中低应变率范围内单轴压缩下花岗岩断口细–微观特征研究

岩石宏观破裂状态及其细–微观形貌是表征岩石破坏机制的重要特征,而断口形貌则由岩石破裂过程中的能量特征确定。花岗岩在中低应变率加载条件下宏观上均成剪切破裂模式。利用扫描电镜(SEM)和3D激光扫描仪,研究不同应变率加载条件下花岗岩断口的细微观形貌特征;采用分形原理,对岩石破裂表面的粗糙程度进行定量表征。结果表明:随着应变率的增高,花岗岩细微观断裂模式变化规律为沿晶断裂→沿晶断裂和解理断裂→穿晶断裂(路径弯折)→穿晶断裂(路径较平直)。应变率的不同导致岩石破裂过程中吸收能量的差异,进而影响裂纹扩展的难易程度以及参与扩展裂纹的数量,最终导致岩石强度随应变率的增加而增加。     

深部花岗闪长岩破坏过程声发射及特征应力特性试验研究

以深部花岗闪长岩(564~576 m)为研究对象,采用微机伺服岩石三轴试验机和声发射监测系统,对岩样进行压缩试验和声发射监测试验,获得深部花岗岩破坏过程声发射特性。通过探究深部花岗闪长岩在单轴及三轴压缩破坏过程中应力–应变特征和声发射参数曲线,得出岩石的裂隙初始应力、裂隙贯通应力和峰值应力以及与之对应的声发射特征得到声发射参数与岩石破裂之间的关系。分析试验数据,得到声发射参数与岩石破裂之间的关系,为进一步建立工程岩体的强度准则提供依据。     

岩石断口微观断裂机理分析与实验研究

对拉西瓦花岗岩在各种受力情况下岩石破坏断口，进行了微观扫描电镜试验研究，分析了岩石微观破坏形貌特征和微观破坏力学机制。通过试验研究和理论分析，明确地给出了高地应力地区钻孔岩芯饼状破裂和岩爆产生的微观破坏机制，为进一步分析高地应力地区脆性围岩岩爆产生的机理提供了可靠的实验依据。     

基于损伤断裂理论的岩石破坏机理研究

首先建立单一微裂纹在单轴压缩荷载作用下的力学模型，求出裂纹端部的应力分量。然后采用最大周向应力理论（σθ准则），求出岩石的断裂角，得出断裂角只与裂纹和荷载方向的夹角有关。在压-剪复合应力状态下，裂纹将沿着初始断裂角θ0的方向开始扩展。进而得出岩石的宏观断裂模式，即裂纹的发展形状是折线形的，最终详细地阐述了岩石的破坏机理。     

循环荷载作用下花岗岩疲劳力学性质及其本构模型

 循环荷载作用下岩石力学性质研究对完善岩石力学基本理论和指导相关工程建设具有重要意义。通过花岗岩三轴循环荷载试验,系统研究花岗岩疲劳力学特性,提出花岗岩疲劳力学模型。研究结果表明：(1) 岩石残余应变和变形模量与循环次数之间关系与岩石体积变形状态相关;(2) 在应力–应变全空间内,花岗岩疲劳性质分为3个区域,不同区域内微观机制不同;(3) 岩石疲劳破坏门槛值应为剪缩和剪胀区域分界点对应的峰值偏应力;(4) 循环荷载作用下岩石疲劳势有别于单调加载时塑性势,循环荷载作用下岩石表现出比单调加载时更强的抵抗体积变形能力;(5) 提出基于内变量理论的岩石疲劳本构模型,试验数据与模拟预测对比显示模型较好地反映出岩石疲劳力学性质。     

岩石点荷载作用下对应力记忆效应的声发射数值模拟与试验研究

 在分析单轴压缩试验岩石Kaiser效应机制的基础上,建立岩石在点荷载作用下对先前应力记忆效应的理论表达式,采用岩石破裂过程分析软件RFPA2D对14种不同尺寸和力学参数的试件进行数值模拟,模拟结果表明,岩石点荷载声发射试验能够反映岩石先前应力状态,点荷载加压出现声发射时的点荷载值与岩石先前所受应力值成正相关关系。为了进一步验证上述结论,对5个岩石试件进行单轴压缩加载、卸载后用点荷载重新加载的循环试验,得到与数值模拟相同的结论,研究成果为工程现场地应力值估算、评价提供新的研究方法。     

