岩爆弹射破坏过程的试验研究

 利用自主研发的真三轴岩爆刚性试验机,对粗晶粒花岗岩试件开展应变型岩爆弹射破坏过程试验研究。设计不同的加载与卸载路径,模拟能量集聚驱动型与应力集中驱动型2类岩爆的弹射破坏过程,在借助高速摄像系统对岩石碎块弹射过程进行影像记录与速度测量的基础上,分析岩爆弹射破坏过程的特征与规律。研究结果表明：(1) 岩爆弹射破坏过程可概括为颗粒弹射、劈裂成板、剪切成块、板折弹射4个阶段;(2) 弹射破坏后的岩样母体具有二元破坏形态,即临空面出现V形或台阶状的岩爆坑,而岩身内侧出现贯穿性剪切裂缝;(3) 加载速率对应力集中驱动型岩爆具有重要影响,在0.05～2 MPa/s加载速率范围内,弹射动能随加载速率增大而增大;(4) 峰前集聚的弹性应变能足够大且能量输入速率足够大是岩样发生应力集中驱动型岩爆的基本条件;(5) 无论是能量集聚驱动型岩爆,还是应力集中驱动型岩爆,弹射动能占岩样峰前可释放弹性应变能的比例不足1%。     

卸荷速率和孔隙水压力对砂岩卸荷特性影响研究

为了研究卸荷速率和孔隙水压力对砂岩卸荷力学特性的影响,设计进行了不同卸荷速率(0.005,0.02,0.05,0.1 MPa/s)和不同孔隙水压力(0,0.3,0.6,0.9,1.2 MPa)下的三轴卸荷试验。研究结果表明:(1)在加载阶段,随着孔隙水压力的增大,岩样的应力–应变曲线斜率逐渐降低;(2)在围压卸载阶段,卸荷速率越大,卸载阶段的应变围压柔量越小,岩样破坏时的围压越小,岩样强度相对较高,但破碎程度更严重,而且,在相同的卸荷速率情况下,孔隙水压力越大,岩样侧向扩容现象越明显,岩样越容易破坏;(3)在围压卸载阶段,岩样的变形模量出现了先缓后陡的劣化趋势,而且,卸荷速率越小、孔隙水压力越大,变形模量劣化幅度越大;(4)卸载过程中,卸荷速率越大,岩样脆性破坏特征越明显;孔隙水压力越大,岩样破坏时的近轴向的张性裂纹越多和追踪次生裂纹越多,孔隙水压力在岩样内部裂纹、裂隙尖端的应力集中是导致岩石变形破坏的主要原因。     

基于巴西劈裂试验的岩石应力–应变曲线荷载速率依存性研究

岩石荷载速率依存性是岩石类材料流变力学研究的基本内容之一。通过对井口砂岩、江持安山岩及田下凝灰岩开展交替荷载速率条件下的巴西劈裂试验,分析交替荷载速率条件下岩石巴西劈裂破坏过程及应力–应变曲线的峰前和峰后荷载速率依存性特征,结果表明:(1)交替荷载速率条件下岩石巴西劈裂裂纹先从试件中心起裂并逐渐沿劈裂面向两端扩展,其破坏过程可分为4个阶段;(2)采用交替荷载速率试验得到的巴西劈裂试验曲线,可以清晰地观察到岩石在峰值前和峰值后阶段应力–应变的荷载速率依存性特征;(3)岩石巴西劈裂强度随加载速率的增大而增大,表现出了明显的荷载速率依存性,并通过计算荷载速率依存性系数n值,定量分析了3种岩石的荷载速率依存性特征。     

低孔隙水压力对砂岩卸荷力学特性影响研究

为了研究低孔隙水压力对砂岩卸荷力学特性的影响,在TOP INDUSTRIE多功能岩石三轴测试系统上,设计进行不同围压(5,10,15,20 MPa)和不同孔隙水压力(0,0.3,0.6,0.9,1.2 MPa)下的砂岩三轴卸荷试验。重点分析孔隙水压力对砂岩卸荷强度及变形破坏特征的影响。研究结果表明:(1)随着孔隙水压力的增大,岩样加载阶段的弹性模量逐渐减小,而且围压越小,相同的孔隙水压力增量条件下,弹性模量减小趋势越明显;(2)在卸载过程中,岩样侧向变形的增大速率明显大于轴向变形,而且,孔隙水压力越大,围压越小,侧向扩容现象越明显,岩样越容易破坏;(3)在卸载过程中,岩样的变形模量呈现先缓后陡的劣化规律,而且围压越小、孔隙水压力越大,变形模量降低幅度越大;(4)随着孔隙水压力的增大,岩样破坏时对应的围压值逐渐增大,黏聚力和内摩擦角降低趋势明显,说明孔隙水压力加速了岩石破坏的进程;(5)水对砂岩矿物颗粒的软化和颗粒间连接的弱化作用,以及孔隙水压力的水楔效应,是导致砂岩卸荷力学特性劣化的根本原因。因此,在涉水工程岩体卸荷变形稳定分析中,孔隙水压力的作用效应不容忽视。     

