岩体节理裂隙对爆破应力波阻隔作用的试验研究

人们对岩体进行爆破作业时，爆破应力波的传播速度，能量的衰减，爆破效果和爆破影响范围等等，都与岩体节理裂隙的产状、分布、发育程度、充填与否，以及充填物的性质等因素有关。该文通过理论分析，并结合试验结果，探讨了岩体节理裂隙对爆破应力波的阻隔效应。     

裂隙岩体的渗流特性研究

砂及土体的渗流特性可由达西定律得到很好的描述。但对于岩体,因其内部裂隙的交叉贯穿分布致使岩体的渗生复杂化。Ｄｉｅｎｅｓ提出的裂隙统计成功地解释了岩体中发生的渗流现象。笔者在此基础上建立起一个新的渗流模型,着重考虑了３个因素,即：流体通过第五裂湎的平均流量;单位体积内裂隙的数密度裂隙贯通程度（比例）。根据随机理论与流体通过单一裂隙的水动力学理论,获得了渗透率的积分表达式,其形式与各向异性介质中的达西     

砂岩单轴循环加卸载试验及声发射特征研究

通过对砂岩进行循环加载试验,揭示了砂岩在循环加卸载过程中的强度变化及声发射特性。试验利用电液伺服岩石三轴试验机和SDAES数字声发射检测仪采集系统,对两组砂岩试样分别进行单轴抗压、单轴循环加卸载试验。试验结果表明岩样在经过循环加卸载后试样的单轴抗压强度略有增大,循环加卸载过程中在伴随着岩样内部原始天然裂隙的压密、新生裂纹的产生、扩展和贯通的同时,也伴随着声发射不断产生。声发射事件在砂岩再次加载应力到达上次加载最大应力前极少发生,达到上次加载最大应力以后则大量发生,说明砂岩岩样在循环加卸在作用下存在声发射的Kaiser效应,而无Felicity效应产生。     

温度影响下花岗岩宏、细观力学性质演化规律

在地下工程中,温度变化对岩体力学性质有着极大的影响,而宏观力学性质与细观微裂隙发育损伤密不可分。为探究在温度循环条件下岩石细观损伤机理与宏观力学性质之间的关系,对花岗岩进行不同温度下的高温水冷循环试验,并采用低场核磁系统进行细观孔隙参数检测,同时开展了单轴抗压强度试验。结果表明：（1）温度的上升和循环次数的增加均会导致花岗岩弹性模量和单轴抗压强度力学性质的降低,400℃是花岗岩性质变化的临界点;（2）核磁检测可以获取试件的孔隙分布参数,由该参数及试件宏观性质变化可以得出,200～600℃时温度循环所引起的细观损伤规律有明显差异;（3）花岗岩损伤值随着温度的升高而升高,但温度循环引起的多次损伤随温度的升高呈现出先增加后减小的趋势。微裂隙尺度、含量与试件单轴强度、应变的相关性分别为-0.943和0.935。     

基于离散元法的金属粉末压制加载速度对压力分布影响

基于离散元原理,采用三维离散元软件PFC3D模拟冲头加载过程,研究以不同冲头速度撞击金属粉末颗粒所产生的透射波以及对侧壁的压力分布。结果表明,对于离散性介质,冲击加载下的应力波传播不单受到颗粒材质波阻抗的影响,还受到颗粒运动和力链形成的很大影响。通过对比不同冲击加载速度下阴模底部的受力,发现随着冲击速度的提高,透射波的峰值成线性增长;通过均分阴模侧壁的方式得到侧壁不同位置所受的侧压力峰值,发现侧壁所受压力呈波谷式分布,从而分析得到颗粒间力链的传播和分布规律。     

