基于耗散能演化的层状黄砂岩损伤本构模型及其验证

层理构造影响工程岩体力学性质及稳定性.为探究层理倾角对岩石变形损伤过程的影响,开展了0°,15°,30°,45°,60°,75°,90°共7种不同层理角度的黄砂岩纵波波速测试和单轴压缩试验,分析了层理角度对黄砂岩峰值强度、弹性模量及破裂模式的影响,基于弹性模量劣化程度和耗散能演化特征分别表征黄砂岩初始层理损伤变量和荷载损伤变量,并借助Logistic函数模拟了层理与荷载耦合损伤变量演化全过程,探讨了层理角度对黄砂岩损伤演化规律的影响,进一步结合损伤力学理论与有效介质理论,建立了能够模拟单轴压缩下层状黄砂岩变形全过程的分段本构模型.结果表明:随层理倾角增大,黄砂岩纵波波速逐渐增大,峰值抗压强度和弹性模量呈现先减小后增大再减小的倒N型变化趋势,各向异性特性明显;黄砂岩破裂模式与层理倾角密切相关,倾角在0°~60°范围内时,主要发生穿切层理弱面的劈裂型张拉破坏,倾角为75°和90°时,岩样发生沿层理弱面的剪切滑移和劈裂张拉破坏;基于耗散能表征的损伤演化曲线可分为初始无损伤、损伤开始、损伤加速及损伤减速终止4个过程,借助Logistic函数构建的理论损伤模型可以很好的模拟和预测层状黄砂岩损伤演化全过程;初始层理损伤最大值与最小值之比约为1.41,表明层理倾角对黄砂岩初始损伤影响较大;建立的分段本构模型可以较好的描述层状黄砂岩单轴压缩应力–应变全过程,且理论模型曲线与试验数据吻合度高.

岩石张拉、剪切裂纹划分方法及其在岩爆前兆中的应用

提出一种利用支持向量机划分张拉裂纹和剪切裂纹的方法,采用巴西劈裂试验和直剪试验的验证结果证明该方法合理有效。在此基础之上,对砂岩应变岩爆全过程裂纹类型进行划分,并分析各类裂纹事件数、事件增长速率及占比变化规律。研究结果表明:岩爆全过程经历张拉裂纹主导、张拉和剪切裂纹共同作用、岩爆发生3个阶段;在岩爆时刻前张拉和剪切裂纹都出现突增的现象,且张拉裂纹事件增速大于剪切裂纹增速,但张拉裂纹累计占比下降、而剪切裂纹累计占比上升。岩爆前张拉裂纹累计占比下降的现象早于裂纹事件数和事件率突增的现象,且具有较强的前兆响应能力,可作为岩爆的一种前兆特征。

单轴压缩下脆性岩石损伤破坏能量演化规律试验研究

脆性对岩石破裂模式及损伤演化过程具有重要影响。本文对采自某铁路隧道群的6种不同岩性的脆性岩石开展单轴压缩试验,在分析其应力-应变过程、破坏模式和能量演化特征的基础上,综合考量峰前弹性能积聚率、峰后能量耗散程度及耗散速率,建立一种基于岩石应力-应变曲线全过程的脆性指数计算方法,进一步基于能量耗散表征损伤变量,分析了脆性岩石损伤演化过程,并探讨了从损伤演化角度建立脆性评价指标的可行性和合理性。结果表明:(1)试验所采用的6种不同岩性岩石应力-应变曲线峰后段均表现出不同程度的脆性跌落现象。(2)基于本文建立的脆性指标对6种岩石进行脆性定量评价和比较,脆性程度由大到小依次为:辉长岩、变质砂岩、石英片岩、粗粒花岗岩、板岩、大理岩。(3)单轴压缩条件下,基于能量耗散表征的脆性岩石损伤演化过程整体呈“S”型发展趋势,可分为初始损伤、损伤保持、损伤稳定发展、损伤加速发展以及损伤减缓至终止5个阶段,能够很好地反映岩石内部微裂纹压密闭合、萌生发育、扩展贯通直至宏观破坏的整个过程。

