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。

不同初始损伤程度下循环加卸围压对岩石劣化及渗流特性的影响研究

为探究巷道围岩劣化损伤规律,明晰巷道片帮突水机制,基于Rock Top多场耦合试验仪对砂岩开展常规三轴(C组)、不同初始损伤程度下常规卸围压(W组)及循环加卸围压(X组)3种应力路径下的岩石劣化、渗流特性室内试验。结果表明:(1)X组岩石循环加卸围压初始,岩石轴向变形较侧向及体积变形发展缓慢,但循环加卸围压可导致岩石发生“应变累积”,使得X组岩石应力跌落点较W组出现“滞后”现象;(2)初始损伤明显影响岩石强度及对围压的敏感性,X,W组岩石初始损伤程度均与统一围压降参数(η)呈负相关,与应变围压增量比(λ_(i))呈正相关,其中,X组岩石η均小于W组,λ_(i)均大于W组;(3)X,W,C组岩石均发生了明显脆性破坏,破坏形态均以剪切破坏为主,初始损伤程度较低时,X组岩石破坏程度较大,并伴随有局部宏观裂纹出现;(4)岩石渗透率受制于岩石孔隙、骨架结构及裂纹拓展发育等因素影响,X,W组岩石渗流–应变关系曲线均可分为3个阶段,一、三阶段相一致,二阶段X组岩石渗透率整体呈先波动下降后波动上升,W组岩石渗透率整体呈波动上升;(5)X组岩石渗透率波动变化随循环等级增大而趋于明显,初始损伤程度越高,该现象越易出现,循环次数对此规律影响较小,但循环次数增加对岩石渗流起抑制作用,并且该抑制作用较围压降低导致的促进作用更为显著。

各向异性层状千枚岩渗透率及有效孔隙率试验研究

采用岩石全自动三轴伺服仪和气体渗透装置,对一种致密的各向异性层状千枚岩开展了气体渗透率及有效孔隙率试验,研究常规三轴压缩和围压循环加卸载2种应力路径下,气体渗透率、有效孔隙率随层理倾角及偏应力的演化规律。结果表明:围压相同时,岩样的初始气体渗透率k0随着层理倾角β的增大呈“W”型变化,在β=45°时取最大值;在围压循环加卸载过程中,气体渗透率先随围压的加载而减小,后随围压的卸载而增大,卸载时的气体渗透率小于加载时的渗透率;层状千枚岩有效孔隙率和气体渗透率呈指数关系;平行于层理方向的气体渗透率远大于垂直于层理方向的气体渗透率;岩样有效孔隙率和气体渗透率随偏应力变化经历初始压密阶段、线弹性阶段和塑性变形阶段,随着偏应力的增大,岩样有效孔隙率和气体渗透率先减小,接着保持稳定,最后快速增大,并在岩样应力-应变曲线斜率接近于0时达到最大值。

塑性流动下砂岩渗透率演化试验研究

为了研究剪切屈服后煤层顶板岩体在开采过程中渗透率的演化规律,进行了不同轴向应变下的围压循环加卸载渗透试验。当达到峰后轴向应力的90%时开始循环加卸载围压,分析剪切屈服后砂岩渗透率随围压、轴向应变的变化规律。结果表明:(1)随着围压、轴向应变的增大,砂岩的渗透率均呈现降低趋势;(2)随循环次数的增多,围压对渗透率的影响越来越小,渗透率恢复率升高;(3)随着轴向应变的增大,砂岩产生的塑性变形越大,由此围压对渗透率的影响减小,渗透率恢复到初始值的能力降低。最终得到剪切屈服后围压和渗透率的理论关系式,为预测巷道开挖过程中的涌水量提供一定的参考。