不同加卸载路径下灵敏性粉土的变形特性

山西汾河中游一级阶地的施工中发现,饱和粉土地基受扰动后会产生很大的附加沉降,且迟迟不能稳定,表现出灵敏性。基于一维固结蠕变试验研究不同的加卸载路径对灵敏性粉土变形特性的影响,结果表明:加卸载路径和加卸荷比是影响压缩曲线的重要因素;压缩曲线在出现转折时对应的应力为结构屈服应力;加荷比越大,同级荷载下沉降值、固结系数、次固结系数和主固结比都会增大,同时其压缩曲线越趋近于线性,特征转折点消失,但加荷比越大,可大大减少工期;预压荷载的大小和卸荷比都会影响灵敏性粉土的回弹量,预压荷载大于结构屈服应力时,卸荷比越大,回弹量越大,因此需要采取分级卸载方法减小回弹量,保证预压效果;目标荷载小于结构屈服应力时,超载预压法降低工后沉降效果显著。

实体煤掘进加卸载路径下的冲击机理及防控研究

实体煤掘进冲击矿压受覆岩运动影响较小是其典型特点,其冲击机理缺乏系统研究。本文从实体煤掘进围岩力学行为入手,展开其冲击机理及防控研究。首先,运用数值模拟方法得到煤巷掘进围岩应力路径具有"竖向加载-倾向卸载-走向固定"的三轴加卸载特征;然后展开三轴加卸载路径下的煤样力学和冲击特征试验;最后用试验结果指导实体煤掘进冲击防控设计。试验揭示了煤样峰值点的加卸载侧应力不仅受初始加载侧应力和初始卸载侧应力影响,而且与卸载速率和加载速率比值(简称"卸加比")呈指数型降低,但是受初始固定侧应力影响较小。发现实验室煤样需要满足高应变速率和高应力2个条件才能形成冲击,非冲击煤样和冲击煤样分别呈现层裂式和爆裂式破坏特征,前者对应的声发射能量值比后者小2个数量级。根据加卸载下煤样破裂特征及冲击形成条件,制定相应的实体煤掘进冲击防控设计方案。现场实践表明,所设计的实体煤巷道掘进冲击防控方案有效降低了大能级矿震和冲击矿压的发生概率。

加卸载状态下散粒体力链结构的复杂网络分析

岩土类散粒体在加卸载过程中会呈现出不可逆的力学行为,可从复杂网络参数演化角度分析散粒体加卸载细观机制。采用离散单元法,进行散粒体加载―卸载―再加载过程的三轴数值模拟,并分析了加卸载过程中散粒体的宏观应力-应变演化及其对应的不同强接触体系的复杂网络特征。研究表明:散粒体的应力-应变曲线在加卸载过程中形成“滞回环”,在微观配位数和聚类系数上亦表现出了不可逆行为;采用不同阈值划分不同加卸载状态的强弱接触体系,随着阈值的增大,各应力状态对应的细观结构差异减小;强接触体系的最大簇在特定阈值区间内达到贯穿边界的极限,其几何特征与拓扑特征反映了散粒体加卸载过程的不可逆变化。

考虑加卸载路径的深埋水工隧道弹塑性解析解

目前预测隧道围岩应力和位移的弹塑性解析解大多由加载状态进行推导。而水工隧道通水后应力状态存在卸载,解答应考虑实际应力历史。针对围岩满足统一强度理论、理想弹塑性和非关联流动法则,并考虑开挖阶段掌子面推进效应、支护时机、围岩–衬砌相互作用以及高水压时卸载区再次变塑的情况,根据弹塑性加卸载原理进行水工隧道从开挖到通水运行全阶段的弹塑性解析解推导(塑性区范围、应力、位移和临界水压值)。围岩应力与位移解析解与有限元结果吻合很好。本文解与纯加载路径的解答(传统解)相比发现,传统解低估了洞口实际位移量和塑性区大小。

不同加卸载路径下煤岩渗透性变化特征分析

查明不同加卸载路径下煤岩渗透率变化特征是进行采、掘过程中煤岩裂隙变化规律研究的基础。利用RMT-150B型岩石力学伺服实验系统对不同煤样进行了不同应力、不同变形阶段的多次加-卸载下的渗透性测试试验,基于孔裂缝的演化机理对渗透性变化规律进行总结,并对变化机理进行了分析。结果表明:峰值前进行加卸载时,渗透性变化幅度较小;应变-渗透性曲线较应力-应变曲线滞后性不明显。其变化主要取决于弹性变形;峰值后进行加卸载时,渗透性发生质的变化,增加幅度较大,并且应变-渗透性曲线较应力-应变曲线滞后性明显,其变化主要取决于塑性变形。同时随着循环加卸载次数的增加,渗透性均是逐渐变大,尤其是同一加卸载过程中相同应变所对应的加载与卸载时渗透性的差值。

