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中国矿业大学(北京)张俊文:加载速率效应下深部砂岩的力学特性

2024年07月19日 点击量:104

 随着岩石工程的发展,岩石力学特性和其破坏特征的研究逐渐在岩石力学中占据主导地位,也成为工程设计的基础。因此,对岩石力学特性和破坏特征展开研究已显得尤为重要。然而,加载速率也是影响岩石力学特性和破坏特征的一个重要因素,不同的加载速率将使其破坏形态和特征发生改变。在实际的巷道开挖工程中,对于开挖巷道而言是卸载过程,但对于周围岩体而言却是加载过程。采煤工作面推进速度的变化也会导致前方岩体的加载速率变化,同时综放工作面选取的开采截深的不同对周围岩体来说也可以认为是加载速率的不同。因此对岩体进行不同加载速率的研究具有很重要的工程意义。

 选取了深部砂岩作为研究对象,开展不同加载速率的单轴压缩试验研究,分析了其力学特性和破坏特征,并从声发射和能量的角度分析了其变形过程中的损伤演化特征和能量转化机制,进一步揭示了深部脆性砂岩的破坏特征以及力学特性的速率相关性,为深部硐室围岩稳定性控制提供了一定的理论依据。

 煤矿工作面推进速度对煤体前方支承压力波动频率有显著影响,且与煤岩力学试验中轴向加载速率的变化有一定的相关性。为此,采用2000 kN三轴试验机和PCI-2 声发射测试系统,对深部砂岩进行了0.05,0.1,0.15,0.25和0.5 MPa/s 五种不同加载速率下的单轴压缩试验,进而研究加载速率对深层砂岩力学特性的影响。结果表明:1)深部砂岩的峰值强度和弹性模量均随加载速率的增大而增大;2)随着加载速率的增大,深部砂岩由塑-弹-塑性体向塑-弹性体转变,破坏模式逐渐由I 类型向III 类型转变;3)总输入应变能、弹性应变能、耗散应变能均随着加载速率的增大而增大;4)损伤变量随时间的延长呈现出倒“S”型演化特征,且随着加载速率的增大,深部砂岩的损伤程度加剧。上述所得结论可为深部工程围岩稳定性控制提供理论依据。

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