充填体–围岩组合体三轴力学行为数值模拟试验分析

分析充填体与围岩相互作用机理是地下矿山充填采场稳定性评价关键。以空场嗣后充填采场为物理原型,将充填体与围岩协同考虑,概化出了充填体-围岩组合体实验室尺度模型,基于RFPA3D构建了具有一个粗糙接触面、两种灰砂配比、四个接触面倾角和三种围压的充填体-围岩组合体三轴压缩试验数值分析模型,系统分析了组合体的三轴应力应变曲线、强度、破坏模式、破坏过程与声发射演化规律,并通过组合体静力学分析模型和文献对比方法验证了结果的可靠性。研究结果表明,充填体-围岩组合体在三轴压缩下的变形、强度特征和破坏模式与接触面倾角、围岩和灰砂配比有关联关系;应力-应变曲线可分为压实、弹性、屈服、应变软化和残余应力五个阶段,不同阶段的声发射特征变化明显;充填体-围岩组合体三轴抗压强度随围压的增加呈线性增加;当接触面倾角为45°和60°时,组合体破坏发生在接触面和充填体区域。当接触面倾角为75°和90°时,充填体、接触面和围岩区域均有破坏。研究结论可为地下充填采场的稳定性分析提供理论依据。     

充填体抗拉强度特性的试验研究

充填体可以改善围岩应力状态、限制围岩移动、维护采场稳定.通过在室内条件下制作和养护充填体试件,然后采取劈裂法对不同配比和浓度的充填体试件进行测试,得出了充填体试件在不同配比、浓度下的峰值载荷、峰值位移、平均峰值应变、抗拉强度以及应力-应变曲线.通过分析这些拉伸试验条件下的力学性质,对提高充填体质量和维护采场稳定有指导作用.     

复合板材双剪切试验方法与装置

针对复合板材在工程应用中的力学性能分析需求,为测量其平行于试件面板方向的剪切破坏荷载,以能够较准确表征复合板材双剪状态下的应力分布情况,研究了复合板材双剪切试验方法,设计了双剪切试验装置,并对不同芯材和不同厚度的结构保温板进行了双剪切试验,分析了其破坏形态和剪切力学性能。研究结果表明:各试件双剪切破坏面形态合理,应力-应变曲线数据稳定;EPS(聚苯乙烯泡沫)芯材试件抗剪破坏形式为脆性破坏,而岩棉芯材试件受剪开裂后,抗剪强度不会立即丧失,而是逐渐降低;随着试件芯材厚度的增加,EPS芯材试件应力峰值和应变随之减小,两者变化均为非线性,而岩棉芯材试件应力峰值随之减小,应变则无明显相关关系。该方法与装置为进一步研究复合板材的力学性能提供了试验方法。     

DIC法在岩煤岩冲击破坏试验中的应用

为了研究岩煤岩组合体在冲击破坏过程中的全场应变和位移,利用霍普金森压杆对煤单体及岩煤岩组合体试件进行冲击试验.利用高速摄像机采集数据,运用数字散斑相关技术对岩煤岩组合体进行非接触式测量,用DIC软件对数据图像进行筛选和分析.试验得到应力应变曲线、全场应变散斑图和位移散斑图.试验结果表明,在冲击过程中岩煤岩组合体前期内部...     

基于全尾砂充填体非线性本构模型的深井充填强度指标

目前矿山深井充填体强度指标是类比浅部充填经验来确定的,为改变这种不合理局面,根据某深井开采矿山全尾砂充填体单轴压缩实验的应力-应变关系曲线,建立了全尾砂充填体峰值应力前的非线性本构模型.结合全尾砂充填体与深部围岩耦合作用下能量损耗相近的原则,得出了全尾砂充填体抗压强度设计公式.实例研究结果表明:建立的全尾砂充填体峰值应力前的非线性本构模型与实验结果吻合;深部开采全尾砂充填体强度指标与围岩原岩应力、弹性模量以及充填体本身的力学性能有关,采用非线性本构模型确定的全尾砂充填体强度指标比采用线性本构模型确定的强度指标更精确.     

