基于声发射定位的自然裂隙动态演化过程研究

 利用MTS815岩石力学试验机和PCI-II声发射三维定位实时监测系统对取自锦屏II级水电站交通辅助洞的含自然裂隙大理岩岩样进行单轴压缩条件下的声发射(AE)测试,并结合AE振铃数实现对不同空间分布类型自然裂隙时空演化过程的精确定位和追踪。试验结果表明：含自然裂隙大理岩岩样受压破坏过程中的局部渐进特征显著,AE累计数曲线的上升与试验的加载过程和岩样内部的应力调整关系密切;单一型和平行型自然裂隙空间分布形式相对简单,在压应力水平较低时AE大事件(振铃数＞20)随着压应力的渐增沿自然裂隙面展布,当压应力接近峰值强度时,AE大事件在裂隙面末端部位大量集聚,并朝着最终的实际破裂方向扩展;含交叉型自然裂隙岩样体内的AE大事件在初始压密阶段分布相对均匀,但随着压应力的持续增加,裂隙面附近的AE数量逐渐增加,并向裂隙面的交叉部位集聚;混合型自然裂隙结构最复杂,但仍不难根据AE大事件的空间分布确定岩样内部的软弱部位及相应的应力场变化规律。以上试验和分析结果对于深入研究岩体破裂失稳机制具有一定的意义,也可为现场微震监测提供指导。     

锦屏层状大理岩断裂机制的细观试验研究

 锦屏地下深埋岩石处于高应力状态,地下洞室开挖后围岩变形破坏所引起的工程问题十分突出。结合取自锦屏二级交通辅助洞的层状盐塘组大理岩及均质的白山组大理岩,利用扫描电镜高温疲劳试验系统,对层状盐塘组大理岩进行不同作用方向下的三点弯曲试验,并和均质的白山组大理岩试件进行对比分析研究层状大理岩不同层理方向的细观断裂机制及其与特征参数间的关系,同时,研究层理与主应力方向的关系对洞室围岩破坏机制的影响。结果表明：围岩层状特性是由于白云石及方解石矿物条带状分布所致;作用力方向对层状围岩的断裂机制有着决定性的影响,均质白山组大理岩试件细观断裂机制为沿晶断裂,作用力方向垂直盐塘组大理岩层理时为穿晶断裂与沿晶断裂的耦合作用模式,作用力方向平行层理时则以沿矿物条带间的沿晶断裂机制为主;断裂机制的不同使得宏观上的强度参数呈规律性差异,盐塘组平行层理试件与白山组试件的峰值荷载分别为盐塘组垂直层理的58%,44%,峰值断裂能分别为42%,29%;作为断裂机制外在宏观表现的3组试件断面形貌具有自相似分形特征。     

多级加载下岩石裂隙渗流分段特性试验研究

利用自行研制的岩石裂隙辐射型渗流系统,试验研究室温下粗晶大理岩、中砂岩、灰岩和细晶大理岩4个岩石张裂隙在法向闭合过程中的渗流分段特性及加载历史的影响。根据闭合裂隙的接触状态及流域分布特征,裂隙渗流可分为群岛流、过渡流、沟槽流3个阶段;单位水头流量与法向应力呈指数函数关系,随法向应力增加而降低,后次加载中相同法向应力下单位水头流量明显较低;单位水头流量与力学隙宽呈幂函数关系,幂指数范围为1.93～2.60,可认为接触型粗糙岩石裂隙渗流量与力学隙宽呈次立方关系;后次加载时,相同力学隙宽下单位水头流量也明显较低;水力等效隙宽与力学隙宽呈分段的线性关系,修正的立方定律在相应分段内成立。研究结果对岩体裂隙渗流计算有一定的理论意义。     

