考虑裂隙间相互作用情况下围压卸荷过程应力应变关系

岩体的稳定性和变形特性主要决定于裂隙,同时裂隙间的相互作用对岩体的稳定和变形产生显著的影响。裂隙岩体在加载和卸荷条件下的力学特性有显著的区别。为此本文首次利用位错模型法结合叠加原理研究在围压卸荷条件下裂隙间的相互作用对岩体的变形的影响问题。文中推导了考虑裂隙间的相互作用情况下裂隙岩体围压卸荷过程的应力应变关系及应力强度因子表达式,且进行了数值计算。

围压卸荷条件下砂岩损伤与动态破碎特性研究

为研究深部高应力岩体开挖卸荷对围岩的影响,运用自制的带轴向静压和围压装置的霍普金森压杆(SHPB)设备,开展不同速度围压卸荷试验。结合围压卸荷过程砂岩试样声发射特性及动态加载后试样破碎块度分维特性,分析围压卸荷速率对试样损伤的影响。试验结果表明:当卸荷速率在0.5～10 MPa/s范围内变化时,砂岩损伤、声发射能量及破碎分形维数随围压卸荷速率增大而增大;但当卸荷速率增大到200 MPa/s时,砂岩损伤、声发射能量及破碎分形维数反而减小。在一定范围内提高围压卸荷速率,有助于提高砂岩试样裂隙发育及损伤程度。

盐岩在围压卸荷作用下的扩容特征研究

通过试验模拟盐岩储气库建腔期腔体围岩围压动态降低过程,开展单轴压缩和三轴卸荷扩容试验,并分析温度对盐岩试件卸荷扩容特征的影响。试验结果表明:由于都是应力增加的过程,卸荷试验的扩容特征与常规单轴试验相比,在扩容阶段划分上具有一些共同点,都存在体积压缩段、稳定扩容段和加速扩容段。卸荷试验和单轴试验的压缩极限基本相同。但由于加载方式不同,卸荷试验的稳定扩容段在整体扩容中所占比例更小,扩容速率和扩容幅度也较单轴试验小。在相同的偏应力作用下,卸荷试验产生更大的扩容。温度升高能够促进盐岩的扩容,表现为加速扩容点前移、初始稳定扩容段缩短、加速扩容段变长、扩容速度加快、扩容幅度增大等。

不同围压卸荷速率下砂岩力学特性数值试验研究

现有关于岩石试件在卸围压条件下力学特性的研究成果,无法完全排除试件离散性及受载过程中应力路径变化对试验结果的影响。利用离散元法开展均质试件在恒定轴压与4种围压卸荷速率下的数值试验研究,对比、分析其宏观与细观力学特性及能量演化规律。结果表明:随着围压卸荷速率的降低,试件极限承载强度不断提高,试验过程中逐步出现轴压和围压的跌落与反弹,反映了试件经历多阶段突发式渐进破坏过程,由局部破裂不断积累导致试件向失稳方向发展。卸荷过程中,试件张拉破裂增长速率大于剪切破裂,以张拉破坏为主。4种条件下,随着形成每条裂纹的声发射事件数增加,总体震级波动范围逐渐减小,整体震级逐渐增大。随着卸荷速率的减小,能量密度出现明显的台阶式上升特征,卸荷过程中试件突发性破裂程度逐渐提高。相对高速卸荷以近似线性方式使试件短时间内能量密度迅速变化,相对低速卸荷条件下的试件则有相对充足的时间以阶梯状增加方式改变能量密度。本研究可为卸围压条件下岩石破坏失稳机制分析提供理论和工程参考。

含瓦斯煤岩围压卸荷瓦斯渗流及电荷感应试验研究

煤岩卸荷过程物理信息监测对煤与瓦斯突出等动力灾害预测研究具有重要意义。应用自主研发的电荷采集装置,进行含瓦斯煤岩围压卸荷瓦斯渗流及电荷感应试验。研究结果表明:含瓦斯煤岩围压卸荷过程中,瓦斯渗流特性及电荷感应规律与煤岩的变形损伤过程具有十分密切的关系。随着围压卸荷速率的提高,煤岩内部大量微观裂纹扩展,促进煤岩变形损伤,增大煤岩内部裂纹间局部束缚电荷突变为自由电荷的概率,使得煤岩主破裂过程产生的感应电荷大幅增多;围压卸荷减弱了煤岩环向所受的限制作用,增加了煤岩内部新的导气通道,煤岩渗透率增大。气体携带煤粉颗粒与煤岩孔道固壁间的摩擦作用形成冲流电流,冲流电流对煤岩电荷信号贡献了附加量,使电荷信号增强。

