不同围压下断续预制裂纹粗晶大理岩变形和强度特性的试验研究

通过在MTS815.03岩石力学伺服试验机上对断续预制裂纹粗晶大理岩进行常规三轴压缩试验,基于试验结果研究不同围压下断续预制裂纹粗晶大理岩的变形和强度特性。结果表明,随着围压的增加,完整岩样和断续预制裂纹岩样峰后表现从应变软化逐渐转化为理想塑性的变形特性;岩石峰值环向应变对围压的敏感程度高于峰值轴向应变;强度与围压之间的关系可采用Coulomb准则来表征,且残余强度对围压的敏感性显著高于峰值强度。粗晶大理岩晶粒尺度较大,完整岩样的杨氏模量随围压而增大,峰值应变与围压之间成正线性关系;而断续预制裂纹岩样的杨氏模量以及峰值应变和围压之间的关系较为复杂,且随裂纹倾角而变化。单轴压缩时,断续预制裂纹岩样峰值强度与裂纹倾角密切相关,其最大轴向承载能力取决于两条预制裂纹内部顶端的扩展模式以及晶粒间的摩擦滑移;较低围压(σ3≤10MPa)时,与完整岩样的峰值强度相比,断续预制裂纹岩样的峰值强度明显偏低,但残余强度相差不大;而较高围压(σ3>10MPa)时,岩样进入塑性流动阶段后,完整岩样和预制裂纹岩样的三轴强度(峰值强度和残余强度)相差很小,粗晶大理岩样的轴向承载极限与预制裂纹分布关系不大,晶粒间的摩擦承载决定粗晶大理岩的强度特性。     

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。     

含预制裂隙大理岩SHPB动态力学破坏特性试验研究

为了研究端部裂隙形态对岩石动态力学特性以及裂纹扩展的影响,利用50 mm×50 mm圆柱形大理岩加工含不同裂隙倾角的试样,在50 mm杆径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验平台上进行冲击加载试验,并使用高速摄影仪实时记录裂纹扩展以及动态破坏全过程。研究表明,大理岩的动态抗压强度、峰值应变、动态弹性模量等力学参数随预制裂隙倾角增大整体呈先减小后增大的趋势;裂纹大多是从裂隙尖端或附近起裂,起裂裂纹为II型剪切裂纹或I–II型复合裂纹(拉剪复合裂纹),起裂角和起裂应力随着预制裂隙角度的增大分别呈M和W型变化,完整和90°裂隙试样最终呈劈裂拉伸破坏,45°裂隙试样呈拉剪复合型破坏,30°和60°裂隙试样呈剪切破坏,存在一个临界角度,临界角两侧裂纹扩展特性表现出较好的对称性;随着预制裂隙角度的增大,岩石的能量吸收率先增大后减小,当端部裂隙与端面成适当角度,会使能量吸收率最大,可以有效提高破岩效率。     

基于高速摄影的双预制裂纹大理岩加卸载试验

以大理岩作为试验材料,进行了45°双预制裂纹试件的单、双轴加载和侧向卸载试验研究。利用高速摄影设备记录试件中裂纹的起裂、扩展、贯通和完全破坏过程,结合理论分析得到:(1)3种载荷形式下试件的破坏过程可概括为4个相似的阶段;双轴加载试件的裂纹扩展形态和岩桥贯通方式与单轴加载和卸载有较大不同;卸载试件的裂纹种类和数目远比单轴加载时更多更复杂。(2)由裂纹类型判断在单、双轴加载时,剪应力对破坏起主导作用;卸载时,尤其破坏前阶段拉应力起主导作用。(3)定义新参数M-C有效剪应力M-C,根据其在裂纹尖端附近的分布规律判定新裂纹起裂的危险方位和区域,对比试验过程,得到与预制裂纹夹角约为-135°和45°左右的区域为新裂纹(带)产生的危险区。(4)加载时岩桥贯通是由剪应力引起,卸载时是由拉剪复合作用引起。     

