深部砂岩加卸载过程的能量演化分析

为了研究砂岩不同应力路径下的力学特征和能量演化规律,开展砂岩的三轴加载试验与同时卸轴压和围压的三轴卸荷试验.分析了在受荷破坏过程中围压以及应力路径对砂岩的力学特性以及能量演化规律的影响.结果表明:不同的应力路径下,围压增大可以提高试件的力学特性;不同应力路径下,围压的增高会提高峰值强度对应的总能量、弹性能以及耗散能;不...     

3种条件下砂岩超声波波速的试验研究

利用自行研制的岩石高温加热装置,对砂岩试件单向约束、双向约束、无约束3种试验条件下高温前后的纵波波速进行试验研究.结果表明:单向约束试验中,随着温度的升高,砂岩Y,Z方向波速与温度的关系曲线基本成二次函数变化,X方向近似直线下降,700℃时砂岩波速降到了2.096km/s;双向约束试验中,砂岩3个方向的纵波波速随温度升高均呈直线下降;700℃时双向约束试验中砂岩纵波波速最多下降了51.793%,无约束试验中1 200℃时砂岩纵波波速最多下降了80%.高温作用后,岩石内部微结构发生变化,温度越高变化越大,主要表现为岩石内部水分不断蒸发,含水矿物的脱水、相变和岩石部分熔融,孔隙率增加,颗粒边界裂纹出现、发展、贯通,微裂隙产生、演化,矿物成分分解,胶结物强度降低,内部结构热应力扩散,矿物颗粒相互摩擦挤压等.     

岩石材料破裂过程中声发射信号的应力状态及能量演化研究

岩石受载破裂过程中能量不断积累和释放,而岩石材料非均质性等细观组构特征对其破裂产生的声发射具有显著影响.通过岩石力学试验建立不同非均质、非均匀岩石强度和能量参数的评价方法,分析了不同非均质性岩石的声发射特征与应力状态和能量水平之间的关系.研究表明：岩石在不同应力阶段有不同强度的成分发生破裂,不同应力水平所产生的声发射信号由不同成分的破裂所致;岩石破裂损伤后,剩余能量与总能量、能量降有关,声发射监测到的弹性波能量是能量降的一部分,此能量降与应力状态及材料特性有关;将粉砂岩细分为均质且均匀、不均质而均匀、不均质且不均匀三类,不同非均质、非均匀程度的岩石在不同应力状态下破裂及能量释放情况不同,其中均质且均匀的岩石强度和蓄能水平最高.建立的基于声发射的应力状态和能量水平判别理论可应用于工程中微震监测数据分析,为识别矿山开采过程中区域煤岩体临界状态与超前预警提供了理论基础.     

单轴压缩下不同含水状态砂岩损伤演化试验

为了研究不同含水状态岩石损伤演化特性,利用RMT-150C岩石力学试验机、AEwin-USB型声发射信号采集系统和KBD5电磁辐射采集系统,对干燥、自然和饱水状态下的红砂岩进行单轴压缩声电信号监测试验.基于岩石破坏过程中声发射振铃计数、电磁辐射脉冲数和应力变化,建立了砂岩损伤演化模型.结果表明:声发射、电磁辐射信号和损...     

煤矿砂岩双向加载下力学特性及破坏特征实验研究

随着开采深度的不断加深,开采活动在地下开挖体周边引起的压缩应力可能足以引起岩爆甚至作业人员伤害等灾害.地下开挖体周边岩石处于平面应力或平面压缩状态.为了研究地质材料的双轴强度.对从煤矿井下采出的100 mm立方体灰砂岩试件的双轴力学性能和强度进行了实验研究.双轴压缩的加载速度为1 MPa/s.对砂岩立方体试件和标准试件的单轴强度进行了测试并与双轴试验结果进行比较.实验采用了2种加载路径:一种是保持双向受力相等直至破坏;另一种是保持双向受力相等直至单轴抗压强度的1/2,然后保持约束荷载恒定,增加另一荷载直至破坏.给出了试验结果和所观察到的现象,探讨了砂岩双轴加载的破坏机理.试验结果表明,随着约束荷载的增加,岩石双轴强度显著增加,试件的破坏通常由加载初期开始,并持续地沿自由面片落,最终产生加载平面外的剪切破坏,同时伴随轻微的断裂声响.     

