围压作用下岩石样品中微裂纹的闭合

岩石中普遍存在的微裂纹对其物理性质有十分显著的影响 .为了得到不同围压条件下岩样内部微裂纹形态的变化 ,选取几种具有明显层理的岩石圈岩石样品 ,在不同围压下沿相互正交的三个方向对纵横波速度和线应变等进行了测量 ,根据O’Connell模型通过计算得出有效泊松比、裂纹密度、裂纹孔隙度和裂纹的c/a比值 (a为硬币形裂纹半长轴的长度 ,c为其半宽度 ) .结果表明 ,随着围压的增加 ,在垂直于层理面的方向上裂纹闭合最快但c/a比值不减反增 .结合显微组构分析可知 ,岩石中的裂纹表面实际上是凸凹不平的 ,在围压增加引起裂纹闭合过程中一条裂纹可以变成几个 ,长度成倍减小但宽度变化不大 ,所以在垂直于层理面的方向上c/a比值随围压增加而增大 .但另两个方向上的变化明显不同 ,应该与模型本身的适用范围有关 .通过同时测量纵、横波速度 ,计算c/a比值 。

围压作用下煤岩材料超声致裂规律研究

当超声波在煤岩固体材料中传播时,受其机械效应,煤岩基质固体颗粒间相互作用。从超声波的机械效应角度结合断裂力学,对围压影响的超声激励破岩机制进行探讨,利用RFPA2D岩石破裂过程分析系统对超声激励不同围压下煤岩致裂过程进行了数值试验验证。研究表明:围压降低了煤岩内部裂纹的断裂强度因子,改变裂纹尖端应力场;围压对煤岩破裂具有抑制作用,在相同功率超声作用下,围压越大,超声激励碎岩程度越低;数值实验表明,随着围压增加,超声致裂煤岩影响区域逐渐减小,煤岩破坏形式由低围压下的张拉和剪切破坏共同作用逐渐向高围压下单一剪切破坏过渡。相同有效声压作用下,煤岩破裂过程中主应力随煤岩围压升高而增大。

围压作用对深孔爆破效果影响的研究

目前,深孔爆破在煤矿坚硬顶板冲击矿压防治、煤层增透等方面应用广泛。深孔爆破炮孔处于围压作用中,但围压作用对深孔爆破效果的影响研究尚不完善。本文利用ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件,模拟有无围压两种条件下爆破裂纹形成过程,基于岩石爆破后破坏特征,对比分析了有无围压条件下破碎区、裂隙区及震动区的异同及爆破裂纹形态差异。研究结果表明:①无围压条件下裂纹扩展方向是以炮孔为中心向四周呈放射状较均匀分布,而围压条件下裂缝主要延伸方向与最小主应力方向夹角约20°,相对应的裂纹长度也有所减小,说明围压显著影响爆破裂纹最终形态;②两种条件下破碎区形成时间和半径基本一致、边界单元压力-时程曲线与冲击波峰值压力变化曲线形态大致相同,说明爆破破碎区的范围及爆炸过程中产生的应力波、冲击波在传播过程中的传播速度、传播规律、衰减规律受围压作用的影响较小。

围压条件下不同脆性岩石滚刀侵入破岩机制研究

在TBM(全断面隧道掘进机)掘进过程中,岩石性质和围压是影响滚刀破岩机制的重要因素,因此研究这两种因素共同作用下的侵入破岩规律对于TBM选型、刀盘优化布置有着重要意义。文章基于3-D离散单元法,利用三维离散元软件MatDEM建立了数值模拟模型,综合考虑岩石物理力学性质和围压条件的影响,研究了岩石破碎模式和滚刀侵入破岩效率的变化规律。结果表明,当围压水平较低时,岩石脆性指标对破岩效率影响明显,破岩效率随岩石脆性指标的增大而减小;但当围压超过一定值时,脆性指标对破岩效率的影响幅度变小。对于脆性不同的岩石,破岩效率随围压增大整体呈下降趋势,但对于脆性大于18的岩石,破岩效率在围压为5 MPa时达到最高;当围压水平较低时,岩石破坏模式均以张拉破坏模式为主,随着围压的增大,破坏模式逐渐向拉剪综合破坏模式转变。

湿度场与围压耦合作用下基于Weibull分布的岩石损伤本构模型研究

在地基开挖、地铁施工等地下工程中,岩石常常受到湿度场–围压耦合作用。耦合作用会加剧岩石内部损伤,对于损伤本构模型的研究可以进一步揭示岩石损伤机理。目前对于在湿度场–围压耦合作用下岩石的损伤本构模型研究尚不完善。本文基于Lemaitre应变等价性假设理论和SMP准则,引入双参数的Weibull分布,对岩石微元强度进行修正,建立了湿度场–围压耦合作用下的岩石损伤本构模型。然后,采用极值法得出所需的本构模型参数。对灰质泥岩的峰值应力和峰值应变进行理论与试验曲线对比研究,提出的理论模型表现出较好的吻合度,验证了该本构模型及参数的合理性以及适用性。本研究对软岩的损伤模型研究提供了参考,有一定的工程实用性和指导性。

