基于矩张量P-T图的岩石单轴压缩破裂机理研究

为揭示岩石单轴压缩试样的破裂机理,利用颗粒流理论(PFC)模拟岩石裂纹孕育、发展和贯通过程中产生的大量声发射数据,基于矩张量理论和P-T图法研究了岩石破裂各阶段中声发射事件的空间位置、矩震级、破裂类型、破裂方位、应力状态等破裂参数及其演变规律.结果表明:岩石破裂方位受试样形状和加载方向影响,主压应力分量主要位于加载方向附近±45°范围内,主张应力分量主要垂直于临空面,张拉破裂类型占主要成分.在微裂隙萌生和扩展阶段,声发射破裂类型主要为张拉破裂,其数量较少,能量较低;在应力峰值前后,岩石破裂向其他方位不断扩展,剪切破裂和混合破裂类型的声发射事件增多;单个剪切破裂比单个张拉破裂所释放的能量高.     

高温后岩石变形破坏过程的能量分析

从非平衡热力学角度出发,结合岩石在不同高温作用后的单轴压缩和声发射试验,详细阐述了岩石变形破坏过程中的声发射特点,分析了经历不同高温后岩石强度与能量耗散和能量释放之间的关系。研究结果表明高温作用后花岗岩声发射曲线大致经历了以下6个阶段:初始沉寂段、上升段、前峰值段、高幅持续段、后峰值段、后期沉寂段。声发射曲线较好地反映了岩石在整个破坏过程中由稳定态向亚稳定态、临界态、失稳破坏直至新的稳定态的发展过程。岩石峰值强度与耗散能呈反比关系,与弹性能呈正比关系,能量耗散使材料发生劣化,强度降低。声发射能率与弹性能呈正比关系,与耗散能呈反比关系,弹性能突然释放引起岩石的失稳破坏。岩石的破坏是能量耗散与能量释放共同作用的结果。研究结果有助于研究高温后受外载岩石微缺陷的演化并最终破裂的过程,对高温后岩体工程起到一定的参考作用。     

单轴压缩条件下不同裂纹制作方式的裂纹破坏分析及其声发射特征研究

采用类岩石材料研究了不同裂纹制作条件下张拉裂纹的破裂过程, 并利用声发射测试技术分析了试样在破坏过程中裂纹的萌生、起裂、扩展和破裂全过程的声发射特征。试验结果表明, 不同制作条件下裂纹扩张呈现不同的破坏方式,有不同的起裂强度和抗压强度,而且在hits t时间曲线上存在差别;声发射hits t时间曲线呈现与应力时间曲线同步性的特点,并且曲线自身突变性反映了裂纹扩展中能量释放的突发性,两者的符合性较好。     

单轴压缩荷载下含黏结面花岗岩能量演化研究

为探究能量演化在含黏结面不完整岩石受载过程中的规律,选取带有矿物质黏结斜面的花岗岩进行单轴循环加卸载压缩试验,同时在试验过程中进行声发射检测.得到以下结论:"有效能比"(累积弹性能/输入岩石的总能)可以作为岩石储能水平的表征,也可间接反映岩石内部结构随应力状态的改变;从整个加载过程来看,黏结面部位破坏的声发射释能短促、强烈,峰值强度时声发射持续时间较长,但声发射释能率相比黏结面破坏时较低;应力水平较低时,卸载过程中一般不会有声发射现象或声发射现象基本可以忽略,但当应力水平达到一定值时,即花岗岩积聚的弹性能超过了黏结面部位破坏的耗散能时,花岗岩在卸载时会发生短促、强烈的脆性破坏;由于声发射能量属于耗散能的一部分,定义"声发射检测效率"(声发射累积能量/累积耗散能),对于本次试验对象而言,"声发射检测效率"在压密阶段降低,弹性阶段升高,黏结面局部破坏时达到峰值,之后直至峰值强度该值呈现持续降低趋势;从能量角度分析,卸载破裂所对应的应力水平低于加载强度,但不应低于与峰值强度时耗散能大小相等的弹性能所对应的应力水平.     