基于岩爆碎屑研究的高楼山隧道岩爆机理分析与类型判定

在建高楼山隧道是通达陇南市及四川省九寨沟的控制性工程,项目具有“三高一大”的特点,是复杂地质条件下深埋特长公路隧道的典型代表.以现场两种岩爆类型为研究对象,通过冲击岩爆实验系统并设定不同应力路径,首先进行了岩爆实验全过程分析,而后对比研究了板裂屈曲型岩爆实验碎屑(岩爆碎屑1)、爆破冲击型岩爆实验碎屑(岩爆碎屑2)和现场收集的不知类型的岩爆碎屑(岩爆碎屑3)的质量、尺度分布及形状分形维数特征.在此基础上,结合岩爆实验图像变化过程,深化了对不同类型岩爆碎屑成因及岩爆机理的认识.结果表明:(1)板裂屈曲型岩爆和爆破冲击型岩爆区别在于破坏主导机制不同,一种为张拉破坏主导,另一种为张剪破坏主导.(2)岩爆碎屑1以中粒、条板状碎屑为主,在长度方向上更容易破碎,且质量远大于岩爆碎屑2,这与竖向应力集中形成板裂化结构的板裂屈曲型岩爆孕育机制密不可分.(3)动载的介入使得岩爆碎屑2受剪切作用明显,因而在厚度方向的破碎更容易且破碎程度更高,形成以粗粒、片状碎屑为主的碎屑,该类型碎屑在现场岩爆中由于质量较大、体积较大、弹射距离较远,因此危害性可能更大.(4)通过上述比对分析,可基本判定岩爆碎屑3对应的岩爆类型为爆破冲击型,且片状、“V”形特征碎屑为该类型岩爆特有的碎屑类型.

大理岩应变型岩爆红外前兆特征试验研究

为探究大理岩应变型岩爆的红外前兆特征,通过不同加载方式下单面临空的真三轴岩爆试验,模拟应力集中型和动力触发型岩爆的发生过程,使用红外热像仪监测两类岩爆的红外温度场变化过程,从平均红外温差、方差、升温速率、红外图像及傅里叶频谱图等方面分析了岩爆前兆信息,并探讨了不同类型岩爆前兆特征的差异。结果表明:岩爆发生前平均红外温差、方差及升温速率曲线均出现明显突增,其中平均红外温差突增分别提前应力集中型和动力触发型岩爆10,20 ms,可作为有效岩爆前兆;动力触发型岩爆发生前方差会出现小幅波动且升温速率有明显下降趋势,与温差曲线中岩爆前的一小段降温过程相对应,而应力集中型岩爆方差与升温速率无明显波动特征;岩爆前平均红外温差图像出现高低温异化现象,表现为:应力集中型岩爆前红外图像出现明显的倒“Y”型高温区域,动力触发型岩爆平均红外图像出现高温区域下移现象;此外,两类岩爆傅里叶频谱图中的垂直谱图均出现大量高频低幅的主要分量。

三轴应力对单裂隙砂岩渗流特性的影响试验研究

针对渗流作用下裂隙岩体的失稳机制复杂、难以完全揭示的问题,文章开展了不同裂隙倾角单裂隙砂岩的渗流试验,从力学特性、能量耗散规律和渗透特性三个方面分析砂岩破坏特性,并探讨能量耗散过程对渗流特性的影响规律。结果表明:不同裂隙倾角砂岩的偏应力、应变能、渗透率随应变的演化过程基本一致,而不同加载阶段的变化规律差异性明显。在裂隙非水平和竖直情况下,裂隙倾角越大,脆性特征越弱,越难破坏;而对于水平和竖直裂隙而言,水平裂隙尖端的应力集中强于竖直裂隙,脆性特征更显著。此外,单裂隙砂岩的渗透率与应力的关系同样符合Louis负指数方程。不同裂隙倾角砂岩的能量耗散过程对渗流特性的影响规律大致相同,耗散能的增加均可增大渗透率,但在加载初期和末期,能量耗散反而会降低渗透率。

动载诱发冲击地压的实验研究

运用自主研发的冲击岩爆实验系统,进行了动载诱发冲击地压实验研究,提出了一种判别动载是否诱发冲击地压的实验方法。实验采用对加载至500 m深度应力状态下的带圆柱形贯穿孔洞的立方体砂岩试样,在σ_v方向逐级施加扰动波,σ_h保持在恒定应力水平的加载方式,模拟了500 m深度砂岩巷道,由于顶板垮落产生垂直向冲击扰动,由此诱发冲击地压破坏的过程。通过数据采集系统实时采集力和位移数据,获得应力应变曲线;通过图像采集系统实时拍摄动载诱发冲击地压过程,获得颗粒弹射、碎屑剥落等特征现象。实验发现,动载诱发冲击地压过程经历了平静期、颗粒弹射、碎屑剥落和冲击地压剧烈破坏4个阶段。对巷道围岩应力状态进行计算,得出动载诱发冲击地压时巷道围岩最大切向应力大于其单轴抗压强度。对碎屑特征及微观结构分析发现,动载诱发冲击地压产生的碎屑呈现出明显的片状特征,以中、细粒碎屑为主,通过电镜扫描可见穿晶裂纹。计算碎屑块度分形维数表明,动载诱发冲击地压破碎程度较单轴压缩破坏高。

