真三轴加卸载岩体各向异性及能量演化机制

地下工程开挖过程中围岩处于极其复杂的应力环境中,尤其是在其各向异性的影响下,动力灾害的发生存在隐蔽性。采用真三轴卸荷扰动岩石测试系统对砂岩进行不同主应力方向加卸载试验,研究真三轴不同主应力加卸载条件下高应力岩体力学特性与破坏特征,分析不同主应力加卸载岩体次生各向异性及能量演化机制。结果表明:(1)在岩体次生各向异性影响下,σ_(1)(第一主应力)进行循环加卸载过程中,ε_(2)(第二主应变)和ε_(3)(第三主应变)呈现相反变化,ε_(V)(体积应变)先压缩再膨胀,最终表现出膨胀的宏观现象;(2)高围压岩体σ_(3)(第三主应力)卸载时,ε_(1)产生压缩,ε_(2)和ε_(3)产生膨胀变形,ε_(2)变化量小于ε_(3),卸荷方向变形由线弹性状态转变为弹-塑非线性;(3)σ_(1)和σ_(3)卸载岩体积聚的能量差异较大,σ_(1)卸载是一个能量释放的过程,σ_(3)卸载是一个能量积聚的过程,卸荷方向的能量变化特征决定了其余2个诱发方向的能量积聚、释放规律,σ_(3)卸载岩体的极限储存能量降低,且σ_(2)(第二主应力)卸荷时随着σ_(1)的增大加快了岩石的破坏,表明岩体卸载比加载更容易破坏;(4)σ_(3)卸荷速度越快,破坏时所释放的能量增加、耗散能降低,卸荷方向岩体能量密度和总积聚能量密度减小。动力事故发生的主要原因是岩体内部能量的积聚释放,岩体次生各向异性对岩体自身极限储存能存在很大影响,研究真三维加卸载次生应力对岩石极限储存能的影响特征为冲击地压防止提供了参考。

真三轴加卸载应力路径对原煤力学特性及渗透率影响

深部煤炭资源开采过程中,由于地应力和工程扰动的影响,煤岩体常处于三向不等压的真三轴应力状态(σ1>σ2>σ3),而采用常规三轴(σ1>σ2=σ3)的加载应力路径难以反映煤岩体的实际受力状态。为此,利用自行研制的"多功能真三轴流固耦合试验系统",研究了真三轴加卸载应力路径下原煤力学特性及渗透率演化规律。结果表明:真三轴加卸载应力路径对原煤的变形、强度特性及渗透率演化规律有重要影响。与CCT加载应力路径相比,LUT,LUUT应力路径下原煤峰值强度降低;真三轴加卸载应力路径下原煤八面体剪应力与有效平均正应力之间存在线性关系。真三轴加卸载应力路径下的原煤破坏方式均为拉-剪复合破坏。此外,真三轴加卸载应力路径对原煤渗透率演化规律有显著影响。

不同卸载方向下高应力岩石真三轴卸荷力学特性研究

深部岩体开挖过程中,围岩应力场在开挖面附近形成交替分布的应力升高区(加载区)和应力降低区(卸载区),极易引发高应力岩体失稳破坏。尽管目前已有诸多关于岩石加卸载破坏方面的研究,但在复杂真三轴应力路径下岩石加卸载破坏机理的认识仍不充分。针对这一问题,文章以山东玲珑金矿花岗岩立方块试样为研究对象,首先进行了不同侧向应力下真三轴加载破坏试验,并进一步开展了不同卸荷方向下真三轴卸载破坏试验,深入研究了花岗岩试样在复杂真三轴加卸载路径下的强度及破坏特征。试验结果表明:随着中间主应力的增大,真三轴加载条件花岗岩的破坏模式由张拉-剪切复合型破坏转变到张拉破坏,真三轴加载破坏强度先增大后缓慢减小;在相同中间主应力和最小主应力条件下,花岗岩的真三轴卸载破坏强度均小于其加载破坏强度,Mogi强度公式可以很好地拟合卸载最小主应力条件下的真三轴卸载强度。该成果可为深部岩体工程稳定性控制和设计提供重要的理论依据和指导。

基于真三轴加卸载试验的岩爆孕育演化数值模拟

针对现有岩爆研究的不足,采用FLAC3D软件开展了岩爆孕育演化的真三轴加卸载试验模拟,并与室内试验结果进行了对比分析,结果表明,岩爆的发生与卸荷位移有关,破坏形式的不同源于卸荷位移的不一致性,其不一致性导致卸荷区域变形的不协调性。卸荷前所受载荷越大,其卸荷面产生的位移就越大,其变形不协调性就越明显,发生岩爆破坏时所含的剪切成分就越大;对于岩爆倾向性岩石来说,发生岩爆所需的临界卸荷位移是相当小的,卸荷瞬间卸荷面附近区域的位移或应变达到临界,将发生即时型岩爆;卸荷后的围岩内部位移值或围岩变形值直接影响着岩爆发生与否、破坏形式和破坏强度。

