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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

常法向刚度条件下人工结构面剪切力学特性及损伤演化规律试验研究

2023-11-21


创新点

(1)基于自主研发的煤岩剪切-渗流耦合试验系统中自带的复合控制模式,充分考虑剪切位移的影响,开展了不同法向刚度条件下结构面的直剪试验,分析结构面的剪切力学性质。

(2)对比分析了起伏角和法向刚度对结构面力学性质的影响,同时基于剪切前后结构面的三维形貌参数演化,质量损失和碎屑粒径占比,系统分析结构面的破坏特征。

(3)提出考虑空间点云数据和法向位移值相结合的结构面隙宽演化方法,通过分析特殊剪切位移处结构面的隙宽变化,得到结构面的动态破坏过程。

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常法向刚度条件下人工结构面剪切力学特性及损伤演化规律试验研究

作者:焦 峰,许 江,彭守建,何美鑫,张心睿,程 亮
单位:重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室
研究背景
 RESEARCH  BACKGROUND 
针对于浅部和深部工程岩体中都存在大量的弱面如结构面等同时结构面容易受到压剪破坏。随着浅部资源的不断开发逐渐呈现出枯竭的趋势因 此陆续向深部能源开采进发。由于深部工程灾害频发且不同于浅部灾害因此解决深地工程面临的 问题具有迫切性。浅部岩体不考虑剪胀效应对法向荷载的影响属于常法向应力边界条件 (CNL)而深部岩体由于围岩的限制而不能自由剪胀因此作用在岩体上的法向荷载会持续增加属于常法向刚度 (CNS) 边界条件。CNL条件容易实现且取得了丰硕的成果, 张丹等开展了不同法向应力条件下具有二级凸起体 结构面的直剪试验分析了结构面的剪切破坏模式, 验证了二级凸起体破坏的方式。卢海峰等通过开展不同法向应力下注浆结构面的直剪试验分析了注浆条件对结构面形貌特征的影响。祝艳波等利用结构面直剪试验探究粗糙度对剪切力学性质的影响。
贾云中等通过变滑移速率下页岩结构面剪切试验基于摩擦因数和渗透率变化分析了渗透性响应特征及演化规律。MORAD D通过粗糙石灰岩结构面的剪切试验研究了剪切速度对结构面剪切力学性质的 影响。江权等鉴于3D打印技术可以便捷地制作含复杂结构的三维实体将 3DP 技术引入到岩体/岩石力学试验研究中。芦谭等通过三维扫描和3D打印技术利用光敏树脂材料制作结构面模型通过直剪试验验证了技术的可行性为之后的研究方法提供了 参考。随着光学技术的进步使得结构面的形貌数据更加精确因此对结构面强度模型的研究同样取得了 大量的研究成果。但是CNS 条件更加符合工程背景近年来随着试验设备性能的不断提高, CNS 条件的研究成果有所增加。赵衡等通过做CNS条件下的岩石混凝土结构面的直剪试验给出了结构面粗糙度的度量方法推广了Patton模型。尹乾等通过做CNLCNS条件下的直剪试验揭示 了初始法向应力对砂岩剪切力学参数的影响。蒋宇静等通过开展CNS条件下锚固和非锚固类岩石节 理的剪切试验研究了边界条件对节理力学性质的影响。刘日成等通过开展CNS条件下具有三维粗糙 度结构面的直剪试验揭示了法向刚度和循环剪切次 数对剪切力学性质的影响。HAN通过做 CNS 条件下不同类型结构面的直剪试验探究了结构面的 剪切力学性质。GUTIERREZ-Ch 进行不同边界条件下岩石混凝土界面的直剪试验研究并通过数值模拟结果对他人的研究成果进行验证。
但是以上研究没有将法向刚度的作用机理与结 构面的破坏模式联系起来。因此笔者在充分考虑剪切位移的基础上系统探究了起伏角和法向刚度对结 构面剪切力学特性的影响得到CNS条件下结构面的剪切力学特性及破坏模式同时分析剪切过程中结构面的动态破坏过程。
摘要
 ABSTRACT
为研究起伏角和法向刚度对结构面剪切力学特性的影响,利用自主研发的煤岩剪切渗流耦合试验系统,开展了常法向刚度 (CNS) 条件下人工结构面的直剪试验。结果表明:当起伏角为15°和 30°时,剪切应力呈现周期性震荡衰减趋势,在剪切结束时,随着法向刚度的增加,峰值剪切应力的降低量分别是 1.781.421.361.27 MPa,逐渐减小。当起伏角为45°时,在剪切应力 达到峰值后逐渐趋于残余强度;法向位移演化和剪切应力具有一一对应关系。随着起伏角的增加, 剪切刚度逐渐增加。
随着法向刚度的增加,起伏角 15°和 45°结构面的峰值剪切应力基本上线性增加;当起伏角为30°时,峰值剪切应力呈现出分段函数的特征,但是峰值剪胀角却逐渐降低。通过分析剪切前后结构面的质量损失、碎屑粒径占比和三维形貌参数演化得到结构面的破坏模式,当起伏角为15°45°时,破坏模式较为单一,分别为磨损破坏和切齿破坏;当起伏角为30°时,其 破坏模式对试验条件的依赖性较强较为复杂,主要为齿尖剪断破坏和全切齿破坏。通过将结构面三维空间点云数据和对应剪切位移处的法向位移值相结合的方法,得到特定剪切位移处的结构面 隙宽演化云图,从而分析结构面在剪切过程中的动态演化过程,得到其破坏机理。
部分图片



