蠕变作用后裂隙类岩石单轴强度和裂纹扩展规律研究

岩体在工程中受到外部载荷的长期作用,时间效应突出,且本身含有的不规则裂隙和孔隙,使得岩体强度和流变性更为复杂。为了研究裂隙类岩石蠕变作用对试件强度、破坏形式和裂纹扩展规律的影响,笔者预制单裂隙类岩石试件,第1组保证在同一应力水平和时间下,先进行单轴蠕变试验,再进行单轴压缩试验,第2组直接进行单轴压缩试验。研究发现:对单裂隙类岩石作用低应力蠕变,裂隙角度减小,蠕变效应对单轴压缩强度的影响变小。裂隙角度由90°变至75°过程中,蠕变效应强化作用减弱;45°时,蠕变效应起劣化作用;30°变至0°,劣化效应不明显。蠕变预处理试件与直接单轴压缩试件相比缺少明显的压密阶段,裂隙角度较小时,峰值应力区域变大。蠕变作用后试件弹性模量比直接压缩试件大,但随裂隙角度增大,弹性模量变小。蠕变作用对单轴压缩裂纹破坏机制和扩展规律的影响与裂隙角度有关,角度小时区别明显。先蠕变后压缩次生裂纹从原生裂纹尖端周围发起,裂纹短密集,而直接压缩次生裂纹稀疏向两端延伸扩展。

温度-围压共同作用的软岩蠕变模型及试验验证

软岩的蠕变特性受到赋存环境的影响,温度、围压会影响软岩的蠕变应变及蠕变速率。为描述软岩在温度、围压共同作用下的蠕变特性,本文在西原模型的基础上,引入了包含温度、围压影响的损伤变量,并将西原模型中的黏塑性元件用非线性黏塑性元件进行替换,得到了能够反映温度、围压对软岩蠕变特性影响的非线性蠕变模型。该模型可以描述软岩蠕变的衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变节段,并能很好地反映温度、围压对软岩蠕变应变及蠕变速率的影响。对类软岩材料进行了不同温度、围压作用下的蠕变试验,并用新建模型对不同温度、围压条件下的类软岩材料三轴蠕变试验结果进行拟合验证。结果表明,该模型拟合得到的曲线与试验曲线的拟合度较高,可以很好地反映软岩温度、围压作用下的蠕变特性。

不同含水率膏体充填材料的单轴压缩试验研究

随着我国矿产资源需求的持续攀升和绿色矿山建设的提速,膏体充填技术展现出广阔的应用前景。然而,关于膏体充填材料在不同含水状态下力学行为的研究较少。为研究不同含水率对低水泥含量膏体充填材料单轴压缩力学行为的影响,以全尾砂、水泥和水为材料制备了3%和5%两种水泥含量的充填体试件(水泥含量3%、5%为水泥质量占尾砂质量的百分比),使用RPH-80型可控式恒温恒湿试验箱将试件分组改造成含水率分别为0、13%、25%和36%的充填体试件后,使用TAW-200多功能力学试验机进行恒定位移加载的单轴压缩试验。试验结果表明:随着含水率的升高,充填体的强度下降,且下降速度逐渐加快,使用二次多项式可以较好地拟合单轴抗压强度和含水率之间的关系,2种水泥含量试件的单轴抗压强度的下降趋势与速度较为相似,且5%水泥含量膏体充填体的抗压强度在不同含水率下始终高于3%水泥含量充填体。另一方面,随着含水率的升高,充填体弹性模量降低,峰值应变点先升高后降低。通过充填体非线性指数衡量不同含水率下膏体充填材料应力-应变曲线的非线性程度,发现2种水泥含量下的充填体均在含水率为25%时表现出较高的非线性,利用好充填材料非线性的特点有助于充填体的失效预警和提前干预,研究结果为深入认识膏体充填材料的单轴压缩力学行为和充填区安全问题提供了参考。

冻融砂岩的三轴蠕变试验及非线性蠕变模型研究

为研究冻融循环作用下砂岩的蠕变特征,建立一种可以描述冻融岩石材料的全过程蠕变模型。选取鲁中地区地下矿洞黄砂岩为研究对象,进行了不同次数的冻融循环试验(冻融温度范围-20~20℃),开展了冻融砂岩的三轴压缩蠕变试验,并基于建立的非线性黏塑性模型和西原模型原理,建立了一种用来描述冻融岩石的非线性蠕变模型,通过数学微积分求导方法和元件叠加原理推导了模型的本构方程和蠕变方程。结合试验数据,利用最小二乘法进行参数认证,并通过Origin软件进行曲线拟合。结果表明:1)冻融循环对地下矿洞砂岩蠕变变形产生较大影响,随着冻融循环次数的增加,砂岩蠕变变形不断增大,破坏时间缩短;2)在同一载荷下,稳态蠕变率随着冻融循环次数的增加而增大;在冻融循环次数一定时,稳态蠕变率随着载荷的增大呈现出非线性的增长;3)建立的非线性蠕变模型,可以较好地表述冻融砂岩的衰减蠕变、稳态蠕变和加速蠕变特征。试验曲线与拟合曲线对比发现吻合程度较高,拟合效果相对理想,从而验证了模型的正确性和合理性。

