单轴受压岩石破坏全过程声发射特征研究

在刚性试验机上，对单轴受压岩石破坏全过程进行声发射试验，得到了岩石破坏全过程力学特征和声发射特征，包括岩石应力-应变曲线、声发射事件数等，研究了声发射事件数(AE数)、事件率与应力、时间之间的关系。研究表明：岩石在一次性加载过程中，不是所有的岩石都具有典型的Kaiser效应的声发射特征点：在弹性阶段的初期和后期，随着应力水平的增加岩石声发射显著增加，特别在弹塑性高应力阶段，岩石声发射增长迅速；岩样在试验接近峰值强度时单位时间内的应力增长速度减小，声发射事件率出现明显下降，即出现相对平静阶段；声发射事件率在不同应力水平变化很大，峰值强度后的声发射现象仍然明显，其声发射特征随岩样破坏形式的不同而不同。     

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。     

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I类和II类曲线形成机制的弹塑性细胞自动机分析

基于弹脆塑性理论和细胞自动机自组织理论相结合来模拟岩石试样的应变软化行为,对岩样单轴压缩破坏过程中产生I类和II类曲线的机制进行模拟分析,利用应力-应变线性组合的控制加载方式,分别考虑不同的均质度和不同的加载控制参数的情况,并模拟非均质岩石单轴压缩破坏过程的I类和II类曲线。研究结果表明,当采用应力-应变线性组合的控制加载方式时,I类和II类曲线的出现与岩石试样的均质度和加载控制参数有很大的关系,均质度越大,岩石脆性越强,峰后越趋向于形成II类曲线;同一种岩石试样,采用不同的线性组合参数,岩样既可以表现为I类行为,也可表现为II类行为。     

岩石I类和Ⅱ类曲线形成机制的弹塑性细胞自动机分析

基于弹脆塑性理论和细胞自动机自组织理论相结合来模拟岩石试样的应变软化行为,对岩样单轴压缩破坏过程中产生Ⅰ类和Ⅱ类曲线的机制进行模拟分析,利用应力-应变线性组合的控制加载方式,分别考虑不同的均质度和不同的加载控制参数的情况,并模拟非均质岩石单轴压缩破坏过程的Ⅰ类和Ⅱ类曲线.研究结果表明,当采用应力-应变线性组合的控制加载方式时,Ⅰ类和Ⅱ类曲线的出现与岩石试样的均质度和加载控制参数有很大的关系,均质度越大,岩石脆性越强,峰后越趋向于形成Ⅱ类曲线;同一种岩石试样,采用不同的线性组合参数,岩样既可以表现为Ⅰ类行为,也可表现为Ⅱ类行为.     

不同循环加卸载路径下红砂岩声发射与应变场演化规律研究

为研究不同循环加卸载路径下红砂岩的损伤演化规律,基于MTS815岩石力学试验系统对红砂岩开展恒下限和变下限循环加卸载试验,同步进行声发射和数字图像相关技术(DIC)监测。结果表明：相较于单轴压缩试验,恒下限循环加卸载下岩石平均抗压强度提高了6.5%,变下限循环加卸载提高不显著。恒下限循环加卸载下Felicity比平均值随应力增大而持续减小,而变下限循环加卸载后期的Felicity比基本保持不变。表观应变场演化趋势与声发射变化特征一致,恒下限循环加卸载下岩石破坏前损伤变形逐渐增大,呈缓增型特点;而变下限循环加卸载下加卸载前期损伤应变较分散,直至应力超过峰值强度66%时,岩石较大表观应变点才由分散快速集中,局部区域变形急剧增大,呈突变型特点,试样表现为剧烈的脆性破坏,实际工程中应予以重视。     

