冻融循环作用下岩桥变形破裂及能量转化特征研究*

为研究寒区锁固型岩质边坡的破坏机制,对岩桥试件开展冻融循环试验和单轴压缩试验。以数字图像相关方法为观测手段获得加载过程中的全局应变场,分析冻融循环作用对岩桥变形破裂演化特征的影响。引入能量特征指标,探究冻融岩桥加载过程中的能量耗散和释放规律。研究结果表明:随着冻融循环次数的增加,试件抗压强度和弹性模量逐渐劣化;冻融循环作用未改变最终破坏模式,均表现为剪切裂纹贯穿中部岩桥造成的失稳破坏。冻融循环作用促进应变集中带的出现和扩展,加剧裂隙周边的应变集中程度。随着冻融循环次数的增加,试件储能极限和应变能峰后转化率逐渐降低,说明冻融循环作用减缓能量耗散和释放;试件最终破坏与能量转化密切相关,储能极限和应变能峰后转化率越大,试件脆性破坏越显著。     

花岗岩颗粒流模型循环压缩作用下能量特征分析

为分析花岗岩颗粒流模型循环作用下的能量特征,基于花岗岩单轴压缩试验得到的应力应变曲线,完成了PFC3D数值试验的参数标定,探讨了不同循环次数下数值试件内部总能量、弹性应变能和耗散能的变化规律,建立了一定循环次数下耗散能随应力变化的演化方程。研究结果表明:在数值试件加载至破坏过程中,这些能量参数以应力应变曲线峰值点为分界,峰前的总能量、弹性应变能和耗散能随应力呈非线性增长,总能量增长速率最快,弹性能次之,耗散能最慢;至峰值点附近时弹性应变能达到储能极限,增速降为0;峰后则表现为弹性应变能急剧释放,耗散能随裂纹发展而快速增加,能量急剧释放是导致岩石灾变破坏的主要原因。提出的基于材料阻尼理论的耗散能演化方程,计算结果和试验数据对比表明其可以较好地反映一定循环次数下耗散能随应力变化的特征。     

冻融循环作用下受荷砂岩的能量演化与破碎分形特征*

为研究冻融循环作用对岩石力学特性的影响,对砂岩试件依次进行冻融循环处理、单轴压缩实验以及筛分实验,分析不同冻融循环次数下砂岩试件加载过程中的能量演化、分配规律以及破坏后碎屑尺度分布的分形特征,并讨论冻融循环作用的影响效应。结果表明:随着冻融循环次数的增加,单轴抗压强度和弹性模量均呈指数衰减的趋势,峰值应力点对应的耗散应变能及其与总能量比值表现出类似的变化规律。这些试件破坏后的碎屑尺度分布具有分形特征,分形维数在2.50~2.61之间。数据拟合进一步表明冻融循环作用下耗散应变能与分形维数之间呈显著的线性正相关关系,这是因为冻融循环次数越大使得砂岩试件的抗压强度越小,破坏所需的耗散应变能越小,试件破碎程度越不严重,导致相应的分形维数越小。     

液氮对不同温度煤裂隙冻融扩展作用研究

为研究液氮冻融循环作用对煤内原生裂隙扩展和抗压强度的影响,选取初始温度分别为35,55和75℃的原煤煤样,采用激光共聚焦显微镜、声波测速仪测试煤样经液氮冻融前后的裂隙扩展程度,通过单轴压缩试验研究冻融循环前后煤样抗压强度的变化规律。结果表明,液氮冻融循环对煤裂隙的发育有促进作用,相同冻融循环周期下试样裂隙宽度扩展量随初始温度升高而增大;相同初始温度下试样裂隙宽度扩展量随冻融循环周期数的增加而增大,试样裂隙沿垂直节理方向扩展明显;55和75℃煤样破坏周期数分别为8和9。     

不同应力路径下岩石卸荷破坏过程的变形特性与能量耗散分析

基于能量原理和MTS试验机进行了三种不同应力路径下花岗岩卸载试验,研究了卸荷条件下岩石的应力—应变全过程曲线变形特征和岩样卸围压破坏过程的能量耗散规律。研究结果表明,在卸围压过程中,岩样侧向变形明显大于轴向变形,即表现为明显的侧向扩容,且方案3方案1方案2;能量耗散与时间呈非线性关系,且在卸围压试验中,施加围压越大,在相同侧向变形水平下能量耗散越大;在同一卸载方式下岩石耗散能随着围压的增大而增大。其研究结果对从能量角度研究卸载岩石力学特性有一定的指导作用。     

