加轴压卸围压条件下岩石的力学特性与能量特征

利用MTS815型压力试验机进行加轴压卸围压路径下花岗岩常规三轴卸载试验,研究加轴压卸围压路径下岩石的应力-应变全过程曲线、力学性质及能量特征。采用剪胀角描述岩石的扩容特性。研究结果表明:在卸围压过程中,侧向应变与围压先呈线性关系后呈非线性关系,且其增长速率明显大于轴向应变增长速率,表现出明显的侧向扩容;变形模量随围压卸载而逐渐减小,且随着初始围压的增大而逐渐增大;泊松比随围压卸载而不断增大,同一时刻点的轴向应变增量变化量度略大于侧向应变增量变化量;剪胀角随着初始围压增大而减小;基于能量原理获得岩石应变能随着围压的卸载呈逐渐增大的规律。     

单轴循环加卸载作用下红砂岩变形损伤及能量演化

利用RYL-600型微机控制剪切流变仪对红砂岩试件开展低频率单轴循环加卸载试验,研究该条件下红砂岩的疲劳变形、损伤特性及能量演化规律.研究结果表明:1)该红砂岩应力上限疲劳破坏门槛值在75%～85%之间,且疲劳寿命随应力上限增加而急剧减少.2)低频单轴循环加卸载条件下红砂岩轴向变形呈现3个阶段,开始阶段应变量较小但增速很大,稳定阶段应变逐步缓慢增长,破坏阶段应变量和应变增速都快速增大;3个阶段中滞回环密集度呈现出典型的疏—密—疏特征,单个滞回环形状表现出"胖—瘦—胖"的发展规律,且其面积随应力上限增加而增大.3)损伤发展过程呈现起始阶段、稳定扩展阶段和加速破坏阶段的3阶段特征;应力上限越高,损伤发展越快;3个阶段中,循环次数占据疲劳寿命最小部分的加速破坏阶段产生绝大部分的损伤增量.4)弹性能随循环次数增加先增大后保持稳定,但临近破坏时因材料弹性减弱而减小;耗散能在循环开始时较大,然后随循环次数增加先减小而后趋于稳定,临近破坏时又急剧增大至近4倍,岩石破坏伴随耗散能的急剧增大.5)岩石内部应力调整反映在滞回环演化中,滞回环面积越大,单次塑性变形越大,损伤程度越高,能量耗散越严重.     

致密砂岩循环加载试验及能量演化分析

为研究复杂应力路径下致密砂岩的力学行为,采用多功能岩石三轴测试系统开展围压为5 MPa、15 MPa和20 MPa的三轴循环加卸载试验并进行能量演化分析。试验结果表明:砂岩的抗压强度随着围压增加而增大,围压5 MPa、15 MPa、20 MPa下的体积最大压缩点对应的轴向偏应力分别为80.68 MPa、120.72 MPa、152.12 MPa;加卸载过程中会有部分外荷载做功转化成内能和其他形式能量,因而应力-应变曲线形成滞回环,并且随着应力的增加滞回效应逐渐明显;砂岩以剪切破坏形式为主,同时产生轴向和侧向倾斜裂纹。能量演化分析表明:岩石的破坏是弹性能积累到峰值突然释放的结果;岩样破坏前的峰值弹性能会随围压线性增加,围压对峰值弹性能的影响显著。     

循环加卸载下饱和岩石变形破坏的损伤与能量分析

以中关铁矿深部饱水闪长岩单轴循环加卸载的室内力学试验结果为基础,结合线弹性损伤力学理论,针对饱和岩石在单轴循环加卸载作用下的变形、损伤及能耗特性进行了研究.结果表明:每一级加载与卸载过程的应力-应变曲线均呈内凹形,随着循环次数及应力水平的增加,塑性滞回曲线向应变增大的方向移动,且应变中不可恢复的变形逐渐减小;轴向应变、横向应变和体应变的绝对损伤参数与累积损伤参数均随循环次数及应力水平的增大而增大,且三者的变化趋势基本一致;能量耗散值与循环的次数近似呈线性关系,后一循环的能耗不等于前几次循环能耗之和.     

