花岗岩高温高压损伤破裂细观机制模拟研究EI北大核心CSCD

为了探究花岗岩高温高压损伤破裂细观机制,使用颗粒流程序(PFC)中的晶粒模型(GBM)单元开展高温作用后花岗岩常规三轴压缩模拟,分析应力-应变曲线、强度特征及破裂模式随围压及温度演化,研究其破裂过程,研究结果表明:GBM模型可以反映晶粒间的嵌锁效应,较好地模拟花岗岩劈裂、三轴压缩过程以及真实的花岗岩拉压比和强度随围压非线性特征,一定程度上克服了圆形颗粒嵌锁力不足的问题。不同围压下试样峰值强度随温度升高总体呈现先基本不变后迅速下降的趋势,450℃为阈值温度。莫尔–库仑准则回归得到的内摩擦角及黏聚力随温度总体呈先增高后降低趋势,且花岗岩强度参数的变化与其受力结构密切相关。当石英发生α-β相变后(573℃),花岗岩内产生大量穿晶裂纹及晶粒边界裂纹。单轴压缩下,试样的破裂特征受到热裂纹控制,峰后呈延性破坏;而高围压下,剪切带穿过晶粒,导致试样峰后产生脆性破坏。     

Westerly花岗岩试样单轴压缩破坏瞬时微裂纹观察

 利用Nishiyama和Kusuda(1994)提出的荧光方法,对Westerly花岗岩试样单轴压缩破坏瞬时微裂纹进行详细的实验观察。应用这种方法,能同时有效、容易地确认微裂纹的产生方式,如长石颗粒间的解理裂纹、石英颗粒间的晶内裂纹和这些裂纹的宽区域分布。作为一个观察结果,确认拉长的相连裂纹对花岗岩破坏有直接影响,这些裂纹大致分为3类。据推测,这3类裂纹不能同时发展,每一类有不同的产生机制。单轴压缩下裂纹的产生机制是：首先,在平行于施加荷载方向产生许多微裂纹,长裂纹是通过延长和合并微裂纹诱发产生的;然后,通过进一步加载,产生断层面,各部分的裂纹被连接、扩展;最后,花岗岩试样发生破坏。     

基于Multi Pb-GBM方法的花岗岩细观力学行为数值研究EI北大核心CSCD

花岗岩以其优越的力学性质在工程中被广泛利用,提出一种多级平行黏结晶体模型(MultiPb-GBM)用以模拟类晶体花岗岩的微观结构。以平行接触模型代替传统的光滑节理模型来刻画晶体边界,将平行接触模型分为3种类型:晶体内部接触、同种矿物内部的晶体边界接触以及不同种矿物的边界接触。应用单轴压缩试验和巴西劈裂试验对模型的微观参数进行校正,开展多组数值试验研究晶体尺寸分布系数影响下脆性花岗岩试样的动态损伤破裂演化过程,并基于Fish函数建立一套完整的裂隙监测系统以记录微裂缝的行为特点。研究结果表明:(1)晶体尺寸分布系数对破裂模式会产生影响,单轴压缩试验与劈裂试验中张拉裂纹均占据主导,随着花岗岩晶体尺寸的增大,单轴抗压强度(UCS)和抗拉强度(UTS)均呈现出增大趋势。(2)不同矿物晶界处的裂纹数量多于同种矿物晶界处的裂纹数量,随着平均晶体尺寸分布系数的增大,晶界处的裂纹数量逐渐减少,内部破裂数量相对增多。(3)微裂纹首先出现在第三级接触处,随后二级接触处发生断裂,最后一级接触裂纹数目迅速增大。(4)单轴压缩试验是由钾长石–石英边界为主的晶间破裂向钾长石–斜长石为主的晶内损伤转化的过程,直至宏观破坏的发生。     

