三维动静加载下煤的本构模型及卸荷破坏特征

为研究非静水压条件下煤体动力学性能及动力扰动后卸荷破坏特征,在三维动静加载实验的基础上,研究了卸荷方式对动力扰动后卸荷煤样宏观破坏特性的影响。首先,采用Ф50 mm的分离式霍普金森压杆系统,开展三维动静加载下煤样的动力学实验,研究轴压、应变率对煤样动力学响应规律的影响;其次,基于响应曲面理论,借助中心复合试验法,构建考虑因素交互作用的回归模型,并分析单因素及因素交互作用的显著性;然后,结合因素交互作用、Weibull分布、Drucker-Prager准则,修正煤的强度型统计损伤本构模型,对比理论与实验结果,验证模型可靠性;最后,借助加卸荷电液伺服装置,探究轴压、冲击气压、卸荷方式对煤样破坏特征的影响及作用机制。结果表明,构建的强度型统计损伤模型,相关系数R~2≥0.88,可表征煤样动力学响应行为。冲击后同步卸荷的煤样多呈层裂破坏,拉伸界面随轴压增大而后移直至消失,无法形成层裂破坏;非同步卸荷下煤样破坏形式主要包括整体完整、层裂、压剪破坏,而当冲击气压0.4~0.6 MPa,轴压14.5 MPa时,表现为“层裂+压剪”混合破坏。

基于电镜扫描实验的柱状节理隧洞卸荷破坏机制研究

采用现场调查、室内力学实验、细观实验的方法,对导流洞内柱状节理玄武岩的卸荷破坏机制进行研究。研究结果表明:(1)柱状节理岩体内节理面主要包括:柱间节理面、柱内竖直隐节理面、柱内水平节理面,柱间节理面表面粗糙不平,为岩浆岩冷却后形成;柱内竖直隐节理面存在羽毛状陡坎,开挖卸荷后易松弛成为显节理;柱内水平节理面表面平整,方向近乎水平。(2)将现场破坏面与标准破坏模式下的电镜扫描结果对比表明:柱内竖直隐节理面为原生节理面,破坏形式主要为拉破坏;柱间节理面为原生张拉节理,破坏形式包括拉伸与剪切及其混合破坏;水平节理面为构造运动中形成,无明显开挖卸荷破裂特征。(3)柱状节理塌方机制为:受多组节理切割,柱体易沿节理面从柱体内外共同破裂,呈小柱体垮落,即硐室开挖后,当法向力超过柱间节理面抗拉强度时,柱状节理沿着柱间节理面开裂,并滑移;在滑移过程中,柱间节理面相互摩擦,形成剪破坏特征;当法向力超过柱内竖直隐节理抗拉强度时,柱体内部沿着柱内竖直隐节理破裂;节理面相互切割形成小柱体,从柱体内外共同破裂,并向临空面滑落;由于水平节理面非常发育,小柱体最终会在重力及开挖扰动作用下垮塌脱离母岩,严重时形成塌方。该机制可以很好地解释现场边墙柱体破裂面中三弱面共存的原因。

复杂应力状态下完整岩体卸荷破坏的损伤力学分析

在损伤力学理论的基础上建立了岩体卸荷破坏的损伤本构模型，通过与红砂岩的四种卸荷破坏试验结果的对比，表明该模型适用于脆弹性岩体的卸荷破坏．

岩石卸荷破坏特征与岩爆效应

岩爆是在地下洞室开挖卸荷过程中发生的，岩爆特征与岩石卸荷破坏特征密切相关．本文设计了模拟洞室开挖过程的三轴卸荷实验。

工程岩体卸荷破坏机制研究的现状及展望

综合讨论了工程岩体的性质、卸荷破坏的特点及其机制 ;回顾了工程岩体卸荷破坏机制的研究现状 ,对当前工程岩体破坏研究的主要问题和今后的方向进行了探讨与展望。

浅埋煤层厚沙土层采动卸荷破坏的“拱”状数学模型

在物理相似模拟试验发现浅埋煤层地表厚沙土层初采期间的“拱”状破坏特征的基础上,建立了“拱”状数学模型,为进一步探讨关键层(关键块)与其上表土层的耦合问题奠定了基础.

