劈裂荷载下孔隙结构对砂岩宏观力学性质的影响

为了解决砂岩内部孔隙结构对砂岩宏观力学性能的影响机理问题,以砂岩为研究对象,利用统计学原理和图像处理技术,建立了砂岩孔隙结构的三维重构模型。在此模型的基础上,利用数值模型方法开展了孔隙岩石劈裂数值模拟实验,分析了孔隙结构参数(孔隙大小、形态及孔隙率)对砂岩在劈裂荷载下的变形、应力分布和破坏连通区特征等宏观力学性质的影响,揭示了孔隙砂岩变形破坏的力学机理。研究结果表明:孔隙形态对砂岩应力分布和变形破坏有显著的影响;随着孔径的增大,砂岩从拉伸破坏和剪切破坏变成单一的拉伸破坏,破坏时的变形和最大拉应力均减小;孔隙率越大,砂岩更易破坏,且破坏时的变形和最大应力拉应力也越大,但影响程度随着孔径的增大而减弱。研究结果可为分析孔隙结构对岩石宏观物理力学性能的影响机理提供了一定的理论依据和参考。     

玄武岩三维细观孔隙模型重构与直接拉伸数值试验

由于岩石材料的不透明性和多孔隙特性,通过传统的物理试验或数值模拟很难真实体现其内部三维细观结构.本文基于CT扫描技术、边缘检测算法、滤波算法、三维点阵映射与重构算法,构建了可以表征玄武岩试样内部孔隙结构的三维细观非均匀数值模型.结合并行计算进行直接拉伸数值试验,研究了内部孔隙结构特征对试样破坏机制及抗拉强度的影响.研究结果表明:加载初期在试样孔隙处产生初始裂纹,随着荷载的增加初始裂纹逐渐沿横向扩展最终形成宏观拉伸破坏裂纹,并且孔隙含量和分布位置对试样拉伸断裂的位置具有重要影响.随着孔隙率增高,试样破坏过程中的声发射数目和能量逐渐减小.拉伸破坏模式呈现脆性破坏特征,同时孔隙的存在削弱了试样的抗拉强度.     

孔隙岩石的物理模型与破坏力学行为分析

根据真实岩石的孔隙结构分布统计特征,采用水泥砂浆和聚苯乙烯颗粒等相似材料模拟孔隙岩石,制作了岩石孔隙物理模型;利用CT扫描实验验证了物理模型与天然岩石孔隙结构在统计特征上的一致性;利用单轴受压试验获取了孔隙物理模型的力学性能;最后进行了巴西圆盘劈裂CT扫描实验,分析了孔隙岩石破坏机理及其孔隙结构的变化。研究结果表明:岩石孔隙物理模型与天然岩石具有一致的孔隙结构分布特征;孔隙不影响岩石的宏观弹脆性特征;但由于孔隙的存在,岩石内部的应力分布出现非对称性,导致劈裂裂纹偏离纵向对称轴;最终形成劈裂裂纹穿越孔隙,出现较宽的破坏裂纹。     

冲击载荷下砂岩强度特性及破坏规律研究

为了研究砂岩的强度特性以及破坏规律,利用分离式Hopkinson装置对砂岩巴西圆盘进行不同冲击速度的动态劈裂试验,并利用三维非线性动力学分析软件LS-DYNA模拟这一劈裂过程。通过对试验所得应力应变曲线与模拟所得应力应变曲线的对比,确定数值模型的有效性。结合试验结果以及模拟结果可以得出,总体上砂岩的动态抗拉强度随着平均应变率的增大而增大,但并不是线性关系,而是当平均应变率低于某一值时,动态抗拉强度随着平均应变率的增加急剧增大,当平均应变率高于这一值时,动态抗拉强度随着平均应变率的增加而缓慢的增加;在动态劈裂过程中,砂岩巴西圆盘的破坏并不都是从中心位置起裂的,初始起裂位置与平均应变率的大小有关,当平均应变率小于某一值时,初始起裂位置在靠近入射杆一端,当平均应变率大于某一值时,初始起裂位置在靠近透射杆一端;砂岩试件的总体破坏顺序是由靠近入射杆端或者靠近透射杆端向中间位置扩展,同时由试件表面向内部扩展,最终上下表面导通,试件被劈裂成两半。     

动态巴西圆盘劈裂试验的极限分析解

通过极限分析上限定理对巴西圆盘动态劈裂试验的弹性解进行了优化,考虑高速冲击作用导致的岩石试件端部剪切裂纹对动态拉伸强度的影响,获得了计算动态拉伸强度上限解的新公式。通过对实测的砂岩动态劈裂试验结果的分析,对比了原始的弹性解和得到的上限解间的差别,研究表明砂岩的动态拉伸性能随加载率的变化不明显,随着加载率的提高,动态拉伸强度曲线较平缓,说明砂岩在动态作用下承受拉应力的能力较低,抗拉强度的变化范围较小。同时验证了基于极限分析法的岩石动态抗拉强度公式可以为砂岩的工程应用提供更安全可靠的参考值。     

