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。     

基于声发射定位的岩石裂纹动态演化过程研究

应用声发射及其定位技术，在单轴压缩载荷作用下，应用盖格尔定位算法，采用试验方法研究包括含不同预制裂纹的花岗岩岩样破裂失稳过程中其内部微裂纹孕育、萌生、扩展、成核和贯通的三维空间演化模式。试验结果表明，声发射定位能够反映岩石裂纹动态演化过程，声发射事件的产生主要是由于裂纹扩展产生的，并随应力-应变变化表现出不同的特征：在初始加载阶段至初始裂纹出现之前，其声发射活动不很明显；一旦岩样出现初始裂纹，在相应应力点声发射事件明显增多；裂纹稳定扩展至岩石完全破坏之前，声发射总数应变曲线与应力-应变曲线平行；在微裂纹扩展的非稳定阶段至岩石破坏瞬间，声发射活动变得异常活跃，声发射事件变化率最大。在完整岩样声发射事件定位结果中，出现声发射定位事件的空白区，宏观裂纹的贯通恰在声发射事件的空白区之内，借此可以实现对岩石裂纹贯通位置预测；声发射定位结果也是岩样内部应力场演化过程的宏观表现，可直观地反映岩样内部裂纹扩展空间位置、扩展方向以及裂纹扩展的空间曲面形态，这对于深入研究岩石破裂失稳机制是十分有意义的。     

花岗岩破裂全过程的声发射特性研究

声发射是许多材料发生脆性破坏(包括其微裂纹的初始、扩展)过程中伴随的很普遍的现象。应用两套声发射系统,研究在单轴压缩荷载条件下10个花岗岩样(70mm×70mm×150mm)破裂过程中,随加载时间、应力变化其声发射活动的特性;通过应用单纯形算法对声发射事件定位,分析岩样破裂过程中其内部微裂纹初始、扩展过程的空间演化模式。试验结果表明:(1)在整个岩石破裂过程中,声发射活动随加载时间、应力变化表现出不同的特征;(2)在初始加载阶段直至初始裂纹形成之前,其声发射活动不是很明显;一旦岩样出现初始裂纹,在其加载时间点和相应的应力点处声发射事件明显增多;(3)在裂纹初始形成之后到微裂纹扩展之前,声发射活动处于一段平静期,裂纹稳定扩展直至岩石完全破坏,声发射活动变得异常活跃,特别在微裂纹扩展的非稳定阶段,声发射事件随加载时间及应力变化率非常显著。对于岩样内部初始裂纹形成之后的“平静区”而言,初始裂纹形成之后,并非裂纹随着荷载或者应变的变化而直接扩展,而需要蓄积一定的加载能量,在能量蓄积一定程度之后再进行扩展,即岩石初始破裂之后,其内部应力场需要寻求新的平衡,新应力平衡达到之后裂纹才开始进一步扩展;同样,当岩石完全破坏之后,应力也没有立即完全释放,亦是达到新的应力平衡之后,才完全失去其强度。声发射事件定位结果直观的反映岩样内部裂纹扩展空间位置、扩展方向以及裂纹扩展的空间曲面形态,这对于深入研究岩石破裂失稳机制是十分有意义的。     

多裂纹岩石单轴压缩渐进破坏过程精细测试

 综合运用声发射定位技术的灵敏性以及CT技术的直观性等特点,实现对多裂纹岩石单轴压缩渐进破坏过程的精细测试。通过分析加载过程中声发射定位事件、CT扫描切片以及CT数的变化,获取多裂纹岩石裂纹扩展破坏过程。加载之初,岩石试件虽总体上表现为裂纹压密,但局部仍可追踪试件内部原生裂纹起始扩展,并随载荷增加向两端逐渐扩展、渐进破坏直至形成贯通破裂面。为探索岩石微细观破坏机制和裂纹扩展演变规律,推进岩石力学试验可视化技术的发展奠定基础。     

