单轴压缩下基于全局应变场分析的岩石裂纹扩展及其损伤演化特性研究

 采用自主开发的图像分析软件结合数字图像相关技术对含预制单裂纹的类岩石材料在单轴压缩下的变形破坏特性进行试验研究。基于试件全局应变场角度从细观层次量化分析、总结裂纹起裂、扩展的规律及岩石变形损伤演化特征。并采用断裂分析软件FRANC2D/L对相似模型进行数值模拟,分析在加载全程不同阶段的裂纹扩展路径及其应力场分布特征。结合试验与数值研究结果,细致地探讨裂隙岩石的细观力学机制与宏观力学响应之间的内在联系,该研究有助于提升人们对节理岩体工程灾变机制的认识。     

单轴压缩岩石中缺陷的演化规律及岩石强度

利用自主开发的岩土工程计算机辅助分析系统GeoCAAS,采用混合的Mohr-Coulomb剪切破坏准则与拉应力破坏准则,考虑材料塑性屈服后的软化特性,研究单轴压缩条件下含缺陷岩石的变形特性与强度,探讨缺陷的演化规律及其对岩石宏观力学强度的影响.对于含单个缺陷的岩样,缺陷位置的不同对岩石强度影响较大.边界上的缺陷不但能够决定岩石的最终剪切破坏带的分布,而且还极大地影响岩石的强度;岩石内部的单个缺陷对剪切破坏面的分布影响较大,而对岩石强度却影响较小.对于含多个随机缺陷的岩石,研究了缺陷体积含量与岩石强度的关系.将岩石中缺陷的体积含量近似为岩石的孔隙度,通过不同孔隙度的砂岩的室内单轴压缩试验对上述研究成果进行验证.研究成果在一定程度上可以为室内岩石试验和岩土工程提供参考.     

单轴压缩岩石不同边界裂纹扩展数值模拟研究

对于单轴压缩的岩石试件,其破坏形式主要是微裂纹的摩擦滑移、自相似平面扩展和弯折扩展.基于断裂力学机制,运用FLAC的显式有限差分数值模拟技术,对单轴压缩荷载下三种不同边界形状,即直边、凸形、凹形情况下含近边界预置斜裂纹的岩石模型进行了数值模拟研究.研究结果表明,基于Interface界面单元建立的裂纹扩展模式以Z型翼裂纹扩展为主,可以较好地模拟裂纹扩展过程.预置裂纹倾角和边界形状对近边界裂纹起裂应力及裂纹扩展过程都有一定的影响.凹边界情况下裂纹扩展较为稳定,无非稳定扩展情况的出现,而直边界和凸边界情况裂纹扩展均由稳定扩展到非稳定扩展逐步进行.     

岩石单轴压缩下损伤表征及演化规律对比研究

采用声波、声发射一体化装置同步测试单轴压缩下花岗岩应力应变、超声波及声发射(AE)特征演化规律,分析岩石特征应力对应的宏–细观表征,通过裂纹体积应变、声发射及声波特征等共同量化岩石损伤演化过程。结果表明:裂纹体积应变和波速对应的损伤起始应力吻合较好,AE事件、幅值分布、b值对应的应力特征值基本一致,但AE事件表征的损伤累积开始早于宏观变形和声波;初始加载阶段波速及各项异性系数K均逐渐增加,之后变化趋缓,起裂应力后侧向波速开始减小,而K逐渐增大;峰值应力前裂纹的快速聚结引起AE信号幅值大幅增加,伴随的是b值的快速下降和AE累积能量的陡增;基于起裂应力后损伤才开始累积的假定,量化并对比了裂纹体应变、AE事件等多参量表征的损伤演化规律,发现花岗岩损伤累积绝大部分发生在损伤应力之后。裂纹体应变表征的损伤具有明确物理意义,但裂纹体应变计算中泊松比选取存在一定主观性,裂纹体应变、AE能量、模量等参数表征的损伤在接近峰值应力前均出现大幅增加,与b值的快速下降对应。综合对比分析,AE能量表征的损伤具有更好的可靠性,反映了岩石损伤破裂的本质特征。     

单轴压缩下大理岩细观裂纹扩展试验研究

利用带有加载装置的扫描电镜（SEM）实时动态观测系统和数字图像处理技术,对大理岩试件在受单轴压缩时所产生的微裂纹的萌生、扩展过程进行了定量分析,得到微裂纹扩展的规律,对岩石力学研究有一定的理论意义。     

