岩石厚壁圆筒试验破坏的细观力学机制

 目前采用传统颗粒体模型较难表征岩石内部不规则矿物颗粒的结构特征。以颗粒流理论及PFC程序为平台,采用平面黏结接触模型,构建能反映矿物颗粒结构特征的岩石厚壁圆筒数值模型,从细观力学角度深入探究岩石厚壁圆筒试样在不同内外部围压条件下的破裂机制与规律。研究表明：当内部围压为0时,试样张拉型微破裂占主导优势;层状剥离的破碎颗粒体以轴线为中心形成近似对称的“V”型破坏区域。当内部围压不为0时,随着内部围压不断增大,试样承受的极限外部围压逐渐增大;试样剪切型微破裂逐渐占主导优势,以轴线为中心产生的近似对称的“V”型破坏区域逐渐消退,破坏逐渐从内径岩壁向各个方向扩展。无论内部围压是否为0,试样外部围压、外部体应变等破坏参量演化曲线均可近似划分为3个阶段。     

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。     

基于电镜扫描实验的柱状节理隧洞卸荷破坏机制研究

 采用现场调查、室内力学实验、细观实验的方法,对导流洞内柱状节理玄武岩的卸荷破坏机制进行研究。研究结果表明：(1) 柱状节理岩体内节理面主要包括：柱间节理面、柱内竖直隐节理面、柱内水平节理面,柱间节理面表面粗糙不平,为岩浆岩冷却后形成;柱内竖直隐节理面存在羽毛状陡坎,开挖卸荷后易松弛成为显节理;柱内水平节理面表面平整,方向近乎水平。(2) 将现场破坏面与标准破坏模式下的电镜扫描结果对比表明：柱内竖直隐节理面为原生节理面,破坏形式主要为拉破坏;柱间节理面为原生张拉节理,破坏形式包括拉伸与剪切及其混合破坏;水平节理面为构造运动中形成,无明显开挖卸荷破裂特征。(3) 柱状节理塌方机制为：受多组节理切割,柱体易沿节理面从柱体内外共同破裂,呈小柱体垮落,即硐室开挖后,当法向力超过柱间节理面抗拉强度时,柱状节理沿着柱间节理面开裂,并滑移;在滑移过程中,柱间节理面相互摩擦,形成剪破坏特征;当法向力超过柱内竖直隐节理抗拉强度时,柱体内部沿着柱内竖直隐节理破裂;节理面相互切割形成小柱体,从柱体内外共同破裂,并向临空面滑落;由于水平节理面非常发育,小柱体最终会在重力及开挖扰动作用下垮塌脱离母岩,严重时形成塌方。该机制可以很好地解释现场边墙柱体破裂面中三弱面共存的原因。     

原生裂纹对煤岩剪切破坏宏细观演化规律的影响研究

 利用自主研发的煤岩细观剪切加载试验装置,开展不同加载速率剪切载荷作用下,含水平和垂直表面原生裂纹煤岩的裂纹开裂扩展时空演化模式、宏观裂纹形态及细观裂纹贯通机制的研究。研究结果表明：水平表面原生裂纹影响煤岩宏观裂纹发育数目,破坏后宏观形态呈H型或H+L型,而垂直表面原生裂纹对宏观裂纹发育数目无影响,破坏后宏观形态呈L型;原生裂纹对新裂纹发展演化的影响限于预定剪切面附近局部区域内,位于预定剪切面远处的原生裂纹,以及煤岩岩样制作中在预定剪切面远处产生的岩样缺损,其形态均未发生明显变化,未对剪切面附近宏观裂纹发育产生明显影响;在预定剪切面附近,后期产生的宏观主裂纹会引起前期右侧产生的裂纹受压而闭合,预定剪切面左侧的非贯通垂直原生裂纹,对宏观主裂纹的起裂、扩展无影响;细观分析表明,水平表面原生裂纹使煤岩局部破坏模式复杂多样化,包括压破坏、拉破坏、剪破坏及组合破坏模式,导致裂纹开裂位置可能出现在煤岩中部原生裂纹处,而垂直表面原生裂纹对煤岩破坏模式影响不明显。     