频繁生产爆破加载下饱水岩体累积损伤效应声波测试研究

随着矿山生产爆破的持续进行,爆破对工程岩体造成的损伤存在一个不断累积的过程,当累积超过其承受极限时,将造成边坡滑坡等失稳破坏。采用现场声波测试方法,以声波波速变化表征岩体损伤度,结合LS-DYNA动力有限元数值建模,对矿山频繁爆破加载下饱水岩体累积损伤特性进行试验研究。结果表明：频繁爆破加载作用下,节理裂隙较发育的工程岩体受到的损伤存在不断积累的过程。由于岩体的饱水状态,前期的爆破次序中岩体出现损伤的现象极少。随着爆破的持续,岩体出现损伤破坏的现象逐渐增多,且大多为损伤度的突变剧增;饱水岩体表征的损伤阈值应小于0.19,实际发生损伤的现象应比测试结果更多;工程岩体受到频繁爆破加载作用下的累积损伤主要表现为原生裂隙的持续扩张及相互贯通,且岩体裂隙在含水情况下更容易发生破坏贯通。     

跨孔弹性波CT在地质工程勘察中的应用

由于传统地质工程勘察方法在实际应用中具有较大的残差,为此提出跨孔弹性波CT在地质工程勘察中的应用。利用跨孔弹性波CT对地质工程勘察区域进行三维空间探测,获取到地质工程岩体信息,在此基础上将地质三维空间探测数据导入到网格模型中,对数据进行网格化处理和分析,形成地质工程三维空间模型图,了解到地质工程岩体空间分布情况和发育情况,以此完成地质工程勘察。经实验证明,基于跨孔弹性波CT的地质工程勘察方法勘察结果残差值小于传统方法,更适用于地质工程勘察。     

含预制裂隙类岩石裂隙演化与破裂特征的试验研究

裂隙岩体是自然界中普遍存在的工程岩体,在外力作用下易引起岩体结构破坏失稳而诱发工程故事。为此,基于相似理论制作了含十字交叉裂隙的类岩石试样,利用RMT-150B岩石力学试验机,对含有不同裂隙长度和裂隙倾角的类岩石试样进行单轴压缩试验,分析其裂隙演化规律和破裂特征。研究结果表明:含预制裂隙试样的抗压强度明显低于完整试块;当主裂隙长度一定时,裂隙岩样的峰值应力随次裂隙长度的增大而降低;当裂隙倾角为0°和60°时,裂隙岩样表现为拉伸型翼形裂纹的破坏形式;当裂隙倾角为30°和45°时,裂隙岩样表现为拉剪混合型裂纹的破坏形式,既有翼形裂纹,又有次生共面裂纹。     

复杂应力路径下裂隙泥岩渗透演化规律试验研究

油气主要储集在岩石孔隙和缝洞内,深部复杂应力环境下储层岩石裂隙渗透演化直接影响油气的运移规律,是油气勘探开发的重要研究对象。为了解复杂应力路径下含裂隙岩石的渗透演化特性,利用高精度渗流?应力耦合三轴实验设备,对含随机分布裂隙泥岩开展了单试样?复杂应力路径加卸载过程中的渗透性演化试验研究,试验方案依次为:(i) 围压递增条件下渗透性测试;(ii) 渗透压力递增条件下渗透性测试;(iii) 偏应力循环加卸载条件下渗透性测试;(iv) 围压、偏应力同步增长条件下渗透性测试。结果表明裂隙泥岩中的渗流可视为低渗流速度的层流;裂隙发育丰富岩样（R2）渗透率及应力敏感性明显较高。渗透率随渗透压力、围压分别呈正、负的指数函数变化。偏应力加载导致渗透率降低,卸载引起渗透率上升,但整体呈不可逆降低;围压、偏应力同步增长引起渗透率呈下降趋势,并逐步趋于稳定;围压10.3 MPa作用下,渗透率基本保持恒定。由此,基于裂隙双重介质模型,考虑泥岩变形过程中裂隙系统和基质系统的相互作用以及外部应力作用下的裂隙膨胀变形,构建了裂隙泥岩渗透率演化力学模型;模型模拟结果与试验结果具有较好的一致性。相关成果可为裂隙泥岩渗透性演化预测和油气高效开采提供重要的理论依据。      

