单轴压缩下不同层理方向对片麻岩声发射特征影响的试验研究

为探究不同层理方向岩体的损伤演化规律和变形破坏中的声发射特征,选用具有明显层理构造的片麻岩试样开展单轴压缩条件下的声发射试验,分析轴向平行和垂直层理片麻岩试样失稳破裂、声发射时序参数和声发射空间定位演化特征。结果表明:不同层理方向对岩石破裂影响显著,轴向平行层理片麻岩试样峰值载荷稍高于轴向垂直层理的,裂纹起裂应力水平较高,声发射定位点由加载初期离散无序分布转为向沿层理聚集,破裂时主裂隙沿层理面贯通上下端或沿层理扩展形成垮落区,最终表现为典型的张拉破坏,岩石达到峰值载荷后瞬间失稳,呈突发式破坏特征;轴向垂直层理试样起裂应力水平较低,进入声发射剧烈期参数波动更为显著,事件点在试样中部聚集产生倾斜带状剪切裂纹密集区,破裂时出现多种破裂模式,主要以剪切滑移破坏为主。岩石达到峰值载荷后应力发生多次跌落,呈渐进式破坏特征。     

单轴压缩下三裂隙黄砂岩力学特性及裂纹扩展试验研究

为了研究单轴压缩下含裂隙黄砂岩的损伤劣化机理,利用伺服压力机对预制断续三裂隙黄砂岩进行单轴压缩试验,并结合高清摄像机录像对试样破坏全过程进行监控,进而分析了不同中心裂隙倾角α对三裂隙黄砂岩力学特性、裂纹扩展规律及破坏模式的影响。结果表明,随着中心裂隙倾角α的增加:(1)三裂隙黄砂岩单轴抗压强度先增大后减小,与完整砂岩试样相比,三裂隙黄砂岩试样峰值强度降低明显;(2)初始裂纹由岩桥区域附近萌生,α=15°、30°时垂直于中心裂隙B,α=45°时发展为连通裂隙AB、BC尖端并与中心裂隙B成一定角度,次生裂纹沿轴向扩展,主裂纹沿试样上下端面及边缘扩展;(3)裂隙砂岩试样的破坏模式由张拉破坏变为劈裂破坏,最后变为剪切破坏。     

单轴压缩下充填正交裂隙花岗岩强度及裂纹扩展演化

为研究充填材料类型对裂隙岩石力学特性及裂纹扩展演化的影响特征,对含充填正交裂隙花岗岩板状试样进行单轴压缩试验.结果表明:与单裂隙试样相比,含充填正交裂隙试样峰值强度和弹性模量明显劣化,劣化幅度分别为17.45%~39.19%和9.64%~27.42%.随充填材料强度的增加,充填试样峰值强度和弹性模量均逐渐增大.充填类型对试样次生裂纹的起裂形式影响显著,充填材料强度较低时,试样首先在充填物与次裂隙的交界面发生"脱黏"现象,然后由次裂隙外侧尖端开始起裂,而充填材料强度较高时可抑制次裂隙尖端裂纹萌生,试样初始破坏表现为主裂隙尖端的拉裂纹扩展.充填材料强度越大,充填试样的起裂应力越接近峰值强度,起裂应力水平越高.获得了充填试样轴向应力-应变曲线与次生裂纹扩展的实时关系,表明每一次较大的应力跌落均对应一条次生裂纹的萌生和扩展.     

均质度对层理页岩破坏过程声发射影响的数值模拟

采用真实破裂过程分析软件RFPA~(2D)(realistic failure process analysis),结合所取江西页岩岩芯的室内强度、泊松比、弹性模量等实验结果,对不同均质度的不同方向层理面页岩在单轴压缩破坏下的过程及其声发射特性进行了数值模拟。研究表明:页岩层理面方向和均质度对其抗压强度、破坏模式和声发射特性有显著影响。垂直于层理面加载时的抗压强度大于平行于层理面加载时的抗压强度,而其声发射累计数小于平行于层理面加载的声发射累计数。加载方向与层理面垂直时,层理弱面发生剪切破坏,而基质体发生劈裂破坏。加载方向与层理面平行时,主要发生沿层理弱面的竖向劈裂。随着均质度增大,模型峰值应力增大,声发射计数减少,声发射信号出现时间延迟,持续时间变短。声发射的集中带与基元破坏形成的宏观裂纹的位置一致。     