不同加载速率对类软岩三轴峰值强度的试验研究

利用相似材料配制类软岩试件,对类软岩试件进行不同围压下不同加载速率的三轴破坏室内试验,分析了不同围压下不同加载速率对类软岩的应力应变曲线、三轴峰值强度、轴向应变等物理参数的影响。得出结论,相同围压下,类软岩试件峰值强度、应变整体上随加载速率增大先升高后降低,但相比围压为0的环境,峰值强度降低缓慢;相同加载速率下,围压越高,峰值强度和应变越大;加载速率为0.5 MPa/s时,相邻围压间的峰值强度差值较为均等。

不同角度单裂隙对类岩石加卸载强度影响的试验研究

天然岩体内部存在大量裂隙,严重削弱了岩体的强度和稳定性,含不同裂隙的岩体在加载和卸载条件下其力学特性有显著区别。为研究含不同角度(裂隙面与水平方向夹角)裂隙的岩体在加卸载时的力学特性,根据相似三定理,制备了含有五组不同角度裂隙(0°、30°、45°、75°、90°)的完整类岩石试件,对每组试件分别进行了单轴和三轴循环加卸载试验,研究裂隙倾角和加卸载对其峰值强度的影响。结果表明:随裂隙角度的增大,单轴峰值强度显著增加,弹性模量增大、而泊松比随角度增加呈现降低趋势;不同倾角的岩石循环加卸载强度随角度增加而增大;三轴峰值强度随裂隙倾角的增加而增大,但围压对裂隙试件强度影响明显,在三轴循环加卸载环境下,强度会随裂隙倾角增加而明显增大。

水化学-冻融循环作用下砂岩三轴蠕变及细观损伤试验研究

为了研究化学溶液侵蚀和冻融循环耦合下西南地区砂岩的蠕变特性,研究了不同化学溶液浸泡的黄砂岩试样经0次、15次、30次、45次和60次冻融循环后的三轴蠕变性质,结合SEM和核磁共振成像分析了劣化细观特征。结果表明:同一化学溶液侵蚀下随着冻融循环次数的增加,岩样的瞬时应变和稳态蠕变率呈指数形式增大,长期强度逐渐降低;相同冻融循环次数下,H_(2)SO_(4)溶液对岩样的损伤程度最大,NaOH溶液次之,NaCl溶液最小;在冻融循环60次之后,岩样的长期强度总体降幅为9.47%;NaCl与H_(2)SO_(4)侵蚀效果比较,岩样的长期强度总体降幅为4.33%;相同冻融循环次数下,不同化学溶液侵蚀下岩样孔隙度PPH=4>PPH=10>PPH=7,且岩样损伤是由表及里,由两端向中部发展的。研究结果为进一步研究多场耦合作用下岩石工程长期稳定性提供理论依据。

掺橡胶颗粒充填体的损伤模型建立与试验研究

针对如何处理废弃尾砂和废旧橡胶,提出在尾砂中掺入橡胶颗粒用于矿山充填。借助损伤力学,运用Weibull统计分布理论,建立了含橡胶颗粒充填体的损伤本构模型和损伤演化方程,探究了含橡胶颗粒充填体受荷损伤演化规律;通过掺入橡胶颗粒的干燥和潮湿两种充填体试样开展了无侧限压缩试验,结果表明:所建含橡胶颗粒充填体损伤本构模型理论曲线与试验曲线高度吻合,验证了模型的正确性;掺入橡胶颗粒会增加充填体的塑性,提高其峰值后应力,且在潮湿充填体中塑形更加明显,但含橡胶颗粒充填体在获得较好延展性的同时,也会牺牲一定的强度;橡胶颗粒在潮湿充填体中会加剧损伤演化过程,在干燥充填体中会削弱受荷损伤的积累。

不同水泥胶结充填体的压缩性能试验研究

为探究以不同水泥作为胶结剂对充填体强度的影响,进行以水泥类型、料浆灰砂比、质量浓度以及龄期为影响因素、以充填体单轴抗压强度为评价指标正交试验,通过极差分析和方差分析研究各因素对胶结充填体抗压强度的敏感程度。结果表明,对胶结充填体抗压强度的影响程度顺序为:水泥类型>龄期>灰砂比>质量浓度,以P·O52.5水泥作为胶结剂的充填体其强度最大,以P·S32.5水泥为胶结剂的充填体其强度最小;方差分析表明,灰砂比和龄期对胶结充填体强度的影响显著,充填料浆的质量浓度对充填体强度的影响最小。因胶结剂费用对充填成本的影响大,在制定满足强度要求的充填方案时应考虑水泥的市场售价。