 1    结构面制作模具


 2    结构面制作步骤


 3    试验系统


 4    剪切应力剪切位移曲线


 5    力学参数演化


 6    法向位移剪切位移曲线


 6    法向位移剪切位移曲线


 8    结构面三维形貌扫描


 9    结构面质量损失


 10    碎屑粒径占比


 11    三维形貌参数演化


 12    结构面破坏判别机理

第一作者简介


焦峰,男,1991726日生,河南平顶山人中共党员,重庆大学在读博士优秀研究生,主要从事工程岩体结构面剪切损伤演化规律及渗流机理的研究工作。作为研究骨干参与国家科技重大专项、国家重点研发计划项目、国家自然科学基金面上项目等多项国家级科研课题。以第一作者在《煤炭学报》、《岩土力学》和《sustainability》等学术期刊发表EISCI论文6余篇,授权国家发明专利5余项。


研究方向

主要从事工程岩体结构面剪切损伤演化规律及渗流机理的研究工作


主要成果

致力于工程岩体结构面剪切损伤演化规律及渗流机理等方面的研究。研发改进了大剪切位移下结构面的剪切-渗流耦合试验系统,实现了不同边界条件下结构面的剪切损伤及渗流试验,创新性提出结构面动态剪切破坏概念,通过力学曲线、力学参数、结构面质量损失和碎屑质量占比以及三维表面重构相结合的结构面破坏模式分析方法,得到了结构面动态破坏过程,根据剪切应力传递方式以及隙宽演化规律,阐明了结构面间水的流动规律,改进了基于立方体试样辐射流的等效立方定律,明确了不同剪切位移下结构面隙宽与流量之间的作用机理,并通过定义非线性因子阐明了结构面水的渗流规律。

通讯作者简介


许江,男,1960年9月25日生,湖南永兴人,研究员,博士生导师,重庆市安全技术与工程学术技术带头人、重庆大学安全科学与工程一级博士学位授权点始建学术带头人等。兼任中国岩石力学与工程学会测试专业委员会副主任委员、中国职业安全健康协会瓦斯灾害防治与利用专业委员会专家咨询工作组副主任委员以及《重庆大学学报(自然科学版)》、《煤炭科学技术》和《地下空间与工程学报》等学术刊物的编委等职。


研究方向:

主要从事有关岩石力学理论与试验、煤矿动力灾害发生机理与控制理论、山地地质灾害演绎规律与监测预警等方面的研究以及相关分析测试仪器设备的自主研发。


主要成果:

主持或参与完成来自国家、省市部委或工程现场的科研项目50余项,先后获国家、部委或省市的科技奖项近20项,出版学术著作10余部,获权或申请发明专利100余项,在国内外学术刊物或学术研讨会上发表学术论文400余篇,其中SCI、EI检索150余篇,培养博士研究生20余人和硕士研究生近100人。长期致力于岩石力学基础理论与测试技术、工程岩体稳定性分析与评价、矿山动力灾害发生机制与控制理论、山地地质灾害发生机理与监测预警等方面的教学与科研工作。


来源:

焦峰许江彭守建常法向刚度条件下人工结构面剪切力学特性及损伤演化规律试验研究[J]. 煤炭学202348(11):4065−4077.


责编:王晓珍
编辑:赵泽维
审核:张晓宁


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