不同围压下茅口灰岩渐进性破坏的试验研究

利用MTS815电液伺服控制刚性试验机进行不同围压下茅口灰岩三轴压缩试验,通过计算绘得相应裂隙体积应变图,分析得出裂纹起始应力、裂纹破坏应力。结果表明:随着围压的增大,应力门槛值均呈非线性增长态势,当围压超过17 MPa时,裂纹起始应力、裂纹破坏应力分别增加48.5%和20.1%,茅口灰岩延性开始增强;裂纹破坏应力为峰值强度的64%~75%,三轴压缩下茅口灰岩裂隙不稳定发展阶段较长;环向应变值随围压增大而增大,当轴力超过裂纹破坏应力进入裂隙不稳定发展阶段,环向应变增大2.7~3.2倍,用环向-轴向应力应变曲线图能较好的反映岩石应力门槛值。     

基于颗粒流的带中心孔巴西圆盘试样裂纹扩展分析

为研究带中心孔巴西圆盘的劈裂过程,利用颗粒流法分析不同孔径的带中心孔巴西圆盘的裂纹扩展规律和机理。结果表明,不同孔径的巴西圆盘断裂模式有一定差异,主裂纹均从孔洞在加载方向的两端萌生并沿加载方向扩展。当中心孔径较小时,次生裂纹从加载点附近萌生并与主裂纹发生连通作用,圆盘试样破裂分成两半;当中心孔径较大时,次生裂纹从加载点的一侧萌生并向中心孔方向扩展,圆盘试样劈裂成4块。带中心孔巴西圆盘的劈裂过程可分为弹性变形阶段、主裂纹的萌生和稳定扩展阶段、主裂纹的扩展失稳阶段和次生裂纹扩展失稳阶段等4个阶段。从应力场角度来看,巴西圆盘的劈裂过程是拉应力集中区不断转移并产生新的微拉裂纹,大量微裂纹萌生、扩展和贯通形成宏观裂隙的过程。从能量角度来看,巴西圆盘的劈裂破坏过程是岩石从受荷初期应变能不断积累,到达峰值强度后应变能瞬时释放并伴随耗散能急剧增加的过程。     

大理岩特征应力的加载速率效应研究

为研究加载速率对脆性岩石特征应力的影响规律,利用MTS815型试验机和声发射测试系统进行大理岩的单轴压缩试验.采用体积应变法、声发射法和基于微裂纹发育特性的黏结颗粒离散元法确定试样的特征应力,探究特征应力的加载速率效应.结果表明,3种方法确定的特征应力值较为接近,基于微裂纹数的黏结颗粒离散元法是一种较可靠有效的方法.在中低加载速率范围内,随加载速率增加,归一化特征应力值呈现减小规律.数值模拟结果显示,加载速率在中低和较高范围内增加时,归一化起裂应力和损伤应力均减小.当处于中低加载速率范围时,其归一化特征应力降幅较大.当处于较高加载速率范围时,归一化特征应力趋于平稳,尤其是归一化损伤应力.相比较而言,归一化损伤应力的加载速率效应整体上比归一化起裂应力明显.     

岩石-充填体组合模型力学特性及微裂纹演化特征颗粒流模拟

为深入分析中心圆柱体直径D对组合体力学特性及微裂纹时空演化规律的影响,借助PFC颗粒流软件,分别构建D为10,20,30,40 mm的岩石包裹充填体(BER)及充填体包裹岩石(REB)组合模型,然后开展单轴压缩实验。结果表明:1)两种组合模型峰值应力、峰值应变、弹性模量均介于完整充填体和完整岩石之间;随D增加,BER模型峰值应力以线性方式降低、峰值应变以多项式函数方式降低、弹性模量以线性方式降低,而REB模型正好相反;2)BER模型起裂应力及损伤应力随D增加呈线性趋势降低、REB模型起裂应力及损伤应力随D增加呈线性增加趋势;两种模型起裂应力及损伤应力与峰值应力比值均介于完整充填体与完整岩石之间;3)不同模型其内部微裂纹时空演化规律基本一致,充填体内部先出现微裂纹,然后微裂纹数量迅速增加,之后逐渐扩展至岩石内部,最后逐渐贯通形成宏观裂纹,组合模型失稳破坏.     

