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卸载速率对花岗岩应变岩爆破坏及碎屑形貌特征的影响

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中南大学学报（自然科学版） 2023年第6期54卷 2298-2311页

作者：李春晓李德建刘校麟祁浩王德臣中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室北京100083 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083

为研究深部工程开采过程中开挖速率对岩爆破坏特征的影响,首先,利用自主研发的真三轴应变岩爆实验系统,开展不同卸载速率下的花岗岩应变岩爆实验,借助动态高速应力监测系统和双目高速摄影系统监测试样岩爆过程;其次,分析了卸载速率对试... 详细信息

为研究深部工程开采过程中开挖速率对岩爆破坏特征的影响,首先,利用自主研发的真三轴应变岩爆实验系统,开展不同卸载速率下的花岗岩应变岩爆实验,借助动态高速应力监测系统和双目高速摄影系统监测试样岩爆过程;其次,分析了卸载速率对试样的岩爆破坏峰值强度、岩爆破坏过程、试样破坏形态以及碎屑块度特征的影响;再次,利用三维激光扫描系统建立了中粗粒碎屑的三维数字模型,分析碎屑三维形貌的几何及表面幅度特征参数;最后,基于分形理论和立方体覆盖法,定量研究了不同卸载速率对岩爆碎屑表面形貌的影响。研究结果表明:随着卸载速率提高,试样岩爆时的峰值强度和破坏烈度增大,岩爆碎屑的破碎程度降低,岩爆破坏模式由张拉型破坏过渡到剪切型破坏。在高卸载速率的影响下,试样内部裂纹未充分发育和扩展,容易形成几何形态规则的岩爆碎屑,并且碎屑表面形貌的复杂程度降低。岩爆碎屑表面形貌具有明显的分形特征,卸载速率越大,碎屑表面形貌的分形维数越小。

关键词：应变岩爆卸载速率破坏特征碎屑形貌三维激光扫描分形

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卸载速率对北山花岗岩强度影响研究

岩土力学 2017年第S2期38卷 151-157页

作者：王超圣周宏伟何树生王子辉刘建锋中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083 四川大学水利水电学院四川成都610065

为了更准确地认识卸荷速率对北山花岗岩力学性质的影响,使用MTS815岩石试验系统进行了不同围压下不同卸荷速率的三轴试验。试验采用加轴压卸围压的方式,设置0.1、1.5、2.0 MPa/min三种围压卸载速率,轴压加载速率是围岩卸载速率的10倍,... 详细信息

为了更准确地认识卸荷速率对北山花岗岩力学性质的影响,使用MTS815岩石试验系统进行了不同围压下不同卸荷速率的三轴试验。试验采用加轴压卸围压的方式,设置0.1、1.5、2.0 MPa/min三种围压卸载速率,轴压加载速率是围岩卸载速率的10倍,初始围岩设置为5、10、15、20、30 MPa。加卸载过程用力控制,试验过程中用轴向引伸计和环向引伸计记录轴向变形和环向变形,研究加载速率对岩石强度、c、φ值的影响,并基于弹性能建立卸载速率影响系数。研究结果表明,(1)卸载试验岩石破坏均表现明显的脆性破坏特征,随着卸载速率增加,强度升高;(2)随着卸载速率增加,c值增大,φ值基本不变;(3)卸载速率主要通过应力调整滞后和卸载附加应力对岩石强度、c、φ值造成影响;(4)基于弹性能建立了影响系数,表征卸载速率对岩石破坏的影响程度,表明同一围压下卸载速率增加,影响系数增大,岩石破坏剧烈程度增加,同一卸载速率时,围压增加,影响系数减小,受围压的限制,岩石破坏剧烈程度降低。

关键词：北山花岗岩卸载速率岩石强度影响系数

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不同卸载速率下煤岩采动力学响应试验研究

工程科学与技术 2021年第6期53卷 54-63页

作者：高明忠王明耀谢晶李欣凯王英伟王飞杨本高张朝鹏刘军军中国平煤神马集团炼焦煤资源开发及综合利用国家重点实验室河南平顶山467000 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室水利水电学院四川成都610065 深圳大学广东省深地科学与地热能开发利用重点实验室深地科学与绿色能源研究院土木与交通工程学院广东深圳518060 中铁工程装备集团有限公司河南郑州450016