大理岩蠕变特性试验研究

岩石的流变特性是岩石重要的力学特性之一，它控制着岩石的蠕变参数。利用自行研制的UCT-1型蠕变试验装置，采用单调连续加载和分级加载方式，对南阳大理岩进行了单轴压缩蠕变试验研究。根据试验结果，将蠕变强度与瞬时强度进行了比较，得出蠕变强度与瞬时强度之比为0．9左右的结论。拟合试验曲线得出了蠕变曲线经验公式，认为蠕变试验曲线接近对数规律；并分析了曲线的特点，建立了由Kelvin模型和Maxwell模型串联组成的Burgers大理岩蠕变理论模型，求出了相应的蠕变参数。     

预制裂隙透明岩样的破裂特性研究

研制了一种新型不饱和透明树脂材料,研究了在单轴压缩条件下单裂隙的扩展和贯通规律,并采用真实破裂过程分析系统(RFPA3D)对含不同倾角的裂隙岩石试样在单轴和双轴压缩条件下的破坏过程进行了数值模拟,得出了一些有意义的结论。     

高温后大理岩的冲击力学特性试验研究

 利用分离式霍普金森压杆设备对经历不同高温冷却后大理岩的冲击力学特性进行试验研究,得到不同高温作用后大理岩冲击压缩的应力–应变曲线,分析高温后大理岩纵波波速的变化及在冲击荷载作用下的峰值应力、峰值应变、弹性模量随温度的变化规律。研究结果表明,高温后大理岩的纵波波速随着温度的升高近似线性下降;在800 ℃之前,同一冲击加载速率作用下大理岩的峰值应力随着温度的提高变化并不明显,在800 ℃之后,峰值应力迅速减小;在600 ℃之前,同一冲击加载速率作用下大理岩的峰值应变随着温度的提高无明显变化,但在600 ℃之后,峰值应变随着温度的提高近似线性增加;总体上,弹性模量随着温度的升高呈现降低的趋势,且经历的温度越高,弹性模量下降的幅度越大。结合高温后岩石内部微观结构特征的变化,对大理岩冲击力学特性随温度的变化进行分析。     

预制裂隙类岩石材料的分步卸载试验研究

采用聚乳酸(PLA)树脂材料预先充填开挖卸载区域、预埋云母片的方法制作类岩石裂隙试件,利用聚乳酸的热熔特性进行了分步开挖卸载试验研究。结合微裂纹扩展过程、发育形态、破坏面受力特征以及卸载破坏的应力应变关系,分析了预制裂隙在分步卸载下的起裂、扩展及贯通破坏机制。研究结果表明,靠近开挖断面的预制裂隙尖端最初起裂有拉伸裂纹和剪切裂纹,且极易与开挖断面贯通,而远离开挖断面的尖端最初起裂均为拉伸型翼裂纹。法向应力较低时,裂纹扩展所需的卸载步较多,更易引起裂隙尖端拉伸裂纹的扩展;法向应力较高时,裂纹扩展所需的卸载步较少,更易引起剪切裂纹的萌生与扩展。翼裂纹拉伸贯通与次生倾斜裂纹拉剪复合贯通的速率较慢,表现出明显的塑性屈服特性,而次生共面裂纹的剪切贯通速率较快。     

冲击载荷作用下含孔洞大理岩动态力学破坏特性试验研究

 利用一种大理岩试件加工制备含圆形和椭圆形孔洞的板状试样,试样尺寸为60 mm×60 mm×15 mm,使用75 mm杆径的分离式霍普金森压杆(SHPB)进行冲击压缩试验,通过超动态应变仪监测入射杆和透射杆的应变信号,利用高速摄像仪记录试样完整的裂纹萌生、扩展、贯通直至试样破坏的全过程,分析冲击载荷作用下预制孔洞试样的动态抗压强度、破坏模式和裂纹扩展特性。研究发现,孔洞大小、形状和空间位置对岩石的动态抗压强度都有一定影响,孔洞的存在降低了大理岩试样的动态抗压强度。在冲击载荷作用下,预制中心孔洞的大理岩试样在孔洞周边产生平行于轴向加载方向的初始拉伸裂纹和类X型初始剪切裂纹,在试件破坏中起主导作用。圆形孔洞试样中,随着孔径增大,剪切裂纹扩展速度随之增大,而拉伸裂纹扩展速度则减小;椭圆形孔洞的长短轴比、长轴与加载方向的夹角均是影响裂纹扩展速度和动态抗压强度的因素。在30～45 s－1的加载应变率范围内,大理岩孔洞试样的平均裂纹扩展速度为100～450 m/s。     