不同充填厚度节理面剪切破坏宏细观机理研究

为了研究不同充填厚度下节理面的剪切破坏行为和强度特性,综合前人对充填节理的试验与理论成果,考虑天然岩体复合结构的不规则粗糙表面形态,对实验室制备的类岩石材料充填节理试件进行室内剪切试验,并采用数值方法进行模拟验证。对比实验结果和模拟结果,从宏观和细观角度分析了充填节理的变形特性及破坏行为,研究了充填厚度对节理面剪切强度的影响关系。研究结果表明:在同一粗糙度下,不同厚度充填节理的破坏模式没有明显区别,主要表现为粘结面的破坏;在较小粗糙度下,充填节理的剪切峰值强度和残余强度均随着充填厚度的增加有一定程度的降低,但变化不大;在较小粗糙度和较小充填厚度下,试件沿与节理面起伏较大处成一定角度产生裂隙并逐渐贯通至试件底部,充填厚度增加,仍会产生裂隙,但不会贯通。     

柱旁单侧充填煤充结构体的破坏响应特征与失稳机制

为研究柱旁单侧充填后“充填体-煤柱”协同承载结构体(BP煤充结构体)的破坏响应特征,首先,借助三维光学散斑监测仪和声发射系统,开展6组不同类型BP煤充结构体试样的单轴压缩试验,实时监测表面变形信息和试样破裂信号;其次,构建基于声发射特征的BP煤充结构体单轴压缩损伤模型;最后,揭示BP煤充结构体单轴压缩的失稳机制。研究结果表明：随着煤体元件体积占比的增加,BP煤充结构体的承载能力逐渐减小,弹性模量先减小后增大,而峰值应变先增大后减小。BP煤充结构体试样在单轴加载过程中,应变集中带首先出现在煤-充界面,其次出现在体积占比较大的元件中,最后出现在体积占比较小的元件中;最大声发射能量均出现在体积占比较大的元件中。BP煤充结构体试样的损伤会经历一个渐进损伤过程,主要包括初始损伤阶段、损伤发展阶段和损伤衰减阶段;煤体元件体积占比越大,BP煤充结构体损伤值增长越迅速,也更易造成结构体突然失稳;相反,充填体元件体积占比的增大会延缓BP煤充结构体试样的损伤速度。BP煤充结构体试样的失稳最早由煤-充界面的剪切破坏或拉伸破坏所引发,之后煤体元件或充填体元件发生联动破坏,导致BP煤充结构体试样丧失整体承载能力...     

高应变率下灰砂比对全尾胶结充填体力学性能影响

为研究采矿扰动下灰砂比对全尾胶结充填体力学响应,预制了三组不同灰砂比的全尾砂胶结充填体试件,利用ф50 mm SHPB试验系统,对预制试件进行单轴冲击试验,试验结果证明:全尾砂胶结充填体对弹性波传播有较强的反射和阻尼作用;在较高应变率下,试件强度则表现出快速软化;软化试件在18μs左右即达到峰值应力;试件动态抗压强度等参数变比均随应变率的增加而增大.灰砂比越高,试件的极限动态抗压强度等参数越大;在相同应变率下,试件的动态抗压强度等参数的增加反而降低.试件的破坏形式为压碎破坏,在相同应变率作用下,水泥含量越少,试件的破坏程度越高.     

压剪作用下地聚物珊瑚混凝土的力学性能研究

为了研究不同压应力比和混凝土强度对地聚物珊瑚混凝土(geopolymer coral concrete, GCC)在压-剪复合作用下力学性能和损伤演变的影响,进行了54个GCC试件的压剪试验,分析了试件的破坏模式、剪切荷载-位移曲线和初始抗弯刚度,并着重分析了剪切承载力的组成及试件的损伤演化规律。结果表明：随着压应力比和混凝土强度增加,剪切强度及位移、初始剪切刚度均有所提高。剪切承载力包括黏聚力、界面摩擦力和骨料咬合力,黏聚力约占剪切承载力的11%～37%,界面摩擦力占比40%～67%,骨料咬合力占比16%～34%;界面摩擦力占比与压应力比呈正相关关系,黏聚力占比则相反。基于分段本构模型,对比试验数据和模型曲线发现两者拟合较好,验证了GCC的损伤本构模型与破坏模式有较高的预测精度。     

冲击荷载作用下层状充填体动力学特性及破坏模式

为研究冲击荷载作用下层状充填体的动力学特性,本文采用分离式霍普金森压杆(SHPB)系统及LSDYNA模拟软件,研究灰砂比、冲击速率和分层数对充填体动态弹性模量、静/动态峰值应力、动态强度增长因子及破坏模式的影响规律。研究结果表明：随分层数增加,充填体的动态弹性模量、静/动态峰值应力逐渐减小;随灰砂比增加,充填体的静/动态峰值应力逐渐增大;随冲击速率增大,充填体的动态弹性模量、动态峰值应力及动态强度增长因子逐渐增大;在冲击破碎过程中,完整充填体的破坏模式主要表现为剪切破坏,而层状充填体则于分层面处发生劈裂破坏;当冲击速率小于4 m/s时,未分层充填体沿试件表面发生轻微破碎,层状充填体则沿试件分层面处发生断裂;充填体内分层面的存在可降低充填体动态峰值应力。     