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。     

单轴压缩条件下锚杆影响脆性岩体破裂的细观机制

锚杆支护系统是控制深部脆性围岩动力灾害的重要措施,但锚固理论研究仍滞后,锚杆支护下的脆性岩体破坏问题困扰着深部岩体工程实践。根据实际工程中锚杆支护下脆性围岩的浅表局部破坏特点,通过室内相似模型试验研究单轴压缩条件下锚杆杆径影响完整脆性岩体的破坏特性,试验表明,锚杆杆径对脆性岩体弹性模量和强度的提升存在最优匹配的特点,一味强调增大锚杆直径并不能达到理想的围岩控制效果;锚杆改变了脆性岩体单轴压缩破坏模式,宏观上由劈裂破坏转为剪切破坏,杆径对试样剪切破坏的程度有所影响。从细观角度,建立了含两条固有主裂纹的裂纹扩展分析模型,加锚试样单轴压缩破裂模式的改变,可以归结为锚杆锚固止裂效应对试样内部裂纹扩展的抑制作用,使翼裂纹与主裂纹长度比η变小。根据最易开裂角度ζ的计算结果,翼裂纹较长时,翼裂纹朝外载作用方向扩展,产生劈裂破坏,翼裂纹较短时,翼裂纹偏离外载作用方向扩展,产生剪切破坏。从细观上很好地解释了锚杆改变脆性岩体破裂模式的作用机制。     

不同法向应力下含瓦斯煤剪切破坏细观演化过程研究

 利用自主研发的煤岩细观剪切加载试验装置,开展压剪载荷作用条件下法向应力分别为0,2和4 MPa时含瓦斯煤的细观裂纹开裂、扩展及其宏观破坏演化过程的研究。结果表明：剪应力达到峰值前,含瓦斯煤样表面会有明显裂纹出现,达到峰值后剪应力都有一个急剧下降的过程,该过程与Charge-coupled device(CCD)摄像机观测下的主裂纹贯通相对应,但煤样没有立刻剪断,仍有一定的承载能力,随后剪应力随时间缓慢下降;在剪切过程中,煤样上部均出现破碎带,并伴随煤块的脱落,同时法向应力越小,煤样破坏越严重,裂纹发育越明显;含瓦斯原煤的开裂点均出现在煤样的上部与下部,受原煤原始裂纹和节理等因素影响,主裂纹扩展方向并不与剪切方向重合,而是沿剪切方向曲折向前发展。     

岩石变形劣化全过程细观试验与细观损伤力学模型研究

 采用细观试验探究岩石变形劣化全过程是了解岩石变形破坏机制的重要手段。选取四川锦屏二级水电站深埋(2 525 m)隧洞围岩(大理岩),利用岩石变形破坏全过程细观力学试验系统,进行大理岩试样单轴压缩变形破坏全程的数字化试验,在SEM图像数字化处理基础上,对微裂隙的萌生、扩展及贯通过程进行数字化定量分析,统计试样在受压过程中微裂纹的面积、方位角、长度、宽度和周长基本几何数据。利用内变量热力学理论和摩擦弯折裂纹模型,分析微裂纹不同阶段的演化规律,建立微裂纹引起的非弹性应变与应力之间的定量关系,得到大理岩应力–应变关系计算曲线,并与试验结果对比,验证了本文理论模型的可靠性,从试验和理论两方面探究岩石试样单轴压缩过程中的破坏机制。     

