充填体裂纹演化与震源信号耦合关系试验研究

宏观裂纹扩展与细观震源信号集聚常作为分析充填体破裂过程的两类关键信息,但二者间的时空耦合关系缺乏直接的试验验证,这不利于全面剖析充填体损伤特性。基于声发射定位系统,应用盖格尔定位算法,对单轴加载下尾砂胶结充填体裂纹孕育萌生、扩展起裂、成核贯通的三维动态演化模式进行试验研究,并与震源信号的时空分布形态进行比对分析。结果表明:声发射事件与应力-应变等力学响应呈明显正相关关系;充填体宏观裂纹演化与细观震源信号集聚具有良好的时空耦合性;声发射定位能够准确反映内部震源信号衍生、集聚、延伸的动态演化过程,可有效追踪内部裂纹在三维空间中的分布状态。加载初期,声发射活动不明显,裂纹稳定扩展,震源信号逐渐堆簇成主震源区(central-area,C区),以C区为核,呈放射状向外扩展的内接球形三维空间区域(sphere-area,S区)出现零星分布的若干不均匀散点,声发射事件稳步上升;峰值强度后,C区纵深延展成柱带状,震源遍布S区,贯通试样,断裂破坏,引起声发射事件阶跃式陡增,声发射活跃度趋近。根据声发射定位结果中核状主震区的出现及其成型后的扩展方向、曲面形态,可对室内充填加载试验中出现的破裂源、破坏形态进行合理预测,为更深入有效研究充填体失稳破裂机制提供新思路。     

单轴压缩胶结充填体裂纹扩展及汇集模式

采用WAW-300型伺服万能试验机及裂纹观测系统,对灰砂质量比为1:4的胶结充填体进行了单轴压缩试验,获取了单轴压缩下胶结充填体裂纹演化全过程,探讨了胶结充填体裂纹扩展及汇集模式,结合灰砂质量比为1:6的胶结充填体单轴压缩试验和颗粒流数值模型从宏细观角度进行了验证.结果表明:胶结充填体裂纹扩展模式以单一裂纹单向扩展与单...     

岩石-充填体组合模型力学特性及微裂纹演化特征颗粒流模拟

为深入分析中心圆柱体直径D对组合体力学特性及微裂纹时空演化规律的影响,借助PFC颗粒流软件,分别构建D为10,20,30,40 mm的岩石包裹充填体(BER)及充填体包裹岩石(REB)组合模型,然后开展单轴压缩实验。结果表明:1)两种组合模型峰值应力、峰值应变、弹性模量均介于完整充填体和完整岩石之间;随D增加,BER模型峰值应力以线性方式降低、峰值应变以多项式函数方式降低、弹性模量以线性方式降低,而REB模型正好相反;2)BER模型起裂应力及损伤应力随D增加呈线性趋势降低、REB模型起裂应力及损伤应力随D增加呈线性增加趋势;两种模型起裂应力及损伤应力与峰值应力比值均介于完整充填体与完整岩石之间;3)不同模型其内部微裂纹时空演化规律基本一致,充填体内部先出现微裂纹,然后微裂纹数量迅速增加,之后逐渐扩展至岩石内部,最后逐渐贯通形成宏观裂纹,组合模型失稳破坏.     

充填体失稳破坏前兆识别及破坏形式演化规律研究

为研究充填体失稳破坏过程中声发射信号时频特征及破坏形式,对不同灰砂比充填体试件开展单轴加载声发射试验。通过频谱分析技术,采用时频域结合对试验结果进行深入剖析。结果表明:不同灰砂比充填体失稳过程中低频带信号占比最大,高频带信号次之,中频带信号最少;峰值应力前,低频信号明显减少,中、高频信号明显增加这一特征可作为充填体失稳破坏的前兆信息;声发射参数RA和AF特征值在不同时刻的分布特征,揭示了破坏形式的演变过程,灰砂比1∶6时充填体在压密及弹性阶段以张拉破坏为主,塑性变形及峰后破坏阶段以剪切破坏为主,灰砂比1∶10时充填体破坏全过程以张拉破坏为主、剪切为辅,灰砂比1∶15时充填体破坏全过程以张拉破坏为主。试验结果对细观角度下研究充填体失稳破坏机制以及采场充填体失稳的预测具有重要意义。     

