黔西南金矿砂岩动静组合加载岩石力学特性研究

为探究巷道开挖后围岩不同深度切向应力不同程度的增加对围岩动力学性能的影响,采用改进的分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验系统,对黔西南金矿砂岩试件在0,10,20,30,40MPa的轴压下进行动静组合加载试验,旨在分析砂岩在不同轴压下的力学行为、变形特征与能量演化规律。研究发现:动静组合加载试样应力-应变曲线分为压密阶段、弹性阶段、塑性破坏和峰后阶段;轴压使得峰值应变逐渐增加,极限应变逐渐降低;动态弹性模量、动态抗压强度、应变率及各能量的演化规律均呈现以10MPa为转折点的变化规律。

动静组合加载下裂隙试样力学特性和破坏模式

目的为了深入了解裂隙岩石在同时受到地应力和动力扰动时的工程灾变机制。方法采用改进的分离式霍普金森压杆系统,对预制裂隙类岩石试样进行了动静组合加载试验。研究了应变率、裂隙倾角和预应力对试样动态力学特性和能耗特征的影响,并对试样的破坏模式进行了分析。结果当应变率从61.82s^(-1)增加到195.57s^(-1),裂隙试样的动态增长因子不断增大,具有显著的应变率效应;动态弹性模量变化规律不明显,应变率效应不显著。随着入射能的增加,裂隙试样的单位耗散能密度不断增加。当裂隙倾角由0°变化到90°,试样的动态增长因子增不断增加,动态弹性模量和单位耗散能密度不断降低。当施加预应力后,30°、45°和60°裂隙试样的动态增长因子增长均有所增加;45°裂隙试样动态弹性模量有所增加,30°和60°裂隙试样的变化规律不明显;45°和60°裂隙试样单位耗散能密度有所降低,30°裂隙试样的变化规律不明显。裂隙试样的破坏模式主要包括张拉破坏、剪切破坏和张拉-剪切复合破坏3种,施加预应力对试样破坏模式的影响不明显。结论0°裂隙对工程岩体的承载能力削弱程度最小,90°裂隙有利于提高破岩效率。预应力在一定程度上会提高工程岩体的承载能力。研究结果可以为预测和评估岩石工程中的风险,制定合理的加固措施提供参考。

动静组合加载下砂岩剪切力学特性试验研究

动载扰动作用是影响遗煤复采过程中围岩稳定性的重要因素,为研究不同预静载水平下动载扰动对砂岩抗剪强度、黏聚力、内摩擦角、应变场及声发射等参数的影响,采用动静载多场耦合试验系统、声发射监测系统和DIC应变监测系统对砂岩进行了动静组合加载变角剪切试验。研究结果表明:在组合加载下,随着预静载水平的增大,砂岩抗剪强度和黏聚力呈先增大后减小的趋势,内摩擦角和扰动前后最大主应变差值呈先减小后增大的趋势,均在75%τ预静载水平处达到极值;在组合加载下,声发射累计能量和累计振铃计数整体上可划分为第一稳定增长期、第一突增期、平静期、第二突增期、第二稳定增长期和第三突增期6个阶段,在扰动阶段声发射信号活跃程度随着预静载水平的增大呈先减小后增大的趋势,极值出现在60%τ预静载水平处。研究成果可为动静组合加载下围岩稳定性控制提供理论参考。

动静组合加载条件下煤体失稳破坏能量阈值判定方法及工程应用

以某矿7305工作面地质及开采条件为研究背景,通过研究动静组合加载条件下煤体失稳破坏过程吸收能对煤体破裂的影响规律,提出利用吸收能比率ξ表征煤体存储能量的能力,进而确定动静载作用下煤体失稳破坏能量阈值,并利用该值提出了煤体冲击危险等级评价新方法,并在7305工作面进行工程现场验证,对比7305工作面CT反演监测结果,发现利用煤体失稳破坏能量阈值对7305工作面冲击危险区进行划分,效果较好,判定结果较为吻合。