岩石应变软化变形特性及损伤本构模型研究

对滇藏铁路三江段的花岗岩进行了单轴和常规三轴压缩试验,研究了岩石在不同围压条件下的变形特性及其损伤演化规律。试验结果表明:该岩石压缩变形过程中,内部裂隙的演化经历了无起裂、起裂并稳定扩展、加速扩展、扩展变缓以及扩展停止5个阶段,且围压对岩石变形特性有显著影响。在此基础上,提出了基于有损微元生成的损伤演化模型,建立了三轴压缩条件下岩石应变软化损伤本构模型。该模型能够统一描述岩石峰前及峰后全部变形特性及其损伤演化规律,且损伤方程形式简单、参数物理意义明确。理论结果和试验数据具有很好的一致性,且参数分析结果也表明了该模型的合理性。

动载诱发冲击地压巷道围岩应力计算与试验分析

基于动载诱发冲击地压是静载和动载共同作用所致,推导了静载和动载共同作用条件下圆形巷道围岩应力的计算公式,并采用对带孔石膏模型试件施加动静复合荷载,模拟了动载诱发冲击地压过程,通过图像采集系统实时拍摄动载诱发冲击地压过程现象,通过数据采集系统实时采集孔口附近应力数据。试验发现,动载诱发冲击地压经历了裂纹产生、裂纹扩展、碎屑剥落和巷道大面积破坏4个阶段。通过试验和计算结果对比发现,孔口附近应力试验实测值与理论计算值一致,表明该计算方法可以用于现场动载诱发冲击地压巷道围岩应力的估算,进而为现场防冲支护设计提供理论依据。

砂岩冲击岩爆实验碎屑研究

冲击岩爆是在地下工程形成以后,岩体受静荷载和动荷载共同作用所致。改变静载和改变动载幅值是两种不同的冲击岩爆实验,收集实验后的砂岩碎屑,并选取只施加静载的相似破坏实验后砂岩碎屑进行对比。测量每块碎屑的质量、长度、宽度和厚度,并对粗粒、中粒、细粒以及微粒等不同粒径范围内的碎屑数量、质量及粒度分布进行分析,得到碎屑的破碎程度和形状特征,并计算碎屑的分形维数。结果表明,冲击岩爆碎屑的破碎程度更高,片状特征明显;动静载的组合方式对冲击岩爆碎屑的破碎程度和尺度特征影响小;冲击岩爆比静载破坏产生碎屑耗能更多。

单向、双向和三向扰动诱发岩爆碎屑特征实验研究

通过自主研发的冲击岩爆实验系统,开展单向、双向和三向扰动诱发岩爆的实验,研究不同扰动方向条件下冲击岩爆实验碎屑的质量、粒径、Weibull分布和分形特征,探讨扰动方向数量的增加对冲击岩爆的影响。研究结果表明:单向、双向和三向扰动条件的冲击岩爆实验碎屑破碎程度均较高,呈现明显片状特征;随着扰动方向数量的增加,岩爆破坏碎屑的破碎程度降低,形成碎屑所耗散能量减少,说明扰动方向数量增多对冲击岩爆的剧烈程度具有阻碍作用。

高温花岗岩水冷却后物理力学特性及微观破裂特征

为研究热储层建造时高温岩体水冷却后的物理力学特性及其微细观破裂特征,对常温、200、400、600、800℃5个组别的花岗岩样进行水冷却冲击后的岩样开展单轴压缩试验,结合超声波无损检测、XRD衍射和偏光显微镜观察等手段,对其宏、微观破裂特征进行分析。结果表明,随温度升高,高温花岗岩水冷却后的单轴抗压强度峰值不断降低,峰值应变不断增大,岩样破坏由突发性破坏向渐进性破坏转变;岩样的质量损失率、体积增长率和密度降低率均随温度升高而增加,波速随温度升高而降低,在400~600℃之间水冷却岩样体积膨胀率随温度升高显著增加,600~800℃岩样的波速衰减率幅度减小;温度梯度越大,热冲击导致的穿晶裂纹越多,大量沿晶裂纹和穿晶裂纹导致岩样单轴压缩破坏由张剪复合破坏转变为剪切破坏为主,破坏时伴有大量粉末状碎屑的主要原因。

