型煤与原煤全应力–应变过程渗流特性对比研究

利用自主研制的自压式三轴渗流装置对型煤和原煤试样进行三轴压缩渗流试验,得到不同围压下2种煤样的全应力–应变曲线,并利用流量计和环向引伸计自动采集整个试验过程中煤样的渗流速度和横向变形。从细观损伤力学的观点分析2种煤样不同的破坏形式以及煤样的变形破坏对渗流速度的影响;讨论渗流速度对外部变量的敏感性和煤与瓦斯突出的突发性。研究结果表明,2种煤样的全应力–应变曲线都可以分为5个阶段,并与渗流速度–轴向应变曲线具有良好的对应关系。由于型煤与原煤的结构特性不同,致使2种煤样受力以后具有不同的损伤机制,渗流速度–轴向应变曲线差异较大,尤其在破坏阶段。型煤变形主要在前2个阶段影响煤的渗流特性,而原煤在整个试验过程中都受影响;型煤的渗流速度对轴向压力和轴向变形最敏感,而原煤的渗流速度对体积变形和横向变形比较敏感。原煤全应力–应变–渗流试验的5个阶段可以较好地解释煤与瓦斯突出过程的准备、发动、发展和终止4个阶段,可以间接地利用煤体瓦斯渗流速度变化进行煤与瓦斯突出预测预报。研究结果对探索煤层真实的瓦斯运移规律具有一定的参考价值。

突出煤型煤全应力–应变全程瓦斯渗流试验研究

以典型煤与瓦斯突出矿井重庆天府矿业有限责任公司的三汇一矿K1煤层的突出煤型煤试件为研究对象,利用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验系统,进行突出煤型煤在连续加载作用下,全应力–应变过程的瓦斯渗流规律的试验研究。研究结果表明:突出煤型煤在整个全应力–应变过程中,瓦斯流量与煤样的损伤变形的进程密切相关;瓦斯流量先随着轴向应变的增大而逐渐减小,在煤样达到屈服点后,瓦斯流量发展方向发生转变,开始慢慢增大,并在峰后瓦斯流量增速加大;另一方面,瓦斯流量先随着煤样的体积压缩而变小,在煤样开始扩容后,瓦斯流量转为增大,在破裂后阶段瓦斯流量增幅变大;瓦斯流量与轴向应变的关系可用二次函数表示;瓦斯流量随围压的增大而减小。

岩石应力–应变滞后现象的定量研究

从应力–应变滞后回线"X"形的切线模量出发,探讨岩石滞后的定量描述。高应力作用下岩石的应力–应变滞后回线的形状是尖叶状的,反映在正弦波应力作用下应变的相位在加、卸载反转点处发生改变;滞后回线的切线模量和泊松比呈不对称的"X"形,且在加、卸载反转点处是不连续的。这种岩石在应力–应变图中出现的滞后回线是由于循环荷载时应力和应变的相位不同步造成的。理论计算和实验结果表明,岩石应力–应变滞后回线切线模量"X"形切线模量的夹角θ′与岩石的耗散角有确定性关系,θ′同样也反映岩石的滞后程度,它与岩石的耗散角在衡量岩石的滞后方面具有同等价值。

不同温度梯度两种应力路径冻结中砂应力–应变特性试验研究

采用K0固结、负荷冻结、三轴压缩的试验方法,首次进行了4种不同温度梯度冻结中砂在加轴压(CTC)及减围压(RTC)两种路径下的三轴试验,获得了温度梯度和应力路径对冻结中砂应力–应变特性的影响。不同温度梯度及减围压试验的偏应力比–轴向应变关系曲线形态与传统均匀温度下冻结中砂加轴压试验结果类似,可用温度梯度的线性函数对双曲线模型进行修正后予以描述。但是不同温度梯度和两种应力路径条件下的应力应变特性存在很大差异,温度梯度状态和减围压应力路径对冻结中砂的应力–应变特性具有明显的"弱化效应";温度梯度诱导了冻结中砂的非均质性,减小了模型的起始斜率,大大减低了抗变形能力;与加轴压应力路径相比,减围压应力路径试验的偏应力比大为降低,减围压应力路径(开挖过程)弱化了冻结中砂的强度。

