深海多金属硫化物力学特性的试验研究

以深海多金属硫化物自身特性为研究对象,对其样品矿物试件进行不同围压下的单/三轴破碎试验,得到深海多金属硫化物破碎全过程的应力-应变曲线,在试验数据的基础上分析矿石的破碎过程、破坏特征、适合的强度准则以及弹性模量、起裂应力和峰值强度等参数的变化规律等,研究结果表明:深海多金属硫化物矿石的破碎过程与普通岩石的破碎过程基本类似,分为OA,AB,BC,CD和DE共5个阶段,其中OA阶段往往不明显;多金属硫化物的破坏形式主要有3种,分别为横向破坏、剪切破坏和全面破坏,试件的最后破坏形式往往与施加的围压密切相关;Mohr-Coulomb强度准则更加适合判断多金属硫化物的破碎;所施加的围压越大,多金属硫化物试件的弹性模量越小;对不同的矿物试件,起裂应力和峰值强度与围压的关系是施加的围压越大,矿石的峰值强度与起裂应力之间的差值越大。     

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。     

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.     

基于三轴加卸载试验的花岗岩弹性模量变异与能量演化分析

为了研究岩体的变形特征和能量特征与其所处应力状态之间的关系，开展了5种围压下花岗岩的三轴循环加卸载试验.基于应力-应变曲线，计算了循环加卸载过程中花岗岩的弹性模量和能量密度，分析了应力状态对弹性模量及能量演化规律的影响.研究结果表明：轴向弹性模量随围压的增大而增大，随轴向应力的增大先增大后减小.轴向弹性模量与最大、最小主应力呈现良好的二次函数关系.随着围压的增大，能量密度与弹性能占比(弹性能与输入总能量之比)均显著增大，岩石储能能力提高；随着轴向应力增大，弹性能占比先增大后减小.弹性能占比减小阶段即岩石损伤加剧阶段，围压的增加延长了岩石的损伤演化过程.最后讨论了应力状态、岩石力学参数及能量状态的关联性.     

水力耦合条件下预制节理砂岩裂纹扩展和能量演化细观数值模拟

为了研究水力耦合作用条件下预制节理砂岩三轴压缩裂纹扩展和能量演化规律,建立预制节理砂岩流固耦合数值模型,得到预制节理砂岩应力-应变曲线.通过分析平行黏结破碎演化过程,获得不同预制节理角度下微裂纹发育规律.基于颗粒流程序(PFC)离散元能量追踪体系,研究得到各细观能量变化响应和能量耗散与转换规律.分析结果表明:预制节理角度越大,试样峰值强度越大,侧向变形和轴向变形峰值应变先增大后减小,在预制节理角度为60°时取得最大值;平行黏结破碎起始于预制节理,进而扩展贯通,次生黏结破碎带始于节理面直至贯穿试样边界;试样的黏结能峰值和应变能峰值均与预制节理角度成正比,黏结强度峰值应变和应变能峰值应变与预制节理角度成反比;耗散能主要表现为摩擦作用,整个加载过程中弹性应变能吸收率最大.     

高海水围压条件下多金属硫化物的破碎机理

为研究高海水围压条件下截齿在切削海底块状多金属硫化物(SMS)过程中的破碎机理,考虑海底块状硫化物高孔隙率、非线性的特点,选择Holmquist-Johnson-Cook(HJC)材料本构模型,基于Lagrangian有限单元法,利用LS-DYNA仿真软件建立截齿切削破碎海底块状多金属硫化物的仿真模型,模拟无海水围压下和高海水围压下海底块状多金属硫化物的切削破碎过程。研究结果表明:在高海水围压作用下,海底块状多金属硫化物的强度明显提高,断裂模式主要是脆性失效向塑性失效转变;海水黏着力和高围压作用使得切屑更难从矿体基岩剥离,截齿受到的阻力明显增大。     

