泥质砂岩动弹模阻尼及能量耗散特性试验研究

针对煤矿矿区受爆破地震波影响下泥质砂岩斜坡的稳定性问题,利用MTS 815试验机开展了波形为正弦波、频率1 Hz的岩石动三轴试验,对滞回圈应力—应变数据进行了准确分析,计算了泥质砂岩的动弹性模量及阻尼参数,以及在循环动力作用下单位体积能、单位弹性能、单位耗散能的演化规律。研究中发现耗散能与围压水平、动应力水平两者之间呈幂函数关系。对试验中出现的“突增或突减”现象进行了讨论和分析,初步归因于岩石具有蓄能的特性和动应力的“触发效应”、“累积效应”,并指出这与天然或爆破地震波能触发斜坡崩塌的机理是一致的。本试验旨在为受爆破地震波影响的泥质砂岩斜坡稳定性分析指明研究方向和提供基础性的研究指标。     

高应力区砂岩加卸载条件下能量变化规律及损伤分析

根据高应力区砂岩三轴压缩试验和峰前卸围压试验的结果,分析了砂岩在不同应力路径下的能量变化规律。试验结果表明,相同围压下,峰前卸围压试验的各能量指标(总吸收能、弹性应变能、耗散能)均小于三轴压缩试验,能量变化特征与其初始应力路径密切相关,且随围压的增大而增大。峰前储存的弹性应变能比耗散能多,耗散能只在临近峰值点处才迅速增加。能量的耗散会导致岩石产生损伤,并且使岩性劣化、丧失强度,从能量角度定义的损伤变量,可以得出结论:开始卸荷低围压下的损伤变量大于高围压下,临近破坏时高围压下的损伤变量大于低围压下;卸围压使岩样束缚减小,加速了损伤的发展,岩样所受的应力状态愈趋不平衡。因此,基于能量的角度来表征岩石的损伤演化更符合实际。     

不同循环加载条件下岩石阻尼比和阻尼系数研究

为了合理地描述岩石的阻尼行为,提出了考虑轴向和环向阻尼振动的岩石阻尼参数计算方法;通过动循环荷载、分级循环荷载和常幅循环荷载试验,对比分析了这3种不同应力路径下砂岩、砾岩及砂砾岩的阻尼特性,得到了阻尼参数对应力幅值、应变幅值的响应特性,揭示了常幅循环加载过程中阻尼比和阻尼系数随循环次数的演化规律;从熵守恒和能量守恒定律出发,建立了岩石阻尼比随循环次数演化的经验模型。结果表明:(1)动荷载下岩石的阻尼比与轴向应变幅值成线性递增,而阻尼系数恰好相反;分级循环荷载下岩石的阻尼参数都随应力幅值成线性递增。(2)疲劳破坏门槛值是岩石耗散能和阻尼比演化规律发生变化的分界点,在应力上限高于疲劳破坏门槛值时,耗散能、阻尼比及阻尼系数随循环次数都呈3阶段的变化规律,演化曲线呈半U型;在应力上限低于疲劳破坏门槛值时,呈现2阶段的发展规律,演化曲线呈L型;(3)通过砂岩的阻尼比试验,验证了所建模型能够描述砂岩在常幅循环荷载过程中阻尼行为。     

三峡库区泥质粉砂岩的SHPB试验及能量耗散特征研究

为了研究含水状态下泥质粉砂岩的动态力学性能,进行了不同冲击速度下的分离式霍普金森压杆动载试验,重点研究泥质粉砂岩动力冲击过程中的能量耗散特征。结果表明:加载速率及含水率的变化将对岩样破坏均产生较大的影响。含水率的变化对岩样能量耗散特征产生较大影响,冲击速率越高时,试件的应变率越高,含水率越大时,比能量值及破碎程度也越高,平均破碎块度d越小;含水率的变化是导致断裂韧度变化的重要影响因素,含水率增加将导致试件的断裂韧度降低,在相同的冲击荷载下更容易断裂成碎块。     

