不同含水状态下砂岩剪切过程中声发射特性试验研究

 利用自主研发的煤岩细观剪切试验装置和PCI–2型声发射测试分析系统对饱和度分别为0%,50%和100%三种不同含水状态下砂岩剪切破坏过程中的声发射特性进行试验研究,探讨声发射信号随时间的演化规律及其与砂岩裂纹的开裂、扩展之间的关系。研究结果表明：声发射活动伴随着砂岩整个剪切破坏过程,表现为剪应力峰值前,声发射活动不显著,声发射信号均较小,而在剪应力峰值后声发射信号出现剧增;且随着含水量增加,砂岩抗剪强度依次减小,声发射信号的剧增点出现的时间相应提前;在各含水状态下,声发射事件率峰值出现的时间总是滞后于剪应力达到峰值的时间;饱和度为0%时砂岩表面裂纹出现在剪应力峰值之后,且声发射活动最强烈,破坏时的累计声发射事件数最多,即累计损伤最大;而饱和度为50%和100%时砂岩表面裂纹出现在剪应力峰值之前,破坏后累计声发射事件数相对较少,累计损伤也相应小一些。     

压剪应力条件下砂岩开裂扩展过程的试验研究

利用自主研发的含瓦斯煤岩细观剪切试验装置及 PCI-2型声发射(AE)测试分析系统,开展法向应力分别为0.0,1.5,3.0,4.5,6.0 MPa条件下砂岩的压剪试验,对砂岩在压剪应力条件下的变形特性、声发射特性及其细观开裂扩展特征等进行系统研究。研究结果表明：随着法向应力的增加,砂岩抗剪强度增大,峰值剪切力及其相应的峰值位移均近似呈线性增大;不同法向应力条件下岩石的最终断裂破坏形态虽有所不同,但其开裂扩展趋势基本都是沿预定剪切面不断向前延伸扩展;法向应力越大,开裂扩展的时间越晚,岩石越不容易发生失稳破坏;受法向应力的影响,AE 事件率并未随着剪应力达到峰值而达到最大值,而是在峰值剪应力后急剧增大,微裂纹急剧扩展演化,最终AE事件率达到最大值,裂纹贯通导致岩石失稳破坏;随着法向应力的增加,剪切面两侧颗粒之间的摩擦力增大,同时受应力分布不均及岩石内部结构的影响,主裂纹的宽度越大,开裂扩展形态更加复杂。     

酸性条件下砂岩剪切破坏特性试验研究

运用自主研发的煤岩细观剪切试验装置,选取三峡库区三叠系上统的须家河组细砂岩开展室内不同pH值溶液浸蚀后的剪切试验,并借助图像处理技术对砂岩试件在剪切载荷作用下裂纹的时间演化规律进行试验研究,探讨裂纹开裂与砂岩浸蚀程度之间的关系。研究结果表明：岩石在不同时间点剪应力与裂纹演化有明显的相关性,表面裂纹的萌生到失稳断裂是在相对较短的时间内完成的,砂岩的破裂几乎是产生于矿物颗粒边界与胶结物中的绕晶破裂,仅在极少数应力高度集中区域的颗粒上才会出现穿过颗粒的破裂;随着化学溶液酸性的增强和浸蚀时间的延长,砂岩浸蚀程度增大,抗剪强度降低,砂岩剪切破坏时的裂纹开裂宽度相应增大,裂纹开裂情况愈加复杂;化学溶液是引起岩石强度和变形衰减的一个重要原因。     

岩石三维表面裂纹扩展机理数值模拟研究

岩石破坏的本质原因是由于内部裂隙的萌生、扩展与贯通过程。从三维的角度出发,采用细观损伤数值模拟方法,模拟单轴压缩下含预制三维表面裂纹的岩石试样的破坏过程。数值模拟得到了表面裂隙内部扩展、贯通过程,动态再现翼型裂纹、壳体裂纹的形态,探讨三维裂纹内部的受力机制,推测可能发生的断裂类型,进一步探讨三维裂纹扩展规律。研究结果表明：①反翼型裂纹并不一定萌生于预制裂纹端部,是由于翼型裂纹扩展后应力释放后的拉应力引起;②壳体裂纹的萌生与扩展阶段是由Ⅲ型加载断裂主导,而翼型裂纹扩展至一定长度之后停滞不前;③除了反翼型裂纹之外,还新发现了一种由壳体裂纹萌生出的次生裂纹,这种裂纹的扩展引起试样整体失稳崩溃;④岩石Ⅲ型加载（反平面剪切）难以获得Ⅲ型断裂破坏,壳体裂纹是由于Ⅲ型加载下的拉应力引起,实际上属于Ⅰ型与Ⅱ型复合裂纹;⑤非均匀性对岩石表面裂纹扩展影响很大,相对均匀岩石中难以出现曲线翼型裂纹或反翼裂纹。研究结果对于岩石三维裂隙扩展机理的物理力学实验与理论分析都具有参考意义。     

