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。     

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.     

冲击载荷下胶结充填体的力学性能及能耗特征

为得到中等应变率下全尾砂胶结充填体动态力学性能及破坏规律,采用分离式霍普金森杆(SHPB)试验技术对全尾砂胶结充填体进行了冲击加载试验.试验结果表明:充填体的动态抗压强度及动态抗压强度增长因子随平均应变率的增加均呈线性增长规律,灰砂比越高,充填体的动态抗压强度越大,但动态强度增长因子越小;充填体的韧性指数与平均应变率对数具有显著的正相关性,与静态加载下相比,韧性指数呈几何倍数递减;动载冲击下,充填体的破坏形态主要为轴向宏观主裂缝拉伸破坏及压碎破坏,当平均应变率高于临界值时,充填体破坏形态为压碎破坏;在相同应变率作用下,充填体的单位体积吸收能和单位质量充填体破碎耗能随着平均应变率的增加呈指数函数增长规律,水泥含量越高的充填体具有越高的破碎耗能及单位体积吸收能,且破坏损伤程度越小.     

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。     

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。     

加载速率对分层充填体强度特性的影响

随着阶段嗣后充填采矿法的广泛应用,相邻矿体的开采扰动必然会对分层充填体的力学性能产生影响。为了研究不同加载速率对分层充填体强度特性和破坏模式的影响,分别对养护3、7、28天的分层充填体进行了0.2 、0.5、1.0、1.5、2.0 mm/min 5种加载速率下的单轴压缩试验,根据不同加载速率的单轴抗压强度试验结果,分析了不同养护龄期的分层充填体强度及破坏模式与加载速率之间的关系并建立了回归方程。试验结果表明:不同加载速率下分层充填体的应力应变曲线与完整充填体类似。养护龄期3天时,分层充填体的单轴抗压强度随加载速率的增加而逐渐减小,养护龄期7、28天时,存在临界加载速率现象。在临界加载速率范围内,提高加载速率可以限制初始缺陷的发育,达到临界加载速率后,加载速率将会促进分层结构面的分离、错动及原始缺陷的扩展延伸,抗压强度降低。分层充填体的破坏模式随加载速率变化,在临界加载速率时破坏模式有明显转变,随着加载速率的增加,养护3天时,分层充填体的破坏模式由拉伸剪切混合破坏变为拉伸破坏。养护7、28天时,当达到临界加载速率时破坏模式转变共轭剪切破坏,中间层破坏严重且与上下两层产生明显分离、错动。本研究通过室内试验得到临界加载速率,为研究分层充填体的强度特性提供了重要的研究依据。     

循环加卸载下饱和岩石变形破坏的损伤与能量分析

以中关铁矿深部饱水闪长岩单轴循环加卸载的室内力学试验结果为基础,结合线弹性损伤力学理论,针对饱和岩石在单轴循环加卸载作用下的变形、损伤及能耗特性进行了研究.结果表明:每一级加载与卸载过程的应力-应变曲线均呈内凹形,随着循环次数及应力水平的增加,塑性滞回曲线向应变增大的方向移动,且应变中不可恢复的变形逐渐减小;轴向应变、横向应变和体应变的绝对损伤参数与累积损伤参数均随循环次数及应力水平的增大而增大,且三者的变化趋势基本一致;能量耗散值与循环的次数近似呈线性关系,后一循环的能耗不等于前几次循环能耗之和.     

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.     

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.     

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。     

混凝土在三轴比例加载下的损伤特性研究

将根据Najar损伤理论建立的单轴受压条件下混凝土损伤模型推广应用到三轴受压状态、利用由Simpson积分方法建立的损伤模型,计算得到了混凝土在三轴比例加载作用下,竖向主应力方向的损伤曲线．研究结果表明,混凝土在三轴受压和单轴受压作用下的损伤有相似的发展趋势．2种类型加载历史下混凝土损伤都随着应变的增大而增大,且初始加载阶段损伤发展较快,加载末段损伤发展缓慢并趋于稳定值．但是,在相同应变历史条件下,三轴受压下的损伤值比单压下的损伤值明显变小,而且随着侧压比例的增大损伤进一步减小,说明侧压有效限制了混凝土损伤的发展．另外,三向等比例加载状态下混凝土损伤近似沿直线增长,且损伤增长速率非常小,说明这种加载状态对于充分发挥混凝土受压特性是最有利的．     

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.     

