定围压比作用下混凝土轴向受压性能试验研究

通过对混凝土施加围压,使单轴受压混凝土的裂缝发展受到限制,从而研究混凝土在接近无裂纹发展状态(无损伤产生的理想状态)下的受压性能。本文在MTS815.02岩石电液伺服系统上完成了三轴应力比σ1∶σ2∶σ3=(-α)∶(-α)∶(-1)(α=0.15,0.18,0.19,0.20,0.22)作用下的混凝土单调、循环加卸载受压的常规三轴试验。研究了不同围压比对混凝土受压应力-应变关系的影响规律,以及围压对混凝土裂缝发展的限制作用,得出了一些与同类试验不同的结果,混凝土理想无损伤发展状态的受压应力-应变关系曲线被提出,并通过试验首次研究了理想无损伤发展状态下的混凝土循环加卸载的应力-应变关系,系统地分析了围压对混凝土受压性能的影响规律。

不同围压及加载速率下的塑性混凝土动力特性研究

为研究塑性混凝土在三向应力状态下的动力特性与破坏规律,设计符合工程实践的配合比方案,借助动三轴试验仪开展了其在不同围压和不同加载速率条件下的强度、应力及应变规律研究。最后依据试验成果建立了基于Bresler-Pister三参数的强度准则。结果表明:塑性混凝土抗压强度与加载速率呈近线性正相关,材料抗压强度小于5.0MPa时对低加载速率更敏感,抗压强度大于5.0MPa时对高加载速率更敏感;不同加载速率下材料应力-应变规律基本一致,当应变达到1.47%~1.90%后其应力出现峰值,随后大幅度降低;不同围压条件下塑性混凝土抗压强度随围压的增加同样呈线性增长趋势,随着围压的提高,塑性混凝土峰值应力维持时间越长,材料抗裂性能越好;基于Bresler-Pister的强度准则公式其计算剪应力与三轴实测误差在1.61%~4.35%之间,基本反映了材料的变形破坏规律。

不同围压下原煤力学特性及裂隙演化特征

通过受载煤岩工业CT扫描系统进行了不同围压下原煤的三轴压缩试验,探究不同围压下原煤的力学特性和破坏特征,并结合自身的CT扫描系统获得了原煤失稳破坏全过程CT扫描信息,分析了在不同围压下原煤的裂隙扩展演化规律。结果表明:(1)随着围压的增大,偏应力应变曲线整体向右偏移,峰值强度呈线性增长、而峰值应变和弹性模量均以二次函数的形式上升,且峰值强度的增长量最大;(2)基于CT扫描图像,煤样内部裂隙演化特征可以分为裂隙压密缓慢减少阶段、裂隙萌生稳定发育阶段、裂隙快速增加阶段、裂隙扩展贯通阶段4个阶段,且随着围压的增加,裂纹密度逐渐减小;(3)在三轴加载下,原煤的破坏形式以剪切破坏为主,破断角大小为20°~40°,且随着围压的增加,破断角呈二次函数增长。研究结果对井下巷道、采场支护设计、围岩稳定性判断和矿井灾害事故防治具有参考意义。

卸围压下弱胶结软岩分数阶蠕变损伤本构模型

为研究地下硐室开挖卸荷诱发的软岩蠕变损伤特征,以西部矿区弱胶结软岩为研究对象,利用GDS HPTAS开展了分级卸围压蠕变试验,研究了不同含水条件下弱胶结软岩卸围压下蠕变特征和蠕变速率特征。基于稳态蠕变速率倒数的方法,确定了弱胶结软岩长期强度和含水率的数学指数函数关系。基于蠕变速率曲线特征提出了一种确定衰减蠕变与等速蠕变分界点t_1和等速蠕变与加速蠕变分界点t_2的新方法。引入Riemann-Liouville分数阶积分算子和负时间指数损伤演化变量,定义了非线性损伤Abel黏壶,建立了一个包括弹性元件、黏弹性损伤元件、黏性元件和非线性黏塑性损伤元件的六元件分数阶蠕变损伤本构模型。基于试验结果,采用Trust-Region算法进行了模型参数识别和敏感性分析。结果表明,所建立的模型具有物理意义明确、与试验值吻合度较高等特点,可较为准确地反映开挖卸荷条件下弱胶结软岩蠕变损伤特性,对保障地下工程长期稳定性具有重要的意义。

