加载速率效应对花岗岩破裂的力学性能及能量转化机制的影响

基于单轴压缩下的花岗岩破坏试验,结合岩石破坏过程中的能量转化机制,对不同加载速率下花岗岩损伤变形的力学参数、能量转化机制进行了探讨。研究表明,随加载速率的提高,花岗岩的峰值应力、起裂应力逐渐增大,峰值应变、起裂应变逐渐降低,但起裂应变与峰值应变之比却呈现先减小后增大的趋势;随着加载速率的提高,花岗岩试件的峰前总吸收能U^0、可释放应变能U^1、耗散应变能U^2均逐渐增大;当加载速率较低时,花岗岩试件沿最大主应力方向实现劈裂、张拉破坏,此时宏观破坏裂纹较少;而当加载速率较高时,岩石试件由多条裂纹贯通破坏,其破坏形式属于劈裂裂纹与剪切裂纹共同主导的混合破坏模式。     

北山花岗岩张拉力学性质及声发射特征研究

以我国高放射性废物处置库甘肃北山预选区为工程背景,通过巴西劈裂试验、直接拉伸试验以及三轴压缩试验研究北山花岗岩的基本力学性质,试验过程中监测声发射数据,基于声发射特征开展了巴西劈裂试件内部的破裂形式及其演化过程研究。研究表明:(1)直接拉伸试件的强度约为巴西劈裂试件强度的1.23倍,巴西劈裂试件呈现明显的脆性破坏,而直接拉伸试件呈现一定的塑性破坏特征;(2)巴西劈裂试件的声发射事件数在应力达到峰值应力的70%之前增加比较剧烈,直接拉伸试件的声发射事件数在峰值附近增加比较剧烈;(3)三轴压缩试验声发射事件的频率主要分布在0～80 k Hz范围内,直接拉伸试验和巴西劈裂试验的声发射事件频率主要集中在0～160 kHz;(4)巴西劈裂试件张拉裂纹的数量约为剪切裂纹数量的20.6倍,且张拉裂纹由试件中心向端部扩展,并最终形成贯通的破裂面。     

深部软弱地层TBM围岩力学行为试验研究

为揭示TBM深部软弱围岩变形破坏力学特性,开展了反映深埋隧道TBM机械开挖卸荷本质——高初始围压下缓慢准静态卸荷这一卸荷特征的砂质泥岩三轴卸围压试验,研究结果表明:缓慢卸荷条件下的岩石峰前应力-应变曲线接近于常规三轴压缩峰前应力-应变曲线,卸荷屈服阶段产生损伤扩容,侧向变形加速增长,从体积压缩开始转向扩容;应力达到峰值强度后,岩石首先发生1~2级脆性跌落,随着围压继续缓慢卸荷,岩石沿一条斜率较小的近似斜直线发生伴随有多级次生微破裂的线性应变软化;岩石变形全过程由弹性变形段、峰前卸荷损伤扩容段、峰后脆性跌落段、含有多级微破裂的线性应变软化段以及残余强度阶段组成;岩石缓慢卸荷发生宏观张剪复合破坏,并伴有轴向劈裂裂纹,破裂断面为由许多劈裂裂纹相互贯通形成具有一定宽度的剪切带,剪切带内劈裂的岩片在轴向挤压力和沿破裂面的剪切力共同作用下被挤压和摩擦成许多细颗粒和岩粉。     

岩石压缩条件下微裂纹扩展机制研究及数值模拟

岩石在压缩加载过程中的变形由岩石母体的线弹性应变和微裂纹引起的非弹性应变组成,微裂纹扩展与裂纹尖端应力强度因子大小有着密切的关系.基于细观力学方法,分析了岩石微裂纹相对滑动的条件及扩展准则.运用RFPA2D程序,对在压缩条件下岩石单一微裂纹的扩展过程进行了数值模拟,结果表明,微裂纹在起裂扩展前,在相当一段时间内,原生裂纹上下2个裂纹面会发生相对摩擦滑动;岩石受压时微裂纹产生沿最大主压应力方向扩展的次拉伸裂纹,该次拉伸裂纹是岩石产生劈裂破坏的主要因素.     

岩石试件SHPB劈裂拉伸试验中能量耗散分析

利用直径50 mm变截面分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,对厚径比0.5的煤矿砂岩巴西圆盘试件进行对径加载,采取改变驱动气压的方法实施不同加载速率的动态劈裂拉伸试验。研究了砂岩试件动态劈裂拉伸破坏过程中的能量构成和耗散特征;尝试从能量角度出发,对砂岩试件动态劈裂拉伸破坏形态、平均应变率效应和动态拉伸应力强度进行能耗分析;发现试件吸收能量绝大部分耗散于岩石的损伤演化和变形破坏,可以较好地反映砂岩试件在冲击载荷作用下的抗拉性能变化。结果表明：砂岩试件拉伸应力强度与吸收能量随平均应变率增加近似对数关系增加,表现出显著的应变率相关性。研究成果可为岩石类脆性材料动态拉伸力学性能研究提供参考。     

