基于数字图像技术的含双预制裂隙类岩石试样力学特性细观研究

岩石破坏过程中裂纹孕育演化规律及分布模式是解决岩石破坏问题的关键所在,而预制裂隙作为一种典型的岩石缺陷,与岩石的宏观力学状态和结构破坏特性之间有着密切的联系。采用数字图像技术(DIC)及颗粒流程序(PFC),研究了单轴压缩状态下含双预制裂隙类岩石试样破坏全过程,得到了试样破坏过程中观测面全场应变和位移的演化过程以及裂纹发展、微破裂数等特性。研究表明:①当载荷到达一定阶段,预制裂隙两端首先出现明显的微破裂区,其形状近似椭圆,开始形成宏观Ⅰ型裂纹(翼形张拉裂纹);②随着载荷的增大,微破裂聚集,预制裂隙端部开始形成宏观Ⅱ型裂纹(剪切裂纹),并与Ⅰ型裂纹一起持续发育直至试样破坏;③预制裂隙左右两侧和上下两侧的X方向和Y方向位移量差别较大,X方向位移量在两条预制裂隙的右边为正值,左边为负值;Y方向位移量自固定端(下端)向加载端呈由大到小呈梯度分布。     

不同尺寸含裂缝岩样动态破坏特征的实验研究

为研究不同尺寸含预制裂缝岩样遭受动态冲击过程中的变形和破坏特征,采用直径分别为50,100,150,200 mm的中心直裂缝巴西圆盘(CSTBD)试件,在压杆直径100 mm的SHPB系统上对试件进行相同速度下的径向动态冲击实验,结合应变片和数字图像相关监测系统(DIC)对圆盘2个平面的应变和位移的变化进行了监测,分析了加载过程中压杆上的波形、圆盘试件两端的应变、裂纹的起裂时间和圆盘表面的位移场等.研究表明:加载过程中试件两端的变形存在差异,预制裂缝前后裂尖起裂时间不一致,且这些差异随着圆盘直径的增大而增大;尺寸较小的试样更容易实现应力平衡,试件尺寸越大,应力平衡性越差.试件的破坏主要由拉应变引起,且预制裂缝的裂尖先于试件端部起裂,试件起裂之前的孕育时间、主裂纹的扩展时间与试件尺寸正相关.     

加载速率影响下裂隙细砂岩力学特性试验研究

天然岩石含多种原生缺陷,受工程扰动影响易促使载荷速率发生变化,为确保岩体工程的稳定性,需对加载速率及裂隙影响下的岩石力学特性进行研究。以均质细砂岩试样为研究对象,试样中央预制0°～90°贯通裂隙,通过单轴压缩试验和声发射试验研究加载速率影响下的裂隙砂岩力学性质变化规律。结果表明:相同裂隙倾角下,试样的抗压强度、峰值应变以及弹性模量均与加载速率呈正相关关系;加载速率对岩石力学性质的强化效应具有区间性,低数量级时加载速率的作用程度明显高于高数量级时。砂岩试样的力学性质受控于裂隙倾角α,随着α的增加,试样峰值强度先增加后减小,并在α=15°时达到最低值。声发射计数特征能够准确反映砂岩试样的破坏过程,岩石加载过程中,声发射计数经历"剧烈-平静-剧烈"的过程,且随着加载速率的增加,加载前期尤其是峰值强度前记录到的明显声发射事件数降低。     

基于数字图像技术的含双裂隙类岩石试样力学特性细观研究

岩石破坏过程中裂纹孕育演化规律及分布模式是解决岩石破坏问题的关键所在,而裂隙作为一种典型的岩石缺陷,与岩石的宏观力学状态和结构破坏特性之间有着密切的联系。采用数字图像技术(DIC)及颗粒流程序(PFC),研究了单轴压缩状态下含双裂隙类岩石试样破坏全过程,得到了试样破坏过程中观测面全场应变和位移的演化过程以及裂纹发展、微破裂数等特性。研究表明：(1)当载荷到达一定阶段,预制裂隙两端首先出现明显的微破裂区,其形状近似椭圆,开始形成宏观Ⅰ型裂纹(翼形张拉裂纹)。(2)随着载荷的增大,微破裂聚集,裂隙端部开始形成宏观Ⅱ型裂纹(剪切裂纹),并与Ⅰ型裂纹一起持续发育直至试样破坏。(3)预制裂隙左、右两侧和上下两侧的X和Y方向位移量差别较大,X方向位移量在两条预制裂隙的右边为正值,左边为负值；Y方向位移量自固定端(下端)向加载端呈由大到小呈梯度分布。     