深刻认识采动应力路径下岩体力学响应的卸载速率效应,是科学界定实际工作面推进最优速率的重要基础。基于平煤矿区煤岩初始地应力环境,定量分析了千米级赋存深度煤岩保护层开采条件下应力演化特征,展开更为符合真实应力状态的不同卸载... 详细信息

深刻认识采动应力路径下岩体力学响应的卸载速率效应,是科学界定实际工作面推进最优速率的重要基础。基于平煤矿区煤岩初始地应力环境,定量分析了千米级赋存深度煤岩保护层开采条件下应力演化特征,展开更为符合真实应力状态的不同卸载速率下煤岩体力学行为试验测试;同时,与未考虑采动试验结果进行对比分析。研究结果表明:1)常规三轴压缩试验,试样强度受卸载速率影响较小,在卸载速率为1-4 MPa/min时,强度并无明显变化;达到5 MPa/min时,强度才有明显的上升,约为115 MPa。2)随卸载速率增加,采动过程中煤岩体强度呈现先下降后上升再下降的趋势;卸载速率为1和4 MPa/min时,煤岩体强度达到最大,其峰值应力约为64 MPa,较卸载速率3 MPa/min时提高了12%。3)低卸载速率下试件内部的微小裂隙可以充分发育、扩展,试样裂隙密度随卸载速率增加呈减小趋势,其中,卸载速率为1 MPa/min的试样裂隙密度约为卸载速率为5 MPa/min时的1.61倍,适当降低开采速度可提高瓦斯抽采效率。4)考虑采动影响的不同卸载速率下,煤岩不仅在卸载前期出现体积压缩,在破坏阶段还出现了体积膨胀,这与未考虑采动影响的煤岩卸载全过程始终处于压缩状态有明显区别,且采动煤岩强度更小,破损程度更大。研究成果可为类似地质条件开展保护层开采设计奠定一定的理论基础。

关键词：保护层应力响应采动力学卸载速率

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不同卸载速率下受载煤体裂隙结构演化机制

煤炭学报 2020年第11期45卷 3806-3816页

作者：刘永茜韩国锋王维华霍中刚孟涛煤炭科学技术研究院有限公司安全分院北京100013 煤炭科学研究总院煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室北京100013 中国科学院力学研究所北京100190

针对受载煤体卸压过程裂隙发育数据难以捕捉的现状,设计了受载煤体伪三轴瓦斯渗流实验,完成了受载煤体加载和卸载过程的应力-应变-渗透率动态监测。同时基于能量守恒定理,开展了卸载过程中不同卸载速率下的能量分配比较,阐释了卸载速率... 详细信息

针对受载煤体卸压过程裂隙发育数据难以捕捉的现状,设计了受载煤体伪三轴瓦斯渗流实验,完成了受载煤体加载和卸载过程的应力-应变-渗透率动态监测。同时基于能量守恒定理,开展了卸载过程中不同卸载速率下的能量分配比较,阐释了卸载速率对裂隙发育和渗透率变化的控制作用,并通过煤样裂隙监测数据对比予以验证。研究结果显示,卸载过程中的煤体裂隙结构受卸载速率影响,围压卸载速率越高,I类和II类裂隙越发育(所占比率增高),I类裂隙数量较原始数量增幅甚至超过1倍,II类裂隙数量提高74.13%;在卸载过程中渗透率曲线整体可分为3段:线性段、抛物线段和稳定段,而决定其3段曲线分布的关键因素是煤体弹性模量大小、加载强度和卸载速率;随着卸载速率的提高,煤体渗透率加大,线性段斜率和抛物线段曲率半径逐步增加,线性段斜率由0.0548逐步升高至0.0919,0.1388和0.2164,抛物线曲率半径逐步增大,顶点曲率半径分别达到1.232,1.334,1.863和2.014,渗透率稳定的应力临界点不断减小,由15.26 MPa降低至14.08,13.14和10.88 MPa;煤体渗透率的变化可以通过裂隙长度增量进行量化表征,相同实验条件下,渗透率增量与裂隙长度增量之间呈线性关系;统计数据显示,围压卸载速率越高,弹性能转化率越低,裂隙发育能耗越高,高速卸载(加卸比1∶8)可使煤体破裂能耗超过80%,而低速卸载(加卸比1∶1)的裂隙能耗仅有25.62%;比较研究发现,高速卸载过程中煤体能量释放的主体引发原有裂隙扩展,而不是导致新裂隙的萌生,裂隙发育能耗与卸载速率之间呈对数关系。