岩石材料变形的稳定性分析及破坏形式的分叉分析

材料的非稳定性分析及局部化剪切带分叉分析是当前固体力学研究的前沿课题.本文试图将二者引入到岩石力学研究中,从理论上解决两个问题第一是岩石材料在峰值点后的变形稳定性问题;第二是岩石材料在单轴压缩及常规三轴压缩应力状态下的破坏形式问题.为此,首先建立了岩石材料的应变软化损伤模型,用于这两个问题的分析;其次运用经典稳定性问题的能量准则分析了获得岩石材料应力-应变全过程曲线的条件及岩石材料在峰值点后的损伤变形稳定性问题;最后,采用弹塑性材料的不连续分叉准则分析了岩石材料在单轴压缩及常规三轴压缩应力状态下的破坏形式.根据上述内容,全文分为3个部分,各个部分的主要工作及成果如下第一部分分析了岩石的基本变形性质,引用Frantziskonis和Desai损伤模型的概念,建立了能够反映岩石材料基本变形性质尤其是应变软化特征的损伤本构模型,并与实验结果进行了对比,证明该模型是适用的.第二部分介绍了结构及材料的稳定性问题的基本概念及基本理论和岩石力学中的稳定性问题及其研究现状.运用稳定性的能量准则,分析了获得岩石材料应力-应变全过程曲线的条件.除了在刚性压力机上,采用位移控制的加载方式,获得岩石材料的应力-应变全过程曲线外,在普通压力机上,如果采取适当的措施,无论是何种加载方式,均能获得岩石材料的应力-应变全过程曲线.运用稳定性的能量准则,分析了岩石材料在峰值点后的变形稳定性问题.证明了岩石材料的峰值点仅是一个分叉点而非失稳点,并提出了分叉点和失稳点的判别方法.模拟计算结果说明上述结论是正确的.第三部分介绍了岩石材料脆性破坏的基本特征及在单轴压缩和三轴压缩应力状态下的破坏形式和弹塑性材料分叉研究的基本理论以及岩土材料分叉研究的现状.采用不连续分叉理论,对岩石材料轴对称问题进行了局部化剪切带分叉分析.结果表明,单轴压缩应力状态下的岩石材料的脆性破坏形式是张破裂的;而常规三轴应力状态下岩石材料的脆性破坏形式是剪切破裂的,不存在张破裂的形式,剪切带方位角随围压的增加而降低.模拟计算结果表明在单轴压缩及低围压三轴压缩状态下,岩石材料的局部化剪切带发生于峰值应力之后,峰值应力点附近.但随着围压的增加,局部化剪切带分叉点将逐步远离峰值点,岩石材料的破坏逐步呈现塑性破坏的特征;当围压增加到一定值时,局部化剪切带将不会发生,此时岩石材料的破坏为塑性破坏形式.     

复杂预应力路径和异源动力扰动下岩石破裂机制研究

地下工程围岩承受载荷的形式为真三轴卸–加载后的扰动载荷,在频繁扰动载荷作用下围岩易出现物理力学性能劣化,进而诱发岩爆等工程灾害。基于地下工程围岩复杂受力环境,利用自制的岩石真三轴扰动诱变试验系统,开展复杂真三轴预应力路径和局部异源扰动载荷作用下花岗岩破裂试验。试验结果表明,在特定的应力状态下,在较大幅值的局部异源扰动载荷下花岗岩发生剧烈破坏,破裂模式为劈裂拉伸破坏。利用PFC3D精确再现室内试验并研究岩石扰动破裂的微观机制,研究结果表明:岩石内部的颗粒黏结从扰动载荷作用处开始破坏,当扰动载荷的幅值为150,200,250 k N时,破坏颗粒黏结数趋于稳定,最终岩石未发生整体破坏;但扰动载荷幅值等于300 k N时,破坏黏结数从施加扰动载荷位置扩散至试件整体,岩石扰动破坏由剪切破坏逐渐转变为拉伸破坏,最后发生试件整体破坏,室内试验与数值模拟结果相一致。     