基于二维数字图像相关技术的块系花岗岩超低摩擦效应实验研究

基于国内外超低摩擦效应的实验研究现状,设计了块系花岗岩超低摩擦效应模拟实验。制作了中心含圆柱形洞室的花岗岩立方体模型试样,运用自主研发的实验设备研究了在静荷载的基础之上施加动态荷载后块系花岗岩的变化特征。实验过程中采用二维数字图像相关测试方法(2D-DIC),获得了试件表面的全场位移信息,依据位移信息求出块体加速度值,利用牛顿第二定律对试件受力分析,求得了块系岩体摩擦力随时间的变化曲线。结果表明:2D-DIC测试技术能够准确的测得石块的位移变化,依据位移变化可以证实伴随着水平向扰动荷载作用,洞口上方岩块左右两侧节理间隙逐步增大,岩块间的摩擦力降低,且摩擦力的变化周期与扰动荷载的周期相同;利用2D-DIC测试技术是有效的,从实验的角度验证了超低摩擦效应的存在。

深部直墙拱形隧洞围岩板裂破坏的模拟试验研究

为了解深部直墙拱形隧洞板裂破坏的发生过程和机制,采用TRW-3000真三轴试验系统对含直墙拱形孔洞的红砂岩立方体试样(100 mm×100 mm×100 mm)进行了真三轴试验,模拟了深度500 m初始地应力环境下直墙拱形隧洞板裂破坏过程,并利用岩样内部破坏视频监控系统对试验过程进行实时记录和监测。试验完成后,对试验过程中孔洞侧壁破坏过程、破坏特征进行了分析,并与同等深度的圆形孔洞洞壁破坏进行了对比。结果表明:在竖直应力为最大主应力和水平径向应力为最小主应力的条件下,直墙拱形孔洞破坏主要发生在两侧拱脚和拱腰之间,靠近自由面的围岩破裂为近似平行于最大主应力的板状薄岩片,呈典型的张拉板裂破裂特征;随最大主应力的增加,板裂破坏逐渐向孔洞水平径向发展,板裂岩片呈现中间厚、两翼薄的弧形特征,最终形成对称的V型槽破坏区,并具有明显的时间效应。与圆形孔洞的动力破坏特征相比,直墙拱形孔洞主要偏于静力破坏,且初始破坏所需应力水平高,孔洞侧壁在高应力环境中破坏更严重。

组合岩石真三轴加卸荷条件下的破坏机理

为研究岩层交界面处开挖卸荷诱发岩爆的发生机制,利用RFPA3D并行计算程序对组合岩石开展真三轴加卸载的数值模拟试验,研究不同高度比和不同倾角的组合岩石在真三轴加卸载条件下的破坏演化过程、力学特征以及破坏模式。研究结果表明:岩石组合体在真三轴加卸荷下的局部化破坏特征显著,破坏位置与软硬岩石有关。岩石的破坏主要集中在软岩的临空面附近并向硬岩扩展;组合岩石的破坏模式与高度比和组合倾角有关;随软岩高度比增加,由剪张复合型破坏向张剪复合型破坏转变;随倾角增大,岩石剪切滑移破坏显著;组合岩石真三轴加卸载下的峰值强度与软硬岩石高度比和组合倾角有关,受软岩的力学参数影响较大。研究成果可为深入认识岩层交界面处因开挖卸荷诱发的岩石破坏机理提供参考。

真三轴条件下单裂隙砂岩破坏过程的颗粒流模拟

采用颗粒流程序从细观角度对在真三轴条件下含单裂隙砂岩的裂纹扩展贯通模式、破裂机理展开研究,重点讨论了不同中主应力对单裂隙砂岩裂纹扩展和其力学特性的影响.研究结果表明:在真三轴压缩条件下,中主应力有助于增大含裂隙砂岩的强度,但过高的中主应力会加快裂纹的扩展、贯通,从而形成宏观破裂面;当中主应力的作用方向与裂隙走向垂直时,裂隙岩石的破坏模式为垂直于裂隙走向形成宏观剪切破裂面,含裂隙砂岩在真三轴压缩条件下的破坏主要为伴随拉破坏的剪切破坏机制.