真三轴循环主应力作用下砂岩能量演化规律

为了探究真三轴主应力循环加卸载对砂岩能量积聚与耗散的影响,利用自主研发的真三轴扰动卸荷岩石测试系统进行了3个主应力循环加卸载试验。基于真三轴循环加卸载应力-应变演化规律与加卸载特征,划分了主应力循环加卸载试验中加载、卸载的种类;通过对三向主应力循环加卸载过后岩体表面裂纹对比分析,发现最小主应循环对岩体产生损伤最大,中间主应力次之,最大主应产生损伤最小;利用图形面积积分法与叠加法分别计算了真三轴循环加卸载的弹性能密度、耗散能密度与输入能密度,分析了三者随主应力次数增加的演化规律与加卸载过程中的能量分配;利用真三轴同时加卸载试验,验证了上述提出的能量分析方法的合理性与准确性,对其3个主应力方向卸载释放弹性能密度分析,发现循环加卸载产生的损伤对岩体储存弹性能密度影响较小。对比了3个主应力卸载对砂岩损伤与能量耗散的影响,对巷道掘进方向进行了进一步讨论。     

砂岩加卸载条件下能耗特征试验研究

采用MTS815刚性伺服试验机,对砂岩进行了单轴、三轴压缩和三轴峰后卸围压试验,对比研究了砂岩在加卸载试验条件下的能耗特征。结果表明,单轴压缩各能耗指标值均小于三轴压缩和三轴峰后卸围压,三轴峰后卸围压介于单轴与三轴压缩之间。三轴压缩和三轴峰后卸围压各能耗指标均具有明显的围压效应,随着围压的升高而线性增大。单轴压缩时砂岩表现为突发性的脆性破坏,初期储存的弹性应变能瞬间几乎全部转化为耗散能,成为岩样破坏时所表现出的一切现象的源动力;三轴压缩时砂岩表现为从局部破坏到整体失稳的渐进过程,耗散能所占吸收能量的比例越来越大,表现为明显的能量耗散,能量耗散发展到一定程度表现为明显的能量释放,随即岩石整体失稳破坏。     

循环加载时围压对岩石动力特性的影响

针对砂岩岩样,探讨了在不同围压作用下和轴向循环加载时岩样的动力力学性质,研究围压对砂岩岩样的动力力学性质的影响。采用的试验设备是MTS－815岩石和混凝土试验系统,5组围压分别为10、20、30、40、50 MPa。岩样为汶川地区的干砂岩,轴向荷载施加的频率为1 Hz。结果表明,（1）随着围压的逐渐增加,试样的残余轴向应变和体变逐渐增加,且剪胀发生时的残余体变也逐渐增加;（2）动力荷载作用时岩样在高围压比低围压下的初始刚度和强度高;（3）不同围压作用下,当应力比Rs较大时,岩样在较小的循环次数下发生破坏;（4）试样的破坏模式为剪切破坏,动力荷载作用下试样形成的局部化破坏带更宽。     

循环荷载作用下斜长花岗岩弹性模量演化规律

通过MTS815岩石力学试验机开展斜长花岗岩循环荷载试验,揭示循环次数、围压、含水率对斜长花岗岩弹性模量变化规律的影响,分析饱和与天然试样应力功、弹性应变能、耗散能随循环次数的演化规律。根据能量演化规律将岩石压缩变形破坏过程划分为4个阶段,研究各阶段切线模量与耗散能之间的关系。试验结果表明:（1）同一个应力水平切线模量随循环次数呈先增大后降低的趋势,其降低幅度随循环次数与应力水平增加而增大。（2）围压抑制了裂纹扩展,随围压增加切线模量弱化幅度减小。（3）饱和试样比天然试样切线模量弱化幅度大,说明水的存在加剧饱和试样内部结构损伤。（4）耗散能增加是引起切线模量弱化的内在因素,两者的变化规律呈现出很好的相关性。     