单轴循环加卸载条件下大理岩力学以及声发射特征研究

利用TAW-2000D电液伺服试验机以及SDAES数字声发射检测仪对大理岩进行两种不同应力路径的单轴循环加卸载,研究了不同应力条件下试件的抗压强度、变形、声发射特征以及加卸载响应比的变化情况。研究结果表明:相比单轴压缩条件,恒下限和恒差值加卸载作用均能对岩样的抗压强度有一定的强化作用,强化增幅分别为18.5%和31.4%;恒差值加卸载下岩样的变形以弹性变形为主,而恒下限加卸载下岩样的变形存在较大部分塑性变形,且随着循环次数的增多其塑性变形越来越大;恒下限加卸载下岩样内部裂隙的发育程度相比恒差值加卸载要更高;加卸载响应比的异常变化可以作为岩石即将失稳的判据,且相比恒下限,恒差值加卸载条件下由加载过程主导的损伤阶段更早,在破坏前LUUR的变化更加剧烈。     

等效岩体三维随机节理网络模型构建及其在两河口水电站中的应用

节理的存在对水电高陡岩质边坡的力学性质有重要影响,如何构建反映三维节理分布特征的等效岩体计算模型,是分析与评价岩体力学特性的关键。本文基于损伤力学和统计强度理论,在三维岩石破裂过程分析（RFPA3D）软件的基础上,提出了一种计算等效岩体三维随机节理网络模型的新方法。首先,基于Baecher模型和Monte-Carlo方法,在RFPA3D软件中实现了三维随机离散节理网络（Discrete fracture network,DFN）模型的重构。然后,利用RFPA3D软件内嵌DFN模型,赋予节理和岩石不同的力学参数,构建了工程尺度等效岩体三维随机节理网络模型,实现了三维随机节理岩体破裂过程、变形和强度等力学性质的分析。最后,以两河口水电站左岸边坡坝址区下游节理岩体为研究对象,验证了三维随机DFN模型的准确性,开展了研究区内节理岩体尺寸效应研究,并获得了研究区内岩体的表征单元体（Representative elementary volume,REV）和等效力学参数。该研究成果为等效岩体力学行为分析提供一种新方法。      

基于L型回弹仪的岩石力学特性试验研究

通过开展岩石静力学试验获取岩石力学参数对于优化露天台阶爆破方案和改善爆破效果具有重要意义。以国内某露天铜矿矿岩为研究对象,使用冲击动能为0.735 Nm的HM-82L型回弹仪对岩体的力学特性开展原位试验研究。此外,在现场钻取岩芯制备标准试样,使用SET-PLT-02型声波测试仪进行波速测试,并基于MTS-322液压伺服力学试验机开展系列力学试验。现场回弹试验结果表明：矿区南端斑岩的回弹值大于北端矽卡岩的回弹值,且回弹值随岩体风化程度的增大而逐渐减小;室内物理力学试验结果表明岩体波速、单轴抗压强度、弹模与回弹值之间的变化规律基本一致,拟合曲线表明波速、单轴抗压强度与回弹值之间呈线性正相关关系,而弹模与回弹值之间呈指数相关关系,拟合相关系数说明利用回弹值估测岩体波速和基本力学参数是可靠的。研究成果为快速可靠地获取该露天铜矿矿区岩体的基本物理力学指标提供了可靠的技术途径。     

循环扰动荷载作用下花岗岩中裂隙萌生扩展过程的颗粒流模拟

从细观角度、采用颗粒离散元法开展了预制裂隙花岗岩循环加卸载的数值模拟试验。首先,使用图像处理技术识别花岗岩中的不同细观组分、结合室内单轴压缩试验结果对细观力学参数进行了标定。然后,通过编制颗粒流代码追踪裂隙的类型和扩展过程,分析岩石破坏过程中裂隙发展的阶段性特征。结果表明:不同倾角裂隙岩石的新生裂隙走向与预制裂隙贯通方向基本一致;根据新生裂隙的优势倾向分组得到裂隙起裂角与预制裂隙倾角的关系:倾角β≤45°时剪切和张拉裂隙的起裂角单调递减,倾角β≥60°时剪切和张拉裂隙的起裂角单调递增;循环扰动荷载增加了裂隙岩体的轴向变形,轴向累积残余应变曲线呈反S形、提高扰动荷载应力上限促使曲线进入加速阶段;试件峰值强度随裂隙倾角增大表现出先减小后增大的趋势,峰值强度为实验室完整岩石单轴抗压强度的63% ~ 89%,反映了较为明显的劣化现象;在循环荷载作用下,剪切裂隙和张拉裂隙增长曲线表现出明显的变化特点,在裂隙不稳定扩展阶段中张拉裂隙数目增长速率显著大于剪切裂隙,对分析岩石变形破坏过程具有一定的参考意义。      

