新工科背景下力学创新实验教学体系探索——以中国矿业大学为例

力学是工科的重要科学基础,力学创新实验是深化认识力学理论、有效联结工程技术的重要载体,新工科建设迫切要求力学创新实验教学体系的革新。从力学创新实验教学的现状和不足出发,立足国家战略技术与产业需求,突出行业特色,注重跨学科交叉融合,将基础力学知识与专业核心课程相结合,构建了“工程技术前沿—创新实验项目—创新成果产出”逐级提升的研究型实验教学体系,设计了力学创新实验教学的总体实施方案,显著提升了工科学生“创意—创新—创业”一体化的意识与能力。

考虑单轨吊悬吊效应的深部沿空巷道围岩变形特征

为分析单轨吊巷道围岩变形破坏特征,建立巷道单轨吊运输模型,进行相似材料模拟试验。试验结果表明:单轨吊荷载作用下,倾斜煤层巷道上覆岩层主要裂隙带分布于巷道一侧,具有明显的不对称性,并且主要裂隙发育集中在直接顶,说明直接顶岩层是单轨吊荷载的主要承载体;单轨吊巷道围岩相互作用体系可分为巷道断面围岩结构、单轨吊悬吊承载体和联接悬吊结构三部分,单轨吊荷载由各部分相互作用,并经传递和转化,由整个体系承担;对于沿空掘巷悬吊单轨吊支护设计,保持巷道断面围岩结构自身的稳定性是控制断面变形的基础,充分利用巷道上覆岩层大结构的稳定,是提高整个支护体系承载能力的关键。

冻融循环次数对饱水砂岩力学特性的影响分析及预测

为了研究高寒地区冻融循环次数对饱水砂岩物理力学特性的影响,开展了冻融0次、20次、40次和60次四种不同冻融循环次数下西部某露天矿砂岩单轴压缩试验。基于试验结果,分析了冻融循环对砂岩质量、变形及强度等物理力学特性的影响规律。通过分析得到以下结果:随着冻融次数的增加,饱水砂岩质量不断增加,到冻融40次后,砂岩质量趋于稳定;砂岩的应力-应变曲线呈现出四个阶段,峰值强度和弹性模量随着冻融次数增多而呈线性减少的变化趋势。建立了以应变和冻融次数为输入层,应力为输出层,含一个隐含层的神经网络本构模型。通过对比分析冻融60次试验结果,验证了该模型具有良好的适用性。

循环冲击层理煤岩动力学行为及破坏规律研究

为研究复杂地况下含特征层理煤岩的动态力学行为,采用50 mm分离式霍普金森压杆实验系统,对含层理(0°、30°、45°、60°、90°)煤岩进行动态三轴循环冲击实验研究,并结合3D轮廓扫描仪量化其断裂界面,分析层理效应和围压效应对煤岩动态力学特性及其损伤破坏规律的影响。研究表明:围压的施加使煤岩应力-应变曲线出现弹性后效现象;较无围压状态,抗压强度提高3.9~4.2倍,失效应变增大2.59~3.05倍。随着层理角度的增大,煤岩的动态抗压强度、弹性模量和能量透射率均呈现先降低后升高的U形分布,在层理角为45°时均达到最小值;能量吸收率和断面粗糙度呈现先增大后减小的∩形分布,损伤变量呈现N形分布,在层理角为45°时达到最大值。煤岩的损伤破坏特征随层理角度的变化可概括为张拉破坏(0°)-剪切破坏(30°、45°和60°)-劈裂破坏(90°)的演变过程,所得特征规律可为实际复杂环境下煤层气资源安全高效开采提供理论支持。

基于连续-离散方法的微波照射下花岗岩力学行为与破裂特征

微波辅助破岩具有绿色、低能耗等优点,是有望实现深部煤炭资源开发中硬岩地层高效掘进的技术手段,其机理引发了工程与学术界的关注。基于花岗岩组分矿物微波吸收升温差异,借助连续介质微波电磁分析及离散元力学模型,实现了微观矿物温度离散赋值,提出了微波照射下花岗岩力学性质的计算分析方法,从温度场分布、力学性质和破坏形态验证了方法的可靠性,揭示了微波照射下花岗岩破裂规律、单/三轴加载条件下的力学行为及破裂机制。计算结果表明:(1)微波照射下,试样出现2个相对低温区域和1个热点区域。在低照射功率(≤2 kW)情况下,试样内部裂纹数量极少;高照射功率(≥3 kW)下,试样内部裂纹以晶粒边界拉伸破坏为主导逐渐发育,并以热点区域为中心向四周延拓形成裂纹网络。(2)对于单轴压缩,试样峰值应力、弹性模量和损伤阈值均随照射功率增加而降低,在高照射功率(≥3 kW)下,力学参数跌落更加明显;当照射功率较高(≥3 kW)时,微波照射后初始裂纹主导了受载试样的裂纹演化,试样呈现沿初始裂纹扩展趋势并出现显著的局部破坏。(3)对于三轴压缩,随照射功率增加,初始围压对试样强度提升效果越发强烈;低照射功率(≤2 kW)下,弹性模量随围压变化不明显,高照射功率(≥3 kW)下,初始围压对弹性模量的提升格外显著;随照射功率增加,围压促进了破碎颗粒的继续承载及应力传递,试样破坏由晶间破坏主导向晶内破坏主导转变,进而引发裂纹网络充分发育,抑制了高功率(≥3 kW)照射产生的局部结构集中破坏。