关键词：卸载速率围压卸载煤体结构裂隙孔隙度

真三轴应力下加卸载速率对冻结砂土力学性能影响的研究

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真三轴应力下加卸载速率对冻结砂土力学性能影响的研究

作者：章宇成安徽理工大学

学位级别：硕士

冻土作为地基或构筑物,其强度和变形特性是冻土工程设计和施工的重要依据。在工程建设中,冻土通常处于三向不等的应力状态,单轴与常规三轴试验得到的结果不能全面反映冻土在复杂应力状态下的力学特性。论文以人工冻结砂土为研究对象,利... 详细信息

冻土作为地基或构筑物,其强度和变形特性是冻土工程设计和施工的重要依据。在工程建设中,冻土通常处于三向不等的应力状态,单轴与常规三轴试验得到的结果不能全面反映冻土在复杂应力状态下的力学特性。论文以人工冻结砂土为研究对象,利用真三轴冻土试验机,开展了含水率分别为10%、13%、16%、20%和24%单轴压缩试验;以温度(-5℃、-10℃、-15℃)、小主应力(1.0MPa、2.0 MPa、3.0 MPa)和加载速率(0.15 mm/min、0.3 mm/min、0.45mm/min、0.6 mm/min、0.75 mm/min)为变量进行加载试验;在-10℃条件下以小主应力(1.0 MPa、2.0 MPa、3.0 MPa)和卸载速率(5 N/s、10 N/s、15 N/s、20N/s、25 N/s)为变量进行卸载试验,研究加卸载速率对冻结砂土强度和变形特性的影响,基于Weibull分布和D-P强度准则建立双参数损伤本构模型,主要结论如下:(1)冻结砂土在单轴抗压试验的应力应变曲线表现为应变软化型。冻结砂土的峰值应力、峰值应变、弹性模量随含水率的增加,均呈现出先上升后下降的变化规律。根据Weibull分布理论,推导出冻结砂土在单向荷载作用下的本构模型,能够较好地反映冻土破坏全过程。(2)真三轴加卸载试验中,在不同加载速率条件下,冻结砂土的应力应变曲线表现出应变硬化特征;在不同的卸载速率条件下,当小主应力为1.0 MPa、2.0 MPa时的应力应变曲线呈现出应变硬化特性,当小主应力为3.0 MPa时的应力应变曲线呈现出应变软化特性。冻结砂土的强度随着加载速率的增大而增大,随着卸载速率的增大而减小。加载速率对冻结砂土的强化效应、卸载速率对冻结砂土的弱化效应均随速率的增大而逐渐减小,幂函数能够反映出它们之间的关系。(3)真三轴加卸载试验中,中主应力方向和小主应力方向分别发生压缩变形和膨胀变形,且小主应力方向的膨胀变形量显著大于中主应力方向的压缩变形量。加载速率增大,冻结砂土的中主应变和小主应变逐渐减小;卸载速率增大,冻结砂土的中主应变先增大后减小,小主应变逐渐增大,体应变表现出先剪缩后剪胀的趋势。冻结砂土的强度、破坏应力比、弹性模量与加载速率呈正相关关系,且破坏应力比与加载速率线性相关;冻结砂土的强度、弹性模量与卸载速率呈负相关关系,强度劣化率和弹性模量劣化率随卸载速率的增大而增大。加载速率和卸载速率对小主应变、大主应变、体应变和中主应变的影响依次减弱,大主应变和小主应变共同控制体应变变化趋势,小主应变对速率变化的敏感性更强。(4)根据冻土的微元强度遵循Weibull分布和Drucker-Prager强度准测,并结合等效应变假说,建立了冻结砂土在真三轴加卸载状态下的双参数本构模型,参数F和m分别反映了冻结砂土的强度特性和延性脆性。构建了加载速率、卸载速率和参数F、m之间的关系式,可直接根据关系式算出参数F和m,得出预测的应力应变曲线,为冻土工程建设提供了基本依据。图[33]表[19]参[102]

