矸石胶结充填体损伤演化规律及裂纹扩展特征

为研究巷柱式残采区不同承载能力煤柱旁矸石胶结充填体(GCPB)在单一荷载作用下的损伤演化规律,通过监测单轴压缩(UCS)过程中声发射响应特征、充填体前后超声波波速变化及采用扫描电镜(SEM)观测试样加载后的损伤裂纹断口微观形貌,研究了损伤裂纹由微观到宏观的能量演化规律及裂纹扩展机制。结果表明：胶结充填体强度随PC掺量的增大而增大,完整试样的波速均大于破坏后的波速;压密阶段的声发射事件率可作为判定充填体密实胶结的依据,建立了基于声发射事件数的损伤变量D和基于事件点的空间单键群架构,损伤变量D和单键群架构子集尺度Ω呈现明显的负相关;通过对比分析,主裂纹损伤阈值能量随PC掺量的增大而增大,分别为35,50,60,150 ms·mV,GCPB试件由脆性破坏向延性破坏转变;GCPB裂纹演化主要由3种不同的裂纹形核引起。以上可为充填体在矿井充填设计中提供依据。     

单轴压缩下不同养护龄期尾砂胶结充填体损伤特性及能量耗散分析

为了研究养护龄期对尾砂胶结充填体损伤特性及能量耗散的影响,在RMT-150C岩石力学试验系统上对不同养护龄期下尾砂胶结充填体进行单轴压缩试验。研究结果表明:养护龄期的延长能够有效阻碍试件裂纹的萌生与扩展,抑制试件内部能量的扩散,使线弹性变形阶段能够延伸到更高的水平,从而提高了充填体抗压强度;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养护龄期呈指数函数曲线关系;充填体峰前和峰后的能量耗散速率与养护龄期具有良好的指数正相关性,充填体的峰后能量耗散速率显著大于峰前能量耗散速率,说明峰前损伤较慢,而峰后则快速损伤破裂,耗散能曲线突然变陡意味着充填体开始破坏;在养护早期,充填体的峰前能耗量和总能耗量随轴向应变增大其增幅较低,总能耗与轴向应变呈指数函数曲线关系;充填体的峰值应力损伤与养护龄期具有良好的指数正相关性;单轴加载下充填体受压破坏的能量损伤演化机制可划分为初始损伤、损伤稳定发展、损伤加速及损伤破坏4个阶段。     

煤体受载损伤过程能量演化规律与破坏特征试验

为研究煤体动力灾害孕育发展过程的破坏特征及其前兆信息,通过单轴压缩试验,分析了煤体受载破坏过程中的能量演化规律,对煤体失稳破坏的前兆特征进行了判识。结果表明：煤体受载破坏过程呈显著的非线性演化特征,能够判识煤体失稳破坏的临界点、失稳点与破坏点信息;煤体受载损伤不同阶段能量演化特征差异显著,进入弹性阶段后,输入能快速增加,弹性能占比呈升高趋势,耗散能变化较大,煤体失稳破坏时耗弹比呈“阶跃”式突变特征,其值从30迅速增至90;定义并计算了能量耗散率与能量释放率,该指标在煤体破坏的临界点、失稳点与破坏点同样出现了异常响应特征,破坏点处最为显著,G_d/G_e的值由20突增至100以上。受载煤体失稳破坏本质上是外界能量输入与驱动的结果,煤体能量指标能够更好地揭示试样损伤破坏过程的非线性演化特征,精细地捕捉煤体失稳破坏的前兆信息。     

连续级配胶结充填体力学特性及声发射特征

基于程潮铁矿尾砂胶结充填背景,配制7组不同Talbol指数n的连续级配胶结充填体试样,开展了单轴压缩胶结充填体声发射(AE)监测试验,获取了胶结充填体强度及声发射特征参数.研究结果表明:连续级配胶结充填体的强度随n的增大呈震荡上升,达到最大值后骤然下降,当n=0.5时,连续级配胶结充填体强度最优,连续级配胶结充填体试样破坏后表壁以主裂纹为主,主裂纹发育完整,属于单一裂纹贯穿破坏,当n≠0.5时,主裂纹沿扩展方向发生偏转,属于裂纹绕行扩展破坏;当n=0.5时,声发射能率与累积能量均呈现出明显与全应力应变曲线对应的阶段性变化特征,当n≠0.5时,声发射能率呈现周期性间断峰值变化规律,累积能量表现为明显的阶梯性变化特征.     