不同速率下单双钎头破岩声发射数值分析

选用脆性花岗岩为研究对象,利用岩石破裂过程分析软件RFPA2D,分别对其进行单、双钎头在不同加载速率下的数值模拟试验,得到RFPA2D应力图及相对应同一加载步下的声发射图。结果表明:较单钎头相比,岩石在双钎头协同作用下将会形成应力叠加,且钎头下面的裂纹会对相邻裂纹产生影响,裂纹尖端会产生应力集中,试件破坏释放出的声发射能量和声发射计数更大;随着加载速率的增大,试件释放的声发射总能量增大,且所得竖向载荷增大。     

化学腐蚀作用后含单裂隙类岩石材料单轴压缩损伤本构模型

为了描述腐蚀后含单裂隙类岩石材料在单轴压缩作用下的变形和强度特性,提出了一种水化学损伤与微裂纹和宏观单裂隙耦合损伤相结合的损伤本构模型.首先,基于唯象理论,得到了类岩石试件在水环境侵蚀和化学腐蚀共同作用下的损伤变量.其次,基于Lemaitre应变等价性假设,结合微裂纹的Weibull分布统计损伤模型和宏观单裂隙的断裂力...     

含初始损伤大理岩的时效变形与破坏试验研究

为研究大型地下洞室在持续的多次开挖卸荷和复杂应力重分布过程中损伤围岩的时效变形和破坏特性,针对现有岩石流变或时效破坏试验研究未充分考虑试样初始损伤的不足,通过预加载的方式对大理岩构造初始损伤,结合声发射对含初始损伤大理岩进行单轴压缩时效变形和破坏试验及裂纹扩展观测分析,同时对比开展含初始损伤大理岩和完整大理岩的蠕变试验研究。结果表明:1)含初始损伤大理岩单轴压缩时效破坏没有明显的应力峰值点;当临近破坏停止加载保持应力恒定后,其环向应变的增长幅度远大于轴向应变的增长幅度。同步声发射监测揭示体应变的拐点是含初始损伤样发生破坏的先兆。2)三轴蠕变试验中含初始损伤大理岩的轴向和径向应变均大于完整大理岩的轴向和径向应变,体应变结果分析显示含初始损伤大理岩在加载初期即出现体积扩容。3)随着围压的升高无损伤大理岩仍发生剪切型脆性破坏,含初始损伤大理岩从脆性破坏向延性破坏转化,最终呈现"X"型共轭剪切鼓胀破坏。试验研究结果有力地表明含初始损伤大理岩的时效变形与破坏特性不同于完整大理岩,其对更加合理地分析地下洞室长期稳定性具有重要的借鉴意义。     

动荷载作用下三点弯曲梁的破坏形式与偏置裂纹位置的关系

为了研究含偏置裂纹的三点弯曲梁两种破坏形式转换时对应的偏置裂纹临界位置的规律,使用RFPA2D-Dynamic软件,对含偏置裂纹的三点弯曲梁进行了数值模拟,并考虑了加载峰值和材料均质度的影响,得出了两种破坏形式转换所对应偏置裂纹临界位置的规律:当加载峰值一定时,均质度越高,临界位置的值越大;当材料均质度一定时,加载峰值越大,临界位置的值越小.     

水力耦合作用下裂纹扩展演化机理的试验和颗粒流分析

在地应力不断变化的过程中,裂隙水压力的作用机理会变得十分复杂,为阐述裂隙水压力对裂纹扩展规律的影响,基于离散元理论和室内试验,研究了含单裂隙的水泥砂浆试件在单轴压缩和内水压共同作用下的裂纹演化机理。结合岩石颗粒低渗透性的特点,修正了流体与颗粒之间相互作用的计算法则,并改进了流体域参数的计算方法,提出了一种更加适用于脆性岩石的流固耦合模型。研究结果表明：当裂隙倾角为450,内水压为1MPa时,翼裂纹在初始萌生阶段时会沿着最大应力降方向扩展,其扩展方向基本与裂隙平面垂直,并在扩展的过程中使裂纹尖端附近的拉应力消散。试样轴向应力达到峰值后,次生裂纹大量萌生,微裂纹数目随轴向应变增加呈指数关系增长,同时预制裂隙尖端的压应力场得到释放。与传统水压致裂机理不同,水压力并不会沿着萌生的新裂纹一直扩散,在恒定内水压作用下,由于裂隙尖端一直存在部分压应力场,水压力只会沿着翼裂纹扩散,并没有扩散到已经贯通的次生裂纹中。在轴向应力不断变化的情况下,颗粒之间的孔径处于动态变化之中,反过来对水压力的变化规律产生影响,从而形成了3种不同类型的水压变化规律,类型Ⅰ：水压力随轴向应变增加至峰值后迅速下降,但下降幅度不大,之后水压会随轴向应变增加而上升;类型Ⅱ：水压力随轴向应变增加一直增加;类型Ⅲ：水压力随轴向应变增加至峰值后迅速跌落至0MPa,水压力最终消散。     

