不同角度层理煤样的力学特征与其波速关联性分析

煤样中层理等较大尺度裂隙的分布对其力学性质影响显著。为明晰不同层理角度煤样各项物理力学参量间相互关系,首先按照不同层理角度分组加工煤样试件,然后测试完整煤样波速,并利用MTS815型岩石伺服刚性试验系统完成单轴实验,获得煤样各项力学参量,分析不同层理角度煤样各物理量间关联性。研究表明,煤体力学和声学特征各向异性突出:水平层理煤样强度约为其他2组煤样2倍,斜交层理煤样弹性模量及变形模量小于其他2组且离散性最大;随层理与煤样轴线夹角增大波速呈降低趋势,超声波在竖直层理煤样中传播最快,离散性也最高。对于同一层理角度煤样,强度、弹性模量及变形模量等力学参数与波速具有良好线性相关性,表明可以利用超声无损探测技术反演煤岩力学参数。     

煤层冲击倾向性评价的新指标体系

基于煤岩微元强度的韦伯分布假设和连续介质损伤力学理论,建立单轴压缩下考虑残余强度的损伤统计本构模型,修正了动态损伤应变计算式,结合损伤因子、损伤速率和损伤加速度研究了煤样的损伤演化规律和煤层冲击倾向性的评价指标,并利用最小二乘法对实验数据进行反演得到反映实验曲线的本构方程,且验证了其正确性。结果表明:考虑残余强度的损伤统计本构模型能较好地反映煤岩峰值强度后的应力-应变曲线的变化趋势和残余强度特征点,并可得到损伤速率的最大值;修正后的动态损伤应变在间接表征冲击倾向性实验的动态破坏时间时可不再受加载方式的限制;提出的盈余能指数变化率指标可综合衡量盈余能、峰后破坏过程损耗的应变能、动态破坏时间的变化情况,衡量煤层冲击倾向性;以最大损伤速率、修正后的动态损伤应变和盈余能指数变化率构成的指标体系可作为评价煤层冲击倾向性的新方法。     

煤岩组合体破坏过程RFPA~(2D)数值模拟

为研究不同组合条件下煤岩组合体的力学特性及破坏过程,使用RFPA~(2D)软件,采用位移加载方式,对不同倾角、围压下的煤岩组合体进行数值模拟,研究单轴和三轴条件下不同煤岩组合体的破坏机制,分析了围压、倾角对煤岩组合体强度的影响.研究表明:单轴压缩时煤岩组合体的强度接近煤体的单轴破坏强度.三轴压缩时煤岩组合体的强度随着倾角的增大先缓慢降低后迅速降低.围压越大组合体强度越高,但强度提高值随着围压的增大降低.煤岩组合体的内摩擦角随着倾角的增大减小,内聚力随着倾角的增大均先增大后减小.组合体单轴压缩破裂情况基本相同,破坏基元主要分布于煤体中,三轴压缩时组合体的破裂出现了3种情况.     

煤岩非线性损伤试验及理论模型

为了研究煤岩材料的损伤演化过程,分别对煤和砂岩试样进行了轴向应变控制、定常环向应变控制、不同围压下的单轴压缩和三轴压缩试验研究,观察煤岩的实验损伤演化过程;对试验数据进行分析,结合煤样的变形损伤特征,基于损伤力学和热力学基本原理,推导并建立了煤岩非线性损伤演化方程和煤岩试样非线性损伤本构方程.通过试验结果验证了煤岩材料的非线性损伤理论的合理性,同时也丰富了煤岩损伤理论体系.     

煤岩模拟材料的力学特性

为探究煤岩抗压强度随材料配比变化的关系,满足实验模拟煤壁强度特性的要求,基于不同配比的煤岩试样,开展单轴加载实验.分析不同材料配比下煤岩的强度特征、变形特征及劈裂形态,研究并确定煤岩抗压强度与煤岩材料配比的定量关系.结果表明：在实验研究范围内,随着煤粉与水泥配比的增大,煤岩抗压强度呈指数关系减小,其拟合关系式为σc=92.124e-1.0969ξ.根据煤岩材料不同配比下的强度大小,结合其煤岩坚固性系数关系,可以判别煤岩体类型,为实验模拟煤壁强度特性提供依据.     

