不同应力比的循环荷载下砂岩变形损伤特性研究*

为探究循环荷载下砂岩试件的变形损伤特性,开展3种不同幅值下的循环加卸载试验,分析应力比对砂岩变形损伤与能量耗散特性的影响规律。结果表明:应力比越大,相邻加载段应变差越大,部分高应力下不可恢复的变形在低应力时有所恢复;当应力比为0.50和0.67时,各循环泊松比相差不大,介于0.231~0.247之间,而当应力比为0.88时,泊松比随循环数有增加趋势;应力比越大耗散能占比越大,试件吸收并转化为用于自身损伤的能量越大。高应力循环荷载下试件损伤逐渐积累,在衡量试件损伤变化时采用的耗散能只考虑了轴向残余应变与应力,忽略了径向变形的影响。     

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。     

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。     

复合煤岩循环加卸荷红外辐射及能量演化特征北大核心CSCD

为了深入分析循环加卸荷过程中复合煤岩能量演化特征,以平庄煤业集团风水沟矿为研究对象,利用三轴试验机和长波热像仪对复合煤岩在不同加卸荷速率下进行循环加卸荷试验并实现红外辐射监测,得到复合煤岩在加卸了过程中各部分表面平均红外温度变化,研究了不同加卸荷速率下弹性能密度、耗散能密度随温度及轴向载荷变化的规律,确定了总能量、弹性能和耗散能与轴向载荷和红外辐射温度之间的拟合关系。结果表明,煤岩红外辐射温度变化分为起始升温、温度平稳、温度骤降和快速升温4个阶段,其中快速升温阶段各能量增长速率最大。总能量、弹性能、耗散能与轴向载荷、煤体红外辐射温度高度相关,可以采用非线性曲线较好地拟合。研究成果为采用红外辐射温度变化法来分析循环加卸载过程中煤岩能量演化特征提供了依据。     

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。     

循环载荷下煤样渗透特性试验研究

以原煤煤样为研究对象,采用自主研发的三轴应力渗流实验系统,进行等幅循环加、卸载的渗透率测试,研究煤样疲劳损伤过程中渗透率对应力水平的响应特征。结果表明:上、下限应力点处渗透率随循环次数出现降低-稳定-升高3个阶段,整体呈“U”型,并且随着上限应力水平的升高,曲线有向“V”型发展的趋势。拟合结果显示:在渗透率降低阶段,渗透率与循环次数呈幂指数函数关系;在渗透率升高阶段,渗透率与循环次数呈指数函数关系,并且渗透率随循环次数的降低和升高速率与上限应力水平正相关。     

循环载荷下煤样不同方向渗透特性试验研究

针对循环采动过程中煤层不同方向渗透特征的演化规律问题，以平顶山十二矿己15煤层煤样为研究对象，利用自行研制的应力-渗流-解吸煤体变形试验装置，开展了循环围压加载下煤样不同方向渗透试验。研究结果表明:在相同的轴压、围压和平均孔隙压力下，试样平行层理面方向的渗透率大于垂直层理，平行层理面内的渗透率相差不大。在围压恒定的情况下，通过试样的流量随着渗透压差的增大而增大，且二者之间的关系可以用二次函数描述；围压增加，导致裂隙闭合，渗透率减小，当循环围压大于煤屈服强度和抗压强度时，裂隙扩展，渗透率增加；循环围压加载可以改变煤样原有不同方向渗透率大小顺序，渗透率与原初始渗透率比值随循环加载次数的增加而增大。     

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。     

乙炔燃爆特性的研究

为减少乙炔火灾爆炸事故的发生,采用20 L爆炸罐为试验仪器,对常温、初始压力0.1 MPa条件下,不同体积配比乙炔-空气混合气的燃爆特性及氮气对乙炔分解爆炸的影响进行了试验研究,并结合碰撞理论和燃烧反应方程对试验结果进行了理论分析。结果表明:乙炔-空气混合气体随乙炔体积分数增大,最大爆炸压力逐渐升高;在乙炔体积分数为10%~55%范围内,乙炔与空气混合气的最大爆炸压力恒定在1.7 MPa,乙炔体积分数为10%时取得最大爆炸指数(78.14MPa.m/s);乙炔体积分数为55%~100%范围内,混合气体爆炸与初始压力有关,并且初始压力随乙炔体积分数增大而升高;纯乙炔分解爆炸的初始压力为0.18 MPa。氮气对乙炔分解爆炸有一定的抑制作用,并随氮气体积分数增加,抑制作用逐渐增大。     