静动组合加载下钢-PE混杂纤维水泥基复合材料动态压缩性能试验研究

本文将钢纤维和聚乙烯(PE)纤维进行混杂,制备了钢-PE混杂纤维水泥基复合材料(S/PE-HFRECC, Steel-PE Hybrid Fiber Reinforced Engineered Cementitious Composites),控制纤维体积总掺量为2%,通过改变两种纤维配比制作了六类水泥基试件(S0E0、S0E2、S0.5E1.5、S1E1、S1.5E0.5和S2E0),并利用可施加预加静态荷载的直径为50 mm的分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar, SHPB)装置开展了静动组合加载条件下S/PE-HFRECC的动态压缩试验,预加静荷载级别分别取试件静态抗压强度的0%、15%、30%和45%四个级别。试验结果表明:1) 预加静态荷载对水泥基复合材料的力学性能有着弱化和强化的双面性。2) S/PE-HFRECC的动态抗压强度、动态峰值应变和应力峰值前韧度随着预加静荷载级别的提高呈现先升高后降低的趋势。3) 相较于单一纤维的掺入,钢-PE混杂纤维在对强度、变形能力和韧度的改善方面有着更好的优越性。

动静组合加载下冲击倾向性煤声发射特性试验研究

采用DTAW-8000型岩石高压动力学试验系统及声发射技术,通过施加不同动载扰动频率的单轴压缩试验,研究了冲击倾向性煤在动静组合加载下的破裂特征与声发射特性参数的关系、分析了冲击倾向性煤受压损伤全过程并建立了损伤演化模型。研究表明:动载扰动频率增强,冲击倾向性煤岩主破裂角呈现先减小后增大的变化趋势,且应力、应变均呈降幅现象;冲击倾向性煤岩内部裂缝的发育、扩展过程与声发射信号紧密相关,煤岩受压全过程的声发射振铃累计数变化趋势可大致分为稳定阶段、突增阶段和缓慢增长直至破坏阶段;煤岩损伤演化模型趋势与试验数据趋势一致;动载扰动频率是煤岩损伤的缓增-急速增长阶段影响煤岩破裂时程的主要因素。

一维动静组合加载下圆柱孔洞花岗岩的力学性能及破裂特征

地应力集中和动力扰动是诱发深部岩石工程灾变的两个重要因素,开展动静组合加载下含孔洞岩石的力学特性研究能够为揭示深部岩石工程动力灾变提供参考。本文将地下巷道结构简化为含圆柱形孔洞的岩石试样,利用动静组合加载系统分别测试了不同轴向静载(σ_(s))下试样的动态力学特性,分析了σ_(s)对试样动态力学响应的影响;并对动静组合加载下圆柱孔周边的能量分布特征进行了数值模拟。结果表明:试样动态损伤总是从圆柱孔周边开始;当σ_(s)为27 MPa和36 MPa时,试样动态强度、割线模量达到最大值;试样动态损伤范围随轴向静载的增加先减小后增大,且σ_(s)大于27 MPa后,岩爆现象逐渐增强;在动静组合加载下,最大应变能密度始终出现在垂直于加载方向的圆柱孔周边。

岩石动静组合加载力学特性研究

根据深部岩石力学研究的需要,在分析深部开挖中岩石受力特点的基础上,提出岩石动静组合加载问题。通过对多载荷凿岩机、INSTRON系统、SHPB装置的不断改进和尝试,研制出中高应变率段岩石动静组合加载试验系统,该系统可实现岩石轴向静压0～200 MPa、围压0～200 MPa和冲击动载0～500 MPa的同时加载。基于新研制的试验系统,对岩石在不同动静组合加载下的强度特性、破碎规律及吸能效率进行研究。结果表明:冲击动载一定,轴向静压从0增大到其单轴静压强度70%时,岩石的组合加载强度大于其纯静载强度或纯动载强度。轴向静压不变,随着冲击动载的增大,岩石的组合加载强度逐渐增大,表现出率相关性。动静组合加载下,岩石的破坏呈拉伸破裂模式,岩石的破碎块度在冲击动载或轴向静压增大时都向细粒端发展。岩石的吸能率随着动静组合加载的不同而不同,通过选择合适的动静组合加载,可使岩石的吸能率最大。

