应力波斜入射下砂岩层裂破坏的试验研究

在地下工程结构中,爆破或地震等产生的动载荷会以任意方向作用于围岩,容易导致其发生层裂破坏。为了研究应力波斜入射对砂岩试样层裂破坏特性的影响,利用50 mm杆径的霍普金森压杆装置开展了应力波在0°、30°、45°和60°入射下砂岩试样的层裂试验,并利用高速摄影仪记录试样的层裂破坏过程。试验结果表明,试样初始层裂长度和层裂强度受应力波入射角度影响显著。在相同冲击气压下,试样初始层裂长度随着应力波入射角度的增大而增大;而试样层裂强度随着应力波入射角度的减小而增大。此外,采用离散元代码(particle flow code, PFC)对本次试验进行了数值模拟,模拟结果与试验结果较为吻合。在模拟中,进一步研究了冲击速度对应力波斜入射下砂岩层裂破坏的影响,在较高冲击速度下,应力波垂直入射造成的层裂裂纹数量与较低冲击速度下变化程度不大,而应力波在斜入射下造成的层裂裂纹数量显著增多,且损伤较为明显。

基于DIC及CPG技术的热冷循环后花岗岩Ⅰ型断裂特性

深部储层岩石的热力学特性,尤其是循环热冷作用下损伤破坏特性,对于增强型地热系统井壁稳定性分析及地热开采效率评估具有重要意义。针对中心直裂纹半圆盘(NSCB)花岗岩试样,首先进行不同热冷循环处理(加热温度400℃,最高循环次数13次),然后开展3点弯Ⅰ型断裂韧度特性试验。基于裂纹扩展计(CPG)和数字图像相关(DIC)测试技术,研究了热冷循环作用下花岗岩Ⅰ型断裂韧度、断裂过程区(FPZ)、裂纹扩展速率及断裂轮廓特征的影响规律。试验结果表明:当热冷循环次数达到10次以上,花岗岩试样脆性明显减弱,而峰前软化特性和峰后延性增强;花岗岩的断裂过程区由裂缝尖端开始逐步孕育,断裂过程区长度随荷载增大呈先增大后减小的趋势,Ⅰ型断裂韧度、最大断裂过程区长度及裂纹平均扩展速度随热冷循环次数增大而指数减小,Ⅰ型断裂面随热冷循环次数增大越来越不平整。最后,基于X-ray衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)等微观测试技术,研究了热冷循环作用对花岗岩矿物成分及微观结构的影响规律,结果表明花岗岩4种矿物成分的峰值衍射强度及矿物质量分数均随热冷循环次数增大而降低,而微裂纹大小及数量随热冷循环次数增大而增大。热冷循环作用下花岗岩的损伤劣化机理包含了多次高温热损伤、水冷冲击及水弱化等3方面的联合作用结果。

TSL材料防护作用下砂岩动态抗拉性能的试验研究

TSL(thin spray-on liner)材料作为一种新型的支护材料,已经开始运用于矿山巷道等工程支护。TSL材料在支护过程中不可避免受到爆破开挖等动载荷的扰动。因此,对TSL作用下砂岩的静态和动态抗拉性能展开试验研究,试验考虑了TSL与砂岩的3种接触面(光滑型和两种粗糙型接触面),每一接触面设置了3组TSL的支护厚度(1mm,3 mm和5 mm),其中动载试验采用超高速数字图像相关试验系统记录动态拉伸破坏过程和试样表面应变场变化过程。研究表明,静载和动载下,TSL材料对砂岩的抗拉强度和抗拉变形均有明显的提高作用。在静载下,随着TSL厚度和接触面粗糙度的增加,砂岩抗拉强度明显提升,次生裂纹减少,当TSL厚度超过3 mm后,随着厚度的增加,抗拉强度增加速率降低;在动载下,当接触面为光滑型时,只有当施加TSL的厚度达到5 mm,试样的抗拉强度和变形能力才有较好的提升,而当接触面为粗糙型时,支护效果受接触面粗糙度、TSL厚度和加载率三者共同影响,TSL能延缓砂岩起裂时间,当加载率超过一定值后,粗糙度和TSL厚度的增加对支护效果提升作用有所下降。