应力–应变曲线初始屈服的一个新定义及其应用

将弹塑性理论中塑性应变路径相关硬化参量的计算和材料初始屈服的概念结合起来,提出一个确定应力–应变曲线初始屈服的新方法。该方法的思想是利用破坏点的确定性给出确定的初始屈服点,其关键是如何计算每条应力–应变曲线的路径相关硬化参量。作为上述新定义的一个应用,选择广义塑性偏剪应变作为塑性应变路径相关的硬化参量,利用一组较高围压下煤岩加卸载应力–应变全曲线数据,确定其初始屈服点,并绘制不同硬化状态的q-p应力与破坏轨迹。分析表明,q-p应力空间中煤岩后继屈服轨迹的斜率呈逐渐递增的非定值性。这是煤岩一个重要的斜率非等值硬化现象,值得深入研究。

黄土非线性应力–应变新模型及对比研究

目前,黄土的应力应变曲线只能根据其形态类型选择不同的数学模式来描述,为实现描述应力应变数学模式的统一,提出了一种新的非线性模型,并给出了各参数的确定方法。通过应用新模型与现行主要的非线性模型(邓肯–张双曲线模型、指数模型、驼峰曲线模型),同时对结构性黄土常规三轴试验所得的各种类型的应力应变曲线进行模拟,并经与实测应力应变数据点对比研究表明:新模型表达式比驼峰曲线描述软化型应力应变曲线的精度高;同样新模型比邓肯–张双曲线模型、指数模型描述硬化型应力应变曲线的精度也高,说明此非线性新模型既可描述应变强硬化型也可描述应变弱硬化型应力应变曲线;既可描述应变强软化型也可描述应变弱软化型应力应变曲线。通过新模型对经典实例应力应变曲线的描述,进一步说明新模型具有良好的适应性。新模型为形态各异的应力应变曲线提供了一个统一的数学模型。

地震荷载作用下黄土的动应力–应变关系研究

对取自宁夏南部西吉县夏家大路喜家湾滑坡后缘的黄土进行动三轴试验,研究随机地震波作用下黄土的动应力–应变关系。考虑到地震输入荷载的振幅、持时、频谱成分对试验结果有较大影响,首先根据场区的宏观烈度资料,通过多元稳健回归和转换的方法,得到场区的地震烈度衰减关系和地震动衰减关系,在地震危险性分析的基础上,人工合成场地未来50 a超越概率10%的地震动时程,并据此作为输入激振波开展动力试验研究。由结果分析可见,随机地震波作用下黄土的应力–应变关系非常复杂,可以将其简化为一系列大小、位置及形状均不规则变化的椭圆形滞回圈,则任意时刻的剪切模量Gd可以表示为该时刻的动应力、应变以及固结压力的函数,并可以将函数变化为乘幂的形式,通过多组试验验证,试验结果和公式拟合结果相关性较好。

裂隙对四分量钻孔应力–应变观测影响的数值模拟分析

钻孔围岩中存在裂隙是导致钻孔应力–应变观测中测试值不满足自洽关系的原因之一,但缺乏理论依据。建立若干个二维有限元模型,通过模拟计算相邻45°的各元件位移,定性地研究裂隙与最大水平应力的角度、最大水平应力与最小水平应力比值、裂隙与孔壁距离、长度、宽度和材料属性几种典型要素对四分量钻孔应力–应变观测的影响。结果显示,几种因素对钻孔应力–应变观测都有比较明显的影响,当裂隙延展方向与最小水平应力方向一致或最大水平应力与最小水平应力比值越大、裂隙与孔壁距离越近、裂隙尺寸越大、裂隙的材料属性与围岩的差距越大时,裂隙的存在对观测的影响越明显。

低碳钢拉伸的真应力–应变曲线测量

针对低碳钢拉伸的真应力–应变曲线测量问题,开发了基于单相机三维数字图像相关的实验教学系统。该系统可测量低碳钢拉伸过程中的表面三维形貌和表面应变,并由此获得低碳钢拉伸的真应力–应变曲线。该实验有助于学生深入理解塑性金属材料的力学性能,培养其科研兴趣。