基于虚内键模型的非均质岩石声发射数值模拟

在虚内键模型理论引入非均质性,材料的非均匀性使得材料在破裂发生前后表现出不完全相同的模式,在材料的局部区域显示出不同的变形和破裂特征。从声发射的空间序列和时间序列进行研究,结果表明,在空间序列中,当非均质性较小时,损伤单元的分布比较分散,而当非均质性较大时,损伤单元的分布则相对集中。在时间序列中,非均质性对声发射事件数与时间的关系影响不是很大,从加载初始到结束都存在声发射事件,但是当非均质性较大时,集中部分的声发射事件数比较大。     

脆性岩石真三轴能量强度准则研究

基于岩石材料拉压强度不等和中间主应力对强度影响特点,从可释放弹性能角度出发推导和建立了可考虑中间主应力对岩石破坏弹性能释放影响的真三轴能量强度准则,利用厚壁圆筒试验数据和已有文献真三轴试验数据以及从能量准则参数物理含义三方面分析验证了所建真三轴能量强度准则的合理性及可靠性.结果表明,所建真三轴能量准则能适应于厚壁圆筒及真三轴压力试验的多种复杂应力状态;花岗岩、石灰岩中间主应力影响大于红砂岩、中细砂岩;对同种岩石来说,岩石中间主应力影响系数随应力状态不同而不同,总体变化趋势随中间主应力增加而先增大后减小;岩石能量强度准则与岩石应力状态和材料物理性质密切相关.     

循环加卸载下花岗岩破裂过程及能量演化研究

使用MTS815实验机对北山花岗岩进行了循环加卸载实验.基于实验结果,探讨了循环加卸载条件下北山花岗岩声发射特征,研究了北山花岗岩破裂过程中能量演化特征.结果表明:1)峰值应力前循环,卸载阶段弹性模量略大于加载阶段弹性模量.2)根据声发射变化特征可以很好地判定岩石所处的应力状态和损伤程度,并在一定程度上证明了岩石材料的Kaiser效应.3)峰值应力前,能量演化主要表现为以弹性能为主的聚集和释放;在峰值应力时耗散能迅速增多导致岩石内部结构发生根本性的变化,耗散能在峰后阶段所占比重持续增加导致岩石进入加速破坏阶段.4)峰值应力前,围压对弹性能和耗散能的影响很小;但弹性储能极限和岩石破坏所需的耗散能随围压的升高线性增大.     

受载岩石与混凝土声发射特性对比实验研究

通过室内加载岩石和混凝土的实验方法,测试了两类不同性质的岩石以及混凝土的破裂全过程的力学特征及其声发射特性,得到了岩石和混凝土破坏全过程力学特性曲线、声发射事件累积数、声发射事件率等相关曲线及参数,研究了声发射事件数、事件率、应力水平与时间参数之间的关系.通过对比岩石和混凝土声发射特性,指出了岩石声发射特性与混凝土声发射特性的相似与不同之处,以及两类不同性质岩石本身声发射特性的区别.研究着重讨论了一次性加载过程中混凝土与塑性阶段明显的岩石在加载接近峰值强度时都出现明显的"耗时"现象,指出存在这种现象的试样在此阶段声发射事件率出现明显下降,出现声发射相对平静,而对于塑性阶段不明显岩石来说,这一阶段则基本不存在明显的"耗时"现象,声发射的监测中也没有相对平静现象.此外,还对时间参数在声发射监测研究中的重要性进行了总结和分析,指出常规室内岩石力学研究中可以忽略的时间参数在声发射研究中应该被足够地重视.     

不同速率下单双钎头破岩声发射数值分析

选用脆性花岗岩为研究对象,利用岩石破裂过程分析软件RFPA2D,分别对其进行单、双钎头在不同加载速率下的数值模拟试验,得到RFPA2D应力图及相对应同一加载步下的声发射图。结果表明:较单钎头相比,岩石在双钎头协同作用下将会形成应力叠加,且钎头下面的裂纹会对相邻裂纹产生影响,裂纹尖端会产生应力集中,试件破坏释放出的声发射能量和声发射计数更大;随着加载速率的增大,试件释放的声发射总能量增大,且所得竖向载荷增大。     