热损伤大理岩波动特征及声发射特性试验研究

对常温至800℃热作用后大理岩波动特征及单轴压缩过程中的声发射特性和损伤演化进行研究，结果表明：高温后大理岩体积变大，质量与密度减小，600℃是质量与密度变化的阈值温度；随温度升高，峰值应力和弹性模量先增大后减小，峰值应变单调增加，纵波与横波波速呈线性下降，频谱面积、主频幅值和振幅下降，但下降速率逐渐减小；声发射振铃计数与应力-应变曲线有较好的对应关系，能够反映大理岩不同阶段的损伤演化规律；高温使大理岩由突发性破坏向渐进性破坏发展，破坏模式由剪切破坏向劈裂破坏转变.     

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.     

不同应变率下的盐岩损伤声发射时空演化

利用RMT-150B岩石力学多功能系统和声发射监测系统,对不同应变率下盐岩损伤的声发射时空演化规律进行试验,同时分析不同加载应变率对盐岩单轴压缩过程的极限强度和变形的影响.研究表明:盐岩在2种不同应变率下的损伤声发射时空演化趋势大致相同,压密和弹性阶段都经历很短时间;弹性阶段定位点数量呈线性增长,塑性阶段初期定位点快速增加,塑性阶段中后期,定位点增加速度逐步减小;在破坏阶段,应力虽然降低,但仍有相当数量定位点出现.应变率对盐岩的损伤有较大影响,应变率越大,定位点数量越少;应变率越小,定位点数量越大.应变率对单轴压缩盐岩的极限强度影响不大,对变形影响较大,盐岩塑性变形在低加载应变率时较大,在高加载应变率时较小;在峰值强度前后,加载应变率越小,塑性变形特征越明显.     

不同高径比石膏试样破坏特性及其能量耗散

采用RMT-150B岩石力学试验机,对七种不同高径比的石膏试样进行了单轴压缩试验,分析其力学特性及其破坏特征.根据单轴压缩力学试验结果,利用能量耗散理论,分析其能量耗散特性.研究结果表明:随轴压应力的增加,石膏试样内部微裂隙先闭合,而后在其尖端产生了新裂隙;新裂隙随轴压应力的增加而逐渐地扩展、贯通、形成破裂面,最终发生剪切滑移破坏;石膏试样的体积应变随轴压应力的增大,经历了先压缩后增加,最后急剧膨胀,表现出明显的非线性变形;石膏试样的峰值应力、弹性模量随高径比的减小而增大;轴向应变和横向应变随高径比的减小而减小;变形模量与高径比之间的关系不明确,不能用其表征石膏试样的变形特性;高径比越大的石膏试样受压后容易发生剪切破坏,破坏时吸收的能量增量越快,属于脆性破坏,而高径比越小的石膏试样则发生压酥破坏,属于塑性破坏.     

SHPB试验中花岗岩破坏程度与能量耗散关系分析

为了研究花岗岩的应变率效应及其能量耗散与破坏程度之间的关系,利用分离式Hopkinson压杆装置(SHPB)对直径为74 mm的花岗岩试样进行了不同应变率下的单轴冲击压缩试验.试验结果表明,花岗岩动态压缩强度具有很明显的应变率效应;随着应变率的增大,单位体积耗散能增加,且近似呈线性关系,同时应变率也随着能量耗散率的增加而增大,但它们之间表现为非线性关系;花岗岩试样破坏程度与单位体积耗散能存在很好的一致关系,基本一一对应,而与应变率之间并不存在一一对应关系.且试样破坏程度和应变率之间并不存在一一对应关系,与强度随着应变率的增大而增大并不矛盾.     