复杂应力路径下原煤力学与渗透特性试验

运用自主研制的煤岩热流固耦合试验系统,以原煤为研究对象,进行轴压、围压分别循环加卸载试验,分析在轴压和围压的作用下原煤的力学特性和渗透特性。研究结果表明:随着轴压加载程度的增大,轴压加载过程中的塑性变形程度也增大。通过定义累积塑性变形量δε、累积渗透率变化量δK、累积体应变变化量δεV得出:在轴压循环加卸载至较低程度时,径向累积塑性变形量δε3和轴向累积塑性变形量δε1对δK的影响大致相同;随着轴压循环加卸载至更高的应力,δε3对相同δK的变化相较δε1更敏感,从δεV在完全由δε1、2δε3的影响这一极限假设情况下,径向变形量相较轴向还是更敏感。轴压完成加卸载并保持不变,轴向变形随围压的加卸载呈线性减小。而径向变形与围压在加卸载时也具有很好的线性拟合关系,径向变形随围压加卸载呈"V"形变化,渗透率呈倒"V"形变化。在轴压加载值较小时,对围压进行加卸载时,围压对煤样的塑性发展影响不大。

基于模拟的岩芯脆性室内评价方法对比与分析

为寻找更加有效的岩芯脆性室内评价方法,运用有限元软件模拟了岩芯关键力学参数对其脆性破坏特征的影响,计算并分析了脆性指数B1~B6.结果表明：随着弹性模量的增加和泊松比的减小,岩体脆性增强;随着抗压强度和压拉比的增大,岩体试样在破坏特征上脆性增强,但通过对围压和残余强度系数对岩体脆性指数的计算分析,揭示了抗压强度和压拉比对于岩体脆性影响的实质;围压是影响岩体脆性的外在因素,随着围压的增加,岩体脆性减小;另外,通过对脆性指数的方法比较,验证了B6.判断岩体脆-塑性的可行性.

基于SPH-FEM耦合算法的后混合磨料水射流冲击破岩数值模拟研究

采用SPH-FEM(smoothed particle hydrodynamics with finite element method)模拟了后混合磨料水射流在喷嘴中的混合过程,并研究了射流速度、磨料浓度以及岩石围压等因素对后混合磨料水射流破岩效果的影响规律。研究结果表明:在柱塞推动下,水与磨料在喷嘴的混合段、收敛段与直线段分别获得加速,最终磨料的速度可增加至纯水速度的80%;岩石破碎深度随射流速度呈近似线性增加,而破碎宽度随射流速度变化不大;磨料射流较纯水射流的破岩损伤更加明显,岩石的损伤随磨料浓度呈先增大后减小的趋势;岩石的破碎深度随着围压的增加呈近似线性减小的趋势。数值模拟结果与破岩实验现象基本吻合,该研究结果可为磨料水射流破岩的应用提供一定的理论支撑。

半圆石拱桥重载车辆通行安全评估

通过对半圆石拱桥进行有限元分析,并与荷载试验结论对比,提出在半圆石拱桥计算时需考虑护拱围压作用,仅取1/3拱圈进行计算的模式,为半圆拱桥通行特种车辆的安全性进行了准确评估。

基于Griffith强度理论的岩石裂纹起裂经验预测方法研究

裂纹起裂强度是岩石破坏过程中的重要应力阈值,研究岩石起裂准则对于揭示其破坏机制及预测围岩工程性质有着重要意义。首先进行青砂岩试样的单轴及三轴压缩起裂试验,并基于多种应变响应分析其中的起裂机制及细观破坏特征,指出局部张拉应力集中是起裂破坏的主因,总结提出低围压条件下的张开型起裂模型及高围压条件下的滑动型起裂模型。然后基于Griffith强度理论分析压应力场中岩石缺陷端部的局部最大张拉应力,其大小随差应力σ_1-σ_3的升高而增大,同时在围压条件下受表面摩擦作用的影响较大。针对岩石细观起裂机制提出起裂预测经验准则,准则中引入起裂参数m_(ci)作为围压影响系数以表征摩擦作用,从而适用于不同围压条件下的起裂破坏预测。利用3组起裂试验结果对经验准则进行验证,其准确性及实用性明显优于传统线性起裂准则。最后通过分析不同围压下岩石起裂强度与峰值强度之比σ_(ci)/σ_F,发现试样在围压60 MPa以下时其起裂破坏属于细观张拉破坏机制。