预制雁型裂纹岩石巴西圆盘劈裂过程的数值模拟研究

本文采用真实破坏过程分析软件(RFPA)针对预制两条雁型裂纹岩石巴西圆盘劈裂过程进行了数值模拟,分析结果表明:(1)最大剪应力主要集中在试件与加载板接触位置及雁型裂纹尖端位置附近,岩石的宏观裂纹亦是从该区域开始并不断贯通的,雁型裂纹对岩石试件的宏观破裂起到了引导作用。(2)岩石试件在加载过程中声发射的位置与最大剪应力出现的位置大体上是一致的。加载初期和加载末期声发射事件个数和所释放的能量均较小,而加载中期声发射事件个数较多且能量释放相对较大,预制雁型裂纹的岩石巴西盘在受荷过程中期胶结物发生断裂最为集中。     

典型巴西劈裂试验与直接拉伸试验的比较研究

基于三种巴西劈裂试验和直接拉伸试验测量不同尺寸的红砂岩和花岗岩的抗拉强度。三种巴西劈裂试验分别是无垫条巴西劈裂法、垫条巴西劈裂法和弧形夹具巴西劈裂法。通过测量试件的应变,跟踪裂隙的起裂轨迹。试验结果表明,巴西劈裂试验获得岩石抗拉强度均大于直接抗拉强度;采用无垫条及垫条法获得的岩石抗拉强度最为接近直接抗拉强度,无垫条及垫条法均可用于测量岩石的抗拉强度,但是前者的操作性优于后者。     

直接拉伸、劈裂及单轴压缩试验下岩石的声发射特性

采用自行研制的岩石直接拉伸试验装置,对砂岩和石灰岩2种岩样进行直接拉伸、劈裂及单轴压缩试验。试验结果表明,2种岩石的声发射活动情况大体相同。在单轴压缩条件下,加载早期的声发射活动较为活跃,随着荷载的增加,许多试样的声发射率较加载初期有所下降,这通常被认为与试样中的裂隙压密有关。劈裂试验条件下岩样的声发射活动规律与单轴压缩条件下基本一致,所不同的是：在劈裂试验条件下,声发射活动在整个加载过程中持续不断,直至临近破坏时,声发射活动大量增加,即劈裂试验条件下未观察到与单轴压缩试验类似的“裂隙压密”阶段声发射率较高的现象,也未观察到压缩试验中试样发生微破裂时,声发射累计事件数出现阶跃、变形曲线上出现拐点的现象。在直接拉伸条件下,试样的声发射活动又有很大不同,在破坏发生前的整个加载过程中,观察到的声发射事件数和能率远少于单轴压缩和劈裂试验的结果。对于大多数试样,声发射事件仅在试样破坏时才能观察到。     

基于巴西劈裂试验的岩石应力–应变曲线荷载速率依存性研究

岩石荷载速率依存性是岩石类材料流变力学研究的基本内容之一。通过对井口砂岩、江持安山岩及田下凝灰岩开展交替荷载速率条件下的巴西劈裂试验,分析交替荷载速率条件下岩石巴西劈裂破坏过程及应力–应变曲线的峰前和峰后荷载速率依存性特征,结果表明:(1)交替荷载速率条件下岩石巴西劈裂裂纹先从试件中心起裂并逐渐沿劈裂面向两端扩展,其破坏过程可分为4个阶段;(2)采用交替荷载速率试验得到的巴西劈裂试验曲线,可以清晰地观察到岩石在峰值前和峰值后阶段应力–应变的荷载速率依存性特征;(3)岩石巴西劈裂强度随加载速率的增大而增大,表现出了明显的荷载速率依存性,并通过计算荷载速率依存性系数n值,定量分析了3种岩石的荷载速率依存性特征。     