不同高比灰岩-煤组合体变形破坏特征实验研究

为探究不同岩煤(高度)比的灰岩-煤组合体试样变形破坏特征,首先,对5组组合体试样进行了单轴压缩试验;其次,基于声发射系统和XTDIC三维全场应变测量系统,采集了加载全程试样声发射信号及其表面应变信息;最后,从变形场演化、回弹变形、能量耗散和声发射特征等方面,定量揭示了组合体试样的变形破坏特征。研究结果表明：随着岩煤高比增大,组合体试样单轴压缩强度和弹性模量均呈增大趋势,其破坏均发生在煤样内,由张拉破坏向拉-剪混合破坏转变,塑性破坏增强;变形局部化带首先出现在煤样原生裂纹区域,且随着裂纹的起裂、扩展而发生交汇,进而诱发煤样破坏;同时,煤样破坏导致灰岩回弹变形,随着岩煤高比增大,灰岩回弹变形量由0.042 mm递减至0.008 mm,回弹变形率由0.210%递减至0.010%,回弹变形量和回弹变形率整体呈递减趋势。随着岩煤高比增大,组合体试样峰前弹性能密度占比由98.56%递增至99.86%,外界能量转化为弹性能的能力增大,峰后弹性能转化为峰后释放能和剩余弹性能的能力增大,破坏后宏观裂纹增多且动力显现程度增大。组合体试样声发射能量率信号具有明显的时效特征,分为波动、静寂、活跃和骤增4个阶段...     

尾砂胶结充填体损伤软-硬化本构模型

针对灰砂比分别为1∶4,1∶8和1∶10的尾砂胶结充填体进行了力学试验,得出了其在单轴压缩条件下的物理力学特性。根据统计损伤理论,在材料微元强度服从Weibull分布规律的基础上,引入有效损伤率参数来表征损伤材料的承载能力,建立尾砂胶结充填体在单轴压缩条件下的损伤软-硬化本构模型。经对比验算,尾砂胶结充填体损伤软-硬化模型与实验结果相吻合。该模型在体现尾砂胶结充填体损伤随机性、应变软化过程的同时,反映了尾砂胶结充填体峰后应变硬化过程及规律,为充填体强度设计提供了依据。     

单轴压缩声发射试验的页岩损伤演化规律

为获得受载页岩准确的损伤演化规律和声发射特征,完善以往受载岩石损伤单调增大的理论,进一步扩展对受载岩石内部损伤演化机理的认识,对陆相页岩进行单轴压缩声发射试验。试验结果表明:页岩单轴压缩过程分为4个阶段:压密阶段-弹性变形阶段-弹塑性变形阶段-峰后破坏阶段,压密阶段、弹性变形阶段和弹塑性变形前期有少量声发射信号,页岩峰值应力前后有大量声发射信号,特别是峰后破坏阶段,声发射信号急剧上升,声发射探头能够捕捉岩石的压密、裂纹的扩展和连通信息,声发射信号能够反映页岩内部微细观损伤演化过程;页岩平行层理面方向和垂直层理面方向的岩石损伤演化和声发射特征差别较大,因此对于层理性岩石不能忽略层理对岩石力学性质的影响;页岩压密阶段内部的微孔洞、微裂隙、宏观裂缝、层理被压实,损伤减小,页岩弹性模量不降反增,应力-应变曲线呈下凹型,首次提出受载岩石损伤先减小后增大,建立了更加合理的基于声发射特征的页岩单轴压缩损伤本构模型。     