裂缝长度对岩石动态断裂韧度测试值影响的研究

 为了考察裂缝长度对试件动态断裂韧度测试值的影响,采用圆盘直径为80 mm变化裂缝长度的大理岩中心圆孔裂缝平台巴西圆盘试件,在霍普金森压杆系统上进行动态冲击劈裂试验。对不同裂缝长度试件动态试验时弹性压杆上测得的应变波形以及试件的断裂模式进行分析,用试验–数值的方法确定大理岩的动态断裂韧度。结果表明,在平均加载率为2.96×104 MPa·m1/2·s－1的条件下,大理岩动态断裂韧度均值是其静态断裂韧度均值的2.6倍,随着裂缝长度的增加,动态测试值没有静态测试值的变化显著,最后对与试件尺寸和构形无关的动态断裂韧度的确定方法进行讨论。     

岩石变形破裂微震、电荷感应、自电位和声发射实验研究

 为有效提取岩石失稳破坏的前兆信息,针对岩石试样在外载荷作用下失稳破坏前伴随有微震、电荷感应、自电位和声发射等信号的变化特性,建立岩石变形破裂过程多参量综合监测系统,对试样在不同加载速率下变形破裂过程微震、电荷感应、自电位和声发射进行同步监测。实验结果表明：试样在失稳破坏前都有明显的微震、电荷感应、自电位和声发射前兆信号,岩石性质不同,岩石变形破裂过程中微震、电荷感应、自电位和声发射信号明显不同,花岗斑岩的前兆信号比大理岩的前兆信号明显丰富。声发射监测数据能较好地反映岩石的微小破裂情况,可利用声发射进行微裂纹的定位,可以较好地反映电荷感应和自电位前兆信息,试样变形破裂过程的电荷感应和自电位信号比微震信号更早发生,受到的干扰更小,可利用早期的电荷感应和自电位信号进行提前预警,当频繁出现同步且幅值较大的各参量信号时,表明岩石即将进入失稳破坏阶段,可利用微震和声发射对微裂纹进行定位,微震、电荷感应、自电位和声发射信号相互对比分析从而准确获得岩石失稳破坏的前兆信息。     

含裂隙岩石渗流力学特性研究

岩体中裂隙的存在严重影响着岩体的渗流特性。为了解不同载荷作用对含裂隙岩体渗流性能的影响规律,利用高精度渗流应力耦合三轴试验系统,对含裂隙砂岩和粉砂岩加载及卸载作用下的渗流特性进行试验研究。试验结果表明:(1)加载试验过程中,随着载荷的增大,试样裂隙隙宽逐渐减小,渗透率随之逐渐减小,渗透率与有效围压呈负指数关系;(2)卸载过程中,随着载荷的减小,岩石渗透率逐渐回升,但回升路径明显低于原始路径,路径不重合表明试样中裂隙的变形具有塑性变形的特征。根据试验结果,建立渗透率与有效围压的关系式,并确定关系式中的待定参数。在试验及理论研究的基础上,通过数值模拟分析试样裂隙面渗透率及渗流速度的变化规律。     

蠕变作用后大理岩强度与变形特性试验研究

为研究蠕变行为对岩石力学性质的影响,分别在裂隙压密阶段、弹性阶段、裂隙稳定扩展阶段和非稳定扩展阶段,对大理岩进行不同应力水平和时间的蠕变预处理,卸载后再进行单轴压缩破坏试验,分析不同条件蠕变作用后大理岩强度与变形特性的变化规律,同时提出采用体变速率进行岩石变形阶段划分的新方法。结果表明:(1)裂隙压密和弹性阶段蠕变对大理岩力学性能起强化作用,随蠕变时间增长,强度和弹性模量增大,泊松比减小,且弹性阶段蠕变的强化程度大于压密阶段。裂隙稳定扩展阶段蠕变呈现相反的变化规律,起劣化作用,而岩样在非稳定扩展阶段蠕变预处理时快速破坏;(2)依据扩容速率可将岩石变形过程分为3个阶段,分别为平稳压缩阶段、加速扩容阶段及减速扩容阶段;(3)裂隙压密和弹性阶段蠕变后,大理岩峰值扩容速率随蠕变时间增长略有减小,裂隙稳定扩展阶段蠕变后则随蠕变时间增长显著增大;(4)原始岩样和蠕变作用0 h后岩样的单轴压缩破坏形态以单一剪切面破坏为主。随蠕变时间增长,裂隙压密和弹性阶段蠕变后岩样破坏形态转为沿轴向劈裂破坏,裂隙稳定扩展阶段蠕变后转为剪切、劈裂组合破坏,除几条主裂隙外,还伴随众多次生裂隙。     