预制孔岩石破坏过程中的声发射时空演化特征研究

选取粗粒花岗岩和细粒砂岩,通过预制方孔和圆孔,开展单轴加载条件下岩石破坏声发射试验。采用单纯形定位算法,对岩石破裂过程中的声发射时空演化规律进行研究,并对声发射活动特征、能量释放率和空间相关长度进行分析。研究结果表明：对于预制孔间距与预制孔尺寸相同的试件,声发射事件主要在岩石中部群集,试件以中部剪切破坏为主,声发射三维定位事件直观反映裂纹初始、扩展直至贯通的动态演化过程;在整个加载过程中,颗粒较粗且大小不均的花岗岩试件声发射活动性较强,颗粒较细且均匀的砂岩试件声发射活动性在加载后期才开始增强;岩石破坏前,小尺度裂纹合并贯通形成大尺度裂纹,声发射率下降,能量释放率增强,出现声发射信号“平静”而能量释放“不平静”的现象;岩石在受载过程中,应力场通过迁移和重新分布逐步建立起长程相关性;岩石破坏前,空间相关长度显著增加,且在岩石破坏时达到最大值。     

北山花岗岩声发射特征及破坏模式识别研究

针对北山花岗岩开展了直接拉伸试验、巴西劈裂试验以及三轴压缩试验,试验过程中实时检测声发射事件。详细分析了声发射特征,并基于声发射特征通过Fisher判别方法建立了不同试验方式岩石破裂的识别模型,结果表明:(1)直接拉伸试验强度约为巴西劈裂试验强度的1.23倍;(2)巴西劈裂试验的b值呈“W”形变化趋势,而直接拉伸和三轴试验的b值呈现波动下降的趋势;(3)巴西劈裂试验的AF/RA值呈现稳定波动状态,直接拉伸试验的AF/RA值经历上升、下降、小幅波动3个阶段,三轴压缩试验的AF/RA值在应力达到峰值前波动下降,但在峰值后AF/RA处于大幅波动状态;(4)基于Fisher判别方法建立了3种试验试件破坏的识别模型,并进一步分析模型识别的正确率。     

改进圆盘试验方法分析与抗拉强度公式的修正

测定岩石、混凝土等脆性材料抗拉强度时最常用的方法是改进巴西圆盘试验,但存在几种不同的改进圆盘试验方法,各试验结果是否准确、相互之间有何差异需要明确。考虑不同的加载面圆心角,通过数值模拟的方法对比分析了3种改进圆盘试验之间的差异,并与理论结果进行了对比。结果显示,相同的加载面圆心角,采用弧形集中加载模式时试样劈裂面上的拉应力区分布范围最大,其次是弧形均布加载模式,最后是平台加载模式。当加载面圆心角在20°～40°范围内时,试样满足中心起裂的要求,且试样中心点处压应力与拉应力的比值较小,因此建议采用该范围内的加载面圆心角进行试验。根据脆性材料格里菲斯破坏准则,引入了修正系数k,对改进圆盘试验抗拉强度公式进行了修正。     

变加载速率砂岩声发射特征及损伤本构模型

研究加载速率对岩石声发射特性的影响,可以推断加载过程中岩石内部的性态变化,有助于揭示岩体的失稳破坏机制。利用WAW-1000型试验机及PCI-2型声发射仪研究了受加载速率影响的砂岩单轴压缩声发射特性。结果表明:不同加载速率下,砂岩试件的破坏形式有单向剪切破坏、双向剪切破坏和轴向劈裂破坏3种破坏形态。加载速率对砂岩试件的声发射特征也有显著影响:加载速率较高时,砂岩声发射撞击幅值维持较高水平,撞击事件贯穿整个加载阶段,试件内部声发射数量少而集中;加载速率越高,砂岩累计声发射计数增长越快。以时间为中间变量,拟合出考虑加载速率情况下,砂岩应变与累计声发射计数的关系,推导出基于加载速率、声发射累计振铃计数的砂岩损伤本构模型。     

