先增大后减小,最大应变以及平均应变率则先减小后增大,第一次冲击有助于提高红砂岩的抗压强度;随着入射幅值的增大,当以100MPa、110MPa、120MPa入射应力冲击时,动态强度、变形模量和循环次数逐渐减小,最大应变和平均应变率逐渐增大。基于Weibull分布的损伤模型可以反映此材料的损伤演化特性,累积损伤随着冲击次数的增加而增大,累积单位体积吸收能与累积损伤规律具有较好的一致性,岩样出现失稳破坏为大块时的累积损伤值在0.8左右,没有明显的变化。研究结果为矿山岩体安全防护及正确评价岩石稳定性提供理论依据。     

西北人工冻结红砂岩的动态时效损伤模型

为了研究西北人工冻结红砂岩的动态力学特性,采用SHPB试验装置对-15 ℃红砂岩进行单轴冲击压缩试验。对SHPB试验中5组有效数据展开分析,得到了5条不同应变率下的动态应力应变曲线。基于损伤演化及元件模型理论,将冻结红砂岩视为由具有弹性特性、损伤特性、塑性特性及黏滞特性的非均匀质点组成,建立了包含损伤体元件、黏壶及弹簧的时效损伤模型。〖JP2〗研究发现:试件强度与平均应变率呈指数相关,当试件平均应变率较小时,试件的强度变化平缓,在高平均应变率下,试件强度急剧增大,当平均应变率为120.73 s-1时,应力峰值高达84.96 MPa,接近静态抗压强度44.1 MPa的2倍;时效损伤模型较好地反映了在一定范围内的冻结红砂岩应力应变关系。     

轴压影响下砂岩循环冲击力学性质及损伤演化特征

采用能够施加轴压的霍普金森压杆系统对砂岩试样进行循环冲击试验,分析循环冲击过程中试样的应力-应变曲线变化规律,并使用波速测量装置监测单次冲击后试样的纵波波速值,探讨轴压影响下砂岩试样循环冲击损伤演化特征。结果表明,轴压0 MPa、15 MPa、25 MPa、35 MPa时,采用相同速度发射子弹,试样分别在第19次、9次、6次、4次发生宏观破坏。不同冲击次数后试样动态应力-应变曲线形态有所区别,主要体现在峰后曲线斜率、峰值应力等方面。在本次实验所施加的轴压范围内,试样破坏所需的循环冲击次数随着轴压增加而减少,平稳发展阶段累积损伤变量及首次冲击产生的损伤变量值均有所降低。轴压作用改变了试样内部微裂隙闭合或扩展程度,对循环冲击试样累积损伤发展趋势产生显著影响,轴压与循环冲击产生耦合损伤,共同影响岩石动态力学性质。     

干湿循环对红砂岩力学特性及损伤影响试验研究

为了研究干湿循环对红砂岩煤矿井壁和巷道的力学特性及损伤劣化,将红砂岩进行不同次数的干湿循环,然后在MTS815岩石力学试验机上进行压缩试验,研究表明:红砂岩干湿循环次数增加,结构由致密连续向多孔疏松转变,微裂隙压密阶段持续时间增长,塑性屈服明显,峰值应变增加,弹性模量降低,峰值强度大幅下降,但强度不会一直降低,而是趋于某一值;单轴压缩下干湿循环10次时,塑性变形特征明显;随着围压的増大,压密阶段持续时间减小,峰值应变降低,弹性模量增大,峰值强度得到较大提高,峰后塑性变形显著,残余强度随之増强。基于热力学定律和能量耗散原理建立的不同干湿循环次数下红砂岩损伤演化方程和试验结果相近,研究结果可为井壁、巷道设计和支护提供参数。     

冻融循环和围压对岩石物理力学性质影响的试验研究

对饱和红砂岩进行开放系统下的冻融循环试验,记录红砂岩的冻融劣化过程及破坏特征;当试样经历0,5,10,20,40次冻融循环后,分别进行4种设定围压下的力学特性试验,分析了冻融循环和围压对岩石物理力学性质的影响规律。研究表明:红砂岩的冻融劣化模式主要为颗粒剥落、龟裂、脱落及断裂模式。随着冻融循环的进行,岩样的质量和密度呈现先增后减的趋势,而纵波波速持续减小;随着冻融循环次数和围压的增加,岩石的压缩性不断增强,峰值应变逐渐增大,塑性屈服段渐趋明显,残余强度降低速率减慢,破坏形式由脆性转化为延性;而弹性模量、抗压强度及残余强度随着围压的增大不断增大,随着冻融循环次数的增大明显减小。岩石的细观结构经历损伤的非线性演化,显现出宏观力学特性的变化。     