岩石细观结构及参数对宏观力学特性及破坏演化的影响

 基于二维颗粒流软件,采用2种不同算法生成clump和cluster模型,研究细观参数和结构(结晶颗粒大小形状分布、预制微裂纹)对宏观力学特性的影响,量化宏细观参数对应关系,探讨微裂纹发展演化规律及试件破坏的细观机制。研究表明：(1) 2种模型生成算法各有优势,圆形区域标记法模型力学特性随细观参数变化规律性较好,波动较小,搜索算法能较好地控制结晶级配组成;(2) 单轴抗压强度UCS、抗拉强度TS与clump半径、无黏结比例(随机分布微裂纹)呈指数函数变化,与黏结强度比呈幂次函数关系;弹性模量、泊松比与上述三细观参数均呈线性变化,且二者变化趋势相反;UCS/TS比值随clump半径、黏结强度比、cluster黏结强度比值n、无黏结比例的增加而增大,且黏结强度比对其影响最大;张拉裂纹比例受黏结强度比影响最大,clump半径影响次之;(3) 单轴压缩下试件以张拉破坏为主,张拉裂纹优势导向主要沿轴向扩展,剪切裂纹则主要沿与轴向夹角20°～40°扩展,巴西劈裂试样张拉破坏裂纹均贯穿试件中心。clump与cluster模型微裂纹扩展演化过程及破坏模式差异较大,相比cluster模型,clump模型剪切裂纹比例相对较大,裂纹破碎带更宽,破裂面粗糙不平整。     

基于单轴压缩CT实验的砂岩破损机制

根据分区描述理论对砂岩单轴压缩CT实验资料在分区域值ξ1=50和ξ2=100的条件下进行了安全区、损伤进行区和破损区的检出,并对各区上的CT数进行统计。根据所定义的统计损伤变量和动态扩展区域上的CT数变化信息,计算得到各加载阶段的损伤变量值、损伤演化率和体应变。利用这些资料对砂岩在该实验条件下的损伤演化规律和细观机制进行分析,验证砂岩损伤演化的阶段性、不均匀性和突发性,从机制上解释损伤门槛值的存在,并最终确定了该门槛值。     

硬脆性岩石的流变长期强度及细观破裂机制分析研究

岩石的流变力学特性是影响水电坝基稳定性的重要因素,而流变长期强度是评价坝基岩体长期稳定性的重要指标 。根据大岗山水电站坝基辉绿岩的三轴流变试验结果,分别用等时应力–应变曲线簇法、非稳定蠕变判别法、流变体积应变法和加卸载流变残余应变法进行了硬脆性辉绿岩流变长期强度的分析。结果表明：对于完整辉绿岩的长期强度, 4 种方法得出的结果较为一致;而对于含裂隙辉绿岩,流变体积应变法得出的结果与实际情况更为相符。通过对破裂辉绿岩的电镜扫描观察,发现辉绿岩的长期宏观强度主要取决于岩体内部矿物颗粒镶嵌组合的牢固程度及矿物之间的胶结程度。     

基于裂纹扩展模式的岩质斜坡阶梯状滑移破裂机制研究

阶梯状滑移破裂作为节理斜坡的一种典型破坏模式,裂隙间裂纹的扩展模式对其变形破裂机制及斜坡破裂面形态具有重要的意义。通过颗粒流程序研究了不同岩桥倾角(0°,45°,90°,135°)和围压条件下双裂隙间裂纹的贯通模式、基本特征与影响因素,揭示含双裂隙岩体在不同围压作用下裂纹扩展的细观力学机制,并推广到含多裂隙岩体裂纹扩展模式中。主要成果如下:(1)双裂隙的贯通主要通过次生共面裂纹、次生倾斜裂纹和翼裂纹;(2)裂纹扩展具有明显的围压效应,低围压条件下,裂隙的贯通主要通过翼裂纹和次生倾斜裂纹,高围压条件下,裂隙的贯通主要通过次生共面裂纹和次生倾斜裂纹;(3)裂隙的贯通应力受岩桥倾角影响较大,岩桥倾角为45°时,裂隙的贯通应力最小,裂隙最容易贯通。结合双裂隙贯通模式的研究,对多裂隙岩体贯通模式进行研究,多裂隙岩体贯通模式可以理解为多组双裂隙的贯通模式的不同组合,同时,在多裂隙贯通模式中,裂纹会寻找贯通应力最小路径扩展。最后,结合一实际斜坡案例,对阶梯状破坏斜坡的基本破裂特征进行了总结分析,并提出了相应的破裂模式分区。     