劈裂荷载下的岩石声发射及微观破裂特性

通过开展花岗岩和大理岩巴西圆盘声发射试验,结合扫描电镜进行破裂面微观形貌分析,探讨了劈裂荷载下岩石声发射特性与微观破裂机制的关系.结果表明:基于RA(上升时间与幅值的比值)和AF(平均频率)的变化趋势,不同裂纹模式(拉伸裂纹、剪切裂纹以及复合裂纹)的分布和破坏强度受岩石结构影响,但岩石裂纹演化过程不受其影响.相应地,两种岩样破裂信号均以400～499 kHz为主,100～199 kHz的信号次之,但不同破裂阶段的峰值频率变化趋势显著不同.在微观形貌上,花岗岩劈裂面的微观形貌以层叠状、台阶状及平坦状为主;而大理岩以光滑多面体状为主.此外,结合频率-尺度缩放关系可推测,400～499 kHz的信号应主要来自钾长石、大理岩矿物颗粒内部的破裂;100～199 kHz的信号应主要来自石英矿物颗粒内部不连续分离以及压密阶段矿物颗粒之间的滑移.     

深部花岗岩试样岩爆过程实验研究

利用自行设计的深部岩爆过程实验系统，对深部高应力条件下的花岗岩岩爆过程进行实验研究。岩爆实验过程可模拟实际工程的开挖条件：对加载至三向不同应力状态下的板状花岗岩试样，快速卸载一个方向的水平应力，保持其他两向应力不变或保持其中一向应力不变增加另外一向应力。实验过程中采集3个方向应力随时间的变化数据，获得花岗岩岩爆全过程应力曲线。根据实验结果，将花岗岩岩爆全过程分为平静期、小颗粒弹射、片状剥离伴随着颗粒混合弹射及全面崩垮4个阶段；将花岗岩岩爆的破坏形式分为颗粒弹射破坏、片状劈裂破坏和块状崩落破坏；分析发生岩爆后花岗岩试样的微观结构破坏特征；根据卸载后发生岩爆的最大主应力与岩石单轴抗压强度的比值对岩爆强度进行分类；根据卸载后至发生岩爆现象的时间，将岩爆分为滞后岩爆、标准岩爆和瞬时岩爆，并对花岗岩岩爆发生机制进行初步探讨。     

冲击荷载下花岗岩层裂断口细–微观试验研究

为综合研究花岗岩细观特征和层裂断口微观特征,利用霍普金森杆装置对花岗岩杆件进行不同冲击荷载的层裂试验,通过晶体矿物学研究矿物细观结构,利用高速摄影仪研究细观裂纹扩展,采用能谱仪(energy dispersive spectrometer,EDS)和扫描电镜(scanning electron microscopy,SEM)研究试样层裂断口面微观结构,最后运用分形原理,定量计算层裂断口的粗糙度。试验结果表明:花岗岩的矿物细观结构对层裂破坏具有重要影响,其中,长石、石英、云母作为花岗岩的主要成分,表现尤为突出;同时,这些矿物的分布也影响着细观裂纹的扩展。EDS和SEM图片的微观分析表明不同矿物具有不同的微观断裂特征,断口整体上的破碎程度和粗糙度,都有随着冲击荷载增大而增大的趋势,这种趋势在分形维数值的结果分析中得到了验证。     

PDC刀具切削花岗岩过程的微裂纹扩展

采用偏光显微镜观察ＰＤＣ（聚晶金刚石复合片）刀具切削花岗岩的微观过程，研究切削过程微裂纹产生和扩展的规律。分析了矿物特性如矿物成份、晶粒大小及初始裂纹等对微观裂纹扩展路径的影响。研究结果表明：在切削深度较小时，矿物特性对花岗岩微裂纹的产生与扩展过程起主导作用。     

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。     

基于ANSYS/LS-DYNA的花岗岩加工微观断裂仿真分析

本文从花岗岩的加工断裂机理入手,运用ANSYS/LS-DYNA软件建立了花岗岩加工的分析模型,确定了模拟金刚石颗粒在压入花岗岩时裂纹的产生及应力状态,进行花岗岩的微观断裂仿真分析,利用网格变形图对花岗岩加工时裂纹形成以致断裂的过程做了较好的模拟。通过对不同加载参数的设置,实现不同加工状态的对比分析。该仿真分析过程中用到的方法和结果为花岗岩加工中裂纹形成以致断裂完成切削的过程研究提供一定的参考依据。     