围压对黄砂岩疲劳破坏变形特性的影响

为研究三向应力状态下周期荷载对工程岩体长期稳定性的影响,对黄砂岩试样进行了不同围压的常规三轴压缩试验和周期轴向荷载疲劳试验,得到了黄砂岩疲劳破坏的轴向、环向及体积变形特性。试验结果表明:常规三轴轴向周期荷载作用下,黄砂岩疲劳破坏的轴向、环向以及体积变形受到静态应力-应变曲线变形量的控制;疲劳破坏轴向、环向的峰值变形和不可逆变形均符合三阶段倒S型曲线发展演化规律;围压对轴向变形发展规律有一定强化作用,对环向变形发展规律却有所抑制;在疲劳破坏变形过程中,峰值应变ε_(max)具有和不可逆应变ε~p相似的发展规律,弹性应变ε~e在3个阶段基本保持不变,不可逆应变增量Dep的变化规律能够反映3个阶段应变速率的发展演化规律;变形比强度更适合作为岩石疲劳破坏的依据,黄砂岩的疲劳破坏变形特性研究为建立岩石的疲劳破坏力学模型做了基础。     

三轴压缩条件下饱水岩石破坏后区荷载速率效应试验研究

采用三轴压缩交替荷载速率试验,对3种饱水岩石破坏后区荷载速率效应进行研究,探讨围压对破坏后区荷载速率效应的影响规律。研究结果表明,(1)岩石在峰值处的荷载速率效应系数n值随围压的升高而逐渐增大,表明岩石在峰值处的荷载速率效应随围压的升高逐渐减弱;(2)岩石在破坏后区也呈现明显的荷载速率效应,且随着围压的升高,田下凝灰岩和荻野凝灰岩在破坏后区的荷载速率效应变得越来越明显,而井口砂岩在破坏后区的荷载速率效应则逐渐减弱;(3)运用4种荷载速率效应系数对破坏后区应力-应变曲线进行修正,其与高荷载速率对应的破坏后区应力-应变曲线重合性均较好,表明4种荷载速率效应系数均能用于量化分析岩石破坏后区荷载速率效应,但基于岩石卸载模量求取的nd最适合用于对岩石破坏后区荷载速率效应进行量化分析。     

分级循环荷载下岩石动力学行为试验研究

利用WDT-1500多功能材料试验机,对砂岩、砾岩和砂砾岩进行了分级循环荷载试验,研究了岩石的动弹性模量对应力幅值和应力水平的响应特性,得到了动弹性模量和耗散能随应力幅值、应力水平及含水率的变化规律。试验结果表明,分级循环荷载下岩石的能量耗散越多,动弹性模量越小;应力水平越高,动弹性模量和耗散能越大;含水率和应力幅值越大,动弹性模量越小,耗散能越大。讨论了邓肯-张模型能够描述分级循环荷载作用下岩石的应力-应变关系,构建了动弹性模量随应力水平、应力幅值及含水率变化的演化模型,探讨了模型参数的确定方法。根据能量耗散的经验法则,建立了耗散能演化模型,结果表明,该模型能够描述分级循环荷载过程中能量耗散行为。     

不同含水率作用下砂岩的能量机制研究

水对岩石具有软化、溶蚀和水楔作用,为研究不同含水率作用下岩石的能量机制,利用MTS815岩石力学试验系统开展了5种含水率状态下砂岩的常规三轴压缩试验。结果表明：随含水率的增大,岩石吸收总能量的增速和总量减少;弹性能增速在储能阶段随含水率的增加而减小,但弹性能的释放速率则大致相当,岩石的储能极限随含水率的增大而减小;岩石变形破坏所耗散量随含水率的增加而较小,但不同含水率作用下岩石的峰前和峰后能量耗散速率则大致相当;岩石的耗散能比例可以反应内部的损伤状态,耗散能比例随时间变化呈现出先增大后减小,然后再稳定增长,最后急剧变大的规律;随着含水率的增大,声发射能率的集中程度和强度逐渐减小,声发射累计能量随含水率的增大而减小,表明随着含水率的增加,岩石的储能能力和应变能释放能力降低,岩石的脆性破坏特征减弱,塑性增强。     