频繁动力扰动对围压卸载中高储能岩体的动力学影响

基于冬瓜山铜矿深部巷道围岩开挖过程中面临的高应力和频繁爆破扰动问题,利用改进的SHPB动静组合加载系统,开展了频繁动力扰动对围压卸载中高储能岩体动力学影响的研究。研究结果表明,围压卸载中的矽卡岩受到动力扰动时,其动态峰值应力和弹性模量随动力扰动次数非线性变化。围压卸载中的高储能矽卡岩受到动力扰动时会释放能量。轴压促使岩样内微裂隙轴向发育,造成岩样抵抗动力扰动能力减弱;围压减缓岩样内微裂隙轴向发育,造成岩样抵抗动力扰动能力增强。动力扰动对微裂隙扩展有促进作用,使围压卸载中的岩样由拉伸破坏向剪切破坏转变。

卸荷和冲击载荷作用下高应力红砂岩的动力特性

在深部开挖工程中,深部岩石往往经历“三轴高应力+开挖卸荷+动力扰动”的全应力过程。为了研究围压卸荷对深部预应力岩石的动态破坏特征的影响,采用改进的分离式霍普金森压杆对红砂岩进行了一系列三轴卸荷动态压缩试验,还进行了单轴预应力冲击压缩试验(不考虑围压卸荷效应)。结果表明,红砂岩的动态抗压强度表现出明显的应变率效应。在应变率近似相等的情况下,三轴卸荷动态压缩试验中岩石的动态强度小于单轴预应力冲击压缩试验中岩石的动态强度。围压卸荷造成明显的强度弱化效应,并采用动态强度弱化因子(DSWF)量化强度弱化程度。在同一个应力路径下,岩石的应变率和入射能呈对数关系;而在入射能相同时,卸荷会导致预应力岩石有着更高的应变率。分析了试样的破坏模式,发现卸荷对试样破坏模式的影响并不显著。此外,讨论了围压卸荷对剪切强度参数(内聚力和摩擦角)的影响。在入射能相同时,发生卸荷后的预应力岩石更容易发生破坏。因此,在深部岩石工程开挖设计中应考虑卸荷对岩石力学特性的影响。

基于核磁共振技术的大理岩卸荷损伤演化规律研究

为研究岩石在卸荷作用下的细观结构损伤破坏规律,对大理岩岩样分别进行不同初始围压、不同卸荷围压比的常规三轴加–卸载试验,并对卸荷后的岩样进行核磁共振(NMR)测量,得到不同卸荷围压比作用后大理岩的弛豫时间T2谱分布、孔隙度和核磁共振成像图像。结果表明:(1)随着卸荷围压比的增大,T2谱曲线不断右移,T2谱面积不断增大,孔隙度不断增大,反映出岩样内部损伤不断加剧;(2)小孔隙的谱峰不断右移,但谱峰面积较小,反映出岩样内部小孔隙的孔径不断增大,但数量变化具有随机性,对岩样孔隙度变化影响微弱;卸荷围压比75%附近存在一临界值,小于临界值时,岩样内部不断产生新的细小裂纹,大于临界值时,产生新裂纹的趋势则受到遏制;(3)大孔隙的谱峰不断右移,谱峰面积值较大且不断增大,占总谱面积的96%以上,反映出岩样内大孔隙孔径不断增大,数量不断增多,对岩样的孔隙度和损伤程度起主导作用;(4)核磁共振图像动态地显示了不同卸荷围压比作用后岩样内部孔隙和裂隙的扩展、演化过程。

高地应力黄土公路隧道稳定性储备

为了更加全面准确地定量评价高地应力黄土隧道的稳定性,介绍了考虑材料抵抗变形和抗力强度储备等力学性质的高地应力黄土隧道稳定性分析方法;通过Q3黄土试样的三轴试验结果规律,提出采用原状黄土双曲线应力-应变模型探讨高地应力黄土隧道稳定性储备;考虑原状黄土的抗力强度和抵抗变形能力耦合效用,构建反映围岩任一点稳定性状态的映射关系,探索黄土隧道的极限状态;采用卸围压方式类比黄土隧道开挖过程,进而研究黄土抗力强度和抵抗变形能力的变化,并根据Q3黄土试样的围压卸荷试验结果,拟合得到卸荷过程中强度、弹性模量和泊松比与围压的变化规律,从而计算黄土隧道安全系数;在此基础上,对山西平阳(平定—阳曲)高速公路某隧道进行了实例分析。研究结果表明:双曲线模型能得到更加真实的变形场,并能较好反映黄土隧道的稳定-失稳力学特征;本文方法所得隧道稳定性评价结果与现场监测结论较为一致。