高静荷载下卸载速率对岩石动力学特性及破坏模式的影响

为研究深部岩石的动力学特征及破坏模式受卸载速率影响而变化的规律,基于深部岩石开挖工程面临的"高静载卸荷过程中受冲击扰动"的力学环境,利用改进的动静组合加载SHPB试验系统开展高轴压卸荷频繁冲击扰动试验。试验一个完整循环过程为:先参考深部蛇纹岩的单轴抗压强度施加轴向荷载,再以一定速率卸载至预加轴压值的50%时施加0.4 MPa的冲击荷载,最后停止卸荷。试验研究结果表明:岩石的动态应力–应变曲线及其包络线都经历短暂的直线段进入非线性发展阶段,说明卸载冲击扰动过程中岩样主要发生塑性变形;卸载速率的增加导致岩样对冲击荷载的延缓让力效应明显,造成岩石均值强度及承受的累计扰动冲击次数增加,且引起岩石发生脆性、延性互相转化的现象;预加载轴压、卸荷速率的增加,导致破坏岩块块度呈增大的趋势发展,且前者促使岩样以拉伸破坏为主,后者促使岩样以剪切破坏为主。     

加载速率对不同温度状态石灰岩力学性能影响的试验研究

借助美国MTS810电液伺服材料试验机和高温炉,对常温和600℃两种温度状态下石灰岩试件进行不同加载速率下的单轴压缩试验,得到石灰岩力学性能随加载速率的变化规律。结果表明:常温时,石灰岩岩样在3×10-4³×10-3 mm/s的低应变率范围内,加载速率对峰值应力和弹性模量影响不大,在加载速率为3×10-33×10-3 mm/s的低应变率范围内,加载速率对峰值应力和弹性模量影响不大,在加载速率为3×10-3³×10-1 mm/s的区段内,峰值应力和弹性模量均呈明显上升趋势;600℃时,峰值应力和弹性模量随加载速率增加变化不大。常温时,不同加载速率下石灰岩岩样均为竖向劈裂破坏,且在3×10-33×10-1 mm/s的区段内,峰值应力和弹性模量均呈明显上升趋势;600℃时,峰值应力和弹性模量随加载速率增加变化不大。常温时,不同加载速率下石灰岩岩样均为竖向劈裂破坏,且在3×10-3³×10-1 mm/s的加载速率区段中,随加载速率的增加,劈裂面逐渐增多;600℃时,石灰岩岩样在不同加载速率下均为剪切破坏。     

岩石颗粒流模型单轴压缩的加载速率效应研究

选用平直节理模型建立了岩石单轴压缩的颗粒流模型,分析加载速率、计算时步和加载方式对颗粒流模型力学特性的影响。结果表明:(1) 加载速率0.1 m/s为明显的分界点,加载速率小于0.1 m/s时,数值试样的轴向应力-轴向应变曲线、体积应变-轴向应变曲线和强度参数等差异较小;加载速率大于0.1 m/s时,随加载速率增大,数值试样的脆性特征越不明显,强度参数逐渐增大,试样破坏更为破碎。(2) 对比连续加载法与冻结加载法下的应力-应变曲线的相似度,并综合考虑加载速率效应和计算效率,建议取0.01 m/s作为模拟室内岩石静态加载试验的加载速率,并通过实例分析验证了该加载速率是可行的。(3) 计算时步控制着颗粒流模型中扰动的传播速度,颗粒流模型的加载速率效应是由一个计算时步内形成的扰动所控制的,一个计算时步内形成的扰动越小越接近准静态。颗粒流的计算理论是符合应力波传播理论的,也可以利用颗粒流模拟岩石的动力加载试验。     