小井眼超深井井筒温度预测模型及降温方法研究

顺北区块超深小井眼钻井井底高温问题突出,明确井筒温度场分布规律并探讨高效降温方法对于保障该地区钻井安全具有重要工程意义。文章基于超深小井眼钻井工艺,综合考虑钻井液黏性耗散、钻柱偏心和旋转及钻头破岩等多种热源项对井筒温度的影响,建立了适用于小井眼超深井的井筒瞬态传热模型,并提出针对性的降温方法,然后采用MWD实测数据及商业软件Drillbench进行对比验证,本模型预测值与随钻数据更为吻合,误差在2%以内;钻柱隔热可降低井底温度33℃,钻井提速、增加排量等其它方法可使井底温度降低3~10℃,采用地面降温法的降温效率呈现显著的边际递减效应,即井越深其降温能力越有限。针对单一降温方法降温效果不够显著,建议综合多种降温方法有效降低井筒温度。本研究成果可为小井眼超深井的井筒温度准确预测和降温方法优选提供理论指导。

油井储层压裂改造及配套技术分析

在油气田开发过程中,储层物性差异、渗透率低等问题往往导致油气开采难度增大,产量下降,为解决这一问题,需要采用油井储层压裂改造及配套技术,以提高油气田产量。本文将从油气田储层压裂的实质出发,分析当前油气田储层压裂技术的实施现状,并探讨相应的配套技术实施手段,以期为油气田的高效开发提供理论支持和技术指导。

浅谈如何提高建筑力学课堂教学效果

建筑力学是建筑学专业非常重要的一门基础课,为学生搭建了一个满足建筑学专业知识要求的平台。针对建筑力学课程课时少,内容多,学生力学基础相对薄弱等现象,结合实践教学经验,文章提出几点建议,以期能有效地提高课堂教学效果。

斜入射波扰动对岩石层裂的影响

为了研究应力波斜入射作用下岩石的层裂特征,采用颗粒流程序(PFC)模拟了霍普金森压杆(SHPB)层裂试验。选用的试样斜截面角度分别为30°,45°和60°,分析了在5.2 m/s,5.6 m/s和6.2 m/s冲击速度下斜入射波对岩石层裂破坏的影响,并与90°截面试样进行比较。结果表明,当斜截面角度大于45°时,应力波遇斜截面直接反射成拉伸波,且拉伸波与压缩波交替出现,一旦反射拉伸波超过试样某一位置的抗拉强度,试样在该处发生拉伸破坏。当斜截面角度小于45°时,反射波在斜截面内与入射波多次叠加,诱使试样斜截面先发生层裂。此外,基于纵波传播理论,还推导了30°斜截面的应力函数,得出斜截面可能发生层裂的位置,与模拟结果吻合良好。

基于未确知测度模型的尾矿库溃坝风险评价

针对尾矿库溃坝风险分级预测评价中诸多因素不确定性问题,应用未确知测度理论与尾矿库溃坝风险评价标准并结合工程实际,根据尾矿库溃坝的特点及成因,选取防洪设计标准等16项未确知测度函数评价指标,建立尾矿库溃坝风险分级预测的未确知测度评价模型。根据广东省大宝山矿业有限公司槽对坑尾矿库的实际情况建立各评价因子的未确知测度函数,对其进行定量分析,并利用信息熵计算各评价指标的权重,依照置信度识别准则进行等级判定,最后得出尾矿库溃坝风险评价分级预测的评价结果。研究结果表明:该方法不仅能给出尾矿库运行期的安全等级,并且能够更客观地反映尾矿库工程运行危险源的情况,为尾矿库溃坝危险性的评价提供了一种新的评价方法。