考虑加载速率的级配碎石三轴压缩强度特性

利用三轴试验进行碎石基层的力学性能研究,探讨加载速率对碎石基层静力学性质的影响,分析不同加载速率对级配碎石弹性模量、峰值强度及残余强度的影响,建立加载速率与弹性模量、峰值强度及残余强度之间的定量关系描述方程。研究结果表明:级配碎石的弹性模量、峰值强度以及残余强度均随加载速率的增大而增大;函数11bE=a v能够较好地描述弹性模量E与加载速率v之间的关系;峰值强度、残余强度与加载速率符合线性关系。     

含不同倾角裂隙类岩石试件力学参数试验研究

基于相似原理,制备出含不同角度裂隙类岩石试件及完整试件,分别对试件进行单轴压缩试验,测出其单轴峰值强度、弹性模量和泊松比;通过巴西劈裂法,测得含不同角度裂隙的试件及完整试件的抗拉强度;通过进行三轴压缩破坏试验,测出其三轴峰值强度,并结合单轴峰值强度,画出裂隙试件及完整试件的莫尔应力圆,从而计算出它们的内摩擦角、内聚力,然后分析这些力学参数的变化规律。     

高温状态下加载速率对砂岩动态力学特性影响的实验研究

为研究不同高温状态下加载速率对砂岩动态力学特性的影响,采用自行组装50 mm分离式Hopkinson压杆(split hopkinson pressure bar,SHPB)高温试验装置,对25~1 000℃高温状态下的砂岩试件进行了6级加载速率的动态单轴压缩试验。结果表明:高温下砂岩的峰值强度与加载速率之间呈二次多项式增长;砂岩的峰值强度在200℃时,加载速率效应最明显,在1 000℃时,加载速率效应最弱。砂岩的峰值应变与加载速率之间呈线性增加。总体表现出一定的加载速率强化效应。不同温度下动态弹性模量的变化规律差别很大。从砂岩的破坏形态可知,加载速率对砂岩的影响不仅与温度有关还与其本身的性质有关。可见,加载速率对峰值强度、峰值应变及动态弹性模量的影响与温度密切相关。分析结果对高温环境下岩石工程稳定性、安全性以及相关岩体的爆破效应具有重要参考依据。     

小波去噪含水煤岩单轴压缩红外热像特征

研究红外热像的多步骤滤波去噪技术以及基于红外热像的含水煤岩单轴压缩损伤特征分析.对试验室尺度煤岩试样进行了浸水饱和、单轴加载试验与红外热成像探测.对在试验中得到的红外热像,首先利用中值滤波去除脉冲噪声;然后利用小波多分辨分析算法去除热像中的相干噪声.研究结果表明:红外图像温度分布的不同模式表征了不同的损伤阶段,即随机分布的小尺度高低温区代表压密阶段;大尺度集中高温区是破坏的早期信号;贯通性大尺度高温区是破坏的临界点;孤立大尺度低温区表示由微破裂汇合而成的塑性损伤,是损伤局部化的表征;贯通的大尺度低温区代表宏观破坏.浸水煤样有较大的原始损伤;在压密、弹性、微裂纹稳定扩展、非线性破坏等各个峰前阶段的损伤尺度与扩展速率大于不含水煤岩;在峰值后只有应变软化阶段,以突然失稳形式破坏.     

高温状态下加载速率对砂岩的动态力学影响研究

为研究不同高温状态下加载速率对砂岩动态力学特性的影响,通过采用自行组装?50mm分离式Hopkinson压杆高温实验装置,对25℃~1000℃高温状态下的砂岩试件进行了6级不同加载速率下的动态单轴压缩试验。结果表明：高温下砂岩的峰值强度与加载速率呈二次多项式增长;砂岩的峰值强度在200℃时,加载速率效应最明显,在1000℃时,加载速率效应最弱。砂岩的峰值应变与加载速率之间呈线性增加;峰值应变在1000℃时,加载速率效应最强,在25℃时,加载速率效应最弱。总体表现出一定的加载速率强化效应。不同温度下动态弹性模量的变化规律差别很大。从砂岩的破坏形态可知,加载速率对砂岩的影响不仅与温度有关还与其本身的性质有关。可见,加载速率对峰值强度、峰值应变及动态弹性模量的影响与温度密切相关。分析结果对高温环境下岩石工程稳定性、安全性以及相关岩体的爆破效应具有重要参考依据。     