粗砂岩变形破坏过程中的能量演化机制

对粗砂岩进行单轴试验测得其力学参数,然后采用颗粒流和fish程序获得粗砂岩的细观力学参数进行不同围压下的压缩试验,分析粗砂岩的变形和强度特性以及在变形破坏过程中的能量演化规律。获得主要结论:随着围压增加粗砂岩屈服阶段明显增加,峰值强度提高,峰后由明显软化逐渐向塑性流动过渡,表明随着围压增加粗砂岩脆性降低而延性提高,主应力表示的二次型强度准则比直线型更加贴近试验结果。粗砂岩在变形破坏过程中,弹性阶段吸收的能量主要以弹性应变能的形式存储,屈服阶段弹性应变能增速减缓而耗散能增速加快,围压越高峰值处对应的耗散能越大表明高围压下破坏时岩石内部损伤严重,峰后阶段弹性应变能在低围压下急剧减小而高围压下缓慢减小。弹性储能极限随围压增加呈现线性增大趋势,弹性应变能与岩石吸收总能量之比先减小而后趋于常值。     

等围压条件下岩石本构模型及损伤特性

为了揭示岩石变形破坏的全过程,将连续损伤理论与非平衡统计方法相结合,建立了等围压作用下岩石的损伤本构模型,推导了模型参数与岩石变形破坏特征参量的理论关系,分析了砂岩以裂纹为主导的变形破坏过程.结果表明:岩石损伤细观上表现为原始微裂纹的扩展贯通,其宏观力学特性取决于岩石内部的细观力学响应;随着轴向应变的增加,岩石损伤经历演化、稳定扩展、损伤加速,直至产生破坏;随着围压的增加,砂岩的损伤劣化程度减小,损伤演化率逐渐降低,宏观上表现为岩石平均强度的增大和塑性的增强.通过试验结果验证,损伤本构模型合理可行.     

三轴压缩条件下胶结充填体能量耗散特征分析

开展不同灰砂配比、质量分数的充填体三轴压缩试验,研究了不同围压加载阶段充填体的能量耗散与围压、应变以及应力的内在关系.结果表明,在低围压时,充填体的极限抗压强度低;随着围压的增加,充填体的峰值强度随之增大,峰前能耗占总能耗的比重越来越大,说明充填体屈服阶段吸收的能量占总能量的比重提高,围压的增大能够提高充填体的破坏能耗量;充填体的峰前能耗量、峰后能耗量、单位体积变形能以及总能耗与围压呈二次函数曲线关系.当围压一定时,充填体在弹性变形阶段的能量变化与轴向应力、偏应力均呈线性关系,与轴向应变呈指数函数曲线关系;随着轴向载荷增加,能量随轴向应力、偏应力变化的增长速率加大.     

深埋大理岩三轴压缩渐近破坏裂纹扩展特征研究

为深入研究深埋大理岩渐进变形破坏过程中裂纹扩展特征,基于常规三轴室内试验完成数值模拟参数标定,利用PFC_3D^{颗粒流模型对深埋大理岩开展}25MPa、50MPa、80MPa三种不同围压下的裂纹扩展数值模拟试验,根据大理岩加载过程中微裂纹演化状态参数,定义三种特征应力,并据此展开深埋大理岩渐进破坏过中的宏、细观破坏特征及其对应裂纹扩展特征的规律研究。结果表明：(1)。室内试验与数值模拟的应力应变曲线相吻合,峰值应力相差较小,破坏形式与室内试验一致,故数值模拟参数标定合理。低围压下应力应变曲线出现的应力降最为明显,高围压下出现的应力降最小。(2)依据总裂纹、张拉裂纹和剪切裂纹扩展数量演化曲线斜率变化规律,将深埋大理岩渐进破坏过程划分为弹性压缩阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹加速扩展阶段和峰后残余阶段四个阶段,根据裂纹数量定义三个特征应力点。(3)随着围压的增加,深埋大理岩达到起裂应力σ_ci时裂纹从两端开始萌发,加载至损伤应力σ_cd点时向中间扩展,达到峰值应力σ_c点时在宏观破坏面附近扩展、增生,加载至峰值点后70%峰值应力点时最终形成以剪切破坏为主的贯通宏观破坏面。(4)随着围压的增加,裂纹出现的范围更广,贯通性减弱,峰值应力σ_c点处产生的裂纹对宏观破坏产生的影响更为剧烈,峰后残余阶段张拉裂纹发育更明显。     

