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高应力下大理岩循环扰动变形规律及一种破坏前兆特征

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岩土工程学报 2022年第8期44卷 1521-1527页

作者：俞缙姚玮任文斌樊志忠秦伟华侨大学福建省隧道与城市地下空间工程技术研究中心福建厦门361021 中铁十二局集团第四工程有限公司陕西西安710000 厦门路桥工程投资发展有限公司福建厦门361026 太原市交通运输局山西太原030000

为探究工程岩体循环扰动作用下的变形破坏特性,开展了不同应力水平与幅值的大理岩单轴循环扰动试验。试验结果显示:(1)应力水平是循环扰动下大理岩破坏的主要因素,幅值是次要因素。应力水平刚达到扩容应力时,即使循环幅值很大,大理岩也... 详细信息

为探究工程岩体循环扰动作用下的变形破坏特性,开展了不同应力水平与幅值的大理岩单轴循环扰动试验。试验结果显示:(1)应力水平是循环扰动下大理岩破坏的主要因素,幅值是次要因素。应力水平刚达到扩容应力时,即使循环幅值很大,大理岩也不会破坏,当应力水平远高于扩容应力且循环幅值很大时,破坏十分迅速;(2)相对于不可逆变形,动态刚度更能体现变形曲线“疏—密—疏”的三阶段特征。可采用动态刚度衰减率的正负值作为破坏前兆特征,在变形稳定阶段预判岩石是否会发生破坏;(3)对于破坏岩样,基于动态刚度表征的损伤变量与不可逆变形总趋势相似。“双高”模式与Ⅰ型曲线一致,其余模式与Ⅱ型曲线一致。

关键词：高应力水平循环扰动动态刚度破坏前兆损伤

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循环扰动下加锚脆性类岩石拉剪破坏试验研究

循环扰动下加锚脆性类岩石拉剪破坏试验研究

作者：谭嘉诺湖南科技大学

学位级别：硕士

深部环境下的“三高一扰动”复杂力学环境,使得深部岩石力学现象异于浅部、无法精准控制;易诱发冲击地压、扰动区岩石拉剪破坏等张性灾害;诱使锚杆形成拉剪破坏、断裂失效,极大地影响了在深部脆性岩体中的施工安全,增大了脆性岩体灾害... 详细信息

深部环境下的“三高一扰动”复杂力学环境,使得深部岩石力学现象异于浅部、无法精准控制;易诱发冲击地压、扰动区岩石拉剪破坏等张性灾害;诱使锚杆形成拉剪破坏、断裂失效,极大地影响了在深部脆性岩体中的施工安全,增大了脆性岩体灾害的防护难度与治理成本。本文在国家自然科学基金项目(51674116、51904101)的资助下,开展了循环扰动状态下加锚脆性类岩石的拉剪破坏试验研究工作,通过室内相似模拟试验的方法,对循环扰动状态下不同锚固状态(无锚、单根锚杆、双根锚杆)脆性类岩石试件的承载特性、裂纹发育演变规律及声发射特征进行研究,为锚杆支护在深部脆性围岩体支护中的应用提供理论支撑。主要内容及结论如下:(1)根据深部脆性围岩中锚杆的拉剪破坏特征,以“Z”型构件为拉剪失效模型,结合相似模拟理论,采用石膏溶液、铅丝、环氧树脂胶为原料,制作能够有效模拟深部脆性围岩拉剪综合失效破裂的加锚脆性类岩石试件。(2)对不同锚固工况下的脆性类岩石试件开展静态加载、循环扰动加载状态下的拉剪破坏试验,从加锚脆性类岩石的承载能力、裂纹扩展演化进程、最终破裂模式、位移变形特性及锚杆失效形式等角度展开分析。试验结果表明:锚杆在静载及扰动状态下对脆性类岩石的承载能力与形变能力均具有显著提升作用,且会推迟裂纹产生时刻;脆性类岩石变形峰值出现时间通常对应于载荷峰值时刻;静态加载状态下,无锚试件无明显峰后特征,加锚试件由于锚杆逐步变为承载主体,会出现一段载荷稳定阶段。(3)脆性类岩石试件裂纹演化过程表明:脆性类岩石最终均发生拉剪破坏,形成闭合拉剪圆环裂纹;裂纹萌生时刻随加载状态的不同而改变,静载条件下,拉剪裂纹均产生于载荷峰值前;循环扰动状态下裂纹则产生均在扰动荷载施加阶段。(4)通过声发射监测设备,对脆性类岩石在不同锚固条件及加载状态下的声发射事件进行采集,从声发射基本特征参数及其与脆性类岩石破裂失效的对应情况等角度开展对比分析。声发射信号表明,循环扰动荷载提升了脆性类岩石的单个撞击平均能量及相同锚固条件下类岩石的振铃计数峰值、累计振铃计数、能量峰值与累计能量;同时,加载状态的改变显著影响类岩石试件裂纹萌生时刻的声发射累计振铃计数占比;相同加载条件下加锚试件的声发射参数均远大于同等情况下的无锚试件。

