近疲劳强度循环荷载下粉砂岩强度变化机制

通过开展不同循环次数的循环加卸载转单调加载试验,结合声发射和CT扫描技术,揭示了近疲劳强度循环荷载作用下泥质石英粉砂岩的细观破裂演化规律、裂隙扩展特征与强度变化机制.结果表明:(1)泥质石英粉砂岩的损伤应力小于疲劳强度,可称损伤应力与疲劳强度之间的应力水平为近疲劳强度.(2)随着循环次数增加,粉砂岩峰值强度先小幅下降后持续增加最终趋于稳定,当一次循环后轴向(体积)变形从压缩(膨胀)转为几乎不变时,可认为粉砂岩的强度从劣化转为强化.(3)单调加载阶段应力接近峰值强度时,粉砂岩中、低频区的声发射信号大幅增加,可将其视为岩石受压破坏的先兆.(4)当循环次数较低时,循环过程中粉砂岩的弱胶结结构断裂,有效承载面积减小,转单调加载后岩石破裂尺度增大、内部裂纹局部集中,发生劣化,呈单斜面剪切破坏.(5)当循环次数较高时,循环过程中粉砂岩胶结强度增加、细观结构更为致密与均匀,有效承载面积增大,岩石内部在泊松效应的影响下持续产生横向拉应力,转单调加载后岩石裂隙尺寸、裂隙密度和破碎程度降低,发生强化,呈张拉–剪切的复合裂隙网络.

多孔弱胶结粉砂岩疲劳强度确定方法及疲劳破坏先兆

为了研究多孔弱胶结粉砂岩的疲劳力学特性,通过单轴阶梯加卸载试验建立了一种新的特征应力定量计算方法,然后开展上限荷载位于不同应力区间的单轴等幅循环加卸载试验,研究粉砂岩的疲劳强度确定方法和疲劳破坏先兆。新建特征应力定量计算方法将岩石的体应变分离为以岩石骨架为主的固相结构线弹性体应变、以裂纹为主的气相结构非线弹性体应变及不可逆的塑性体应变,并提出气相非线弹性体应变最大点、塑性体应变最大点、塑性体应变由正转负点、总体应变由正转负点分别对应粉砂岩的闭合应力、启裂应力、损伤应力和绝对扩容应力。该方法具备科学合理的物理意义,并解决了特征应力划分受主观因素影响的难题。由新建方法获得的损伤应力和绝对扩容应力可以分别视为单轴循环荷载下发生高周和低周疲劳破坏的临界上限应力。当上限应力低于损伤应力时,循环荷载作用下粉砂岩骨架颗粒间发生错动滑移,使试件细观结构重新排列、体积逐渐压缩、体积柔量逐渐增大,随着循环次数增多,下限应力处残余体应变、体积柔量和声发射累计计数等逐渐趋于稳定。当上限应力高于损伤应力时,声发射累计计数持续增加,粉砂岩内部裂纹快速扩展使残余体应变和体积柔量迅速减小,试件最终发生疲劳破坏,而体积柔量由正变负可视为发生疲劳破坏的早期先兆。循环加卸载过程中声发射事件数与k呈对数线性关系,其中斜率b_(k)可用于描述岩石破裂模式,而b_(k)的陡增可视为发生疲劳破坏的临界征兆。

荷载条件下泥页岩热物性参数试验研究

岩石热物理性质与其矿物组成、内部结构、温度、含水率等有关外,还受赋存状态包括应力大小、方向等的显著影响。岩石热物性参数的准确获取对非常规油气资源开发、深部矿产资源开采和地热能开发利用等岩体工程设计、实施具有重要意义。结合某油田工程的泥页岩为研究对象,开展不同应力水平实时加载时的岩石热物性参数试验研究,结果表明:岩石在各向同性和各向异性条件下,其应力条件都对热物性参数有显著影响,且初始加载阶段更为明显;各向同性条件下整体上应力越大,导热系数和比热容越大;岩石热物理性质有显著的各向异性特征,轴向(沿加载方向)上导热系数与热扩散系数随应力增加而增大,径向(垂直加载方向)上随应力增大而减小,但整体上变化速率均呈初期加载时较大,后期趋缓的变化规律。

换流站TILP型交流滤波器电容器接线柱发热分析研究

研究±500 kV换流站TILP型交流滤波器电容器接线柱频繁发热原因,提出具体的预防解决措施。本文研究新型特殊线夹,为该型设备能够继续良好的运行提供了有力技术支持。通过对不同措施方案进行测试分析和数据研究,对比目前运行情况,得出TILP型交流滤波器电容器频繁发热是由于接线柱结构设计不合理供导流的接触面过小且接触面容易氧化引起,介绍了解决该问题的方案。