受不同加载偏转角影响的含裂纹砂岩劈裂声发射试验研究

目前,岩石声发射方向性存在与否尚无定论,岩石中裂纹的存在对岩石声发射方向性是否存在影响也无深入的研究。针对完整的和含有一条预制裂纹的砂岩圆盘试件,分别偏转5°,10°,15°,35°,60°角进行岩石声发射方向性验证劈裂试验,对比分析了不同加载偏转角度下完整砂岩和含预制裂纹砂岩的声发射特征。研究表明:(1)偏转角度的不同对砂岩声发射Kaiser效应确有影响,随着偏转角度的增大,砂岩声发射Kaiser效应逐渐模糊直至消失,证明在此试验条件下砂岩的声发射Kaiser效应方向性随着偏转角度的增大而愈加明显。(2)含裂纹砂岩的Kaiser效应方向性比完整砂岩的Kaiser效应方向性更明显,具体表现为含裂纹砂岩的声发射Kaiser效应比完整砂岩在偏转过程中消失得更快。研究成果可为利用Kaiser效应测量地应力的可行性和准确性提供试验论证。     

载荷接触条件对岩石抗拉强度的影响

岩石抗拉强度是岩石的一个重要力学性质，也是岩石结构的强度设计与稳定性分析的一个控制参数。在测试岩石抗拉强度的巴西圆盘劈裂试验中，载荷接触方式以及垫条尺寸等对测试结果会产生重要影响，但测试中尚无严格规定，从而造成抗拉强度测试结果有很大的离散性。通过有限元数值计算与理论分析相结合的方法，对不同载荷接触条件和接触面宽度角下的岩石抗拉强度进行了深入分析，结果表明，在圆弧形和平台加载条件下计算的岩石抗拉强度随载荷接触宽度角α的增大而增大。不同尺寸圆钢垫条的巴西圆盘劈裂试验结果也表明，岩石抗拉强度测试值随垫条直径的增大而增大，与理论分析相符。对试验所采用的白色大理岩，将垫条直径与试样直径的比值d／D控制在0．024-0．040范围内，测试结果比较接近数值计算值，且比较稳定。这一结论为岩石抗拉强度的正确测定奠定了理论和试验基础。     

北山深部花岗岩不同应力状态下声发射特征研究

采用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统及声发射(AE)三维定位实时监测系统,开展北山深部花岗岩不同应力条件下岩石破坏的声发射特征研究。试验得到北山花岗岩的直接拉伸强度为9.53 MPa,仅为其单轴平均抗压强度的1/17。试验结果表明,在拉伸应力条件下,由于无原生微裂隙闭合过程,声发射事件出现时间较晚并集中出现于破坏阶段;峰值应力后,声发射信号的继续增加说明花岗岩并未立刻破断,而仍具有一定拉伸承载能力。在压缩应力条件下,初期加载阶段即有声发射信号出现并随加载应力增加而持续增长,反映原生裂纹闭合及新生裂纹扩展演化的过程;随着围压增加,花岗岩在峰值应力阶段延性变形特征显著增强,其内部裂隙(损伤)在该阶段渐进式发展,导致声发射事件的集聚量远高于其他阶段;同时,围压增加使北山花岗岩的非线性特征增强,特别是破坏前的显著延性变形特征与其他工程常见花岗岩特性具有明显不同。研究得到北山花岗岩在不同应力状态下的变形特征和声发射特征,为北山花岗岩在不同应力条件下损伤演化机制研究奠定基础。     

Rockburst characteristics of several hard brittle rocks:A true triaxial experimental study

Rockburst is a typical rock failure which frequently threatens both human life and construction equipment during highly stressed underground excavation.Rock lithology is a control factor of rockburst.In this paper,rockburst tests were conducted on rectangular prismatic specimens of six types of intact hard brittle rocks,i.e.granodiorite,granite,marble,basalt,sandstone and limestone,under one-free-face true triaxial loading conditions.With the use of high-speed cameras,an acoustic emission(AE)system and a scanning electron microscope(SEM),rockburst of different rocks was investigated.The results show that the strainbursts of granodiorite,granite and marble were accompanied by tensile splitting near the free face,and consequently were relatively strong with a large amount of fragment ejection and kinetic energy release.For basalt,sandstone and limestone,failure was primarily dominated by shear rupture.The strainbursts of basalt and sandstone were relatively small with minor fragment ejection and kinetic energy release;while no burst failure occurred on limestone due to its relatively low peak strength.Rock strength,fracturing and fragmentation characteristics,and failure modes of different rocks can significantly affect rockburst proneness and magnitude.The AE evolution coupled with SEM analysis reveals that the differences in the inhe rent microstructures and fracture evolution under loading are the primary factors accounting for different rockbursts in various rock types.     

