单轴压缩试验端面摩擦效应及损伤演化规律研究

单轴压缩试验的端面摩擦效应对试样的变形破坏特征有较大影响。运用块体离散元软件UDEC,基于库仑滑移准则,开展了不同端面摩擦因数下的单轴压缩数值试验,研究了不同岩性和不同高宽比试样的损伤演化规律,从应力应变关系、裂缝扩展及应力分布等角度探究了端面摩擦效应的机理。结果表明:①端面摩擦效应会抑制微观裂缝的萌生与扩展,使脆性试样的破坏形式由劈裂向剪切或拉-剪共同破坏转变,使砂岩的强度明显增大,对煤和泥岩的强度影响较小;②端面摩擦对试样强度与破坏特征的影响存在阈值,50 mm×100 mm的标准煤、泥岩、砂岩试样的端面摩擦因数阈值分别为0.2,0.2,0.5;③端面摩擦引起的“裂缝三角形抑制区”与应力局部集中带是不同高度试样强度存在尺寸效应的主要原因。建议在进行室内单轴压缩试验时,采取减摩措施来规避端面摩擦效应。

基于3D打印和数字散斑技术的节理岩体锚固效应分析

为研究锚杆对节理岩体的锚固力学效应,基于3D打印技术制作了以矿用锚杆为原型的缩尺锚杆和含预制节理面的制样模具,进而制备了2组不同角度的节理锚固试样,并采用数字散斑(DIC)方法监测了试样在单轴压缩试验过程中表面位移及应变场的变化,对比分析了不同节理角度锚固岩体的变形与强度特性和锚固力学效应。试验结果表明:节理角度对岩体强度和变形特性具有显著影响,节理的存在会降低岩体的承载能力,节理角度为15°和60°岩体的强度分别为不含节理完整岩体的34%和19%,节理岩体的应力应变曲线表现出显著的多峰性。当节理角度为15°时,试样破坏模式以压缩劈裂为主,试样整体承载力受块体自身强度影响较大,锚杆的加固作用不显著;当节理角度为60°时,试样破坏模式则以剪切破坏为主,锚杆的加固作用明显,此时锚杆除了杆体的黏结及抗剪作用外,还借助装配在锚杆两侧的托盘给锚固试样提供一定的侧向约束,从而维持结构的整体承载性能。DIC方法形象直观地再现了锚固节理岩体加载全过程中裂隙发展和剪切滑移的全过程,当节理角度为15°时,Exx和Eyy应变场呈现与试样表面裂隙高度吻合的应变集中区域,节理面两侧的应变集中则不显著;而当节理角度增大至60°后,Exx和Eyy应变场在节理面两侧区域高度集中,呈现出3色剪切带,验证了节理面角度对试样发生剪切行为起着重要的控制作用,角度越大试块剪切运动越明显,研究结果可为节理岩体锚杆加固机理的相关研究提供参考。

基于金属粉末的3D打印煤巷锚杆基本力学性能与应用研究

通过三维扫描仪获取了煤巷锚杆的数字模型,采用3种不同的金属粉末(铝合金、不锈钢、模具钢)作为打印材料,以选择性激光熔化(SLM)3D打印技术制作了左旋无纵筋锚杆,并进行了拉伸测试,扫描电子显微镜(SEM)测试和金相测试,最后探讨了3D打印锚杆的初步应用.结果表明:所制作的锚杆在表面细节上与原型锚杆高度相似;相较于原型锚杆,模具钢粉末成型锚杆具有更高的强度,不锈钢粉末成型锚杆在强度和变形方面最接近于原型锚杆,铝合金粉末成型锚杆则表现出了相对较低的强度.通过SEM断口分析发现模具钢粉末成型锚杆的微观结构相对致密,金属粉末熔化效果良好,故其强度较高;铝合金粉末成型锚杆的微观结构气孔密布,结构松散,金属粉末熔化不全,故其强度较低;不锈钢粉末成型锚杆虽有气孔也有未融化金属粉末,但较铝合金粉末成型锚杆而言要少很多.热处理后的不锈钢粉末成型锚杆在延伸率和强化阶段方面进一步改善,且微观组织更为致密,进一步金相分析表明金属粉末3D打印成型锚杆具有"鳞片"状金属组织结构.