层状岩石不排气三轴压缩力学特性试验研究

为研究地下隧洞开挖过程中围压和孔隙气压对层状千枚岩力学特性及变形参数的影响,以氩气作为渗透介质,开展层状千枚岩不排气三轴压缩试验,分析层状千枚岩在不同围压和孔压下应力-应变关系、峰值强度、变形特性及破坏形式随层理倾角的演化特征。引入基于层理倾角的各向异性度公式,探讨围压和孔压对层状千枚岩各向异性的影响。结果表明:不排气条件下,当孔压减小或围压增大时,层状千枚岩峰值强度逐渐增大;岩石峰值强度σc、弹性模量及变形模量随层理倾角的增大呈“U”型变化;层理倾角在30°~60°之间,层状千枚岩存在层理弱面,破坏形式主要为沿层理面剪切滑移破坏;层状千枚岩在平行层理方向受围压、孔压影响较大,呈现明显各向异性特征。

三轴压缩下含瓦斯煤体电阻率响应的实验研究

目的受载含瓦斯煤体变形破裂过程中电阻率的变化规律是电阻率法预测预报煤与瓦斯突出发生的理论基础。因此,研究三轴压缩条件下含瓦斯煤体破裂过程中电阻率的变化规律十分必要。方法自主研发一套测试低频条件下受载含瓦斯煤体变形破坏过程中电阻率的实验系统,测试三轴压缩条件下含瓦斯煤体电阻率的变化规律,对实验结果进行分析和解释。结果结果表明:(1)受载含瓦斯煤体的电阻率变化与所受应力存在显著的对应关系,型煤的电阻率变化规律与应力的对应关系要优于原煤的,对应力降低比较敏感;(2)受载型煤的电阻率变化规律为先上升后下降型和下降型,受载原煤的电阻率变化规律仅有下降型;(3)从原煤和型煤的物理力学以及受载过程中的变形破坏类型、受载含瓦斯煤体变形破坏过程中的煤体结构变化情况、煤的孔隙结构以及导电类型3方面分析解释受载含瓦斯煤体的电阻率变化情况;(4)对受载含瓦斯型煤电阻率变化曲线出现的2种类型进行科学合理的解释。结论研究成果可为电阻率法预测预报煤与瓦斯突出的发生提供技术支撑。

不同卸荷水平下饱和红砂岩三轴压缩破坏及能量演化特征

为保证水下红砂岩地层隧道的安全施工,避免开挖区突水、失稳等工程事故的发生。以赣州蓉江四路过江隧道工程为依托,对饱和状态下的泥质红砂围岩开展初始卸荷水平为60%、70%、80%和100%(无卸荷)的三轴压缩对比试验,分析不同初始卸荷水平下三轴压缩力学特性变化规律,并结合扫描电镜,对试验后岩样的宏细观破坏特征进行对比分析。基于能量耗散原理,对不同初始卸荷水平下饱和泥质红砂岩试样的能量关系进行拟合,揭示卸荷过程中的破坏特征与能量演化之间的规律。研究结果表明:无卸荷三轴压缩破坏时的峰值偏应力远高于初始卸荷水平为60%、70%、80%时的峰值偏应力,随着初始卸荷水平的提高,饱和泥质红砂岩的峰值偏应力在增加,偏应力增加值在减少,环向变形减小,卸荷所导致的岩样扩容时间会更短,岩样内部的裂隙及黏结颗粒碎屑和表面的破裂纹路增多并发生贯通,且受张拉破坏越明显。在卸荷条件下,三轴压缩达到屈服阶段后,岩样裂隙快速发展,弹性应变能增加缓慢,耗散能急剧增加,破坏阶段时,岩样内部存储的弹性应变能达到存储极限并瞬间释放,产生更多的裂隙。随着初始卸荷水平的提高,峰值偏应力对应的总应变能、弹性应变能及耗散能均呈现先减小后增大的趋势。研究结果可为红砂岩分布地区的水下隧道开挖及建设提供一定的理论参考。