卸荷条件下结构性软黏土三维力学特性研究

软黏土一般具有结构性,结构性是土体变形特性的重要影响因素。以天津滨海软黏土为原料土,通过掺入少量不同含量的水泥人工制备出土质近似均匀、结构性有所不同的结构性软黏土,采用GCTS真三轴试验仪探讨基坑开挖条件下结构性土体的三维力学特性。结果表明:侧向卸荷条件下土体应变与卸荷速率、土体本身结构性、固结围压皆有关系;当土体结构性与卸荷速率相同时,围压越小的试样应变增长的速率越快,破坏时应变量越大;在土体结构性与围压相同时,随着卸荷速率的增大,破坏应变以及破坏时的应力大小都增大;当大主应变ε1小于破坏应变,土样的结构性未发生破坏时,ε1-ε3关系曲线斜率增长速率较慢,当大主应变ε1达到破坏峰值后,小主应变ε3方向膨胀速率加快,直至试样破坏;在同一围压下,土体初始卸荷切线模量随卸荷速率的增大而减小,土体卸荷破坏强度随卸荷速率的增大而增大。在此基础上,对应力-应变关系进行分析,建立并验证了考虑卸荷速率和土样结构强度影响的卸荷破坏强度预测公式。

煤与油页岩上行卸荷联合开采破坏行为及模拟分析

基于龙口北皂煤矿工程背景,提出了煤与油页岩上行卸荷联合开采方法。指出了煤与油页岩联合开采需要解决的关键问题:油页岩破坏机理与峰后强度特性、油页岩工作面布置与回采巷道围岩控制、煤与油页岩联合开采的非连续破断数值分析等。研究认为油页岩在下部煤层开采后处于峰后破坏阶段,之后被重新压实,强度有所回升,油页岩开采应处于中间某一合理强度区间。研究表明北皂矿煤2与油页岩联合开采的合理层间距范围为[13.2 m,32.9 m],且油页岩开采工作面应滞后煤层开采工作面大于125 m。煤与油页岩联合开采在龙口北皂矿成功进行了工程实践,取得了良好的经济效益,实现了煤矿的可持续发展。

巷道围岩卸荷破坏裂隙发展模型试验研究

为了深入研究巷道围岩卸荷破坏裂隙发展规律,针对试验考察巷道突然开挖卸荷后周边围岩裂纹的扩展状况,自行设计巷道卸荷试验装置和试验方法,采用有机玻璃板模拟围岩,中心挖去缺口部分代表巷道,遵循试验模拟的相似模型准则来设计试验,并采用高速摄影方法对模型裂缝的发展进行拍摄.试验结果表明:围岩中的弱面不但是加载过程中最容易破坏的位置,也是卸荷破坏过程中强度最薄弱的位置;裂纹的扩展方向与主要卸荷方向垂直,属于拉伸破坏类型;卸荷后在巷道的角部产生了拉应力集中.

粉砂岩卸荷变形破坏特征试验研究

利用MTS815.04电液压伺服可控制刚性试验机,对标准粉砂岩岩样进行了保持轴向变形恒定的卸围压试验,获得了大量的应力、应变实验数据。研究表明:岩体卸围压试验大致分为3个阶段,即初始阶段、裂纹扩展阶段及破坏阶段;岩体破坏时裂纹主要沿着最大主应力的方向开裂,最终形成近似平行于最大主应力的张拉型破坏面。进一步对岩体卸荷过程中轴压σ1与围压σ3的变化曲线进行分析发现:当围压降低到一定程度时,裂纹在拉应力作用下迅速扩展;扩展开的裂纹之间由于没有了摩擦力的作用,相对于加载破坏,岩体更容易发生卸荷破坏;在卸荷过程中岩体弹性模量E,泊松比μ随体积应变εv表现出明显的非线性变化趋势。试验结果可为工程提供借鉴。

锦屏水电站大理岩在高应力条件下的卸荷力学特性研究

结合锦屏水电站深埋引水隧洞开挖工程,选取该区域典型大理岩,并以隧洞围岩实际应力环境为基础,开展卸围压破坏试验以及卸围压多级破坏试验。研究成果表明,锦屏大理岩在高应力条件下的卸荷力学性质主要表现为:(1)相同初始应力条件下,岩石达到卸荷破坏所需应力变化量比轴向压缩破坏时小,卸荷更容易导致岩石破坏;(2)岩石卸荷开始后侧向变形明显加快,且表现出显著扩容,如果忽略卸荷前岩样变形,则体积变形几乎按照侧向变形的规律增大;(3)卸围压过程中,泊松比近似按照多项式关系增长。变形模量初始变化不显著,屈服前微量围压减少引起变形模量急剧减小;(4)卸荷条件下抗剪强度参数c值比加载条件下低14%,而?值比加载条件下高23%。这些结论揭示高应力条件下大理岩的卸荷力学特性,为深埋引水隧洞开挖稳定分析提供可靠依据。