基于单轴剪切破坏的岩石M–C准则参数反演分析

基于岩石单轴压缩试验中出现的不同剪切破坏形式,应用极限分析法推导出岩石单轴抗压强度与黏聚力及内摩擦角的关系式。结合矿区岩石单轴、三轴试验结果,验证以岩石M–C准则参数计算单轴抗压强度关系式的正确性,据此关系式获得的结果与试验结果差值在6%~10%之间。采用实例进行岩石黏聚力和内摩擦角的反演分析,以岩石实际单轴剪切破坏形式和试验结果为依据,两两结合联立计算得到岩石的黏聚力和内摩擦角。实例表明:基于单轴剪切破坏形式和单轴抗压强度值计算岩石黏聚力和内摩擦角的方法准确,具有实用价值,该关系式也揭示了岩石试样破坏类型与岩石力学参数间的内在关系。     

单轴加载条件下花岗岩声发射及波传播特性研究

 采用声波、声发射一体化装置,研究单轴压缩下花岗岩波速与声发射演化规律,通过宏细观方法确定各应力门槛值,研究裂纹扩展不同阶段声发射演化及波传播规律。结果表明：细观裂纹的演化与宏观变形直接对应,由于微裂纹主要沿轴向扩展,导致轴向刚度对裂纹起裂及贯通的敏感度弱于非线性增长的侧向变形,瞬时泊松比曲线斜率变化点与应力门槛值对应,声发射测试确定的起裂应力比宏观应变法偏小,但反映了微裂纹的初始萌生;采用实测波速变化分析声发射震源的时空及幅值演化分布,较好地描绘了裂纹的扩展过程,由于不同阶段声发射信号的幅值及能量存在差异,导致声发射特征参数演化规律差异较大(尤其在损伤应力之后),AE能量在破坏前呈突发性增长,可作为灾害性破坏的前兆;加载初始阶段,由于微裂隙的闭合,波速及波幅均随应力逐渐增大,但增加速率逐渐下降,侧向波速在闭合应力附近基本达到峰值,此后一定阶段基本保持不变,但其他方向波速则继续增大,随着波传播方向与径向夹角的增大,波速增加幅度及波速下降点对应的应力(损伤应力前、后)逐渐增大,峰值应力附近对应波速下降幅度减小;波速受损伤演化的影响要滞后于声发射事件。     

反倾岩质边坡破坏的力学机制研究

以反倾岩质边坡为研究对象,建立了由一组结构面切割时边坡稳定性系数的力学计算方法。根据岩块结构面的受力模式,构建了岩块结构面的断裂力学模型,并基于断裂力学建立了各岩块结构面等效应力强度因子的求解方法和稳定性判据。引入Kelvin蠕变模型,获得了t 时刻岩块结构面等效应力强度因子的求解方法和结构面长度计算方法,为反倾岩质边坡的防治和监测提供了理论依据。以边坡内各岩块的转角为关联变量,量化了岩块转动后岩块间的相互作用力,建立了岩块转角的计算方法。最后,通过实例分析,表明建立的反倾岩质边坡破坏的力学分析方法计算结果与实际情况基本一致。     