高围压下深部大理岩变形特性与能量演化试验研究

岩石材料受力变形破坏与能量的演化密切相关。采用GCTS RTX-4000高温高压动态岩石三轴仪对大理岩进行了单轴、三轴压缩试验,研究了围压效应对大理岩力学变形、破坏模式及能量演化规律。结果表明,围压增大导致大理岩在变形方面表现出“脆-延-塑”转化特征;在破坏形式方面由轴向劈裂破坏逐渐向斜剪拉裂破坏发展;在能量演化方面表现出总能量、弹性能和耗散能与围压具有正增长关系;在损伤方面,基于耗散能计算损伤变量,发现随围压的增加,大理岩损伤变量数值逐渐增大,二者表现出正相关关系,并且损伤变量与轴向应变呈四次多项式增长规律。     

多级时效荷载下双裂隙砂岩变形与破裂特征试验研究

 实际工程中,岩体在进入最终应力状态前会经历多级时效荷载的作用。为研究该荷载下裂隙岩体强度、裂纹扩展和变形特征等的变化规律,以通过对砂岩切割并充填水泥砂浆制备的裂隙试样为对象,开展多级时效荷载下的三轴压缩试验。试验结果表明：多级时效荷载下,3种不同裂隙组合试样的强度较常规压缩均有一定程度的降低,陡缓和陡陡裂隙岩体的强度均在起裂强度?ci和扩容应力?cd之间。裂纹扩展特征方面,在相同应力路径下,随着围压的增大,裂隙岩体的破坏呈现更强的剪切性质;缓缓裂隙组合岩体的破坏形式主要受裂隙本身的分布形态所控制,受应力水平和加载路径的影响较小,在试验中均以裂隙岩桥直接贯通发生破坏;相同围压条件下,陡缓和陡陡裂隙组合岩体在时效荷载作用下的破坏较常规压缩下的破坏表现出更强的张拉性质。利用Burgers蠕变损伤模型分析各岩体间的关系,指出岩体间变形的差异主要由裂隙特征导致的初始损伤差别和岩体处于不同强度区间而导致的不同时效损伤引起,为建立岩体时效损伤模型的进一步研究提供了参考。     

三轴卸荷条件下大理岩扩容与能量特征分析

扩容现象是岩石变形破坏过程中的重要特征。基于MTS815 Flex Test GT岩石力学试验平台,采用室内三轴卸荷试验和塑性力学理论分析,揭示了大理岩在卸荷条件下的扩容特征及能量变化特征。结果表明,随着围压的增大,岩样的各特征应力随之增大,其扩容特征随之减弱;岩样的扩容参数——扩容指标以及剪胀角均具有围压效应,即扩容指标与围压呈良好的指数型分布,剪胀角与应力比呈线性分布;岩样的卸荷破坏过程中能量特征为初始时以可释放应变能为主到破坏时的耗散能为主,其间的转折点为初始损伤扩容点,同时卸荷条件下的特征能量值与围压具有良好的指数类型关系;在峰值点与残余点处,岩样的能量损伤值与剪胀角以及能量特征值与扩容指标均存在着较好的指数类型关系。     