声发射特征在灰岩损伤识别及定量评估中的应用

岩石的损伤演化研究直接关系到我国重大地下工程的安全控制问题,特征应力作为岩石变形破坏过程中的阈值应力,其能否被准确识别将直接影响损伤评价效果。本文利用RMTTS应力测试系统和MISTRAS声发射试验系统,针对灰岩裂缝应力的识别及损伤定量评价问题开展相关研究。通过灰岩单轴压缩下的声发射试验,分析了与应力-应变曲线各阶段对应的声发射信号特征,当裂缝扩展由稳定阶段发展为不稳定阶段时,声发射信号在频率和能级上都有较大幅度提高。基于灰岩单轴循环加载过程中Felicity效应比值FR的变化规律,提出了一种不依赖应变测量的裂缝损伤应力识别方法,对3组灰岩岩芯的识别结果为0.7-0.75σc ,与已有的应力-应变曲线法识别结果0.73σc 对比,验证了该方法的可靠性,Felicity效应识别法保证了求解结果的客观性,其识别范围可由循环加载间的应力增量大小决定。利用基于声发射能量值表征的损伤变量,对灰岩的损伤演化过程进行了定量评价,结果表明：在损伤稳定演化区间内,28.3％的应力范围,损伤累积了17.4％;而在裂缝损伤应力之后的损伤加剧演化区间内,26.1％的应力范围内,损伤累积了80％。本文的研究成果可为深入认识工程领域中岩石的损伤演化机制提供技术支持。     

煤卸荷过程中声发射特征及综合破坏前兆分析（研究生论坛稿件）

为探究煤破坏全过程的声发射（Acoustic Emission,简称AE）特征及破坏前兆信息,利用MTS815岩石力学试验系统和PCI-2型声发射监测系统,对不同初始围压下煤样的卸荷破坏进行声发射试验,得到了煤在卸荷过程中AE特征的围压效应及基于声发射的多参数综合破坏前兆信息。结果表明：煤的承载能力随着初始围压的上升明显提高;煤在变形破坏过程中的AE时序参数、空间分布演化特征和振幅分布均与其所处力学状态契合良好,部分AE参数在煤样变形破坏过程中产生明显突变：AE空间分布演化的两次突变点对应的应力水平分别为55%和80%,能量率的突变点对应的应力水平为87%,振铃计数率的突变点大致对应其峰值应力,振幅和b值的峰值分别对应峰后89%和78%左右的应力水平;根据突变点对应变形破坏阶段的不同,将其综合分为四组,作为煤卸荷破坏的前兆信息,为采用AE监测技术预防开挖过程中的动力灾害事故提供参考。     

高地应力下砂岩力学参数和波速变化规律试验研究

基于波动方程,提出一种砂岩的纵波波速与静水围压关系的数学模型。在岩石常规三轴试验的基础上得到不同静水围压下砂岩的静弹性模量、静泊松比和纵波波速,并分别拟合得到静弹性模量-静水围压和静泊松比-静水围压关系的拟合曲线和拟合公式。试验结果表明,砂岩的静弹性模量和静泊松比随静水围压的增大而增加,且静弹性模量增加速率缓慢减少。基于波动方程求解得到纵波波速-静水围压关系的数学模型,利用数学模型计算得到的纵波波速可知,砂岩的纵波波速随静水围压的增大而增大,且增加速率逐渐变缓。计算得到的纵波波速与试验测得的纵波波速进行对比验证,误差范围为7.0%~8.3%,故基于波动方程求解的砂岩纵波波速-静水围压关系的数学模型可靠性和准确性较高,对高地应力下岩石的物理力学参数和波速变化规律的分析判定具有指导意义。     

3种岩石能量演化特征的试验研究

为了探究岩性对受载岩石能量演化特征的影响规律,对煤岩、红砂岩和花岗岩等3种典型岩石试件进行了轴向加卸载试验.结果表明:与煤岩相比,红砂岩和花岗岩峰前不可逆变形较小,峰后应力跌落幅度较大,抗压强度分别是煤岩的4.37倍和5.02倍,弹性模量是煤岩的4.54倍和5.29倍,脆性指数是煤岩的2.32倍和2.81倍.煤岩在接近破坏时弹性能密度显著弱化,而红砂岩和花岗岩此特征不明显;岩石的强度和刚度越大,其储能极限和弹性能增长速率越大;脆性越强,其峰后弹性能释放越快速和彻底.3种岩石的能量分配模式在峰前阶段相似,而峰后阶段岩石脆性越大弹性能比例下降越大,且下降至最小值时所需时间较短,反映了其破坏过程的剧烈性.     