三点弯曲下热处理北山花岗岩的断裂特性研究

针对我国未来高放核废料地质处置等重大工程实际需要,开展热处理后岩石的断裂破坏行为研究具有重要意义。以我国未来可能的核废料储库选址地北山花岗岩为研究对象,通过带加载SEM高温试验系统对经过热处理后的花岗岩进行三点弯曲破坏试验,在25 ℃～100 ℃范围内,北山花岗岩以脆性破坏为主。在低应力作用下,裂纹扩展主要受到应力集中及多种矿物力学行为及它们之间的黏结力作用大小的影响,最终裂纹的萌生主要发生在矿物颗粒之间较弱的胶结面上,裂纹初始扩展角主要由这些矿物颗粒之间夹角来决定,因此裂纹初始扩展角通常与水平面有个夹角;随着荷载继续增加后,裂纹会逐渐沿着水平方向扩展,这个主要方向的矿物承受了最大的弯曲拉应力,而岩石的抗拉强度通常很低。室温到100 ℃的范围内,花岗岩平均断裂韧性几乎不发生变化,稍微的波动可认为是花岗岩的非均值性所造成的。通过数字散斑相关计算方法实现岩石细观尺度变形全场测量。测量结果表明,各个矿物颗粒表面发生较为复杂的变形,多个矿物颗粒界面两边发生完全相反方向的位移,这表明界面两边颗粒受到拉应力作用。尽管在初始阶段,变形主要发生在弯曲拉应力最大界面,但最终破坏可能发生在另外地方,这时的破坏主要受到非均匀的弱面所控制。可见,细观尺度岩石的破坏受到最大应力状态处与岩石的非均质处变形的综合影响。     

Dynamic failure analysis on granite under uniaxial impact compressive load

High strain-rate uniaxial compressive loading tests were produced in the modified split Hopkinson pressure bar (SHPB) with pulse shaper on granite samples. It was shown that the failure of the granite cylinder was typical tensile splitting failure mode by sudden splitting parallel to the direction of uniaxial compressive loading at different strain rates. Besides, it was concluded that not only the strength of granite increased, but also the fragment size decreased and the fragment numbers increased with the increasing strain rate. To quantitatively analyze the failure phenomena, the numerical calculation based on a dynamic interacting sliding microcrack model was adopted to investigate the influence of microcrack with the different initial crack length, crack angle, crack space and friction coefficient on the macro-mechanical properties of granite under different strain rates. Accordingly, the strain-dependency of the compression strength and the fragmentation degree of granite was explained reasonably.     

花岗岩在单轴冲击压缩荷载下的动态断裂分析

利用脉冲整形器改进后的分离式Hopkinson压杆(SHPB)系统,对新加坡Bukit Timah地区的花岗岩圆柱形试样进行了高应变率下的单轴压缩实验。实验结果发现:随着应变率的增加,不仅花岗岩材料的抗压强度增大,而且以轴向拉伸劈裂为主要破坏形式的破碎程度也有所提高,表现为碎块的尺寸减小和数量增加。针对上述花岗岩的动态特性,采用多裂纹相互作用的动态滑移型裂纹模型定量的分析了不同应变率下,材料的微裂纹的初始长度、角度、初始裂纹间距以及裂纹面的摩擦系数等微裂纹特征对材料动态强度及破碎的影响,将岩石类材料的宏观动力学特性与其细观微结构联系起来,合理地解释了花岗岩的动态强度及破碎程度的应变率相关性。     