关键词：冻结砂土真三轴试验加载速率卸载速率本构模型

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不同卸载速率下岩爆破坏特征试验分析

岩土力学 2014年第10期35卷 2737-2747,2793页

作者：何满潮赵菲杜帅郑茂炯中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室北京100083 中国矿业大学力学与建筑工程学院北京100083

对北山花岗岩进行4种不同速率卸载的岩爆试验,收集试验后产生的碎屑,进行粒径分布和基本尺寸量测,得到碎屑尺度特征。利用声发射系统采集试验过程中声发射信号,采用典型的时频分析手段,提取每一个声发射波形信号的主频值,绘制整个试验... 详细信息

对北山花岗岩进行4种不同速率卸载的岩爆试验,收集试验后产生的碎屑,进行粒径分布和基本尺寸量测,得到碎屑尺度特征。利用声发射系统采集试验过程中声发射信号,采用典型的时频分析手段,提取每一个声发射波形信号的主频值,绘制整个试验全局主频分布图,找到花岗岩岩爆主频分布带。试验结果表明:随着卸载速率的降低,碎屑总数量,块状、板状碎屑所占百分比均呈下降趋势。而声发射分布带主要位于中低频带内,且随着卸载速率降低逐渐上移,由密集变离散。根据声发射参数RA和AF特征值分布情况,结合核心密度定义,揭示裂纹类型演化过程。发现在卸载岩爆过程中产生了大量张拉裂纹和一定量的剪切裂纹,随着卸载速率的降低,声发射信号量减少,预示着岩石内部裂纹数量明显减少。以上室内试验结果对于认识不同卸载速率下岩爆机制具有重要意义,同时为工程实际中通过调整开挖速率降低岩爆风险的可行性提供了室内试验支持。

关键词：岩爆试验声发射裂纹类型粒度分布卸载速率

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围压卸载速率对盐岩扩容损伤影响研究

岩石力学与工程学报 2013年第S2期32卷 3154-3159页

作者：姜德义范金洋陈结任松倪俊杰重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 重庆市合川区煤炭工业管理局重庆400044

为研究建腔周期对储气库穴壁围岩的损伤演化的影响,结合工程实际,以不同速率下的三轴围压卸载试验为基础,建立扩容与损伤关系模型,并用速率补偿因子对公式进行修正。研究结果表明:(1)在一定条件下,盐岩的扩容可以直观反映其当时状态下... 详细信息

为研究建腔周期对储气库穴壁围岩的损伤演化的影响,结合工程实际,以不同速率下的三轴围压卸载试验为基础,建立扩容与损伤关系模型,并用速率补偿因子对公式进行修正。研究结果表明:(1)在一定条件下,盐岩的扩容可以直观反映其当时状态下的损伤状况;(2)试验中同样的应力路径下,围压卸载速率的增加可以使盐岩的扩容幅度减小,使加速扩容点后移,岩盐的损伤较小;(3)在同一应力条件下,不同的围压卸载速率对损伤的影响表现为速率的对数值与损伤值呈线性关系。

关键词：岩石力学盐岩围压卸载扩容卸载速率损伤

不同卸载速率条件下花岗岩岩爆声发射特征研究

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不同卸载速率条件下花岗岩岩爆声发射特征研究

高围压下卸载速率对饱和黏土力学性质的影响试验及其微观机理

北京力学会第26届学术年会

作者：王宏飞杨珂中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院

采用深部应变岩爆模拟实验系统进行了不同卸载速率条件下花岗岩应变岩爆室内模拟实验。对不同阶段声发射特征参数进行了分析;运用声发射三维定位系统对岩爆实验过程中岩石内部裂纹孕育、扩展到贯通的演化过程进行动态跟踪,对岩石破裂后... 详细信息