井周煤层气渗流及恒压下煤岩力学特性试验

利用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置,进行0.5和1.0 MPa煤层气渗流压力、0.5和1.0 MPa煤层气恒定压力条件下原煤样全应力-应变过程三轴压缩试验,研究井周煤层气渗流特征及煤层气渗流与恒压对煤岩力学性质的影响。结果表明:煤岩渗透系数和煤层气流量随轴向应变增加先降低,在屈服点减小到最低点后逐渐增大,最后趋于稳定;煤层气恒压下的煤岩三轴抗压强度、屈服强度、弹性模量显著低于相应煤层气渗流压力下的值;恒定煤层气压力越大,煤岩三轴抗压强度、屈服强度和弹性模量越小;煤层气渗流压力越大,煤岩三轴抗压强度、屈服强度、弹性模量越小;研究结果可为煤层气欠平衡钻井压力控制、固井及储层改造等设计与施工提供技术支持。     

加载速率对含预制锯齿状结构面类岩石试件力学性质的影响研究

采用RMT-150B岩石力学电液刚性伺服控制试验系统对含预制锯齿状结构面类岩石试件进行了单轴压缩试验,包括4级不同的加载速率,定量地分析了加载速率对峰值强度及加载速率对应变等物理力学性态的影响。结果表明,在静态加载速率下,含预制锯齿状结构面类岩石试件的峰值强度与加载速率呈非线性正相关,峰值强度以及对应的应变值与加载速率呈非线性负相关,破坏形式为沿结构面滑动剪切啃断式破坏,锯齿啃断面积基本随应变速率增大而增加。     

沥青路面加铺结构中土工布夹层黏结失效时温特性

针对含土工布夹层的双层沥青混合料试件进行直剪试验,以层间抗剪强度为指标,通过方差分析和多重比较分析了温度和加载速率对土工布夹层黏结失效的影响作用,建立了含土工布夹层试件的层间抗剪强度与温度、加载速率的数学关系,基于时间-温度等效原理确定了层间抗剪强度sigmodial主曲线,并对其时温等效特性进行了验证.结果表明:含土工布夹层试件层间抗剪强度受温度和加载速率显著影响,随温度升高或加载速率下降其值逐渐降低;指数模型对层间抗剪强度拟合效果良好,模型预估值与试验测试值基本吻合.sigmodial主曲线在更宽加载速率范围内表征了层间抗剪强度的变化趋势,黏层油蠕变柔量与层间抗剪强度两力学参量的移位因子一致性验证了土工布夹层黏结失效具有时温等效特性.     

单轴压缩下粗砂岩热损伤统计本构模型

基于岩石的强度随机统计分布的特点及应变强度理论,应用损伤力学的相关知识,考虑微原体破坏及弹性模量与温度间的非线性关系,建立了单轴压缩条件下粗砂岩温度热损伤后统计本构模型.然后采用伺服试验机对经历了高温烘烤冷却后的粗砂岩试件进行了单轴压缩试验,并根据试验结果对粗砂岩力学参数与温度间的关系进行了讨论,给出了考虑温度热损伤的统计本构模型参数.通过与单轴压缩实验结果相对比,显示了所建模型的合理性.     

煤岩强度及变形特征的微细观损伤机理

利用MTS815.03电液伺服岩石力学试验系统和S250Mk3扫描电镜对三种煤岩性能及形貌进行分析观察,采用损伤力学分析方法对煤岩强度和变形特征的微细观机理进行了研究.结果表明,煤岩微细观损伤变量对其宏观力学参数影响很大,同为石炭二叠系兖州煤田的鲍店矿3煤和许厂矿3煤的原生损伤变量分别比新河矿3煤减少68·5%和50·6%,其单轴抗压强度分别增加224·8%和109·9%,弹性模量分别增加147·3%和66·9%.同时,随损伤变量减小,煤的单轴压缩破坏逐渐由塑性向脆性转变.煤岩宏观力学性质与其微细观损伤密切相关.     

干湿循环对不同密度砂岩强度劣化的影响

揭示干湿循环过程中砂岩强度的劣化规律对防治失稳岩质边坡具有重要指导意义.以兰州市岩质边坡的砂岩为研究对象,通过抗压、抗拉试验及电镜扫描观察,分析干湿循环对不同初始干密度砂岩强度的劣化影响.研究结果表明,砂岩的单轴抗压强度、弹性模量、抗拉强度及其劣化速率与干湿循环次数成负相关,单轴抗压强度、弹性模量和抗拉强度与干湿循环次数具有良好的指数关系.同一强度参数中,不同初始干密度砂岩强度参数值的差别随干湿循环次数的增加呈减小趋势.干湿循环次数相同时,随初始干密度的增大,单轴抗压强度、弹性模量和抗拉强度及其劣化程度呈递增趋势.在干湿循环递进的过程中,砂岩的微观结构发生显著改变,不同初始干密度砂岩的微观结构差别逐渐减小.干湿循环对砂岩强度的劣化与循环次数和初始干密度密切相关.     