不同循环上限荷载下泥质石英粉砂岩力学特性试验研究

通过开展循环加卸载转单调加载试验和疲劳破坏试验,揭示循环荷载下泥质石英粉砂岩的变形和力学响应特征。试验与研究结果表明,当循环上限荷载位于疲劳强度前后,试件的轴向和横向累计残余应变由单调递增凸曲线向凹曲线延伸,滞回环间距由“疏-密”向“疏-密-疏”发展,残余应变率和滞回环相对面积由L形向U形转化;弹性模量由初始快速上升、下降、缓慢稳定发展3个阶段向单调递减凹曲线转凸曲线衰减;而横向-轴向应变比则由单调递减凹曲线,转变为单调递增凸曲线,然后向凹曲线延伸;随上限荷载的增加,循环加卸载3000次后泥质石英粉砂岩抗压强度先增大后减小,最大增幅较单轴抗压强度高13.62%,而当上限荷载小于单轴压缩弹性上限时,循环荷载作用后的岩石抗压强度略小于单轴抗压强度;当试件发生疲劳破坏时,疲劳寿命与上限荷载呈幂函数分布,疲劳强度约为单轴抗压强度的80%~89%。试件弹性模量整体随着循环上限荷载先增大后减小,而横向-轴向应变比则随上限荷载的增加而增大;提出了循环荷载的“薄弱结构断裂效应”和“压密嵌固效应”,探讨了循环加卸载过程中多孔弱胶结岩石的强度变化特征和力学参数演化机制。

循环荷载作用下粉砂岩疲劳流变损伤模型研究

针对现有流变模型难以有效描述循环荷载作用下岩石变形及疲劳损伤演化特征等问题,开展了粉砂岩循环加卸载试验,分析了不同上限荷载下岩石的流变规律与疲劳特性。基于Kachanov蠕变损伤理论建立损伤变量,引入一个带应变触发和应力阈值的黏塑性元件,与Burgers模型串联构建循环荷载作用下岩石疲劳流变损伤模型;将正弦波应力函数替换流变微分本构方程中的恒定应力,推导岩石在循环荷载下的一维、三维微分型损伤本构方程,再根据叠加原理得到模型的黏弹塑性流变损伤方程。适用性验证表明,新建模型不仅可以精确地反映循环加卸载过程中粉砂岩的衰减、稳态流变阶段,还可以有效地描述上限荷载高于疲劳强度时的加速流变阶段。通过粉砂岩疲劳损伤流变全过程定量化分析,提出加速流变阶段的临界损伤阈值和破坏失稳判据,并给出加速流变阶段的启始时间、持续时间及疲劳寿命预测方法,模型对岩体工程长期稳定性评价具有一定的理论指导意义。

金源矿区房柱法开采围岩稳定性分析

为了对矿区深部开采岩体的稳定性及岩爆倾向性进行深入地分析研究,本文针对金源矿区深部开采而可能带来的稳定性问题进行了数值模拟分析,结果表明:1中段开采过程中,拉应力集中在采场顶柱和部分矿柱,需严密监测中部矿柱应力,必要时可对其施加预应力锚杆加固;2矿柱水平位移基本变化不大,底板有轻微的底臌现象;3对60m长度单矿块的开采模拟中,若需多个矿块同时开采时,可采用隔一采一的方式有效控制围岩变形,保证开采安全;4若对埋深不同的多中段同时开采,最大弹性应变能将达到1.16×105J/m3,会对周边矿柱及围岩的稳定性留下安全应隐患。

地铁隧道开挖超前小导管预注浆参数对地表沉降的影响

以哈尔滨地铁三号线湘江路站—会展中心站区间大断面地铁隧道暗挖段施工为背景,采用FLAC 3D数值模拟软件研究不同超前小导管预注浆参数下地铁隧道开挖引起的地表沉降规律,计算结果显示,改善小导管投影长度、注浆半径及径向加固范围这3个参数可以有效地减小地表最大沉降量。基于这3个敏感性因素设计正交试验,以掌子面后方14 m处截面最大地表沉降和掌子面处地表沉降释放率为评价指标,通过极差分析和方差分析得出:小导管投影长度对地表沉降的影响最为显著,其次是注浆半径,而小导管径向加固范围的影响最小。

基于循环荷载损伤定量控制的岩石CWFS改进模型研究

黏聚力强度弱化–摩擦力强度强化(CWFS)模型形式简洁且参数物理意义明确,但模型准确度和适用性欠佳。开展花岗岩(致密结晶硬岩)和粉砂岩(多孔弱胶结岩)的三轴分级循环加卸载损伤控制试验,对传统CWFS模型进行黏聚力和内摩擦角方程、剪胀角方程、横纵应变比方程3个方面的改进。首先,优化模型应力水平定量表征点并统一塑性参数以准确获取模型参数定量结果;而后,适应岩石试验黏聚力弱化和摩擦力先强化后弱化的特征结果,引入强化和弱化控制系数,构建非线性黏聚力和内摩擦角方程;最后,对应屈服阶段的非线性剪胀和屈服前弹性阶段的显著非线性横向变形,分别建立非线性剪胀角方程和横纵应变比方程。适用性验证结果表明,改进后的CWFS模型可准确适用于试验花岗岩和粉砂岩,亦可准确适用于北山花岗岩和砂岩,能够合理地描述岩石全应力–应变过程中的应变软化、剪胀扩容和弹塑性应变演化规律,较传统CWFS模型准确度和适用性均有显著提高。