轴压和循环冲击次数对砂岩动态力学特性的影响

利用岩石动静组合加载SHPB试验装置,研究不同轴压的岩石在循环冲击过程中动态强度和变形特性。首先,对具有不同轴压的岩石进行循环冲击;进而考察了在循环冲击过程中岩石的典型动态应力-应变曲线;最后,研究轴压和循环冲击次数对岩石动态强度和变形特性的影响。研究结果表明：随着循环冲击次数的增加,加载段和第2卸载段的变形模量、峰值应力、恢复的应变与峰值应变之比和恢复的应力与临界卸载应力之比值逐渐降低;平均应变率、峰值应变、第1卸载段的变形模量以及单位体积吸收能逐渐增大。当轴压为其单轴抗压强度的22%,51%和65%时,岩石对外部冲击载荷的抵抗能力与冲击次数间的关系整体上呈现“平缓发展-急剧下降”,当轴压为0或为其单轴抗压强度的87%时,岩石抵抗冲击的能力随冲击次数的增加基本呈现匀速降低的趋势。当轴压为其单轴抗压强度的22%时,抵抗外部循环冲击载荷的能力最高。     

不同应力幅值下大理岩受循环动力扰动的力学特性实验研究

为了研究大理岩在不同应力幅值下受循环动力扰动作用的力学特性及损伤规律,对冬瓜山铜矿矿体顶板处的大理岩进行了不同应力幅值下的循环扰动试验,扰动频率为5Hz。试验结果表明:应力幅值对大理岩在循环扰动作用下的力学特性有显著影响,当应力幅值为30 MPa时,试样在多次循环动力扰动作用下未发生破坏,并在逐级加载过程中出现了弹模强化效应。随着应力幅值提高,试样破坏时的循环动力扰动次数显著减少;当应力幅值为30MPa和60 MPa时,试样为剪切破坏,当应力幅值提高至90 MPa时,试样局部出现了碎裂弹射现象。通过建立的应变损伤模型对不同应力幅值下的大理岩试样的损伤变化规律进行了研究。     

花岗岩冲击力学特性及损伤演化模型

使用分离式霍普金森压杆(SHPB)对花岗岩进行不同应力波波长(0.8~2.0 m)和不同应变率(20~120 s-1)组合下的冲击试验,对其动态力学特性和损伤演化规律进行了研究。试验得出:花岗岩的动态抗压强度与应变率呈线性正相关,动态抗压强度因子与应变率的自然对数呈线性正相关;峰值应变与应变率呈线性正相关,且波长的增加使峰值应变水平整体抬升。通过多次冲击试验得出:在同一波长下,花岗岩的累积损伤随着应变率的增长呈指数型递增形式;当保持应变率范围不变的情况下,增大应力波波长,花岗岩的损伤累积效应加剧,依然呈指数型递增形式;在多次冲击作用下,花岗岩损伤整体发展趋势相似,但增长速率加快;并由此建立以指数函数为基础的损伤演化模型,确定出模型中参数物理意义,该模型能够同时能反映应力波参数和冲击次数影响。通过验证表明模型的合理性及参数物理意义的正确性。     

等幅循环加载岩石非均匀变形演化试验研究

为了研究循环加载条件下岩石的变形演化规律,开展了红砂岩试件的等幅循环加载与分级等幅循环加载试验。采用CCD相机对试验过程中试件的变形图像进行采集,基于数字散斑相关方法分析了等幅循环加载过程中试件的非均匀变形演化规律。分析研究发现:循环加载过程中,随着循环次数的增加,试件的非均匀变形场逐步演化,变形局部化现象愈加明显;非均匀变形在循环加载过程中存在时间滞后和变形累积特征,且分级等幅循环加载过程中其峰值应力的增加会使非均匀变形的滞后特性与累积特征更加明显;在试件发生破坏前,加载顶点和卸载底点的非均匀变形指标数值逐渐接近。研究循环加载作用下岩石的非均匀变形演化规律,可为岩石破坏提供新的前兆信息。     