三轴应力下煤岩损伤-能量演化特征研究

为有效预防煤岩动力灾害,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置对煤岩进行三轴压缩试验,研究三轴应力下煤岩的变形破坏特征及损伤过程中的能量演化机制;建立煤岩损伤本构模型;构建损伤-能量耦合数学表达式。结果表明:不同围压下煤岩偏应力-应变曲线的变化趋势基本一致;煤岩在变形破坏过程中,能量转换形式随变形破坏规律呈现阶段性变化;围压对煤岩的能耗特征有较大的影响,煤岩吸收的总能量、弹性能、耗散能的增长速率均随围压的增大而增大,且在峰值偏应力点处,随着围压的增大,临界破坏点总能量、储能极限、临界破坏点耗散能线性增大;能量耗散是造成煤岩内部结构产生损伤的主要原因,耗散能随损伤变量的增大总体上呈S型变化。     

加卸荷条件下岩石力学特性与声发射特征

为了探究真三轴复杂应力变化条件下岩石强度及破坏模式,通过真三轴卸荷扰动测试系统对砂岩试件进行不同第二主应力加卸荷试验,讨论在加卸荷过程中岩石的力学特性及声发射特征。试验结果表明:第二主应力的增加对试件的承载能力起到先增强后弱化的效果;不同第二主应力加卸荷声发射能量及累计振铃计数变化趋势大体一致,耗散能量比在载荷达到岩石损伤强度时突增;声发射能量峰值提前于试件轴向应力跌落,声发射能量和累计振铃计数大幅突增可作为岩石破坏的前兆;在低载荷下岩石中活动主要是裂隙压密与发育,在达到岩石损伤强度后岩石中的活动主要是裂纹贯通形成破裂面,砂岩试件声发射定位点集中区域与试件主要破裂面基本吻合。     

京沈高铁风积土路基弱化特性的试验研究

基于循环三轴试验,研究了辽西风积土在不同固结条件和施加初始静偏应力作用下刚度的循环弱化特性,提出了考虑有效固结应力、初始静偏应力、动应力水平和循环荷载作用次数的风积土刚度弱化模型。结果表明:在相同固结条件下,风积土的刚度随固结围压增大而增大;随循环次数的增加、初始静偏应力的施加和动应力比的提高,风积土的刚度衰减显著;在试验基础上提出的风积土刚度弱化模型,能够较好地反映在循环荷载作用下刚度的衰减规律。     

循环荷载下煤岩弹塑性损伤的能量机制分析

为探究采动应力周期性扰动下煤岩的损伤变形及能量演化机制,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置,开展不同稳定时间下煤岩三轴循环荷载试验;基于能量参数分析,推导出循环荷载作用下煤岩弹塑性损伤变量计算公式,分析煤岩弹塑性损伤演化行为。研究结果表明:不同稳定时间下煤岩主应力差-轴向应变曲线呈现周期性滞回环演化趋势,在稳定时间和外部荷载下弹性模量并没有随循环次数的增大而减小,煤岩损伤机制发生变化;煤岩吸收的总能量U与耗散能Ud随循环次数的增加总体变化趋势为L型,弹性能Ue逐渐减小而后趋于稳定;基于能量计算的煤岩弹塑性损伤变量值在30次循环荷载过程中,均在一稳定值附近呈波动性稳定变化趋势。     

含水率对预制裂纹煤样能耗与破坏模式的影响

为研究注水对煤层破坏特性的影响,开展煤样单轴压缩试验,观察不同含水率预制裂纹型煤试件的能耗及破坏模式。结果表明:随着含水率的增加,煤样单轴抗压强度和弹性模量均以负指数函数方式下降;煤样积聚的总能量、存储的弹性能和破坏的耗散能均随含水率以二次抛物线递减函数方式减小;煤样中预制裂纹产生起裂点所需轴向应力和峰值应力随含水率逐渐减小;试样破坏形式随含水率由单一剪切破坏发展到拉伸破坏,然后剪切拉伸复合型破坏。     

