含弧形预制裂隙砂岩力学特征试验研究

天然岩体中富含近似弧形裂隙缺陷,在外荷载作用下弧形裂隙容易萌生新生裂纹,新生裂 纹的扩展容易导致岩石工程的失稳,但针对含弧形预制裂隙岩石力学相关特征还不够全面,基于此 在板状黄砂岩试样内预制了不同 γ 值(弧形高度和直径比值)的弧形裂隙,研究含弧形预制缺陷砂 岩的力学特征。 利用高压水射流切割机在完整板状黄砂岩试样中切割出不同 γ 值弧形裂隙缺陷, 采用 YNS-2000 型电液伺服控制试验系统、DS2 声发射和数字照相采集系统研究了不同弧形裂隙 γ 在单轴压缩作用下对黄砂岩峰值强度、平均模量和割线模量、声发射、破坏过程、起裂形式、起裂 应力和破坏形式的影响规律。 利用复变函数求解在弧形裂隙应力场中所构建的黎曼-希尔伯特问 题,获得尖端应力强度因子表达式。 试验结果表明:① 弧形裂隙缺陷砂岩试样随着 γ 的增大,峰后 试样的承载能力逐渐降低,试样峰值强度、平均模量和割线模量出现总体减小趋势,当 γ = 0.2时峰 值强度最大为 27.09 MPa;当 γ = 1 时峰值强度最小为 18.99 MPa。 ② 预制弧形裂隙 γ 对试样起裂 应力、起裂位置、破裂演化过程、声发射特征和破坏模式均具有重要影响,随着 γ 值的增大,试样起 裂应力呈总体减小趋势,当 γ = 0.8时,试样的平均起裂应力最小,其值为 4.99 MPa;当 γ = 0 时,试 样的平均起裂应力值为 11.08 MPa,平均起裂应力值最大。 ③ 随着 γ 的增大,试样的破坏模式由 拉剪混合破坏向拉伸破坏转变,当 γ = 0 时,试样为拉剪破坏;当 γ 在 0.2~1.0 时,试样为拉伸破 坏。 初始起裂裂纹扩展并不是导致试样最终破坏的原因,次生裂纹的扩展与自由面贯通才是导致 试样整体破坏原因,试样破坏瞬间释放大量弹性能导致岩块折断和表面剥落现象。 通过对含弧形 裂隙裂纹扩展机制探讨推导出应力强度因子表达式,并根据该表达式求出相应应力强度因子值,曲 线拟合后发现其变化趋势与试验值变化趋势基本吻合。 研究仅通过单轴压缩作用研究发现弧形裂 隙 γ 对砂岩力学参数、破裂演化过程和破坏形式影响明显,为了充分研究外界荷载对含弧形裂隙砂 岩的破坏特征,将通过改变加载形式和加载路径深入研究含该类缺陷岩石的力学特征。     

预制交叉裂隙花岗岩强度特征试验

为探究交叉裂隙对岩石强度的影响,通过制备含不同角度主次交叉裂隙的花岗岩试件,对其进行单轴压缩试验。结果表明:主裂隙平行于加载方向时,试件的峰值强度与起裂强度普遍较大且均随裂隙角度增加而呈降低趋势,主裂隙对试件强度的影响非常小,试件的破坏主要受次裂隙控制;主裂隙不平行于加载方向时,试件的峰值强度与起裂强度相对较低,次裂隙的角度变化一定程度上会使岩石试件的强度产生波动,但从主裂隙相同组试件的平均强度上看,其引起的变化很小;主裂隙相同时,随次裂隙角度的变化,峰值强度与起裂强度的变化波动规律大致相同,成正相关关系;主裂隙相同组试件平均的峰值强度与起裂强度均随裂隙角度增加呈降低趋势,同单裂隙试件相对应的峰值强度与起裂强度相接近。     

孔洞-裂隙组合型缺陷砂岩力学特性试验研究

为研究含预制孔洞-裂隙组合型缺陷砂岩的力学特性,在板状砂岩试样内预制了圆孔和裂隙组合型缺陷,通过室内单轴压缩试验,研究了裂隙倾角α和裂隙长度b对砂岩强度特征、变形特征及破裂演化过程的影响规律。试验结果表明:与完整砂岩相比,含组合型缺陷砂岩的承载能力发生明显的劣化,且劣化幅度与预制缺陷几何形态密切相关;随裂隙倾角α的增大,试样的峰值强度、平均模量和割线模量均表现为逐渐减小的趋势;裂隙倾角为45°时,随着裂隙长度b的增大,试样的峰值强度、峰值应变、平均模量和割线模量均逐渐减小;含组合型缺陷砂岩的起裂形式与裂隙倾角α有关,裂隙倾角在0°~60°时,初始破坏均表现为预制裂隙尖端的拉伸裂纹破坏,而裂隙倾角为90°时,试样的初始破坏表现为圆孔孔壁片帮破坏。     

