循环加、卸载速率对砂岩变形和渗透特性的影响

通过煤岩热流固耦合试验系统(THM-2)对砂岩进行循环加、卸载试验,研究加、卸载速率对其变形和渗透特性的影响.结果表明:初始循环时,岩石的轴向变形量△ε1较大,随着循环试验的进行,△ε1趋于稳定,受卸载速率v2的影响较小.加载变形模量和卸载变形模量均逐渐上升,随着循环次数的增加,上升速度逐渐变缓;同一循环内,卸载变形模量大于加载变形模量,且随着加、卸载的进行,差值逐渐减小.加载阶段和卸载阶段渗透率变化量的差值随着循环次数的增加逐渐减小;从第5次循环开始,渗透率曲线呈“∞”形,渗透率演化规律可以用轴向应变的变化特点表征,轴向应变的变化量△εi1受到卸载速率vi2和应力加载上限σimax的综合作用,二者对应变在卸载初期起到积极的促进作用,三者之间的相互关系可用幂函数表达.     

不同加载速率下胶结充填体损伤特性与 能量耗散特征分析

针对矿体回采所导致的充填体破坏可近似看作不同加载速率下的加载过程,在实验室开展了5种加载速率下的胶结充填体单轴压缩试验,在得到充填体应力-应变曲线的基础上,根据能量耗散原理及损伤力学,计算了不同加载速率下的充填体能耗值并构建了相应的损伤演化方程,研究了不同加载速率下胶结充填体的能量耗散与轴向压缩时间、应变间的内在关系,探讨了胶结充填体受压破坏的能量损伤演化过程.研究结果表明,不同于高强度的岩石,胶结充填体存在临界加载速率现象,当加载速率超过临界值后,充填体强度随加载速率增加而降低;充填体的峰前能耗量、峰后能耗量、单位体积应变能及总能耗量与加载速率呈二次函数曲线关系;充填体的总能耗量随轴向压缩时间、轴向应变的增大呈现Logistic函数形式增长规律,但加载速率的不同使得能耗值增长速率及充填体达到相同轴向变形所需能耗量存在明显差异;不同加载速率下充填体的压缩破坏均属同一类损伤过程,充填体受压破坏的能量损伤演化过程可划分为初始损伤、损伤稳定发展、损伤加速及损伤破坏4个阶段.     

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.     

分级循环荷载下泥岩和砂岩的阻尼特性试验研究

为研究岩石在不同应力水平循环荷载作用下轴向与径向变形的应力应变滞后关系及径向阻尼比与轴向阻尼比的关系,在MTS815岩石力学试验系统上对饱和泥岩与饱和砂岩进行变幅分级循环荷载试验。研究结果表明:同一岩石在循环荷载作用下的径向滞回环与轴向滞回环形状保持一致;对于砂岩,在加载时应变相位超前于应力相位,在卸载时应变相位滞后于应力相位,由此导致滞回环加卸载段都呈下凸状;对于泥岩,在加载时应变相位同步或滞后于应力相位,在卸载时应变相位滞后于应力相位。应力幅值不变时,随着循环次数的增加,阻尼比趋向于稳定,应力幅值越大,阻尼比越大。泥岩的阻尼比大于砂岩的阻尼比,泥岩和砂岩的径向阻尼比都大于轴向阻尼比,且在循环加载的初始阶段,泥岩和砂岩的径向阻尼比增长速率较快。随着径向应变与轴向应变比的增大,径向阻尼比与轴向阻尼比的比值逐渐减小,两者之间的关系为线性关系。     

石膏试样分级加载流变力学特性试验及应用

采用SAW-2000微机控制电液伺服岩石力学试验机,对自然和水饱和石膏试样开展了分级加载流变力学试验.根据流变力学试验结果,采用FLAC3D(fast lagrangian analysis of continua 3 dimension)模拟了水饱和石膏矿采空区顶板和地表沉降的蠕变规律.研究结果表明:自然和水饱和石膏试样的轴向应变和横向应变的大小取决于分级加载应力水平,且随分级加载应力水平的提高而逐渐增大;水饱和石膏试样的长期强度为其自然的长期强度的55%;自然和水饱和石膏试样的横向应变增量与轴向应变增量的比值随加载应力水平的提高而增加;石膏试样的流变力学特性曲线符合粘弹性流变特征,属于蠕变韧性破坏;石膏矿在淹井或闭坑后的半年至一年期间,是矿柱加速蠕变阶段且伴随矿柱的损伤演化直至破坏,是引发地表沉降的活跃期.     