基于多源信息表征的深部巷道围岩结构灾变演化机理

深部煤炭资源开采的强度和深度不断增加,深部巷道围岩的结构性失稳灾变问题日趋严峻、复杂,严重制约深部煤炭安全高效开采。鉴于深部巷道围岩结构变形失稳的渐进演化过程中释放多物理场响应信息,采用自主研制的深部地下工程结构变形失稳全过程模拟试验系统,配合声发射、并行电法、电磁辐射等监测系统,研究基于多源信息表征的深部巷道围岩结构灾变演化机理。开展了完整、层状和块状3种结构围岩的破坏性物理模型试验,利用声、电、磁多源信息演化规律对不同结构围岩的荷载-位移全过程进行了定量化评价和多源信息表征,从荷载-位移全程曲线、多源信息响应规律、围岩峰后损伤特性3个角度综合揭示了不同结构围岩的灾变演化及变形失稳机制。研究结果表明:(1)随着围岩完整性的降低,围岩由塑性破坏向脆性破坏转变,其变形破坏过程的波动性和渐进式破坏特征更加显著,层状和块状结构围岩的物理模型峰值承载能力相比于完整结构分别降低4.73%和20.73%;(2)与完整结构围岩的声、电、磁多源信息的连续性响应过程不同,层状和块状结构围岩呈现出阶段式响应规律且特征值更突出,尤其块状结构围岩的阶段跳跃性现象显著;(3)完整、层状和块状结构围岩的裂隙发育区面积依次为448.84、651.76和824.49 cm^(2),即随着围岩结构完整性的降低,裂隙发育区面积不断增大,在本研究中增大范围在1.5~1.9倍;(4)围岩的破坏失稳由完整结构的强度控制型向块状结构的结构控制型转变,而层状结构表现出强度-结构联合控制特征,围岩破坏失稳的结构效应越来越显著。

基于正态云模型的深埋地下工程岩爆烈度分级预测研究

岩爆是深埋地下工程开挖建设过程中常见的工程地质灾害,对其发生的可能性及其烈度分级预测一直是岩石地下工程的世界性难题。针对岩爆烈度评估过程中存在的模糊性和随机性问题,建立了基于德尔菲法和正态云的综合评判模型。在系统分析影响岩爆发生的相关因素的基础上,选取岩石单轴抗压强度与抗拉强度比σc/σt、切向应力与岩石单轴抗压强度比σθ/σc、岩石脆性指数Is和弹性变形能指数Wet构建评价指标体系,通过德尔菲科学方法确定其权重系数。基于云模型理论计算各评价因子隶属于岩爆级别的云数字特征,生成正态云滴,实现了岩爆烈度与评价指标值之间的不确定映射,保留了评估过程中的随机性。最后,利用国内外典型岩爆工程实例对所建模型进行检验,其判别结果与实际岩爆等级相符,且准确率高于功效系数法和集对分析理论,表明采用云模型对岩爆烈度进行预测是可行的、有效的。该模型具有较高的准确性和可靠性,能满足工程应用需要,在深埋地下工程岩爆预测中具有良好的工程应用前景。

不同盐水环境下页岩三轴力学及破坏特性试验研究

页岩是深部咸水层二氧化碳封存工程的理想盖层岩石,而不同盐水溶液和围压对盖层页岩力学行为有着较大影响,进而也影响深部咸水层二氧化碳封存工程的安全稳定。因此,对不同盐水溶液浸泡后页岩试样开展了常规三轴压缩试验,分析了其力学参数和破坏特性,结果表明,在不同围压下不同盐水溶液浸泡后页岩试样的峰值强度和弹性模量与干燥试样相比均呈现出不同程度的下降趋势,其中5%NaCl溶液浸泡后对页岩力学参数的劣化影响最为明显,其次是5%K2SO4溶液浸泡后。不同溶液浸泡后页岩试样的破坏模式表现出更多的次生裂纹,而且次生裂纹以沿层理方向为主。结合微观试验进一步分析试样破坏特性,发现盐水溶液浸泡后页岩宏观力学特性出现劣化的主要原因是盐水溶液通过层理面侵入页岩内部,溶解和侵蚀了层理面矿物。最后,结合岩石全应力-应变过程中能量演化规律对页岩试样进行了脆性评价,发现盐水溶液浸泡后页岩试样的脆性指标下降明显且对围压敏感。