正交型交叉裂隙岩石强度特征与破裂机理试验研究

工程岩体是具有各向异性的非均匀地质体,隧道开挖或服役过程中由于岩体节理、裂隙诱发的片帮、冒顶等事故时有发生,造成严重的人员伤亡和经济损失。天然岩体中裂隙主要以交叉形态分布,为了探究裂隙对岩石力学特性及破裂特征的影响规律,利用线切割设备对岩石试样预制不同分布状态的正交型交叉裂隙,借助声发射和表面应变测量系统对单轴压缩条件下裂纹起裂应力、裂纹扩展路径与应力性质进行计算与分析。研究结果表明,裂隙长度对岩石强度的影响作用较小,裂隙与加载方向的夹角是影响岩石强度的最主要因素。岩石峰值强度与弹性模量均随主裂隙倾角的增大呈先增加后减小的变化规律,当主裂隙倾角α=90°时,岩石试样的力学指标达到最小值;正交型裂隙试样中主裂隙或次裂隙端部更容易产生起裂破坏,起裂位置与预制裂隙倾角息息相关;裂隙岩石的破裂具有显著方向性,正交型裂隙岩石的起裂裂纹主要呈翼型或反翼型,当α<45°时,主裂隙对起裂起到主控作用,次裂隙的存在对裂纹扩展具有导向作用;当α>45°时,起裂裂纹主要位于次裂隙端部,起裂由次裂隙控制。与完整试样相比,裂隙岩石试样整体失稳破坏前产生多次声发射突增现象,即加载过程中产生多次破裂,正交型裂隙试样起裂应力集中于0.22σc~0.34σc,起裂发生在较低应力水平;当岩石中存在与加载方向垂直的裂隙时,岩石的破裂与破坏受此类裂隙的影响最为显著。     

单裂隙砂岩破坏特征和破裂演化规律试验北大核心

针对含不同倾角裂隙的板状砂岩试样开展单轴加载试验,从宏细观角度深入探索裂隙倾角对脆性岩石变形破坏特征、声发射及破裂演化规律的影响效应,揭示其破坏机制。结果表明:裂隙倾角α较小时(0°≤α≤30°),应力-应变曲线呈锯齿状;翼裂纹首先在初始裂隙中部萌生,次生拉伸裂纹扩展贯通导致试样破坏,声发射较为分散,以劈裂破坏为主;随裂隙倾角增加(30°<α<90°),应力跌落次数减少,峰值强度和弹性模量不断升高;翼裂纹起裂位置向初始裂隙尖端转移,起裂强度和起裂强度比逐渐增加,次生裂纹转为剪切裂纹,声发射趋于集中,破坏模式向剪切破坏过渡;裂隙倾角为90°时,应力-应变曲线光滑,初始裂隙起裂前试样瞬间破坏,声发射异常集中,以劈裂破坏为主,与完整试样基本一致。     

侧向压力对裂隙岩体破坏形式及强度特征的影响

为系统地研究侧向压力对裂隙岩体的破坏形式及强度特征的影响,利用RMT-150C电液伺服机及侧向加压设备对含预制裂隙石膏试样进行了双轴压缩试验。试验结果表明:1随着侧向压力的增加,应力-应变曲线延性增强,表现出典型的塑性变形特征。2不同侧向压力条件下,裂隙试样破坏形式主要包括初始裂隙起裂破坏、侧向劈裂破坏和表面剥落破坏3种。3侧向压力与试样抗压强度及弹性模量等强度参数呈现非线性增加关系。进一步通过声发射监测发现,侧向压力也会明显地降低加载初期试样的声发射能量和计数。试验结果与相关文献和工程实践现象具有很好的一致性。     

含水纵向裂隙煤岩破裂特征与演化规律研究

煤岩中的纵向裂隙与含水率对煤岩的力学性质和破裂特征具有显著影响。对含水纵向裂隙煤岩进行了单轴压缩试验并监测声发射事件。分析了含水状态下纵向裂隙对煤岩峰值应力、峰值应变、弹性模量以及破坏模式的影响,并探讨了含水率与煤岩力学特性之间的关系。研究揭示了完整煤岩与纵向裂隙煤岩在破坏模式上的显著差异：完整煤岩倾向于发生自持性破坏,而纵向裂隙煤岩的破坏表现为非自持性破坏,并且峰值强度较完整煤岩下降约20%。此外,纵向裂隙煤岩在加载过程中,当加载时间达到48.5%～62.6%时,声发射事件会在煤岩的破坏中心区域发生聚团现象。研究还发现,含水率与浸水时间之间的关系为ω_a=0.82lnt+0.31,峰值强度与含水率之间的关系为σ=19.77-3.11ω_a。这些试验结果不仅对煤岩破坏模式、破坏范围和破坏强度的定性描述提供了依据,还对探究煤岩的变形破坏机制和地下工程的稳定性分析具有重要的参考价值。     