高围压状态下堆石料湿化变形特性

堆石料是土石坝的主要填筑材料,其湿化变形特性对土石坝蓄水期变形有显著影响。对两河口水电站的2种筑坝堆石料,采用单线法分别开展围压为0.5、1.0、2.0、3.0 MPa的大型三轴湿化变形试验。结果表明:随着应力水平和围压增加,堆石料轴向湿化变形和体积湿化变形都显著增大,与中低围压下的湿化变形规律相近。高围压下的各向等压湿化变形,堆石料体积湿化应变与围压在双对数坐标中仍服从直线关系,轴向湿化应变与围压不再满足直线关系。高围压下的偏压湿化变形,堆石料体积湿化应变与轴向湿化应变之比一般在0~2范围内,与围压呈现近似水平发展趋势,随应力水平的增加而逐渐降低。采用六参数湿化模型,仍能准确表达轴向湿化变形、体积湿化变形随应力水平、围压的变形规律。

围压对花岗岩强度特性与脆性的影响及其表征

围压是影响岩石力学属性的主要因素之一。为了研究围压效应对花岗岩强度特性和脆性特征的影响效应及机理,以色季拉山花岗岩为研究对象,开展不同围压工况的室内三轴压缩试验,得到破坏形态、峰值应力等强度参数的变化规律,并在统一强度理论框架内构建考虑围压效应的三轴本构模型。基于全应力应变曲线建立采用断裂能表征的岩石脆性评价指标,确定围压与岩石脆性的定量关系。在此基础上,采用RPFA软件模拟花岗岩在不同围压下的破坏全过程及声发射演化特性,揭示花岗岩的损伤演化机制。结果表明:围压可有效限制花岗岩内部细观裂纹的产生和扩展,进而显著提高花岗岩的宏观强度及变形性能;本文建立的三轴本构模型和脆性评价指标可有效反映围压效应对岩石强度特性和脆性的影响规律。

分级循环卸-加围压下粉砂岩的力学特征

针对不同的实际工程,开展不同应力路径的试验来研究岩体的力学特性是解决实际问题的关键。为研究粉砂岩在围压循环卸-加载特殊应力路径下的力学特征,采用MTS815岩石力学测试系统开展不同轴力水平下分级循环卸-加载围压试验,研究不同轴力水平下轴、环向塑性应变及弹性模量的演化特征,并结合耗散能量的计算,分析能量演化与试件变形破坏之间的关系。结果表明:随着循环次数的增加,滞回环向应变增大方向移动,卸-加围压下应力-应变曲线逐渐闭合,滞回环间距整体表现为由“疏”到“密”的变化特征;单一变量时,围压卸载等级越低弹性模量越低,轴力水平越低弹性模量越高,弹性模量受轴力水平和围压卸载等级两种参量共同作用;单次循环中环向塑性应变在数值上总是大于对应的轴向塑性应变,循环卸-加围压特殊应力路径下,高轴力水平下岩石抵抗塑性变形的能力要强于低轴力水平;岩石破坏最终所耗散的总能量与轴力水平一定程度上呈线性正相关。

间歇循环荷载和循环围压共同作用下软黏土变形特性试验研究

对软黏土开展两类循环三轴试验,即连续循环加载和间歇循环加载三轴试验,研究了间歇循环荷载和循环围压共同作用下软黏土变形特性,分析了循环围压和间歇停振阶段对软黏土累积轴向应变的影响。试验结果表明,与连续循环加载条件对比,间歇停振阶段的存在对软黏土变形特性影响显著,间歇停振阶段因超孔隙水压力的消散而引起的变形不容忽视。另一方面,随着循环围压的增大,对应的累积轴向应变增量减小。不同循环围压条件下累积轴向应变增量的差异在第一加载阶段循环荷载作用期间较为显著,而在随后循环加载阶段中可以忽略不计。基于上述试验结果,提出了一个间歇循环荷载作用下考虑循环围压影响的软黏土累积轴向应变计算模型,预测结果与实测数据较为吻合。上述研究成果可加深对间歇性循环荷载作用下软黏土变形规律的认识。

