循环载荷作用下煤岩复合结构宏-细观破坏特征及能量-损伤本构模型

煤炭深部开采过程中,周期性开采扰动行为会使邻近煤层的煤岩复合结构承受循环载荷的作用,因此,研究不同循环载荷作用下煤岩复合试样的力学响应行为及宏-细观失效特征具有重要工程意义。选取3种不同的加(卸)载速率,开展了2种循环加卸载路径下的单轴循环压缩试验(同步测定声发射信号),分析了煤岩复合试样的损伤失效特征;基于能量耗散原理,构建了煤岩复合试样在循环载荷作用下的能量-损伤本构模型,最后结合试验实测数据进行验证。结果表明:加(卸)载速率与复合试样的峰值强度呈正相关,当加(卸)载速率从0.05 mm/min增大到0.15 mm/min时,恒定下限逐步循环加卸载路径(路径I)、变上下限等幅循环加卸载路径(路径II)下,试样的峰值应力分别增加了22.44%和28.89%;高加(卸)载速率下,试样的内部裂纹扩展越快,煤岩复合试样中煤组分的破碎程度加剧,分形维数随之增大,试样的内部裂纹扩展越快;随着加(卸)载速率的增大,煤组分中沿基质破坏增多。循环分级跨度大的路径(路径I)有助于试样内部的应力传递,为试样内部裂纹的发育提供了有利条件,导致对应试样的破坏程度更高。试验曲线和能量-损伤本构理论曲线具有较强的一致性,表明所建的能量-损伤本构模型能够很好地描述煤岩复合试样在循环加卸载过程中的变形行为。

单轴压缩下裂隙倾角对花岗岩-混凝土力学行为及能量演化的影响

为探究单轴压缩下不同裂隙倾角对花岗岩-混凝土组合体试件的强度及能量演化的影响,结合室内试验标定的细观参数,采用二维离散元颗粒流程序(PFC^(2D))对组合体试件开展了数值模拟研究。结果表明:花岗岩-混凝土的强度和变形特征受裂隙倾角影响,其强度和变形参数随裂隙倾角的增大呈逐渐增大趋势;在单轴压缩过程中,试样内部能量转化为宏观裂纹扩展,最终的破坏模式主要以拉伸失效断裂和剪切失效断裂为主;组合体试件的总能量和耗散能随裂隙倾角的增大而增大,试件破坏时总应变能大于耗散能。基于耗散能的计算,构建了损伤本构方程,当损伤因子为0.8时,试件接近极限状态,此时的能量消耗较大,显著降低了组合体试件的强度。