断续预制裂隙脆性大理岩变形破坏特性单轴压缩试验研究

 采用岩石力学伺服试验机,对断续预制裂隙脆性大理岩进行单轴压缩试验,基于全程变形曲线的试验结果,分析裂隙参数(岩桥倾角、裂隙间距、裂隙长度、裂隙数目与裂隙倾角)几何分布对大理岩变形破坏特征的影响规律。研究结果表明,与完整大理岩相比,断续预制裂隙大理岩变形呈现出局部化渐近破坏特征,其峰值强度、弹性模量及峰值轴向应变均明显降低,且降低幅度与预制裂隙参数分布形式密切相关;但变形模量除裂隙间距48 mm(降幅24.8%)、含119°岩桥倾角(降幅23.7%)以及含60°裂隙倾角(降幅43.8%)的岩样以外,其他含2条预制裂隙岩样的变形模量降幅均为－3.8%～7.8%,差异较小。裂隙长度越长、裂隙数目越多及裂隙倾角越大,其峰值强度、弹性模量及峰值轴向应变也越低;而岩桥倾角和裂隙间距与力学参数之间规律性不明显。岩样宏观贯通模式主要呈现出拉贯通、压贯通、剪贯通和混合贯通4种,且与预制裂隙的几何分布密切相关。完整岩样呈典型的轴向劈裂拉贯通模式。含较短裂隙长度(16 mm)及较小裂隙倾角(30°)的岩样呈现出拉贯通模式;而含较长裂隙长度(24 mm)和较大裂隙倾角(60°)的岩样呈现出拉剪混合贯通模式。裂隙间距越小以及裂隙数目越多,岩样的贯通模式趋于复杂,呈现出拉剪压混合贯通模式。     

冲击荷载作用下岩石动力特性的试验研究

应用高压气枪冲击试验设备对大理岩样进行了不同固体冲击速度下的冲击试验,探讨岩石类材料在冲击荷载下作用下的破坏过程和动力特性。共对9组大理岩样进行了冲击试验,试验时固体冲击速度逐渐增加,速度范围是126.2～531.9m/s。得到的初步试验结果如下:当固体冲击速度较低时,岩样整体没有崩解破碎,局部发生破碎,且随着冲击速度的增大,产生的微裂纹会逐渐增多;当固体冲击速度较高时,岩样整体发生崩解破碎,且随着固体冲击速度的增大,破碎后的岩样中细颗粒的含量增大,即随着固体冲击能的增大,岩样的破碎程度逐渐增加。     

锦屏二级水电站大理岩不同应力路径下加卸载试验研究

 针对锦屏二级水电站引水隧洞赋存于高地应力环境的特点,对隧洞内的大理岩开展常规三轴压缩试验及峰前、峰后卸围压试验,通过试验数据对比分析,研究大理岩的强度变形特征及破裂机制。主要研究成果：(1) 大理岩峰值强度与实时围压关系密切,应力路径不同、实时围压相同时,峰值强度相同。(2) 围压效应明显,峰值强度随初始围压增加而增加;相比三轴加载试验,峰前卸围压试验峰值强度降低约19.5%,峰后卸围压试验规律不明显,而峰后卸围压试验达到峰值强度时的围压值约占初始围压值的 97.2%,峰前卸围压试验结果较离散。(3) 相比三轴加载试验,峰前卸围压试验c值降低约27.5%, 值提高约22.6%,而与此相反,峰后卸围压试验c值增加约13.7%, 值降低约6.5%,表明大理岩抗破裂的主控因素峰前卸围压试验由摩擦力控制,峰后卸围压试验由黏聚力控制。(4) 峰后卸围压试验自卸荷点开始出现明显的应变平台,表现为理想塑性变形。(5) 峰前卸围压试验的体积应变自卸荷点开始出现明显的转折点。(6) 三轴压缩试验和峰后卸围压试验,大理岩的破坏模式主要为单一剪切破坏,随着围压增加,剪切破裂面端口的粗糙程度降低;峰前卸围压试验的破坏模式为：低围压时的劈裂破坏～中等围压时的“X”型共轭剪切破坏～高围压时的单一剪切破坏。这些研究结论揭示了锦屏大理岩加、卸载应力路径下的力学特性差异,可为西部深埋引水隧洞的开挖、支护设计及稳定性分析提供理论参考。     