关键词：循环扰动加锚脆性类岩石拉剪破坏裂纹扩展声发射特性

循环扰动下单裂隙砂岩力学特性及能量演化规律研究

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循环扰动下单裂隙砂岩力学特性及能量演化规律研究

作者：刘仕威重庆大学

学位级别：硕士

坚硬顶板赋存于我国多数煤田,其大面积垮落导致的强矿压成为制约煤矿安全高效生产的主要因素。为此采取人为增加坚硬顶板裂缝的方式来对坚硬顶板进行弱化形成裂隙岩体,但在连续高强度的工作面回采下,初始应力场平衡被打破,工作面前方形... 详细信息

坚硬顶板赋存于我国多数煤田,其大面积垮落导致的强矿压成为制约煤矿安全高效生产的主要因素。为此采取人为增加坚硬顶板裂缝的方式来对坚硬顶板进行弱化形成裂隙岩体,但在连续高强度的工作面回采下,初始应力场平衡被打破,工作面前方形成应力集中区,并且随着采煤工作面的不断推进导致上覆岩层周期下沉破断,工作面前方顶板经受周期性的载荷扰动。因此,研究裂隙岩体在循环扰动下的力学特性、破坏模式及能量演化规律可以为顶板灾害控制提供理论基础。论文借助室内试验、理论分析和数值模拟方法,开展了常规三轴加载和循环扰动两种试验,发现了循环扰动下不同倾角的单裂隙砂岩力学特性、破坏模式和能量演化规律,并对回采过程进行数值模拟,得到了裂缝对采场矿压的影响规律,主要成果如下:(1)预制裂纹角度和循环扰动对单裂隙砂岩力学特性有显著影响。不同应力路径下峰值应力、弹性模量均随预制裂纹角度的增大而增大;循环扰动降低了岩石的峰值应力,且预制裂纹角度越小降低幅度越大;循环扰动阶段弹性模量随着扰动次数的增加而降低,但依然大于常规三轴加载下的弹性模量。循环扰动会抑制张拉裂纹的萌生并加大裂纹起裂角,最终破坏模式由常规三轴的拉剪复合破坏为主转换为剪切破坏为主。(2)预制裂纹角度对能量演化趋势影响较小,主要影响应变能密度大小。静载过程中,输入的总应变能主要转化为弹性应变能,应力较小时,单裂隙砂岩耗散应变能大于弹性应变能,微裂纹扩展时耗散应变能开始增长,屈服阶段下耗散应变能快速增长,峰值时弹性应变能达到最大;首次循环扰动时总应变能主要转化为耗散应变能,随着循环次数的增加,耗散应变能密度呈线性累积,预制单裂纹角度越小,累积速率越快;预制单裂纹角度越大,各应变能密度越大。(3)基于耗散应变能密度定义了损伤变量,结合轴向裂纹应变模型建立了表征常规三轴加载下峰前阶段的本构模型。常规三轴加载下的损伤变量随着加载呈类三次多项式函数形式增长,建立的本构模型对单裂隙砂岩峰前阶段力学行为表征效果较好(4)裂缝对坚硬顶板的弱化效果明显。裂缝增加了采动应力影响范围,有效降低了顶板悬露距离和工作面前方煤岩体垂直应力集中效应,当裂缝与岩层平行时效果更加显著。

关键词：单裂隙砂岩循环扰动力学特性能量演化破坏模式

循环扰动荷载作用下花岗岩中裂隙萌生扩展过程的颗粒流模拟

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工程科学学报 2021年第5期43卷 636-646页

作者：张杰郭奇峰蔡美峰张英汪炳锋吴星辉北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室北京100083

从细观角度、采用颗粒离散元法开展了预制裂隙花岗岩循环加卸载的数值模拟试验.首先,使用图像处理技术识别花岗岩中的不同细观组分、结合室内单轴压缩试验结果对细观力学参数进行了标定.然后,通过编制颗粒流代码追踪裂隙的类型和扩展过... 详细信息

从细观角度、采用颗粒离散元法开展了预制裂隙花岗岩循环加卸载的数值模拟试验.首先,使用图像处理技术识别花岗岩中的不同细观组分、结合室内单轴压缩试验结果对细观力学参数进行了标定.然后,通过编制颗粒流代码追踪裂隙的类型和扩展过程,分析岩石破坏过程中裂隙发展的阶段性特征.结果表明:不同倾角裂隙岩石的新生裂隙走向与预制裂隙贯通方向基本一致;根据新生裂隙的优势倾向分组得到裂隙起裂角与预制裂隙倾角的关系:倾角β≤45°时剪切和张拉裂隙的起裂角单调递减,倾角β≥60°时剪切和张拉裂隙的起裂角单调递增;循环扰动荷载增加了裂隙岩体的轴向变形,轴向累积残余应变曲线呈反S形、提高扰动荷载应力上限促使曲线进入加速阶段;试件峰值强度随裂隙倾角增大表现出先减小后增大的趋势,峰值强度为实验室完整岩石单轴抗压强度的63%~89%,反映了较为明显的劣化现象;在循环荷载作用下,剪切裂隙和张拉裂隙增长曲线表现出明显的变化特点,在裂隙不稳定扩展阶段中张拉裂隙数目增长速率显著大于剪切裂隙,对分析岩石变形破坏过程具有一定的参考意义.