花岗岩单轴压缩全过程声发射时空演化行为及破坏前兆研究

利用MTS815岩石力学试验系统与PCI-2声发射系统,开展花岗岩单轴压缩全过程声发射定位试验,通过对岩石破裂过程中声发射时空演化特征、能量释放规律研究发现:岩石单轴压缩全过程中声发射时序参数演化过程,可分为上升期、平静期和波动期3个阶段;AE信号源的空间分布和聚集位置,可对应岩石内部应力集中和宏观破碎严重区域;随着荷载逐渐增大,AE事件由前期低能量、小裂纹事件向高能量大事件转化,大量微破裂成核、扩展,最终贯通为宏观裂纹,试样完全破坏且大部分能量得到释放。基于声发射时空演化的破坏前兆特征研究发现:岩石单轴压缩全过程中,AE平静期、AE能率、AE振铃计数率和岩石扩容可作为预测岩石破坏的指标,其中AE能率和AE振铃计数率对岩石失稳破坏的预测最敏感,其次是AE平静期现象,再次为扩容点。本文研究可为高地应力区地下厂房岩体稳定性监测与预报提供依据。     

不同应力路径下岩桥试验的声发射特征研究

 岩质边坡中岩桥贯通是导致边坡失稳的重要因素,通过开展不同岩桥长度岩样的常规三轴加荷、三轴卸荷以及三轴加卸荷试验,研究在不同应力路径下岩桥贯通破坏过程中的声发射特征,以及围压和岩桥长度对声发射特征的影响。结果表明：岩石压密阶段与线弹性变形阶段声发射事件较少,塑性阶段声发射事件明显增多,破坏阶段声发射计数率、累计能量以及幅值均达到峰值。声发射特征的明显变化可为紧接的岩样破坏提供预警作用,幅值变化较其他指标更为敏感,因此幅值的监测对于各阶段演化以及破坏预警更有效。本试验中,岩桥试样达到峰值强度后不会立即跌落至残余强度,而是出现2次应力跌落,应力跌落均对应声发射特征达到峰值,2次应力跌落中会出现“平静期”或“峰后回升”现象,其声发射特征与塑性阶段相似,但幅值、计数率与累计能量均大于塑性变形阶段,表明在这一阶段岩样裂纹仍以较快速率扩展,最终导致岩桥贯通破坏。不同应力路径下累计能量由大到小依次为：三轴加卸荷、三轴卸荷和常规三轴。随着岩桥长度与围压的增加,声发射计数率峰值和累计能量逐步增长,破坏程度更加剧烈。     

带裂纹花岗岩试件三点弯变形演化及破裂机制

为建立岩石工程灾害精准预测预报体系,开展含预制裂纹花岗岩试件的三点弯试验,研究岩石试样变形演化及破裂机制。以声发射技术和数字散斑相关方法作为试验观测手段,通过矩张量反演方法研究岩石破裂类型。通过对岩石预制裂纹扩展长度及声发射振铃计数、能量和体积参数进行分析,研究岩石试件变形演化特征和破裂机制。研究结果表明:(1)三点弯岩石试样裂纹扩展具有明显的阶段性和不连续性,其过程为某次裂纹扩展 微裂纹静默积累-裂纹再次扩展;(2)预制裂纹扩展与不同破裂类型裂纹的声发射指标具有相关性。预制裂纹扩展时,张拉裂纹体积参数、能量和振铃计数随之出现;预制裂纹扩展前后,3种类型裂纹体积参数、能量和振铃计数随机产生;在预制裂纹长度保持稳定不变时,没有声发射信号产生;(3)裂纹扩展后到下一次裂纹扩展前,先是在贯通裂纹尖端附近随机出现各种破裂类型的裂纹,随着微裂纹的积累,贯通裂纹所主导的裂纹类型占比开始增加,直至产生新的贯通裂纹。     

基于声发射及其定位技术的岩石破裂过程研究

应用声发射及其定位技术,采用实验手段研究了不同加载方式(单轴加载、巴西劈裂及三点弯曲条件下)不同尺寸岩石以及不同岩样破裂失稳过程.实验结果表明,在岩石弹性变形阶段,声发射事件定位位置为岩样内部的应力集中位置;随着加载的进行,声发射仪器精确地定位出其裂纹初始位置、扩展方向,并直观地反映出其内部裂纹稳定扩展过程.从巴西劈裂实验的声发射事件定位结果可以看出,初始裂纹产生的位置具有随机特性,且初始裂纹产生是诱发岩石破裂失稳的首要因素.岩样尺寸影响其破坏模式,受加载过程裂纹初始时序不同影响其声发射活动规律表现不一致;不同岩样声发射活动随应力变化呈一定的规律性,其中砂岩在加载过程其声发射活动具有突跳特性,这主要与岩石均质程度相关.声发射定位结果直观地反映岩样内部裂纹初始、扩展的空间位置,这对于深入研究岩石破裂失稳机制具有一定的意义.     