单轴压缩条件下花岗岩声发射事件空间分布的分维特征研究

基于声发射事件空间分布的柱覆盖分形模型,利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统和PCI-2声发射（AE）三维定位实时监测系统,对瀑布沟水电站地下厂房花岗岩单轴压缩损伤破坏过程中声发射事件空间分布的分形特征进行了研究。结果表明,声发射事件随应力增加逐渐活跃,加载初期声发射数量较少,应力接近峰值强度时,声发射事件累计数曲线呈指数上升。声发射事件的空间分布随应力增加是一个降维过程,其空间分维D在3~2内变化,峰值强度时,其值最小。弹性阶段后期,岩石内部微破裂开始向破坏面集聚,声发射空间分维D下降幅度明显增大。声发射空间分维恰当地表征了声发射事件空间分布的复杂程度。研究结论揭示了岩石声发射事件空间分布的分形特征,室内试验结果与文献对岩爆研究结果相吻合,可为现场监测应用提供理论指导。     

大理岩破坏起裂应力及断裂能特征试验研究

根据大理岩常规三轴试验数据,探讨不同围压下大理岩破坏的起裂应力和起裂断裂能变化规律.大理岩起裂应力位于峰值应力的53％～76％之间,随围压升高向峰值强度逐渐逼近.起裂断裂能与围压、峰值强度呈正线性关系.起裂应力对应的声发射能量计数率出现突跳,起裂点之后声发射能量计数率和累计释放能量增加速度明显变快,理论计算求得的起裂点和声发射监测数据吻合较好.大理岩常规三轴破坏符合Mogi-Coulomb强度准则.     

裂纹扩展过程红外热像实验及数值模拟研究

采用花岗岩材料通过红外热像和数值实验的方法,对两预制裂纹导致的岩石中新裂纹孕育、繁衍、萌生、扩展和贯通机制,以及由此引起的试样宏观强度变化等进行分析.通过红外热像遥感观测方法以及数值模拟对7块预制双裂纹的试样进行了实验研究.结果表明,裂纹扩展过程中,脆性破裂的声发射前兆不明显,在主破裂发生之前有小规模声发射现象,但释放的能量不多,只有在主破裂发生时产生大量声发射,特别是岩爆类型的破坏.试样破裂过程中有红外异常现象,在破裂处会出现明显的高温区和高温条带,并指出斑状花岗岩在破裂前主要表现为高温前兆.     

单轴压缩下不同含水状态砂岩损伤演化试验

为了研究不同含水状态岩石损伤演化特性,利用RMT-150C岩石力学试验机、AEwin-USB型声发射信号采集系统和KBD5电磁辐射采集系统,对干燥、自然和饱水状态下的红砂岩进行单轴压缩声电信号监测试验.基于岩石破坏过程中声发射振铃计数、电磁辐射脉冲数和应力变化,建立了砂岩损伤演化模型.结果表明:声发射、电磁辐射信号和损...     

二维十次对称压电准晶含Griffith裂纹的平面问题

利用Stroh公式结合半逆解法,得到裂纹尖端附近的场解和场强度因子解,并利用权函数方法求解裂纹尖端的能量释放率.结合算例,探讨不同集中载荷作用下场强度因子和能量释放率的变化规律,并分析无限远处均匀载荷作用时裂尖附近的应力和位移,与椭圆孔以及相应的退化结果对比验证.结果表明,在裂尖附近作用集中载荷,对力强度因子以及电位移强度因子有显著影响,能量释放率是电场、声子场、相位子场、声子场-相位子场耦合效应以及电场-声子场耦合效应共同作用的结果,且应力强度因子、电位移强度因子和能量释放率共同表征了裂纹扩展过程中的应力集中以及扩展的大致方向.     

花岗岩卸荷破坏全过程声发射特征试验

利用MTS815混凝土与岩石力学试验系统和PCI-2三维定位实时监测系统对花岗岩卸荷破坏进行了声发射试验,得到了其卸荷破坏全过程变形特性和声发射特征,探讨了应力与应变、声发射数与应力、声发射率与应力、声发射数与时间以及声发射率与时间之间的关系.研究表明,岩石在卸荷方式下的破坏大多表现为脆性破坏,而且围压越大,脆性破坏特征越明显;对于1-1试件,破坏前在应力大于310MPa左右或在时间大于300s左右的范围内声发射数、声发射率开始出现激增现象,表明进入该阶段岩石内部破裂开始加速发育、扩展,最终导致岩石的破坏.研究成果对具有同类岩体的工程具有重要的参考价值.     