花岗岩受压宏-细观破坏特征及能量演化规律

为揭示花岗岩单向受压时的破坏特征及能量演化规律，首先，通过偏光显微镜观察分析了花岗岩的矿物成分、含量及颗粒形貌；其次，开展了花岗岩的室内单轴压缩及巴西劈裂试验，得到了相关应力应变曲线及力学参数；然后分别从宏-细观角度分析了花岗岩单轴压缩的破坏特征，并借助场发射扫描电子显微镜观察了破坏断口的形貌特征；最后，基于能量理论分析了花岗岩在单轴压缩过程中的能量演化特征。结果表明，花岗岩属于典型的非均质脆性岩石，其单轴压缩应力应变曲线几乎没有屈服阶段，弹性阶段应力达到峰值后瞬间爆裂，且无残余强度；花岗岩单轴压缩破坏机制为剪、拉耦合破坏，且二者空间分布位置不同；花岗岩在达到强度极限前储存了大量的弹性应变能，这是孕育岩爆的根本原因，而花岗岩单轴压缩过程中能量的演化不存在减速损伤阶段和残余损伤阶段，这是导致岩爆产生的主要原因。     

基于三轴压缩试验的红砂岩本构模型

利用RMT150B型岩石力学多功能试验机对红砂岩试样在不同围压条件下的三轴压缩应力应变全过程曲线进行了系统试验研究。研究表明：围压增大，岩石的峰值强度也随着增高；红砂岩的体积应变在峰值后区表现出很大的剪胀性。基于试验结果，分析了岩石屈服强度、峰值强度、残余强度与围压之间的关系，根据试验得到了典型三轴压缩应力应变全过程曲线，建立了一个由线弹性段Ⅰ、线弹性段Ⅱ、线性软化段、线性残余塑性流动段组成的线性本构模型，给出了红砂岩4个阶段的本构方程，并确定了相关参数。     

预制裂纹盐岩单轴力学特性及能量机制试验

盐穴储气库在水溶造腔时会产生大量溶蚀裂纹,为研究裂纹对盐岩强度和变形等力学性能的影响,利用MTS-815岩石力学实验系统,对不同参数裂纹盐岩的力学特性进行试验研究,采用对数应变对试验结果进行修正,分析了不同参数裂纹对盐岩的强度和变形的影响,并基于能量耗散理论分析其损伤破坏过程中的能量特征.结果表明:不同倾角裂纹降低了试样的峰值强度值,但降低量的多少与裂纹倾角大小未呈现明显的线性关系;不同长度的预制裂纹对盐岩峰值强度有明显的弱化作用,裂纹越长,弱化作用越大.外力做功产生的总应变能U绝大部分转化为耗散能Ud,小部分累积为可释放的弹性应变能Ue,导致盐岩内部产生损伤和塑性变形.破坏过程总能耗、耗散能、弹性应变能等,能量与应变关系曲线表现出明显的阶段特征;盐岩单轴压缩呈现压密阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏阶段等4个阶段.     

声发射能量累积与煤岩损伤演化关系初探

为了寻求煤及岩石在受载破坏过程中能量积累与应力应变之间的关系,分别对煤矿的煤和泥岩进行了单轴加载及声发射试验,得到了煤岩试样单轴加载试验过程中声发射能量累积、应力与应变之间的关系曲线。利用损伤力学基本原理和热力学定律,理论推导了煤岩损伤演化方程,进而得到损伤与声发射能量累积关系曲线,通过拟合损伤与声发射能量累积关系曲线初步推导得到了声发射能量累积与应力应变的理论关系,并通过试验结果验证了能量累积与应力应变关系。     

全断面钻进岩石破碎过程的功能消耗

全断面钻进时,滚刀给岩石的输入功主要以裂缝表面能、破碎表面能、再压固能、热能和弹性应变能等方式消耗掉。研究这些能耗的量值及分配率,有助于发现提高岩石破碎能量利用率的途径。例如,再压固模拟实验揭示,消耗于已碎岩粉再压固的能量,竟占输入功的10—20%。尽管再压固过程是不可避免的,应当通过改善刀具设计等途径减少其压固量,从而使这部分能量应用于岩石破碎。     

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。     

胶凝砂砾石料剪胀特性试验

为探究弹性和塑性对胶凝砂砾石料(CSG)应力应变特性的影响,建立了适用于CSG的剪胀方程,参考粗粒土或堆石料剪胀特性的研究方式开展了一系列不同掺量和围压下的三轴压缩试验、三轴等向加卸载试验和三轴轴向加卸载试验,对CSG的剪胀特性进行了系统研究。试验结果表明：CSG加载过程中弹性和塑性应变都不可忽略,CSG在低围压下具有剪胀性,随着围压的增大逐渐向剪缩性过渡;由试验数据得到CSG的弹性体积应变和弹性剪应变,对比分析了考虑和不考虑弹性应变的CSG剪胀特性曲线,发现弹性应变对CSG剪胀特性影响较大,仅在高掺量、高围压、大应力条件下可以忽略弹性应变的影响;二次函数可以很好地描述CSG的剪胀特性。     