粗晶大理岩单轴压缩力学特性的静态加载速率效应及能量机制试验研究

 加载速率对岩石力学性质具有重要影响,影响的程度与岩石本身的微结构和加、卸载应力路径及状态等密切相关。基于静态加载速率范围内的9个不同等级应变率下粗晶大理岩单轴压缩试验,研究加载应变率对岩石的应力–应变曲线、破坏形态、强度、弹性模量及变形模量与应变能耗散及释放的影响规律,探讨岩石损伤演化的能量机制。根据总体积应变及裂纹体积应变与起裂及扩容应力的相关性,确定各应变率下岩石起裂及临界扩容应力。加载应变率大约以1×10－3 s－1为分界点,小于该值时应力–应变曲线峰值点附近仍存在一定的塑性屈服或流动段,超过该值后表现为“折线”型。随着加载应变率的增加,岩样破裂模式由张剪型逐渐过渡到张性劈裂甚至劈裂弹射。一般而言,起裂及临界扩容应力和峰值应力均随加载速率增大而增大,且起裂及临界扩容应力越接近峰值强度,但当应变率为1×10－4～1×10－3 s－1时,上述值均出现一个相对低值区间,这与粗晶大理岩的微结构特征相关。起裂应力、临界扩容应力、弹性模量及变形模量均与峰值强度线性相关。单轴压缩下峰前能量耗散量越多,强度越高,峰后可释放弹性应变能和释放速率越大,岩石的张性贯通破裂特性愈强,破裂块数越多。能量耗散使岩石损伤而强度丧失,而能量释放使岩石宏观破裂面贯通而整体破坏。     

Dynamic failure analysis on granite under uniaxial impact compressive load

High strain-rate uniaxial compressive loading tests were produced in the modified split Hopkinson pressure bar (SHPB) with pulse shaper on granite samples. It was shown that the failure of the granite cylinder was typical tensile splitting failuremode by sudden splitting parallel to the direction of uniaxial compressive loading at different strain rates. Besides, it was concluded that not only the strength of granite increased, but also the fragment size decreased and the fragment numbers increased with the increasing strain rate. To quantitatively analyze the failure phenomena, the numerical calculation based on a dynamic interacting sliding microcrack model was adopted to investigate the influence of microcrack with the different initial crack length, crack angle, crack space and friction coefficient on the macro-mechanical properties of granite under different strain rates. Accordingly, the strain-dependency of the compression strength and the fragmentation degree of granite was explained reasonably. __________ Translated from Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2007, 29(3): 385–390 [译自: 岩土工程学报]     

等效晶质模型及岩石力学特征细观研究

 基于颗粒流理论与颗粒流程序,采用颗粒体模型与光滑节理模型,构建具有岩石矿物细观结构特征的等效晶质模型。通过室内试验与计算结果的对比分析,验证等效晶质模型在岩石力学特征研究中的适宜性与可靠性;同时,从细观角度深入揭示岩石在加载条件下的破裂机制与强度特性。主要研究结果如下：(1) 在单轴拉伸条件下,岩石近似与加载轴向相垂直的宏观断裂面,主要由相邻晶质体边界上的黏结张拉破坏构成;(2) 在单轴压缩或低围压三轴压缩条件下,岩石近似与加载轴向相平行的宏观断裂面,主要以相邻晶质体边界上黏结张拉破坏为主,导致岩石产生宏观劈裂破坏;(3) 在高围压三轴压缩条件下,与加载轴向呈一定夹角贯通岩石内部的宏观断裂面,主要以晶质体内张拉破坏以及相邻晶质体边界上黏结张拉、剪切破坏构成,导致岩石产生宏观剪切破坏;(4) 对于类似于花岗岩的硬脆性岩石而言,采用等效晶质模型可再现岩石较低的单轴抗拉与单轴抗压强度比值,且其强度特性采用Hoek-Brown强度准则描述更为合理。     

三峡花岗岩在不同加载方式下的能耗特征

采用RMT，MTS刚性伺服试验机，研究了三峡工程中隔墩花岗岩在三点弯曲断裂、劈裂拉伸、三轴压缩及单轴抗压等4种加载方式下的能耗特征。试验表明，在这4种方式中，三点弯曲断裂破坏的能耗最小，其次为劈裂拉伸、单轴抗压和三轴压缩。根据试验结果，在岩石工程中可以选择合理的破岩方式及加固方式。     