基于含圆孔砂岩试样三轴动载压缩试验的分区破裂化现象

在深部巷道开挖过程中出现的围岩分区破裂现象引起了广泛关注,然而以岩石试样为研究对象的室内试验对分区破裂现象的研究较少。本文采用霍普金森压杆装置对不同围压下的含圆孔砂岩试样进行三轴压缩试验,试样在冲击破坏后均出现分区破裂现象。对试样进行弹塑性分析,发现在弹塑性边界处存在的最大拉伸应变是径向环形裂纹和分区破裂形成的主要原因。在试样塑性区的圆孔附近存在较大的拉伸应变,导致圆孔附近岩石容易发生剥落;在试样的弹性区,环向应变随着半径的增大而从压应变转换为拉应变,导致试样周边容易出现拉伸裂纹。采用ABAQUS对试验过程进行模拟,模拟结果与试验结果以及理论分析基本一致。相比理论分析,模拟得出的结果更为直观地解释了圆孔附近岩石的剥落现象。

单轴循环冲击下岩石的动力学特性及其损伤模型研究

利用改进的大直径SHPB试验装置,对花岗岩试件进行单轴循环冲击压缩试验,分析花岗岩在循环冲击载荷下的力学特性及能量吸收规律。通过基于Weibull分布的动态统计损伤模型计算岩石的累积损伤,结合试验曲线分析岩石累积损伤的演化规律。研究结果表明:随着冲击载荷循环作用次数的增加,变形模量变小,试件的屈服应变增大,峰值应力呈降低趋势。岩石的累积比能量吸收值随着冲击次数的增加而增大,且试件破坏前其值增加缓慢,试件破坏时其值急剧增大。基于Weibull分布的动态损伤本构模型的计算曲线与试验曲线具有较好的一致性,该模型能反映岩石的强度与应变、应变率的关系。累积损伤随着循环冲击次数的增加而增大,其增加速率由小变大,试件破坏前累积损伤的增加较为平缓,其主要增量由最后一次冲击破坏产生。

冲击载荷作用下砂岩的动力学特性及损伤规律

在单次冲击和重复冲击载荷作用下,利用大直径霍普金森压杆(SHPB)试验装置,对砂岩的动力学特性进行试验研究。从岩石的细观裂纹扩展和能量吸收的角度,分析岩石的破坏过程。基于Weibull分布的统计损伤理论,计算试件的损伤度,并结合应力-应变曲线分析岩石损伤度的演化规律。研究结果表明:砂岩的动态抗压强度和单位体积吸收能均表现较强的应变率效应,分别与应变率呈指数函数关系和线性关系。在重复冲击试验中,随着重复冲击作用次数的增加,试件的弹性模量降低,屈服应变增加,屈服应力呈降低趋势。此外,损伤度随着应变的增加逐渐增大,在应力-应变曲线的峰值强度处,损伤度出现一个明显的拐点,即在微裂纹进入不稳定扩展阶段,岩石损伤度迅速增大。

不同龄期混凝土多次冲击损伤特性试验研究

为了解不同龄期混凝土多次冲击损伤特性,利用大杆径分离式霍金森压杆(SHPB)试验装置对5种不同龄期下的支护混凝土分别进行多次冲击压缩试验,并采用Weibull分布的统计损伤模型分析其损伤特性,系统地了解多次冲击荷载对混凝土造成的损伤规律。结果表明,对每一龄期混凝土,在其临界入射能75%水平的冲击条件下,第一次冲击有助于提高混凝土的抗压强度,之后随着冲击次数增加,混凝土的抗压能力、变形能力都变弱。随着龄期的增长,混凝土损伤-应变曲线表现出2种不同变化形式,损伤度对入射能的敏感度降低,试样失稳时的累积损伤没有明显的变化,均在1.00左右;而峰值损伤则以对数函数关系降低,其中稳定龄期的峰值损伤表明,Weibull分布的统计损伤模型能反映材料的损伤特性。

