低应变率动载下含水泥岩力学响应特性与损伤机制

李桂臣; 杨森; 孙元田; 李菁华; 郝浩然; 邵泽宇

doi:10.13225/j.cnki.jccs.2023.1504

摘要：动载作用下富水泥质巷道围岩加速失稳破坏,已成为深部煤炭资源开采工程的突出问题,深入研究扰动荷载下含水泥质岩体的损伤机制具有重要意义.开展了泥岩低应变率动载扰动试验,分析了不同含水率、动载速率、动载强度等因素对泥岩力学响应特性的影响,阐明了动载扰动阶段的弹塑性变形行为特性,明确了泥岩不同加载阶段拉伸、剪切破坏分布特征,揭示了水岩及动载作用下泥岩细观结构演化机制.结果表明:①低应变率动载对泥岩强度仍有弱化作用,泥岩抵抗动载扰动能力随含水率、动载速率、强度增大而降低,强度损伤最大分别达到28.47%、59.76%、31.56%.②声发射特性参数规律表明加载过程中泥岩经历了初期损伤、损伤加剧、损伤平寂(加剧)、损伤发育 4个裂隙演化阶段,动载扰动阶段各因素较低水平时Kaiser效应更明显,各因素较高水平时Felicity效应越显著.③初次动载扰动下泥岩的加载应变、塑性应变均最大,各因素较高水平时泥岩二次显著损伤时间提前;较高动载速率、强度试验中,扰动过程中加载应变与塑性应变关联性较高,且塑性应变始终大于弹性应变.④泥岩加载全过程中剪切破坏占比随着含水率的增大均有提升,其中动载阶段由干燥时 6.94%显著增加至饱和时 33.95%,宏观剪切破坏特征逐渐明显.⑤饱和泥岩中水的溶蚀及潜蚀作用、较高速率动载作用下胶结断裂、较高强度动载作用下颗粒胶结大范围位移是泥岩力学性能劣化的根本原因.⑥构建了考虑侧向应力与循环动载作用的泥岩损伤模型并利用不同含水率试样循环动载阶段加卸载应力-应变关系进行了验证,模型参数F0 与参数m(m,F0 分别为关于Weibull分布的形状参数和比例参数)相比对泥岩试样强度的影响更显著.研究成果为揭示低应变率动载作用下含水泥质软岩的损伤机制提供了科学依据,有助于深入理解动载扰动下富水泥质巷道围岩加速失稳问题.