单轴压缩砂岩细观裂纹动态演化特征试验研究

岩石细观裂纹的动态演化特征作为岩石破坏的重要信息,其研究对于分析岩爆的孕育过程及预测岩石动力灾害发生有着重要意义。采用应力分析和声发射参数方法,研究了砂岩在单轴压缩条件下的细观裂纹的强度动态演化特征。试验结果表明,应力与砂岩细观裂纹扩展诱发声发射（AE）事件的强度特征有较好的阶段性变化规律,将峰前裂纹动态演化划分为三个阶段。进一步分析裂纹的类型特征,提出三阶段四维演化过程分析方法。细观裂纹多为张拉型,随着时间的增加,细观裂纹向剪切型裂纹转变,裂纹数量迅速增加,裂纹强度逐渐增大。提出将第三阶段AE事件出现的高强度、高RA、低AF特征作为砂岩破裂失稳的定性预警条件。通过矩张量反演对比分析了的细观裂纹数量和类型的动态演化。     

单轴压缩砂岩细观裂纹动态演化特征试验研究

岩石细观裂纹的动态演化特征作为岩石破坏的重要信息,其研究对于分析岩爆的孕育过程及预测岩石动力灾害发生有着重要意义。采用应力分析和声发射参数方法,研究了砂岩在单轴压缩条件下的细观裂纹的强度动态演化特征。试验结果表明,应力与砂岩细观裂纹扩展诱发声发射(AE)事件的强度特征有较好的阶段性变化规律,将峰前裂纹动态演化划分为三个阶段。进一步分析裂纹的类型特征,提出三阶段四维演化过程分析方法。细观裂纹多为张拉型,随着时间的增加,细观裂纹向剪切型裂纹转变,裂纹数量迅速增加,裂纹强度逐渐增大。提出将第三阶段AE事件出现的高强度、高RA、低AF特征作为砂岩破裂失稳的定性预警条件。通过矩张量反演对比分析了的细观裂纹数量和类型的动态演化。     

单轴压缩下岩石裂纹扩展应力阈值识别与验证

准确识别岩石在单轴压缩变形破坏过程中几个典型阶段的应力阈值,能更好地理解岩石渐进破坏过程中内部裂纹扩展力学行为和岩石破坏机制。通过对5种岩石开展单轴压缩试验,在裂纹体积应变法的基础上引入岩石裂纹轴向应变和裂纹径向面积应变2个参数,并结合声发射监测手段对5种岩石的应力阈值进行识别。依据岩石破坏时裂纹径向面积应变曲线斜率的关系,把岩石分成类型I和类型Ⅱ岩石。研究表明,对于类型I和类型Ⅱ岩石,分别利用其裂纹轴向应变和裂纹径向面积应变曲线特征点能较准确识别出岩石裂纹稳定扩展应力σ_sd、裂纹不稳定扩展应力σ_usd以及岩石裂纹相互贯通应力阈值σ_ct,其结果与利用声发射特征现象所识别的应力阈值相近。该方法合理解释了利用体应变法、裂纹体积应变法与声发射法识别的应力阈值不匹配现象,实现了岩石压缩过程中利用应力、应变数据与声发射数据对应力阈值识别结果的一致性。     

基于细观裂纹扩展演化的岩石损伤本构模型研究

为准确表征岩石细观裂纹扩展演化过程的力学特性。基于唯象理论,将岩石细观结构概化为完整岩石微元体、裂纹扩展损伤微元体和孔隙三个部分;利用微元体间的静力平衡关系,构建岩石细观受力模型。在此基础上,根据岩石裂纹扩展演化特征,提出利用生物阻滞增长模型表征岩石裂纹扩展长度;基于几何损伤理论,建立裂纹扩展长度与损伤的定量关系,构建岩石裂纹扩展损伤演化方程;并利用断裂力学求解裂纹扩展损伤微元体的实际应力;通过将裂纹扩展损伤和损伤微元体实际应力引入岩石细观结构静力平衡方程,考虑软岩压密阶段非线性变形的影响,建立基于细观裂纹扩展演化的岩石损伤本构模型;最后,提出模型参数的确定方法,并探讨模型参数对岩石力学性质的影响规律。结果表明：该模型能较好表征岩石裂纹扩展过程的应力应变特征,与实验结果吻合度较高,且模型参数物理意义明确。     