高温后花岗岩循环加卸载力学行为数值模拟

高放核废料处置库在开挖和使用过中围岩不断承受周期荷载,进而影响了高放核废料处置库的安全稳定。基于此,本文使用数值模拟方法研究了高温作用后花岗岩循环加卸载力学行为,在得到一组可以反映高温作用后花岗岩三轴压缩力学行为细观参数的基础上,分析了温度及围压对循环加卸载应力-应变曲线、弹性模量和破裂过程的影响。研究结果表明,常温下循环加卸载应力-应变曲线与单调加载吻合较好,循环加卸载造成宏观裂纹两侧晶粒脱落;600°C高温处理后,单轴循环加、卸载过程都会对应微裂纹增加,导致应力-应变曲线偏离较多。而高围压限制了卸载过程微裂纹数目增加及Felicity效应,循环加卸载峰值强度与单调加载差距明显减小,但循环加卸载会造成宏观裂纹两侧出现晶粒压碎现象。弹性模量随循环次数变化主要分为峰前阶段、峰后破裂阶段及残余强度阶段。600°C处理后试样内存在大量热裂纹,弹性模量峰前阶段会存在明显上升阶段,且对围压更加敏感。     

循环加卸载下砂岩能量演化特性分析与损伤表征

为探究饱和及干燥砂岩在加卸载过程中的能量演化与耗散特征,以西部砂岩为研究对象,开展常温下饱和及干燥砂岩单轴循环加卸载试验,通过能量法分析不同状态下砂岩弹性模量、泊松比、能量密度与循环次数之间的关系。结果表明：干燥及饱和砂岩在加载阶段和卸载阶段的弹性模量、泊松比均随加载次数的增大而增大,在相同卸载次数下干燥砂岩的弹性模量、泊松比均大于饱和砂岩;干燥及饱和砂岩的能量储存率随着循环次数先增大后减小,耗散比则相反,由于浸水软化饱和砂岩的能量密度拐点略迟于干燥砂岩;通过累计耗散能变量定义干燥及饱和砂岩的损伤特征,其损伤变量D值与循环次数变化规律相类似均呈下凹曲线。     

围压及孔隙水压对饱水砂岩能耗特征的影响

为研究含孔隙水压下岩石承载变形过程中的能量演化特征,基于有效应力原理推导出含孔隙水压下岩石承载变形过程中的能量计算公式.分析了围压和孔隙水压对岩石承载变形过程中能耗特征的影响,讨论了岩石输入能密度、弹性能密度和耗散能密度在扩容起始点和峰值点的差异,从能量耗散的角度解释了岩石扩容起始应力作为岩石长期强度参数的合理性.研究表明:岩样在扩容起始点和峰值点的输入能密度和弹性能密度与围压呈正线性关系,与孔隙水压呈负线性关系.岩样承载过程中的cd-c阶段的耗散能密度随围压的增大而增大,而孔隙水压的增大则导致该阶段耗散能密度的减小,其有效地弱化了岩石材料内部颗粒间的摩擦效应.此外,孔隙水压能量输入密度随岩样的体积应变变化,在高孔隙水压条件下,相同应力水平的各类能量输入密度的绝对值随孔隙水压的增大而增大.     

高应力循环加卸载下不同张开度裂隙类岩体变形损伤及能量演化

为研究高应力循环加卸载作用下不同张开度对裂隙类岩体应力-应变曲线特征、滞回环面积和动弹性模量变化规律以及裂隙类岩体损伤特性的影响。基于RMT-150B岩石力学试验机开展了不同张开度和裂隙倾角下裂隙类岩体高应力循环加卸载试验,获得高应力循环加卸载作用下裂隙类岩体力学性能。结果表明:高应力循环加卸载对类岩体峰值强度有“弱化”作用,“弱化”程度约为11%;以0.4 mm张开度为界限,小于0.4 mm的裂隙岩体滞回环面积随裂隙倾角增大呈先增大后减小规律,动弹性模量随裂隙倾角增大先减小后增大,大于0.4 mm时,滞回环面积和动弹性模量随裂隙倾角增大均呈递减趋势,且张开度增大,张拉裂纹萌生概率随之增加;绝对损伤参数随循环次数增加而增大,45°裂隙倾角涨幅最为显著。     