高温作用下花岗岩的声发射特征研究

 通过MTS810材料测试系统及AE21C声发射检测仪对山东临沂花岗岩在20 ℃～800 ℃单轴压缩下的声发射特征进行试验研究,分别分析升温过程中花岗岩振铃计数率随时间的变化规律以及加载过程中花岗岩的声发射特征参量与应力–应变之间的关系。研究表明：升温及加载过程中,花岗岩声发射振铃计数率随着温度升高而增大,声发射活动也变得更频繁;其声发射参量在400 ℃～800 ℃高温后与高温下有较大差别,高温后的声发射参量明显低于高温下,岩样内部裂纹较少以致高温后花岗岩的强度等力学指标要优于高温下;各温度段高温下声发射振铃累计数都要高于高温后,尤其在800 ℃时,两者相差超过1倍;800 ℃前花岗岩岩样主要呈劈裂和剪切破坏为主的脆性破坏,未出现强烈的塑性破坏;高温使储存的能量显著增多并加速能量耗散,能量的耗散和弹性能的释放使岩石的强度减小,宏观裂纹增多并最终破坏。     

二长花岗岩三轴加卸载过程中声发射特征分析

为认识二长花岗岩在不同受载路径条件下破坏过程中声发射特征,通过三轴循环加卸载压缩试验和声发射试验,分析了玲珑金矿二长花岗破坏过程应力应变曲线和声发射特征参数的关系,结果表明:(1)在花岗岩的循环加卸载过程中,声发射信号主要出现在加载期的超过前一循环最大值的阶段和卸载过程的初期,弹性加载和卸载阶段后期基本无声发射现象;(2)岩石声发射活动与岩石变形破坏过程以及能量释放特征规律密切相关,在对二长花岗岩的加卸载试验的过程中,随着加卸载的进行,存在着声发射活动的活跃期和相对平静期;(3)主破裂阶段及峰后相对应力较高的时期所释放的能量要远高于卸荷阶段的初期、塑性变形的中后期这两个活跃期释放的能量,该阶段绝大部分的弹性应变能释放出来;(4)在岩石试样初期的循环加卸载过程中,岩石内部塑性破坏程度较低,Kaiser效应显著,后期的循环加卸载过程中即塑性阶段的中后期,Felicity效应显著;(5)岩石进入塑性变形的中后期,微破裂发展至破坏阶段,裂纹大量扩展、贯穿,形成宏观裂缝,弹性应变能大量释放,AE信号强烈,当达到塑性中后期的标志点时,岩石试件即到了主破裂的前夕。     

单轴压缩下含预制孔洞板状花岗岩试样力学响应的试验和数值研究

 利用挪威Iddefjord花岗岩试样加工制备含双侧预制方形孔洞的板状试样,并在Instron液压伺服控制试验机上开展单轴压缩试验,监测试样的应力、应变、声发射信号特征及试样破坏过程。研究发现,随着轴向应力的增大,试样在平行于孔洞竖直方向的位置相继出现劈裂裂纹并逐渐贯通,孔洞周边岩体出现块体弹射、片帮等应变型岩爆特征。试验研究表明,含孔洞花岗岩试样在单轴压缩下总是从孔洞周边的劈裂破坏开始,试样的声发射曲线比完整岩样存在更多的跳跃突变点。在此基础上,利用FLAC3D对室内试验进行数值模拟,通过线弹性模型分析含孔洞岩石材料的应力分布特性,通过应变软化莫尔–库仑准则模拟岩样的破坏过程,监测各计算时步下单元拉伸和剪切破坏特性;发现单轴压缩下含孔洞岩样的塑形破坏单元以拉伸破坏为主,拉伸破坏单元沿孔洞竖向边界贯通形成劈裂破坏面,这和室内试验观测结果是一致的。研究结果在一定程度上揭示了深部硬岩洞室开挖后,在高地应力作用下总是产生平行于洞室开挖边界面的板裂、片帮破坏现象。     