锦屏大理岩加、卸载应力路径下力学性质试验研究

 地下岩体开挖卸荷应力路径不同于加载应力路径,由此引起的岩体强度、变形特征和破坏机制也不尽相同。针对锦屏二级水电站引水隧洞群围岩赋存于高地应力环境的特点,对其中3# 引水隧洞大理岩开展单轴加、卸载以及三轴压缩和高应力条件下的峰前、峰后卸围压等4种不同应力路径力学试验,得到了的应力–应变全过程曲线、变形破坏特征和主要力学参数的变化规律。试验研究结果表明：(1) 建立在岩样单轴逐级等量加、卸载应力路径下的回滞环面积递减,尤以屈服阶段的卸载对应变影响最大;(2) 不同围压下岩样三轴压缩全过程试验结果表明,当围压达到40 MPa时,应变软化特性转化为理想塑性,可以认为该值为锦屏大理岩脆－延转化点;(3) 对比以上不同应力路径下的强度准则方程以及峰前、峰后黏聚力和内摩擦角,相同初始应力条件下,岩石卸载破坏所需应力变化量比三轴压缩破坏情况下对应的应力变化量小,说明岩石卸载更容易导致破坏;(4) 在变形破坏机制方面,由于峰后比峰前卸围压塑性变形大,岩样塑性变形已吸收较多的弹性变形能,其脆性特性受到抑制,因而不像峰前卸围压破坏具有突发性,岩样由张性破坏过渡到张剪性破坏;(5) 根据大理岩岩样加、卸载破坏断口SEM扫描结果,从细观角度验证了脆性岩石在不同路径下微观剪断裂破坏机制。总之,以上研究结果揭示了锦屏大理岩加、卸载应力路径下力学特性差异,对解决工程实际问题具有重要的参考价值。     

Experimental investigation on fracturing process of marble under biaxial compression

In this study, servo-controlled biaxial compression tests were conducted on marble specimens to investigate their failure characteristics and fracturing process. The complete stress–strain curves were obtained, and the three-dimensional (3D) features of the failure surfaces were acquired by 3D laser scanning. Acoustic emission (AE) monitoring and moment tensor (MT) analysis were used in combination to better understand the fracturing mechanism of marble under biaxial compression. It was noted that a type of 3D stepwise cracking behaviour occurred on the fracturing surfaces of the examined specimens. The stress dropped multiple times, and a repeated fracturing mode corresponding to the repeated stress drops in the post-peak regime was observed. Three substages, i.e. stress stabilisation, stress decrease and stress increase, were identified for a single fracturing mode. Then quantitative and statistical analyses of the fracturing process at each substage were discussed. Based on the testing results, it was found that at the stress stabilisation substage, the proportion of mixed-mode fractures increased. At the stress decrease substage, the proportion of mixed-mode fractures decreased, and the tensile or shear fractures increased. At the stress increase substage, the proportion of mixed-mode or tensile fractures decreased, and the shear fractures increased. Finally, a conceptual model for the stepwise crack formation was proposed.     