超深碳酸盐岩储层岩石三轴压缩实验与数值模拟研究

为了研究超深碳酸盐岩储层的岩石力学特性,文中以取自埋深约8350 m的顺北油气田奥陶系储层碳酸盐岩真实岩样为研究对象,按热处理与无热处理,在110 MPa围压范围内进行三轴压缩实验,从而得到高围压下的岩石力学特性。实验结果表明:高围压下,岩石表现强烈的塑性流动,加热处理会使得岩石强度降低,但随着围压等级的升高,不同温度下的岩石峰值应力又趋于一致。基于Drucker-Prager屈服准则,发展了塑性硬化参数与等效塑性应变之间的关系,对2种温度下的岩石三轴压缩实验进行数值模拟,结果很好地再现了三轴压缩应力-应变曲线。作为拓展应用,采用所建立的弹塑性本构对单条裂缝压裂过程进行模拟,发现在本岩样所在的储层条件下,压裂过程中的裂缝扩展不受岩石塑性的影响,这一点与裂缝闭合过程完全不同,这为目标储层压裂改造提供了有意义的借鉴。

黏土-砂混合物三轴压缩超声波特性研究

为研究核废料缓冲回填材料的超声波特征,本文利用岩石三轴压缩伺服仪和超声波测试系统,开展侧限压缩和常规三轴压缩2种应力路径和2种超固结比状态OCR=0.83和2.9的压实黏土-砂混合物的三轴压缩试验和超声波测试。结果表明:侧限压缩试验的纵、横波波速(V_(p)、V_(s))曲线表现出与轴压-轴向应变曲线相似的3阶段特征,但V_(p)曲线具有滞后效应;常规三轴压缩试验的V_(p)增加,V_(s)降低,V_(p)和V_(s)变化与围压有关。动剪切模量和动泊松比(G_(d)和μ_(d))的曲线分别与V_(s)和V_(p)的曲线相似,围压主要影响动剪切模量的大小;V_(p)和V_(s)与有效平均压力(p)有关,V_(p)和V_(s)与p的关系可用二次函数较好描述;横波信号的主频逐渐增大,主振幅先减小后增大,主频变得不易分辨,围压越大,横波信号衰减越强;Ⅰ和Ⅱ区随偏压加载而逐渐融合,横波分裂效应减弱。研究结果可为核废料缓冲回填材料的配比设计提供参考。

柔性边界三轴压缩条件下含瓦斯水合物煤体宏细观力学性质

为探究不同边界条件下围压对含瓦斯水合物煤体的宏细观力学性质影响规律,对饱和度80%的煤样进行围压12、16、20 MPa下双轴离散元试验。首先,考虑颗粒形状效应、水合物胶结作用以及热缩管的影响,选取抗滚动阻力线性模型和平行黏结模型,分别构建了刚性边界和柔性边界的含瓦斯水合物煤体双轴数值模型。其次,通过与室内试验结果(偏应力−轴向应变曲线、体积应变−轴向应变曲线、内摩擦角、黏聚力以及试样破坏模式)对比,验证了数值模型的可靠性,并发现柔性边界能更好地反映试样轴向应变−偏应力特征、剪胀特性以及强度特性。基于所建数值模型,从试样内部位移场、力学平均配位数、平均孔隙率、接触力链以及水合物黏结破坏角度揭示围压和边界条件对含瓦斯水合物煤体宏细观力学性质的影响规律。结果表明:①随着围压的增大,刚性边界的破坏型式多表现为单斜面剪切破坏;柔性边界的破坏型式由单叉型剪切破坏转变为单斜面剪切破坏。②随着围压的增加,2种边界的力学平均配位数均呈增大趋势,平均孔隙率均呈减少趋势,试样更密实,试样强度增加。③随着围压的增加,颗粒间法向接触力继续增加,试样强度增加,分布在轴向附近的法向接触力随之增大,而在水平向附近的法向接触力变化较小,竖向与水平向法向接触力差异越明显,各向异性更突出;在峰值强度处,随着围压从12 MPa增加到20 MPa,柔性边界法向接触力增加了54.50%,刚性边界法向接触力增加了45.70%。④在不同围压和边界条件下,试样产生张拉和剪切2种不同破坏形式,试样内部起裂主要以水合物和煤间剪切裂纹为主导;随着围压的增大,2种边界内部剪切裂纹数量呈逐渐减小趋势。研究结果从细观尺度上揭示围压对含瓦斯水合物煤体强度变形破坏等宏观力学特性的影响机制。