应变率对岩石裂隙扩展规律的影响

为分析一种奥陶系沉积岩在单轴压缩条件下岩石的裂隙扩展规律,利用应力加载系统和VIC-3D观测系统等试验系统,并采用数字图像相关方法研究了单轴压缩下岩石表面裂隙扩展过程中应变场的变化特征。试验结果表明:在加载过程中,通过VIC-3D观测系统可得到整个加载过程中的全场应变演化规律,其中岩石表面数字散斑云图的高应变区不断增加,相应地岩石在弹塑性阶段就开始出现了轴向的微裂纹,当达到应力峰值为18.02 MPa时,主裂纹和周围出现的次生裂纹不断扩展延伸导致了试样的完全破坏;考虑到应变率对岩石力学特性的影响,结合单轴压缩下岩石试样表面裂隙周围应变场的变化特征,分析出了主裂纹Ⅰ和次生裂纹Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ周围的应变率和裂纹扩展速率的关系,发现裂隙扩展速率和轴向应变率呈现较强的指数函数关系。研究结果揭示了这种沉积岩的裂隙扩展与延伸规律,可为防治煤矿动力灾害的发生提供参考。     

大粒径破碎岩石承压变形特性

为研究大粒径破碎岩石承压变形特性,研制了大尺寸破碎岩石承压变形试验系统,选取某矿区典型顶板砂岩,考虑垮落区破碎岩石粒径的分布特征和受力状态,进行了正态分布的粒径级配和梯形分级加载试验。试验表明:随轴向载荷增加,破碎岩石轴向变形逐渐增大,残余碎胀系数和空隙率逐渐减小,加载较恒载阶段尤为明显;恒载初期,轴向应变增长较快,而后逐渐变缓并趋于平稳,应变时间历程呈现对数关系;加载阶段,随载荷增大,破碎岩石试样轴向应变差值呈现先减小后增大,恒载阶段,随载荷增大,破碎岩石试样轴向应变差值则呈现先增大后减小;破碎岩石承压后的变形分为瞬时压缩变形和长期压缩变形两个阶段,主要由颗粒位置调整、原始或新生小颗粒滑动填充空隙引起的;破碎砂岩试样以粒径15~20 mm为承压变形过程中的稳定粒径,试验后,粒径15 mm的含量均有增加,粒径20 mm的含量则均有减小,为破碎砂岩试样总质量的16.76%。     

煤样变形破坏过程中全应变场分布规律

为了研究煤样变形破坏过程中全应变场的分布规律,利用TYJ-500KN微机控制电液伺服剪切流变试验系统和XTDIC三维光学数字散斑系统对煤岩样进行单轴压缩试验。根据数字散斑的计算结果对煤样全程的加载过程的位移演化进行研究。得到结论,在煤样剪切破坏时,数字散斑图像中位移集中带出现较早,且位移集中区域辨别明显。通过对煤加载破坏全过程监测,数字散斑系统可以准确预测破坏形式和试样的破坏位置。因此,对于煤样的破坏,数字散斑监测数据分析判别为较准确预测试样破坏位置起到重要作用,对探究煤样破坏位置及变化集中带分布规律也具有重要意义。     

含预制裂纹的脆性岩石单轴压缩下渐进性破坏过程的试验研究

对含预制裂纹的花岗岩进行单轴压缩试验研究预制裂纹倾角α对脆性岩石渐进性破坏过程的影响。首先对破坏过程的轴向应力-横向应变曲线进行总结和讨论,然后分析预制裂纹与加载方向夹角α对岩石的应力门槛值：裂纹起始应力σci、裂纹扩展应力σcd、峰值强度σf,由应变片记录的应力-应变曲线和试样的表面裂纹扩展情况的影响机制。结果表明,含有预制裂纹的岩石试样进行加载试验过程中,预制裂纹倾角α的变化成了决定脆性岩石破裂方式的主要因素。故在对含节理、裂隙的脆性岩石的工程应用上,通过对岩体的轴向应力-横向应变曲线进行分析,可以对地下开挖工程起到指导设计开挖方式及支护形式的作用。     