延川县新泰煤矿3G N00矿井设计与实践

3G N00矿井革新了传统煤矿开采模式、关键技术与核心装备系统。文中以延安市延川县新泰煤矿N00矿井为工程背景。为解决传统开采技术所带来的问题,以N00工法平衡开采理论与“切顶短臂梁”应力补偿特征为基础,笔者提出3G N00矿井开采模式,研发工作面双侧采留一体化关键技术与装备体系。3G N00矿井可简化井巷工程,取消巷道掘进与保护煤柱,经济效益显著。该研究对无煤柱自成巷N00工法应用与推广具有重要意义。

岩石迭代损伤与膨胀演化规律研究

本文基于应变等效性假说的变形模量衰减损伤理论,通过分析岩石压缩变形过程中迭代的演化特征,得出了岩石损伤演化规律,并从迭代角度建立了模拟该损伤演化规律的方法,在此基础上推导了一种新的岩石损伤本构模型,进而分析了损伤演化过程的混沌特征;基于扫描电镜观察到的软岩微观结构,建立统计力学模型,分析了软岩膨胀的物理化学效应。研究结果表明:基于微缺陷迭代生长角度提出的损伤演化模型能够实现对岩石压缩变形全过程损伤演化规律统一、完整的描述,理论曲线与试验数据具有很好的一致性;软岩膨胀的物理化学效应既可能引起有限次物理相变,也可能引起无穷次物理相变,甚至使软岩进入异常复杂的玻璃态转变状态,这同软岩膨胀机理的复杂性高度契合。

三轴疲劳-卸围压条件下大理岩力学特性试验研究

为了揭示应力扰动和卸载围压作用下大理岩损伤破裂的物理过程和非线性力学行为,采用GCTSRTR-2000伺服加载岩石力学试验机进行了岩石疲劳卸围压试验,同时对破坏试样进行了压后裂纹形态CT扫描可视化分析。结果表明:周期性的加卸载作用对大理岩起到了主因损伤作用,卸围压的作用对大理岩起到了根本性的破坏作用。岩石疲劳循环形成滞回环,滞回环面积由疏变密,滞回环加载和卸载曲线接近重合,加卸载模量近似相等;岩石经过卸围压作用,岩石的轴向、径向和体积应变表现为不同程度增大,表明应变对围压降低具有强敏感性,敏感程度由高到低依次为体积应变、径向应变和轴向应变;由于疲劳循环的影响,卸围压作用产生的围压降幅随循环次数增多而降低,卸围压时长随循环次数增多而减少;量化宏观应变变形,求得应变损伤指数D_a、D_r、D_v,疲劳循环次数越多,应变损伤指数越大;岩石破坏后细观CT扫描揭示了疲劳循环损伤对岩石破裂形态影响的内在机制。随疲劳循环次数的增加,裂纹密度和规模显著增加。研究成果可为地下工程疲劳活动规律和开挖卸荷问题提供理论和模型支撑。

动载与长轴位置关系对椭圆形洞室围岩冲击岩爆影响试验研究

为探究扰动荷载与椭圆形洞室长轴的相对位置关系对冲击岩爆特征的影响机制,采用含椭圆形孔洞的长方体试样,在真三轴加载条件下,设置了扰动方向与椭圆长轴平行和垂直的两种位置关系,开展了椭圆形洞室冲击岩爆试验。结合录像装置,从岩爆弹射破坏过程、弹射速度、破坏模式及碎屑尺度几个方面讨论了椭圆形洞室冲击岩爆特征差异。试验结果表明,两种不同位置关系的试样岩爆过程相同,并且爆坑都呈现出V字型。扰动方向与椭圆长轴垂直的试样在初始破坏应力、岩爆破坏应力、岩爆弹射速度,爆坑尺寸、碎屑质量以及粗粒碎屑占比上均要小于扰动方向与椭圆长轴平行的试样。扰动方向与椭圆长轴垂直的试样的碎屑特征主要表现为薄片长条状。扰动方向与椭圆长轴平行的试样能明显提升洞室结构的承载力,但是岩爆现象更加剧烈,其碎屑特征主要表现为厚板状。