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。     

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。     

压缩作用下砂岩变形破坏过程中的能量特征

为探索岩石在载荷作用下变形破坏过程中能量的能量演化机制,对红砂岩进行了单轴、三轴压缩试验,获得了岩石加载过程中能量随应力、应变的演化与分配规律.结果表明:岩石的变形破坏过程是能量耗散与释放的结果;单轴压缩及较低围压下岩石在峰值后积聚的能量突然释放,这也是其呈现脆性破坏的主要原因;在较高围压下,岩石峰后能量随围压的升高由释放向逐渐耗散转变.     

卸围压下煤体损伤的能量演化和渗透特性

以马兰矿8#煤层煤样为研究对象,进行三轴渗流试验,并基于能耗特征原理及损伤定义,探讨了损伤变量和渗透率的关系。研究结果表明:在卸围压前,煤体渗透率随轴压的增加而逐渐减小,煤体吸收的能量主要转换为弹性能储存在煤体骨架结构中,煤体渗透率随着损伤的增加呈现对数函数减小;卸围压后,煤体渗透率开始增大,储存的弹性能转变为耗散能用于煤体的破坏,损伤增加变快,渗透率随损伤的增加呈现指数关系增长,同时发现损伤变量达到0.7是煤体破坏的一个关键点。     

冻融损伤砂岩的能量演化及分段本构模型

为研究冻融砂岩受载过程中的损伤劣化规律,首先,对冻融0,25,50,75和100次的砂岩进行单轴压缩试验,获得不同冻融循环后损伤砂岩的应力-应变关系以及破坏模式;其次,基于能量演化及能量分配规律,分析不同冻融次数砂岩的损伤特性;最后,提出利用耗散能变化规律确定应力-应变曲线分段压密点的方法,建立冻融砂岩的分段损伤本构模型。研究结果表明：砂岩的强度和弹性模量随冻融次数增加而降低,砂岩的破坏模式逐渐由剪切破坏为主向张剪复合破坏转变;破坏后的裂纹数量逐渐增多,破坏表现为由脆性逐渐向延性破坏过渡;峰值应力处的总能量、弹性能、耗散能均随冻融次数增加,表现出“减小—增加—减小”三段式变化规律;弹性能耗比(耗散能与弹性能的比值)的最小值K_min是判断砂岩从稳定状态转向非稳定状态的重要标志,是冻融砂岩破裂前的预兆指标。基于冻融和受荷损伤因子,建立了考虑压密段的分段损伤本构模型,能够更合理地描述冻融损伤砂岩的变形破坏过程。     

干湿循环作用下露天矿边坡岩石损伤能量演化分析

水位升降对露天矿坑边坡岩石强度产生明显的弱化,因此,干湿循环对岩质边坡稳定性分析具有重要影响。通过不同干湿循环次数下的岩石单轴压缩试验,基于不可逆热力学损伤理论,分析外力总功、弹性能以及能量耗散之间的内在关系。实验表明:外部载荷对岩石所做总功,一部分转化为岩石弹性变形能,还有一部分以能量耗散的形式导致岩石发生不可逆的损伤。通过岩石室内试验,研究花岗岩力学性质变化规律,建立基于能量耗散原理的不同循环次数下花岗岩损伤演化方程。室内试验分析和理论研究表明,基于能量耗散原理建立的不同干湿循环效应下岩石损伤演化方程,可以较好地描述岩石的损伤演化。     

石灰岩的SHPB试验研究

利用大直径（φ75 mm）分离式Hopkinson 压杆装置（SHPB）实验技术对石灰岩岩石试件进行了循环冲击实验,得到了石灰岩岩石冲击过程中的动态应力-应变曲线,定量研究了冲击过程中的能量耗散. 同时利用岩石损伤的超声波测试技术对应力波作用下的石灰岩损伤进行表征,并探究了不同冲击条件下石灰岩损伤和应力波波幅、石灰岩损伤和耗能值之间的关系. 在子弹长度相同条件下,石灰岩损伤和应力波波幅呈指数关系,且在累次冲击实验中得到印证. 石灰岩损伤与耗能值之间为简单的线性关系.