原生裂纹对煤岩剪切破坏宏细观演化规律的影响研究

 利用自主研发的煤岩细观剪切加载试验装置,开展不同加载速率剪切载荷作用下,含水平和垂直表面原生裂纹煤岩的裂纹开裂扩展时空演化模式、宏观裂纹形态及细观裂纹贯通机制的研究。研究结果表明：水平表面原生裂纹影响煤岩宏观裂纹发育数目,破坏后宏观形态呈H型或H+L型,而垂直表面原生裂纹对宏观裂纹发育数目无影响,破坏后宏观形态呈L型;原生裂纹对新裂纹发展演化的影响限于预定剪切面附近局部区域内,位于预定剪切面远处的原生裂纹,以及煤岩岩样制作中在预定剪切面远处产生的岩样缺损,其形态均未发生明显变化,未对剪切面附近宏观裂纹发育产生明显影响;在预定剪切面附近,后期产生的宏观主裂纹会引起前期右侧产生的裂纹受压而闭合,预定剪切面左侧的非贯通垂直原生裂纹,对宏观主裂纹的起裂、扩展无影响;细观分析表明,水平表面原生裂纹使煤岩局部破坏模式复杂多样化,包括压破坏、拉破坏、剪破坏及组合破坏模式,导致裂纹开裂位置可能出现在煤岩中部原生裂纹处,而垂直表面原生裂纹对煤岩破坏模式影响不明显。     

荷载和水压力作用下岩石裂纹贯通过程的数值模拟研究

应用自主开发的数值模拟系统F-RFPA^2D，研究荷载和水压力作用下岩石裂纹和内部缺陷结构相互作用下的贯通过程，内容包括岩石应力应变过程中，不同裂纹扩展阶段的渗透率演化规律，水压力对裂纹扩展模式和峰值强度的影响，岩石内部缺陷结构对裂纹贯通模式的影响等。结果表明，水压力和缺陷结构分布的非均匀性对岩石的应力峰值强度、峰值前后渗透性演化规律及裂纹贯通机制影响十分明显。     

剪切荷载作用下砂岩细观开裂扩展演化特征研究

 利用自主研发的煤岩细观剪切试验装置,对砂岩在剪切荷载作用下微裂纹的开裂扩展过程及其破坏后细观裂纹的分布特征进行试验研究,同时借助图像处理技术,探讨砂岩在剪切荷载作用下微裂纹的时空演化规律。研究结果表明：在剪切荷载作用下,砂岩试件外观损伤在加载过程中的大部分阶段不明显,而砂岩的开裂扩展在相对较短的时间内完成,且开裂扩展过程中产生的变形较小,其明显的开裂扩展过程多发生在峰值应力后的破坏阶段,且总体上是自下往上发展的;砂岩断裂破坏过程中既有绕晶破裂,也有穿晶破裂产生,但其开裂扩展主要产生于颗粒边界和胶结物中,这主要是该破裂方式需要消耗的能量较少;由于受砂岩表面矿物颗粒的排列组合方式、胶结程度等因素的影响,细观裂纹的开裂扩展方向具有一定的不规则性,与预定的剪切面方向有一定程度的偏差。     

不同法向应力下含瓦斯煤剪切破坏细观演化过程研究

 利用自主研发的煤岩细观剪切加载试验装置,开展压剪载荷作用条件下法向应力分别为0,2和4 MPa时含瓦斯煤的细观裂纹开裂、扩展及其宏观破坏演化过程的研究。结果表明：剪应力达到峰值前,含瓦斯煤样表面会有明显裂纹出现,达到峰值后剪应力都有一个急剧下降的过程,该过程与Charge-coupled device(CCD)摄像机观测下的主裂纹贯通相对应,但煤样没有立刻剪断,仍有一定的承载能力,随后剪应力随时间缓慢下降;在剪切过程中,煤样上部均出现破碎带,并伴随煤块的脱落,同时法向应力越小,煤样破坏越严重,裂纹发育越明显;含瓦斯原煤的开裂点均出现在煤样的上部与下部,受原煤原始裂纹和节理等因素影响,主裂纹扩展方向并不与剪切方向重合,而是沿剪切方向曲折向前发展。     