岩石单轴压缩条件下裂纹扩展试验研究——以片状岩石为例

 为研究片状岩石渐进性破坏,首先对其应力门槛值：裂纹起始应力 、裂纹破坏应力 、单轴抗压峰值强度 及相互间的关系进行系统的总结和论述。基于片状岩石--丹巴二云英片岩单轴压缩试验轴向应力–轴向/ 径向应变曲线,首次将岩石渐进性破坏过程应力门槛值分析应用于片状岩石,得出加载方向与片理面方向平行、垂直和成30°夹角3种加载条件下的应力门槛值,并将其与其他岩石种类的应力门槛值研究结果进行比较。结果表明裂纹扩展过程与岩石种类有关,不同岩石矿物颗粒、胶结状况、片理面发育情况等因素都会影响岩石的渐进性破坏过程,从而对应不同的应力门槛值范围。二云英片岩的试验结果直接表明,由于片理面的发育,片状单轴压缩条件下的裂纹扩展过程存在显著的各向异性,这一特点显著区别于其他种类岩石,在地下工程开挖中应对其进行具体的量化分析,以指导开挖设计和支护加固。     

单轴压缩试验下裂纹闭合阶段岩石KAISER效应的研究

选择花岗闪长岩和大理岩进行了单轴压缩试验下裂纹闭合阶段的KAISER效应（KE）研究,试验结果表明：裂纹闭合阶段有KE出现,岩石KE具有记忆先前应力、应变、弹性模量、泊松比和损伤因子的能力;岩石KE的机理在于对其先前损伤的记忆。     

韧性岩石常规三轴压缩试验及变形与损伤演化规律研究

 利用岩石全自动三轴伺服仪,对向家坝水电站坝基挤压带强风化砂岩进行不同围压下的常规三轴压缩试验,并对岩石变形和破坏机制进行研究。试验结果表明：该强风化砂岩表现出显著的非线性变形和延性破坏特征,属于韧性岩石。在偏压作用下,岩石轴向和侧向应变分别为5%和4%,体积膨胀量为4%以上。岩石变形力学参数随荷载的变化而变化,随偏应力的增大,岩石弹性模量减小,泊松比增大。围压可提高岩石抵抗变形和破坏的能力,围压越大,岩石发生扩容的起始偏应力越大。基于密度方法研究岩石损伤演化规律。加载初期,岩石被压密,处于无损阶段;当偏应力超过一定水平时,岩石出现损伤,且损伤量与等效应变呈线性关系,密度损伤阈值低于0.12。试验结果对向家坝水电站坝基稳定性分析有重要参考价值。     

单轴压缩岩石损伤演化细观机理及其本构模型研究

利用作者已研制成功的CT机专用三轴加载试验设备,守成了单轴压缩荷载作用下岩石损伤CT实时细观试验。给出了CT图像中裂纹宽度的估算方法,确定了应力损伤门槛值,对CT试验结果进行了定量分析,得到了单轴压缩岩石损伤演化的初步规律。基于CT试验结果,对岩石应力-应变全过程曲线进行了分段,从工程应用出发,给出了峰前分段岩石损伤演化方程及本构关系。理论分析结果与试验结果较吻合。     

灰岩单轴压缩损伤演化试验研究

利用单轴压缩试验,研究了裂纹应变随加载速率的变化规律,得到了不同加载速率下黄龙灰岩的起裂应力。黄龙灰岩的起裂应力约为峰值强度的95%以上,裂纹起裂应力随加载速率增加而增加,而且加载速率越高,破坏后的岩石碎块的尺寸越小。根据岩石黄龙灰岩单轴压缩过程的声发射特征,得到了岩石内部微裂纹演化特征。随着裂纹的不断扩展,岩样出现了明显的损伤局部化现象。最后,利用滑移裂纹模型,分析了黄龙灰岩动态损伤演化机制,得到了加载速率与裂纹起裂应力的关系,同时获得了临界裂纹长度与加载速率的关系。     

冲击荷载下岩石裂纹动态扩展全过程演化规律研究

为研究岩石裂纹全过程扩展规律及扩展行为中的定区域止裂问题,提出修正侧开半孔板(improved single cleavage semi-circle specimen,ISCSC)构型构件。通过大直径分离式霍普金森压杆试验系统进行冲击试验,使用裂纹扩展计测试系统测定了裂纹扩展速度,同时引入拉伸断裂软化损伤破坏模型进行数值模拟,通过试验–数值法,深入分析动载荷下岩石裂纹全过程扩展演化行为及双空心孔对于裂纹扩展的影响。结果显示,ISCSC构型实现了裂纹扩展中的定区域止裂,可以精准预测止裂区域;预制双空心孔的构型分布对裂纹扩展行为影响巨大,裂纹扩展速度受到明显抑制;裂纹扩展至双孔中心连线区域时,裂纹尖端拉应力场与双孔形成的叠加应力场相互作用,导致主裂纹扩展速度急剧降低,甚至出现止裂现象;裂纹扩展至叠加场时,极易受到物质不均匀性影响,产生偏折或分叉;同时,数值计算的结果和试验吻合,验证ISCSC构型用于研究裂纹起裂、扩展及止裂全过程演化行为的有效性。     

岩石宏、细观损伤复合模型及裂纹扩展规律研究

通过假设微元具有破坏、损伤和无损3种状态,损伤和破坏可以用无损的程度表示;把细观损伤理论和宏观统计损伤模型结合,建立应力-应变与微裂纹密度变化的关系;分别运用Taylor方法、广义自洽法和Taylor介质法,通过计算实例分析岩石应力-应变过程中裂纹密度的发展变化规律,讨论特征点处的裂纹密度变化特点及计算方法的影响,尝试利用细观损伤理论确定岩石残余强度,得出岩石非线性性质是裂纹密度发展速度的宏观表现等结论.     