金属材料的强度与应力–应变关系的球压入测试方法

压入法获取材料单轴应力–应变关系和抗拉强度对服役结构完整性评价有重要的基础意义.假定材料均匀连续、各向同性、应力应变关系符合Hollomon律,基于能量等效假定,即代表性体积单元(representative volume element, RVE)的von Mises等效和有效变形域内能量中值等效假定,本文提出了关联材料载荷、深度、球压头直径和Hollomon律的四参数半解析球压入(semi-analytical spherical indentation, SSI)模型.通过球压入载荷–深度试验关系获得材料的应力–应变关系和抗拉强度.考虑压入过程中的损伤效应,针对金属材料提出了用于球压入测试的材料弹性模量修正模型.对11种延性金属材料完成了球压入试验,采用本文提出的球压入试验方法测到的弹性模量、应力–应变关系和抗拉强度与单轴拉伸试验结果吻合良好.

含瓦斯煤全应力–应变过程中力学及渗流特性试验研究

利用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合伺服渗流试验装置,以原煤试样为研究对象,进行含瓦斯煤全应力–应变渗流试验。研究表明:在连续加载过程中,含瓦斯煤的应力–应变关系可以分为四个阶段:初始压实阶段、弹性阶段、屈服破坏阶段、破坏后阶段,这四个阶段煤样的应力–应变关系有较大差异;含瓦斯煤的弹性模量先下降后稳定,在破坏后快速下降;泊松比先下降后缓慢上升,在破坏后快速上升;含瓦斯煤的轴向应力与渗透率随轴向应变的变化规律基本呈相反的趋势;含瓦斯煤渗透率与体积应变密切相关,但分析发现,煤样体积最小时,其渗透率不是最低。

硬岩应力–应变曲线真三轴仪研制关键技术研究

基于茂木式岩石真三轴试验原理,介绍真三轴试验机设计中的岩石体积变形测量、端部摩擦效应、应力空白角效应以及真三轴条件下的峰后行为捕捉关键试验技术。此试验系统具有高刚度、大吨位及高响应等特点,能获得真三轴条件下多种硬岩的全应力–应变曲线。同时,利用该试验系统,对不同减摩方案下的摩擦系数进行测试,并评估端部摩擦效应对岩石变形的影响。结果表明:硬脂酸和凡士林混合物具有较好的减摩效果,真三轴试验中,建议采用此减摩方案。端部摩擦往往造成岩石变形的不均匀分布,且对岩石的变形模量和强度有所提高。

基于全应力–应变曲线及起裂应力的岩石脆性特征评价方法

脆性作为岩石重要的力学指标,准确评价岩石脆性特征对岩体工程稳定性具有重要意义。目前,常用的岩石脆性指数评价方法主要基于岩石压缩过程中峰后应力–应变曲线变化规律,而对岩石峰前应力状态关注较少。综合考量峰后应力跌落速率及起裂应力值至峰值应力值之间的应力增长速率,建立一种基于岩体应力–应变全过程的脆性指数计算方法,更加准确、合理地描述岩体脆性特征。试验结果表明:单轴条件下当全程采用轴向位移控制时,脆性较强的岩石难以准确获得其峰后曲线,容易降低基于峰后应力曲的常规脆性评价方法的准确性,而所建立的脆性指标可根据峰前曲线进行判断,能够准确评价岩石脆性程度。在三轴条件下,该脆性指标更为全面地反映了围压对大理岩脆性的抑制作用。建立的脆性指标基于岩石整个压缩过程的应力状态,能够更加显著地体现不同因素对岩石脆性特征的影响。试验结果很好地验证了该指标的准确性与优越性,研究结果对丰富与完善岩体脆性评价体系具有重要的作用。

