摘要：为了研究不同冲击倾向性煤单轴压缩过程中的能量演化规律与损伤特征,基于实验室冲击倾向性等力学参数测试,通过颗粒流数值程序PFC2D获取能够较真实反映煤样宏观力学特性的细观参数,模拟分析了不同冲击倾向性煤单轴压缩下的能量演化规律与损伤特征。研究结果表明:不同冲击倾向性煤的能量演化规律相似,峰值强度前,边界做功主要转化为应变能,耗散能、滑动能与动能的占比则非常小;峰值强度后,应变能快速释放,耗散能、滑动能与动能开始迅速增长。随着冲击倾向性的增强,应变能释放与动能增长速率显著增大,提出应变能释放比率与动能增长比率2个指标,发现应变能释放比率、动能增长比率与冲击倾向性指标中的单轴抗压强度、冲击能量指数以及弹性能量指数具有很好的相关性,可采用该指标来辅助评判煤样的冲击倾向性。峰值强度前不同冲击倾向性煤样内部微裂纹演化规律近似,峰值强度点后微裂纹急剧增长,增速与冲击倾向性呈正相关关系。基于裂纹萌生与体积应变曲线的确定方法,得出煤的起裂应力水平主要分布在44.18%~51.67%,损伤应力水平在89.04%~93.86%。强冲击倾向性煤样的起裂应力水平与损伤应力水平均高于弱和无冲击倾向性煤样,起裂应力水平与损伤应力水平从细观损伤力学角度解释了强冲击倾向性煤样易积聚高弹性应变能并产生脆性冲击破坏的能力。

摘要：为研究红层泥岩的力学特性和能量演化规律,基于5种不同围压梯度(200、250、300、350、400 kPa)及轴压与围压不等速率的应力路径,以四川遂宁地区红层泥岩为例开展了室内循环加卸载试验,得到围压效应对红层泥岩力学特性、总应变能密度、弹性应变能密度、耗散能密度的影响,以及应力-应变与能量之间的演化规律.研究结果表明:从初始加卸载至试验结束,轴向应力输入的总能量密度、弹性应变能密度以及耗散能密度总体呈先增大后减小的“正态分布”形式;在峰前阶段,弹性应变能密度与耗散能密度间的差值会随着循环加卸载次数的增加而增大;围压的侧限作用提高了试样承载能力,总能量密度、弹性应变能密度以及耗散能密度随着围压的增大而增大;在峰后阶段,当围压≤300 kPa时,耗散能密度低于弹性应变能密度,而围压>300 kPa时,耗散能密度高于弹性应变能密度,围压增大会进一步抑制试样破坏后弹性应变能密度的释放;相同围压下,随着干湿循环次数的增加,干燥、饱和状态下的抗压强度和弹性应变能密度均呈负相关关系;相同干湿循环次数,干燥状态的抗压强度和弹性应变能密度比饱和状态高,呈正相关关系.

摘要：针对深部高应力巷道顶板锚索在拉伸、剪切、扭转等复合作用下,积聚应变能瞬间释放,引发锚索抽丝破断弹射事故,严重影响煤矿安全生产。以张集矿1421(3)锚索支护巷道为工程背景,运用理论分析、数值模拟、实验室试验相结合的研究方法,揭示锚索-围岩能量孕育演化机制与锚索防护装置吸能防护机理。结果表明:由锚索丝单轴拉伸试验与全量本构模型得到锚索丝破断应变能密度为55 MJ/m^(3),锚索丝破断弹射释放能量与锚索丝破断长度、轴力、直径呈正相关。根据数值模拟,锚索距顶板0.6 m处剪切应力集中,易发生锚索抽丝破断弹射,长度0.8 m锚索丝弹射初速度为102 m/s。通过仿真模拟结合强度理论,原方案锚索吸能防护装置冲击荷载极限为20 m/s,增加锚索防护装置底座护壁使冲击荷载极限提升至200 m/s,有效解决锚索丝冲击防护装置偏转失效问题。基于锚索防护装置静态拉伸试验与自由落体冲击试验对数值模拟结果进行可靠性验证,获得防护装置最大吸能阈值为1189 J;无护壁防护装置弹簧底座在冲击力作用下产生侧向偏移,弹簧底部剪切破坏;增加弹簧底座护壁,可有效约束底座偏移,充分发挥弹簧拉伸吸能特性,防止弹簧剪切损伤后失效,试验结果与数值模拟结果相符。研究成果为同规格锚索巷道支护设计、锚索抽丝破断弹射与防护提供借鉴。