压剪应力条件下砂岩双面剪切细观开裂扩展演化特性试验研究

 利用自主研发的煤岩双面剪切细观开裂演化过程试验装置,通过开展不同法向应力条件下的剪切试验,借助声发射技术及图像处理技术,对细观开裂扩展过程、细观开裂扩展空间分布进行深入探究。研究结果表明：对于压剪应力条件下的双面剪切试验,加载过程中的大部分阶段,试件表面损伤不明显,表面裂纹出现在峰值剪应力之前;当剪应力达到峰值前,Hit率有一个急剧增加的过程,说明砂岩内部已有裂纹产生,而试件表面并无明显变化,一段时间后才在表面观测到细小裂纹,推测裂纹由内向外扩展;试件发生宏观破坏后,左右两侧裂纹呈八字形或梯形分布,由于竖向剪切力引起的岩体内部剪切破坏占主导作用且砂岩内部晶粒间存在一定的几何物理性质差异,主裂纹基本沿预定剪切面扩展的同时表现出开裂扩展的不规则性;裂纹多在石英、长石等矿物颗粒的边缘即砂岩中相对薄弱的环节产生,随着应力水平的增加,裂纹也会穿过矿物颗粒形成穿晶破裂,这种现象多在石英颗粒中出现,这与其特有的微结构特征有关。     

基于单轴压缩的岩体破坏机制细观试验研究

 岩石在荷载作用下产生宏观破坏,其断裂面的细观形态变化,可以间接地反映岩石内部损伤演化进程,并与其宏观力学状态和结构破坏特性之间存在必然联系。主要对巴西劈裂试验和剪切试验试样的断裂面进行电镜扫描,总结典型力学特征下试样断裂面的细观形貌特征,建立裂纹断裂面细观形貌与宏观力学特性匹配的判断标准。进而对含不同倾角预制单裂纹试样单轴压缩试样的破坏全断面进行细观扫描分析,采用判断标准对其细观形貌判别,得到断裂面的拉剪应力分布权重,探究断裂面拉、剪应力分布随裂纹扩展过程的变化规律。试验结果表明：全断面拉剪应力权重与预制裂纹倾角有密切关系。预制裂纹倾角小于45°时,断裂面以拉应力为主,且随着裂纹扩展拉应力权重逐渐减小,剪应力权重逐渐增大;当裂纹倾角大于45°时,其结论与前述结论相反;预制裂纹倾角为45°时,拉、剪应力共同作用产生翼裂纹及次生裂纹2种扩展方式,翼裂纹扩展由拉应力主导向剪切应力主导过渡,次生裂纹扩展过程中主导应力变化规律与之相反。     

渗透压作用下压剪岩石裂纹流变断裂贯通机制及破坏准则探讨

探讨了渗透压作用下黏弹性压剪岩石裂纹的起裂规律及分支裂纹尖端应力强度因子的演变规律,得出:一定轴向压应力下,渗透压、远场侧向应力和裂纹面摩擦系数是影响分支裂纹尖端应力强度因子KI演变的主要因素,渗透压的存在加剧了分支裂纹的扩展,随着裂纹渗透压的增大,分支裂纹扩展由稳定扩展变成不稳定扩展;建立了渗透压作用下压剪岩石裂纹体的轴向贯穿、岩桥剪切贯通两种不同类型的断裂破坏力学模型,引入虚拟应力强度因子KI(LC),提出以分支裂纹临界长度时裂尖虚拟应力强度因子KI(LC)作为黏弹性压剪岩石裂纹的流变断裂破坏准则,通过算例证实了该准则的可行性,得出:在既定裂纹分布、一定轴向应力和裂纹面摩擦系数的条件下,低渗透压、侧向拉应力共同作用下的压剪岩石裂纹趋向于轴向贯穿破坏,而高渗透压作用下会导致分支裂纹尖端岩桥剪切破坏,渗透压、侧向压应力共同作用下压剪岩石裂纹可能会发生具时间效应的流变断裂贯通破坏。为研究水岩相互作用下裂隙岩体的失稳破坏提供了一种新的思路。     