动静载耦合作用下工作面冲击危险的数值模拟分析

针对工作面开采过程中经常受到爆破震动、顶板垮落以及远场地震等动力扰动作用,开采过程中易诱发冲击危险。基于FLAC~(3D)数值模拟软件,以工作面静载20MPa、28MPa、36MPa为基础,在此基础上分别施加扰动应力波峰值为10MPa、20MPa、30MPa的动载作用,分析动静载耦合作用下工作面顶底板垂直应力与位移的演化规律。结果表明:静载相同时,随着动力扰动荷载的增加,垂直应力与位移受到动力扰动的现象越明显,顶底板均易出现扰动失稳;随着扰动循环次数的增加,顶底板垂直应力呈现出逐渐降低的趋势,表明煤体的损伤程度逐渐增大。同一动载扰动时,随着静载的增大,工作面顶底板的垂直应力与位移也呈现出逐渐增大的趋势,从而发生冲击危险的可能性越大。     

冲击荷载下轴压对峰后破裂砂岩力学特性的影响

针对深部工程围岩常处于峰后破裂状态且遭受动力扰动影响的特点,利用动静组合加载SHPB实验装置对经静态压缩制备的峰后破裂砂岩进行冲击压缩试验,开展一维动静组合加载下破裂岩石的力学特性研究。试验中预先设置轴向静载为8,24和48 MPa三个系列,然后进行不同应变率下冲击加载,研究轴向静载对峰后破裂砂岩动力学特性的影响。对比完整砂岩试验结果表明:轴向静载8 MPa和相近应变率条件下,峰后破裂砂岩组合强度与冲击强度均低于完整砂岩组合强度与冲击强度,两者变形模量相差不大,但峰后破裂砂岩单位体积吸收能大于完整砂岩单位体积吸收能。轴向静载相同时,峰后破裂砂岩组合强度与冲击强度均随着应变率的增大而增大;轴向静载不同时,峰后破裂砂岩组合强度随着轴向荷载的增大而增大,而冲击强度随着轴向静载的增大先增大后减小。随着轴向静载的增大,峰后破裂砂岩单位体积吸收能也随之增大。动静组合加载下峰后破裂砂岩呈剪切破坏模式,且原始裂纹影响破裂面的扩展方向。     

裂隙红砂岩冻胀力特性试验研究

裂隙岩体冻胀现象在富水岩层冻结工程中普遍存在,冻胀力易使得岩体裂隙尖端应力集中而产生新的微裂纹,微裂纹扩展贯通导致岩体发生不同程度破坏。为揭示裂隙岩体冻融损伤演化机制,探究以冻胀力驱动下的岩体裂隙扩展规律,利用超薄型电阻式压力传感器、温度传感器、低温恒温箱组成的冻胀力测试系统对不同冻结速率、不同裂隙尺寸、倾角以及不同边界条件下红砂岩贯通裂隙中的冻胀力进行测试,分析了贯通裂隙中冻胀力演化规律、冻胀劣化机制以及冻胀破坏模式。结果表明:含贯通裂隙试样典型冻胀力演化过程分为初始冻结阶段、迅速上升阶段、卸荷阶段、维持阶段、消散阶段;冻胀作用使得贯通裂隙端部附近出现明显裂纹扩展现象,试样整体呈竖向张拉破坏;贯通裂隙最大冻胀力随隙宽呈单指数函数增长、与温度成线性正相关;冻结过程中,试样边界条件对裂隙冻胀力影响显著,刚性约束边界条件下最大冻胀力达到1. 27 MPa,融化过程中,不同边界条件对应不同冻胀力跌落现象;低温条件下贯通裂隙红砂岩冻胀力变化特征与冻胀过程中声发射能量变化规律一致,充分验证了冻胀力对贯通裂隙岩体的损伤劣化作用。研究成果可为裂隙岩体冻胀力理论计算与数值分析、冻融损伤机制、冰-岩耦合特性以及煤矿立井冻结壁设计等提供参考。     