基于DIC技术的充填体固结时间对花岗岩裂纹扩展的影响研究

为了研究地下工程中裂隙岩体的变形、破坏规律对岩体稳定性控制的影响,基于数字图像相关方法,对单轴压缩下未充填裂隙岩石、充填裂隙岩石的应变场演化过程进行监测,结合滑动裂纹模型理论,从宏观和细观角度系统地分析了裂隙岩石在破坏过程中的裂纹萌生、扩展和贯通规律。结果表明:未充填裂隙岩石应变场内最大应变值主要集中于两预制裂隙尖端连接处,沿预制裂隙某一侧贯通破坏,而充填裂隙岩石应变场内最大应变值主要集中于两预制裂隙连接处与次翼裂纹扩展处,沿预制裂隙两侧贯通破坏;未充填裂隙岩石的岩桥边界区域以剪切破坏为主,充填裂隙岩石的岩桥区域以张拉破坏为主,无论裂隙岩石充填与否,应变场内都主要分为拉应力与压应力区域;在弹性阶段内,应变场中已形成了沿翼裂纹、次翼裂纹扩展路径的局部化应变带;在内侧翼裂纹和次翼裂纹的搭接处,破坏程度最严重。随着充填体固结时间的延长,在预制裂隙尖端处,伴有剪切起裂的次生共面裂纹扩展,所形成的断面粗糙度高于其他断面。     

冲击荷载下岩石动态损伤演化研究

I型裂纹破坏为岩石材料在冲击荷载作用下的主要破坏方式.通过假设岩石材料宏观上是一个均匀连续体,而细观上其内部则包含了大量随机分布的微裂纹等损伤缺陷;研究了岩石材料在冲击荷载下裂纹的成核、发展以及内部损伤演化规律;借助于宏细观相结合的理论建立了表征岩石材料细观结构及其损伤演化过程中的某种特征参量与宏观力学参数之间的关系方程.     

真三轴压缩下大理岩强度、变形与损伤特征数值

为研究真三轴条件下岩石的力学行为,采用离散元颗粒流程序,探析不同应力路径下大理岩试样的变形破坏过程、微裂纹演化机制及其中间主应力效应。结果表明：平行黏结模型能较准确地反映大理岩真三轴压缩下力学特性和破坏模式;中间主应力对峰值强度、弹性模量、破坏角和破坏模式演变的影响较为显著;八面体理论可较好地拟合出大理岩真三轴压缩中的破坏应力,所得的破坏强度包络线具有明显线性特征;结合应力-应变曲线形状,该大理岩在压缩过程中裂纹扩展可划分为4个阶段,即线弹性阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹非稳定扩展阶段及峰后破坏阶段;随着中间主应力增大,应力-应变曲线峰后段的脆性破坏特征变强,试样从拉伸破坏向拉剪混合破坏转变,且中间主应变符号由拉转向压,岩石损伤演化与中间主应力间呈现出“对勾”型趋势。     

纤维增强膏体充填材料的宏细观试验

为了提高膏体充填体的稳定性,在膏体充填材料中加入纤维以改善其脆性. 采用宏细观试验方法研究了聚丙烯纤维增强膏体充填材料的破坏行为. 从宏观上,通过一系列单轴压缩试验定量研究了纤维掺量对膏体充填材料力学性能影响. 采用X射线CT多层切片扫描技术分析了纤维对膏体充填体试件细观结构的影响. 研究结果表明:水泥掺量为10℅时,纤维使膏体充填材料的峰值强度略有增加,纤维可大幅度提高其韧度和峰值强度点的应变;纤维能阻止试件中裂缝的扩展和延伸,使裂缝细化、分散,进而使试件在破坏前可形成更大体积的裂缝,这些裂缝在形成过程中可吸收更多的能量,从而提高膏体充填材料的韧性.     

橡胶集料混凝土细观损伤特性的加载速率效应

基于颗粒离散元理论,选取对应不同级别应变率的0.001、0.01、0.1、1.0、3.0 m/s五种加载速率,模拟实现普通混凝土(NC)和橡胶集料混凝土(CRC)单轴抗压强度试验,系统分析了加载速率对本构关系、裂纹扩展、细观损伤及能量演化的影响规律。结果表明:材料的单轴抗压强度以及相应峰值应变随加载速率增的加呈现非线性增长关系,CRC较NC表现出更为明显的加载速率敏感性;加载速率与NC裂纹生成速率呈现负相关关系。而与CRC裂纹生成速率呈正相关关系。提出了两种材料细观损伤变量与加载速率间的拟合方程,拟合效果较好,同时分析了不同加载速率对材料弹性应变能和动能的演化规律影响。     