真三轴循环主应力作用下砂岩能量演化规律

为了探究真三轴主应力循环加卸载对砂岩能量积聚与耗散的影响,利用自主研发的真三轴扰动卸荷岩石测试系统进行了3个主应力循环加卸载试验。基于真三轴循环加卸载应力-应变演化规律与加卸载特征,划分了主应力循环加卸载试验中加载、卸载的种类;通过对三向主应力循环加卸载过后岩体表面裂纹对比分析,发现最小主应循环对岩体产生损伤最大,中间主应力次之,最大主应产生损伤最小;利用图形面积积分法与叠加法分别计算了真三轴循环加卸载的弹性能密度、耗散能密度与输入能密度,分析了三者随主应力次数增加的演化规律与加卸载过程中的能量分配;利用真三轴同时加卸载试验,验证了上述提出的能量分析方法的合理性与准确性,对其3个主应力方向卸载释放弹性能密度分析,发现循环加卸载产生的损伤对岩体储存弹性能密度影响较小。对比了3个主应力卸载对砂岩损伤与能量耗散的影响,对巷道掘进方向进行了进一步讨论。

层状岩体的真三轴加卸载力学特性的PFC数值模拟

以层状岩体为研究对象,采用PFC~(3D)对层状岩体在真三轴加卸载条件下的力学特性进行数值试验研究,分析主应力方向与层理之间的几何关系、应力水平对真三轴加卸载条件下层状岩体的强度和变形特征的影响。研究结果表明:(1)真三轴加载条件下,保持中间主应力和最小主应力不变时,节理面倾角β由0°增加至90°时,试样的抗压强度、弹性模量、峰值应变呈先减小后增加的规律,试样的泊松比呈先增加后减小的规律;当保持中间主应力不变时,试样的抗压强度、弹性模量、峰值应变随着最小主应力的增加而增加,试样的泊松比随着最小主应力的增加而减小。(2)当中间主应力相同、破坏时最小主应力相同时,当节理面倾角β为0°、15°、30°、45°和90°时,真三轴加载的抗压强度和真三轴卸载的抗压强度基本相同,但真三轴加、卸载对试样的峰值应变的影响比较明显。

真三轴条件下卸载速率对砂岩力学行为和能量演化的影响研究

通过真三轴流固耦合试验系统对砂岩进行真三轴加卸载试验,研究不同最小主应力方向卸载速率对砂岩试件的力学行为和能量演化特性的影响。试验结果表明:随着卸载速率增加,体积最大压缩量减小,达到最大压缩量所需的最大主应变也减小;卸载速率增加使岩样中间主应力系数增加,而静水压力和剪切应力值均减小;随着卸载速率增加,峰值处总能量下降,弹性能呈现出先增加后趋于平稳的趋势,耗散能呈下降趋势。试验开始到最大压缩点之前为阶段Ⅰ,最大压缩点之后到峰值处为阶段Ⅱ。随着卸载速率增加,在阶段Ⅰ中,耗散能转化速率增加程度较低,岩样变形以弹性为主;在阶段Ⅱ,耗散能转化速率增加程度较高,岩样变形以塑性为主。研究结果对控制岩石变形和破坏具有指导意义。

节理岩桥真三轴开挖卸荷试验研究

由于边坡内部岩桥聚积较高应力,节理岩质边坡开挖的卸荷容易诱发突发失稳。利用真三轴试验系统,对含不同岩桥长度花岗岩试样开展单轴加载和真三轴加卸载试验,研究岩质边坡开挖卸荷中复杂节理岩桥强度及破坏模式,并借助高速摄像机和声发射系统分析应力–应变曲线、峰值强度、裂纹扩展、破坏模式、声发射特征及声发射峰值强度的变化规律。研究结果表明:在单轴加载和真三轴加卸载试验中,真三轴加卸载下脆性破坏更加明显;随着岩桥长度增加,试样峰值强度、破坏时释放能量与声发射计数率均相应提高;在不同中间主应力下,试样抗压强度随中间主应力增加而增长,但声发射计数峰值反而降低,这是因为中间主应力带来的侧向压力使岩石内部结构更加紧密,微裂纹难以扩展;利用断裂力学强度因子叠加方法,揭示了开挖卸荷应力状态下岩桥长度与中间主应力对起裂扩展的影响机制。真三轴试验能更真实地模拟岩石开挖卸荷的应力状况,研究结果可对节理岩质边坡开挖稳定性评价提供理论支撑。