循环加卸载下岩样变形与强度特征试验

基于在伺服试验机上对不同晶粒大理岩样进行单轴循环加卸载试验,研究了岩石的变形与强度特征.结果表明,岩石材料具有明显的记忆性,岩样循环加卸载过程的外包络线与单调加载的全程应力-应变曲线相吻合,加卸载路径不能完全重复,应力与应变之间不存在一一对应关系,岩样的线性变形并不意味着弹性变形;循环加卸载对岩石力学参数的影响不是很大,其偏差在正常离散范围以内;整个循环加卸载过程中,岩样的杨氏模量及能耗并非常数;弹性阶段加卸载的平均杨氏模量基本一致,能够表征岩石材料的变形特性,且在弹性阶段能耗较少,而在裂隙压密、屈服和破坏阶段耗能较多;软弱岩样在加卸载过程中需要消耗更多的能量.     

基于三轴压缩数值试验的岩石损伤特性

为研究岩石的损伤特性,基于连续损伤力学理论和岩石微元强度服从Weibull分布函数,利用FLAC3D有限差分数值模拟软件,在围压分别为3,6,10 MPa的情况下,对岩石进行了不同变形参数(E和μ)和强度参数(c和φ)的常规三轴压缩数值试验研究。数值试验结果表明,(1)在加载初期,岩石出现负损伤(压密强化效应),随着轴向应力的增大,割线模量减小,泊松比增大;(2)黏聚力或内摩擦角或围压越大,岩石抗压强度越高,岩石变形过程中的塑性变形阶段越长;(3)损伤起点对应的轴向应变不随强度参数(c和φ)的变化而变化,但随计算初始弹性模量的增大而减小,随围压的增大而增大;(4)泊松比对岩石力学特性和损伤特性影响甚少,可忽略不计。     

循环荷载作用下绿泥石千枚岩弹性模量演化规律试验研究

对取自四川西北部典型的绿泥石千枚岩进行常规单轴压缩试验和循环加卸载试验,分析不同加载速率下的强度特征,研究循环加卸载条件下千枚岩弹性模量的演化规律。研究结果表明:千枚岩峰值强度表现出明显的速率依赖性,即峰值强度随加载速率的增加而增大;循环加卸载时,峰值强度表现出明显的"弱化"特征;随着循环次数增加,裂纹损伤强度阈值呈现先增大后降低的变化规律,这种变化不受加载速率的影响;千枚岩弹性模量的变化规律与加卸载路径的变化规律一致,呈现出有规律的"波浪形";单个滞回环内切线弹性模量随应力水平增加呈现出先增大后减小的趋势;在同一应力水平下,切线模量随循环次数增加呈现出增大—平缓—降低的变化规律。     

岩石在不同应力条件下的本构模型与损伤演化

目的建立反映岩石破裂过程的本构关系,解决由于其天然的复杂形态和赋存条件的多样性而导致的复杂破坏特性问题.方法借助连续损伤理论和Weibull统计分布函数,针对岩石不同应力条件下的变形特征分别建立本构模型,并通过引入损伤因子导出损伤演化方程.结果岩石在受到单轴应力以及三轴应力时所得到的本构方程在原理上是一致的,区别在于在受到三轴应力时需考虑围压的影响.随着轴向应变的增大,岩石要经历微型隙压密阶段、弹性变形阶段、塑性屈服阶段和破坏阶段.在三轴应力试验中,随着围压的增大,上述阶段会变得缓慢.结论岩石的应力应变曲线实质上是以裂纹为主的变形破坏过程,是损伤变量趋于1的发展历程.围压增大抑制了岩石中微裂纹的扩张,说明围压会改变岩石的受力状态,宏观上表现为岩石平均强度的增大.经参考试验结果验证,所建立的模型合理可行.     