泥质粉砂岩冻融作用下含初始损伤岩石动力学特性试验研究

为研究冻融作用下含不同冲击损伤砂岩的动力学特性,对完整及不同初始损伤的泥质粉砂岩进行冻融 后开展冲击加载试验,研究冻融作用对含初始损伤泥质粉砂岩的宏观动力学性能和损伤演化规律。 结果表明:含初 始损伤砂岩的纵波波速、弹性模量与冻融周期呈负相关;含Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级初始损伤砂岩的纵波波速随冻融周期的增 大分别下降了 8. 1%、11. 9%、11. 2%、16. 8%,初始损伤等级越高的砂岩在冻融作用下纵波波速下降幅度越明显;冻融 损伤和初始损伤耦合作用下砂岩弹性模量的变化速率逐渐增加,抵抗形变的能力逐渐下降,塑性逐渐增大;在冻融作 用下含初始损伤砂岩的动态抗压强度与应变率呈指数衰减;初始损伤的存在加剧了冻融损伤对岩石的劣化作用,加 快了砂岩自身宏观动力学性能的弱化速率。     

岩石流变扰动效应三轴压缩试验研究

为了研究三向应力状态下扰动荷载引起的围岩流变变形规律,在岩石流变扰动效应单轴压缩试验研究的基础上,利用自主研发的岩石流变扰动效应三轴试验系统,选取红砂岩进行流变扰动效应三轴压缩试验,分析不同应力状态下流变扰动变形规律。试验结果表明:随着围压增大,各级流变变形量有所下降,长期强度增大,流变变形破坏滞后,破坏变形量有所增加;在进入扰动敏感区后,流变变形速率增大,变形不可恢复。最后,根据试验结果得出不同应力状态下岩石累计扰动变形量与累计扰动能量之间的本构方程。     

不同冲击强度下的砂岩动态力学特性试验研究

为研究冲击强度对岩石动态力学特性的影响,以改装的霍普金森压杆(SHPB)装置对砂岩进行了不同冲击强度下的动力学试验,测得了动态应力-应变曲线和应力波波形。然后,基于试验数据分析了冲击强度对砂岩强度、应变特性以及能量耗散规律的影响。结果表明:动态应力-应变曲线未出现压密阶段直接进入弹性阶段,冲击强度越大,应力-应变路径越长;岩样以破碎形态为主,破碎程度与冲击强度呈正相关;随着冲击强度增大,平均抗压强度和平均应变呈线性增长,而平均应变率呈指数增长;平均抗压强度和平均弹性模量随平均应变率呈线性增加。冲击强度越大,入射能和反射能值显著提高而透射能变化不明显,透射系数和反射系数分别呈幂函数增长和对数降低。砂岩吸收能随冲击强度和平均抗压强度分别呈指数关系和对数关系。由此表明,不同冲击强度对砂岩应变特征、强度特征以及能量耗散具有显著影响,适当增加冲击强度可有效提高砂岩吸收能,进而提高破岩效果。     

不同轴向静压下硬岩受频繁动力冲击作用下的力学特性研究

为了研究在不同轴向静压条件下硬岩受频繁动力冲击作用下的力学特性,对取自冬瓜山铜矿深部(900m)的矽卡岩试样进行动力冲击试验。试验结果表明:轴向静压对岩石累积冲击次数影响显著,累积冲击次数与轴向静压呈二次函数下降关系。随着冲击次数的增加,弹模整体呈下降趋势,不同轴向静压下,弹模随冲击次数表现出不同的变化特征;随着冲击次数的增加,峰值应力整体呈降低趋势,轴向静压对峰值应力的影响显著。不同轴向静压下,试样随冲击次数表现出不同的能量耗散规律,当轴向静压为75MPa时,试样出现了吸收能量的现象;当轴向静压为85 MPa和100 MPa时,试样在冲击作用下始终为释放能量,说明在高应力作用下,储存在试样内部的弹性应变能已经能够完全提供试样发生破坏所需要的能量,此时,岩石在动力扰动的诱导作用下极易发生破坏。这一现象为揭示深井开采过程中的岩爆发生机制提供了依据。