三轴压缩下裂隙岩体破坏模式及能量演化研究

为研究不同围压条件下含不同长度单裂隙岩体的裂纹扩展特征和能量演化规律,基于室内三轴压缩试验结果标定细观参数,开展了PFC^(2D)颗粒流数值模拟试验。结果表明:拉伸裂纹先于剪切裂纹产生,两者呈指数增长,裂隙长度减小和围压增大使拉伸裂纹和剪切裂纹快速增长时间滞后;最终破坏时,随裂隙长度增加,拉伸裂纹和剪切裂纹减少。应力集中于裂隙两端,裂纹周围存在应力集中现象。相同围压下,裂隙长度增加,岩样破坏时块体数减少。岩体破坏本质为能量储存、耗散与释放的过程,在加载过程中,岩体能量转化被分为4个阶段。裂隙长度增加削弱岩样储存应变能的能力,总能量减少,围压增强岩样储存应变能的能力。岩样破坏时,耗散能大于应变能,随裂隙增长,耗散能减少。

基于PFC砂柱的三轴压缩破坏模拟

文章介绍了PFC软件及离散单元法的基本概念以及核心思想。利用PFC三轴压缩实验分析模拟了不同颗粒级配、不同弹性模量下砂柱的三轴压缩破坏过程,得到了砂柱的破坏特征、强度与影响因素的相关性,为砂土的压缩特性研究提供了参考依据。

深部原生煤岩组合体三轴压缩破裂特征与失稳模式

【目的】深部含煤地层原生分界面及其层状组合结构发育,在开采扰动作用下,层状煤岩体的原生组合结构破裂失稳是诱发突水等灾害的主要原因之一。【方法】为研究深部开采原生煤岩组合结构对层状岩体稳定性的影响,室内开展三轴压缩破裂试验及CT扫描重构,获得深部原生煤岩组合体与煤、岩单体破裂的差异,分析深部原生煤岩组合体分界面及其胶结区域的强度变化规律,划分其三轴压缩失稳的主导模式为低强度煤、原生胶结面及高强度岩石失稳3种,揭示各主导模式形成的力学机制,明确煤岩组合体失稳强度介于低强度煤与高强度岩石之间的力学机理。【结果和结论】结果表明:深部原生煤−岩及煤−岩−煤组合体的失稳强度介于煤、岩单体之间,前两者大小与其岩石含量及界面结构相关;原生界面区域煤的抗压强度变化速率对泊松比、黏聚力与内摩擦角等参数变化敏感,并远高于岩石;低强度煤的主破裂可穿越原生分界面,促使硬岩产生类似于含单裂隙结构面岩石的破裂机制,并导致组合体的失稳强度低于岩石单体。研究成果提升了对深部开采层状岩体失稳致灾机理的认识。

不同碎裂程度岩体三轴压缩力学特性及破坏特征

深部开采条件下地质条件劣化,破碎岩体很容易出现大变形破坏问题。本文利用3DEC软件中离散断裂网络(DFN),建立考虑地下深部不同碎裂程度的合成岩体(SRM)模型,开展了围压加载条件下高应力碎裂岩体的力学特性研究,建立了岩体完整性系数与抗压强度和弹性模量关系式。试验结果表明:碎裂程度较大的岩体,在单轴压缩试验中表现出较强的延性破坏特征;同一碎裂程度岩体随加载围压增大,围岩应力—应变曲线在屈服阶段的抗压强度和塑性变形显著增大,峰后应力跌落幅度变缓;岩体内部微裂隙最先萌生于节理面端部及其交汇部位,节理数量越大裂纹发展、贯通越快;高围压加载时,岩石模型试样破坏模式由张拉破坏向剪切滑移破坏转变。碎裂岩体破坏特征和其碎裂程度与应力加载环境紧密相关,是工程施工与设计的重要参考依据。