含裂隙水围岩巷道变形破坏数值模拟

巷道围岩在地下水渗透作用下慢慢软化,使得围岩内部的裂隙不断发生扩展,在这些裂隙达到贯通或者通过损伤演化扩展形成新的裂隙后,就成为了宏观状态下的裂缝,当这些裂缝不断的发生积累演化,最后导致岩体失稳破坏。这种失稳破坏改变了围岩应力分布状态,影响到围岩位移场分布及破坏范围,从而大大降低了围岩的稳定性,给煤矿的安全生产带来了隐患。结合断裂力学和损伤力学的相关理论,笔者建立了FLAC3D二次开发模型并进行了验证,将此模型应用于工程实践的稳定性分析。     

Changes in the engineering properties of marble in fire-exposed columns

Two marble columns in the bottom floor of a school building were exposed to intensive heat in the fire, and were subject of a debate about their load-carrying capacity following the event. After their removal from their original spots, series of tests on column samples were carried out to investigate variations in their engineering characteristics due to fire hazard. The temperature at the surface of the marble columns hit by the flames directly during the fire was estimated to be on the order of 500 °C using an empirically established relationship between porosity and temperature on intact marble core samples. Results of mechanical tests indicated that marble columns were still holding a significant load-carrying capacity despite 23% loss of strength at fire temperature. The spallings at the corners of the blocks forced the board of education to give the decision of replacing the gray marble columns with steel members. Occurrence of these spallings is attributed to stress concentrations and widening of micro fractures. Based on the results of mechanical, physical and chemical tests, a methodology to assess influence of fire hazard on marble and similar geological materials was developed.     

Simulation of the interactions between hydraulic and natural fractures using a fracture mechanics approach

HYDROCK method aims to store thermal energy in the rock mass using hydraulically propagated fracture planes. The hydraulic fractures can interact with the pre-existing natural fractures resulting in a complex fracture network, which can influence the storage performance. This study investigates the interactions between hydraulic and natural fractures using a fracture mechanics approach. The new functionality of the fracture mechanics modelling code FRACOD that enables crossing of hydraulically driven fracture by a pre-existing fracture is presented. A series of two-dimensional numerical models is prepared to simulate the interaction at different approach angles in granitic rock of low permeability. It is demonstrated that multiple interaction mechanisms can be simulated using the fracture mechanics approach. The numerical results are in agreement with the modified Renshaw and Pollard analytical criterion for fracture crossing. The results show that for large approach angles, the hydraulic fracture crosses the natural fracture, whereas for small approach angles, the hydraulic fracture activates the natural fracture and the wing-shaped tensile fractures are propagated from its tips. Thus, the presence of fractures with low dip angles can lead to the growth of more complex fracture network that could impair the thermal performance of the HYDROCK method.     

锦屏深埋大理岩破裂扩展时间效应与控制效果评价

锦屏二级水电站大理岩在高的地应力条件作用下表现出破裂随时间扩展的现象,给引水隧洞的运行期安全产生重大的影响。现场开挖后出现的滞后破裂现象、锚杆应力计和声波测试都反映出大理岩破裂随时间发展的特征。首先采用室内试验和数值分析,证明破裂是大理岩开挖后的主要响应方式,表明锚杆应力计和声波测试在现场测试中具有更好的适用性,而多点位移计敏感性较差。利用GSI随时间指数递减代表大理岩强度随时间递减,进而表征隧洞开挖损伤区随时间的增加而增加,在此基础上,建立应力腐蚀模型SC。将现场已获得的监测数据作为SC模型中相关参数的校核依据,对大理岩的长期力学响应、锚杆受力状态和衬砌结构安全性进行详细分析,采用SC模型得出的特征与现场实际开挖响应具有很好的一致性。     