多孔弱胶结岩石破裂的围压影响机制及压密-损伤本构模型

通过开展粉砂岩单轴、三轴压缩试验,研究不同围压下岩石的力学性质及声发射活动规律,揭示了围压对多孔弱胶结岩石破裂的影响机制;根据声发射能量计数建立损伤变量,并提出了表征岩石损伤分布程度的损伤度;采用粉砂岩空隙体积应变建立岩石的空隙压密度,验证岩石空隙压密-损伤破裂本构模型并进行了参数分析.研究表明:1)施加围压阶段产生的体积压缩量最高,占据岩石最大体积压缩量的65%;泊松比随围压增大而减小,与致密硬岩恰好相反.2)围压限制了岩石的微裂纹扩展,粉砂岩单轴压缩时的声发射振铃计数率最大值为三轴压缩的十几倍;围压越大,声发射空间分形维数越小,微裂纹分布越集中.3)多孔弱胶结岩石的破坏是岩石内部短时间内产生大量小尺度剪切微破裂并迅速汇集—兼并形成大尺度宏观裂纹的过程;低围压可以有效地抑制小尺度微裂纹的扩展,而高围压对大尺度微裂纹的约束效果更明显.4)空隙压密-损伤破裂本构模型的理论参数物理意义清晰,能够准确反映围压对粉砂岩压密及破坏的影响机制,对于描述三轴压缩下多孔弱胶结岩石变形破坏规律具有较好的适用性.

考虑剪胀特性和峰后形态的岩石损伤本构模型

考虑受载岩石损伤破坏过程中的剪胀扩容特性,基于统计损伤理论建立一种新型三维损伤本构模型,并推导三轴与常规三轴压缩下模型的解析解。该模型认为岩石由未损伤部分和损伤部分组成,二者共同承担外部荷载;其中,未损伤部分只发生弹性变形;而损伤部分同时发生弹、塑性变形,变形规律受残余强度和剪胀角影响。针对加载过程中不同种类岩石表现出的不同应力–应变曲线峰后形态,将指数函数形式的修正系数R引入Weibull分布函数,并基于Mohr-Coulomb准则构建微元强度函数,建立考虑峰后形态的损伤演化方程。模型参数F_(0),m可由三轴压缩试验曲线的峰值特征获得,而参数k由曲线的峰后形态决定并能够衡量岩石脆性的强弱。适用性验证表明,新建统计损伤本构模型的理论计算结果与含砾粗砂岩、粉砂岩、Ohya stone的常规三轴压缩试验结果相吻合,能够准确地描述岩石破坏过程中的应变软化、剪胀特性、残余强度与弹塑性应变演化规律,并能准确反应真三轴条件下岩石各向异性变形特征;同时该模型揭示了加载过程中岩石黏结抗力弱化、摩擦抗力强化现象的损伤力学机制。

金源矿区深部开采模拟及稳定性分析

灵宝金源矿区已进入深部开采,采场稳定性对矿区的安全开采的影响极大。使用FLAC^(3D)软件,对该矿区进行了深部开采的数值模拟,其模拟结果表明:矿区最大主应力主要集中于各开采阶段工作面顶部和底部围岩,两帮围岩也出现不同程度的应力集中现象;随着阶段开采向上推进,该矿区拉应力极值较小且基本保持不变,一般不会出现围压的拉伸破坏;中段开采的各阶段,底板均有不同程度的些许微弱底鼓现象。开采过程中应对顶板进行加固支护并密切监测其变化,由于出现了部分破碎围岩,可设立人工矿柱支撑,此外,可采取例如减小采场宽度的方法以增加采场稳定性,减少岩爆事故的发生。

基于层次分析法的采矿方法模糊评价模型及应用

基于层次分析法,综合考虑生产、安全和环境3大类因素,建立科学、全面的矿山采矿方法选择的指标评价体系,并得到了指标体系中各种影响因素的权重。以灵宝地区金源矿区金矿为实例,基于模糊数学和最大隶属度理论,根据各因素的组合权重,建立模糊综合评判模型,进行分析和计算,得到最终的评判向量。结果表明,浅孔房柱法为该矿最佳采矿方法。专家调查法得出的评估结果和矿区实际情况,证明了应用层次分析法和模糊理论选出的矿体采矿方法具有较强的适应性和科学性。