充填节理破坏机理及实验

充填节理的破坏主要有充填物破坏和充填物与节理接触面破坏两种形式,其抗剪强度与最小抗剪部分的强度相同.当充填物破坏时,单独对充填物部分进行受力分析,得到此时的节理抗剪强度公式.讨论了充填节理强度随法向压应力及充填厚度的变化规律:随着法向压应力的增加先增大后减小,但随充填厚度的变化并不十分明显.对不同厚度的砂浆充填节理进行直剪试验.结果表明:其剪切强度与破坏模式有关;在同一破坏模式下,不同充填厚度的节理其剪切强度变化不大.     

冲击载荷作用下砂岩的动力学特性及损伤规律

在单次冲击和重复冲击载荷作用下,利用大直径霍普金森压杆(SHPB)试验装置,对砂岩的动力学特性进行试验研究。从岩石的细观裂纹扩展和能量吸收的角度,分析岩石的破坏过程。基于Weibull分布的统计损伤理论,计算试件的损伤度,并结合应力-应变曲线分析岩石损伤度的演化规律。研究结果表明:砂岩的动态抗压强度和单位体积吸收能均表现较强的应变率效应,分别与应变率呈指数函数关系和线性关系。在重复冲击试验中,随着重复冲击作用次数的增加,试件的弹性模量降低,屈服应变增加,屈服应力呈降低趋势。此外,损伤度随着应变的增加逐渐增大,在应力-应变曲线的峰值强度处,损伤度出现一个明显的拐点,即在微裂纹进入不稳定扩展阶段,岩石损伤度迅速增大。     

岩石细观损伤演化与损伤局部化的数值研究

应用岩石破裂过程分析系统(RFPA2D),通过对非均质岩石试样在单轴压缩下损伤演化过程的数值模拟,研究了岩石变形破裂过程中的损伤演化和损伤局部化行为·模拟结果表明岩石的非均匀性及其结构尺度对损伤局部化模式有很大的影响·岩石在压缩条件下的损伤局部化主要有三种模式:平行剪切带,单一剪切带和共轭剪切带·在局部化剪切带出现时,材料所表现出的高度非线性主要是剪切带内的损伤汇合连通滑移引起的,而在剪切带外主要发生弹性卸载回弹作用·岩石应力应变曲线峰值后区的力学响应主要取决于细观单元变形的结构效应,而损伤局部化正是造成应力应变峰后曲线具有尺度效应的原因,非均质岩石的全应力应变曲线不能纯粹地认为是岩石的材料性...     

Particle simulation of the failure process of brittle rock under triaxial compression

In order to investigate the failure process of brittle rock under triaxial compression through both experimental and numerical approaches, the particle simulation method was used in numerical simulations and the simulated results were compared with those of the experiment. The numerical simulation results, such as fracture propagation, microcrack distribution, stress-strain response, and damage patterns, were discussed in detail. The simulated results under various confining pressures (0–60 MPa) are in good agreement with the experimental results. The simulated results reveal that rock failure is caused by axial splitting under uniaxial compression. As the confining pressure increases, rock failure occurs in a few localized shear planes and the rock mechanical behavior is changed from brittle to ductile. Consequently, the peak failure strength, microcrack numbers, and the shear plane angle increase, but the ratio of tensile to shear microcracks decreases. The damage formation during the compression simulations indicates that the particle simulation method can produce similar behaviors as those observed through laboratory compression tests.     

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.     

含孔洞大理岩破坏特性的颗粒流分析

基于室内单轴压缩试验结果,利用颗粒流程序PFC2D,模拟含预制孔洞大理岩在单轴和双轴压缩条件下的破坏过程,分析预制孔洞形状、围压大小以及岩石非均质性对大理岩力学特性和裂纹扩展的影响.数值结果表明:与完整大理岩试样相比,含孔洞试样的峰值强度显著降低,降低程度与孔洞形状有关;围压对含孔洞大理岩试样的力学特性和裂纹扩展有显著影响,含孔洞试样的峰值强度随围压的增加而增加,但偏应力峰值随围压的增加呈先增大后减小的变化趋势;试样的破坏模式与孔洞形状相关,含圆形孔洞试样为类X型剪切破坏,含矩形孔洞或马蹄形孔洞试样为对角剪切破坏;岩石内部的矿物结核影响了裂纹的扩展路径,从而改变试样的宏观破坏模式.微观机理分析表明:孔洞周边裂纹的萌生与扩展过程伴随着应力集中区的释放与转移;含孔洞试样的宏观裂纹有3种模式:孔壁剥落、拉伸裂纹和压剪裂纹.     