不同煤厚煤岩组合体破裂过程声发射特征研究

为了研究煤岩组合体中煤厚对其破裂过程声发射特征的影响规律,以神东矿区布尔台煤矿基本顶粉砂岩和煤岩组合体试样为研究对象,采用DS5-8 b声发射监测系统对粉砂岩及煤岩组合体破裂过程中的声发射参数进行监测.结果表明:煤岩组合体中煤厚对其破裂过程中的声发射特征有影响,声发射峰值计数与煤厚呈负相关关系,声发射累计计数与煤厚呈正...     

大孔隙率砂岩的试验研究

对大孔隙率砂岩在不同饱和液体情况下的力学特性进行了试验研究,以两种破坏理论对大孔隙率砂岩的破坏特征进行了解释.试验证明:大孔隙率砂岩存在临界围压,随着围压的变化,大孔隙率岩石以压剪破坏为主逐渐转化为以孔隙坍塌破坏为主;在油水转化过程中,也存在临界饱和度,超过此临界饱和度,岩石力学性质发生较大改变.     

水压环境下砂岩蠕变特性试验研究

水利工程中的坝基和库岸岩体长期在高应力和高水压的共同作用下会产生蠕变现象,对工程稳定性产生很大影响。针对水利工程中岩石在流固耦合作用下的蠕变问题,选取某水电站引水隧道线路上震旦系砂岩为研究对象,利用MTS试验机和扫描电镜（SEM）分别对干燥和饱和状态下砂岩的常规物理力学参数和微观结构进行测试,分析砂岩在不同状态下的主要物理参数和微观结构变化;在此基础上,利用专用的微机控制轴压水压联合作用岩石流变试验系统,通过对砂岩试样施加不同的水围压,对其蠕变过程进行试验研究,分析水压对蠕变变形量、蠕变速率和长期强度的影响。结果表明：砂岩内部存在大量的微孔隙,砂岩在饱水状态下,呈现出软化特性,饱水砂岩的抗压强度与弹性模量均小于干燥砂岩;砂岩在稳定蠕变阶段的变形量随水压的增大而增加,水压的增加降低了砂岩的强度和抵抗变形的能力,导致岩石初期和稳定蠕变阶段蠕变量的增大;水压越高岩石蠕变的初始应变率越大,衰减至稳定蠕变阶段所需时间越长;水压能通过岩石表面的孔隙渗入到岩石内部,在裂纹发展的过程中,孔隙水压力总能及时到达裂纹尖端,形成“锲入”作用,促使裂隙的扩展和贯通,加速岩石破坏变形,从而降低了岩石的承载能力和长期强度。     

泥质粉砂岩路基填料改良试验研究

通过对施工现场不同路段天然的泥质粉砂岩的基本土力学性质的分析,提出了采用掺加石灰或水泥的方法来改良土体,并进一步通过无侧限和CBR试验确定掺加石灰和水泥的优劣性,从而确定了采用添加水泥的方法来改良路基填料。最后通过干湿循环试验模拟现场路基经历的干湿频繁交替的过程来观察水泥土在该环境下的强度变化,最终确定了水泥改良泥质粉砂岩的可靠性。     

完整岩石剪切破裂过程中氡释放规律研究（英文）

氡气是深部地下洞室建设过程中岩石破裂产生的污染性、放射性气体,深部岩体在高应力下普遍发生剪切破裂,然而,氡气释放量与岩石剪切破裂演化的相关性尚不清晰。针对这一问题,分析了完整锦屏大理岩和白鹤滩玄武岩两类岩石的放射性核素活度。自主设计了完整岩石直接剪切试验系统,并同步测量岩石破裂过程中的氡释放量。讨论了岩石剪切破裂面表面积与累积氡浓度的相关性。试验结果表明,在法向荷载相同的条件下,岩石中氡释放量随剪切位移的增大而变化,总体呈现在加载初期略有增加后小幅回落,再大幅增加至峰值释放水平,试样破坏后随着剪切位移的发展下降至稳定水平的规律。随着法向荷载的升高,初始氡浓度和峰值氡浓度均呈线性增长的趋势。通过对声发射特征参数RA-AF分布的研究,发现岩石剪切破裂面表面积与累积氡浓度具有相似的发展变化趋势。岩石剪切破裂过程中氡释放规律的揭示对深部工程排氡/隔氡设计具有重要指导意义。     