圆盘厚径比对岩石劈裂抗拉强度影响的试验研究

 由于巴西圆盘抗拉强度公式是基于弹性力学平面问题的解析解,计算结果与直接拉伸试验得到的抗拉强度有较大的差异。基于此,对100余个不同厚径比的砂岩圆盘试样进行劈裂抗拉试验,试验结果表明,随着试样厚径比的减小,抗拉强度逐渐增大,当厚径比约小于0.3时,其抗拉强度逐渐增大并趋于一个相对稳定值,其变化曲线可用三次函数较好的拟合。为了更加完整地把握厚径比对抗拉强度的影响,特建立不同厚径比的三维有限元模型,对圆盘中心轴线上等效应力的分布规律进行详细的研究。研究结果表明,试样中轴线上的最大拉应力出现在试样端面的中心,而且试样的厚径比越大,圆盘的端面中点处拉应力相对越大,圆盘最先起裂的位置发生在端面中心点,而不是内部中心点,有限元计算的结果很好地解释了试验数据的分布规律;通过对有限元结果进行多元拟合,给出考虑厚径比的巴西圆盘抗拉强度修正公式,经验证修正公式具有较好的适用性。研究成果为岩石抗拉强度的正确测定提供有益的依据。     

垫条直径对岩石劈裂抗拉强度的影响研究

在岩石巴西劈裂试验中,垫条直径直接影响岩石抗拉强度的大小。为此,选取典型砂岩试样,进行了1.3 mm、1.8 mm、2.3 mm、2.9 mm、3.5 mm、4.0 mm 6种垫条直径的巴西劈裂试验。研究结果表明:(1)钢丝垫条直径从1.3 mm增大到4.0 mm,砂岩劈裂抗拉强度呈“减小—稳定—增大”的非单调变化规律,总体可以分为三个阶段,其中,垫条比为0.026～0.046、0.058～0.081时,砂岩的抗拉强度试验结果变化幅度较大,而且离散性比较明显;垫条比为0.046～0.058时,砂岩的抗拉强度趋于稳定,而且,试验结果离散性明显较小,破裂面平直,垫条对岩样的劈裂张拉破坏起到很好的导向控制作用。(2)钢丝垫条直径对岩石抗拉强度及破坏模式的影响,实际上是垫条直径与矿物颗粒粒径相互关系的影响,从试验结果来看,当垫条比为0.046～0.058时,也即垫条直径与矿物颗粒粒径比值在5.750～7.250时,试验得到的岩石劈裂抗拉强度比较稳定,离散性较小。因此,在岩石巴西劈裂试验中,建议根据岩石矿物颗粒大小选取合适的垫条直径,以保证试验结果的合理性和准确性。     

冲击载荷作用下层状砂岩动态拉压力学特性研究

为研究层理面倾角对层状岩体动态拉压力学特性的影响,加工制备含5组不同层理面倾角的层状砂岩试样,在50 mm杆径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验平台上进行冲击压缩和冲击劈裂拉伸试验,利用高速摄像仪实时记录试样动态裂纹扩展及破坏过程,分析层理面倾角θ或β对层状砂岩动态应力–应变、动态抗压和抗拉强度、破坏模式及能量吸收特性的影响规律。该层状砂岩层理面之间的差异主要来源于层间矿物组成成分含量的不同。研究表明:(1)冲击压缩载荷作用下,层状砂岩主要表现为5种典型破坏模式,随倾角θ增大,层状砂岩动态抗压强度呈倒U型变化;(2)冲击拉伸载荷作用下,巴西劈裂试样均表现为沿加载方向的劈裂拉伸破坏,随倾角β增大,层状砂岩动态抗拉强度增大。层状砂岩的能量吸收率随层理面倾角的不同而不同,选择与层理面合适的加载角(如θ=90°或β=0°),可以有效提高岩石破岩的能量利用率。     