多因素耦合作用和循环围压对煤岩CH_(4)渗透率的影响研究

煤储层渗透率受自身性质、温度、应力状态等诸多因素影响。以淮南刘庄煤矿13-1煤层为研究对象,基于CH_(4)渗透率测试,研究了体积应力、温度与气体压力耦合以及循环围压下CH_(4)渗透率的变化规律。结果表明:体积应力与气体压力耦合主要通过控制有效应力大小来影响煤岩CH_(4)渗透率,有效应力越大,渗透率越低;气体压力对CH_(4)渗透率的影响受限于体积应力,但气体压力对渗透率的影响大于体积应力;温度与气体压力耦合对CH_(4)渗透率的影响由气体压力主导,渗透率随气体压力的增大呈“U形滑梯式”下降,且“滑梯式”变化比“U”形变化更为明显;气体压力对CH_(4)渗透率的影响大于温度,且增大气体压力会降低温度对渗透率的影响;循环围压会造成煤岩孔裂隙的不可逆塑性变形,使煤中有效渗流通道减少,CH_(4)渗透率降低;第1次循环围压产生的塑性变形量最大,随循环次数增加,塑性变形量逐渐减少。

不同剪切端面和围压下损伤煤体孔渗特性实验研究

煤体损伤是影响渗透率变化和瓦斯流动的重要因素;采用多剪切端面损伤渗流测试系统和核磁共振仪,分析了不同剪切端面和围压下损伤煤体孔渗特性变化规律。结果表明:损伤煤体内中大孔增多,吸附空间向渗流空间转化,孔隙间连通性变好;50%剪切端面情况下,渗流空间(驰豫时间T_(2)>10 ms)平均面积百分比由9.89%增大为14.94%;剪切应力作用下,煤体轴向变形量不断增大,50%剪切端面比30%剪切端面导致的轴向变形量大,而围压值越大,轴向变形量越小;随着剪切应力的增大,煤体渗透率先降低后缓慢增加,当应力达到煤体强度阈值时,损伤煤体渗透率以指数形式增大,50%剪切端面对应的渗透率值普遍比30%剪切端面的大,前者是后者的7倍左右。

考虑温度与围压影响的冻结砂土非正交弹塑性本构模型

冻土的受力变形特性受温度与围压的影响显著。为描述温度的影响,通过建立冻土三向拉伸强度与温度的非线性关系,并采用平移变换的方法将其考虑到屈服函数中。为描述围压的影响,通过建立潜在强度衰减因子,并将其引入统一硬化参量中,发展得出了考虑围压影响的硬化参量。最终,基于非正交弹塑性模型框架,在平移变换应力空间内建立了能够考虑温度和围压影响的冻土非正交弹塑性本构模型。模型预测结果与冻结粉砂三轴压缩试验结果的对比表明,所建立模型能够模拟不同温度和围压下冻结砂土应力–应变关系。其不仅能够反映冻土峰值抗剪强度随温度降低而增大的温度效应,还能描述围压增大条件下应力应变曲线由剪胀与软化型逐渐转变为剪缩与硬化型的规律。

不同粗糙度与围压下断层黏滑失稳的数值模拟研究

断层断面粗糙度与围压大小对断层黏滑过程中的力学特性具有重要影响。以某深部矿山断层周边的白云岩为研究对象,通过建立精细化数值模型,开展围岩试件的双轴压缩数值模拟,分析围压大小与断面粗糙程度对断层矿震失稳的影响规律。研究结果表明:随着断层粗糙程度JRC值与围压增大,围岩试件的弹性模量与弹性极限增大,轴向峰值应力增大且与变量之间保持正相关关系,试件剪胀效果减弱,围岩试件发生黏滑事件的次数减少,平均应力降数值与黏滑周期增大,导致断层活化被抑制,且一旦断层发生失稳,释放的能量大震级高;围岩试件的微观破坏机制以剪切为主、拉伸为辅,宏观表现为拉剪混合破坏;法向力链的热点分布区域平行于加载方向,切向力链的热点分布区域与剪切裂隙的热点分布区域相对应;随着断层粗糙程度JRC值增大,断层黏滑后对周边围岩的影响范围呈现多区域局部集中化分布;由围岩试件颗粒峰值速度分布可知,随着围压增大,断层黏滑后对周边围岩的影响范围更广,且主要集中于上下加载端位置。