单轴压缩下岩石能量演化的非线性特性研究

 岩石在变形直至破坏失稳中的能量转化是一个动态的过程,大致分为能量输入、能量积聚、能量耗散和能量释放4个过程。通过对不同能量转化机制的非线性关系分析,建立受载岩石能量转化随轴向应力的自我抑制演化模型,并由红砂岩能量演化试验对其进行验证,所建模型适用于岩石变形破坏峰前阶段。研究表明,随应力演化的能量密度值序列遵循标准Logistic映射,能量演化具有分叉和混沌特征,当轴向应力达到约92%峰值应力时,岩石系统进入倍周期分叉区,达到约97.5%峰值应力时,进入混沌区。定义能量迭代增长因子μ,其随应力单调递增,并初步提出岩石破坏预警判据μ = 3。     

单轴压缩煤岩损伤演化及声发射特性研究

 为建立声发射参数与岩石(煤岩)力学破坏机制的关系,更好地了解受载煤岩体的损伤演化规律,进一步揭示煤岩动力灾害演化过程及灾害时间效应产生机制,利用MTS815岩石力学测试电液伺服试验系统和8CHS PCI–2声发射检测系统,对单轴压缩煤岩的损伤演化及声发射特性进行试验研究,分析单轴压缩煤岩的声发射特性,提出基于“归一化”累积声发射振铃计数的损伤变量,建立基于声发射特性的单轴压缩煤岩损伤模型,得出煤岩的损伤演化曲线和方程。研究表明,声发射信息反映煤岩内部的损伤破坏情况,与其内部原生裂隙的压密及新裂隙的产生、扩展、贯通等演化过程密切相关,煤岩的声发射特征能较好地描述其变形和损伤演化特性。基于声发射特性的单轴压缩煤岩损伤模型是合理的。单轴压缩煤岩损伤演化过程可分为3个阶段：初始损伤阶段、损伤稳定演化和发展阶段、损伤加速发展阶段。煤岩由变形至破坏可视为一逐渐发展过程：由变形、损伤的萌生和演化,直至出现宏观裂纹,再由裂纹扩展到破坏的全过程。     

基于CT试验的混凝土裂纹扩展演化研究

针对混凝土宏观性能指标与破坏特性细观参数之间关系的技术难题,采用工业CT对单轴压缩条件下的混凝土试样进行了CT扫描试验;利用图像处理技术对混凝土CT图像进行分析,得到不同加载阶段混凝土孔隙和裂纹的三维细观模型及孔隙率变化规律。运用分形理论建立了CT图像分形维数计算模型,对混凝土CT图像分形特征进行了研究。结果表明:混凝土孔隙体积和分形维数的快速增大是混凝土失稳破坏的预警信息;利用混凝土CT三维重建图像结合分形理论观察研究混凝土裂纹扩展全过程,为有效分析混凝土细观损伤破坏提供了新技术。     

单轴压缩下红砂岩能量演化试验研究

 岩石在变形至破坏过程中,伴随着能量的耗散和释放。为寻找加载过程中能量的演化规律,对红砂岩试件进行4种加载速率下单轴不断增加荷载循环加、卸载试验,得到弹性能和耗散能随应力的演化及分配规律。研究结果表明：(1) 破坏之前,试件吸收总能量、积聚弹性能、耗散能皆随应力的增大而增大,吸收总能量增加最快,弹性能次之,耗散能最慢。(2) 弹性能随轴向应力呈现非线性增长,在24%极限强度前增长速率较小,随后慢慢增大,临近破坏时又增长放缓;耗散能起初增长较缓慢,在即将破坏阶段显著大幅增加,增幅可达85%左右。(3) 整个加载过程弹性能所占比例约从60%增长到82%,增长速率逐渐变慢,而临近破坏时有小幅下降;耗散能所占比例的变化规律相反。(4) 在准静态加载范围内,大体上加载速率越小,耗散能越大;而加载速率对弹性能演化基本无影响。(5) 试件的弹性能密度–应力曲线无离散性,能够反映材料本身的固有性质。