断续裂隙类岩石材料三轴压缩力学特性试验研究

研究三向应力作用下裂隙对岩石力学特性的影响对于确保裂隙岩体工程稳定具有重要的实践意义。通过配制含两条不平行张开贯穿型裂隙类砂岩试样,采用MTS815.02岩石力学伺服试验机进行不同围压下常规三轴压缩试验。基于试验结果,详细分析了完整及断续不平行双裂隙类岩石材料的应力–应变曲线、强度和变形参数以及破裂模式。研究结果表明:1断续裂隙岩样应力–应变曲线呈现多台阶式软化,部分曲线出现双峰值现象;2完整及断续裂隙岩样峰值强度、裂纹损伤阈值和峰值应变均随着围压的增大呈线性增大。完整岩样峰值强度对围压的敏感程度最高,而断续裂隙岩样中由倾角45°,30°和60°依次减小;3断续裂隙岩样宏观破裂模式受裂隙倾角和围压的共同作用。当围压较小时,破裂形态受裂隙倾角的影响较大;当围压增大到一定程度后,裂隙倾角的影响逐渐减弱,围压的作用开始显现,岩样最终呈剪切破坏模式。     

含预制裂纹大理岩的压剪试验分析

采用含预制裂纹大理岩块试件对单轴压缩荷载作用下的裂纹扩展及裂纹搭接进行试验研究。试验表明含预制裂纹试件的临界失稳荷载、破坏时的应变及弹性模量都明显降低,原生裂纹的方位对产生何种裂隙有显著的影响,岩桥区尺寸对翼裂的萌生和扩展有显著的影响,使试件表现出完全不同的破坏方式。试验中观察到预制裂纹尖端萌生的裂纹有张拉型的翼形裂纹、压剪型的二次裂纹和翼裂反向裂纹等多种形态。试验观测还表明大理岩翼形裂纹的起裂角为52°～68°之间,而模型材料试验的结果为77°左右,这表明模型材料并不能完全模拟真实岩体的特性。     

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.     

不同围压下岩石声发射不可逆性及其主破裂前特征信息试验研究

 通过对花岗岩在不同围压下循环加卸载声发射(AE)试验,得到岩石加卸载损伤破坏过程中高、低频通道中AE累计振铃计数、岩石应力与时间的关系。基于此,研究岩石AE的不可逆性特征。同时运用快速傅里叶变换FFT逆变换对Kaiser点AE信号进行消噪,并通过FFT分析消噪后信号的频谱特征,探求岩石主破裂前特征信息。研究结果表明：(1) 两通道中接收到的AE振铃计数整体变化趋势基本相同,所揭示的Kaiser效应和Felicity效应规律基本一致;两通道中AE振铃计数特征主要区别在于数量不同;(2) Kaiser点主频分布在46.39～70.80与151.37～166.99 kHz范围内。岩石主破裂前,随轴向应力水平增加,低频通道中Kaiser点主频整体变化趋势由较低频向较高频转移,高频通道中由较高频向较低频转移;(3) 花岗岩Kaiser效应应力上限值为极限强度的65%左右。Kaiser点的主频特征及变化规律,可为岩石的损伤破坏评价提供依据。     

大理岩三轴压缩破坏的能量特征分析

岩石材料的变形和破坏与能量的变化密切相关。利用刚性伺服系统对大理岩岩样进行了系列三轴压缩试验,基于试验结果,对大理岩在加载过程中各阶段能量变化的具体数值进行了计算和整理,研究了能量变化在加载破坏各阶段分别与围压、应力、应变的内在联系。结果表明,初始围压的增大能够相当程度上提高岩样的破坏应变能。在既定围压下,岩样在弹性变形阶段的能量变化与偏应力和应变均成正线性关系。随着初始围压的增大,岩样所吸收的能量随偏应力变化的增长速率降低,随应变变化的增长速率加快。在三轴压缩过程中,岩样在弹性变形阶段所吸收的能量占总能量的比重较小,绝大部分能量耗散于岩样的屈服变形阶段;并且随着初始围压的增大,屈服变形阶段所吸收的能量占总能量的比重提高。     

不同围压作用下岩石损伤破坏的数值模拟

利用RFPA2D对岩石在不同围压下损伤破坏演化过程进行了数值模拟 ,基于岩石损伤定义分形维数以描述试样在各种加载条件下微破裂的演化过程。计算结果表明 :分形维数和损伤变量随着荷载的增加逐渐增大 ,岩石的起始损伤随着围压增加而被延迟 ,试样强度随着围压的增加而增加 ,其宏观破坏符合Mohr -Coulomb破坏准则。