基于声发射参数的混凝土循环加卸载动态损伤破坏特性研究

对5种不同几何尺寸与不同配合比的混凝土试件进行了不同加载速率下的单轴压缩试验,同步进行了声发射(AE)数据的采集;在对比分析AE参数与应力应变关系的基础上,进行了不同加载速率下的混凝土损伤机理与破坏机制研究;通过分析不同加载速率下的应力应变全曲线,研究了循环加卸载中的损伤破坏特性的速率效应;构建了基于AE参数的损伤变量模型,并基于该模型进行了动态损伤特性分析.结果表明:混凝土的峰值应力与弹性模量随加载速率的提高而增大,表现出明显的规律性;但峰值应变随加载速率的变化而表现出较大的离散性.峰值应力前的AE能量随加载速率的提高而增加;加载速率越大,上升幅度越大,峰前释放的能量越大,混凝土内部破坏越严重,残余能量不足以维持试件继续承受更多的循环加卸载而直接进入破坏阶段;峰后可完成的循环加卸载次数随着加载速率的提高而减少.在不同加载速率下材料损伤破坏的路径不同,但损伤起点与破坏终点是重合的;随加载速度提高,损伤破坏的路径变短,加载速率差异越大,损伤破坏路径差异越大;混凝土在不同应力阶段的损伤程度及破坏形态与加载速率有较强的相关性.加载速率的提高改变了混凝土的能量释放过程与方式,形成了不同的损伤破坏机制,在不同加载速率下的损伤破坏机理存在较大差异.     

裂纹长度对裂隙岩体力学特性及破坏模式的影响

采用伺服控制岩石力学试验机对水泥砂浆材料制备的类岩石试件进行单轴加载,利用颗粒流离散元软件对岩体进行单轴加载数值模拟试验,研究不同预制裂纹长度下裂隙试件的力学特征及破坏规律.结果表明:随着裂纹长度的增加,裂隙试件的峰值强度、峰值应变和弹性模量均减小,裂隙模型脆性减弱,延性增强,且随着裂纹长度的增加,弹性模量的降幅逐渐增大,敏感度增强;引入强度劣化系数来定量分析裂隙试件的劣化特征,当裂纹长度从10 mm增加到15 mm时,劣化系数增长迅速,试件强度下跌明显,强度敏感度最大;裂纹长度影响裂隙试件的最终破坏模式,在0°原生裂纹下,随着裂纹长度的增加,裂隙试件的破坏模式由剪切破坏为主变为剪切、张拉复合破坏再转化为出现宏观裂纹的张拉破坏.     

加载速率对实时高温花岗岩三轴力学特性影响的实验研究

以未风化花岗岩为实验对象,在高温高压三轴力学实验系统上开展三轴压缩实验,分析了三种加载速率下岩样温度、围压对峰值强度、弹性模量的影响,探讨了岩样热损伤演化规律的加载速率效应,建立了花岗岩冷损伤方程。结果显示:在100℃时,加载速率增大,低围压区岩石由延性转向脆性,渐进破坏向突发失稳转变;在500℃时,加载速率增大,低围压区弹性模量硬化明显,失稳模式为准突发失稳;随着加载速率的增大,在低温30～200℃时峰值强度的增加显著,在较高温度200～500℃时峰值强度的增加幅度降低,随着围压的升高,加载速率使峰值强度增强作用降低;各级岩石温度条件下,加载速率与弹性模量相关性不显著;低围压时弹性模量增幅较大,高围压时弹性模量增幅较小;随着加载速率的提高,弹性模量损伤与岩石温度的关系由线性转变为非线性的临界围压降低。     

混凝土单轴受力损伤本构模型

为了建立一种新的单轴受力下混凝土损伤本构模型,应用损伤力学理论,假设混凝土卸载刚度与初始刚度的比值和混凝土卸载后剩余的弹性应变能与总应变能的比值在数值上是一致的,由此将弹性模量损伤和能量损伤结合为一体,通过数值方法可确定混凝土单轴受力损伤变量的具体数值.在已有不同强度等级混凝土单轴受力的应力一应变全曲线统一计算方法的基础上,通过数值积分和拟合回归,建立了单轴应力状态下混凝土损伤演变方程和损伤本构模型.结果表明:该模型可描述混凝土单轴循环加载受力状态下的力学特性,与混凝土单轴受力试验结果吻合较好;该研究成果可望进一步应用于反复加载下混凝土结构非线性有限元分析中.