2种岩石直接拉压作用下的力学性能试验研究

 利用Instron1342液压伺服机对2种典型硬岩和软岩试样进行单轴试验,包括单轴压缩试验和直接拉伸试验,研究这两种岩石在直接拉压作用下的力学性能,对比2种岩石的单轴抗压强度和单轴拉伸强度。试验过程中监测岩石试样的轴向应变和水平应变,并记录岩石试样的声发射特征,得到2种岩石在单轴拉压下的应力–应变曲线和声发射计数率曲线,对比2种岩石在单轴拉压下的声发射变化规律。试验发现,直接拉伸下2种岩石在加载初期较大范围内基本无声发射事件发生,直到破坏前声发射事件数才突然增大。讨论2种岩石在不同加载模式下的弹性模量和泊松比变化关系,发现单轴压缩下,硬岩的弹性模量随载荷变化先增大而后趋于稳定,当载荷超过单轴抗压强度的80%时又变小;而单轴拉伸下,硬岩的弹性模量初始较大,随后随着载荷增大而逐渐减小。单轴压缩下2种岩石的泊松比为0.2～0.3,而单轴拉伸下岩石的泊松比很小,几乎可以忽略。比较2种岩石的破坏角、内摩擦角以及黏聚力,讨论2种岩石在直接拉压作用下的不同破坏模式。利用三维表面形貌扫描仪对直接拉伸试样的破坏断面进行三维扫描,得到破坏面细观结构图和裂纹面表面粗糙度曲线。     

基于声发射参数的岩石材料损伤本构模型研究

在MTS试验系统上对白云岩进行单轴受压破坏全过程的声发射试验研究,测试岩石受力变形过程中的应力、时间、声发射事件数等参数,并在试验的基础上分析了它们受力变形过程的典型声发射特性。根据试验曲线与典型的岩石全应力-应变曲线的比较,假定应力与时间的关系为2次多项式和3次多项式,经过推导给出了应力率和声发射率的表达式。     

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。     

岩石应力-水力-化学耦合过程研究进展

首先介绍国际合作DECOVALEX计划的概况和研究进展，阐述中国参加该合作计划研究的必要性和重要意义。对国内外在岩石应力-水力-化学耦合过程方面的主要研究进展进行简略概述，并重点总结了DECOVALEX计划Task_B及中国科学院武汉岩土力学研究所的研究课题组所取得的主要研究进展，包括：（1）开展了岩石应力-化学耦合条件下的单轴、三轴压缩试验、细观力学试验和CT扫描试验的系统研究和分析；（2）建立了岩石破裂过程的弹塑性和应力-渗流耦合细胞自动机模型，并用于对岩石声发射活动的Kaiser效应、Ⅱ类曲线的形成机制以及孔隙水压力对岩石力学性质的影响规律和细观机制进行了模拟分析等。上述研究成果对于岩石应力水力-化学耦合过程研究起到了积极的推进作用。     

多轴应力对深埋硬岩破裂行为的影响研究

 针对深埋硬岩在多轴应力条件下的破坏特征,在笔者所在课题组工作的基础上,提出能够反映岩石在多轴应力作用下力学参数随塑性内变量的演化关系以及中间主应力和最小主应力对深埋硬岩脆延转换行为影响的岩体局部劣化模型(rock mass local deterioration model,RLDM),该模型考虑真实岩体应力状态对岩体力学行为的控制作用,并嵌入到自行开发的三维弹塑性细胞自动机软件系统中,而基于局部作用原理的细胞自动机方法能够方便地考虑岩石破坏过程中局部力学参数的动态更新。实验室尺度岩样的破坏过程模拟,较好地反映了随着围压的升高,岩石由脆性向延性转化的试验现象;工程尺度的锦屏二级水电站引水隧洞破坏行为模拟,获得的隧洞破裂模式较好地反映现场实际破坏现象,从而验证模型和模拟方法的正确性和合理性。在此基础上,以深埋硬岩为研究对象,分别考虑不同侧压力系数、不同中间主应力大小和方向,分析多轴应力对深埋硬岩破裂行为的影响,解释造成深埋硬岩隧洞复杂破裂模式的原因。结果表明,最小主应力升高使深埋隧洞的稳定性增强;深埋隧洞围岩的稳定性具有中间主应力效应及其区间性的特征。     

岩体破坏演化的物理细胞自动机(PCA)(Ⅰ)——基本模型

根据岩体的结构与破坏特征，建立了一种新的细胞自动机－－二维物理细胞自动机（PCA）的基本模型，由于该模型考虑了岩体材料的非均质性，非连续性和各向异性等特征，因此，可以有效地模拟岩体的破坏过程，该模型对进一步研究岩体的非线性特征具有重要的应用价值。     