层状大理岩卸荷力学特性试验研究

以锦屏一级水电站地下厂房实际应力环境为基础,利用MTS815 Flex TestGT岩石力学试验系统,对该厂房区域典型层状大理岩开展常规三轴加、卸荷破坏试验研究。研究成果表明:平行层理面压缩时,卸荷试验得到的抗剪断、抗剪强度参数较加载试验得到的c,φ值低,残余内摩擦角φr值却较高;相同卸荷条件下,垂直层理面压缩得到的抗剪断、抗剪强度参数较平行层理面压缩得到的c,φ高,φr值却较低;卸荷条件下岩样的破坏是其向卸荷方向的强烈扩容所致,峰值强度后继续卸荷对岩石峰后承载力有显著的弱化作用;试验得到的各组弹性模量大致随围压增加而增加,而峰值应力对应的变形模量则反之,单个岩样在卸荷试验中,变形模量大致随围压卸荷而降低,垂直层理面压缩得到的变形模量较平行层理面压缩的高20%～51%,侧胀系数μ的变化规律则反之,前者较后者的低3%～12%;在相同卸荷条件下,平行层理面压缩时,岩石更易发生破坏,而垂直层理面压缩时,大理岩的脆性变形特征更显著。这些结论揭示了层状大理岩的卸荷力学特性,对解决工程实际问题有重要的参考价值。

基于不同卸荷速率与路径影响下吹填土力学特性研究

运用应力路径三轴试验仪,对天津滨海吹填土开展等向固结条件下的不排水卸荷试验,探讨不同卸荷路径及卸荷速率对应力−应变关系、孔压变化规律及破坏强度特性的影响。试验结果表明:各卸荷路径下应力−应变曲都近似呈双曲线型。UU0.0(径向卸荷、轴向不卸荷)卸荷路径下试样变形表现为轴向压缩,且孔压变化曲线存在明显的屈服点;UU2.0(轴向和径向均卸荷),UU∞(轴向卸荷、径向不卸荷)及UL1.0(轴向卸荷、径向加荷)路径下试样变形表现为轴向伸长,孔压随着应变的增加而增大,最终速度减缓并趋于稳定增长状态。同种路径下,卸荷速率越大,卸荷初期孔压发展越缓慢,峰值孔压越大。对0.1、0.2、0.3 kPa/min卸荷速率下的应力−应变曲线研究发现,卸荷压缩路径下初始切线模量受卸荷速率影响较大,拉伸路径下则不明显。UL1.0路径下卸荷破坏强度最大,UU2.0路径下该值最小,UU∞路径下则居中。同一卸荷路径下,土体破坏强度随卸荷速率的增大而增大。对各应力−应变曲线进行归一化处理,构建了考虑卸荷速率及卸荷路径影响的初始切线卸荷模量和卸荷破坏强度预测公式。

大理岩卸荷变形特征及力学参数研究

岩体在开挖工程中卸荷,岩石轴向应力增加径向应力减小,可采用升轴压卸围压三轴试验模拟开挖过程。使用电液压伺服可控制刚性试验机,对取自某水电站的标准岩样进行常规三轴和升轴压卸围压三轴试验,根据两种试验方法下获得的应力、应变等试验数据分析得出了如下结论:(1)大理岩变形模量损伤因子M和初始围压σ3、泊松比损伤因子N和初始围压σ3均呈二次非线性关系。(2)侧向变形速度明显加快,宏观上表现出扩容,有较强的张性破坏特征,在围压相等的条件下卸荷,张性裂隙沿着两个方向发展,直至破坏。