分级循环荷载下裂隙岩石疲劳破坏特性与能量演化机制

分级循环荷载下裂隙岩石裂隙扩展模式、疲劳变形特性以及能量演化规律对地下工程安全施工和运营有着重要意义。考虑裂隙角度、裂隙数量和裂隙分布开展常规劈裂试验、分级循环荷载试验和非接触变形测量试验,对破坏特征、动弹性模量进行分析,研究轴向不可逆变形与疲劳寿命之间的关系。从能量角度出发,计算破坏过程中的总吸收能量、可释放应变能及耗散能,分析能量演化与裂隙扩展模式响应关系。研究结果表明：1）岩石疲劳变形可分为初始变形阶段、稳定阶段和加速破坏阶段,滞回环曲线呈现出“疏—密—疏”的特性,对每200个循环的动弹性模量进行分析,加载第2阶段动弹性模量有强化特征,进入第3阶段后动弹性模量减小;2）总吸收能、耗散能和弹性能都呈上升趋势,总吸收能增长缓慢,增长速度随着循环次数增加逐渐变缓,耗散能在进入破坏阶段后迅速上升,弹性应变能变化趋势不明显,中等倾角的耗散能较多;3）在破坏过程中均会产生翼裂纹和倾斜次生裂纹,裂纹相互作用和合并,产生连续塑性应变累积,形成压碎的小颗粒碎屑,这与静荷载作用下脆性破坏机制不同。     

损伤石灰岩单轴再加载力学特性及破坏机理

为研究卸荷损伤破坏围岩力学特性及破坏机理,选用RMT-150岩石力学试验系统进行三轴岩石加载-卸载过程,制备损伤岩石。结合AEwin声发射系统开展损伤石灰岩单轴再加载试验,测试应力-时间-能量累计值关系曲线,分析阐述岩石宏观破坏特征。结果表明:随着卸荷点的增加,损伤石灰岩破坏程度与破坏形式均发生较明显的变化。石灰岩破坏形式从脆性破坏向延性破坏转化,扩容现象越来越不明显;低于70%峰值强度卸荷点的损伤岩石单轴加载过程中声发射能量累计值增长规律趋于一致,可分为平稳阶段、稳定增长阶段、二次平稳3个阶段;岩石内部微裂纹分布方式对宏观破坏特征影响明显,岩石细观力学响应决定其宏观力学破坏特征。     

水泥土材料的细观损伤机理

为了研究水泥土的细观损伤机理,在中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学重点实验室进行了一系列水泥土细观力学试验.基于细观力学实验结果,分析了实验进行过程中水泥土细观实时图像的表面变化以及水泥土应力-应变关系曲线的突变特征,探讨了水泥土的细观损伤破裂机理.结果表明：水泥土材料的结构组成具有不均匀性,且有初始损伤存在.在荷载作用下,材料的破坏是由其内部细观尺度的损伤演变并发展的,最终汇聚成宏观裂纹,宏观裂纹进一步扩展导致材料强度丧失、结构破坏.用细观力学和损伤力学基本原理来分析水泥土的承载性状及在第一承载阶段的损伤演变情况,可评定材料的承载能力及其工程结构的可靠性.     

基于压电智能骨料的3D打印断续节理围岩内部损伤监测

3D打印模型试验是研究复杂地质结构损伤机制的有效手段，3D打印逐层堆积过程中定位压电骨料可有效提高埋设精确度和模型内部损伤监测精度。该文采用3D打印增减材技术制备内部埋设压电骨料的断续节理围岩模型，基于压电骨料与数字图像相关技术(digital image correlation, DIC)监测围岩模型在单轴加载下的破坏过程，研究节理连通率对围岩模型破坏机制的影响规律，验证压电骨料定位围岩模型起裂位置和监测内部裂隙损伤扩展的可行性。结果表明：1)随着节理连通率的增大，围岩模型荷载-位移曲线的峰值强度降低、延性增强，由单峰曲线变为多峰曲线；2)断续节理围岩模型的起裂位置多在临近洞口的节理尖端或顶板和底板的中部，裂纹扩展方向大多沿着节理尖端方向，表现为块体分离破坏；3)预制节理连通率增大会导致同路径的监测信号能量衰减，连通率与信号能量之间表现出抛物线相关性；4)压电骨料监测方法相比于DIC监测等宏观监测方法可以更早一步发现模型内部损伤，并能确定内部损伤的位置。     