裂隙花岗岩各向异性蠕变特性研究

 由于岩石的非均质性、裂隙的存在以及所处地质环境的复杂性,岩样在蠕变破坏过程中通常表现出各向异性的特点。为了描述岩石的这种各向异性蠕变性质,在经典弹黏塑性理论的基础上,提出黏塑性流动系数张量表达式,建立岩石各向异性弹黏塑性蠕变模型,将该模型嵌入到三维弹塑性细胞自动机模型中,开发岩石蠕变过程分析的三维弹黏塑性细胞自动机模拟系统(EPCA3D-EVP),建立非均质岩石蠕变破坏过程的分析方法,该方法通过常规三轴数值试验来确定细观单元的强度和变形参数,通过蠕变试验确定其黏塑性流动系数,克服岩石力学模拟中“数据有限”的瓶颈问题,并通过对甘肃北山核废物地下处置候选场址的裂隙花岗岩三轴蠕变试验验证该模型和分析方法的正确性,合理地描述裂隙花岗岩在渗流–应力作用下产生各向异性的宏观现象。     

岩石破坏演化细观非均质物理元胞自动机模拟研究

在传统元胞自动机基本理论的基础上,根据岩石结构细观非均质的特性和前人研究的基础,引进双参数Weibull分布,建立了一个改进的细观非均质物理元胞自动机模型,并利用该模型对不同均质度岩石材料的破坏演化进行动态模拟,模拟结果与试验结果吻合较好。     

预制裂纹几何与材料属性对岩石 裂纹扩展的影响研究

 采用岩石破裂过程的弹塑性细胞自动机模拟系统EPCA2D,研究含预制裂纹岩石试件裂隙的几何位置以及基质材料力学属性的差异对裂纹扩展和搭接的影响。模拟中采用弱化元胞单元来表征试件中存在的预制裂纹,用Weibull随机分布对岩石基质元胞单元的力学参数进行赋值,以反映作为岩石基质一部分的岩桥的非均质性。表征预制裂纹的弱化元胞单元服从理想弹塑性本构关系,基质元胞单元服从弹脆塑性本构关系。利用该方法对含有2或3条裂纹的岩石试件进行单轴压缩破裂过程模拟,再现裂纹起裂、扩展和搭接全过程的实验现象。结果表明,预制裂纹的倾角和岩桥倾角对裂纹的扩展和搭接有重要的影响。同时,考虑基质材料力学属性的差异,研究基质元胞单元力学性质的随机空间分布和不同的内摩擦角等情况下的裂纹扩展模式,结果表明,裂纹的扩展和搭接路径强烈依赖于材料的力学属性,从机制上解释了室内实验中裂纹扩展路径离散性的原因。     

模拟岩石破坏过程的物理细胞演化力学模型

基于细胞自动机理论和遗传算法，提出了一种物理细胞演化力学模型(ECA)。该模型利用遗传算法搜索试验所得到的应力．应变曲线所对应的最佳能量耗散率，并且可以模拟岩石的非均质性、各向异性等特性；根据该模型得出的能量耗散率模拟得到的应力．应变曲线与试验曲线得到了很好地吻合。     

模拟三点弯曲试验的细胞自动机模型

细胞自动机是一种在随机初始条件下,通过构造简单的数学规则,来描述离散动力系统内部因局部单元之间强烈的非线性作用而导致系统整体自组织演化过程的一种数学模型.在此基础上,以力、位移作为基本状态变量,基于基本的力学规律构造了细胞自动机模型的矢量局部更新规则,建立了一种模拟岩石破坏过程的细胞自动机模型,并克服了以往规则确定随意性以及标量化的缺点.利用该模型模拟了三点弯曲梁的破坏过程,分析了预制裂纹对三点弯曲梁的破坏过程的影响,给出了与破坏过程所对应的应力-应变曲线以及声发射曲线.     

COMPLETE STRESS- STRAIN BEHAVIOR FOR SHEAR FAILURE OF ROCKS

COMPLETE STRESS- STRAIN BEHAVIOR FOR SHEAR FAILURE OF ROCKS