温度–拉应力共同作用下砂岩破坏的断口形貌

通过扫描电镜研究温度–拉应力共同作用下砂岩破坏的断口形貌。通过研究不同温度影响后的解理断口、准解理断口、疲劳断口、非主断裂面的二次裂纹和碎裂断口、局部延性断口、沿晶断口及一些奇特的断裂花样，证实温度对砂岩断裂的微观机制产生了影响，随着温度的升高，砂岩的断裂机制由以局部脆性断裂机制为主向局部脆性和延性耦合断裂机制转变。低温下的断口较为光滑平坦，高温下的断口较为粗糙，表明发生过塑性变形，并且高温断口形貌更为多样和更为复杂，这主要是受到高温影响后，岩石内部矿物颗粒、晶体和原子热运动加剧，当岩石受到外部载荷作用时断裂就有可能出现在更大范围的位置。通过一些简单的断裂机制示意图对部分断口形貌进行解释，并报道了一些特殊的岩石断口形貌。综合认为金属断口学研究中所发现的微观断口形貌特征几乎都可以从岩石断口形貌中找到，但由于岩石是多晶体地质材料，高温影响下岩石的断口形貌还将更为多样和更为复杂。     

温度-拉应力共同作用下砂岩破坏的断口形貌

通过扫描电镜研究温度–拉应力共同作用下砂岩破坏的断口形貌。通过研究不同温度影响后的解理断口、准解理断口、疲劳断口、非主断裂面的二次裂纹和碎裂断口、局部延性断口、沿晶断口及一些奇特的断裂花样,证实温度对砂岩断裂的微观机制产生了影响,随着温度的升高,砂岩的断裂机制由以局部脆性断裂机制为主向局部脆性和延性耦合断裂机制转变。低温下的断口较为光滑平坦,高温下的断口较为粗糙,表明发生过塑性变形,并且高温断口形貌更为多样和更为复杂,这主要是受到高温影响后,岩石内部矿物颗粒、晶体和原子热运动加剧,当岩石受到外部载荷作用时断裂就有可能出现在更大范围的位置。通过一些简单的断裂机制示意图对部分断口形貌进行解释,并报道了一些特殊的岩石断口形貌。综合认为金属断口学研究中所发现的微观断口形貌特征几乎都可以从岩石断口形貌中找到,但由于岩石是多晶体地质材料,高温影响下岩石的断口形貌还将更为多样和更为复杂。     

花岗岩脆性破坏特征与机制试验研究

为了研究花岗岩脆性破坏特征和机制,进行不同围压下的三轴压缩试验,并对花岗岩破裂面断口进行电镜扫描测试,分析不同围压下花岗岩断口的微观形貌特征,最后讨论花岗岩脆性破坏机制。试验结果表明:在研究的围压范围内,花岗岩表现为典型的脆性破坏,随围压升高未出现脆–延转换特征;围压作用下除倾斜剪切破坏面外,还有"Y"型破坏形态;峰值前有无塑性变形产生以及发生塑性变形的范围和程度是决定花岗岩发生脆性破坏的主要原因,而岩石矿物成分和微观结构的差异性是其内在机制;峰值后应力降的大小和速度是花岗岩脆性破坏程度的外在表现,宏观裂纹的贯通速度决定峰值后应力降大小,岩体内积聚的能量大小是造成裂纹贯通速率快慢差异的内在因素,宏观断裂面是否完全贯通是应力降大小的决定因素。     

非贯通裂隙岩体单轴压缩破坏的数值模拟研究

为了研究非贯通裂隙岩体在单轴压缩荷载作用下的损伤破坏情况,采用二维的真实破裂过程分析软件RFPA2D进行了相应的数值模拟研究。数值模拟结果表明:(1)由于RFPA2D软件考虑了岩石材料的非均匀性,所以模拟出的宏观单轴抗压强度小于细观单元平均单轴抗压强度;(2)在弹性加载阶段,最大剪应力的最大值出现在预制的两条裂隙的尖端,随着轴向应力的不断增大,最大剪应力的最大值也随之不断增大,待加载到峰值附近,宏观裂隙形成;(3)破坏过程声发射模拟结果,有效地反映了预制非贯通裂隙岩样在受到单轴压缩荷载时,内部累积损伤、形核、宏观裂纹出现直至断裂失稳的过程。     