冻融影响下不同岩性岩石物理力学特性试验研究*

为探究冻融循环影响下不同岩性岩石的物理力学性质的差异化响应,对青砂岩、灰砂岩2种砂岩,白色大理岩、麻粒岩2种变质岩开展冻融循环试验和相关力学试验。研究结果表明:在冻融循环过程中,2种砂岩的质量变化幅度明显高于2种变质岩。相较于青砂岩与麻粒岩,大理岩的单轴压缩强度及弹性模量劣化速率最快。冻融前后青砂岩、大理岩的单轴压缩破坏模式发生明显变化。灰砂岩抗拉强度劣化速率显著低于青砂岩。基于单轴抗压强度、抗拉强度的脆性指数表明冻融作用提高青砂岩的脆性。研究结果可为冻融影响下工程岩体的稳定性与安全性评价提供参考。     

硫酸盐腐蚀作用下膏体充填材料蠕变特性研究

为研究硫酸盐腐蚀后膏体充填材料的蠕变特性,采用饱和的Na2SO4溶液对充填体进行腐蚀试验,并对各个腐蚀时间不同的充填体采用TAW2000型岩石三轴试验机进行三轴蠕变试验。根据试验数据建立膏体充填材料的蠕变本构模型,将一个应变触发的非线性粘壶串联到Burgers模型上,建立满足充填体蠕变特性的改进Burgers模型,并推导其一维和三维蠕变本构方程。研究结果表明:在硫酸盐腐蚀作用下,充填体的蠕变变形在腐蚀6d时出现了一定的减少,但随着腐蚀时间的推移蠕变变形明显加大,在应力较大时出现了加速蠕变并导致试件破坏,硫酸盐腐蚀作用严重影响了充填效果;建立的改进的Burgers模型与试验数据基本吻合,能够反映腐蚀后充填体蠕变规律。     

双向不等围压煤岩破坏能量演化机理与能量强度准则

结合室内单轴试验和颗粒流与Fish语言程序对杨村矿煤岩进行了不同围压组合试验,研究双向不等围压煤岩的强度、能量演化机制,并基于能量原理导出能量强度准则。结果表明:随围压比增大,煤岩屈服段对应应变幅宽先增后减,峰后软化段应力降明显,残余强度减小;可释放弹性应变能随应变增加在峰值前不断增大,但增速越来越小,峰后初期快速减小,然后保持较低水平;随围压比增大,煤岩在较大轴向应变下出现内部损伤,高围压比下峰前一定应变范围吸收的能量全部用于内部损伤裂隙形成和扩展所需的表面能,揭示了高围压比要比低围压比煤岩破坏时内部损伤程度严重;高围压比煤岩在较大第一、第二主应力作用下峰后弹性应变能释放更加容易;煤岩弹性储能极限与围压比存在线性变化规律,将弹性储能极限与能量演化结合导出能量强度准则,准则方程包含岩性常数和3个主应力,考虑了岩石破坏的综合因素,计算精度比Hoek-Brown准则和Drucker-Prager准则更具优势,能很好地表达岩石强度特性。     

岩石破坏失稳的声发射响应与损伤定量表征研究

为了探索在外载荷作用下岩石的损伤演化规律及声发射响应特征，实现损伤程度的定量表征，以标准岩石试件为研究对象，采用RMT-301岩石力学试验系统和DS5-8B全信息声发射仪，开展单轴加载条件下岩石破坏全过程的声发射(AE)试验研究，根据声发射参数、声发射源三维定位、声发射能量密度和岩石力学分析表征其破坏形态，再现岩石裂隙孕育、发展和贯通过程，揭示岩石破坏规律、能量密度分布特征、裂隙空间演化和AE时序参数；以时间为中间变量，建立声发射累计振铃计数和应力、应变及损伤变量的耦合关系；基于岩石损伤演化方程，进一步建立声发射累积能量和应力、应变的定量模型。研究结果对揭示岩石破坏机制、区分岩体强度具有指导意义，为矿山煤岩动力灾害的预测预警提供一定理论支撑。     

卸载所致岩爆颗粒流模型的实现与应用

为研究巷道开挖引起的卸载岩爆及岩爆过程细观层面行为特点,构建基于能量理论的三维改进岩爆模型,并通过颗粒流(PFC)分析程序PFC3D予以实现。总结相关文献,并根据细观层面上的岩爆发生过程,提出剩余能量转化方程。建立岩石耗散能和岩石可释放弹性应变能的计算方法。模拟某矿地质条件下不同深度岩体卸载后引起岩爆的过程。结果表明:-820 m工况下发生的岩爆,其发生时间极短;一次宏观岩爆是由多次微观岩爆叠加而成的;岩爆伴随着卸载面岩体突出变形,并可能导致卸载面坍塌。-420 m工况下开始发生轻微岩爆。     