双孔膨胀致裂坚硬岩体裂隙扩展演化试验研究

以控制深部坚硬顶板为切入点,通过地质普查、膨胀剂参数试验、RFPA计算等方法,利用声发射(AE)、微震实时动态监测等手段,开展双孔膨胀致裂坚硬岩体裂隙扩展演化的试验研究。研究表明:水灰比为1∶3的膨胀剂产生的膨胀力远大于岩石的抗拉强度;双孔膨胀致裂的岩块沿双孔连线的水平位置断裂,产生的微震事件多集中在岩体中心位置;膨胀压力达到7.8 MPa时岩体开始破裂,钻孔附近出现的无应力区扩大且向中心靠拢,随裂隙贯通形成空腔;致裂至第9 h的事件数及能量级最大;随隙贯通,声发射信号在钻孔内部形成叠加,呈现"两端小中间大"的"一"字长条结构。     

裂隙长度对大尺寸岩样裂隙演化及破裂的影响特征

岩体裂隙长度对工程岩体的承载能力及隔水性能影响显著,通过对不同裂隙长度的岩样开展单、双裂隙加载实验,探究了不同预制裂隙长度对大尺寸岩体裂隙扩展的影响规律。研究表明：在岩样裂隙长度逐步增加的过程中,裂隙扩展速度不断加快,与此同时,岩样的承载能力不断减弱;次生共面裂隙的产生是大尺寸岩样突然破坏的前兆。     

注浆充填裂隙砂岩试样力学特性试验研究

为研究注浆材料对裂隙岩体力学特性的影响,通过在真实砂岩试件中预制裂隙,分别用22.5级和42.5级复合硅酸盐水泥充填并进行单轴压缩试验,研究有无充填及不同充填材料强度对裂隙岩石试样强度和破坏模式的影响,并利用RFPA2D有限元软件进行数值模拟分析。     

浸水时间对饱水岩石损伤破坏过程中声发射特征影响的试验

为研究不同浸水时间饱水岩石损伤破坏过程中的力学特性和声发射特征,对天然及不同浸水时间的饱水闪长岩进行单轴压缩力学试验和声发射试验,研究单轴应力状态下其力学特性和声发射特征,结合累积声发射数与损伤变量一致的观点,建立了基于浸水时间的饱水岩石声发射损伤模型。结果表明:饱水岩石的单轴抗压强度和弹性模量随浸水时间的增加呈指数的变化规律逐渐减小,浸水60 d后其值均趋于稳定;在加载的各个阶段不同浸水时间的饱水岩样均有声发射事件产生,声发射事件率与岩样的应力-应变关系趋势均具有较好的一致性;声发射累积数的变化规律与岩样内部损伤演化规律具有一致性。     

采空区覆岩介质局部化变形特征

基于声发射(Aoustic Eission,AE)的物理相似模拟实验,对采空区覆岩局部化损伤、变形及演化特征进行了分析.在不同的开采扰动下,采空区围岩介质受扰动剧烈程度不同,其初始损伤与破裂AE密集程度也不同,其特征参数大事件、总事件和能率随时间-空间演化呈波动趋势,并存在一定的统计关系;同时定义了损伤程度百分比,并将其分为4个阶段进行了分析,尤其是在Stage-4阶段,损伤程度百分比最大值达到83.3%,表明围岩损伤剧烈.     

煤体变形破裂电磁辐射的初步实验研究

实验研究了含瓦斯煤体变形破裂时产生的电磁辐射现象 ,并考察了电磁辐射与声发射的关系。结果表明 ,含瓦斯煤体在受载破坏时能够产生电磁辐射 ,电磁辐射与声发射并非严格同步 ;电磁辐射信号随着载荷的增大而增强 ,随着载荷的降低而减弱 ,在煤体受载的全过程基本上都出现 ,这一实验结果可为煤与瓦斯突出预报提供理论依据     