高温养护条件下早龄期煤矸石混凝土单轴压缩声发射特性试验研究

为研究一种煤矸石充填混凝土在高温养护条件下早龄期的力学性能,对该煤矸石混凝土在高温50℃下分别养护1 d、3 d、7 d进行单轴压缩试验。采集单轴压缩全过程中的力学参数和声发射参数;并与常温20℃养护的情况进行对比。研究了该煤矸石混凝土在不同加载阶段的声发射特性。研究表明:高温(50℃)养护条件有利于煤矸石混凝土早期强度的提高,而且这种煤矸石混凝土的早期强度满足设计要求。在单轴压缩过程中,煤矸石混凝土声发射振铃计数的峰值出现在应力峰值的附近;这一现象可以作为煤矸石混凝土破坏失稳的预兆。声发射累计振铃计数和累计能量计数随时间变化趋势一致,声发射累计参量从缓慢增长到快速增长的现象可作为预测煤矸石混凝土加速损伤,临近失稳破坏的前兆信息。与常温养护条件相比,高温养护条件下的煤矸石混凝土声发射活动更强,利用声发射可以更有效地监测高温情况下煤矸石混凝土的破坏。     

岩石类材料损伤局部化分叉

为获得弹塑性变形时破坏失稳的损伤效应,假定岩石类材料各向同性损伤,将损伤变量与加卸载函数引入不连续分叉方法,考虑损伤时的刚度退化和体积扩容,推导出材料损伤失稳时的最大硬化模量和局部化方向角及其与损伤程度和初始泊松比的关系,在平面应力与应变条件下对单轴拉伸压缩试件的分叉失稳进行对比分析.结果表明:局部化方向角与最大硬化模量依赖于材料的初始泊松比与损伤程度;平面应力或应变时,拉伸与压缩得到的局部化方位角之和为90°,最大硬化模量可分为平面应力与应变条件两种,与单轴拉伸或压缩条件无关.     

单轴压缩荷载下红砂岩破裂失稳损伤演化特征

为了揭示受载岩体的损伤孕育模式和破坏前兆特征,文中研究了轴向压缩荷载下红砂岩的损伤演化规律,分析了试样临界加速失稳阶段AE响应特征和破裂类型特征。研究表明：轴向压缩荷载下红砂岩主要发生脆断破坏,其破坏孕育过程分为稳定变形阶段和临界加速失稳破坏阶段。在临界加速失稳破坏阶段,AE事件率存在典型的相对平静期破坏前兆;基于试样损伤演化速率差异定义了第一损伤点,基于试样宏观破坏差异和AE事件率特征定义了第二损伤点,可以用于区分和评价岩石的损伤破坏状态;轴向压缩荷载下红砂岩的损伤演化模式符合指数型函数特征,存在临界加速失稳现象;在临界加速损伤阶段,试样内部的张拉破裂和剪切破裂会显著增长。     

不同厚度充填体—围岩组合体力学性质及损伤本构

为探究充填体厚度变化对充填体-围岩组合体力学性能的影响规律,开展了5种不同厚度充填体-围岩组合体试件单轴压缩试验,结合数字散斑技术对试件破坏模式的变化进行分析,建立考虑峰后应变软化阶段的分段式损伤本构模型对全过程应力-应变关系进行描述。分析结果表明,充填体厚度变化对组合试件力学性能与破坏模式影响显著。随着充填体厚度由0 mm增加至100 mm,试件峰值强度由94.6 MPa呈指数关系下降至10.1 MPa,峰值应变由0.30下降至0.06,弹性模量呈先下降后上升变化趋势;利用数字散斑技术分析发现,随着充填体厚度增加,破坏模式逐渐由脆性剪切破坏过渡为拉剪复合破坏,最终发展为由充填体内部发生“X”形剪切破坏而引起的拉伸劈裂破坏;通过改变分段式损伤本构模型的分布参数与修正系数,可较好地表征不同充填体厚度试件的全过程应力-应变曲线,验证结果表明模型适用性较好;充填体厚度越大,由充填体存在而引起的试样初始损伤越大,达到峰值应变时,损伤变量D未达到1,试件延性破坏特征越明显,破坏后残余强度越高。     