花岗岩和大理岩在不同应变率下的冲击试验研究

利用橡胶波形整形器改进后的分离式霍普金森压杆装置,对花岗岩和大理岩在不同应变率下进行了冲击压缩试验。通过试验有效性的验证,证明了数据的可靠性。试验结果表明:应变率明显影响这两类岩石材料的动态力学特性,不同冲击速度下的动态抗压强度、峰值应力、弹性模量表现出显著的率相关性,峰值应变则变化不大,其中分析了花岗岩和大理岩的峰值应力-冲击速度关系以及弹性模量-冲击速度关系,两者呈弱幂函数关系;加载过程中花岗岩表现出更显著的动态脆性,在破坏形态方面花岗岩大多呈轴向劈裂破坏,大理岩破碎程度明显更高呈压碎破坏,并从微观结构方面进行了对比分析。     

岩石塑性应变损伤模型的建立及应用

岩石塑性变形和损伤变量的微观机制都是岩石中微裂纹的萌生和发育,塑性变形与损伤在岩石材料中是同时出现的,它们的演化规律是相互耦合的.本文采用基于塑性应变的损伤变量,定义岩石在破坏过程中塑性应变增量与损伤增量成正比关系,并把极限塑性应变归一于岩石的临界损伤值,建立了岩石塑性应变损伤模型和本构模型.实验曲线与利用所建立的塑性应变损伤模型计算的应力-应变曲线吻合较好,岩石塑性应变损伤模型能较好地描述岩石整个加载过程中的损伤与应力、应变的关系.并根据岩石塑性应变损伤模型,分析了单轴压缩荷载作用下岩石的应力和应变与损伤的演化规律.     

冻融循环层理砂岩破坏模式试验研究

在西部高寒地区,冻融循环作用对岩石路基稳定性具有不可忽视的影响,易引发一系列的工程地质问题.为研究冻融循环环境下各向异性层理砂岩的损伤特性,选取路基中典型垂直、平行层理砂岩试样开展冻融循环试验研究,基于电液伺服压力试验机进行单轴压缩试验,以应力-应变曲线、力学参数和压缩破坏形态为依据,探究了冻融循环损伤后层理砂岩强度、变形特征的演化规律及破坏模式.研究结果表明:随着冻融次数的增加,垂直、平行层理试样呈现出向右拉伸,向下压缩的应力-应变曲线;垂直层理砂岩试样峰值点下降路径平缓,而平行层理砂岩试样则沿阶梯状路径下降;冻融损伤累积减弱了破坏模式的各向异性特征,随冻融次数的增加,垂直层理砂岩试样裂缝与加载方向趋于平行,平行层理砂岩试样则始终表现为沿层理的劈裂破坏.     

泡沫混凝土单轴压缩下声发射特征试验研究

为了探究泡沫混凝土的单轴压缩下的内部损伤演变规律,对2种不同密度的泡沫混凝土试样进行了单轴受压试验,并利用声发射技术对试验全过程进行了动态监测,获得了表征泡沫混凝土损伤演化过程的典型声发射事件累计数-时间曲线、声发射事件率-时间曲线、能率-时间曲线以及事件定位演化图.结果显示:不同密度泡沫混凝土均经历压密阶段、弹性阶段、塑性阶段以及峰后破坏阶段.塑性阶段之前声发射事件累计、事件率和能率值都相对很低,而在峰后破坏阶段事件累计、事件率以及能率都急剧增加,且声发射事件率和能率峰值相比应力峰值在时间上具有滞后性.峰值过后2种泡沫混凝土都具有一定的残余强度,继续加载时不断产生新的裂纹,表现为较多的小能率事件发生.破坏模式分析表明裂纹主要是从泡沫混凝土两端产生、发展并最终贯通整个试样,属于典型的脆性斜剪破坏.     