一维动静组合加载下岩石冲击破坏试验研究

利用研制的岩石动静组合加载SHPB试验装置,系统研究岩石在一维动静组合加载下的冲击破坏特性。首先按照一维应力波传播理论,对动静组合加载的试验原理进行理论论证。试验过程中预先在轴向施加不同载荷,按照静载强度的20%,30%,40%,70%,80%和90%等6个系列进行,然后沿轴向进行冲击加载,考察岩石的临界破坏承载强度。研究结果表明:在临界破坏的情况下,动态冲击的应力–应变曲线(包括常规冲击和动静组合加载)最后都会出现总应变减小的现象,这是由于冲击过程中岩石内部储存弹性能释放所致。在轴向静压较小时,岩石的组合加载应力–应变曲线跟常规的冲击试验曲线类似;轴压较大时,岩石的组合加载应力–应变曲线没有初始的近似线弹性段,直接从非线性段开始。随着轴向静压的增大,岩石的抗冲击强度呈现出先增大后减小的趋势,大约在静载强度60%时,抗冲击强度达到最大值。在入射能较小时,岩石吸收的能量会缓慢增加,在入射能较高时,岩石吸能会快速增加。常规冲击下岩石的临界破坏模式为劈裂形式,动静组合加载下呈现压剪形式。

动静加载下组合煤岩的应力波传播机制与能量耗散

运用改进的霍普金森压杆,在波动力学理论的基础上,研究动静载下煤岩结构的应力波传播机制与能量耗散,分析应力波幅值和静载对煤岩组合体中应力波的波形、透射系数、反射系数和能量耗散的影响规律。研究结果表明：应力波幅值和静载明显的影响组合煤岩中应力波的传播性质;并且煤岩组合结构初始处于弹性与塑性状态的透射、反射系数随动载的变化规律是不同的。动载能量耗散随应力波幅值的增大而增大,随着静载的增大呈现先增大后减小的趋势。同时注意到组合煤岩在静载在0.50~0.75动载耗散能量迅速降低,并且组合加载下煤岩结构的破坏失稳可分为两种形式,包括动载主导和动载诱发,分别以动载和静载为主要能量源。由静载对应力波传播机制和能量耗散的影响可知,埋深不同或距离采掘空间的远近不同,应力波传播机制和能量耗散是不同的。

二维动静组合加载下岩石破坏的试验研究

为模拟地下深部开采中二维应力状态下矿岩采掘及某些矿柱的稳定性问题,将特制的一维水平静压装置和Instron电液伺服材料试验机组合进行二维动静组合加载下红砂岩破坏的试验,研究当动载固定不变时红砂岩在不同水平静载和不同竖向静载下破坏的基本规律和特征,为深部采矿和矿柱等的稳定性分析提供理论与试验依据。

中应变率下动静组合加载岩石的本构模型

阐述动静组合加载岩石的本构模型研究意义,并对国内外关于岩石动态本构模型的研究方法进行分类。采用组合模型研究方法,将统计损伤模型和黏弹性模型相结合,分别建立中应变率下一维和三维受静载荷作用岩石在动载荷作用下的本构模型(动静组合加载本构模型)。对一维动静组合加载本构模型用不同静应力的相关试验进行验证,其结果表明,利用该模型计算得到的本构曲线与试验结果具有较好的一致性。对于三维动静组合加载本构模型,采用动力三轴试验机加围压时对应的岩石动载本构关系进行验证。