高持续荷载下混凝土徐变和损伤耦合机理

为研究混凝土在高持续荷载作用下徐变和损伤的耦合机理.采用加卸载、碱骨料及高温烘烤获得了带不同初始损伤的混凝土,并开展了损伤混凝土在不同应力水平高持续荷载下的徐变试验,分析了混凝土徐变变形和损伤随持荷时间的变化规律,研究了单调加载和持续荷载下材料内部损伤演化和应变能累积的关系.结果 表明:混凝土在长期荷载作用下损伤随徐变应变增加而增大,在损伤稳定发展阶段徐变应变与损伤基本呈线性关系.混凝土在不同荷载形式下应变能和损伤的演化关系相同,可以通过混凝土单轴损伤-应变能关系来表征高持续荷载下徐变和损伤的耦合关系.研究成果可以为长期荷载下混凝土结构分析提供参考.     

胶结充填体冲击破坏及损伤演化数值模拟研究

为定量描述胶结充填体在动载作用下的损伤程度及破坏过程,利用数值模拟软件对胶结充填体进行SHPB动态冲击,并通过室内SHPB冲击试验结果验证数值模拟方法的可行性. 对不同冲击速度（1.5 ,1.7 ,1.8 ,2.0 m/s）条件下4种配比胶结充填体（灰砂质量比分别为1∶4, 1∶6, 1∶8, 1∶10）,采用微裂纹密度法定义损伤变量值d,进行损伤规律及破坏过程的数值模拟研究. 结果表明:数值模拟中使用波形整形器可获得更加理想的矩形波,使试件同一平面单元所受应力均匀,无应力集中现象;数值模拟结果很好地展现了胶结充填体的动态破坏过程,其整体破坏趋势为边缘发生剥落后裂纹向内部延伸与贯穿;在加载速度从1.7 m/s增加至1.8 m/s的过程中,损伤变量增大幅度超过10％;冲击速度由1.5 m/s增加至2.0 m/s的过程中,灰砂质量比为1∶4, 1∶6, 1∶8和1∶10的胶结充填体的损伤变量d变化范围分别为0.238～0.336,0.274～0.413,0.391～0.547,0.473～0.617,灰砂质量比1∶6变化至1∶8时,出现明显的损伤“跃升”现象.      

加卸载下原煤力学特性及渗透演化规律

基于自主研发的煤岩热流固耦合试验系统,在考虑实际开采方式的条件下,进行轴压升高和围压降低的加卸载试验,分析研究不同加卸载速率下原煤的力学特性和渗透演化规律.结果表明:加卸载过程中,轴向应力的加载速率越大,峰值应力附近的曲线平台越长,峰值应力、轴向应变和环向应变也越大,体应变则越小.不同加卸载速率比下含瓦斯煤变形模量均先迅速减小后缓慢减小,到破坏时再迅速降低,而后逐渐保持稳定趋势;在相同轴向应变时,加卸载速率比越小,煤样的变形模量越大.加卸载过程中,煤样的偏应力、渗透率与应变的关系可分为三个阶段:初始压密与弹性阶段、屈服破坏阶段和破坏后阶段.加卸载速率比越小,煤样达到峰值应力时,含瓦斯煤的渗透率和体积变形越大.     

含硫充填体膨胀裂隙发育特性与单轴抗压强度的关联分析

含硫胶结充填体随着养护龄期的延长会出现膨胀开裂现象,存在明显裂隙的充填体试件再进行单轴抗压强度测试其结果十分离散,已不能有效地获得充填体力学参数.在室内进行配比试验,采用数字图像处理技术对得到的充填体表面裂隙图像进行二值化、去噪等预处理,而后计算其分形维数并分析其演化规律,且将分形维数与单轴抗压强度关联分析.研究结果表明:充填体试件面表的裂隙存在自相似性,表面裂隙越发育,其分形维数越大;分形维数与单轴抗压强度存在负相关关系,分形维数越小,其单轴抗压强度越高;分形维数可判别含硫充填体试件的完整性,当充填体表面裂隙的分形维数小于某阈值时,强度试验的结果更为可靠.     

循环载荷下应变率对有机玻璃耗散能演化规律的影响

为研究有机玻璃(polymethyl methacrylate,PMMA)耗散能随预应变增加的演化规律及其与应变率的关系,进行了不同应变率下的循环加卸载压缩试验,分析了相应的应力应变曲线;讨论了不同应变率下每次循环耗散能密度的变化规律,提出了一个幂指数模型,并在这些耗散能密度的基础上拟合该模型的参数,研究拟合参数的变化趋势及其影响因素。结果表明,预应变与黏性呈负相关,应变率与应变软化呈正相关。拟合曲线与试验数据吻合良好,该模型可以有效预测有机玻璃耗散能的变化趋势。     

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。