岩溶隧道围岩水力破坏机制研究

 将不同围岩结构岩溶隧道的水力破坏模式划分为：(1) 非贯通盲端裂纹的扩展;(2) 贯通裂纹的横向扩展;(3) 隔离体岩块的失稳;(4) 溶洞岩壁整体失稳。分析各种破坏模式的力学机制,采用断裂力学方法分析非贯通盲端裂纹及贯通裂纹的横向扩展条件,将非贯通盲端裂纹视为“无限大”体中的片状裂纹,用Green和Sneddon的求解结果计算裂纹起裂条件;将隧道–溶洞岩壁上裂隙视为岩板上贯通裂纹,按照复变函数推导出的Westergaard解计算裂纹起裂条件。采用基于赤平投影与实体比例投影的极限平衡法分析隔离体岩块的失稳机制,给出考虑水压力作用的极限平衡计算公式;采用强度折减法分析溶洞岩壁整体失稳的破坏特征。针对各破坏模式给出防治措施,研究结果可为类似工程提供参考依据。     

类岩石材料有序多裂纹体单轴压缩破断试验与翼形断裂数值模拟

为研究断续岩石裂纹产状特性对岩体强度的影响和岩桥破断规律,在水泥砂浆中预制有序多裂纹体,开展单轴压缩下类岩石材料有序多裂纹体破断试验。研究发现：有序多裂纹体破断模式主要为排间翼形拉裂纹贯通、排间拉伸—剪切裂纹贯通和排内倾斜剪切裂纹贯通。当裂纹倾角较小（如倾角为25°和45°）时,随裂纹密度的增加,试件表征峰值强度总体上呈衰减趋势,而残余强度总体上呈增加走势;裂纹倾角较大（如倾角为75°和90°）时,裂纹密度对表征峰值强度无显著影响,其残余强度特性表现不明显;相同裂纹密度下倾角从25°变化到90°,试件表征峰值强度总体上呈增加趋势。提出主控岩桥贯通模式的概念,倾角25°试件的主控岩桥贯通模式大都是斜对角线上排间拉伸-剪切裂纹贯通;倾角45°试件的主控岩桥贯通模式为：翼形裂纹贯通和斜对角线方向上共面次生剪切裂纹贯通两种模式。裂纹尖端应力-应变集中特性揭示了压剪裂纹尖端的拉应变集中是岩石翼形裂纹萌生的本质原因,而裂纹端部的双向压应力-应变集中导致次生剪切裂纹萌生。从岩石断裂力学基本理论出发,引入点剪切安全系数,构建基于ANSYS的岩石多裂纹体翼形断裂扩展的数值分析模型,阐明了单轴压缩下有序多裂纹体翼形断裂贯通的力学机制,其数值结论与物理试验基本相吻合。     

花岗岩应变岩爆声发射特征及微观断裂机制

 对真三轴应力状态下的突然卸载应变岩爆试验监测到的声发射原始波形数据进行频谱分析和时频分析。根据三亚花岗岩岩爆试验前后样品SEM微观结构照片,岩爆过程的声发射频谱特性及声发射参数RA值(声发射撞击上升时间/幅度)的不同,分析其破坏过程的微观机制。在试件相对稳定阶段,产生以低幅、低能量释放为特征的波,对应微裂纹的滑移或局部的微裂纹开裂;在岩爆发生时声发射波除低频部分的幅值明显增大之外,高频幅值也有增大趋势,表明有高能量释放,试件内产生宏观破裂;岩爆前RA值增加,岩爆时降低。高RA值是张裂纹形成产生的波,低值是剪切裂纹形成的波。试验结果揭示岩爆过程中同时产生大量的高频低幅特征的波和低频高幅特征的波,分别对应形成穿晶或解理微裂纹,以张裂纹为主及沿晶或穿晶宏观裂纹,以剪切裂纹为主,显示高能量释放及低RA值特征。     