循环冲击荷载下含孔洞岩石损伤特性与能量耗散分析

为探究隧道工程开挖过程中外部荷载对隧道围岩多重扰动的影响,采用霍普金森压杆(SHPB)装置进行不同冲击荷载(0.6、0.7、0.8 MPa)和冲击方式(等幅与不等幅冲击气压)下的循环冲击试验,以此分析冲击载荷作用下含孔洞岩石试件的动力学特性、损伤特征、能量耗散和破坏形态。结果表明:基于一维应力波理论和界面连续条件得到适用于含竖向孔洞岩石试件计算的改良损伤计算公式;竖向孔洞的存在会影响岩石应力-应变曲线的变化趋势,并在经历数次冲击后尤为显著;花岗岩损伤积累随平均应变率增大呈幂函数增长,且随冲击荷载的增加呈现良好的规律性;积累比能量吸收值随循环冲击的进行逐渐增大,且试件的破坏模式经历了横向拉伸破坏、横向拉伸-轴向劈裂组合形式、轴向劈裂破坏的转变。     

围压卸荷条件下砂岩损伤与动态破碎特性研究

为研究深部高应力岩体开挖卸荷对围岩的影响,运用自制的带轴向静压和围压装置的霍普金森压杆(SHPB)设备,开展不同速度围压卸荷试验。结合围压卸荷过程砂岩试样声发射特性及动态加载后试样破碎块度分维特性,分析围压卸荷速率对试样损伤的影响。试验结果表明:当卸荷速率在0.5～10 MPa/s范围内变化时,砂岩损伤、声发射能量及破碎分形维数随围压卸荷速率增大而增大;但当卸荷速率增大到200 MPa/s时,砂岩损伤、声发射能量及破碎分形维数反而减小。在一定范围内提高围压卸荷速率,有助于提高砂岩试样裂隙发育及损伤程度。     

热冲击煤细观损伤与能量响应的相关性研究

为研究热冲击煤细观损伤和能量响应机制的相关性，以平煤十矿24130工作面的煤作为研究对象，借助4K科研相机研究了不同热冲击煤的细观结构特征和热冲击对煤的损伤致裂效应。采用HC-U7非金属超声波探测仪、电热鼓风干燥箱、伺服万能试验机等仪器，开展了不同温度热冲击煤样加载试验，研究了热冲击对煤体单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、动态破坏时间、冲击能量指数的影响规律，分析了热冲击煤细观结构、宏观破坏状态、煤物理参数与力学参数及能量指数之间的变化关系，并阐述了热冲击煤受力加载过程中煤能量响应机制。结果表明，煤体细观结构与煤能量响应机制具有较好的正相关性。热冲击煤能量响应特征的差异是由煤初始损伤造成的，煤损伤的存在削弱了煤储存弹性应变能并发生破坏的能力。热冲击温度越高，煤样孔隙越发育，孔隙周围更容易形成高应力区相互叠加，更大程度降低力学性能。损伤发育程度越高，能量积聚和耗散能量越低，峰值前能量积聚和峰值后能量释放越稳定，破坏前能量耗散行为的主导作用越明显。     

钢筋与混凝土界面的腐蚀疲劳

腐蚀疲劳是钢筋混凝土结构破坏的主要因素之一。基于剪切筒模型及文中选用的实验加载方式 ,引入界面摩擦系数衰减表达式 ,同时考虑力学因素———应力比R和加载频率 f的影响 ,研究了钢筋与混凝土界面在拉 -拉循环荷载作用下腐蚀疲劳裂纹扩展情况。通过对Paris公式的修正 ,借助能量耗散率给出腐蚀疲劳数学模型 ,得到了界面腐蚀疲劳脱粘速率 ,脱粘长度与循环荷载作用次数的关系。最后与无腐蚀情况的结果进行比较 ,分析了影响界面腐蚀疲劳 (CF)裂纹扩展速率的因素 ,如应力比 ,加载频率。     

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。     

劈裂拉伸条件下大红山铜矿矿岩变形特性的试验研究

对大红山铜矿的3种岩石的试样进行了劈裂拉伸(巴西法)试验和单轴压缩试验,研究了岩石的变形特性。劈裂试验中在试样中部相互垂直的方向上粘贴了电阻应变计测量试样的变形。结果表明,在劈裂试验条件下,两种岩石均出现垂直于加载轴线方向所获得的拉伸弹模小于平行于加载轴线方向所获得的压缩弹模的现象。与单轴压缩下试样出现破裂、扩容的破坏特征相比,劈裂拉伸下试样的变形特征为接近峰值时变形曲线斜率会逐渐降低,达到峰值应力后则很快出现数值很大的拉伸变形,直至试样破坏。劈裂拉伸循环加卸载试验发现,大多数试样的拉伸卸载变形大于加载变形,致使残余变形的数值为负值,称之为反向残余变形。此现象与连续介质变形行为的预期不符,至今未见类似报道。反向残余变形是否具有普遍性及其影响,应该开展更多研究。