砂岩单轴三轴压缩试验研究

研究了砂岩在饱和、自然、风干三种状态下的单轴抗压强度特性和三轴抗压强度特性。在单轴、三轴压缩试验中得到了应力与纵向应变、横向应变、体应变之间的关系曲线 ,单轴应力 -纵向应变曲线在峰值前可分为 3个阶段 ,三轴应力 -纵向应变全过程曲线可分为 4个阶段。根据三轴轴向应力和围压绘制了莫尔圆 ,采用回归分析得到了强度准则和强度参数C、 值 ,并且分析了含水量对岩石强度的影响 ,其实验结果能为工程提供参考与借鉴。

含不同倾角裂隙花岗岩三轴压缩力学特性试验研究

对含不同倾角的裂隙花岗岩开展了常规三轴压缩试验,配合声发射(acoustic emission,AE)系统进行全过程的信息监测,对破坏过程的力学特性及声发射特征开展了研究。结果表明:岩石应力-应变曲线特征受裂隙影响显著,裂隙岩样在破裂过程中应力局部波动明显并发生多次应力降,其脆性特征出现弱化。裂隙破坏了岩石的结构完整性,造成岩石抵抗破坏能力的下降,降低比例高达41.4%;随着裂隙倾角由0°增加到90°,花岗岩抗压强度呈现先减小后增大的变化趋势;裂隙的存在增加了岩样非均质性,促使岩样弹性模量的减小。裂隙岩样破坏模式为“穿切裂隙面破坏”和“沿裂隙面剪切破坏”2种模式,其主要取决于裂隙面与最大主应力夹角的大小。裂隙倾角影响了裂隙岩石破裂过程中AE信号变化规律,尤其是30°、45°及60°倾角岩样,AE振铃计数出现明显的“迁移”现象,信号集中分布区拓宽并向后推移;随着倾角增加,岩石破裂活跃程度呈现先减小后增大变化趋势。

不同冻结温度下黄土三轴压缩力学性能试验

准确掌握不同冻结温度下的黄土力学性能是人工冻结法设计过程中进行合理设计和安全施工的前提和必要条件。通过设计正交试验及统计拟合,研究了海测滩煤矿立井井筒处黄土冻土试样在不同冻结温度下的三轴压缩力学性能,分析了冻结温度对冻结黄土应力-应变曲线影响,对比了不同冻结温度下冻土内聚力及内摩擦角变化规律,并对立井井筒黄土基土在冻结过程中的内聚力及内摩擦角提出了基于冻结温度变化的预测模型。结果表明,冻结温度对黄土试样三轴压缩力学性质具有明显的影响,黄土试样粘聚力与冻结温度呈线性相关,随着冻结温度的降低而增大,内摩擦角与冻结温度呈指数关系,随着冻结温度的降低先增大,随后趋于稳定。

钢纤维再生混凝土常规三轴压缩试验研究

使用DYS-2500高温高压岩石三轴试验机对钢纤维再生混凝土圆柱体进行了单轴压缩和常规三轴压缩试验研究。结果表明,钢纤维再生混凝土在单轴压缩和三轴压缩下的破坏形态有所差别;同一围压下,钢纤维再生混凝土随着钢纤维掺量的增加,试件能承受的主压应力及轴向应变也相应增加,且围压下的应力-应变曲线走势大体一致;相同掺量钢纤维再生混凝土,随着围压值的提高,其承受的主压应力、轴向应变也相应提高;围压15MPa时,钢纤维再生混凝土的峰值应力约是单轴压缩下峰值应力的3.08~4.13倍;同一围压下的纤维再生混凝土,钢纤维掺量2%的峰值应力约是普通再生混凝土峰值应力的1.15~1.54倍;围压15MPa时钢纤维再生混凝土的峰值应变比0MPa时的峰值应变增加了5.98~6.76倍;同一围压下的再生混凝土,钢纤维掺量2%的峰值应变约是普通再生混凝土峰值应变的1.22~1.52倍。

在多轴压缩下红砂岩的强度和变形特征

本文用红砂岩试件做了一系列的试验,探讨了在多轴压缩下红砂岩的强度和变形特征。重点讨论了中间主应力σ_2对红砂岩强度的影响以及应力—应变曲线和侧压力的关系。此外,对柔性接触的多轴压缩试验也作了初步尝试。