高应力开挖卸荷下洞室岩壁梁爆破施工工艺

依托于白鹤滩水电站地下厂房工程,通过不断优化与调整岩壁梁开挖爆破程序和方法,以减小爆破扰动、促进应力分区释放、降低卸荷破坏程度。地下厂房开挖采取竖向分层、水平分区,针对岩壁梁区域及其上、下层围岩分别制定精细化开挖爆破措施,分区、分序实施,研发岩台区临时面喷射钢纤维混凝土、设置树脂锚杆等预支护技术、岩台及时支护等防卸荷破坏技术,保证了岩台成型质量,形成一整套适用于跨度大、地应力高、卸荷破坏严重的大型地下洞室岩壁梁开挖爆破施工工艺。

泥巴山隧道流纹岩加卸围压力学特性研究

为了给泥巴山隧道开挖稳定性分析提供依据,选取钻孔深部的流纹岩,以隧道围岩实际应力环境为基础,结合单轴压缩破坏试验成果,进行常规三轴压缩破坏试验以及卸围压破坏试验。对流纹岩在不同试验条件下的应力–应变全过程曲线进行分析和比较,结果表明:在隧道部分深埋段,岩体的微裂隙也较发育;随着埋深的增加,岩石峰值强度有逐渐增大的趋势;完整的流纹岩抗压强度高且脆性特征明显;在三轴压缩试验时,流纹岩具有明显屈服特征,但经过很大的塑性变形后才发生宏观破坏,随着围压的增大,岩石从张性破坏向剪切破坏变化,破裂面倾角变缓;卸围压更容易造成岩石破坏,并且在卸围压破坏时其抗剪断参数c值比加围压破坏时下降48%,而?值增加11%。

隧洞岩爆应变能释放机理研究

为进一步认识隧洞岩爆应变能释放机理,获得岩爆过程完整演化图像,定义弹脆性细观损伤模型和刚度退化迭代算法,并将其嵌入有限元程序模拟一个深埋隧洞岩爆发生过程。结果表明:岩爆发生过程为首先在洞壁母岩中形成"V"形剪切滑移带,并从中分划出楔形岩爆体;随后岩爆孕育进入临界状态;最终楔形体挤压破坏,导致卸荷释放应变能。岩爆孕育、演化发生包含丰富细观力学机制:岩爆区的分划机制——剪切滑移;滑移带中的细观力学机制——张拉破坏;岩爆的临界状态——楔形体的极限平衡;岩爆能量释放——楔形体裂隙带卸荷。楔形体位移监测表明:岩爆发生时,楔形体经历弹性外鼓、卸荷回弹及片状抛出3个阶段,片状爆裂发生在卸荷回弹阶段。

岩体的加、卸载状态与能量的分配关系

岩体是流变体,在高地应力的长时间作用下其内部非均匀应力随着时间自我松弛,逐渐趋向于静水压力状态。在这样的状态下,虽然其体积仍维持弹性,但丧失了进一步抵抗剪切变形的能力,处于流动的状态,其能量储存具有体积的特征。采用平面压缩模型,研究岩石在不同应力水平长期作用下的变形性状及能量分配关系,给出在快速卸荷条件下发生自持续动力断裂破坏条件,以期揭示深部岩体初始地应力水平(能量在体变及形变上的分配关系)对卸荷条件下岩体运动过程中表现的惯性、黏性及弹塑性变形的影响规律,为建立深部岩体加卸荷本构关系打下基础。

Effect of induction unloading on weakening of rock mechanics properties

The effects of induction unloading such as drilling, blasting, lancing and water-infusion softening on weakening of rock mechanics properties were investigated. Three stress paths were chosen as test schemes corresponding to the triaxial compressive test, pre-peak and post-peak unloading the confining pressure tests. The results show that compression deformation is the main cause of rock failure under loading condition. However, the strong dilatation leads to the rock failure along unloading direction. Rock failure happens even under little axial stress with confining pressure unloading. Poisson ratio increases with the decrease of confining pressure during the process of unloading. Elastic modulus increases slowly along with the decline of confining pressure, but decreases rapidly when unloaded to yielding strength. It shows that the weakening rate of rock intensity tends to be faster with easily failure under the unloading condition.

高寒环境下水电站高边坡相关地质问题研究

青藏高原区由于其特殊的地理地质环境,由高边坡引起的工程地质问题往往也有其自身的特点,本文以青海蓄集峡水利枢纽溢洪道高边坡为研究对象,对在设计施工中遇到的稳定性分析、卸荷变形破坏及冻土的影响等相关工程地质问题进行了研究。