全应力–应变过程中裂隙灰岩的水–力耦合特性试验研究

为研究裂隙灰岩在全应力–应变过程中的力学特性和渗透性特点,对裂隙灰岩进行不同渗透压和围压组合下的水–力耦合试验,研究水–力耦合作用下裂隙灰岩的强度和变形特性,并定义全应力–应变过程中6个关键的渗透率值。试验结果表明:渗透压对裂隙灰岩的力学特性有较大影响,渗透压的存在降低了裂隙灰岩的强度和变形模量,加剧其侧向变形,水–力耦合作用下裂隙灰岩的强度特性可用莫尔–库仑屈服准则来表征;全应力–应变过程中,裂隙灰岩渗透率经历缓慢下降–缓慢增加–快速增长–小幅度下降4个阶段,这大致对应于全应力–应变过程中体积压缩阶段,近线性变形阶段,峰值点附近的破裂阶段和峰后残余强度阶段。在较低渗透压(2 MPa左右)下,上述相应关系吻合情况良好,而在较高渗透压(8 MPa以上)下,上述相应吻合关系存在偏差,渗透率下降阶段要短于体积压缩阶段;在较低渗透压(2 MPa左右)下体积压缩阶段的渗透率与体积应变之间的关系可用负指数函数来描述,而在较高渗透压(8 MPa以上)作用下,在体积压缩阶段的渗透率和体积应变之间的关系可用三次多项式来描述。

复杂应力路径下糯扎渡堆石料应力-应变特征研究

通过对云南澜沧江糯扎渡水电站坝体I区筑坝堆石料在拟定应力路径下的三轴固结排水剪切试验数据分析,获取了堆石料的应力–应变参数。通过研究复杂应力路径下堆石料的应力–应变特征,得出了堆石料应力–应变特征将严格受控于应力路径,且试验实测应力路径与拟定应力路径相一致、不同应力状态下筑坝堆石料变形模量存在较大差异的结论。通过计算获得了复杂应力路径下堆石料的强度参数和等应力比加载条件下堆石料的变形模量。针对应力状态这一影响堆石料强度的主要因素,深入研究了其与堆石料强度之间的关系,得出了应力状态、黏聚力和内摩擦角三者之间的关系,对糯扎渡水电站大坝本构模型的建立和稳定性计算有一定意义。

溶蚀混凝土的表征及应力–应变关系(英文)

溶蚀作用导致水泥基材料的孔隙率增加从而影响材料的传输及力学性能。对于结构中的既有混凝土,采用非破损和局部破损方法测量和评估溶蚀混凝土的承载力是非常重要的。采用酚酞指示剂法、孔隙溶液pH测量法、超声波无损检测法,对溶蚀混凝土进行了溶蚀损伤程度表征;试验测试了溶蚀混凝土的单轴应力–应变关系;采用XRD和压汞分析研究了混凝土溶蚀机理。研究表明:酚酞指示剂法可以较为直观的表征溶蚀损伤深度,测量的溶蚀程度与强度衰减较为接近;Ca(OH)2和C–S–H凝胶在溶蚀过程中同时溶出,Ca(OH)2是造成早期溶蚀质量损伤的主要原因;混凝土溶蚀后有害孔的数量增加,对混凝土的耐久性产生不利影响;溶蚀混凝土的应力–应变关系曲线形状与普通混凝土相似,但表现出良好的延性及韧性。

不同温度模式下软黏土孔隙水压力变化规律与应力–应变特性研究

温度对软黏土孔隙水压力和应力–应变关系特性具有重要影响。通过自主研发的温控三轴仪,研究恒温、升温和降温3种不同温度模式下软黏土孔隙水压力变化规律和应力–应变特性,升温和降温模式下重点研究不同时间间隔和不同围压对软黏土孔隙水压力的消散、应力–应变关系模式、剪切强度和弹性模量的影响。结果表明:在恒温模式下,温度从10℃增加至70℃,孔隙水压力消散速率变大消散量明显增加。在升温和降温模式下,孔隙水压力呈现波动性下降,时间间隔和围压的增大均能促进孔隙水压力的消散;在恒温模式下,随温度升高应力–应变模式由应变硬化转化为应变软化,剪切强度明显提高,弹性模量整体上呈现出先下降后上升的趋势。在升温模式和降温模式下,土体的应力–应变模式均呈现应变硬化,时间间隔和围压对提高土体的剪切强度和弹性模量具有明显影响。