动静组合加载下岩石破坏的应变能密度准则及突变理论分析

阐述了岩石在动静组合载荷作用下使用应变能密度定义破坏准则的适用性。分析认为,岩石破坏的应变能密度的临界值与岩石破坏之前的不可逆变形过程和外界条件有关,而不可逆变形过程主要是由于岩石的非弹性变形、损伤和其他内部耗散机制引起的,且反映静水压力的体积变形能在某些应力状态条件下的岩石破坏中是不能忽略的。提出用机械模型来反映动静组合加载下岩石单元体弹性的劣化和非弹性变形的产生以及加载速率的影响,并以机械模型为基础,求出受一维静载岩石在动载作用下破坏应变能密度的临界值。同时,根据静力预加载结构的冲击屈曲突变模型,建立了静加载岩石系统的冲击破坏模型,进一步分析了动静组合加载下岩石的破坏。最后,采用低周疲劳加载方法在Instron电液饲服控制材料试验机上进行了红砂岩中应变率下的动静组合加载破坏试验,对应变能密度准则和突变理论模型进行了验证。结果表明,理论模型与试验结果有较好的一致性。

动静组合加载条件岩爆特性及倾向性指标

基于岩爆灾害是静载与动载共同诱发的工程事实,从动静组合加载下岩石破坏过程中能量储存和释放特征出发,充分借鉴现有岩爆倾向性指标的合理之处,提出动静组合加载下的岩爆的倾向性指标。该指标能克服现有指标只考虑静载的局部性,更能反映出岩体岩爆破坏应力峰值后的能量释放特征。选取0轴压、抗压强度的20%,60%,70%和80%共5个典型轴压水平,进行不同冲击能量下的动静组合冲击实验。通过对试验结果的分析,考察动静组合加载下的岩爆特性及倾向性指标方法。研究结果表明,新指标能够较好反映岩石的岩爆倾向性。通过分析比较,进而提出动静组合加载下岩爆倾向性指标判据的初步建议。根据该建议指标可以反映出激励性岩爆的发生受静载和动载2种因素的综合作用。

三维动静组合加载下岩石力学特性试验初探

基于对深部岩石承受高地应力并在动力开挖扰动下发生破坏这一问题的科学认识,利用改造的三维霍普金森动静组合加载试验装置,开展三维动静组合加载下砂岩力学特性试验的初步研究。选取3个围压水平(0,5,和10 MPa)和3个典型轴压水平(60,80和100 MPa),开展不同应变率下的三维组合加载试验。研究结果表明,当围压一定,轴压比在0.52～0.87范围内变化时,砂岩的抗压强度都会随着轴压的增大而逐步减小。当轴压一定,围压为5 MPa时砂岩的抗压强度跟无围压情况下差别不大。但是当围压增大到10 MPa,砂岩的抗压强度会有较大提高。本文的研究结果也证明了冲击过程中轴压对砂岩内部的裂纹起催生作用,弱化微元体的承载能力,导致割线模量降低;围压则可以抑制裂纹的萌生和扩展,强化了微元体的承载能力,使得割线模量会增加。研究结果还表明,在本文轴压比范围内,当围压一定时,砂岩单位体积释放能会随着轴压的增大而降低,当常规静载轴压比为0.6～0.7时,转化为吸能状态。在三维动静组合加载下,砂岩会呈现出"单锥"压剪破裂形式。

一维动静组合加载下砂岩动力学特性的试验研究

基于对深部岩石承受高地应力并在动力开挖扰动下发生破坏这一问题的科学认识,利用改造的劈裂霍普金森压杆动静组合加载试验装置,开展一维动静组合加载下砂岩的动力学特性试验研究。选取无轴压和3个典型轴压水平4种情形,开展不同应变率下的冲击试验。研究结果表明,相同应变率下岩石对外界冲击的响应受轴压比影响很大,冲击强度会随着轴压比的增加出现先增加后减小的趋势,在轴压比为0.6～0.7时达到最大值。相同轴压下,冲击强度会随着应变率的增加而增加,呈现指数函数关系。在一定的轴压比范围内,随着入射能的递增,岩石在加载破坏试验中先后会经历"吸收能量-释放能量-吸收能量"3个阶段。这3个阶段可以较好的解释高应力下岩石的动态强度递增、岩爆发生和诱导致裂三者之间的互相转化机制,对深部岩石工程的实践可以提供理论上的指导。