不同加载路径饱和岩石力学特征的试验研究

不同加载路径对岩石强度特征、变形特征和破坏特征存在影响。据此，探讨饱和岩石在排水、非排水、比例加载、侧向卸载、在不同偏应力状态下注水和非排水（但在不同偏应力状态下水压力卸载）等加载情况下以及在常规三轴试验和拥有循环加载的三轴试验等试验方式下，岩体的强度特征、各向异性变形特征和破坏特征。试验结果表明：循环加载、饱和岩石在不同偏应力状态下注水、非排水但在不同应力状态下水压力卸载、比例加载和侧向卸载等具有降低岩石强度、增加岩体变形以及水压力对岩石具有劈裂破坏作用等特征，这些力学特征对岩土工程具有现实意义。     

单轴压缩分级松弛作用下煤样变形与强度特征分析

 利用RMT–150B岩石力学系统对煤样进行单轴压缩分级松弛试验,分析煤样常规单轴压缩与单轴分级松弛条件下煤样的变形、强度和破坏的时效特征。结果表明：2种加载方式下煤样峰值前的应力–应变曲线宏观没有明显区别,仍然表现出压密、弹性、屈服和破坏阶段;单轴压缩分级松弛试验的应力–应变曲线,在松弛期间出现局部应力跌落特征;常规单轴压缩得到的力学参数明显高于分级松弛试验值,表现出煤样的力学参数具有时效特征;当松弛应力比低于70%时,应力松弛特征不明显,当松弛应力比高于70%时,煤样内部强度较高材料积蓄的能量能够使低强度材料逐步损伤破坏,高强度材料将承载更高应力也逐渐趋于破坏,松弛应力比越高,持续破坏时间越短,反之则持续破坏时间越长;常规单轴压缩破坏具有明显张剪性破裂面,分级松弛试验时煤样破坏裂纹沿加载方向扩展后碎裂成许多相对较薄片状和片状碎屑,表现出明显的侧向膨胀特征。     

岩石材料破坏形式的分叉分析

采用不连续发叉理论，分析了轴对称状态下岩石材料的破坏形式，并采用一组大理岩的实验结果进行了模拟计算。分析结果认为，岩石材料在单轴压缩状态下的脆性破坏总是张破裂的，而在常规三轴压缩状态下的脆性破坏是剪切破坏的，并且随着围压的增加，其剪切带方位角逐步降低，破坏形式由剪切破坏逐步向塑性破坏过渡。此外，岩石材料的剪切带分叉发生在峰值应力之后，随围压增加而逐步远离峰值点。     

卸载岩爆过程数值试验研究

 为探讨岩石试样卸载岩爆的发生机制,采用岩石破裂过程分析软件(RFPA2D)再现岩石试件卸载发生失稳破坏的过程。根据花岗岩的基本力学参数,首先对方形岩石试样进行单轴加载破坏的二维数值试验,然后在双向载荷条件下进行了基于同等试样的围压卸载试验模拟。数值试验结果表明：(1) 单轴加载试验与卸载失稳试验的岩石破坏机制和破坏模式存在很大差异。(2) 单轴加载试验的破坏过程以渐进式的微破裂发展为主,且微破裂主要集中在局部破裂面上;在发生主破裂之前,有许多微破裂前兆声发射现象出现,是典型的渐进破裂诱发失稳的岩爆模式。(3) 双轴加载时的围压卸载试验中岩样卸荷破坏时脆性特征更加明显,主要以突然、高密度的能量释放为主;同时表现出沿卸荷方向强烈扩容破坏特征,破坏模式则以大面积剪切破坏与局部拉裂破坏为特征的组合破坏模式;与单轴加载的情况相反,在主破裂发生前,几乎没有任何微破裂前兆,是典型的瞬时岩爆的破坏模式。     