含水率对层状砂岩劈裂抗拉强度影响研究

为了研究含水率对层状岩体劈裂抗拉强度的影响,特选取层理显著的砂岩为研究对象,考虑5种含水率,进行顺层理弱面的劈裂抗拉强度试验,结合岩样劈裂破坏面的微观形貌特征和能量参数变化规律进行综合分析。研究结果表明:(1)随着含水率的增加,层状砂岩的抗拉强度逐渐减小,总体呈现先陡后缓的降低趋势,在饱水度低于80%左右时,抗拉强度降低幅度明显较大,而后抗拉强度降低趋势逐渐趋于缓慢;(2)岩样劈裂破坏面的高度参数和纹理参数都随着饱水度的增加而逐渐增大,呈先陡后缓的增长趋势,岩样抗拉强度与劈裂面微观形貌参数存在较好的线性相关性;(3)随着含水率的增加,加载过程中岩样吸收的总能量、弹性应变能逐渐减小,呈现与抗拉强度类似变化趋势,弹性应变能占总能量的比值逐渐减小,耗散能占总能量的比值逐渐增大;(4)层理弱面既是层状岩体结构的薄弱面,也是水分吸收和运移的主要空间和通道,含水率增加,首先是影响岩样层理弱面力学性状和孔隙水的分布,改变岩样加载过程中的裂纹扩展规律,进而影响加载过程中的弹性应变能和耗散能的分配比例,从而导致岩样劈裂破坏面形态趋于复杂,抗拉强度降低,水对岩样抗拉强度的影响是一个从微观结构变化导致宏观力学特性劣化的过程。     

基于声发射及其定位技术的岩石破裂过程研究

应用声发射及其定位技术,采用实验手段研究了不同加载方式(单轴加载、巴西劈裂及三点弯曲条件下)不同尺寸岩石以及不同岩样破裂失稳过程.实验结果表明,在岩石弹性变形阶段,声发射事件定位位置为岩样内部的应力集中位置;随着加载的进行,声发射仪器精确地定位出其裂纹初始位置、扩展方向,并直观地反映出其内部裂纹稳定扩展过程.从巴西劈裂实验的声发射事件定位结果可以看出,初始裂纹产生的位置具有随机特性,且初始裂纹产生是诱发岩石破裂失稳的首要因素.岩样尺寸影响其破坏模式,受加载过程裂纹初始时序不同影响其声发射活动规律表现不一致;不同岩样声发射活动随应力变化呈一定的规律性,其中砂岩在加载过程其声发射活动具有突跳特性,这主要与岩石均质程度相关.声发射定位结果直观地反映岩样内部裂纹初始、扩展的空间位置,这对于深入研究岩石破裂失稳机制具有一定的意义.     

大理岩三轴压缩破坏的能量特征分析

岩石材料的变形和破坏与能量的变化密切相关。利用刚性伺服系统对大理岩岩样进行了系列三轴压缩试验,基于试验结果,对大理岩在加载过程中各阶段能量变化的具体数值进行了计算和整理,研究了能量变化在加载破坏各阶段分别与围压、应力、应变的内在联系。结果表明,初始围压的增大能够相当程度上提高岩样的破坏应变能。在既定围压下,岩样在弹性变形阶段的能量变化与偏应力和应变均成正线性关系。随着初始围压的增大,岩样所吸收的能量随偏应力变化的增长速率降低,随应变变化的增长速率加快。在三轴压缩过程中,岩样在弹性变形阶段所吸收的能量占总能量的比重较小,绝大部分能量耗散于岩样的屈服变形阶段;并且随着初始围压的增大,屈服变形阶段所吸收的能量占总能量的比重提高。     

加载速率对岩石材料力学行为的影响

 加载速率会造成岩石材料破坏形态的改变,材料破坏过程中存在塑性向脆性转变的临界速率。在颗粒流程序下,通过Fish语言编程,虚拟实现岩石数值试件,并进行0.000 5,0.001 0,0.005 0,0.050 0 m/s四个加载速率下的单轴压缩数值试验。分析加载速率对岩石破裂形态、裂纹数量和扩展、应力–应变曲线和能量转换的影响。发现：加载速率的增加破坏优势剪切带的发展,使得剪切带等速发展,材料呈现锥形破坏;加载速率的增加使得材料的力学性能表现出极大的伪增强,材料更破碎,能量损失增大,这与材料吸收和破坏消散能量的能力有关。     