围岩-充填体组合承载宏细观损伤演化机理

充填体与围岩共同承载地应力,揭示其组合体宏细观损伤演化机理有助于完善充填体与围岩相互作用理论和优化充填体的配比和强度设计.开展不同灰砂比的围岩-充填体组合体单轴压缩试验和数值模拟,分析宏观下应力-应变曲线、力学参数及破坏模式,细观下裂纹扩展、能量变化及损伤演化规律.结果表明：灰砂比越高,组合体的峰值强度和弹性模量越大,峰值应变越小;组合体发生张拉剪切混合式破坏,低灰砂比时接触界面产生断裂破坏,高灰砂比时分层界面产生宏观裂隙;峰前阶段,接触界面和分层界面等薄弱部分先出现微裂纹,组合体以弹性应变能的转化为主,伴随小幅度能量损耗,损伤程度较低;峰后阶段,组合体耗散能急速增长并超过弹性应变能,内部损伤程度加速恶化.围岩内部裂纹数量大幅增加并迅速扩展贯通,率先出现宏观断裂面,充填体内部裂纹汇聚合并于分层界面,在高灰砂比时发挥良好的协同支护作用.     

深埋大理岩三轴压缩渐近破坏裂纹扩展特征研究

为深入研究深埋大理岩渐进变形破坏过程中裂纹扩展特征,基于常规三轴室内试验完成数值模拟参数标定,利用PFC_3D^{颗粒流模型对深埋大理岩开展}25MPa、50MPa、80MPa三种不同围压下的裂纹扩展数值模拟试验,根据大理岩加载过程中微裂纹演化状态参数,定义三种特征应力,并据此展开深埋大理岩渐进破坏过中的宏、细观破坏特征及其对应裂纹扩展特征的规律研究。结果表明：(1)。室内试验与数值模拟的应力应变曲线相吻合,峰值应力相差较小,破坏形式与室内试验一致,故数值模拟参数标定合理。低围压下应力应变曲线出现的应力降最为明显,高围压下出现的应力降最小。(2)依据总裂纹、张拉裂纹和剪切裂纹扩展数量演化曲线斜率变化规律,将深埋大理岩渐进破坏过程划分为弹性压缩阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹加速扩展阶段和峰后残余阶段四个阶段,根据裂纹数量定义三个特征应力点。(3)随着围压的增加,深埋大理岩达到起裂应力σ_ci时裂纹从两端开始萌发,加载至损伤应力σ_cd点时向中间扩展,达到峰值应力σ_c点时在宏观破坏面附近扩展、增生,加载至峰值点后70%峰值应力点时最终形成以剪切破坏为主的贯通宏观破坏面。(4)随着围压的增加,裂纹出现的范围更广,贯通性减弱,峰值应力σ_c点处产生的裂纹对宏观破坏产生的影响更为剧烈,峰后残余阶段张拉裂纹发育更明显。     

含多裂隙煤体裂纹细观演化规律与相互作用机制

煤体中裂隙具有随机分布的特点,其位置分布及载荷作用下相互作用影响着煤体的稳定性.因此,为阐明煤体内多裂隙扩展演化规律及相互作用机制,文中开展了含随机三裂隙煤样的单轴压缩试验,借助数字图像相关法(Digital Image Correlation, DIC)监测试样变形过程,并采用数值模拟基于细观角度验证了裂纹的孕育、扩展及贯通的演化过程.另外,基于经典Kachanov法和应力场分析法推导并验证了单轴受压状态下有限板三裂隙尖端的应力强度因子表达式.研究结果表明:裂纹间相互作用对尖端应力强度因子影响可分划为增大、减小、无影响3种形式,根据推导所得有限板多裂隙尖端的应力强度因子表达式,可计算裂隙随机分布裂隙尖端应力水平,并且,可结合应变能密度因子准则准确预测裂隙尖端起裂位置;裂隙位置分布对初始应变场形成局部高应变区具有明显的导向作用,具体表现为：试样受载初期率先在各裂隙尖端产生损伤并逐步演化为局部高应变区,经扩展后形成高应变集中带,继而作为宏观裂纹相应的扩展路径;试样破坏形式为拉剪复合破坏,新生裂纹在加载初期以剪切形式出现,并在裂隙尖端形成翼型裂纹,随载荷继续施加,张拉裂纹数量快速增长,最终...