层理倾角对岩石力学与声发射特征的影响研究

层理倾角对岩石受载下的力学性质和声发射特征有重要的影响。通过对0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°倾角试样的单轴压缩模拟试验,获得了层理岩石抗压强度、破坏模式、声发射振铃数等随层理倾角的变化规律。研究结果表明:1随着层理倾角的增加,试样单轴抗压强度存在着先增大后减小又增大的过程;2大致分为3种破坏模式,15°和30°倾角试样劈裂与剪切破坏并存,以劈裂破坏为主,属于先基质后层理型破坏;45°、60°、75°倾角试样劈裂裂纹相对较少,剪切破坏显著,属于先层理后基质型破坏;0°和90°倾角试样出现大断口,属于局部强烈基质型破坏;30°、15°、30°和90°倾角试样声发射静默期长,活跃期短,其最大声发射数大,声发射增长速率快;而45°、60°和75°倾角试样静默期短,活跃期长,其最大声发射数小,声发射增长速率慢。     

岩石冲击倾向与其波速变化的相关性研究

为探求岩石受载过程中波速变化规律与其冲击倾向的关系,建立单轴压缩下不同冲击倾向岩石波速随变形的变化关系式,并通过实验室试验对其进行初步验证。研究结果表明：(1) 当岩石冲击倾向性较强时,随着应变量的增加,波速开始基本没有变化,当所加荷载达到约90%峰值应力后,波速发生急剧下降;当冲击倾向性较弱时,波速基本呈线性降低。(2) 定义波速衰减因子的概念,用来表征岩石冲击倾向性的强弱,并初步确定其判别准则。(3) 对3种不同冲击倾向性岩石进行单轴压缩及波速测试试验,试验结果与理论关系式吻合较好。     

基于声速法的冲击矿压危险性预测研究

为了研究冲击矿压危险性和声波速度之间的关系,建立了损伤和纵波波速之间的定量关系,并通过对红砂岩进行单轴压缩实验,验证其正确性。利用上述关系,提出了冲击矿压危险性预测的一种新方法,并对危险等级进行了划分,提出了相应的解决措施。当应力水平较低时,纵波波速缓慢上升,损伤量减少;随着载荷的增加,到达峰值的80%~90%水平时,会出现纵波波速急剧下降,损伤量快速增大的现象,预示着破坏即将来临。     

岩石高温相变与物理力学性质变化

 岩石内部结构随温度升高的变化会导致其物理力学性质的改变。利用MTS伺服试验机和高温炉进行常温至800 ℃花岗岩物理力学参数随温度变化特征试验。研究结果表明：(1) 岩石物理力学性质随温度变化可划分常温～100 ℃和100 ℃～300 ℃,300 ℃～500 ℃,500 ℃～600 ℃,600 ℃～800 ℃五个阶段;前3个阶段的温度范围分别对应岩石内附着水、结合水和结构水汽化逸出的温度区间。(2) 岩石物理力学性质(抗压/抗拉强度,渗透率,波速等)在400 ℃～600 ℃的温度范围内会有显著变化;受石英由? 相变为? 相的影响,岩石体积增大,微裂隙大量增加,在573 ℃附近存在强度和波速下降的加速点。(3) 温度大于600 ℃后,岩石强度和波速会继续降低,其与固体矿物膨胀和金属键断裂引起矿物熔融破裂及相变有关。     

花岗岩单轴压缩的声发射特征及热力耦合模型

通过高温后花岗岩的单轴压缩及声发射试验,研究了各温度水平下试件纵波波速的变化及应力-应变曲线与声发射曲线的关联,并提出由累积声发射频数表征的损伤变量,然后依此损伤变量导出温度-应力耦合模型。研究表明:试件的纵波波速随温度的升高而降低,而且降低的幅度逐渐增大;应力-应变曲线与声发射曲线吻合得较好,主要分为六个阶段,声发射总是发生在加载曲线的转折点,意味着能量的突变;耦合模型理论曲线与试验曲线总体形状相类似,较好地反映了花岗岩的脆性。     