采用深部应变岩爆模拟实验系统进行了不同卸载速率条件下花岗岩应变岩爆室内模拟实验。对不同阶段声发射特征参数进行了分析;运用声发射三维定位系统对岩爆实验过程中岩石内部裂纹孕育、扩展到贯通的演化过程进行动态跟踪,对岩石破裂后的裂纹情况与声发射定位结果作对比分析;选取岩爆实验过程关键点,对关键点处的声发射信号原始波形运用傅里叶变换进行处理,研究各关键点主频和幅值随卸载速率的变化规律,得出分形维数特征,研究卸载速率对分形维数的影响。对比分析不同卸载速率条件下的花岗岩岩爆声发射特征及异同。

关键词：卸载速率声发射特性应变岩爆时间分维

来源： cnki会议评论

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cnki会议

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高围压下卸载速率对饱和黏土力学性质的影响试验及其微观机理

作者：刘莹中国矿业大学

学位级别：硕士

本文采用高压三轴试验和微观分析方法,对重塑饱和黏土和原状饱和黏土进行了固结不排水卸载试验,研究了在高围压下,卸载速率、围压以及土样性质对饱和黏土的应力应变、孔隙水压力等力学特性的影响。主要工作与获得的认识如下:(1)试验获... 详细信息

本文采用高压三轴试验和微观分析方法,对重塑饱和黏土和原状饱和黏土进行了固结不排水卸载试验,研究了在高围压下,卸载速率、围压以及土样性质对饱和黏土的应力应变、孔隙水压力等力学特性的影响。主要工作与获得的认识如下:(1)试验获得了不同卸载速率对土样应力应变特性的影响特点。当卸载速率为5k Pa/min和50k Pa/min时,重塑土样应力应变曲线呈应变软化型,且卸载速率越小,峰值点所对应的轴向应变越大。当卸载速率为10k Pa/min0k Pa/min时,最大偏应力值随卸载速率的增大而增大,且卸载速率越大,应力应变曲线的起始坡度越陡;当卸载速率减小到5k Pa/min时,应力应变曲线的变化趋势有所改变,最大偏应力不是减小反而增大,曲线起始坡度也变陡,即在5k Pa/min0k Pa/min之间存在一个“转换卸载速率”;原状土样与重塑土样的应力应变曲线变化规律相似,但“转换卸载速率”值有所不同,原状土样“转换卸载速率”在20k Pa/min0k Pa/min范围内。(2)试验获得了不同的卸载速率对土样孔压特性的影响特点。整体上原状土样的孔隙水压力峰值比重塑土样的峰值大,但是原状土样和重塑土样在相同的卸载速率下孔隙水压力随偏应力变化曲线的发展规律是不相同的。重塑土样孔压随轴向应变的发展存在一个“拐点”,即“拐点”前后孔压随轴向应变的增长速率有所改变,在“拐点”前孔压随轴向应变增长快,在“拐点”后增长速率变慢,且卸载速率越大,“拐点”所对应的轴向应变值越大。孔压-轴向应变变化曲线表明,卸载速率在20k Pa/min0k Pa/min范围内存在一个“转换卸载速率”,使得在这一卸载速率上下土样的孔压特性有所改变。(3)试验获得了不同固结围压对土样应力应变特性的影响特点。同一卸载速率20k Pa/min,当固结围压为2MPa、3MPa时,原状土样应力应变曲线为应变硬化型,固结围压越大,偏应力峰值越大。当固结围压为6MPa时,应力应变曲线为应变软化型,偏应力峰值变小;在同一固结围压下,当偏应力大小相等时,围压越小,土样变形越大。(4)通过环境扫描电子显微镜对卸载试验后土样微观分析。重塑土样和原状土样经过三轴卸载试验后,土样结构变得松散,孔隙变多,发生剪切变形破坏的土样在剪切面有明显的定向性擦痕;剪切面上有数条拉张裂缝,且张裂缝大多处于较大的颗粒周围,主裂缝旁边衍生出许多细小的次级裂缝。(5)利用液氮吸附试验研究卸载试验前后土样孔隙变化。发现随着卸载速率的增加,平均孔直径减小,对于原状土样,直径由5.77nm减小到4.76nm,对于重塑土样,直径由8.38nm减小到6.73nm;且在相同围压下卸载速率增大,吸、脱附曲线类型有所变化,由L2类曲线变为L3类曲线,即孔隙的连通性由差变好。

关键词：高压三轴试验饱和黏土卸载速率应力应变特性孔隙水压力