岩石( 大理岩) 应力2应变全过程和应变梯度的研究及其分岔理论分析

 博士学位论文摘要　岩石的破坏是一个渐进的过程, 其宏观破裂是局部化非均匀变形积累(发展) 到一定阶段的结果。基于这一思想, 对岩石(大理岩) 从宏观力学全过程、应变梯度和分岔理论分析进行了研究。首先, 从宏观力学方面对岩石(大理岩) 单轴压缩和等围压三轴压缩全过程进行了系统研究。在单轴压缩试验中, 岩石强度随应变率的增加而增加, 峰后塑性区变形则随应变率的增加而减小, 但应变率小于10 - 5/ s 时, 影响不大; 岩石试件平均应变与试件中部应变的差别随应变率的增加而变大。在峰前和峰后循环过程中, 研究了塑性滞环、变形和切线模量特征, 发现试件平均应变和中部应变有不同的发展过程。在全过程线基础上, 进行损伤本构关系和塑性可膨胀本构关系的模型研究。在等围压三轴压缩全过程中, 研究了等围压三轴压缩全过程特征, 得到了峰前、峰后卸围压全过程。结合三轴压缩全过程, 进行了剪切断裂能分析, 结果表明: 峰前卸围压过程剪切断裂能要比峰后卸围压及三轴压缩低很多。最后综合分析了岩石试件的单轴和三轴宏观破坏特征, 为分岔分析提供了依据。其次, 从宏观和细观两个方面对岩石(大理岩) 进行应变梯度研究。宏观力学方面结合等围压三轴压缩过程(压剪) 研究了宏观破坏面局部应变梯度的形成和发展的过程。细观力学方面借助扫描电镜结合简单剪切试验研究了应变梯度的形成、发展。宏观结果表明: 岩石试件本身存在一定的应变梯度, 当轴向荷载达到一定数值时, 应变梯度发展并导致破坏; 这种临界荷载随围压的增加而增加。细观观察发现: 岩石破坏前, 韧性变形和脆性破坏共同发展; 在剪切带局部产生的变形更强烈的亚剪切带的形成和发展是产生宏观剪破裂的直接原因。第三, 结合以上的试验现象, 基于塑性可膨胀本构模型, 推导了有限变形条件下, 轴对称问题分岔分析的基本方程。采用具有反对称特征的位移势函数, 对分岔问题进行扩散型分岔分析, 得到椭圆型、抛物线型和双曲线型区域分岔解的特征方程。作为算例, 对大理岩等围压三轴压缩下剪切带角度、局部化变形等分岔行为进行了较系统的分析。第四, 应用超弹性理论, 基于不可压缩假定, 分析了岩石形成球形空洞分岔和反对称变形分岔的临界状态, 为应用应变能进行岩石破碎和岩爆的能量分析进行了初步的尝试。第五, 由于梯级模式(雁型) 破坏是岩土介质中较常见的一种现象, 此部分引进对称群的概念和Hilbert 基定理分析方法, 系统分析了岩石形成梯级模式(雁形) 破坏的途径, 并形成了较系统的分析方法。分析结果表明: 对三轴全过程而言, 初级分岔不会产生破坏, 岩石破坏是后继分岔的产物。作为算例, 分别进行了平面应力条件下平面压缩和简单剪切的群论方法的对称性分岔分析。     

多暗色矿物类岩石单轴加载过程中红外辐射定量研究

对首都圈地区的多暗色矿物类岩石(花岗闪长岩、辉长岩及片麻岩)进行了单轴加载至破裂过程的热红外遥感监测实验,发现:(1) 在加载至应力峰值过程中,岩石平均红外辐射温度与应力呈线性正相关关系;(2) 在加载至应力峰值过程中,岩石平均红外辐射温度与所受机械功呈三次曲线关系;(3) 应力峰后-破裂过程中,岩石沿剪切破裂带辐射温度升高,而在应力松弛或张性区,辐射温度有所降低;(4) 损伤岩石在单轴加载过程中红外辐射温度变化与完整岩石相比总体规律相似,但波动性较大。基于实验分析,建立了岩石应力与红外辐射温度以及机械能与红外辐射温度的定量关系;并对地震遥感及其热红外前兆的物理-力学机制进行了讨论。     

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。     

单轴压缩过程中岩石变形破坏机理

对白岗岩、花岗岩、大理岩试样的扫描电镜下进行单轴压缩试验，即时观察分析岩石在受力过程中，其微裂纹的萌生－扩展－断裂破坏全过程。得到各试样的应力－应变曲线与相对应的微观结构变化的照片实录，很直观地揭示了岩石变形破裂的实质，比较满意地解释岩石变形破坏的机理。