关键词：细观结构循环扰动裂隙产状裂隙扩展颗粒流

循环扰动荷载作用下花岗岩损伤及破裂特性研究

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南华大学学报（自然科学版） 2022年第3期36卷 47-53,88页

作者：陈文昭蒋一凡刘夕奇南华大学土木工程学院湖南衡阳421001 武汉大学土木建筑工程学院湖北武汉430000

岩体的稳定性是深部岩、矿开采过程中重需关注的安全问题,而动力扰动是影响岩体稳定性的重要因素。以双江口水电站深部岩石(花岗岩)为研究对象,对花岗岩进行了室内动静组合加载下的单轴压缩试验,并对岩石破坏后的碎屑粒径、分形维数以... 详细信息

岩体的稳定性是深部岩、矿开采过程中重需关注的安全问题,而动力扰动是影响岩体稳定性的重要因素。以双江口水电站深部岩石(花岗岩)为研究对象,对花岗岩进行了室内动静组合加载下的单轴压缩试验,并对岩石破坏后的碎屑粒径、分形维数以及岩石加载过程中的损伤演化进行了分析。得到以下结论:1)随着扰动应力幅值的增大,岩石的碎屑分布越趋于均匀;2)岩石在扰动荷载作用下的碎屑粒径分布满足分形规律,可以用分形维数来表征岩石的破碎程度,且分形维数F与扰动幅值Δσ表现出良好的线性关系,即随着扰动幅值增加,分形维数增大,破碎程度加深;3)扰动荷载作用下,损伤变量呈增大-平稳-增大的变化趋势,且扰动幅值Δσ的大小对岩石平稳区段的循环次数和损伤变化速率存在显著影响。

关键词：花岗岩循环扰动应力幅值分形维数损伤演化

岩石在不同应力幅值下受低频循环扰动的力学特性试验

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煤炭学报 2017年第9期42卷 2280-2286页

作者：刘涛杨鹏吕文生杜坤北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室北京100083 北京市信息服务工程重点实验室北京100101 中南大学高等研究中心湖南长沙410083

设计3种不同类型的岩石在不同应力幅值下的循环扰动试验。试验结果表明:当扰动应力幅值较小时,岩石在循环加载下出现弹性模量强化效应,不同类型的岩石弹性模量强化程度不同;循环动力扰动加载试验存在应力上限门槛值,只有大于应力上限门... 详细信息

设计3种不同类型的岩石在不同应力幅值下的循环扰动试验。试验结果表明:当扰动应力幅值较小时,岩石在循环加载下出现弹性模量强化效应,不同类型的岩石弹性模量强化程度不同;循环动力扰动加载试验存在应力上限门槛值,只有大于应力上限门槛值,试样才会发生破坏;扰动应力幅值对岩石的破坏影响显著,在高应力幅值下,循环次数迅速减少;在低应力幅值下,试件破坏形态为剪切破坏,在高应力幅值下,破坏形态复杂,出现板裂化破坏和碎块弹射。建立了循环扰动作用下的应变损伤模型,通过分析不同应力幅值下损伤变量的变化规律,得出如下结论:岩石损伤可划分为迅速增长阶段、平稳发展阶段、快速增大阶段,且随着扰动应力幅值的增加,平稳发展阶段的循环数显著减少;当应力幅值提高,损伤变量变化率显著提高,应变迅速增加,岩石破坏。

关键词：循环扰动高应力应力幅值损伤模型

循环扰动荷载下花岗岩的力学性质与声发射特征参数研究

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矿冶 2019年第1期28卷 9-14页

作者：龙恩林陈俊智李春义张帅昆明理工大学国土资源工程学院昆明650093

在工程实际中岩体常常受到循环荷载扰动作用,进而表现出与静态荷载作用下不同的力学性质和声发射现象。因此本文以花岗岩作为试验对象,研究了其在不同循环扰动次数下的力学特性和声发射特征参数,并结合RA、AF值进一步探讨了其在受压过... 详细信息

在工程实际中岩体常常受到循环荷载扰动作用,进而表现出与静态荷载作用下不同的力学性质和声发射现象。因此本文以花岗岩作为试验对象,研究了其在不同循环扰动次数下的力学特性和声发射特征参数,并结合RA、AF值进一步探讨了其在受压过程中裂纹的演化规律。试验表明:试件强度随着循环次数增加而提高,且当循环次数大于一定量时,强度增幅比例开始下降;试件经历的循环次数越多,其在塑性变形时表现出的声发射陡增现象越明显; RA、AF值进一步表明花岗岩在受力至破坏全过程中首先出现剪切破坏事件,在临近峰值强度时,开始出现张拉破坏事件,且主要集中在剪切带周围。

关键词：循环扰动声发射岩石强度裂纹演化