加载速率对砂岩抗拉强度的影响机制

为研究加载速率对砂岩抗拉强度的影响效应及影响机制,设计开展5种加载速率的劈裂试验,综合分析抗拉强度、破坏特征、能量参数和劈裂面微观形貌变化规律及相关性。结果表明,(1) 随着加载速率增大,砂岩劈裂抗拉强度逐渐增大,总体呈现先陡后缓的趋势,加载速率在0.01～0.10 kN/s范围内时抗拉强度增长迅速,0.10～1.00 kN/s范围内时抗拉强度增长趋势渐缓;(2) 随着加载速率的增大,岩样吸收的总能量增大,弹性应变能占总能量的比值逐渐增大,耗散能占总能量的比值逐渐减小,加载至破坏时裂纹扩展形成宏观劈裂面的时间呈数量级减小,达到峰值应力时弹性应变能的释放,导致岩样破坏的突发性增强,使得劈裂面形貌特征在宏观和微观上逐渐变得复杂,对应抗拉强度逐渐增大;(3) 在岩石劈裂试验过程中加载速率、能量参数、劈裂面形貌特征与抗拉强度密切相关,加载速率影响加载过程中能量的总量与分配,能量参数的变化直接影响岩样的破坏过程及劈裂面的形貌特征,最后宏观上表现为抗拉强度的差异。文中相关分析方法和思路可为类似试验提供较好的参考。     

深部锚固节理岩体蠕变-疲劳破坏能量演化规律分析

为探究深部岩体在爆破、开挖等扰动荷载下的力学特性,开展锚固岩体在蠕变-疲劳荷载下的室内试验,并进一步探究其能量演化规律。结果表明：（1）在疲劳荷载作用下,加锚节理岩体比无锚条件下的滞回环面积小,在施加预应力时,其滞回环面积又大幅度减少,说明加锚预应力能有效降低其能量损耗;（2）岩石强度越高,其滞回环面积越小,对应的能量耗散越小,反之能量耗散大;（3）对比不同加卸载速率可知：在每一级循环荷载过程中,加卸载速率越大其对应的应变值、切线斜率就越大。考虑加卸载速率对节理岩体劣化作用,依据应变等价原理,得出节理岩体峰值损伤本构方程,并通过试验验证模型的准确性,为深部岩体结构支护提供思路。     

北山花岗岩能量演化规律及破坏倾向指标研究

为深入研究北山高放废物地质处置预选区内花岗岩在不同加卸载路径条件下的能量演化规律,针对北山花岗岩圆形柱试样开展了不同初始围压和不同加卸载条件下的室内三轴试验,对试验数据进行处理对比分析,并建立了一种新型的岩石破坏能量倾向性指标。研究结果表明：岩石临界破坏时的总应变能、弹性应变能和耗散应变能均随着初始围压的增大而增大;岩石损伤破坏过程中的声发射特征参数与耗散能间具有较强的相关性;卸荷条件下岩石破坏模式分为内部损伤破坏和轴向应变破坏;在不同卸荷试验条件下岩石破坏能量倾向性指标均先增加后减小,在相同试验条件下,弹性应变能转化为耗散能效率越高,能量倾向性指标则越小,岩石破坏程度则越高。     

不同卸围压速率下煤样卸荷破坏能量演化特征

岩体破坏实际上是在能量驱动下的一种状态失稳现象,其变形破坏过程中的能量演化规律能够反映岩体变形破坏的本质特征。为探求煤样破坏过程中能量的演化规律,对其进行了常规三轴及不同卸围压速率的三轴卸围压试验。试验结果表明:不同试验路径下,煤样在峰值应力前以能量的存储及耗散为主,在峰值应力后以能量的释放及耗散为主;煤样在较高的卸围压速率下,卸荷段经历时间较短,内部裂纹扩展及环向变形不充分,耗散能和克服围压做功耗能都较小,大量的能量在破裂时释放出来,破裂更加剧烈;同时,卸围压速率越快,煤样在破裂前后损伤量增加速率越快,损伤曲线急剧增高,因此,高应力煤岩体在开挖卸荷时,在岩体开挖施工速度较快时,极易引起大量积聚能量的突然释放,造成严重的灾害。     

