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...     

含裂隙软煤试样破坏过程中的变形局部化特征

为探究含裂隙软煤的局部化演化特征,将石膏与水以质量比7:3混合制成类软煤含裂隙试样,进行单轴压缩试验并采用数字散斑相关测量方法采集加载全程试样表面应变、位移信息,分析其变形位移和变形能密度演化特征。结果表明:不同倾角试样局部化带开始出现位置和扩展方向不同,倾角为0°时局部化带沿预制裂隙中央向试样上端和下端部扩展,60°时局部化带沿预制裂隙端部向试样对角方向扩展,随倾角增大,局部化带稳定时所对应的应力水平接近1。试样破坏由局部化带的张开和错动共同作用导致,局部化带张开与错动速率存在缓慢演化和加速演化阶段,应力峰值前后,局部化带之间扩展交汇引起速率加速演化。局部化带的能量演化经历累积(A)、累积与释放交替(A-R)、释放(R)3个阶段。在加载初始阶段,总体表现出A过程,加载至应力峰值前后,能量发生A-R波动式演化过程,加载至应力峰值后期,表现为R过程,A-R阶段随裂隙倾角增大发生相对后移现象。     

岩石损伤破裂过程与声发射特性耦合规律实验研究

采用MTS岩石力学试验系统和PAC公司SAMOS声发射监测系统,开展了灰岩、大理岩试样单轴受压破坏过程声发射特性试验,研究了岩石受力、变形过程中,声发射事件时间序列、空间分布、能量和b值等声发射参数特征,分析了岩样损伤破裂不同阶段与声发射参数的内在联系与特征规律.研究表明,岩石试件宏观破坏前,岩石中的裂纹处于非稳定扩展阶段,声发射事件急剧增加,达到弹性变形阶段的5～8倍,并逐渐向破裂面集中,弹性能加速释放,声发射累积能量急剧增加,为弹性变形阶段的103倍;声发射事件的振幅明显增加,可达弹性变形阶段的10倍;声发射波形峰值前的延续时间相对较短,频谱分散,出现多峰现象;通过对岩样的声发射源定位,有效采集到微损伤“积聚区”,该区域的微损伤密度明显大于试样其它区域;随着岩样中微裂纹的局部扩展、贯通直至岩样破坏,b值和M值发生显著变化,岩样破坏前b值急剧减小,声发射事件震级明显增大.     

周期荷载作用下煤的疲劳变形及能量演化特征

为研究单向应力状态下周期荷载对煤疲劳破坏特性的影响,利用MTS815.02岩石力学试验系统进行了多级周期荷载试验.试验结果表明:(1)当周期荷载峰值应力低于煤样疲劳强度时,煤样变形具有初始和停滞两个发展阶段,耗散能呈L型演化规律;当周期荷载峰值应力超过煤样疲劳强度时,煤样变形具有初始、等速和加速3个发展阶段,耗散能呈U型演化规律;(2)对于煤样的疲劳破坏,环向变形和体积变形比轴向变形更为敏感;(3)常规单轴压缩试验时,煤样大致呈单斜面剪切破坏,局部伴随拉伸破坏;周期荷载试验时,煤样破坏后产生许多小碎块,偶尔可见较大块体;(4)只有当周期荷载峰值应力高于煤样的疲劳强度时,煤样内部微裂隙才开始大量萌生、扩展、贯通,这一过程将最终导致煤样发生疲劳破坏.     

基于数字散斑技术的压-剪裂隙岩体破坏过程分析

为了研究压-剪应力环境下裂隙岩体内部的裂纹起裂、扩展及破坏过程,采用水泥砂浆材料制作含不同倾角的非平行裂隙试样,并在刚性试验机上进行限制性压剪试验。与此同时,采用高分辨率电荷耦合器件(CCD)相机连续捕捉图像,并采用高精度数字散斑技术对变形图像进行处理,得到压剪加载过程中试样表面的应变场及位移场,进而获取非平行裂隙间的破坏过程。研究结果表明:压-剪应力共同作用下非平行裂隙试样的破坏形式基本可以分为脆性破坏和非脆性破坏;脆性破坏下,在加载初期试样内部的裂隙尖端并无翼裂纹产生,且试样破坏迅速,加载曲线峰后段加载力突然下降至残余值;非脆性破坏下,试样加载曲线可分为4个阶段,在压密阶段试样内部无裂纹产生,而在非线性变形阶段试样内部预制裂隙尖端将衍生出翼裂纹,加载过程中试样并未发生突然破坏,且加载曲线的峰后阶段加载力持续下降;此外,不同的裂隙倾角导致试样呈现出不同的破坏模式,当裂隙倾角为0°和180°时,试样内部断续裂隙间虽形成了贯通,但其主要破坏面是试样中部的贯通剪切破坏面。对于倾角为45°、90°和135°的情况,试样内部并未形成贯通式的破坏面,而是裂隙尖端衍生出的裂纹扩展至试样边界导致的破坏。     