基于南水模型的生物酶改良膨胀土应力–应变关系研究

以生物酶改良膨胀土的双屈服面弹塑性本构关系为研究对象,提出基于生物酶掺量的修正南水模型。通过不同生物酶掺量条件下的重塑膨胀土样的三轴固结排水剪切试验,研究生物酶改良膨胀土的应力–应变关系特征,基于Duncan-Chang模型参数分析方法,分析生物酶掺量对南水模型中相关参数的影响规律。建立南水模型中相关参数与生物酶掺量的相关关系,且基于ε_1-ε_v关系的双曲线特征,对南水模型中的切线体积比u_t确定方法进行修正。修正南水模型中各参数物理意义明确,与南水模型中的参数确定方法一致。对比ε_1-ε_v和q-ε_s的试验曲线和修正南水模型理论计算曲线,修正南水模型可以较合理地描述不同生物酶掺量条件下改良膨胀土的弹塑性应力–应变关系特性,且能反映生物酶掺量对改良膨胀土的弹塑性应力–应变关系的影响。

碳酸盐岩应力-应变关系与微结构分析

碳酸盐岩微裂隙的存在、产生和发展对宏观力学性质有显著的影响,通过碳酸盐岩扫描电镜图像分析和进行三轴剪切试验,发现碳酸盐岩中白云岩、灰岩、白云质灰岩的应力–应变关系均可分为压密阶段、线弹性变形阶段、微裂隙的产生和稳态扩展阶段以及断裂破坏阶段,与之对应的微裂隙表现为:原始微裂隙发生闭合,稳定持续存在形成线弹性变形,新的微裂隙在应力集中处产生、扩展并稳定发展以及微裂隙扩展强烈、发展成宏观裂隙最终导致岩块整体破裂。试验表明,受压状态下岩石裂隙是从孔隙的外围开始发育,逐渐扩展到孔隙,最后导致孔隙及岩体失稳。裂隙发育以张性的微裂隙起始,逐渐形成剪裂隙,并出现追踪剪裂隙的张裂隙,直至裂隙贯通。碳酸盐岩的初始微观裂隙主要的表现为张裂隙和剪裂隙,岩石破裂从先存的裂隙端部开始,原有裂隙的端部是加载后应力集中的地方,在岩石介质的晶粒边界的接触点或断层附近,应力高度集中导致裂纹密度增加,当压力达到或接近峰值压力时,由于裂纹的汇交与集中迅速失稳形成宏观断裂,随后就出现开裂和应变软化。

渗透压–应力耦合作用下砂岩渗透率与变形关联性三轴试验研究

为了探讨渗透压–应力耦合作用下岩石渗透率与变形的关联性,采用岩石伺服三轴试验系统,在不同围压和渗透压条件下,利用稳态法对砂岩全应力–应变过程进行渗透率试验研究。根据试样渗透率变化与其破坏过程的对应关系,分析全应力–应变过程中试样渗透率随其脆性、延性变化的特点及渗透率–轴向应变和渗透率–体积应变之间的关联性。试验结果表明:(1)在渗透压–应力耦合作用下,试样初始渗透率、峰值强度随着围压与渗透压的改变而改变。(2)在渗流场–应力场耦合作用下连续加载的全应力–应变过程中,渗透率先随着轴向应变的增大而逐渐减小,进入弹塑性阶段后,渗透率变化曲线随围压变化呈现增大、持平及减小3个不同趋势。其中,渗透率曲线持平的现象为三轴渗透试验研究中的新现象。(3)围压较高时,若形成局部压缩带,则试样进入弹塑性阶段后,渗透率的变化趋势是由岩石微裂隙的萌生、扩展与岩石骨架颗粒压碎这2个主要因素共同决定的。(4)岩石微裂隙的萌生、扩展对渗透率增大起积极作用,岩石骨架颗粒压碎形成的压缩带对渗透率增大起抑制作用。(5)岩石进入塑性阶段后,随围压增大,渗透率由上升趋势转变为下降趋势的现象先于脆–延转换的临界状态发生。(6)岩石的体积应变对渗透率有一定影响,在脆–延转换阶段存在体积应变增大而渗透率减小的现象,这需要其他能够更精确地测量体积应变变化的试验进一步验证。