微观尺度多孔岩石压实带形成与围压关系的数值模拟实验

不同于典型的拉张和剪切破坏,多孔岩石的非弹性压实行为是岩石变形的另一种重要表现。在压应力的作用下,高孔隙率沉积岩形成局部孔隙度和渗透率显著降低的压实带,这不仅与多孔岩石脆-韧性转变过程的中间状态有关,还会对储层流体输运性能产生重要影响。为了探究围压及岩石初始孔隙结构对局部压实的影响,本文基于莱塔灰岩样品三轴压缩实验的原位动态同步加速器X射线CT图像,建立了具有岩石真实孔隙结构的有限元模型并进行了不同围压下的弹塑性数值模拟实验。结果表明,在20~60 MPa围压下样品均发生非均匀变形;随着围压的增加,样品内部的轴向局部压缩将被抑制,同时径向局部压缩开始增强,并使得压实带内大部分的节点脱离准单轴压缩状态,不利于压实带的发展。

不同含水率及围压条件下含瓦斯煤能量变化规律

为探究含瓦斯煤变形破坏过程中的能量耗散规律,利用自主研制的煤岩力学性质测试装置,开展含瓦斯煤在不同含水率及围压下的常规三轴试验,基于热力学第一定律,分析含瓦斯煤偏应力-应变曲线不同阶段和特征点处的能量变化规律。结果表明:不同含水率时,围压从12 MPa增大到20 MPa时,对应的弹性能占比增幅分别为60.33%、20.11%和3.86%,弹性能占比、破坏强度和弹性模量均增大,说明围压对含瓦斯煤体的变形破坏具有一定的抑制作用;不同围压时,含水率从1%增加到5%,对应的总能量分别下降25.38%、8.78%和6.23%,总能量、弹性能和破坏强度总体上均减小,导致含瓦斯煤更易破坏。含水率的增大使含瓦斯煤颗粒间摩擦力降低,促进煤颗粒间的相对移动。

围压与渗透压耦合作用下大坝混凝土的渗透性研究

为研究水利工程中大坝混凝土受围压和渗透压共同影响下可能产生的抗渗性能差异,文中通过试验探究了围压升降循环条件下混凝土渗透率的变化过程,并分析了渗透压相同且施加不同围压条件下大坝混凝土的渗透率特征曲线,探究了混凝土结构渗透率随围压变化的发展曲线。结果显示,围压变化会对混凝土试件产生近似负相关关系。围压升降循环过程中,混凝土试件渗透压在低围压条件下具有较强的围压敏感性,混凝土试件渗透率在不同围压升降循环过程中恢复率有所不同,但始终保持不可逆的特性。

围压对含孔洞岩石力学响应与破坏特征影响数值模拟研究

为探究围压对含孔洞岩石力学响应与破坏特征的影响,采用离散元颗粒流程序PFC^(2D)建立完整、含圆孔、含方孔岩石数值模型,分别在单轴和4种围压条件下对3种岩石进行压缩试验,对不同加载状态下岩石的破坏模式、微观裂纹演化规律及抗压强度进行分析。结果表明,与完整试样相比,含孔洞岩石的抗压强度显著下降,含方孔试样的下降幅度比含圆孔试样略高;随着围压的上升,岩石的抗压强度升高,应力集中区向孔洞两侧迁移,且含孔洞岩石内部出现的岩石颗粒飞射现象愈发明显,表现出典型的岩爆特征;试样抗压强度随围压上升的增长幅度为完整试样>含圆孔试样>含方孔试样。

卸荷速率和孔隙水压对隧道围岩力学特性影响的试验研究

针对开挖卸荷和孔隙水压影响隧道围岩稳定性问题,文章结合陕西某在建隧道的工程实际,利用MTS815.02多功能岩石力学试验系统,对该隧道围岩(红砂岩)进行不同卸荷速率和孔隙水压下的三轴卸荷试验,分析不同试验条件下红砂岩各力学参数的变化规律。结果表明:加荷阶段,随着孔隙水压的逐渐增大,弹性模量逐渐减小,卸荷阶段,径向变形增幅显著大于轴向,且孔隙水压越大,差别越大,随着卸荷速率的逐渐增大,峰后曲线跌落逐渐显现,脆性破坏特征逐渐加强;随着孔隙水压的逐渐增大,轴向、径向应变围压柔量均呈逐渐递增趋势;随着卸荷速率的增大,轴向、径向应变围压柔量均呈逐渐递减趋势;同一卸荷速率下,破坏时的围压卸荷量随孔隙水压逐渐减小,孔隙水压越大,破坏时的围压变化量越小,同一孔隙水压下,破坏时的围压卸荷量随卸荷速率逐渐增大,破坏强度略有提升;不同卸荷速率下,孔隙度随孔隙水压呈逐渐递增趋势,二者之间近似满足指数函数关系,拟合相关度均超过0.95。研究成果可为工程实际提供可靠的理论依据。