基于有限变形理论的能量释放率和J积分增率形式

以有裂纹的瞬时位形为参考,建立的增量变形引起的裂纹扩展方程能够更真实地描述裂纹尖端的扩展机制.而真实地描述当前裂纹状态下的增量变形的困难在于,带裂纹尖端的瞬时位形相对于初始位形应满足有关的力学平衡方程.在解决裂纹扩展问题时,基于能量方法的裂纹能量释放率G和J积分是一种有效的研究方法.由于经典的微小变形理论引入的裂纹尖端模型解决问题的方法是相对于初始位形的,为得到当前裂纹状态下的增量变形的有关方程,采用能量原理和变分原理,使用有限变形的随体张量表达方式,在瞬时位形基础上,推导裂纹体的能量释放率G和J积分的增率G.和.J,建立增量变形的有关方程,从而为研究裂纹尖端的扩展问题提供了新的理论思路.     

冲击倾向性煤体的细观特征与裂纹失稳的试验研究

对大同忻州窑矿、开滦赵各庄矿具有冲击倾向性煤体试样的扫描电镜（SEM）及三点弯曲试验。分析了冲击煤的显微组分、细观结构特征；并且通过对SEM数字图像和栽荷位移关系的分析。初步解释突出煤体裂纹损伤演化的细观机理．试验表明，（1）煤是非均质材料，突出危险煤的微结构以粒状、网状、片状结构为主，也可以见到鳞片状和压扭性结构；（2）发生冲击地压灾害的破坏煤体中，裂纹主要为新生裂纹，且裂纹的扩展通常具有一定厚度带状区域，裂纹由萌发、维护到结构失稳的破坏过程具有自组织、能量耗散的特征；（3）经过冲击地压破坏后的试样破坏强度低于渐进破坏煤体试样的强度，约为1／3—1／2，这也说明因冲击地压能量突然释放引起的失稳破坏具有显著不同的特征．图10．表1。参10．     

基于相场法的岩石三点弯曲细观破坏数值模拟

岩石中裂纹的起裂、扩展和贯通等行为是研究岩石变形、强度及稳定性的关键力学问题,通过数值方法预测和分析裂纹扩展行为具有重要意义。相场法在严谨准确的理论框架内,克服了传统断裂力学理论及数值计算方法显式追踪裂纹面的挑战,能很好地模拟裂纹起裂、扩展、分叉和多裂纹相互贯通。本文通过裂纹扩展主要区域建立了能够反映岩石内部细观结构的多尺度模型,利用相场法从细观力学尺度预测和分析了岩石三点弯曲时内部裂纹的起裂、扩展和贯通的破坏过程,分析了矿物颗粒的位置分布和能量释放率等参数对裂纹扩展行为的影响规律。通过与室内岩石三点弯曲宏观和细观试验对比分析,结果表明,相场法能够很好地模拟和预测具有复杂细观结构的岩石内裂纹的萌生、扩展和贯通的破坏过程。     

单轴加载下裂隙试件主控裂纹演化规律及 锚固止裂机理

为研究裂隙岩体锚固作用机理,采用水泥砂浆预制不同倾角的裂隙试件,在裂隙上下两端一定距离预埋GFRP(玻璃纤维塑料筋材)锚杆制作加锚裂隙试件进行单轴压缩试验.结果表明:主控裂纹的形成与贯通是导致试件最终破坏的直接原因.无锚裂隙试件,主控裂纹贯通路径单一、贯通速度快,且受预制裂隙影响明显,裂隙倾角越大,主控裂纹扩展方向与裂隙轴线夹角越小.裂隙试件加锚后,主控裂纹贯通路径增多,裂隙倾角对主控裂纹的引导作用减弱.锚杆对裂隙试件峰前平均强度和峰值强度作用不大,但能够有效延长试件峰后强度的持续时间.无锚试件加载过程中能量释放具有"突变性",释放的总能量较少,加锚试件能量释放具有"渐变性",释放的总能量较多.裂隙扩展过程中能量的快速释放是主控裂纹形成和扩展的标志,主控裂纹数量越多、路径越长释放的能量就越大.锚杆的主要作用在于限制主控裂纹的快速形成和扩展,在相同的外力功作用下产生更多、更大范围的损伤和微裂纹,从而改变主控裂纹扩展路径,延长主控裂纹的贯通长度,通过遏制主控裂纹快速贯通来增加裂隙岩体的峰后强度和抗变形能力.     