岩石单轴加载破坏全过程波速变化特征研究

岩石力学性质是声波监测技术的基础,可通过观测声波在岩石内部传播变化过程判别岩石的稳定性和发育状况。为了解赵庄二号井岩石载荷受力下声波于介质传播过程中变化状况,单轴加载试验采用岩石力学试验机和声波测试系统,对晋城赵庄二号井典型层位的砂岩、泥岩、灰岩加工成标准试样,在单轴加载条件下,采用不同加载方法进行比对,获取方法适用性。然后,利用观测声波对岩石裂隙发育程度、不同岩性的纵、横波波速及应力-应变全过程的变化特征进行了研究。研究结果表明:选用位移控制法可以更好获取全应力-应变曲线;在加载过程中,试样压密、弹性阶段波速呈线性上升的趋势;到达应力峰值后,试样破损,承受力降低并出现软化特征,应力与波速呈非线性变化;波速变化趋势与应力-应变曲线基本一致,不同的应力-应变阶段均发生不同的波速响应特征。通过对岩石加载声波变化特性的测试观察,可对岩体的稳定性或内部裂隙发育程度做出预测预判。     

轴压和循环冲击次数对砂岩动态力学特性的影响

利用岩石动静组合加载SHPB试验装置,研究不同轴压的岩石在循环冲击过程中动态强度和变形特性。首先,对具有不同轴压的岩石进行循环冲击;进而考察了在循环冲击过程中岩石的典型动态应力-应变曲线;最后,研究轴压和循环冲击次数对岩石动态强度和变形特性的影响。研究结果表明：随着循环冲击次数的增加,加载段和第2卸载段的变形模量、峰值应力、恢复的应变与峰值应变之比和恢复的应力与临界卸载应力之比值逐渐降低;平均应变率、峰值应变、第1卸载段的变形模量以及单位体积吸收能逐渐增大。当轴压为其单轴抗压强度的22%,51%和65%时,岩石对外部冲击载荷的抵抗能力与冲击次数间的关系整体上呈现“平缓发展-急剧下降”,当轴压为0或为其单轴抗压强度的87%时,岩石抵抗冲击的能力随冲击次数的增加基本呈现匀速降低的趋势。当轴压为其单轴抗压强度的22%时,抵抗外部循环冲击载荷的能力最高。     

预制裂纹花岗岩单轴压缩全过程声发射特征试验研究

为有效提取含有宏观构造岩体失稳破坏的前兆信息,对不同倾角预制裂纹的花岗岩进行了单轴压缩全过程声发射变化特征试验。结果表明:预制裂纹对岩样峰值强度的影响是显著的,随着预制裂纹倾角的增大,花岗岩试样的峰值强度降低。随着预制裂纹倾角的增大,花岗岩变形破裂过程中声发射事件数和声发射震级都增加,出现声发射前兆信息时试样的应力大幅降低,完整试样的应力为峰值应力的88.5%,裂纹倾角30°时为84.5%,裂纹倾角45°时为56.2%,裂纹倾角60°时为46.3%,声发射前兆信号出现的时间也更为提前。花岗岩变形破裂过程中声发射事件主要集中在预制裂纹区域。声发射监测数据能较好地反映岩石的微小破裂情况,因此对含有宏观构造的岩体应加强宏观构造处的监测。     

白砂岩试件初始损伤后再加载力学特性试验分析

针对巷道开挖以及回采过程中围岩应力平衡-卸压二次平衡引起的巷道大变形问题,利用应变测试仪及红外热像仪对白砂岩三轴加载-卸载后单轴再加载的破坏过程进行监测.实验结果表明:试件单轴加载破坏形态与初始损伤程度有关,白砂岩三轴加载超过57.5%峰值强度后卸载,单轴再加载破坏形态发生了改变;岩石单轴加载过程中环向应变速率与岩石裂隙大小有关,裂隙越大,环向应变速率越大,反之,应变速率则越小;单轴再加载损伤后的岩石,存在张裂变形与剪切滑移变形,破坏时以剪切滑移为主.试件剪切破坏时滑移面温度急剧升高.     