页岩细观矿物条带对其宏观破坏模式的影响研究

阐明页岩初始结构特征、破裂演化规律和破坏模式形成机制,对页岩气储层改造至关重要。鉴于此,开展单轴压缩条件下页岩的在位微米CT试验,研究页岩内部结构特征及其对页岩破裂演化和破坏模式的影响规律。基于试验结果,描述页岩在单轴压缩条件下的内部结构变化,分析基于裂纹体积的页岩破裂演化阶段,量化破坏页岩的三维裂纹发育程度和连通情况,在此基础上,归纳页岩在单轴压缩条件下的2种破坏模式,分析页岩细观矿物分布特征及其对破坏模式的影响。除此之外,根据CT图像识别的矿物分布规律,开展含矿物条带数值试样的单轴压缩模拟试验,揭示矿物条带对页岩破坏模式的影响机制。相关研究成果对页岩破裂机制和矿物增渗机制研究具有重要的参考价值,对页岩气开采方案优化设计具有明确的指导意义。     

含双缺口北山花岗岩的热力耦合断裂特性试验研究

 通过带加载SEM高温试验系统对含双预制缺口北山花岗岩进行原位观察热力耦合破坏试验研究。研究表明,北山花岗岩的矿物成分及花岗岩矿物颗粒粒径差异较大,这些矿物具有不同的热学和力学性质(或硬度),这将大大影响花岗岩的破坏机制及断裂韧性,热开裂、力诱发微裂纹的萌生、扩展和贯通等受到热力耦合机制的综合影响,并且这些机制反过来也将影响其他的机制,如渗流场及化学场的变化。对于北山花岗岩I型断裂而言,裂纹的扩展主要受到与其垂直方向拉应力的影响,但试件较大的原生缺陷和较大矿物颗粒对花岗岩的断裂路径影响不容忽视。特别是随着温度的变化,花岗岩的断裂机制将发生变化,低温以沿颗粒(沿晶)断裂为主,而高温以沿颗粒(沿晶)和穿颗粒(穿晶)耦合断裂机制为主。试验表明,75 ℃之前花岗岩的平均断裂韧性约为4.728 MPa•mm1/2,而75 ℃之后的平均断裂韧性为3.048 MPa•mm1/2,前后断裂韧性降低了35%左右,这主要是因为温度的升高直接导致热开裂增多,且矿物颗粒之间的胶结作用明显减弱,这逐渐影响了花岗岩的断裂韧性,进而将影响其渗流场和化学场,可见高放核废料储库设计中温度的影响不容忽视。     

单轴压缩下含预制孔洞板状花岗岩试样力学响应的试验和数值研究

 利用挪威Iddefjord花岗岩试样加工制备含双侧预制方形孔洞的板状试样,并在Instron液压伺服控制试验机上开展单轴压缩试验,监测试样的应力、应变、声发射信号特征及试样破坏过程。研究发现,随着轴向应力的增大,试样在平行于孔洞竖直方向的位置相继出现劈裂裂纹并逐渐贯通,孔洞周边岩体出现块体弹射、片帮等应变型岩爆特征。试验研究表明,含孔洞花岗岩试样在单轴压缩下总是从孔洞周边的劈裂破坏开始,试样的声发射曲线比完整岩样存在更多的跳跃突变点。在此基础上,利用FLAC3D对室内试验进行数值模拟,通过线弹性模型分析含孔洞岩石材料的应力分布特性,通过应变软化莫尔–库仑准则模拟岩样的破坏过程,监测各计算时步下单元拉伸和剪切破坏特性;发现单轴压缩下含孔洞岩样的塑形破坏单元以拉伸破坏为主,拉伸破坏单元沿孔洞竖向边界贯通形成劈裂破坏面,这和室内试验观测结果是一致的。研究结果在一定程度上揭示了深部硬岩洞室开挖后,在高地应力作用下总是产生平行于洞室开挖边界面的板裂、片帮破坏现象。