考虑裂缝影响的页岩三轴压缩实验研究

为了探究页岩的破坏特征以及力学性质与裂缝之间的关系以及影响机理,本文采用RTR-1000岩石三轴力学测试系统对含不同裂缝（控制单一变量,使裂缝的条数、倾角、深度、填充物分别不同）页岩实施三轴实验,研究了不同裂缝形态下页岩的峰值应力、弹性模量以及破坏形式。实验结果表明：随着裂缝深度的增大,试件的弹性模量和峰值应力越小,同时破裂面与轴向应力的夹角变小;随着试件所含的的裂缝角度逐渐增大,页岩样品的弹性模量以及峰值压力的变化均表现凹型,并且随角度增大破裂面形态发生变化,当倾角为45° 时峰值应力和弹性模量降至最低;随着裂缝条数的增加,试件的弹性模量和峰值应力越小,其破坏形式为张拉和剪切破坏共存;随着裂缝充填物中方解石含量的增大,试件的弹性模量和峰值应力先减小再增大,当充填物中方解石含量为50 % 时值最小,并且岩样破坏主要是剪切破坏,随着方解石含量的增加,破裂面越容易经过填充带。     

圆形洞室模型在双轴加载下的力学特征分析

为探究圆形洞室围岩在不同围压下加载过程中的力学特征变化,对制作的含圆形洞室的类岩石材料进行双轴加压试验,运用数字图像技术记录全场应变演化过程,并根据室内试验建立颗粒流模型,探究了围压对洞室围岩的抗压强度以及裂纹的发育的影响。结果表明：尺寸效应对模型的力学特征影响较大,圆形洞室模型峰值抗压强度随着洞室尺寸的增加而减小;当围压增大时,压剪作用增强,洞室模型的破坏模式由以张拉应变为主向拉剪复合破坏为主转变;圆形洞室应变集中区域会随着围压的增大由洞口上下侧向两帮转移;当围压逐渐增大,张拉作用被抑制,洞口两侧破坏程度逐渐增加,收缩变形程度逐渐增大;最后通过数值模拟验证了圆形洞室围岩在不同围压下加载过程中的力学变化特征。     

胶结材料加载破坏的能量积聚与释放响应研究

为研究胶结材料在0.001 kN/s的速度缓慢加载达到峰值强度后出现的第二跌落特征,并伴随发生在第二跌落区出现的噪音分贝值的突增现象产生的原因,应用能量积聚与释放的总能量平衡理论,对胶结充填体轴向加载试验获取全应力应变曲线,并通过电子噪音测试设备测试加载过程中的噪音分贝值的大小,引入可表征试件全应力应变曲线的即时弹性模量与割线弹性模量比值,作为柔化正态张量和可表征试件不同等应变变化的应变能与总应变能比值作为应变能张量,通过柔化正态张量和应变能张量的变化大小,表征试件在能量积聚阶段和释放响应阶段的变化特点,特别是在第二跌落阶段的能量变化特点。同时通过噪音分贝测量方法试验,建立噪音分贝与试件能量释放大小之间的对应关系。研究结果表明,只要加载速度较小,达到0.001 kN/s左右时,胶结充填体才会出现明显的第二跌落区。通过电子噪音分贝测试第二跌落区破坏出现的噪音分贝突增15dB,相较常规加载多增加了10 dB以上。同时将这种缓慢加载方式应用在矿岩加载试验中,其加载破坏时的噪音分贝值突增更加明显,增加值达到20～35 dB。表明试件在近似等压受载环境下,更易积聚能量,并在破坏时以突然释放的形式释放,说明能量释放的强度是以前期积聚能量为前提的,这将有助于指导金属矿山采场高应力区评价,维护采场安全。     

水泥砂浆应变率效应研究

为分析试件长径比和应变率对水泥砂浆动态力学性能的影响规律,采用准静态实验测量了砂浆的单轴压缩强度、弹性模量以及泊松比.利用分离式SHPB压杆进行1维应力压缩实验,对水泥砂浆试件进行了回收和比较,获得了不同长径比水泥砂浆试样在不同加载速率下的动态损伤破坏过程和应力应变曲线,研究了动态强度增强因子随应变率的变化规律.结果表明:动态压缩强度随应变率的增加而显著增大;试件直径相同时,厚度小的获得的动态强度增强因子要小于厚度大的;随着应变率提高,试件损伤增加,碎块尺寸越小,表明破坏能量随应变率的增加而提高.