不同煤岩组合体力学特性的数值模拟研究

为研究不同煤岩组合体力学特性和声发射特征,利用RFPA2D数值模拟软件,对不同围压和不同组合倾角条件下的泥岩煤组合体,粉砂岩煤组合体及石灰岩煤组合体进行了模拟。结果表明,单轴压缩时不同煤岩组合体应力应变曲线相似,其峰值强度均接近煤体的单轴抗压强度;煤岩体强度随着组合体间倾角的增大而减小,煤岩体中岩体的强度越高,煤岩体越早出现强度的迅速衰减;煤岩组合体的内摩擦角随着组合体倾角的增大而减小,而内聚力随着倾角增大先增大后减小;随着围压的升高,煤岩组合体的声发射振铃计数最大值经历了一个先减后增的过程,组合体中岩石强度越高,声发射最大振铃计数值越高。     

类岩石材料压缩破坏力学特性及裂纹演化特征

为探究含预制裂隙类岩石材料压缩破坏的力学特性及裂纹演化特征,利用自主研发的YYW-Ⅱ应变控制式无侧限压缩仪及高精度声发射(AE)监测系统,研究了含不同宽度预制裂隙的类岩石材料试样在单轴压缩条件下的受力变形和破坏模式,探究了试样的裂纹演化过程,进而分析了预制裂隙宽度对类岩石材料破坏的影响规律。结果表明:预制裂隙宽度由3 mm增大到5mm时,试样的峰值强度减小,峰值轴向应变增大,压密阶段的应变量亦增大;试样的破坏模式由自身材料性质为主导的剪切破坏,转变为预制裂隙下半部区域张拉破坏诱发的剪切破坏;试样主要裂纹演化由沿预制裂隙面向顶部和下部的发展,转变为预制裂隙下半部区域发育裂纹向上部和底部的扩展。研究成果可为岩土工程相似材料模型破坏特征及裂隙演化的研究提供一定的参考。     

低温钢纤维混凝土破坏过程的数值模拟

通过实验测试了钢纤维混凝土在低温下的力学性能,发现其抗拉和抗压强度随温度降低逐渐升高.运用RMT-150B型岩石力学试验系统对钢纤维混凝土圆柱型试样进行了单轴压缩分析,发现低温下钢纤维混凝土应力应变曲线可分为弹性阶段,裂缝稳态扩展阶段,裂缝失稳扩展阶段和破坏阶段.将混凝土看成是细观上的各向异性非均匀准脆性材料, 运用RFPA2D数值分析软件对钢纤维混凝土单轴压缩全过程进行了数值模拟,模拟得到的承载力随温度降低逐渐增大,均质度好的试件声发射较为集中,声发射能量随温度降低不断提高,体现了低温下钢纤维混凝土的脆性特征.     

水平层理棱柱形灰岩抗压强度尺寸效应

为研究得到棱柱形含水平层理岩石试样与标准圆柱形岩石试样在单轴压缩试验下物理力学性质变化规律及破坏形态之差别,制备9组不同高径比棱柱形灰岩试样进行室内单轴压缩试验,并基于灰色理论GM(1,1)模型对试验数据进行拟合。研究表明:水平层理棱柱形岩石试样破坏过程与圆柱形岩石试样破坏过程基本相同但破坏形式存在差异;当高径比小于2∶1时抗压强度、弹性模量随高径比的减小而减小,泊松比、峰值应变随高径比的减小而增大,破坏形式从简单的对顶锥型劈裂发展到对顶锥型劈裂+沿层面拉裂破坏;相反高径比大于2∶1时抗压强度、峰值应变随高径比的增大而显著减小,而弹性模量、泊松比减小微弱且破坏形式主要为贯通试样的劈裂破坏;研究结果可为非标准形试样及岩石加筋材料工程试验抗压强度换算提供依据。