灰岩单轴压缩实验室尺度效应研究

尺度效应广泛存在于缺陷材料中,尺度效应根源于材料的非均匀性。而目前尺度效应研究大都沿用混凝土材料强度负幂率尺度效应研究成果。通过细观结构分析发现,岩石材料和混凝土材料存在较大差别。以灰岩为试验材料,通过单轴压缩试验,获得岩石材料的单轴抗压强度与应力–应变曲线等试验数据,进而分析研究岩石材料的尺度效应及其影响因素,得到与混凝土材料不同的尺度效应规律。研究结果表明:灰岩材料内部的缺陷层次直接决定岩样的强度、变形破坏方式等力学性质;每种非均匀岩石材料都存在一个明显的特征尺度,它与岩石材料内部微缺陷的构造层次(微缺陷自身尺度大小及其相对于岩样尺度的大小)密切相关;岩石材料的尺度效应根源于材料的非均匀性,而并非试件与加载端头之间的端部摩擦效应所造成。

基于和分解有限变形力学理论的深部软岩巷道开挖大变形数值模拟分析

在深部软岩工程大变形力学分析中,存在2种几何非线性大变形力学理论:和分解有限变形力学理论和极分解有限变形力学理论。介绍自主开发的有限元应用程序"深部软岩工程大变形力学分析设计系统"中和分解增量分析计算模块,给出基于和分解有限变形力学理论的有限元计算方程,并参照Hoek-Brown关于地应力与深度的函数关系,应用该程序中的和分解增量分析计算模块,对某巷道在不同的埋深下进行开挖的巷道围岩大变形进行数值模拟。计算结果表明:巷道围岩顶底板移近量的最大值要远大于巷道两帮收缩量的最大值;顶底板移近量最大值、两帮最大收缩量与埋深均具有良好的线性关系;相对于两帮的收缩速率顶底板移近量的增大速率为大。

软岩巷道顶、帮、底全支全让O型控制力学模型及工程实践

软弱岩体的阶段性、持续性流变,导致软岩巷道围岩深度破坏和支护失效。软岩巷道顶、帮、底三者在围岩系统稳定过程中所起的作用不同,软岩巷道围岩稳定性控制应做到整体性和协调性支护。在分析巷道顶、帮、底相互作用效应基础上,针对软岩巷道强流变四周均表现出大变形的破坏特征,提出了全断面、全支全让O型封闭控制的支护原理。该原理强调,开挖初期就应对软岩巷道顶、帮、底全断面进行强力支护,同时全断面又适时让压,在高阻支护力作用下又能适当释放围岩应力,达到对软岩巷道的整体性和协调性控制。通过力学模型对软岩巷道围岩塑性区范围和表面位移与支护力的作用关系进行了分析计算,得出巷道围岩变形破坏与支护力呈负相关关系。工程实践表明,采用该支护原理有效控制了深部软岩巷道的大变形。研究成果对类似工程实践具有一定的参考借鉴价值。

不同应力路径下层理煤体力学特性试验研究

为探究不同应力路径下层理煤体力学特性和破坏特征,利用MTS816岩石力学试验系统对0°、30°、45°、60°和90°层理倾角煤样开展了常规三轴加载、增轴压卸围压和恒轴压卸围压应力路径下的力学试验,分析了应力路径和层理倾角对煤样强度、变形及破坏特征的影响规律。研究结果表明:(1)常规三轴加载条件下煤样在达到峰值强度前,应力-应变曲线呈近线性关系,达到峰值强度后,应力-应变曲线迅速跌落;增轴压卸围压条件下,随着卸荷比的增加,轴向应变增量比呈线性增加趋势,而环向应变增量比和体积应变增量比呈低速增长-急剧增长-平稳增长的三阶段变化特征;恒轴压卸围压条件下,轴向应变增量比、环向应变增量比和体积应变增量比均呈低速增长-急剧增长的两阶段变化特征。(2)随着层理倾角的增加,不同应力路径下煤样峰值强度和轴向峰值应变均呈先减小后增大的V型变化趋势,在0°时达到最大值,在60°时达到最小值。(3)随着卸荷比的增大,煤样变形模量先平缓后迅速劣化,泊松比先缓慢增加后呈指数形式增加,临界卸荷比随层理倾角的增大先增加后减小;当层理倾角相同时,增轴压卸围压条件下的临界卸荷比低于恒轴压卸围压。(4)常规三轴加载条件下煤样发生脆性剪切破坏,增轴压卸围压和恒轴压卸围压条件下煤样呈张拉-剪切混合破坏模式,当层理倾角为60°时,煤样主剪切破裂面角度与层理倾角几乎一致。