一维静载及循环冲击共同作用下矽卡岩力学特性试验研究

利用改进的基于SHPB装置的岩石动静组合加载试验系统,对取自冬瓜山铜矿井下900 m深处的矽卡岩岩样进行一维静载及循环冲击共同作用下的加载试验。研究结果表明:在一维静载与循环冲击共同作用下,岩石具有疲劳损伤特性;预加载轴压不同,变形特征也不同,岩石应力-应变曲线呈现回弹、不回弹2种特性;随着循环冲击数增加,动态峰值应力及定义的动态变形模量减小,动态峰值应变却增大;累计冲击数与轴压呈一元二阶多项式关系;同时还表明"岩爆"的发生是动力扰动诱发岩石内部弹性能突然释放的结果;预加轴压影响岩石出现拉伸破坏或剪切破坏的效果,也影响岩石破坏块度及在动态扰动情况下发生的"岩爆"概率。     

循环应力对储气库岩石微观结构及力学性质影响数值模拟

针对储气库循环注采过程中循环应力对储气库岩石产生疲劳损伤的问题。利用颗粒离散元法建立岩心真三轴数值模型,根据岩心室内试验标定数值模型参数,然后对数值模型进行多周期等幅值轴向循环应力加载,研究循环应力对储气库岩石微观结构及力学性质的影响。结果表明:循环应力加载过程中,模型内生成的无黏结接触数量和微裂缝数量逐渐增多,而生成位置受原始裂缝控制明显,模型孔隙度逐渐减小,且模型内无黏结接触数量、微裂缝数量和孔隙度的变化速率均呈递减趋势;相同应力水平下模型侧向应变和轴向应变均增大,但侧向应变占主导地位;模型弹性模量逐渐降低,而模型泊松比和损伤量逐渐增加,且模型弹性模量、泊松比和损伤量的变化速率均呈递减趋势。     

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.     

基于晶体塑性不均匀变形分析的Q235钢疲劳寿命规律预测

结合试验和有限元多晶晶体塑性计算模拟,研究循环载荷下Q235钢非均质性和不均匀变形对疲劳的影响,探讨疲劳寿命预测方法。完成Q235钢材料试样一系列对称循环下的低周疲劳试验,采用反映细观随机生成多晶结构的VORONOI多晶"代表性单元"(RVE)模型进行材料疲劳循环模拟。材料循环塑性特性用晶体塑性模型来描述,通过数值模拟对循环加载中材料晶粒尺度不均匀局部应变(最大主应变和轴向应变)的计算和统计分析,得到以下结果:应变统计标准差随循环不断增长,并存在极限;不同应变幅循环下对应的极限值相近;用该极限值作评判材料疲劳破坏的指标参量,借助多晶RVE晶体塑性循环模拟,可预测材料应变疲劳寿命曲线(现有方法必须通过系列试验才能获得);无论按BCC或FCC晶体晶格进行计算,对材料疲劳寿命规律的预测结果基本相同。     

循环荷载下岩石塑性应变演化模型

为了准确评估岩石工程在周期性荷载作用下的长期稳定性和安全性,对岩石的循环疲劳塑性应变理论进行了研究。将岩石在循环荷载下的疲劳损伤变量方程,引入累积塑性应变方程中,通过积分变换,推导出高周和低周疲劳循环条件下岩石轴向塑性应变的演化方程;将塑性应变发展理论模型与前人疲劳试验结果进行了比较。结果表明,该模型较好地反映了岩石的轴向塑性应变演化规律,可直接用于疲劳荷载作用下岩石工程作用机理数值分析中。