岩石单轴压缩变形场演化的声发射特征研究

 对单轴压缩条件下一种红砂岩试件变形场演化过程中声发射特征进行研究。以数字散斑相关方法进行试件加载全过程的变形场演化观测,利用声发射系统采集试件加载全过程的声发射信号,对岩石变形演化过程中的变形局部化演化、变形局部化带拉伸以及变形局部化带错动对应的声发射特征进行研究,研究结果表明：(1) 由加载曲线与声发射振铃计数、声发射能量演化对应关系可知,应力突降时声发射振铃计数和声发射能量出现激增,但振铃计数激增和声发射能量激增,应力不一定突降;(2) 加载应力与声发射振铃累计计数在演化趋势上具有较好的对应关系,但声发射振铃累计计数增幅与对应的应力降低量值无关;(3) 声发射峰前“平静期”并不代表岩石变形场演化处于平静阶段,此阶段变形局部化带的宽度、长度以及变形量值在不断增加;(4) 变形局部化带的宽度、长度以及变形量值的演化对声发射振铃计数及声发射能量影响很小,变形局部化带的拉伸速率及变形局部化带的滑动速率变化对声发射振铃计数和声发射能量影响较大,其中变形局部化带滑动影响最大。     

拉伸应力状态下花岗岩声发射特征研究

利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统和PCI-2声发射(AE)三维定位系统,对甘肃北山花岗岩在直接拉伸和间接拉伸试验条件下的强度、变形及其破坏全过程的声发射特征进行研究。试验结果表明：直接拉伸得到的抗拉强度的平均值、最大值和最小值均分别高于间接拉伸,且前者峰值应力时的应变量小于后者,约为后者的6.03%;直接拉伸试验加载开始至40%峰值应力阶段,声发射较为平静,此后声发射计数和能量均开始增加,接近峰值应力时,声发射事件数达到最大;间接拉伸试验整个破坏过程的声发射计数率基本持平,但40%峰值应力前的初期加载阶段的声发射能率高于40%峰值应力后;间接拉伸过程中,试件受压缩应力及加载接触部位屈服破坏的影响,能量释放量高于直接拉伸。     

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.     

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。     

压缩应力条件下花岗岩损伤演化特征及其对渗透性影响研究

 基于岩石三轴压缩应力–应变全过程渗透特性试验,结合三维声发射监测信息,研究花岗岩在不同围压条件下力学损伤演化机制及其对岩石渗透特性影响规律。本研究对常规渗透试验方法进行改进,通过在试样两端加工渗透小孔,实现岩石不同破坏形式下渗透性变化规律的测量。试验结果表明,在压缩应力作用下,花岗岩的损伤演化始于微裂隙的产生和扩展,并在岩石破坏时和峰后阶段发展迅速。该损伤演化的阶段性特征与声发射监测数据一致,进一步说明了裂隙扩展是导致花岗岩力学特性劣化的根本原因。随着微裂隙的扩展,岩石渗透性不断增强,但在峰前加载阶段渗透性变化明显滞后于损伤演化过程。该结果表明,在裂隙贯通并产生宏观破坏面之前,裂隙扩展对花岗岩渗透性影响非常有限。在低围压条件下,岩石渗透性随围压增大迅速减小;当围压增大到一定程度后,该趋势逐渐减弱。结合声发射监测数据,对不同应力条件下损伤演化与渗透特性的相互关系进行分析,并提出花岗岩渗透率与损伤和围压的相关经验公式。     