源自工程实践的材料力学创新实验教学探索

针对材料力学教学与工程实践脱节的问题,从瓦斯抽采护孔管选型工程实践中,提炼出PVC、PE、PPR管材无孔和有孔试件的轴向拉伸、压缩和扭转实验,可获得各种试件的基本力学性质,并与材料力学课程内容有机结合,从构件的强度和刚度出发,提出具体的工程建议方案。这种"工程—实验—理论—工程"一体化的教学方案,使学生对材料力学知识产生更深入的整体性理解和掌握,培养了学生分析和解决工程问题的能力。

深部岩体热力学效应及温控对策

随着开采深度的加大地温越来越高，高地温引起的深部岩体热力学效应引发许多深部矿山开采的次生灾害，有必要研究高温矿井相关的岩石力学问题。首先提出我国深部矿井地温场的3种模式即线性模式、非线性模式和异常模式；然后通过室内试验，研究温度对深部岩石强度和吸附气体逸出的影响，试验结果表明，随着温度的升高，煤岩强度和弹性模量显著降低，同时吸附瓦斯变为游离瓦斯而逸出，这是引起煤矿塌方和瓦斯灾害的重要内在原因；同时，在概述国内外温控技术基础上，提出以矿井涌水为冷源的HEMS降温原理及技术，形成3种典型温控模式及其设备系统。现场降温试验系统运行后效果良好，工作面温度控制在29℃以内，工作面温度降低5℃～12℃，相对湿度降低5％～15％；针对目前国内外矿井降温系统尚无有效性评价问题，提出矿井降温系统有效性评价的参数体系及方法。

深埋地下工程岩爆烈度分级预测的RS-功效系数模型

岩爆是深埋地下工程施工过程中常见的动力破坏现象,易造成重大经济损失和人员伤亡,对其进行有效预测预报一直是地下工程界迫切需要解决的难题。在系统分析影响岩爆发生的相关因素的基础上,选取切向应力与岩石单轴抗压强度比??/?c、岩石单轴抗压强度与抗拉强度比?c/?t、弹性变形能指数Wet和岩石脆性指数Is建立评价指标体系,并基于粗糙集理论,将各指标的权重问题转换为由现场实测数据来求解各指标属性重要性问题。然后,基于社会经济学中广泛应用的功效系数法,针对各指标对岩爆的影响特征,构建其功效函数,最终建立岩爆烈度分级预测的RS-功效系数模型,对岩爆发生可能性及其烈度进行预测预报。运用所建模型对国内外一些典型地下工程岩爆实例进行分析计算,并与集对分析模型、物元可拓模型评判结果对比分析。研究表明:RS-功效系数模型评价结果可靠、精度较高且现场可操作性强,具有良好的工程应用前景。

高应力水平下深部黏土力学特性微观分析

深部黏土在不同应力水平作用下会表现出不同的力学特性,已有试验结果表明高应力水平下正常固结饱和深部黏土的压缩指数和内摩擦角均小于中常压下相应值。为揭示深部黏土力学性质发生上述变化的内在机理,首先利用现有基于双电层理论推算高压黏土压缩曲线的计算方法对试验结果进行验证计算,发现其低估了深部黏土在高压下的压缩性,分析表明原有的两黏土薄片中点无量纲势函数与黏土薄片无量纲距离参数的对数假设关系存在不合理之处,利用新提出的假设以及相应的计算方法获得的预测计算结果能够很好地与试验结果相吻合。然后利用弹性黏着摩擦理论对内摩擦角随应力水平变化进行了计算分析,结果表明在0.2 MPa作用下土的摩擦系数是1.6 MPa相应值的2倍,与实测结果基本一致。