声震法提高煤储层渗透率的实验与机理

为了提高低渗透煤层的渗透率,采用自制的可控声震法煤层气渗流实验系统,实验研究了不加声场和加声场作用下煤样的渗透特性。实验研究得出:当轴向应力和孔隙压力一定时,随围压的增大煤样的渗透率减小;当围压和孔隙压力一定时,在煤样应力应变曲线的初始压密和弹性阶段,渗透率随轴向应力增大而减小。在应变硬化阶段,因试件体积膨胀渗透率随轴向应力增大而增大;在相同轴向应力、围压、孔隙压力条件下,声场作用能提高煤样的渗透率,且渗透率随作用时间的增长而增加。研究结果表明:渗透率与平均有效应力呈负指数关系,声震法提高煤储层渗透率的机理主要源于声波的机械振动和热效应,研究成果为低渗透煤层提高煤层气抽采率探索出一条新的技术和方法。     

不同应力路径下含瓦斯煤的声发射特性与能量演化规律

为了研究含瓦斯煤在不同扰动作用下的声发射特性和能量演化规律,利用多场煤与瓦斯突出过程宏细观试验系统,开展6种应力路径下的含瓦斯煤轴向加卸载试验,分析应力路径对含瓦斯煤声发射特性和变形特性的影响,并得到含瓦斯煤在循环加卸载过程中的能量演化特征及储能规律。研究结果表明：含瓦斯煤在吸附过程中的振铃计数随吸附时间增长而减少,根据出气口压力变化趋势将吸附过程分为3个阶段,分别为外扩散阶段、内扩散阶段和吸附饱和阶段;含瓦斯煤在加卸载过程中的振铃计数主要分布在应力上升区段,出现了明显的Kaiser效应,累计振铃计数在循环加卸载路径下呈“阶梯”形增长,且随着循环次数增加和应力路径延长而增大;含瓦斯煤在不同循环加卸载路径下的能量演化规律具有一致性,各能量密度均随着轴向应力增加而呈现二次函数型增长,并经历了减速增长、线性增长和加速增长的3个阶段;同时,弹性能密度和总输入能密度之间存在线性关系,储能系数为定值且均在50%以上。     

高温遇水冷却岩石循环加卸载力学性能试验研究

为研究高温遇水冷却后不同岩性岩石在循环加卸载条件下的物理特性和力学响应特征的变化规律,对高温遇水冷却后的花岗岩、大理岩及绿砂岩试件分别开展了单轴压缩和循环加卸载试验. 结果表明,当加热温度超过400 °C后,三类岩石的体积增长率显著增加,400 °C可以作为三类岩石物理参数发生突变的阈值温度.总体上,三类热处理水冷却岩石的单轴抗压强度随温度的升高而降低,但花岗岩在200 °C温度处理后峰值强度比常温时有所增加. 在循环荷载作用下,花岗岩滞回曲线接近于线性,上限应力较高且不可逆变形小;而绿砂岩和大理岩的上限应力低于花岗岩且变形较大.相同温度热冲击下滞回环宽度大小顺序为绿砂岩>大理岩>花岗岩.随循环次数的增加,三类高温遇水冷却岩样的塑性变形减小,弹性模量增大,试件强度较单轴压缩均有提高;随温度升高,破坏面裂纹更为发育,破裂岩屑更为细碎.      

加卸载下原煤力学特性及渗透演化规律

基于自主研发的煤岩热流固耦合试验系统,在考虑实际开采方式的条件下,进行轴压升高和围压降低的加卸载试验,分析研究不同加卸载速率下原煤的力学特性和渗透演化规律.结果表明:加卸载过程中,轴向应力的加载速率越大,峰值应力附近的曲线平台越长,峰值应力、轴向应变和环向应变也越大,体应变则越小.不同加卸载速率比下含瓦斯煤变形模量均先迅速减小后缓慢减小,到破坏时再迅速降低,而后逐渐保持稳定趋势;在相同轴向应变时,加卸载速率比越小,煤样的变形模量越大.加卸载过程中,煤样的偏应力、渗透率与应变的关系可分为三个阶段:初始压密与弹性阶段、屈服破坏阶段和破坏后阶段.加卸载速率比越小,煤样达到峰值应力时,含瓦斯煤的渗透率和体积变形越大.     