循环加载下砂岩断裂特性试验及模拟

利用WHY-200/10微机控制万能试验机,对红砂岩人字形切槽圆盘试样(CCNBD)进行静态与循环加卸载试验,研究在循环加卸载下红砂岩的Ⅰ型断裂力学特性及变形特征;并基于红砂岩的宏观力学参数进行PFC3D数值模拟试验,探究微裂纹扩展规律.试验结果表明:循环荷载的作用会使砂岩的Ⅰ型断裂韧度值KⅠC减小;且随着循环次数的增加,砂岩的Ⅰ型断裂韧度逐渐减小,直至达到某一下限值;砂岩CCNBD循环加载曲线受到其静态加载曲线的严格控制,循环加载破坏点变形量与静载曲线中同荷载水平下峰后变形量相近;循环加载下试样的径向位移变形过程和微裂纹扩展规律与上限荷载比相关,主要有3个阶段:初期加载阶段、中期稳定阶段、后期加速阶段;当上限比为0.95时,试样的径向位移变形过程和微裂纹扩展只有初期和加速阶段;当上限比为0.75时,其位移变形和微裂纹扩展只有初期和稳定阶段,且不发生断裂破坏;循环加载下试样韧带两端断裂过程区(FPZ)的微裂纹发生充分衍生和扩展,最终的微裂纹数目明显多于静态加载.     

基于数字图像相关方法的巴西圆盘变形局部化分析

为了研究岩石拉破坏过程中的变形局部化特征,采用数字图像相关方法进行了巴西圆盘劈裂试验及变形场测试,分析了圆盘试件破坏过程中的水平位移场演化过程。研究表明:巴西圆盘在压密阶段即已出现较明显的水平位移局部化现象,弹性阶段的局部化区域由上下端向中部扩展,在塑性阶段演化为近似中心对称的扇形;巴西圆盘左右背向位移差过大时,试件中部会呈现一条零位移条带,并在峰值点时张拉破坏为裂隙带。     

雁行双裂隙类砂岩加载条件下裂纹扩展演化规律研究

为了研究裂隙岩体在荷载作用下裂纹扩展演化与破坏规律,以预制含雁行双裂隙类砂岩试样为研究对象,采用单轴压缩试验与DIC技术相结合,探究裂隙倾角和岩桥倾角对试样裂纹产生、扩展和破坏模式的影响。结果表明：(1)裂纹先从试样边界处产生,向试样中心扩展,随加载的进行,裂纹转向从裂隙尖端处产生,向试样上下端面扩展。(2)试样新生裂纹扩展演化过程、破坏模式与裂隙的倾角特征关系密切,随裂隙倾角和岩桥倾角的增加,裂纹扩展的数量分别呈现出先减少再增加后减少、先减少后增加的特点,试样破坏模式呈现出由张拉破坏向张拉-剪切复合破坏转变,但当裂隙倾角增加至90°时,试样破坏模式又呈现出张拉破坏。(3)岩桥贯通取决于其水平投影长度,当岩桥倾角为0°、30°,岩桥水平投影长度较长,岩桥未贯通,当岩桥倾角为60°、90°、120°,岩桥水平投影长度逐渐减小,岩桥发生直接贯通。研究成果可为工程设计及优化提供一定的指导意义。     

应变速率对红砂岩预制隙裂贯通破坏的影响

为了探究应变速率对节理岩体裂纹扩展形态和贯通破坏的影响,提出在室内制作含裂隙的红砂岩试样,采用不同加载速率进行单轴加载试验,观察裂隙起裂、贯通、破坏的全过程,并在物理试验基础上利用数值分析软件对结果进行分析和验证。结果表明:随着加载速率的增加,试样的峰值强度增加,试样发生应力强度跌落时的应变也有一定的增长;裂隙的扩展方式不局限于沿着试件高度方向开展,有部分裂隙发生横向方向的扩展和贯通,导致试样逐渐从局部破坏形式向整体破坏形式发展;裂隙强度在单轴加载时伴随裂隙倾角和加载速率的增加而变大,裂隙贯通强度对裂隙倾角的变化更敏感。     

冲击地压灾害结构失稳机理的组合体试验研究

煤矿冲击地压的发生机理极其复杂,是煤岩体非线性破坏、失稳矿山压力显现的总称。在分析煤岩体破坏机理和采动影响的基础上,应用能量积聚-释放诱发冲击地压的原理设计了煤岩体组合力学模型及模拟煤岩体突出的结构失稳加载试验系统试验,并配制、筛选大变形突出倾向性相似材料等方面进行了组合体结构加载失稳试验,获得了煤岩结构失稳与位移突出的特征。试验表明:组合体试件在加卸载过程中和破坏失稳时表现为稳定态能量积蓄、非稳态释放特征,是应力环境、材料强度与结构等多种因素影响的非线性动力学过程。     