煤岩体岩爆模拟试验中声发射时频演化规律分析

为了研究深部煤炭开采过程中煤岩体岩爆破坏过程声发射随应力演化的特性,对鹤岗矿区南山煤矿软岩巷道的煤岩体进行真三轴卸载岩爆试验,实时记录三向应力演化过程,并采集试验过程中的声发射信号进行参数和波形时频分析。结果表明:南山矿煤岩体岩爆临界破坏强度为17.8 MPa,是其单轴破坏强度的1.19倍,声发射累计释放能量达到(1.83E+5)mv·ms。采用快速傅里叶变换,对选取的加载和卸载岩爆典型阶段声发射数据进行波形分析,得到频率-幅值密度分布。发现加载阶段破裂源相似,产生的信号特征较为接近,都是低幅值、低频率的,而煤爆时产生高频、高幅和低频、高幅多种成分的破裂源,预示着能量在不断地加大。     

岩石非均质性对其热破裂的影响

岩石的热破裂具有普遍性,但不同的岩石矿物组成造成了岩石热破裂具有不同的特征.通过研究岩石的非均质特征,确定了矿物非均质参数,并结合岩石的热破裂特征,对岩石在细观条件下的热破裂特征与岩石非均质度之间的关系进行了研究,并分别给出了岩石矿物的质量非均质度Mn,体积非均质度Vn的定义.通过分析,给出了岩石非均质度与热破裂门槛值K的拟合公式,证明了岩石的热破裂门槛值与岩石非均质度具有显著的相关性.     

点荷载下岩石记忆效应的声发射数值模拟试验研究

利用岩石破裂过程数值模拟软件RFPA对点荷载下岩石的声发射特征进行数值模拟,通过对试验循环声发射事件数强度百分比、声发射累积数的应变百分比及声发射空间分布进行对比,发现点荷载下岩石不仅对先期应力具有很好的记忆效应,对先期最大线应变也有明显的记忆能力.     

单轴压缩下横观各向同性岩石破裂过程 声发射特性的离散元模拟

采用离散单元法研究了横观各向同性岩石在不同层面倾角条件下的单轴压缩破坏过程及声发射特性。结果表明:由于层面倾角的变化,导致横观各向同性岩石破裂过程具有不同的声发射特性。声发射特性与应力存在一定的耦合关系,且声发射空间响应集中在2种岩石的交界面上。互层岩体由于层间力学属性不同,极有可能在交界面处引起应力集中,使得在交界面附近裂纹最先萌生,裂纹进一步向交界面两侧岩体中扩展,从而引起宏观裂纹的出现,最终引起岩体的破坏。随着层面倾角的增大,岩石的单轴抗压强度和弹性模量呈先减小后增大,层面倾角90°时的强度甚至超过了0°时的强度。     

单轴压缩下不同层理方向对片麻岩声发射特征影响的试验研究

为探究不同层理方向岩体的损伤演化规律和变形破坏中的声发射特征,选用具有明显层理构造的片麻岩试样开展单轴压缩条件下的声发射试验,分析轴向平行和垂直层理片麻岩试样失稳破裂、声发射时序参数和声发射空间定位演化特征。结果表明:不同层理方向对岩石破裂影响显著,轴向平行层理片麻岩试样峰值载荷稍高于轴向垂直层理的,裂纹起裂应力水平较高,声发射定位点由加载初期离散无序分布转为向沿层理聚集,破裂时主裂隙沿层理面贯通上下端或沿层理扩展形成垮落区,最终表现为典型的张拉破坏,岩石达到峰值载荷后瞬间失稳,呈突发式破坏特征;轴向垂直层理试样起裂应力水平较低,进入声发射剧烈期参数波动更为显著,事件点在试样中部聚集产生倾斜带状剪切裂纹密集区,破裂时出现多种破裂模式,主要以剪切滑移破坏为主。岩石达到峰值载荷后应力发生多次跌落,呈渐进式破坏特征。