中粒辉长岩单轴三轴压缩试验研究

研究了中粒辉长岩在饱和、风干两种状态下的单轴和三轴压缩强度变形特性。在单轴和三轴压缩试验中得到了应力与各种应变之间的关系曲线,采用回归分析得到了强度准则和强度参数c,φ值,分析了围压和含水量对中粒辉长岩的影响。

三轴压缩煤岩破裂过程中声发射时空演化规律

利用MTS815岩石力学实验系统,开展不同围压(3.2、9.6、16.0、22.4 MPa)下煤岩的三轴压缩声发射定位实验,研究煤岩破裂过程中AE(Acoustic Emission)时序特征、能量释放与空间演化规律。实验发现:静水围压阶段,AE信号主要产生于中前期,声发射源主要是裂隙的压密、摩擦与滑移,其强弱与试件的原生裂隙、孔隙的发育程度密切相关;施加轴压阶段,煤岩声发射时空演化过程与应力应变曲线具有良好的对应关系,在产生初始损伤、屈服及破坏时,AE特征均会产生明显的突变。AE时序参数、能量释放与定位信息的综合分析表明,煤岩破坏前兆点的应力强度百分比为92%～98%,均处于屈服点后的不稳定裂纹扩展阶段。同时,实验揭示了煤岩破裂过程中声发射的围压效应,并发现AE时空定位演化较好地对应了破裂事件从单一到复杂、从无序到有序的演化过程。

煤样三轴压缩下变形和强度分析

基于在伺服试验机对煤样的常规三轴压缩和三轴卸围压试验,分析了煤样在不同应力条件下的强度和变形特征。煤样在围压作用下裂隙闭合后利用摩擦仍可以承载,并且所有煤样峰前变形特性基本一致。三轴卸围压试验峰值处出现屈服平台,与常规三轴相比峰后塑性明显增强,煤样破坏时的轴向应变量受常规三轴压缩全程应力–应变曲线控制。常规三轴压缩和三轴卸围压试验的峰值强度与围压均成线性关系,围压影响系数基本相同,内摩擦角能够表征材料力学性质,与加载方式没有关系,但相同围压下三轴卸围压时试样的承载能力比常规三轴加载时明显偏低,表明煤样经历较高轴向载荷作用后存在局部损伤。

粉砂质泥岩三轴压缩应力松弛特性试验研究

采用RLJW–2000型岩石三轴流变伺服仪,在分级加载条件下完成饱和粉砂质泥岩的三轴压缩应力松弛试验。基于试验结果,划分岩石的应力松弛阶段,分析岩石的应力松弛特征,研究不同应变水平下岩石的应力松弛速率、径向应变、体积应变以及松弛模量随时间的变化规律,探讨岩石应力–应变等时曲线特征,系统地揭示粉砂质泥岩三轴压缩应力松弛特性。选取Burgers模型来描述粉砂质泥岩的应力松弛特性,采用LM-NLSF法对模型参数进行辨识。对比模型拟合曲线与试验曲线,二者吻合较好,表明Burgers模型可以较好地描述粉砂质泥岩的应力松弛特性,辨识得出的模型参数具有一定的实用价值。

含瓦斯突出煤三轴压缩下力学性质试验研究

以典型煤与瓦斯突出矿井松藻煤电集团打通一矿7#突出煤层制备的型煤试件为研究对象,利用岛津AG-250伺服材料试验机和自行研制的三轴渗透仪,对不同外界应力条件下含瓦斯突出煤的力学特性进行试验研究。结果表明:瓦斯压力固定的情况下,围压对含瓦斯煤的力学特性起到强化和改善的作用。随着围压的增加,突出煤样的三轴抗压强度、弹性模量和峰值应变均呈线性单调增加;围压大小一定情况下,瓦斯压力对含瓦斯煤的力学特性起到弱化的作用。随着瓦斯压力的增加,突出煤样的三轴抗压强度和弹性模量分别呈线性和对函数形式单调递减,而峰值应变则呈线性单调增加;有效应力对含瓦斯突出煤的力学性质具有强化和改善的作用,随着有效应力的增加,含瓦斯突出煤的弹性模量、三轴抗压强度和峰值应变均单调增加。研究成果对采动影响下煤层瓦斯抽放和煤与瓦斯突出防治及预测具有重要意义。