不同加载速率下破碎岩石承压变形特性研究

为了研究破碎岩石在不同加载速率条件下的承压变形,以特定粒径的破碎岩石为试验对象,考虑破碎岩石在地下的受力情况及粒径分布特征,对破碎岩样采取改变加载速率的方式进行试验。试验结果表明:破碎岩样在不同加载速度下达到峰值压力的时间与加载速率呈现负相关关系,加载速率为5 mm/min时达到峰值压力需要的时间最短,只需300 s,其荷载-时间曲线近似呈现弹性变形;在不同加载速率条件下应力-应变曲线均呈现"上凹"的形式,随加载速率的增加,曲线逐渐趋于平缓;变形模量-应力曲线均呈现近似线性变化,变形模量峰值与加载速率呈反比,并在加载速率为1 mm/min条件下达到峰值压力时的最大变形模量,为360 MPa;筛分试验过后的破碎岩样,以粒径为0～2 mm的岩样为例,在加载速率为5 mm/min时的占比是加载速率为1 mm/min时的1.17倍。岩样在承压过程中剪应力导致颗粒细化滑移是岩样产生变形的关键因素。     

岩石类试件损伤失稳时的位移特性分析

通过对平面应变条件下不同损伤程度时试样变形过程中的应力位移变化值进行监测,分析了试样分叉与剪切带形成过程中轴向应力位移曲线,轴向-侧向位移对比曲线,剪切带网络特征及其随损伤程度变化的规律。研究表明,加载初期,围压存在时,试样首先表现为短暂的侧向压缩,随后开始发生侧向膨胀,损伤发生于材料达到峰值强度后,损伤程度越大,试样的残余强度与达到残余强度时的轴向位移越小,试样达到分叉点和剪切带形成点处的轴向位移越小,试样越容易发生失稳,剪切带网络开始于应力-位移曲线的弹性II阶段,发展于软化下降阶段,而形成于残余强度阶段。     

基于3D-DIC系统的白砂岩单轴压缩应变率效应的力学性能试验研究

通过选取典型岩样，研究了白砂岩在10^-5～10^-3 s^-1应变率范围内的单轴压缩性能，采用3D-DIC系统观测和采集岩样表面位移云图，并分析不同应变率下岩样变形破坏特征差异。结果表明，岩样表面位移场变化反映了破坏面演化规律，剪切破坏面与位移场集中存在对应关系。全局轴向应变差异主要发生在微裂隙压密到弹性变形期间；加载初期，全局径向应变存在差异，在峰值强度时下端部区域径向位移最大，岩样上端部变形受到端部效应影响，径向向外膨胀受端面与垫片间摩擦限制；此外，下端部局部轴向应变大于上端部区域。随着加载速率增大，岩样从延性特征向脆性特征转变。加载速率较低时，岩样破坏过程中孔隙坍塌使得部分裂隙再次闭合、滑移而产生摩擦效应，从而使峰值强度附近的应力-应变曲线出现波动。白砂岩峰值强度、弹性模量、泊松比等力学参数随加载速率增大而增加。     

基于应变水平的砂岩脆性破坏声发射信息研究

岩石脆性破坏过程中的声发射信息与其受载变形破坏过程密切相关,在岩石破裂前的膨胀点、应力峰值点和应力-应变曲线峰值后拐点位置存在声发射会出现突增现象。利用岩石破坏的三维重整化群理论给出了岩石破裂前声膨胀点所对应的应变和岩石峰值应力对应的应变水平比值的表达式,单轴荷载条件下其临界比约为74%与78%之间,并通过砂岩刚性加载试验得到了验证;同时通过对试验数据的分析发现,岩石破裂前的膨胀点、应力峰值点和应力-应变曲线峰值后拐点位置所对应的应变值之间具有很好的比值关系。     

不同加载速率对石灰岩巴西劈裂特性的影响

利用RMT-150B岩石力学试验系统进行了6种加载速率下石灰岩圆盘试样的巴西劈裂试验,分析了圆盘试样劈裂破坏过程中的变形、强度、能量和破坏特征与加载速率的关系.试验表明:整个加载劈裂过程中压应力-压应变曲线大致可分为压密、弹性和破坏3个阶段,拉应力-拉应变曲线大致可分为弹性和破坏2个阶段,峰值前拉应力-拉应变始终保持良好的线性关系,平均峰值压应变、拉应变与加载速率没有明显关系.加载速率对试样劈裂强度、劈裂能率的影响大致相同:加载速率(0.005～0.5 kN/s)较低时,劈裂强度、劈裂能率随加载速率增加较为缓慢;加载速率(4.78～58.8 kN/s)较高时,劈裂强度、劈裂能率随加载速率增加较快,采用对数函数能够表征三者的关系,且劈裂强度与劈裂能率呈正相关,加载速率为0.005～58.8 kN/s范围内大多数圆盘试样劈裂成对称半圆,劈裂破口面宏观特征与加载速率关系不明显.     