组合煤岩力学性质与声-电荷信号关系研究

为探究组合煤岩力学性质与声-电荷信号关系，选用新邱矿区煤样和砂岩制备组合煤岩试样，采用物理实验和数值实验相结合的方法，开展不同岩煤高度比的组合煤岩试样受载破坏声发射与电荷感应监测试验，得到了组合煤岩力学性质、声-电荷信号规律及其相互关系。结果表明:组合煤岩试样中的岩石高度提高会提升其整体强度，其破坏脆性特征显著，冲击倾向性增强，弹性阶段的声发射信号提前，声发射能量累积量增加，峰后声发射能量变化率及电荷变化率增大；组合煤岩峰后产生连续声发射信号和电荷信号，强冲击和中等冲击组合煤岩破坏时声发射能量变化率分别为0.336和0.047 J/s,电荷变化率分别为204.88和24.52 pC/s。声发射信号与电荷信号可以在一定程度上反应组合煤岩应力状态并预测失稳破坏，为通过信号监测煤体冲击地压灾害发生提供依据。     

煤矿砂岩动态力学性能试验与分析方法研究*

为研究动载荷作用下煤岩体测试与分析方法,基于直径50 mm分离式Hopkinson试验装置,采用半导体应变片和电阻应变片2种方法采集透射波,开展淮北矿区典型砂岩动态冲击压缩试验,采用二波法和三波法分别计算得到砂岩试件的应变率、应力和应变峰值等动态力学参数以及能量耗散特征,分析不同应变片种类和计算分析方法的差异性。结果表明:不同计算分析方法得到的应力应变曲线形态基本一致,2种应变片采集的数据可以组合使用;与电阻应变片相比,半导体应变片灵敏系数高,由其采集数据计算得到的应力值高、峰值应变小、应力应变曲线光滑,三波法处理数据具有更高的可靠性;根据2种应变片测试数据计算得到试件应变率、动态强度及峰值应变均随冲击速度的增加而增加,试件吸收能量变化也具有一致性,能量耗散率误差在10%以内。研究结果可为煤矿软岩动态力学性能测试与分析提供参考。     

基于TVR的腐蚀油气管道失效概率及安全寿命研究

为避免因腐蚀导致油气管道失效，针对因管道特性和腐蚀尺寸的不确定性使得管道剩余强度成为概率模型的特点，建立了腐蚀管道强度损失随机模型；借助可靠性理论，通过分析管道腐蚀进程的时变性特点，将管道系统由损伤积累和抗力衰减导致的剩余强度随机化；提出基于穿越率的腐蚀油气管道失效评定及安全寿命预测方法。研究结果表明:腐蚀速率和运行压力对管道失效概率及安全寿命影响显著,管道尺寸影响适中，而相关系数和拉伸强度影响较小；若腐蚀速率Va=0.2 mm/a，VL=10 mm/a或局部腐蚀缺陷半径达到管道壁厚的0.5倍时，建议作为重点风险段监测并检修。所建方法是对腐蚀油气管道运营监控和风险评估的有益补充。     

滇东黔西松软煤岩三轴压缩力学特性及能量演化特征

为促进滇东黔西地区煤炭资源安全高效开发,开展了不同围压下的三轴压缩试验,研究了该地区松软煤岩的压缩力学特性及能量演化特征。研究结果表明:裂隙增大了松软煤岩差应力-应变曲线峰后下降的速率,差应力-体积应变曲线从峰前屈服阶段开始左拐,表现出扩容现象,达到峰值强度后扩容现象愈加明显;围压增强了煤岩承压能力,对煤岩压缩变形过程中径向变形的抑制作用明显;围压条件下,松软煤岩的抗压强度、破坏模式及破坏角均符合Coulomb强度准则;围压几乎不影响弹性能的增长速率,但提高了煤样储存弹性能的能力,受割理等裂隙影响,耗散能与围压无明确相关关系。     

保温层下管道腐蚀监测系统及应用研究

为预防保温层下管道腐蚀带来的严重问题,必须采取有效措施进行腐蚀在线监测,以了解管道的剩余壁厚情况。在分析现有的腐蚀监测技术不足的前提下,基于γ射线数字扫描检测技术（GSDT）,研发了1套保温层下管道腐蚀在线监测系统,该系统可以实现对保温层下腐蚀管道剩余壁厚在线监测,并通过带保温层管道的检测试验和t-分布分析方法检验腐蚀监测系统的检测精度,最后以某化工企业为例,验证了该系统的有效性。结果表明:腐蚀监测系统可以实现对保温层管道剩余壁厚的监测,保温层和高密度介质不影响管壁厚度的测量结果,且使用所研发的腐蚀监测系统监测到的管道腐蚀速率与现场实际腐蚀速率基本一致。