煤的直接拉伸力学特性及声发射特征试验研究

为探究直接拉伸荷载作用下煤岩力学特性和损伤演化特征,使用MTS815岩石力学测试系统及PCI-Ⅱ声发射测试系统,对原煤试件进行单轴直接拉伸和实时声发射测试,分析了煤的直接拉伸力学特性及声发射特征,建立了基于声发射的损伤模型。试验结果表明：因煤体孔隙裂纹分布差异,抗拉强度离散性明显,试件平均抗拉强度为0.66 MPa;随拉伸荷载持续作用,煤体损伤累积,试件峰后承载能力逐步下降,但仍保持一定的抗拉承载能力。煤体声发射事件在峰值应力区附近沿破坏面急剧增加和汇合,预示了宏观裂纹面的形成和煤体破坏的发生;峰后试件振铃计数率和声发射能率阶段性反复升降,试件破坏进程逐步推进;声发射测试可良好展示煤体直接拉伸荷载条件下损伤出现、发展和导致破坏的完整演化过程。     

单轴压缩条件下砂岩的声发射特征研究

通过对砂岩进行单轴加载声发射试验,获取岩石破裂过程的应力-应变曲线和相关声发射参数,综合分析了累计事件数、事件率、能率、声发射率之间随时间的变化规律。试验表明在加载初期小裂隙密集发育,后期以大裂隙发育为主。事件率和累计事件数没有明显前兆信息,声发射率和能率有明显的异常前兆。声发射定位表明裂隙发育由端部向中部转变,且无\"空白区\"阶段。声发射前兆信号为该类工程岩体的稳定性评价提供重要的理论依据。     

煤岩破裂声发射实验研究及R／S统计分析

对受载煤体破裂过程中的声发射（ＡＥ）信号进行了测定和分析．研究结果表明,受载煤岩体的变形破裂及声发射信号并不连续,而是阵发性的．声发射信号符合赫斯特（ＲＳ）统计规律．在受载煤岩体的破裂过程中,声发射信号基本呈现逐渐增强趋势,这对于预测预报煤岩灾害动力现象有重要的意义．     

不同加载速率下胶结充填体声发射及裂纹演化特征

为探究加载速率v对胶结充填体裂纹演化机制的动态调控规律,开展了v=0.002,0.004,0.008,0.010 mm/s下的单轴压缩同步声发射试验。通过分析声发射振铃计数、平均频率（AF）、上升时间−幅值比（RA）及r值（RA/AF）的时变特征,并结合高斯混合模型（GMM）与移动平均滤波算法对RA-AF数据集进行无监督聚类,以识别裂纹类型及其演化规律。研究结果表明：① 峰值应力（σ_f）附近,充填体的声发射振铃计数呈现区间震荡现象,随着v增大,充填体的弹性变形及塑性屈服阶段的振铃计数波动率减小;② v从0.002增至0.010 mm/s时,AF分布集中范围随速率增加由0～150 kHz压缩至0～100 kHz,RA分布集中范围由0～5 ms/V扩展至0～10 ms/V,且高RA信号集中于AF<80 kHz窄带;③ v增大对峰后破坏模式具有显著影响,剪切裂纹比例由19.11%（v=0.002 mm/s）跃升至64.23%（v=0.010 mm/s）,表明v增大会驱动破坏机制从拉伸破坏主导向拉伸−剪切复合型破坏转化;④ 以加载应力阶段为界限,GMM聚类分析可将充填体的裂纹演化分为拉伸裂纹主导（0～20%σ_f）、拉伸−剪切裂纹转化（20%σ_f～80%σ_f）、剪切裂纹快速增长（80%σ_f ～100%σ_f）和剪切−拉伸裂纹共同主导（峰后破坏）4个阶段,其中剪切裂纹在80%σ_f ～100%σ_f处的快速增长是充填体局部失稳破坏的前兆特征。研究可为充填体的稳定性分析与破坏预测提供理论支持。     

三轴压缩煤岩破裂过程中声发射时空演化规律

利用MTS815岩石力学实验系统,开展不同围压(3.2、9.6、16.0、22.4 MPa)下煤岩的三轴压缩声发射定位实验,研究煤岩破裂过程中AE(Acoustic Emission)时序特征、能量释放与空间演化规律。实验发现:静水围压阶段,AE信号主要产生于中前期,声发射源主要是裂隙的压密、摩擦与滑移,其强弱与试件的原生裂隙、孔隙的发育程度密切相关;施加轴压阶段,煤岩声发射时空演化过程与应力应变曲线具有良好的对应关系,在产生初始损伤、屈服及破坏时,AE特征均会产生明显的突变。AE时序参数、能量释放与定位信息的综合分析表明,煤岩破坏前兆点的应力强度百分比为92%～98%,均处于屈服点后的不稳定裂纹扩展阶段。同时,实验揭示了煤岩破裂过程中声发射的围压效应,并发现AE时空定位演化较好地对应了破裂事件从单一到复杂、从无序到有序的演化过程。