岩石劈裂试验声发射特征的有限元分析

为研究岩石劈裂破坏过程中声发射的时空特征与演化规律,利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,对岩石试件在不同加载条件下的准静态劈裂拉伸试验进行数值仿真模拟,并依据模拟结果,分析了加载条件对岩石劈裂破坏试验声发射特征的影响,探讨了各加载条件下巴西圆盘试验的有效性。结果表明:相较于平台加载和弧形加载,垫条加载条件下试件的声发射活动(含声发射事件累计数与声发射率)最先达到峰值,但峰值点却最低,最终劈裂破坏程度也最轻;声发射率的峰值点略提前于加载位移急剧增长的时间点,可据此预判花岗岩试件的破坏时刻,而这一特征在平台加载与弧形加载时尤为明显,在垫条加载时则不显著;平台加载与弧形加载条件下的巴西圆盘试验基本满足中心起裂条件,而垫条加载时却不满足;此外,由本文研究可知,运用ANSYS/LS-DYNA建立三维有限元模型来分析岩石劈裂试验的声发射特征是可行的,且与其他数值模拟手段相比,与实际工况更相近,普适性也更好。     

Mechanical behavior of different sedimentary rocks in the Brazilian test

Mechanical behavior of the rock in tensile stress environment remains an unresolved problem in the underground mining, where surrounding rocks commonly experience tensile failure. In the present study, tensile failure behavior of three types of sedimentary rocks is investigated experimentally and numerically. The deformation response, fracture propagation, and splitting pattern as well as energy conversion of the rocks are examined in the Brazilian test with a testing machine, high-speed camera, and image scanning system. The tested rocks tend to show elastic-brittle-plastic deformation behavior in the biaxial stress state. Tensile strengths of the coal, mudstone, and sandstone are 1.2, 3.9, and 13.4 MPa, respectively. The coal and mudstone split in a static mode while the sandstone in dynamic mode. The splitting fracture initiates at the disk center in the coal and sandstone, and it emerges at the loading point in the mudstone. The fracture propagates more quickly in the rock with larger strength. It uses 1200.0, 5.8, and 0.4 ms, to break out sample surface of the coal, mudstone, and sandstone, respectively. The joint roughness coefficient (JRC) of the splitting fracture is largest (20.1) in the mudstone, followed by that in the coal (17.7), and it is smallest in the sandstone (15.3). A continuous-discontinuous coupling model, which is capable of analyzing the stress distribution and fracture propagation synergistically, is developed and calibrated against the experimental data. The numerical model accurately reproduces mechanical behavior of the tested rocks observed in the Brazilian test. The splitting fracture propagates along the maximum tensile stress plane in the sandstone. The propagation direction is locally influenced by the grain boundary with small tensile strength in the coal while, in the mudstone, the fracture is mainly formed along the grain boundary. Such differences in the fracture propagation path lead to the increasing trend from the JRC of the splitting surface in the sandstone to that in the coal and finally to that in the mudstone.

     

高应变率下砂岩动态拉伸性能SHPB试验与分析

为研究高应变率下煤矿砂岩的动态拉伸性能,将岩样加工成厚径比为0.5的圆盘试件,利用直锥变截面分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,采用6种冲击气压对试件沿径向进行加载,实施不同加载速率的动态劈裂拉伸试验,测试试件的动态拉伸应力和应变率。试验结果表明:砂岩试件的动态劈裂破坏形态满足巴西圆盘试验有效性条件,试件内的径向应力分布达到应力均匀性要求;分析试验实测波形和应变率效应,得出高应变率下煤矿砂岩试件的拉伸应力和应变率特性。在试验采用冲击气压范围内,试件平均应变率由48 s-1增加至137 s-1,平均应变率与冲击气压近似为对数函数关系,动态拉伸强度与平均应变率近似为乘幂函数关系。     

不同卸围压速率下深埋大理岩卸荷力学特性试验研究

为了更准确认识卸荷速率对岩石力学性质的影响规律,进行不同卸荷速率的三轴卸围压试验,试验采用新的试验路径和加载方式,减少试验过程对试验结果的不利影响。针对锦屏二级水电站深埋大理岩,通过新提出的描述变量(应变围压柔量)重点分析卸围压速率在0.01～1.0MPa/s范围内围压卸荷对变形规律的影响,研究扩容过程的演化规律和强度特征的差异。研究结果表明,大理岩的轴向变形和扩容过程受卸围压速率的影响较为显著,影响规律主要由初始围压水平控制。卸围压试验扩容过程与常规三轴压缩试验峰前阶段的扩容演化规律存在显著差异。不同卸围压速率破坏时获得的极限承载强度均高于加载速率为0.5MPa/s时常规三轴压缩的峰值强度。随着卸围压速率的增大,极限承载强度不断提高,达到1.0MPa/s速率时极限承载强度可提高10%～15%。     