云冈石窟砂岩循环冻融试验研究

风化是云冈石窟目前所面临的严重的地质病害之一,温度和水分的变化是造成石窟岩体风化的重要原因,尤其是在循环冻融条件下岩体更易风化,因此,利用室内试验研究循环冻融条件下云冈石窟砂岩的物理力学性质,对于石窟岩体的稳定性评价和保护具有重要的意义。将取自云冈石窟的砂岩岩样分为饱水组、干燥组和对比组3组,通过对饱水组和干燥组岩样进行35次循环冻融试验,模拟云冈石窟砂岩的风化过程。在冻融循环开始前以及每5次冻融循环结束后,量测岩样的质量、体积,并利用超声检测分析仪对各岩样进行超声纵波测试;利用INSTRON－1346岩石伺服试验机对上述3组砂岩岩样进行单轴压缩试验,并对试验后的岩样进行SEM微观结构分析。通过试验研究,得到不同含水状态下云冈石窟砂岩岩样的冻融破坏特征以及不同循环冻融次数后岩样体积、质量、超声波纵波波速、砂岩的单轴应力-应变全过程曲线、抗压强度、抗冻系数以及微观结构的变化,分析归纳出循环冻融条件下云冈石窟砂岩的主要物理力学特性。     

干湿循环作用下单裂隙炭质页岩能量演化与破坏特征研究

为研究干湿循环作用下裂隙炭质页岩能量演化及破坏特征,分别制作完整和裂隙倾角为30°、45°和60°的炭质页岩,利用MTS815岩石力学试验系统进行不同干湿循环作用下的三轴压缩试验,研究了干湿循环对单裂隙炭质页岩强度、破坏模式及能量演化的影响。结果表明:起裂应力、损伤应力和峰值应力处弹性能和耗散能与干湿循环呈指数函数关系;起裂应力处弹性能、耗散能和损伤应力处耗散能对干湿循环的敏感程度较低,损伤应力处弹性能和峰值应力处弹性能、耗散能对干湿循环的敏感程度较高。炭质页岩破坏模式受控于干湿循环和裂隙倾角,干湿循环为主控因素,裂隙倾角为次控因素;裂隙倾角为30°的干燥岩样为拉剪破坏,裂隙倾角为45°和60°的干燥岩样为剪切破坏;随着干湿循环次数的增加,宏观主裂纹长度增大,次要裂纹增加,破坏模式整体上向剪拉破坏发展。随着干湿循环次数的增加,起裂应力处储能水平K_ci和损伤应力处储能水平K_cd逐渐增大,起裂和损伤应力处储能水平越高,岩石起裂和损伤更容易;K_cd可作为岩石破坏的预警指标,K_cd越大,岩石越易发生破坏。     

含水状态下弱风化泥质粉砂岩冲击破碎的分形规律研究

水对岩石的物理力学性质影响较大,研究不同含水状态下岩石受冲击荷载后破碎物的分形规律具有较强的现实意义。借助于分离式霍普金森杆（SHPB）实验装置,开展不同含水状态的泥质粉砂岩的冲击试验,然后对破碎物的块度分布进行深入分析,并基于尺寸-频率分析方法,重点对破碎物颗粒粒径分布的分形规律进行探讨。结果表明,随着加载速率的提高,泥质粉砂岩冲击破碎物单块体积普遍减小,残留碎块的数量越多,破碎的程度也越高,此时分形维数越小;含水率越大,小颗粒比例越大,岩样破碎程度越高,饱水状态岩样的分形维数较其他两种状态大,天然含水状态和自然吸水状态岩样冲击破碎的分形维数较为接近;当冲击速度较大时其将成为影响分形维数的主要因素,含水率的影响相对较小。     

轴压和围压对循环冲击下砂岩能量耗散的影响

利用动静组合加载试验装置,对具有不同轴压和围压的砂岩进行循环冲击试验,研究循环冲击过程中砂岩单位体积吸收能的变化特性、单位体积吸收能与平均应变率的关系以及轴压和围压对循环冲击作用下岩石能量耗散的影响。围压分别设置为4、8、10、12 MPa等4个系列,轴向静载荷分别设置为49、84、105、125 MPa等4个系列,入射杆上的入射波峰值大小近似相等,入射能大小为230 J。研究结果表明,砂岩单位体积吸收能随循环冲击次数的增加而增加。平均应变率和单位体积吸收能具有良好的正线性关系,围压从低到高增加过程中,二者间拟合直线的斜率K随轴压增加的变化关系为“增加-基本不变-减小”。当轴压较小时,K随围压的增加先增加后降低,轴压越小K由上升到下降转折点处的围压越大;当轴压增加到125 MPa时,K随围压的增加始终降低。研究结果为具有不同地应力条件下工程岩体爆破设计提供理论依据。