摘要：岩石的损伤与破裂是能量释放的物理过程,研究岩石变形破坏过程中的能量演化规律对分析岩石破坏机理和预测岩土工程灾害具有重要意义。本文针对岩石的拉伸和压缩2种典型破坏形式,设计开展了巴西劈裂和单轴压缩试验,基于声发射能和变形归一化处理,量化了岩石拉/压变形损伤破坏过程,对比研究了砂质泥岩拉伸与压缩变形破坏过程中的能量演化规律,并分析了干燥和饱水状态对岩石拉/压破坏过程中能量演化的影响。结果表明:砂质泥岩压缩变形破坏过程中释放的声发射能总量大于拉伸变形破坏过程,干燥和饱水状态下压/拉声发射能总量的比值分别为1.6和8.6。砂质泥岩的拉伸与压缩变形破坏过程可分为初始损伤、损伤发育和损伤平寂3个阶段,但拉伸破坏的初始损伤阶段比压缩破坏增长30%,损伤发育阶段缩短50%,损伤量明显增大,损伤激增对应的变形增大。干燥砂质泥岩压缩变形破坏所需的输入能密度和所释放的耗散能密度均大于饱水岩样,耗散能所占总输入能的百分比不变。研究结果能够发展和完善岩体力学基础,并为矿山工程灾害防控提供参考。

摘要：为研究煤岩组合结构受压过程中的能量演化规律与破坏机制,对煤、岩石及3组煤岩组合体进行了单轴一次加载与循环加卸载试验,分析了煤岩组合体输入能密度、弹性能密度、耗散能密度以及弹性模量与单轴抗压强度等力学参数的演化规律,得到了不同试样的储能特性,基于煤岩组合体的力学响应、能量演化与变形破坏特征,建立并探讨了煤岩组合体破坏的能量驱动机制。结果表明:煤岩组合体峰前阶段的输入能密度、弹性能密度及耗散能密度随轴向应力的增加呈明显的非线性增长特征,峰前阶段的能量密度-应力曲线可分为压密段、弹性变形段和非稳定破裂发展阶段,整个过程储存在试样内部的弹性能较高,耗散能较少,试样达到屈服后,耗散能所占比例开始增加。煤岩组合体的单轴抗压强度与弹性模量介于纯煤和岩石试件中间,更接近于纯煤试件,随着岩石强度的增大,组合体力学性能稍有增强,但幅度有限,煤体是控制组合体强度等力学特性的主要因素。煤岩组合体破坏的能量驱动机制可概括为:煤岩组合体受压过程中,煤、岩开始不断储存弹性应变能,煤体储能速度快,内部弹性能达到其储能极限时,煤体率先发生破坏,破碎程度高,主要呈X状共轭斜面剪切破坏,破坏瞬间释放的能量传递至岩石,达到岩石的储能极限时,煤体中裂纹扩展贯通至岩石内部,在弹性能的驱动下岩石发生张拉破坏。

摘要：养护温度能够对水泥基尾砂胶结充填体力学性能造成显著影响,在实验室开展了不同养护温度下的充填体单轴抗压试验,研究了养护温度对充填体应力-应变曲线及力学特性的影响规律,并揭示了充填体变形破坏各阶段的能量演化规律。结果表明:当养护温度范围为20~50℃时,充填体的峰值应力、初裂应力及弹性模量均随着养护温度的增加呈现先增大后减小的趋势,并且都在养护温度为30℃时达到最大值,说明充填体的养护温度存在临界值;充填体在峰值应力点处的总应变能及弹性应变能随着养护温度的增加均表现出先增大后减小的趋势,并且耗散能与总应变能随着轴向应变的增加呈现非线性递增规律;此外,在初始压密、线弹性变形及屈服破坏阶段,能量主要以弹性能的形式储存在充填体内部,而在峰后变形破坏阶段能量以耗散为主,并且养护温度会对能量指标水平产生影响;微观测试结果表明,充填体在高温养护环境下产生的自由水蒸发效应会导致充填体内部空隙结构更为明显,从而对充填体力学性能产生不利影响。