采动过程中下被保护层煤体变形渗流规律研究

为得到采动过程中被保护层煤体的变形、渗流规律,进行了煤样在加卸载应力作用下的变形与渗流实验研究。以红阳三矿上保护层开采为工程背景,采用数值模拟得到保护层采动过程中下被保护层煤体的加卸载路径,依据该加卸载路径对被保护层煤体试样进行加卸载,得到应力—应变及应力—渗透率关系曲线。研究结果表明:加卸载过程中,轴向应变随加卸载表现为线性向非线性转变,且卸载过程中轴向应变未能恢复至初始值;环向应变随加卸载表现为非线性变化。相同应力值对应的加卸载渗透性变化规律为:一次卸载阶段渗透率小于一次加载阶段渗透率小于二次加载阶段渗透率。

掘进应力扰动下细砂岩破裂规律及其强度损伤的实验研究

采用数值模拟和实验相结合的方法,以西铭矿回风大巷细砂岩为例,通过FLAC~(3D)精细化模拟,还原了巷道掘进过程中围岩应力加卸载路径,通过声发射探测仪掌握了未经历掘进应力扰动的单轴压缩和经历掘进应力扰动后单轴压缩的砂岩破裂过程声发射信号分布特征,揭示掘进应力扰动作用对岩石强度的削减效应以及对破裂发育的影响规律。结果表明:掘进应力扰动对岩石极限强度存在显著的削减效应,强度削减幅度约为11.43%;掘进应力扰动改变了试件主裂隙发育及扩展方向,单轴加载路径下试件裂隙自下部萌生并上行发育直至形成贯通断裂带,而经历掘进应力路径后试件裂隙亦自下部萌生,但主裂隙起裂位置调整至岩石上部,并下行发育直至试件中形成完全贯通的宏观断裂面。掌握掘进应力扰动作用下围岩破裂初期规律及其后期围岩变形、破坏特征的影响规律,对确定合理的采动围岩支护方法具有重要意义。

疲劳损伤模型研究

文章根据加卸载路径的方式对现有的CCZM进行了分类,并详细阐述了各类型CCZM的适用范围与优缺点;归纳总结了不同损伤演化法则所对应的相关算法。基于此,文章提出了CCZM构建过程中需要考虑的若干关键问题,并且从发展的角度阐述了CCZM从基于试验的现象学模型到基于经验假设的损伤力学模型、再到基于裂纹扩展微观机制的损伤力学模型的进步过程。

日月引潮力对冲击地压的触发机制及时间窗口效应研究

冲击地压发生的“时-空”特征难以预测,严重制约了煤炭资源的安全、高效产出。从日月引潮力对采场围岩循环加卸载的作用机制出发,统计2001~2021年典型冲击地压事故的时空分布特征,利用理论分析和数据统计厘清了日月引潮力与冲击地压的内在联系,采用CASRock细胞自动机分析软件,研究2种日月引潮力时程作用模式对冲击地压类型的触发机制,并提出基于时间窗口效应的岩石循环加卸载应力路径优化方法。研究结果表明:(1)日月引潮力与冲击地压发生都具有明显的地域差异性,在日月引潮力的循环加卸载作用下,冲击地压发生的时间主要集中在2月和9月及每月的农历初一、十五左右。(2)日月引潮力的2种时程作用模式下的累积声,发射数量、等效塑性剪应变(Epstn)、岩石破裂度(RFD)均大于常规三轴加载,表明在日月引潮力的作用下,煤岩体更易发生应力跌落,由弹性向塑性转化,并释放更多的弹性能,更易诱发冲击地压。(3)从冲击力源出发,日月引潮力的2种时程作用模式分别容易诱发重力型冲击地压和构造应力型冲击地压。(4)揭示了日月引潮力对于冲击地压的触发机制实际上是日月引潮力对于采场围岩重复循环加卸载的作用结果。并在分析常见的循环加卸载应力路径基础上,结合矿井工作制度,将每日的生产期间划分为加载阶段,检修期间划分为卸载阶段,提出基于时间效应优化的采场围岩应力路径。上述研究结果可以更好地应用于岩石力学实验,为真实反映煤岩试件在采动应力路径作用下的冲击破坏规律提供新的方法。