大理岩特征应力的加载速率效应研究

为研究加载速率对脆性岩石特征应力的影响规律,利用MTS815型试验机和声发射测试系统进行大理岩的单轴压缩试验.采用体积应变法、声发射法和基于微裂纹发育特性的黏结颗粒离散元法确定试样的特征应力,探究特征应力的加载速率效应.结果表明,3种方法确定的特征应力值较为接近,基于微裂纹数的黏结颗粒离散元法是一种较可靠有效的方法.在中低加载速率范围内,随加载速率增加,归一化特征应力值呈现减小规律.数值模拟结果显示,加载速率在中低和较高范围内增加时,归一化起裂应力和损伤应力均减小.当处于中低加载速率范围时,其归一化特征应力降幅较大.当处于较高加载速率范围时,归一化特征应力趋于平稳,尤其是归一化损伤应力.相比较而言,归一化损伤应力的加载速率效应整体上比归一化起裂应力明显.     

单轴压缩下含层理加锚岩石声发射特征研究

为了研究不同层理倾角加锚岩石变形破坏过程中的声发射特征,加工制备了0°和90°两种层理的加锚试样,利用RMT-150C岩石力学试验机和AEwin-USB型声发射信号采集系统,进行了含层理加锚岩石声发射特征试验。研究表明:单轴压缩条件下,90°层理试样声发射累积振铃计数大于0°层理试样,具有明显的层理效应;加锚试样相比无锚试样,在压密阶段就有较强声发射信号产生,而且随着载荷的增加声发射信号越来越强,加锚试样的累计振铃计数大于无锚试样;声发射信号特征可以反映岩石内部裂隙扩展变化,对于揭示层理加锚围岩破坏失稳机制具有一定的参考价值。     

三轴循环加卸载下砂岩声发射分形特征试验

为探究砂岩在三轴循环加卸载条件下的声发射特性及其分形特征,对砂岩进行不同围压等级下常规三轴试验和三轴循环加卸载声发射试验,通过分析砂岩在三轴循环加卸载条件下峰前与峰后全过程的声发射特性及其分形特征,探究岩石渐进破坏过程中试样裂纹开展和损伤演化规律.采用MTS815 Flex Test GT岩石力学测试系统与PCI-Ⅱ型...     

单轴压缩下不同层理方向对片麻岩声发射特征影响的试验研究

为探究不同层理方向岩体的损伤演化规律和变形破坏中的声发射特征,选用具有明显层理构造的片麻岩试样开展单轴压缩条件下的声发射试验,分析轴向平行和垂直层理片麻岩试样失稳破裂、声发射时序参数和声发射空间定位演化特征。结果表明:不同层理方向对岩石破裂影响显著,轴向平行层理片麻岩试样峰值载荷稍高于轴向垂直层理的,裂纹起裂应力水平较高,声发射定位点由加载初期离散无序分布转为向沿层理聚集,破裂时主裂隙沿层理面贯通上下端或沿层理扩展形成垮落区,最终表现为典型的张拉破坏,岩石达到峰值载荷后瞬间失稳,呈突发式破坏特征;轴向垂直层理试样起裂应力水平较低,进入声发射剧烈期参数波动更为显著,事件点在试样中部聚集产生倾斜带状剪切裂纹密集区,破裂时出现多种破裂模式,主要以剪切滑移破坏为主。岩石达到峰值载荷后应力发生多次跌落,呈渐进式破坏特征。     

神东矿区含天然弱面砂岩的力学特征研究

为了研究神东矿区含天然弱面砂岩力学特征,以补连塔煤矿2-2煤层基本顶中粒砂岩为研究对象,采用CMT5000大门式微机控制电子万能试验机、RDS-200XL全自动伺服控制岩石直剪/残剪仪和RMT-150C力学试验机对完整砂岩和含天然弱面砂岩进行直接拉伸、直接剪切和单轴压缩试验,运用X射线衍射仪和扫描电镜分析弱面的成分、微观结构及元素特征。结果表明:天然弱面对纵波波速、抗压强度、残余剪切强度基本没有影响,纵波波速、单轴抗压强度和残余剪切强度分别降低了0.4%,1.4%和3.2%;天然弱面对直接拉伸强度、拉伸峰值应变、峰值剪切强度和弹性模量有显著的影响,峰值拉伸强度降低了83.1%,拉伸峰值应变降低了82.7%,峰值剪切强度降低了12.6%,弹性模量降低了7.3%。研究结果有助于进一步了解这种含天然弱面砂岩顶板的运动、破断以及力学传递规律。