不同分级循环加卸载模式下六边形蜂窝能量演化规律

为了阐明循环加卸载路径对六边形蜂窝能量演化的影响规律,设计了3种不同分级循环加卸载试验,揭示了不同分级循环加卸载模式下外界输入总能量、弹性变形能、耗散能、塑性变形能等参数的演化特征及相互关系,研究结果表明：不同分级循环加卸载作用下,蜂窝的初始峰值强度和平台应力与卸载过程蜂窝弹性能的释放程度有关;3种不同分级循环加卸载模式下外界输入总能量、蜂窝的弹性变形能和塑性变形能随着加卸载梯级增大呈现非线性增加的趋势,耗散能在前三级循环作用下随着加载次数增加而减小,在最后一级循环中循环载荷上限较大,扰动效应强于强化效应,耗散能呈现相反趋势;提升循环载荷上限,蜂窝内部损伤增加,且越接近蜂窝初始峰值强度,蜂窝的损伤越严重;同时提升循环载荷下限,蜂窝弹性能释放较少,损伤加剧。     

不同卸荷路径下大理岩破坏过程能量演化规律

为寻找破坏过程中能量的实时演化规律,对大理岩进行不同路径的加、卸载试验,探讨岩体轴向能量、实际吸收的总能量随应变的演化规律。研究结果表明:在不同应力路径下,岩样轴向能量随应变的增加而呈非线性增大,初期能量增长速率较小,随后速率慢慢增大,在达到岩样临界破坏点时,出现1个速率的拐点,随后增长速率趋于稳定;在不同应力路径下,岩样破坏的轴向能量-应变曲线与总能量-应变曲线都存在1个速率突然变化的拐点,轴向能量的拐点出现在对应应力-应变曲线的破坏处,而总能量的拐点出现在对应峰值处。围压的变化没有改变不同路径下岩样的轴向能量-应变曲线的形式,但在不同围压下,加轴压、卸围压路径的总能量-应变曲线呈现不同的形式。卸围压速率没有改变轴向能量与总能量曲线的形式,只是改变曲线在不同阶段的变化速率。围压的增大,不同路径下岩样的轴向能量与总能量差增大,而卸荷速率的影响正好相反。     

恒轴压卸围压条件下粉砂岩应力应变特征与能量演化

为了获得高陡山区地下工程顶部粉砂岩在开挖后的应力应变和能量演化特征,开展了不同围压下粉砂岩恒轴压卸围压三轴试验,分析其应力应变、应变能转化以及能量耗散特征。结果表明,恒轴压卸围压条件下,围压越高,试样围压卸载率越低,且试样破坏越快、变形越大。不同围压下能量转化特征曲线趋势基本一致,与应力应变曲线有较好的相关性。围压恒定轴压升高阶段,除围压产生的应变能密度基本恒定外,其他能量演化曲线具有呈指数升高的特征;主要表现为原生孔隙压密,能量转化率较低。轴压恒定围压卸载至试样破坏阶段,轴向应力与能量曲线两者突变点基本对应;产生较大程度宏观破裂,能量转化率较高。试样破坏后围压恒定和继续施加轴向应变阶段,低围压能量释放更强,试样破坏更为碎裂。能量耗散具有总体上先升高后降低再陡增的特征,围压越低,试样破坏时应变越小、能量耗散比越大,试样破坏更加碎裂;围压越高,对试样能量耗散抑制作用越强,有利于弹性应变聚集,更容易产生岩爆现象。     

循环荷载作用下砂岩孔隙度与渗透率的关系研究

在致密岩石惰性气体渗透率测试系统上进行砂岩的多次循环加卸载试验,研究循环荷载下孔隙度与渗透率之间的变化规律.结果表明:在围压的作用下,砂岩岩心受到侧向荷载的挤压,颗粒之间互相挤压错动,部分微裂隙和孔洞在荷载作用下发生闭合,使得砂岩内部缺陷减少,微观结构得到优化,因此岩心的孔隙度与渗透率均随围压的增大而减小,且在围压初次加卸载过程中孔隙度与渗透率随围压的变化几乎是同步的;在围压循环加卸载过程中,砂岩的孔隙度与渗透率之间呈幂函数关系变化.