高温作用后砂岩-混凝土黏结界面拉伸力学特性研究

热灾害频发对地下工程的安全性提出了挑战,尤其围岩-衬砌黏结界面作为地应力传递的“纽带”,对支护结构的稳定至关重要。文章对不同界面粗糙度的砂岩-混凝土组合圆盘开展25~800℃高温处理后的劈裂试验,结合单一材料性能、界面黏结机理和组合圆盘的破裂演化过程,分析了粗糙程度、温度效应对界面拉伸强度和劈裂模式的影响。结果表明:组成围岩-衬砌结构的混凝土和砂岩的物理力学性能均随温度的升高出现一定程度的劣化,且前者受热损伤程度远大于后者。高温作用下,热裂隙并不局限于界面过渡区,而是主要汇集在砂岩和混凝土结构内部;同时,组合体的拉伸强度基本介于两种材料强度之间,说明岩-混凝土黏结界面未必是组合结构的薄弱面。存在以JRC=5.86的阈值粗糙度,砂岩-混凝土组合试样的拉伸强度以此为界先降低而后增强,这种强度变化趋势在25~400℃温度范围内相当显著(降幅介于49.11%~59.31%,增幅达56.13%~69.79%),而600℃和800℃加热后强度变化基本趋于平缓(降低24.09%~28.85%,无明显回升)。破裂演化过程表明,随着加热温度的提高,组合试样的劈裂模式由端部压剪破坏向中部拉伸破坏过渡;增大界面粗糙度使得界面从端部单点起裂向多点复合断裂转变。

采动岩体的力学行为研究与相关工程技术创新进展综述

简要回顾采动岩层结构破断与运动研究的发展过程,指出:采动岩层结构破断与运动不仅控制采场与回采巷道矿压显现,同时还控制采动岩层移动与地表沉陷以及控制采动岩体裂隙演化与渗流。随着对采动岩体特殊力学行为规律研究的深入,利用与控制这些特殊力学行为就形成系列的采矿工程技术创新,在此用工程图例的方式列出一组成果。重点综述在研究岩层移动与地表沉陷规律基础上开发出的综合机械化固体(废弃物)直接充填采煤技术和快速充填大断面沿空留巷技术;在研究采动岩体裂隙演化与渗流规律基础上开发出的煤与瓦斯共采技术和保水采煤技术,包括这4项创新技术的发展过程、最新进展和重要技术参数指标等。

盐水干湿循环后砂岩物理力学特性试验研究

四川地区降雨蒸发、库区水位涨落等因素严重影响该地区边坡工程的稳定性。以盐水(5%NaCl)为浸泡溶液对不同干湿循环次数(0,5,10,20次)作用后饱和砂岩开展三轴压缩试验,分析其物理力学参数劣化规律,进而揭示盐水和干湿循环共同作用对饱和砂岩的损伤机理。研究结果表明:随着干湿循环次数增加,砂岩质量先增加后降低,而渗透率先降低后增加,干湿循环5次为试样质量变化率和渗透率的阈值;干湿循环作用后试样的峰值强度、内摩擦角、黏聚力以及弹性模量均小于干燥砂岩,并且随循环次数增加,试样峰值强度、黏聚力逐渐降低,而内摩擦角表现为先减小后增加;试样弹性模量随围压增加呈不同变化趋势;干湿循环对砂岩破坏模式无明显影响,即单轴和三轴压缩下试样分别呈轴向劈裂和剪切破坏。在干湿循环过程中,砂岩内部矿物颗粒逐渐流失,造成内部孔隙增大,是诱发岩石产生损伤的根本原因。

夹层材料对软硬介质组合岩体动态力学特性的影响

为研究不同夹层材料下软硬介质组合岩体的动态力学性能及变形破坏特征,以砂岩和花岗岩为软硬岩基质,利用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)装置,并通过离散格子弹簧法(discrete lattice spring method,DLSM)数值模拟,探究了不同夹层材料下岩体裂纹扩展、夹层界面处的反、透射特性及岩体中能量分配特性。结果表明:不同夹层材料岩体的动态强度增长因子随着岩体动态抗压强度增大而增大,表现出明显的动态抗压强度依赖性。不同夹层材料岩体在加载初始阶段存在明显的非线性段,无夹层岩体砂岩内部闭合的孔隙及裂隙在应力开始作用阶段最久且非线性段最长。随着夹层材料强度的增大,夹层对岩体的裂纹扩展和发育的阻碍能力逐渐较弱,岩体产生裂纹和破坏需要消耗的能量逐渐降低。夹层岩体的破坏开始于夹层胶结面处,随着夹层材料强度的增大,软岩靠近胶结面一侧破坏逐渐加剧,硬岩无明显破坏。含夹层岩体具有很好的削波作用,随着夹层材料强度的降低,两端面应力峰值在逐渐降低,夹层岩体短时间内获得的能量吸收密度增大,稳定性降低,容易被破坏。