基于Weibull分布的高温高围压岩石统计损伤本构模型

深部岩石通常处于高温及高围压环境中,深入研究深部岩石的本构关系对于深地矿产资源的开采、地热的高效利用以及岩体的稳定性分析等具有重要的理论和现实意义。为研究岩石在不同温度和围压作用下的静态三轴压缩破坏全过程本构关系,基于宏观唯象损伤力学的概念,从岩石的弹性模量随着温度变化的角度出发,得到了岩石在温度作用下的损伤表达式;又基于Weibull分布和修正的Mohr-Coulomb强度准则,将岩石细观均匀化,并结合统计损伤理论,得到了岩石在轴向压力作用下的统计损伤表达式;然后根据推广的应变等价性原理将两部分损伤耦合,得到了岩石在高温及轴压力作用下的岩石耦合损伤表达式。将所得的耦合损伤表达式结合考虑岩石残余应力的Lemaitre应变等价性假说以及有效应力原理,同时考虑岩石内部裂纹起裂阈值的影响,将本构模型分为阈值应变之前和阈值应变之后两部分,得到了一种分段函数形式的可反映高温及高围压影响的岩石统计损伤本构模型。为验证模型的适用性和准确性,分别将岩石在温度为25、200、400、600、800、1000℃和围压为0、10、20、30、40 MPa情况下的模型本构曲线与试验本构曲线进行了对比验证,对比结果较好,可以反映出岩石存在临界温度。在围压一定时,随着温度的升高,岩石的强度先增大后减小;在温度一定时,随着围压的升高,岩石的延性逐渐增强。

水围压下粉煤灰混凝土的含水量及动态力学性能分析

为分析水围压下粉煤灰混凝土的含水量及动态力学性能,对不同掺量的粉煤灰混凝土试件进行水围压和应变速率下动态压缩试验,另外对试件在干燥条件下进行压缩试验。文章探讨了混凝土含水量受到粉煤灰掺量及水围压的影响情况,和含水量数据相结合,对混凝土动态强度和应变速率、水围压机粉煤灰掺量之间的关系进行研究。

不同围压下煤岩力学三轴试验研究

目的为探究不同围压下煤的力学特性、强度特性和破坏机制,以王庄煤矿3号煤层原煤为研究对象,采用非接触式数字图像处理技术开展不同围压下煤岩的常规三轴加载实验,探究赋存深度对煤岩弹性模量、残余应力和应力集中现象的规律,研究结果表明:试件在5 MPa围压下的轴向、径向以及体向的峰值应变为1.5%、0.4%和0.8%,峰值应力接近于50MPa;实验改用7MPa围压后,试件的轴向、径向以及体向的峰值应变相较于前者增幅分别为25%、20%和29%,峰值应力增幅17%;围压为9MPa时,试件的轴向、径向以及体向的峰值应变相较于7MPa增幅分别为29%、29%和13%,峰值应力较7MPa增幅25%;随着围压的增大,试件的弹性模量呈现二次线性增长趋势,随围压的增加煤岩的残余应力呈非线性型增长趋势;围压超过某一临界值时,围压对煤体破坏时间有显著影响,不同围压下煤岩达到峰值强度所用加载时间不同;煤岩峰值强度随围压增加呈线性增长趋势,强度参数C、φ值分别为2.9MPa,50°;煤岩在三轴载荷过程中会出现应力集中现象,围压为5MPa时应力集中较明显处有3处,围压为7MPa时应力集中较明显处有4处,围压为9MPa时应力集中较明显处有6处,围压越大,应力集中现象越明显。研究结果为由浅至深煤岩体开采时加载破坏的强度特性和破坏机制提供参考依据。