花岗岩破裂过程中声波与声发射变化特征试验研究

采用声波、声发射一体化监测装置研究了单轴加载及循环荷载作用下花岗岩波速和声发射变化特征。研究结果表明：①加载初期,岩石内部微裂纹受力闭合,纵波、横波波速显著增加,而声发射事件数量极少;加载中期,岩石处于线弹性变形阶段,纵波、横波波速缓慢增加后保持稳定,声发射事件少量产生,约占声发射事件总量的9.44%;加载后期,岩石处于破裂损伤阶段,裂纹开始萌生,拓展,岩石纵波波速呈现略微下降趋势,而横波波速明显降低,声发射活动剧烈,约占声发射事件总量的50.63%。峰值应力之后,花岗岩横波波速开始急剧下降,而纵波波速缓慢降低,声发射活动依然活跃。②由于岩石的内部损伤需要积蓄一定能量才会形成,因此声发射活动呈现“相对平静、间隔突发”的规律,“相对平静期”最明显的时段位于峰值应力之前。③循环加卸载条件下,岩石的波速和声发射变化特征与应力状态表现出良好的一致性。统计分析声发射事件数量随应力的变化规律,论证了岩石的Felicity效应;比较分析加载过程中的Felicity比变化,证明了岩体的累积损伤。     

波纹板防爆墙在爆炸荷载作用下动态力学性能研究

防爆墙是海洋平台中用以分隔生活区和生产区、承受爆炸主要荷载、保护人员和设施安全的重要构件。为了研究防爆墙在爆炸荷载作用下的动态力学性能,本文利用通用有限元软件ANSYS/LS-DYNA,对爆炸荷载作用下四边约束波纹板防爆墙的动态响应过程进行了模拟。计算中,采用不同强度的三角形爆炸荷载曲线,分析了材料应变率效应的影响,对比了不同宽度墙体的应力分布、位移时程曲线。结果表明材料的应变率效应不可忽略,有限元计算中应采用考虑应变率效应的材料本构关系;墙体的高宽比对墙体应力分布形式有一定影响,但不同宽度下墙体中心节点位移峰值相差不大。文章最终还得到了波纹板防爆墙在爆炸荷载作用下的整个破坏过程和最终破坏模式。     

脆性岩石破坏试验研究

 对不同加载速率控制条件下标准试样以及带中心圆孔的花岗岩岩板进行单轴压缩试验,研究岩石破坏的全过程并进行声发射特征分析。试验结果表明：岩石材料破坏过程是内部微裂纹产生和扩展过程的宏观反映;声发射信号与应力–应变曲线有良好的对应关系,根据声发射信号可以判断岩石内部裂纹扩展演化的情况;在不同的加载速率条件下对应不同的承载能力和不同的破坏形态。根据试验结果,建立弹脆性损伤本构模型,基于ABAQUS平台,采用与试验一致的控制条件对带孔岩板进行数值模拟,并与试验结果进行比较。结果表明,数值模拟真实地反映了岩石变形破坏的全过程,研究成果对研究脆性岩石的破坏以及脆性岩石的岩爆机制具有重要的指导意义。     

Thermal effects on fracture toughness of cracked straight-through Brazilian disk green sandstone and granite

Cracked straight-through Brazilian disc(CSTBD) samples prepared using two rock materials were used for thermal treatment from room temperature to 700°C. Uniaxial splitting experiments were performed using an automatic electro-hydraulic servo press to study the evolution laws of physical and fracture properties of different deep rock materials under high-temperature geological conditions. The fracture characteristics were measured using an industrial camera and digital image correlation technolog...