应变加载速率对盐岩力学性能的影响

 对盐岩进行不同围压下变应变加载速率的三轴压缩强度与变形特性的室内测试,分析应变加载速率对盐岩三轴强度、轴向应变及侧向应变以及破裂形式等物理力学性质的影响。在所测试的应变加载速率范围内,加载速率对盐岩三轴强度的影响可分为3个阶段：无明显影响的弹性阶段、强度差异形成的塑性阶段初期、强度差异保持的应变硬化阶段,最终的结果是抗压强度随着加载速率的提高而增大。对试验后岩样的破坏形式进行细观分析可知,高应变加载速率对盐岩内部结构造成的破坏更明显,裂纹长度大且外观明显,与低应变率下的裂纹破裂形式有显著的差异。对三轴试验后的岩样进行单轴压缩测试,发现三轴试验时的应变率较大,试验后岩样的弹性模量越小,表明高应变率导致盐岩的结构破坏更严重,对盐岩的内部损伤越大。对比不同围压下的试验数据并结合其他单轴试验下的研究结果,得出围压是加载速率对盐岩性质有无影响的先决条件,并且围压越高加载速率对盐岩力学性质的影响越明显的结论。以本次试验研究所得成果出发,结合实际工程中盐岩溶腔的各种用途以及建造、运营的各个阶段内不同的盐岩应变率进行分析,提出对工程有益的建议。     

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。     

高温后砂岩静、动态力学特性研究与比较

 通过在SHT4206电液伺服万能试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统上对高温作用后砂岩分别进行静、动载荷加载试验,系统地分析比较了热作用后砂岩在静、动载荷加载下的破坏模式、峰值强度和峰值应变的差异,并从微观角度探讨温度对岩石力学性质的影响。研究结果表明：(1) 高温后砂岩的动态力学特性与静态力学特性相比变化显著,随着温度的升高,静载荷时岩石破坏模式表现为劈裂破坏并伴随着脆性断裂,而动载荷作用时岩石破坏模式表现拉伸破坏;(2) 静、动载荷作用下的峰值强度随着温度的升高而明显降低,且基本呈线性关系,静载荷作用下,平均峰值强度从126.37 MPa降到64.76 MPa,降低幅度为48.8%,动载荷作用时,平均峰值强度从176.3 MPa降到83.1 MPa,降低幅度达到了52.9%;(3) 静、动载荷作用下的峰值应变都随温度的升高而增大。温度引起的热应力和微结构的变化导致砂岩力学性质发生改变,以及不同加载方式引起试样内部孔隙扩展和微裂纹的生成方式不同,导致其抵抗外力变形的能力存在差异。     

砂岩黏性对抗拉强度加载率效应影响的试验研究

利用摆锤冲击加载SHPB试验装置,进行砂岩和人造岩心长杆冲击试验和动态巴西盘试验,测试砂岩和人造岩心的黏性系数,分析砂岩和人造岩心强度的加载率效应。利用试验和数值模拟相结合的方法得到绿砂岩、人造岩心A和B的黏性系数分别为100,10和5 k Pa·s。开展不同黏性岩石的动态巴西盘试验,测得砂岩和人造岩心试样的动态抗拉强度随着加载率的增大而增大,表现出一定的加载率相关性;证明了黏性对岩石强度加载率效应的影响,但两者并非正相关;在较小的加载速率下,岩石黏性导致试样中传播的应力波能量衰减,在巴西盘中心点起裂的裂纹沿加载直径方向扩展但是不足以使试样破坏成两半,从而验证了巴西盘裂纹起裂位置。     

不同应力路径下大理岩破坏过程的声发射特性

 对大理岩试样进行常规三轴和卸围压破坏过程的声发射参数测试,研究加荷和卸荷两种应力路径下大理岩破坏过程的声发射特性差异。结果表明,常规三轴试验中,声发射幅值随着围压的增加逐渐增大,岩样破坏前的声发射累计释放能量呈线性增加,最大振铃计数率和能量计数率不是出现在峰值,而是出现在峰后应力跌落阶段,峰值应力前的屈服阶段和残余强度前各存在一个平静期,振铃计数率的每个突增都与应力降相对应。卸围压试验中,岩样破坏后声发射幅值明显增大,卸荷开始后振铃计数率和能量计数率出现突增,声发射累计释放能量呈非线性迅速增加,根据声发射累计释放能量增速可以将岩样破坏过程分为3个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段和塑性阶段,在大规模声发射出现前期会出现平静期,两者会交替发生。与常规三轴试验相比,卸荷声发射振铃计数率更大,累计释放能量更高,说明大理岩卸荷破坏更加剧烈。