冲击载荷作用下层状砂岩动态拉压力学特性研究EI北大核心CSCD

为研究层理面倾角对层状岩体动态拉压力学特性的影响,加工制备含5组不同层理面倾角的层状砂岩试样,在50 mm杆径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验平台上进行冲击压缩和冲击劈裂拉伸试验,利用高速摄像仪实时记录试样动态裂纹扩展及破坏过程,分析层理面倾角θ或β对层状砂岩动态应力–应变、动态抗压和抗拉强度、破坏模式及能量吸收特性的影响规律。该层状砂岩层理面之间的差异主要来源于层间矿物组成成分含量的不同。研究表明:(1)冲击压缩载荷作用下,层状砂岩主要表现为5种典型破坏模式,随倾角θ增大,层状砂岩动态抗压强度呈倒U型变化;(2)冲击拉伸载荷作用下,巴西劈裂试样均表现为沿加载方向的劈裂拉伸破坏,随倾角β增大,层状砂岩动态抗拉强度增大。层状砂岩的能量吸收率随层理面倾角的不同而不同,选择与层理面合适的加载角(如θ=90°或β=0°),可以有效提高岩石破岩的能量利用率。     

动静组合荷载下自然和饱水砂岩抗拉特性研究

为研究水对岩石在动静组合荷载下拉伸强度和变形性质的影响,利用霍普金森压杆(SHPB)试验系统对自然和饱水状态砂岩开展了一系列动静组合加载平台巴西圆盘劈裂试验,同时采用数字图像相关技术(DIC)对试样的变形破坏进行监测。试验结果表明:饱水处理会降低岩石的静态拉伸强度及动静组合加载下的拉伸强度;动静组合加载下,自然和饱水岩石的拉伸强度均呈现出率效应,其率敏感性与岩石含水状态有关,饱水岩石的率敏感性显著高于自然状态岩石;随着加载率的增大,饱水岩石中的Stefan效应逐渐增强,孔隙水产生的抗力阻碍了裂纹的发育扩展,饱和岩石从而表现出动态弹性模量增强的力学行为。     

砂岩巴西劈裂疲劳破坏过程中变形与强度特征的试验研究

 利用RMT–150B岩石力学多功能系统,对砂岩巴西劈裂疲劳破坏过程中的变形与强度特征进行试验研究。试验结果表明：常规劈裂试验峰值前的变形与单轴压缩的变形特征大致相同,可分为压密、弹性、屈服和破坏4个阶段;疲劳破坏完全受到常规劈裂全过程曲线的控制,破坏时的变形量与上限载荷(应力)在常规劈裂全过程曲线峰后对应的变形量相当;疲劳试验过程中的变形量(变形速率)与时间曲线类似蠕变特征曲线,可分为初期加速、等速和加速3个阶段;疲劳上限载荷(应力)比、抗拉疲劳强度与循环次数呈负相关,疲劳上限载荷(应力)比是影响岩石疲劳寿命主控因数,试样内部原微裂纹等缺陷分布特征对劈裂疲劳寿命影响显著;疲劳上限载荷(应力)比增加导致疲劳寿命降低,而破坏时拉伸变形基本保持不变。     

煤岩体拉伸失稳破坏电荷感应规律研究

 为研究不同类型煤岩试样拉伸破坏过程自由电荷运移规律,以巴西圆盘劈裂试验为基础建立煤岩拉伸失稳破坏全程电荷监测系统。试验中分别对砂岩、泥岩及煤体拉伸失稳动态破坏过程进行实时电荷监测,得到煤岩体拉伸破坏过程中的力学特征和自由电荷运移规律。研究结果表明：煤岩体拉伸过程中有自由电荷产生,电荷信号异常区域对应于煤岩劈裂试验中应力突变阶段,煤体拉伸破坏所产生的自由电荷相对于砂岩、泥岩更为丰富,煤体断裂后的残余强度依旧使得电荷信号有较大波动,而砂岩、泥岩试样断裂后的残余强度却使得电荷信号波动较小。煤岩体拉伸与压缩破坏电荷感应规律不同,拉伸失稳破坏过程中拉应力造成裂纹扩展进而导致损伤局部化是电荷信号异常的重要原因之一。     

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。     

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.

     

三维内置裂隙倾角对类岩石材料拉伸力学 性能和断裂特征的影响

 采用试验手段研究单轴拉伸条件下内置三维裂隙倾角对类岩石砂浆材料力学特性及断裂特征的影响。试验中配制物理力学性能与砂岩接近的砂浆材料,研制三维裂隙空间定位装置,同时改进传统岩石材料直接拉伸试验方法,研制黏结轴拉试验装置。试验结果发现,含裂隙砂浆试件的单轴拉伸受力变形过程分为4个阶段：缺陷张开阶段、弹性变形阶段、弹塑性变形阶段和破坏阶段,其中弹性阶段所占比例最高,突发性破坏阶段是拉伸破坏和压缩破坏最明显的区别。裂隙倾角a 的改变对砂浆材料力学性能影响很大,随着a 增大(0°＜a＜90° ,试件峰值强度sP逐渐降低,a = 45°左右时,sP变化幅度最大。在拉伸荷载作用下,内置裂隙长轴前缘附近先后产生包裹状翼裂纹和次生裂纹,在短轴附近产生扭结区,裂隙的张拉扩展导致试件最终断裂。裂隙倾角a 的改变影响裂隙扩展的轨迹和试件破坏后的形态。     