三种岩石的动态平台巴西圆盘试验分析

为研究应变率对岩石材料的动态拉伸特性影响,利用直径50 mm SHPB试验装置,以递增的子弹速度冲击花岗岩、千枚岩、磁铁石英岩3种岩石试样,进行动态平台巴西圆盘劈裂拉伸试验,分析不同应变率下,3种岩石的破坏时间、拉伸敏感系数、动态弹性模量和破坏形态的变化规律。试验结果表明:3种岩石的破坏时间、拉伸敏感系数和动态弹性模量随应变率变化的趋势基本一致;3种岩石均沿加载直径方向由中心起裂且加载端部的三角区出现粉碎区。     

花岗岩三轴循环加卸载宏细观特性的三维颗粒流模拟

为研究三轴循环加卸载条件下花岗岩破坏全过程的宏细观力学特性,采用颗粒流PFC3D方法确定了应力-应变曲线上的应力门槛值(σ_(ci)起裂应力、σ_(cd)裂隙损伤应力和σ_f峰值强度),分析了宏观参数随塑性剪切应变的变化规律,并结合微裂纹数目及微裂纹发展变化过程,揭示了微裂纹损伤演化规律。结果表明:宏观上,不同围压下相应的σ_(ci)/σ_f分别为49.59%、49.7%、36.3%,σ_(cd)/σ_f分别为91.74%、95%、96.2%;应力门槛值和弹性模量随塑性剪切应变的增加先快速减小后趋于稳定,泊松比随塑性剪切应变的增加先快速增大后趋于稳定。细观上,微裂纹数目最大增量发生在应变软化阶段;试样内部微裂纹的发展是通过其自身扩展实现的,且微裂纹的扩展同时受试样结构和试样内主应力方向的影响;不同围压下试样均在残余变形阶段发生剪切破坏。研究结果很好地揭示了试样在循环荷载作用下破裂的全过程。     

单裂隙砂岩破坏特征和破裂演化规律试验北大核心

针对含不同倾角裂隙的板状砂岩试样开展单轴加载试验,从宏细观角度深入探索裂隙倾角对脆性岩石变形破坏特征、声发射及破裂演化规律的影响效应,揭示其破坏机制。结果表明:裂隙倾角α较小时(0°≤α≤30°),应力-应变曲线呈锯齿状;翼裂纹首先在初始裂隙中部萌生,次生拉伸裂纹扩展贯通导致试样破坏,声发射较为分散,以劈裂破坏为主;随裂隙倾角增加(30°<α<90°),应力跌落次数减少,峰值强度和弹性模量不断升高;翼裂纹起裂位置向初始裂隙尖端转移,起裂强度和起裂强度比逐渐增加,次生裂纹转为剪切裂纹,声发射趋于集中,破坏模式向剪切破坏过渡;裂隙倾角为90°时,应力-应变曲线光滑,初始裂隙起裂前试样瞬间破坏,声发射异常集中,以劈裂破坏为主,与完整试样基本一致。     

高温-水冷作用下花岗岩巴西劈裂试验及启裂模式研究

在深部采矿、超深钻井、增强型地热系统(EGS)等工程中，高温岩体受冷水热冲击产生损伤，热损伤岩体的物理力学性质受到了广泛关注。通过对经200～800℃高温-水冷处理后的花岗岩圆盘进行巴西劈裂试验，发现高温-水冷作用使花岗岩体积膨胀、P波速度降低、抗拉强度减小。通过对圆盘加载过程中的表面应变场监测和声发射监测，发现高温处理会使花岗岩圆盘的启裂模式发生变化。较低温度(400℃以下)处理后圆盘为端部启裂，较高温度(600℃和800℃)处理后圆盘为中心启裂。热冲击导致花岗岩微裂纹增加，使巴西劈裂过程中的b值随处理温度升高而增大。     

劈裂荷载下孔隙岩石应力分布特征与裂纹扩展行为

基于天然岩石孔隙结构重构模型,运用数值方法开展了不同孔隙率的圆盘劈裂数值模拟实验,研究了劈裂拉伸过程中孔隙岩石的裂纹扩展行为,从应力角度探讨了孔隙率对岩石裂纹扩展行为的影响;同时利用模型材料制作了不同孔隙率的孔隙岩石物理模型,开展了物理模型的劈裂实验,将实验结果和数值模拟结果进行比较,验证了数值模拟结果的有效性。经研究发现:在保持孔隙分布特征不变的条件下,孔隙率对圆盘劈裂破坏时的应力分布特征及裂纹扩展行为有显著的影响,随着孔隙率的增大,应力分布的对称性逐渐消失,最大拉应力值出现在远离对称轴孔隙密集的地方,且随着孔隙率的增加呈指数递减趋势。孔隙圆盘的破坏形式逐渐从单一劈拉破坏转变为劈拉和剪切破坏共存,导致最终破坏时形成多条开裂裂纹贯通圆盘。