冲击荷载下含孔洞砂岩的力学特性

通过在分离式霍普金森压杆装置上对含孔洞砂岩试件进行冲击试验,探究孔洞尺寸对砂岩动态力学性能的影响。基于试验结果,首先分析孔洞对砂岩岩样的强度和变形特性的影响规律;其次进行能量分析,揭示反射能量比、透射能量比和能量耗散比受孔径大小的影响;最后利用高速相机记录试件裂纹萌生、扩展、贯通直至破坏的全过程,探讨含不同孔径砂岩的裂纹扩展特征。试验结果表明,含孔洞砂岩岩样的力学参数(峰值应力、峰值应变)均显著低于完整岩样,降低幅度与孔洞直径密切相关,随着孔洞直径的增加,含孔洞砂岩的峰值强度与峰值应变均呈小幅减小趋势;在相同入射能量的条件下,随着孔径的增大,反射能量比增大,透射能量比减小,能量耗散率线性增大;随着孔径的增大,承受冲击加载后的试件其内部形成的贯通裂纹增多,试件的破碎块数也增多,且碎块尺寸减小。

偏载作用下三孔洞砂岩的力学特性及声发射特征

为研究偏载作用下缺陷煤岩局部变形和整体破坏规律,采用TYJ-500电液伺服岩石剪切流变试验机,对不同形态三孔洞砂岩进行偏载试验,并借助声发射技术监测分析砂岩试样损伤演化过程中的力学特性和声发射特征。试验结果表明:孔洞空间布置形态对砂岩抗压强度和弹性模量有一定影响,斜三孔洞对力学特性的劣化作用最为显著;除斜三孔外,塑性屈服阶段应力-应变曲线均具有波动特征,说明处于非优势破裂面孔洞形态首先发生局部破坏;通过分析裂纹分布形态可知,偏载对横三孔与竖三孔主裂纹发育影响较大,而斜三孔与面三孔主裂纹分布受控于孔洞空间形态;竖向空间布置三孔洞声发射特征参数较其他三种孔洞布置方式弱化效果显著。

单轴压缩下孔洞砂岩细观破裂演化规律

采用INSTRON-1346型液压伺服控制试验机对含圆形、梯形、马蹄形和正方形4种孔洞的板样红砂岩进行单轴压缩试验,并借助数字图像相关技术观测和分析砂岩试样的变形和破裂演化过程,研究孔洞形状对岩石力学特性和断裂损伤演化规律的影响。研究结果表明:岩石抗压强度和弹性模量随着孔洞形状的不同而有不同程度的弱化,且梯形孔洞劣化作用最明显;含不同孔洞形状砂岩的破坏模式整体呈对角剪切破坏,但局部破坏存在一定差异;含孔洞岩样在单轴压缩条件下的变形损伤和演化过程均经历微孔隙压密与拉伸裂纹萌生阶段、拉伸裂纹稳定扩展阶段、次生裂纹萌生阶段、次生裂纹快速扩展阶段、远场裂纹萌生与繁衍阶段以及宏观剪切形成与破坏阶段这6个阶段;拉伸裂纹在加载全过程中经历“张开—闭合—重新张开”的过程;孔洞周围次生裂纹的起裂大多为张拉和剪切破坏共同作用的结果,其后剪切作用逐渐对裂纹的扩展起主导作用。

基于含圆孔砂岩试样三轴动载压缩试验的分区破裂化现象

在深部巷道开挖过程中出现的围岩分区破裂现象引起了广泛关注,然而以岩石试样为研究对象的室内试验对分区破裂现象的研究较少。本文采用霍普金森压杆装置对不同围压下的含圆孔砂岩试样进行三轴压缩试验,试样在冲击破坏后均出现分区破裂现象。对试样进行弹塑性分析,发现在弹塑性边界处存在的最大拉伸应变是径向环形裂纹和分区破裂形成的主要原因。在试样塑性区的圆孔附近存在较大的拉伸应变,导致圆孔附近岩石容易发生剥落;在试样的弹性区,环向应变随着半径的增大而从压应变转换为拉应变,导致试样周边容易出现拉伸裂纹。采用ABAQUS对试验过程进行模拟,模拟结果与试验结果以及理论分析基本一致。相比理论分析,模拟得出的结果更为直观地解释了圆孔附近岩石的剥落现象。

应力波扰动下孔洞块体超低摩擦效应试验研究

矿山开采过程中,采掘、放炮、地震等扰动极易诱发冲击地压灾害。用含孔洞砂岩块体模拟巷道,采取自主研制的含孔洞块体超低摩擦加载试验装置,进行应力波扰动对含孔洞砂岩块体超低摩擦效应影响的试验研究,并分析不同工况下工作块体相应能量变化特征。研究结果表明:应力波扰动通过顶板向下传播会使巷道块体在长时间拉压作用下形成疲劳损伤,巷道稳定性大幅降低,此时巷道极易在水平冲击作用下产生超低摩擦效应,尤其是垂直方向应力波扰动频率趋于2 Hz时超低摩擦效应强度最大;含孔洞砂岩块体超低摩擦效应强度与应力波扰动强度成正比;同一水平冲击及应力波扰动作用下,含孔洞砂岩块体单位质量动能幅值及功率谱密度幅值均大于完整砂岩块体,含孔洞砂岩块体稳定性远低于完整砂岩块体稳定性。

双孔洞红砂岩力学特性及孔洞周边裂纹开裂-闭合规律研究

为研究双孔洞红砂岩力学特性及其孔洞周边裂纹开裂-闭合机制,对含不同倾角的双孔洞红砂岩进行单轴压缩试验,采用CCD相机对孔洞周边裂纹进行监测,并基于数字图像相关方法(DIC),综合分析双孔洞红砂岩力学性能、孔洞周边裂纹开裂-闭合规律,阐述双孔洞红砂岩破坏机理。结果表明:随着双孔洞倾角的增加,红砂岩抗压强度先降低后升高,且呈良好的二次函数关系;双孔洞红砂岩周边裂纹开裂分为独立型张拉裂纹(α=30°),剪切裂纹(α=45°、60°、75°),贯通型张拉裂纹(α=90°)3种模式;双孔洞红砂岩周边裂纹闭合模式分为局部闭合模式(α=30°)、零闭合模式(α=45°、60°、75°)、完全闭合模式(α=90°);张拉裂纹主要受径向应变场影响,剪切裂纹受到径向应变场及剪应变场共同控制,若红砂岩两孔洞周边裂纹受到剪应变场影响较大,其抗压强度较低。