摘要：以光敏树脂为原材料设计制作了不同裂隙倾角的3D打印岩体试样,开展了单轴压缩试验并结合数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)技术对试样破坏模式、力学特性、能量演化和破裂机制进行分析。结果表明:单轴压缩荷载下,试样在预制裂隙端部萌生剪切裂纹或张拉裂纹,预制裂隙角度对试样破坏模式影响显著;试样应力应变曲线分为4段:压密、弹性变形、塑性变形和破坏段;试样峰值应力和弹性模量在裂隙倾角22.5°和90°时分别取得最小和最大值;试样能量演化曲线分为5段,即压密耗能、线性储能、能量跳跃积聚、弹性应变能释放和能量耗散段;加载初期试样存在不均匀应变区域,随着荷载增大,高应变带有规律地出现;试样上下翼起裂角相近且随预制裂隙倾角增加而有规律地减小;试样畸变能越大,承载能力越差。

摘要：为减少超高性能混凝土(UHPC)的河砂用量,改善其压缩破坏特性,本研究通过设计四因素四水平正交试验,分析了机制砂、橡胶颗粒、水胶比和钢纤维在不同水平状态下对UHPC流动性和抗压强度的影响,获得了综合性能最佳的优选组,并探究了橡胶-机制砂UHPC的压缩破坏能量演化特征。结果表明:1)在各因素中,对UHPC拌合物的流动性和抗压强度影响最大的因素分别为水胶比和钢纤维,随着水胶比增加,UHPC的流动性显著增加,而抗压强度与钢纤维掺量之间为正效应;2)当橡胶和机制砂替代河砂掺量分别10%和40%(橡胶为等体积替代河砂,机制砂为等质量替代河砂,相当于节约了50%的河砂)时,试件抗压强度仍达到118.5 MPa;3)从破坏形态和能量演化看,钢纤维和橡胶颗粒混掺后UHPC表现出脆-延转换力学特征,优选组UHPC在达到应力峰值时较对照组保持了较好的完整度。

摘要：为探究硫酸盐干湿循环作用下带冷缝混凝土受荷作用时的能量演化规律,制作了整浇和浇筑间隔0.25 d、0.5 d、1 d、7 d和28 d的带冷缝混凝土,基于单轴压缩实验及能量计算原理,研究了硫酸盐干湿循环对带冷缝混凝土强度和能量演化规律的影响。结果表明:带冷缝混凝土强度及损伤应力和峰值应力处弹性应变能与耗散能均随干湿循环呈先增大后减小的趋势,随着新混凝土与母体浇筑间隔的增加呈现减小的趋势;随着干湿循环次数的增加,损伤应力处储能水平Kad先减小后增加,说明损伤应力处储能水平越高,带冷缝混凝土越容易产生损伤,Kad可以作为混凝土破坏的预警指标。

摘要：为了探明真三轴循环加卸载过程中含裂缝砂岩能量演化规律,设计了真三轴循环加卸载试验,深入分析了循环加卸载过程中吸收总能量、弹性能、耗散能的演化规律与变化特征,进而探讨了能量耗散与岩石强度之间的关系。结果表明:(1)吸收总能量、弹性能和耗散能变化规律与砂岩试样裂缝角度无关,均随循环次数的增加而增加,且增幅越来越大,临近破坏时最大;(2)不同裂缝角度砂岩的吸收总能量、弹性能和耗散能与应力上限呈二次函数关系增长,吸收总能量、弹性能和耗散能能量增速依次减小,但前两者增速显著大于耗散能增速,且耗散能拟合曲线呈“凹”形;(3)定义了表征岩石储能能力和能量耗散能力的储能系数和能量耗散系数,对比发现岩石裂缝角度越大,储能能力越强,能量耗散能力越弱,岩石的峰值强度越大。