基于声发射测试的岩爆倾向性预测研究

为研究岩石岩爆倾向性与加载过程中声发射特征的关联,建立了不同岩爆倾向岩石加载过程中声发射累积数与应变的定量关系,并对3种不同岩爆倾向性岩石单轴加载下的声发射特征进行了实验室试验,验证了其正确性。当岩石岩爆倾向性较强时,随着应变量的增加,主破裂之前只有零星的声发射出现,并且能量非常小,主破裂之后的声发射几乎没有,而主破裂时的声发射数目和能量都非常显著。当岩石岩爆倾向性较弱时,加载不久就有少量声发射出现,在时间上呈现无规则型、没有声发射率显著变化的阶段出现。     

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。     

温度影响下花岗岩冲击倾向及其微细观机制研究

为考察温度对岩石冲击倾向性的影响,在实时高温(25℃～850℃)和高温热处理后(25℃～1200℃)2种情况下对花岗岩岩样进行单轴压缩和断口电镜扫描试验,结果表明:(1)实时高温下,岩石冲击倾向性随温度的升高存在2个阈值温度,第一阈值温度范围为150℃～250℃,第二阈值温度范围为500℃～600℃。从25℃到第一阈值温度,冲击倾向性指标大幅增大,从强冲击倾向演化为极强冲击倾向;从第一阈值温度到第二阈值温度,冲击倾向性指标略微下降,表现为极强冲击倾向;从第二阈值温度到试验终温,冲击倾向性指标大幅急剧下降,表现为弱冲击倾向或无冲击倾向。(2)高温后冷却情况下,随温度的升高岩样冲击倾向性总体呈逐渐下降趋势,25℃～200℃表现为较强冲击倾向,200℃～800℃表现为中等冲击倾向,800℃后表现为无冲击倾向。(3)5种冲击倾向性指标相比,有效冲击能指数和剩余能量指数较能反映真实的冲击倾向性,其余3种指标因为考虑不全面而产生误差。(4)得到4种典型的应力-应变曲线形态,并分析不同加温方式和温度段与各形态的对应关系。(5)对宏微观破坏形态进行分析,高温后岩样随冲击倾向性的减弱,破坏机制依次为张拉破坏、张剪破坏和剪切破坏,呈现脆性机制向延性机制转变的趋势。     

表面裂纹问题的上限解

本文提供了带半椭圆表面裂纹的有限平板承受轴力与弯矩联合作用时的上限解。带单边深切口平板的一般屈服问题(指平面应变)文献已给出了滑移线分析结果,基于复杂条件的上限解很难引伸于表面裂纹问题。根据现有理论和数值分析,作者导出了另外一个简单的上限解,该解既适用于单边切口平板也易于引伸于表面裂纹平板。在实用问题中,估算表面裂纹平板在轴力和弯矩联合作用下的一般屈服载荷是一个重要问题。利用作者推荐的上限解和滑移线场理论已导出了表面裂纹平板的交互作用曲线,当表面裂纹的几阿尺寸给定之后,根据所导出的关系式就可以计算弯矩 M 和轴力 T 同时作用时的塑性限制系数, 计算的塑性限制系数已在 M_1、 T_1坐标平面上制成图表,这些图表有工程参考价值。     

热–水–力作用下红砂岩力学性质及有限变形本构方程研究

温度、地下水及地应力是深部开采过程中影响岩体变形破坏的重要因素。从试验出发,基于正交试验原理,设计并开展温度–饱水时间–围压作用下的红砂岩变形破坏试验。分析并讨论温度、饱水时间和围压对红砂岩力学性质的影响。温度、饱水时间、围压均对岩样弹性模量和峰值应力具有显著影响,且显著性水平均在90%以上,其中围压的影响最大,温度的影响最小;利用线性模型描述了温度、饱水时间以及围压作用下岩样的弹性模量、峰值应力以及泊松比的变化规律。之后,针对深部开采中的大变形问题,基于有限变形理论,计算红砂岩变形破坏过程中平均整旋角并研究其演化规律,进而借助平均整旋角建立温度–水–力作用下的红砂岩大变形本构方程,通过和试验数据的对比表明,提出的本构方程可以较好地描述红砂岩变形破坏的过程。