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。     

基于单键群方法的岩石破裂声发射时空分布特征的试验研究

 基于声发射定位技术和单键群方法,对在单轴压缩条件下岩石破裂过程中的声发射空间相关长度的变化特征进行试验研究。利用单键群构架的键长分布对声发射事件进行分色,可定量确定声发射事件集中程度。研究结果表明：基于单键群方法,影响声发射空间相关长度变化的因素有2个,一是应力的释放导致空间相关长度的下降;二是应力场的转移导致空间相关长度的增长。根据声发射空间相关长度变化的不同,可将岩石岩样分为3种类型：(1) 破坏前无明显塑性变形阶段的岩石岩样,空间相关长度呈现以幂律为特征的加速增长态势,且在岩石破坏前达到最大值;(2) 对于破坏前有明显塑性变形阶段的岩石岩样,在塑性变形阶段,应力场的转移和岩石内部局部塑性2种因素的影响使得空间相关出现或增长或下降的波动现象;(3) 对于加载过程中出现明显局部裂纹的岩样,局部破裂会导致声发射事件群集,致使空间长度减小,但是对于岩石整个破坏过程,空间相关长度呈现整体的增长趋势。单键群构架的键数具有分形特征,其反映的声发射事件的空间演化特征与空间相关长度所反映的情况一致。空间相关长度的增长反映了岩石内部应力场的长程转移过程。在塑性变形阶段,空间相关长度与之前阶段变化的差异对于预测岩石的破坏具有重要意义。     

Westerly花岗岩试样单轴压缩破坏瞬时微裂纹观察

 利用Nishiyama和Kusuda(1994)提出的荧光方法,对Westerly花岗岩试样单轴压缩破坏瞬时微裂纹进行详细的实验观察。应用这种方法,能同时有效、容易地确认微裂纹的产生方式,如长石颗粒间的解理裂纹、石英颗粒间的晶内裂纹和这些裂纹的宽区域分布。作为一个观察结果,确认拉长的相连裂纹对花岗岩破坏有直接影响,这些裂纹大致分为3类。据推测,这3类裂纹不能同时发展,每一类有不同的产生机制。单轴压缩下裂纹的产生机制是：首先,在平行于施加荷载方向产生许多微裂纹,长裂纹是通过延长和合并微裂纹诱发产生的;然后,通过进一步加载,产生断层面,各部分的裂纹被连接、扩展;最后,花岗岩试样发生破坏。     

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。     

花岗岩应变岩爆声发射特征及微观断裂机制

 对真三轴应力状态下的突然卸载应变岩爆试验监测到的声发射原始波形数据进行频谱分析和时频分析。根据三亚花岗岩岩爆试验前后样品SEM微观结构照片,岩爆过程的声发射频谱特性及声发射参数RA值(声发射撞击上升时间/幅度)的不同,分析其破坏过程的微观机制。在试件相对稳定阶段,产生以低幅、低能量释放为特征的波,对应微裂纹的滑移或局部的微裂纹开裂;在岩爆发生时声发射波除低频部分的幅值明显增大之外,高频幅值也有增大趋势,表明有高能量释放,试件内产生宏观破裂;岩爆前RA值增加,岩爆时降低。高RA值是张裂纹形成产生的波,低值是剪切裂纹形成的波。试验结果揭示岩爆过程中同时产生大量的高频低幅特征的波和低频高幅特征的波,分别对应形成穿晶或解理微裂纹,以张裂纹为主及沿晶或穿晶宏观裂纹,以剪切裂纹为主,显示高能量释放及低RA值特征。     

岩石劈裂试验声发射特征的有限元分析

为研究岩石劈裂破坏过程中声发射的时空特征与演化规律,利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,对岩石试件在不同加载条件下的准静态劈裂拉伸试验进行数值仿真模拟,并依据模拟结果,分析了加载条件对岩石劈裂破坏试验声发射特征的影响,探讨了各加载条件下巴西圆盘试验的有效性。结果表明:相较于平台加载和弧形加载,垫条加载条件下试件的声发射活动(含声发射事件累计数与声发射率)最先达到峰值,但峰值点却最低,最终劈裂破坏程度也最轻;声发射率的峰值点略提前于加载位移急剧增长的时间点,可据此预判花岗岩试件的破坏时刻,而这一特征在平台加载与弧形加载时尤为明显,在垫条加载时则不显著;平台加载与弧形加载条件下的巴西圆盘试验基本满足中心起裂条件,而垫条加载时却不满足;此外,由本文研究可知,运用ANSYS/LS-DYNA建立三维有限元模型来分析岩石劈裂试验的声发射特征是可行的,且与其他数值模拟手段相比,与实际工况更相近,普适性也更好。