基于声发射实验层状砂岩力学特性及破坏机理

为了探究层理面影响下砂岩力学特性和破坏机理,采用声发射技术,开展砂岩单轴和巴西劈裂试验,研究砂岩拉压强度分布规律、应力应变关系、破坏形式与声发射之间的关系。研究结果表明:随着层理角度从0°增加至90°,砂岩单轴抗压强度先减小再增大,呈U型分布,而劈裂拉伸强度呈增大趋势;砂岩在单轴和劈裂试验下应力应变曲线具有明显的各向异性;在单轴试验下,当层理角度为0°,15°,75°和90°时,砂岩破坏形式为压缩破坏,当层理角度为30°,45°和60°时,砂岩破坏形式为沿弱面剪切破坏;在劈裂试验下,圆盘均沿着中心起裂破坏形式为拉伸破坏;随着层理角度从0°增加至90°,在单轴和劈裂试验下,裂纹发展所对应的轴向应变率降低,裂纹贯通困难,破坏所需峰值应力增大;峰值应力越大,对应的声发射能量率越大。

不同冲击条件下早龄期混凝土的力学特性

利用大杆径分离式霍金森压杆(SHPB)试验装置,对1、3、7、14、28 d这5组龄期下的混凝土进行冲击压缩试验,研究早龄期混凝土(C20)在不同冲击条件下的力学特性。结果表明:龄期7 d以前,各龄期50%临界入射能的冲击有助于提高混凝土的强度和弹性模量;龄期7 d以后,无论是75%还是50%临界入射能的冲击,都会使混凝土的强度和弹性模量降低;在单次冲击条件下,混凝土的变形能力和单位体积吸收能与龄期呈对数关系增长;在多个龄期冲击条件下,混凝土的变形能力和单位体积吸收能都受到不同程度的影响,其中单位体积吸收能下降了50%。

横观各向同性岩体内时损伤本构模型研究

层状岩体一般视作横观各向同性体,其力学特性在不同的层面倾角下存在较大的差异。为了解决这一问题并研究层面倾角与力学特性之间的内在联系,引入横观各向同性体体积模量和剪切模量与层面倾角的函数关系式。从内时理论出发,通过内蕴时间的重新构造,在Helmholtz自由能中引入损伤变量,利用不可逆热力学的基本原理推导出横观各向同性岩体的内时损伤本构方程,并给出确定本构模型中各参数的方法。对该方程在单轴应力条件下进行求解、分析与验证。研究结果表明:该本构方程能很好地描述横观各向同性岩体在损伤发生前后的变形特点,并能有效地反映横观各向同性岩体的非线性和剪胀扩容等物理力学现象。

径向压缩下圆环砂岩样的力学特性研究

为了研究径向压缩下圆环试样孔壁处的应力特征,利用厚度为34 mm,外径为50 mm的完整圆盘及不同内径(8～30 mm)的圆环砂岩试样,在巴西劈裂试验中测量孔壁的应变变化,分析试样的力学特性。试验结果表明:圆环试样的峰值载荷随着内径的增大而逐渐减少。圆盘和内径较小的圆环试样达到峰值载荷时出现了失稳破坏,载荷迅速跌落:当内径大于16 mm,圆环试样达到峰值载荷后,载荷略有下降,但是试样并没有出现失稳破坏,而是持续压缩一定时间后才破裂。圆环最弱部位拉应力不是材料参数,而是一个结构参数,且随圆环内径而变化,基于弹性理论的Hobbs公式不能用于计算岩石抗拉强度。孔壁岩石的破裂只能是达到拉伸变形极限才会破裂,不能以拉伸应力作为破坏指标。研究结果为理解岩石在压拉组合下的力学特征提供了参考。