高渗透压脆性岩石循环蠕变宏细观力学机理研究

高渗透压、围压及轴向循环静态加卸载共同作用下,脆性岩石循环蠕变力学特性对深部地下工程围岩稳定性评价有着重要意义;且岩石内部细观裂纹反向滑动及已扩展裂纹闭合恢复机理研究极为欠缺。本文基于轴向加载、围压与渗透压共同作用下岩石内部初始裂纹面正向滑动诱发的翼型裂纹扩展模型,引入轴向卸载、围压与渗透压共同作用下的初始裂纹面反向与静止滑动力学特性,解释了已扩展翼型裂纹的恢复机理,建立了一种考虑轴向加卸载、围压与渗透压共同作用下,初始裂纹面正向、反向或静止滑动的应力强度因子表达式。在此基础上,结合亚临界裂纹演化法则、裂纹与应变关系及Hooke-Kelvin模型,提出一种岩石内部高渗透压、外部围压与轴向循环加卸载,共同驱动翼型裂纹扩展、恢复作用下的循环蠕变宏细观力学模型,该模型描述了岩石完整的弹性、黏弹性、塑性变形行为。研究了高渗透压对初始裂纹面正向滑动与翼型裂纹扩展诱发的脆性岩石弹-黏-塑性应力-应变曲线影响,为弹-黏-塑性循环蠕变的应力、弹性模量参数选取提供依据。分析了高渗透压对初始裂纹面正向、反向、静止滑动与翼型裂纹扩展、恢复诱发的循环蠕变中黏弹性应变ε1ve、纯塑性应变ε1p及总应变ε1的影响。讨论了渗透压对弹性回弹应变、与已扩展裂纹恢复相关的塑性回弹应变、循环蠕变失效时间和失效应力的影响,并研究了围压对弹-黏-塑性循环蠕变应变的影响。研究结果为高渗透压地下工程围岩循环蠕变寿命评价与预测提供了一定帮助。     

考虑非贯通节理损伤演化岩体复合本构模型

非贯通节理岩体的力学特征与完整岩石相比有较大差异.为推导非贯通节理岩体在单轴压缩下的复合损伤本构模型,采用修正自洽方法考虑不同损伤变量之间的复合.从附加应变能增量和损伤应变能释放量相关联的思路出发,采用等效直线裂纹作为节理裂隙损伤演化轨迹,分别计算细观损伤、初始节理和节理裂隙损伤演化引起的附加应变能;基于Betti能量互易定理,引入自洽方法考虑节理裂隙之间的相互作用,并采用逐条添加节理的方法对传统自洽方法进行修正,得出岩体不同受力阶段细观、初始节理和节理裂隙损伤演化的复合损伤本构模型;将本构模型的理论计算结果与现有文献的室内试验结果进行对比分析,结果显示:本构模型的理论计算结果与室内试验结果规律一致,随着节理个数增加,初始弹性模量和荷载峰值均呈下降趋势,下降幅度较为一致;节理裂隙的损伤演化对岩体的力学特性有重要影响,考虑节理裂隙损伤演化的理论应力应变曲线和荷载峰值与室内试验结果更为吻合,有效验证了复合损伤本构模型的正确性与合理性.     

花岗岩单轴压缩力学特性试验及数值模拟

采用电液伺服试验机对花岗岩进行单轴压缩试验,利用RFPA模拟岩石破裂过程,详细分析了单轴压缩下花岗岩各特征应力大小、损伤过程、破坏模式及裂纹扩展规律。结果表明：花岗岩在单轴压缩下裂纹闭合应力、裂纹起始应力、损伤应力分别占峰值应力的41.1%、 58.7%、 88.3%;在损伤变量的基础上提出损伤变量临界值,以应变值为基础建立花岗岩损伤与裂隙演化之间的联系,定量分析了花岗岩裂隙演化4个阶段下损伤变量的变化;花岗岩单轴压缩下破坏模式与主裂隙方向有关,当主裂隙方向和轴向压应力方向平行时,花岗岩发生竖向劈裂破坏,当主裂隙方向与轴向压应力方向存在夹角时,花岗岩发生竖向劈裂与剪切组合破坏;根据RFPA 2D模拟得到花岗岩破裂结果,发现当加载应力达到峰值应力的46.9%时,花岗岩内部出现局部的微损伤,当加载应力达到峰值应力的63.3%时,花岗岩内部的微损伤累积引起局部的微裂纹,当加载应力达到峰值应力的88.3%时,花岗岩内部的微裂纹汇聚形成显裂纹,在显裂纹区域出现应力集中现象,使得显裂纹相互贯通,最终导致花岗岩的宏观破坏。