含孔洞加锚岩石力学特性及裂纹扩展规律

为研究含孔洞加锚岩石的力学特性和裂纹扩展规律,采用相似材料制作包含7种支护情况、0°和90°两种层理的含孔洞加锚试件,在MTS815岩石力学试验系统上进行单轴压缩试验,试验后对破裂试件进行CT扫描,分析试件不同部位裂纹分布规律。结果表明,支护结构显著提高了含孔试件的强度值,但不同支护结构的提升效果不同,以锚杆的作用最为显著,混凝土和钢拱架层效果则不太明显。层理不同,支护结构对试件的强度提升效果也不同,支护结构对90°层理试件的围岩强度提升效果要好于0°层理试件。结合试验结果和理论解析解公式发现,锚杆对岩体的锚固作用主要是通过改变锚固区域围岩应力状态和改善围岩力学参数来实现的,而混凝土和钢拱架则可以为孔洞提供支撑压力,有效防止孔洞的剥落、片帮等破坏,有利于维持孔洞的完整性。另外,对破坏后的试件CT扫描断面进行分析,发现锚杆对岩体的锚固作用使岩体一定范围内形成锚固区,锚固区对试件中的裂纹发展具有弱化、止裂和改变其传播路径等作用。     

单轴压缩下非贯通节理岩体损伤破坏能量演化机制研究

能量的积聚与释放伴随发生在节理岩体受荷变形全过程。为探寻加载过程中节理岩体能量演化规律,基于单轴压缩试验及岩石能量原理,研究非贯通节理岩体变形破坏过程中总能量U、弹性应变能U~e及耗散能U~d的转化特征,揭示节理岩体损伤破坏能量演化机制,建立了基于弹性能耗比变化率(dK/dε)的非贯通节理岩体裂缝扩展及强度失效准则。研究表明:节理存在对岩体中能量的存储具有明显的削弱作用,峰值点总能量与弹性应变能随节理数量的增加逐渐减小;节理岩体的弹性应变能U~e及耗散能U~d变化曲线存在"阶梯状"突减或突增,双节理岩样弹性应变能和耗散能突增或突减的数值明显小于单节理岩样;峰前与峰后阶段弹性能耗比变化率发生连续突变(dK/dε正负交替变换)与突变(dK/dε保持为正无穷)作为节理岩体裂缝扩展及强度失效判据。     

Damage characteristics and catastrophic failure mechanism of coal rock induced by gas adsorption under compression

To reveal the damage characteristics and catastrophic failure mechanism of coal rock caused by gas adsorption,physical tests and theoretical methods are employed.The results show that adsorption swelling can damage coal rock,which can be distinguished by fractal dimension.A fitting relationship between the adsorption damage and fractal dimension is proposed by experimental testing and theoretical analysis.High gas adsorption pressure proves to be the dominant factor that leads to coal failure softening and gas outburst disasters.Three main parameters concerning adsorption damage include the change rate of released energy density,the transition difference in the post-peak acoustic emission(AE) b value and the change rate of cumulative AE energy.Results show that all the three parameters present a step-type decreasing change with the increase in fractal dimension,and the fractal dimension shows a linear relationship within the same failure mode.Finally,a method is proposed to evaluate coal rock disaster transformation,based on the aforementioned three main parameters of adsorption damage.     

基于EMD的粉砂岩单轴压缩破裂损伤分析

通过RMT-150C岩石力学测试系统与SAEU2S型声发射仪器,对粉砂岩进行了单轴压缩声发射试验。运用荷载—时间—振铃累计计数关系对岩样损伤阶段进行划分,利用经验模态分解法(EMD)对不同损伤阶段的典型信号源进行了分解,并结合EMD能量熵分析声发射信号能量分布,进而对岩体损伤阶段进行描述。结果表明,粉砂岩单轴压缩破裂可分为起始损伤期、损伤发展期、损伤加剧期、试件屈服期及试件断裂层剥离期五个阶段,其EMD能量熵主要能量所占优势频率分布情况呈现先往高频发展、再往低频发展的趋势。利用EMD能量熵能有效分辨岩样损伤过程中的声发射源信号特征,为评估岩体损伤变化奠定了基础。