基于不同岩石抗拉强度值确定最大水平主应力的对比分析

水压致裂原地应力测量系统的柔性对最大水平主应力的结果会产生很大的影响,提高最大水平主应力的测量精度对各种地下等工程设计都具有重要意义。通过进行直接拉伸试验、“垫条加载”和“角锥荷载”形式的圆盘劈裂实验、弯曲拉伸实验获得岩石抗拉强度,结合实测破坏压力、孔隙压力数据及相关理论计算出最大水平主应力,并与利用经典水压致裂公式计算得到的最大水平主应力进行数据对比分析。结果表明:通过“角锥荷载”圆盘劈裂实验、直接拉伸试验、“垫条加载”圆盘劈裂实验、三点弯曲实验所获得的最大水平主应力均大于经典水压致裂公式计算得到的最大水平主应力,且偏差依次增大,由此也说明测试系统的柔性会导致利用经典公式计算的最大水平主应力偏小。4种实验中,通过“角锥荷载”圆盘劈裂实验所获得的数据较其他3种方法更接近经典公式计算得到的最大水平主应力,且偏差较小,可以作为估算最大水平主应力的一种替代方法。在未来的工作研究中,可以为避开系统柔性对实测最大水平主应力的影响、提高测量精度提供方法参考。     

不同含水率红砂岩静动态劈拉试验及细观分析

研究水-岩耦合作用下岩石力学特性及细观结构,对减少由地下水造成的深部岩体工程病害具有重要意义。采用直径为100 mm的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置与电液伺服压力试验机,进行不同含水率下砂岩试件的动静态劈裂抗拉试验,而后对试件破坏断口进行电镜扫描观察,分析断口形貌特征,依靠SEM图像数字处理技术,进一步得出红砂岩拉伸破坏规律。试验结果表明:红砂岩的劈拉强度随含水率的增加而降低,有明显的遇水软化现象;相比于静态抗拉强度,动态抗拉强度大幅提升,且有显著的应变率强化效应;随着含水率的提高,砂岩试件拉伸破坏时,碎块数量逐渐增多,尺度逐渐减小;饱水岩样的动态劈裂拉伸破坏相比于干燥岩样表现出一定的塑性特征。对断口微裂隙的面积等信息进行定量化处理,分析动态劈拉破坏中的水-应变率效应,得出水在不同应变率下砂岩试样的动态劈拉破坏裂纹扩展中具有均衡作用;微裂隙数量与面积随应变率的提高有增加趋势,破坏断口细观形貌特征存在应变率相关性。     

花岗岩在单轴冲击压缩荷载下的动态断裂分析

利用脉冲整形器改进后的分离式Hopkinson压杆(SHPB)系统,对新加坡Bukit Timah地区的花岗岩圆柱形试样进行了高应变率下的单轴压缩实验。实验结果发现:随着应变率的增加,不仅花岗岩材料的抗压强度增大,而且以轴向拉伸劈裂为主要破坏形式的破碎程度也有所提高,表现为碎块的尺寸减小和数量增加。针对上述花岗岩的动态特性,采用多裂纹相互作用的动态滑移型裂纹模型定量的分析了不同应变率下,材料的微裂纹的初始长度、角度、初始裂纹间距以及裂纹面的摩擦系数等微裂纹特征对材料动态强度及破碎的影响,将岩石类材料的宏观动力学特性与其细观微结构联系起来,合理地解释了花岗岩的动态强度及破碎程度的应变率相关性。     

Dynamic failure analysis on granite under uniaxial impact compressive load

High strain-rate uniaxial compressive loading tests were produced in the modified split Hopkinson pressure bar (SHPB) with pulse shaper on granite samples. It was shown that the failure of the granite cylinder was typical tensile splitting failure mode by sudden splitting parallel to the direction of uniaxial compressive loading at different strain rates. Besides, it was concluded that not only the strength of granite increased, but also the fragment size decreased and the fragment numbers increased with the increasing strain rate. To quantitatively analyze the failure phenomena, the numerical calculation based on a dynamic interacting sliding microcrack model was adopted to investigate the influence of microcrack with the different initial crack length, crack angle, crack space and friction coefficient on the macro-mechanical properties of granite under different strain rates. Accordingly, the strain-dependency of the compression strength and the fragmentation degree of granite was explained reasonably.