透明脆性材料预制裂纹压缩破坏机制试验研究

自然界中的岩体含有大量的原生裂纹,这些裂纹在外载作用下扩展和相互贯通最终导致岩体失稳破坏。由于真实岩石为不透明材料,观察研究其原生裂纹的扩展演化机制十分困难。最新研制了一种新型材料;该材料透明度高,且具有很好的脆性和单轴压缩剪涨性,可以作为模拟岩石的相似材料,在该材料内部及表面预制裂纹,观察分析预制裂纹不同赋存方式对材料破坏机制的影响。试验中清晰观察到次生裂纹萌生扩展各个阶段的形状及预制裂纹不同的赋存方式对材料破坏模式的影响,以及表面预制裂纹赋存深度与试件强度和次生裂纹裂最终扩展宽度的关系。试验所得的成果对于研究真实岩体的破坏机制具有重要的参考价值。     

加卸荷条件下非贯通节理岩体破坏特性研究

采用颗粒流软件PFC(particle flow code)对非贯通节理岩体加卸荷条件下破坏特性进行研究。对砂岩材料进行室内单轴压缩试验,获取该岩样的抗压强度、弹性模量等宏观特征。采用PFC颗粒流软件中的平行黏结模型,构建完整试样,利用DFN(discrete fracture network)创建非贯通节理,并采用更符合实际工程的应力/时步加卸压方式对非贯通节理模型开展三轴压缩与非线性加轴压卸围压数值模拟。研究结果表明:在三轴压缩模拟中,峰值应力下降主要是因为岩桥内剪切裂纹增多,岩桥上方先出现裂纹的延伸,随后引发岩桥的贯通;在非线性加轴压卸围压模拟中,当轴向应力达到峰值后,岩桥破坏缓慢,且拉伸裂纹与剪切裂纹分布较均匀,岩桥贯通后,裂纹向模型上部进行扩展,最终破坏形式为非贯通节理上下两部分的滑移变形,且节理的破坏程度远大于三轴压缩的破坏程度。在卸荷过程中,节理两侧剪应力最大,岩桥中心次之,节理面的剪应力最小。     

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.     

节理对岩体强度变形特性影响的模型实验

采用模型试验研究节理对岩体强度变形特性的影响.设计150 mm×150 mm×150mm尺寸的3组模型试验,在不同的正压力下,分别对完整岩块、贯通节理岩体和断续节理岩体进行中型剪切试验.研究结果表明:岩体以脆性破坏为主,主要有4种典型的破坏方式,破坏形态与节理的排列方式、贯通性以及应力状态等因素密切相关;完整岩块、贯通节理岩体和断续节理岩体变形破坏发展过程具有不同的分段特征:完整岩块曲线主要经历剪缩错动、线弹性增长、破坏和残余强度4个阶段;贯通节理岩体曲线主要经历线弹性增长区、过渡区和滑移破坏区3个阶段;断续节理岩体曲线主要经历线弹性增长、节理面错动、次生裂纹起裂稳态扩展、节理面贯通破坏和残余强度5个阶段.断续节理岩体摩尔库仑曲线分别以完整岩块和贯通节理岩体的破坏包络线为上界和下界,可以通过地质力学分析缩小带宽,估算断续节理岩体的强度.     

损伤剪切带的稳定状态与路径—大变形非局部化分析

基于非线性几何场论，探讨了有限变形稳定分析中二阶变分的重要性，考虑了Ｍｏｂｒ－Ｃｏｕ。ｏｍｂ退化屈服限及正交流动法则，假定屈服限取决于非局部塑性变以模拟应变软化，弹性量仍由经典局部场确定，计算了砼材料剪切带演化导致的不同破坏型式。结果表明，计算模型对单元网格数具有不敏感性、正确加载路矩和Ｈｉｌｌ的性二阶能量准则相一致。     

土与结构间一种新的接触单元模型

将非线性弹性理论与弹塑性理论相结合,对于土与结构间接触面切线方向提出了一种非线性弹性-理想塑性本构模型,用于模拟土与结构相互作用体系中切向变形与破坏机理.该模型将接触带内的变形分为剪切变形与错动变形两部分,对于法线方向采用法向应力与法向相对变形之间的非线性模型.将该模型与有厚度接触面单元相结合,提出了一种用于有限元计算的接触带单元.详细推导了该模型的弹塑性矩阵以及应力修正方法.