动静组合循环加载试验系统研制及试验

针对地下采场围岩在冲击地压作用下失稳破坏问题,根据冲击地压诱发因素确定其力源条件,研发动静组合循环加载试验系统,该系统通过MOOG761高频响动态伺服阀控制对煤岩体实行单轴压缩、蠕变加载、动静组合加载与循环加卸载等多种应力路径加载试验,模拟工作面回采期间坚硬顶板破断、工程爆破等动力扰动影响对煤岩体损伤的过程。借助声发射系统采集煤岩体损伤过程能量特征参数,建立应力-应变曲线与声发射信号的对应关系,并对试样破坏能量演化过程进行阶段划分。研究结果表明:与常规单轴压缩试验相比,7.5 MPa静荷载水平组合强度均值较单轴压缩试验强度增加12.14%,组合强度略有增加,15.0 MPa静荷载水平组合强度均值较单轴压缩试验强度增加34.05%,组合强度增幅显著;动静组合循环加载下试样的声发射事件数随动力扰动振幅升高而呈阶段性增加,动静组合循环加载的破坏模式主要分为缓慢增长阶段、急速增长阶段,相对稳定阶段和瞬时释放共4个阶段,峰值应变随动力扰动荷载增加先减小后增加,曲线整体呈"U"型发展趋势。该试验系统能够较好地反映岩体在动静组合加载下力学特征劣化过程,可用于不同尺度煤岩体的轴向动静组合加载力学特性研究。

单轴动静组合加载对岩石力学特性影响的试验研究

用低周疲劳加载方法,在Instron电液伺服材料试验机上对红砂岩进行了单轴动静组合加载试验,研究了组合加载条件下的岩石动态响应和破坏特性。实验发现:红砂岩在同一方向上动静组合加载条件下的破坏强度比在单独动载作用条件下的强度小,而比在单独静载作用条件下的强度大。在组合加载条件下,岩石的弹性模量随着预静载的增加而减小,并显现出软化的趋势。实验还获得了红砂岩在组合加载情况下预静载应力与最终破坏强度的对应关系。

围压卸荷条件砂岩动静组合加载碎块分维特性

利用带轴向静压和主动围压加载装置的分离式霍普金森压杆试验设备,研究了砂岩试样在不同轴向静载等级(0MPa^72MPa)、不同冲击能量下的动态力学特性,结合分形理论和能量原理,分析高应力试样破裂块度分布规律及其能量的相关性。试验结果表明:在轴向静载一定的情况下,砂岩试样的动态压缩强度随冲击能量的增大而提高;试样发生临界破坏,冲击能量随轴向静载的增大出现先增加后减小,试样破坏形态由中心破裂向更为复杂的压剪破裂转变;在较高轴向静载下,碎块分维数与冲击能量之间呈现非线性递增关系,表明较小的冲击能量有助于诱发高轴向静载储能释放,提高砂岩试样破碎程度。

动静组合加载下岩石破坏的声发射实验

在霍普金森(SHPB)实验系统上进行了动静组合加载下岩石破坏的声发射实验,获得了动静组合加载下花岗岩声发射能量的变化规律。结果表明,动静组合加载下声发射能量规律呈现出2种明显不同的特征:I型,声发射峰值能量之后,能量迅速衰减,到加载末期,能量出现一定的回升,产生了"拐点";II型,声发射峰值能量之后,能量衰减相对I型较慢,且不出现"拐点"。分别讨论了轴向静载和动载应变率对声发射能量的影响:声发射峰值能量随轴向静载增大而减小;当轴向静载位于岩石弹性段时,峰前声发射能量随静载缓慢增大,当轴向静载超过弹性段时,峰前声发射能量随轴向静载增大而急剧增大;声发射峰值能量和峰前能量均随动载应变率增大而减小。本研究对于重新寻求动静组合加载下岩石破坏的声发射前兆规律具有理论和实践意义。