层状板岩动静拉伸力学特性及破坏模式研究

为探究层状板岩动静拉伸力学特性和破坏模式,以SHPB系统和RMT-150C岩石压力机为研究手段,进行层状板岩拉伸强度和破坏模式随加载率和层理面与加载方向不同夹角变化的规律研究。研究结果表明:随着加载率的增加,不同层理角度下板岩动态拉伸强度均呈现非线性指数增长的趋势;当层理角度θ为0°时,动态拉伸强度处于低强度区间,破坏形式为沿层理面拉伸破坏;当层理角度θ为15°,30°和45°时,动态拉伸强度处于中等强度区间,破坏形式为沿层理面剪切破坏和沿非层理面拉伸破坏;当层理角度θ为60°,75°和90°时,动态拉伸强度处于高强度区间,破坏形式为沿非层理面拉伸破坏。随着加载率的提高,板岩强度各向异性系数N逐渐降低,并趋近于1;当加载率超过600 GPa/s时,拉伸强度主要受加载率的影响;加载率低于600 GPa/s时,层状板岩的拉伸强度受角度和加载率共同影响。

动力扰动下全长黏结锚杆的力学响应特性

深部岩体工程中,锚杆在围岩变形后处于高承载应力状态,受到爆破振动、矿震等动载荷作用后极易失效,因此,亟待研究动力扰动下锚杆的力学响应机制。基于SHPB试验平台,自行研发了一套研究锚杆动力响应的试验装置,开展动力扰动下全长黏结锚杆的力学响应特性研究。结果表明:初始动载荷作用下锚杆滑移量随着入射能的增加而增加,锚杆中应力波的波峰值随着传播距离的增加而逐渐减小,当应力波传播至锚杆最里端时,应力波峰值衰减较大;第2次动载荷后锚杆SG1处与SG2处应力波峰值差明显比第1次减小,表明动载荷下锚固界面从锚杆外端开始损伤;锚杆失效与锚固界面损伤有关,锚杆承载后初次受到动载荷的影响导致锚固界面产生损伤,损伤锚固段又受到外部载荷(如二次冲击、岩体挤压)作用时会进一步劣化,其不能抵抗围岩的变形而失效。研究结果为揭示锚杆支护失效行为,采取合理的设计与施工提供新的思路。

冲击荷载下层状板岩拉伸破坏及能耗规律研究

为探究层状板岩动态破坏机理及能耗规律,通过分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar)系统和高速摄像仪开展了巴西劈裂试验。研究了不同层理角度和加载率下板岩动态拉伸能量耗散规律以及岩体破坏模式、破坏过程与能量耗散之间的关系。通过研究得到如下主要结论:(1)随着加载率的提高,板岩动态拉伸强度和耗散能密度均呈现指数增长的趋势;(2)当层理角度θ为0°时,岩体主要是沿层理面拉伸破坏,破裂面形成破裂带,耗散能低;当层理角度θ为15°时,破裂面为剪切破裂带,而θ为30°和45°是拉剪复合破坏,两者耗散能较高;当层理角度θ为60°、75°、90°时,岩样主要是沿非层理面拉伸破坏,破裂面形成环状和中心起裂两种,耗散能最大;(3)随着加载率的提高,岩体耗散能密度越大,岩体吸收的能量越多,分形维数D值越大,岩体越破碎。

基于等效简化模型的柔性吊装多体系统动力响应分析

针对大型吊装多体系统在回转作业时的刚柔耦合动力学行为,开展了简化模型构建和动态响应分析。利用等效弹簧质量阻尼系统描述吊臂臂头弹性振动,利用空间悬吊系统模拟吊物空间摆动;以浮动坐标系对系统各部件开展运动学描述,基于拉格朗日方程,采用递推列式推导并建立了吊装多体系统的等效简化分析模型,并给出相应数值计算方法。针对某大型轮式起重机开展了仿真分析,通过与实测数据对比分析表明,简化模型能较好地评价柔性吊装多体系统的非线性动力学行为;对柔性臂架振动频谱分析表明,在轻载长绳状态下,吊臂振动幅值受吊物偏摆激励和自身惯性激励的共同影响,但在重载短绳状态下,响应幅值主要取决于吊物偏摆激励,且系统刚柔耦合效应明显增强。