三类岩石热损伤力学特性的试验研究与细观力学分析

 运用偏光显微技术,比较不同温度处理后砂岩、花岗岩和大理岩微观结构的不同变化特征。分析对比常温～800 ℃高温处理后三类岩石纵波波速、孔隙率、弹性模量、峰值应力及应变的变化规律,并讨论其与微观结构变化的内在联系。结合岩石热损伤后初始损伤程度增大、微裂纹刚度弱化及张开度增大等特征,采用细观损伤力学模型研究热损伤岩石应力–应变曲线显著的非线性特征。研究结果表明：(1) 热处理砂岩细观结构的变化主要表现为胶结物变化及矿物相变,矿物内无明显热裂纹发育;热处理花岗岩内热裂纹发育明显,800 ℃处理后最大裂纹宽度可达100 ?m,较400 ℃时增加约1个数量级;大理岩热裂纹以晶界裂纹为主,600 ℃处理后最大裂纹宽度达20 ?m,约为400 ℃时的2倍。(2) 花岗岩和大理岩的弹性模量随热处理温度的增大持续降低,但砂岩的弹性模量在500 ℃热处理温度阈值之后才显著下降。(3) 三类热损伤岩石的宏观物理力学性质与其形成条件、矿物组分、微裂纹发育密切相关。(4) 基于均匀化理论的细观损伤力学模型的计算值与试验值吻合良好,热损伤岩石应力–应变曲线初始压密阶段显著延长的力学行为与微裂纹密度和刚度直接相关。     

分级卸荷条件下锦屏大理岩流变规律研究

 结合锦屏水电站引水隧洞的工程实际,采用恒轴压分级卸围压的应力路径对锦屏大理岩开展了室内三轴压缩蠕变试验。首先,详细介绍卸围压蠕变试验的过程,并针对轴向和侧向蠕变规律的差异进行对比分析。然后,研究卸荷应力路径下应力状态与岩石蠕变变形的关系,研究结果表明,应力差是决定试样蠕变量的主要因素。最后,以Burgurs模型作为理论模型,在综合考虑试样整体变形的情况下,采用相关试验结果直接确定三维本构方程的模型参数。通过对锦屏大理岩轴向和侧向蠕变变形规律的对比分析,认为2个方向的蠕变变形规律存在明显差异,仅根据轴向蠕变变形规律确定的三维流变本构不能反映侧向的蠕变变形规律。因此,建议在建立三维本构时,必须考虑试样的整体变形特性。     

Investigation of meso-failure behaviors of Jinping marble using SEM with bending loading system

In this study, the meso-failure mechanism and fracture surface of Jinping marble were investigated by means of scanning electron microscope(SEM) with bending loading system and laser-scanner equipment. The Yantang and Baishan marbles specimens from Jinping II hydropower station were used. Test results show that the fracture toughness and mechanical behaviors of Yantang marble were basically higher than those of Baishan marble. This is mainly due to the fact that Baishan marble contains a large percentage of dolomite and minor mica. Crack propagation path and fracture morphology indicated that the direction of tensile stress has a significant effect on the mechanical behaviors and fracture toughness of Baishan marble. For Yantang and Baishan marbles, a large number of microcracks around the main crack tip were observed when the direction of tensile stress was parallel to the bedding plane.Conversely, few microcracks occurred when the direction of tensile stress was perpendicular to the bedding plane. The presence of a large number of microcracks at the main crack tip decreased the global fracture toughness of marble. The results of three-point bending tests showed that the average bearing capacity of intact marble is 3.4 times the notched marble, but the ductility property of the defective marble after peak load is better than that of the intact marble. Hence, large deformation may be generated before failure of intact marbles at Jinping II hydropower station. The fractal dimension of fracture surface was also calculated by the cube covering method. Observational result showed that the largest fractal dimension of Yantang marble is captured when the direction of tensile stress is parallel to the bedding plane. However, the fractal dimension of fracture surface of Yantang and Baishan marbles with tensile stress vertical to the bedding plane is relatively small. The fractal dimension can also be used to characterize the roughness of fracture surface of rock materials.     

卸荷岩体的变形破裂特征

在岩石试件卸荷试验的基础上，结合大型开挖工程，研究了岩体在卸荷状态下的变形破裂特征。研究表明，岩石在卸荷状态下的变形表现为沿卸荷方向的强烈扩容，其破裂以张性破裂为特征，并存有张剪性和剪性破裂；卸荷岩体除具有上述变形破裂特征外，其变形破裂程度及方式受岩体结构的控制，比岩石更易发生变形与破坏，特别是其破裂体系，很大程度上受岩体结构的控制。