单轴循环载荷与渗透水压下预应力裂隙岩石破坏试验研究

为研究受地应力与渗透水压耦合作用下的深部岩体受到爆破等动力扰动的力学响应,研制了渗透水压加载装置,对含裂纹类岩石材料的混凝土试样加载预应力后,进行有渗透水压作用和无渗透水压作用下单轴循环加卸载压缩破坏对比试验。试验结果表明,在试样弹性阶段加载有限次循环载荷有助于类岩石材料的强化;在有渗透水压作用下,单轴循环加卸载后岩石的强度降低,降低的程度与循环载荷加载时预应力的大小有关,在弹性阶段加载循环载荷的岩石强度高于在损伤阶段加载循环载荷的岩石强度,而且在渗透水压作用下岩石的应变大于无渗透水压作用下岩石的应变。具有岩爆倾向性的岩石可以通过加载、卸载产生损伤以降低其岩爆倾向性,同时低渗透水压的作用可使岩爆降低程度更剧。     

正交型交叉裂隙岩石强度特征与破裂机理试验研究

工程岩体是具有各向异性的非均匀地质体,隧道开挖或服役过程中由于岩体节理、裂隙诱发的片帮、冒顶等事故时有发生,造成严重的人员伤亡和经济损失。天然岩体中裂隙主要以交叉形态分布,为了探究裂隙对岩石力学特性及破裂特征的影响规律,利用线切割设备对岩石试样预制不同分布状态的正交型交叉裂隙,借助声发射和表面应变测量系统对单轴压缩条件下裂纹起裂应力、裂纹扩展路径与应力性质进行计算与分析。研究结果表明,裂隙长度对岩石强度的影响作用较小,裂隙与加载方向的夹角是影响岩石强度的最主要因素。岩石峰值强度与弹性模量均随主裂隙倾角的增大呈先增加后减小的变化规律,当主裂隙倾角α=90°时,岩石试样的力学指标达到最小值;正交型裂隙试样中主裂隙或次裂隙端部更容易产生起裂破坏,起裂位置与预制裂隙倾角息息相关;裂隙岩石的破裂具有显著方向性,正交型裂隙岩石的起裂裂纹主要呈翼型或反翼型,当α45°时,主裂隙对起裂起到主控作用,次裂隙的存在对裂纹扩展具有导向作用;当α45°时,起裂裂纹主要位于次裂隙端部,起裂由次裂隙控制。与完整试样相比,裂隙岩石试样整体失稳破坏前产生多次声发射突增现象,即加载过程中产生多次破裂,正交型裂隙试样起裂应力集中于0.22σ_c～0.34σ_c,起裂发生在较低应力水平;当岩石中存在与加载方向垂直的裂隙时,岩石的破裂与破坏受此类裂隙的影响最为显著。     

薄层状岩石试样3D打印与力学特性试验研究

薄层状岩石广泛存在于矿山开采与地下工程建设中，针对其力学特性的研究对于该类岩体工程的安全施工与运营具有重要意义。借助自主研发的岩土类材料3D打印设备，基于湿料挤出沉积成型3D打印工艺，开展了不同层理产状薄层状类岩石试样的3D打印试验，成功获得了层理面与试样长轴夹角θ为0°、45°、90°的类岩石试样。针对打印试样开展单轴压缩试验，借助数字图像相关方法（DIC）对试验过程开展非接触式全场应变观测，对比分析了不同层理产状3D打印试样的宏观力学参数、空间应变场演化规律与破坏模式。结果表明：所提出的湿料挤出沉积成型3D打印工艺与设备，可以构建力学特性及破坏模式与薄层状岩石类似的人工试样。受层理产状与加载方向的关系影响，试样的宏观力学参数及破坏模式存在显著差异，θ=0°、45°、90°试样的峰值强度均值分别为1.88、1.55、3.32 MPa，弹性模量均值分别为0.37、0.32、0.98 GPa。DIC观测结果可以更直观地揭示层理产状与加载方向的关系对于薄层状岩石破坏过程与破坏模式的控制机制。相关成果可为3D打印技术在岩石力学中的推广应用提供借鉴。