预制孔岩石破坏过程中的声发射时空演化特征研究

选取粗粒花岗岩和细粒砂岩,通过预制方孔和圆孔,开展单轴加载条件下岩石破坏声发射试验。采用单纯形定位算法,对岩石破裂过程中的声发射时空演化规律进行研究,并对声发射活动特征、能量释放率和空间相关长度进行分析。研究结果表明：对于预制孔间距与预制孔尺寸相同的试件,声发射事件主要在岩石中部群集,试件以中部剪切破坏为主,声发射三维定位事件直观反映裂纹初始、扩展直至贯通的动态演化过程;在整个加载过程中,颗粒较粗且大小不均的花岗岩试件声发射活动性较强,颗粒较细且均匀的砂岩试件声发射活动性在加载后期才开始增强;岩石破坏前,小尺度裂纹合并贯通形成大尺度裂纹,声发射率下降,能量释放率增强,出现声发射信号“平静”而能量释放“不平静”的现象;岩石在受载过程中,应力场通过迁移和重新分布逐步建立起长程相关性;岩石破坏前,空间相关长度显著增加,且在岩石破坏时达到最大值。     

Shear testing on rock tunnel models under constant normal stress conditions

Large shear deformation problems are frequently encountered in geotechnical engineering. To expose the shear failure mechanism of rock tunnels, compression-shear tests for rock models with circular tunnel were carried out, including single tunnel and adjacent double tunnels. The failure process is recorded by the external video and miniature cameras around the tunnel, accompanied by real-time acoustic emission monitoring. The experiments indicate that the shearing processes of rock tunnel can be divided into four steps: (i) cracks appeared around tunnels, (ii) shear cracks and spalling ejection developed, (iii) floor warping occurred, and (iv) shear cracks ran through the tunnel model. Besides, the roughness of the sheared fracture surface decreased with the increase in normal stress. Corresponding numerical simulation indicates that there are tensile stress concentrations and compressive stress concentrations around the tunnel during the shearing process, while the compressive stress concentration areas are under high risk of failure and the existence of adjacent tunnels will increase the degree of stress concentration.     

边坡潜在滑移面关键单元岩体裂隙演化特征细观试验与滑移机理研究

 利用自行研制开发的剪切蠕变细观试验装置与软弱煤岩细观力学特性测控软件,对边坡潜在滑移面关键区红砂岩进行了系统的剪切蠕变试验研究,分析了红砂岩在不同载荷水平的剪切蠕变作用下细观裂纹扩展的时空演化规律及破坏后破裂面形态特征与剪切蠕变强度之间的关系,初步探讨了边坡的滑移机理。结果表明：剪切蠕变作用下,红砂岩宏观蠕变变形与细观裂隙扩展同步进行;红砂岩裂纹扩展方向与剪切应力方向具有一定偏差,且出现多次分岔;裂纹多为绕晶体边缘扩展,扩展路径的不规则性受到岩体晶体分布特征的影响;岩体不同成分之间的应力响应差异、变形不协调和微裂隙之间的相互作用促进了裂隙的萌生和扩展,裂隙多在张拉和剪切共同作用下形成;破裂面粗糙度与剪切蠕变强度呈非线性递增关系,曲率呈先增大后减小趋势。     

中部锁固岩桥三轴加卸荷力学特性及裂纹扩展研究

 锁固型高陡岩质边坡内部岩桥破坏机制复杂,研究边坡中部锁固段的破坏规律及其对边坡整体变形破坏机制具有重要意义。为表征滑坡后缘拉裂缝和前缘蠕滑破坏,在完整岩样端部预制裂纹形成中部岩桥,开展3种不同长度岩桥试样的三轴加载和三轴加卸荷试验,分析2种应力路径下的应力–应变特征、强度特征和裂纹扩展模式,从断裂力学角度揭示了裂纹扩展机制。结果表明：随围压和岩桥长度的增加,试样峰值强度和对应的应变增大,且三轴加卸荷峰值和应变均大于三轴加载;应力–应变曲线呈现出“突发式破坏”和“峰后回升”现象,部分试样还表现出“双峰值”特征;岩桥试样呈现贯通岩桥、贯通试样上端面、向外环向破坏、向内环向破坏及贯通试样下端面等5类裂纹扩展模式;岩桥试样在下部节理尖端应力集中处产生张拉裂纹和剪切裂纹,大部分裂纹起裂角集中在40°～50°范围。中部岩桥三轴加卸载力学试验表明,边坡锁固段并非一次剪断破坏,可能呈现逐次多级破坏模式,本研究获得的岩桥裂纹扩展及破坏机制,可为锁固型岩质边坡开挖卸荷的破坏机制和变形特征提供理论支撑。