Normal Transmission of S-Wave Across Parallel Fractures with Coulomb Slip Behavior

When an elastic wave propagates through a rock mass, its amplitude is attenuated and velocity is slowed due to the presence of fractures. During wave propagation, if the shear stress at a fracture interface reaches the fracture shear strength, the fracture will experience a large shear displacement. This paper presents a study of the normal transmission of S-waves across parallel fractures with Coulomb slip behavior. In our theoretical formulation, the method of characteristics combined with the Coulomb slip model is used to develop a set of recurrence equations with respect to particle velocities and shear stress. These equations are then solved numerically. In a comparison with the theoretical study, numerical modeling using the universal distinct element code (UDEC) has been conducted. A general agreement between UDEC modeling and theoretical analysis is achieved. The magnitude of the transmission coefficient is calculated as a function of shear stress ratio, nondimensional fracture spacing, normalized shear stiffness, and number of fractures. The study shows that the shear stress ratio is the most important factor influencing wave transmission, and the influence of other factors becomes more apparent when the shear stress ratio is small.     

不同张开度裂隙类岩体循环加卸载下滞回环特征与损伤变形分析

为探究张开度和不同应力等级循环加卸载复合影响下裂隙岩体的损伤特性和裂纹演化规律,利用水泥砂浆制备不同张开度单裂隙类岩石材料,基于RMT-150B岩石力学试验机对类岩石材料开展了3种等级的应力循环加载试验,分析了裂隙类岩石材料的应力—应变曲线特征、滞回环面积变化规律、动弹性模量变化规律及损伤特性.试验结果表明:类岩石材料...     

冲击荷载下岩石裂纹扩展研究进展

为了给深部资源开采和大型地下空间工程中围岩体的变形机理及稳定性控制提供理论基础,通过查阅大量关于表征岩石裂纹扩展的裂纹扩展模型、应力强度因子和断裂韧性的国内外文献,总结了前人的研究成果。依据现有研究,提出了动荷载作用下岩石裂纹扩展的几点建议：（1）综合考虑弹性力学、断裂力学和损伤力学建立岩石材料从微观断裂到宏观破坏这一演变过程的理论模型,使理论模型更加适应岩石材料的非线性特征;（2）采用分形、自组织和混沌等非线性理论表征动荷载作用下岩石内部以及表面裂纹的扩展演化特征;（3）采用颗粒离散元和有限差分模拟岩石材料裂纹扩展演化特征。     

Fatigue and fracture behavior of bulk metallic glass

Tensile, compressive, cyclic tension-tension, and cyclic compression-compression tests at room temperature were systematically applied to a Zr_52.5Cu_17.9Al₁₀Ni_14.6Ti₅ bulk metallic glass for comprehensive understanding of its damage and fracture mechanisms. Under tensile loading, the metallic glass only displays elastic deformation followed by brittle shear fracture. Under compressive loading, after elastic deformation, obvious plasticity (0.5 to 0.8 pct) can be observed before the final shear fracture. The fracture strength under compression is slightly higher than that under tension. The shear fracture under compression and tension does not occur along the maximum shear stress plane. This indicates that the fracture behavior of the metallic glass does not follow the Tresca criterion. The fracture surfaces show remarkably different features, i.e., a uniform vein structure (compressive fracture) and round cores coexisting with the radiating veins (tensile fracture). Under cyclic tension-tension loading, fatigue cracks are first initiated along localized shear bands on the specimen surface, then propagated along a plane basically perpendicular to the stress axis. A surface damage layer exists under cyclic compression-compression loading. However, the final failure also exhibits a pure shear fracture feature as under uniaxial compression. The cyclic compression-compression fatigue life of the metallic glass is about a factor of 10 higher than the cyclic tension-tension fatigue life at the same stress ratio. Based on these results, the damage and fracture mechanisms of the metallic glass induced by uniaxial and cyclic loading are elucidated.