循环载荷下深部花岗岩的破坏机理研究

在深部地下环境,随着温度升高和围压增大,花岗岩等硬岩呈现出从脆性到塑性转变的特性。同时,其力学行为和本构关系也会发生重大变化。岩石在循环载荷作用下,内部裂隙分阶段扩展,破坏过程受到裂隙空间分布、力学行为和加载条件等的影响。本文以水厂露天矿混合花岗岩为研究对象,通过三轴压缩试验和声发射监测试验,得到了岩石破裂各阶段的声发射特征值和相应的应力水平,获得了裂隙初始应力、裂隙贯通应力、峰值应力和残余应力的强度包络线,分析了深部花岗岩的破坏机理,确定了声发射信号和岩石破坏特征之间的对应关系,为工程应用提供了依据。     

应力速率对岩石声发射特征影响的试验研究

在刚性试验机上对花岗岩岩样进行单轴加载试验,在应力速率分别为20,30,40kN/min条件下对花岗岩受力变形过程中的力学特性和声发射特性进行了测试和分析。随应力速率的增大,花岗岩的抗压强度依次提高,应力速率越大,岩石的破坏越趋于剧烈;声发射活动伴随花岗岩单轴压缩破坏全过程,在压密阶段及弹性变形阶段,声发射活动不显著,声发射信号较少,而在应力水平达到岩样抗压强度的95%左右时,声发射参数出现剧增;应力速率为30kN/min时,声发射活动最剧烈,且破坏时的累积声发射数也最多。试验结果表明,应力速率对花岗岩的力学特性和声发射信号特性具有显著的影响。     

峰后岩石类材料的声发射特性研究

基于声发射试验系统和岩石声发射理论,对2种不同性质的岩石和水泥砂浆进行了单轴压缩试验,得到了3种试样破坏全过程的力学特性曲线、声发射振铃数和累计振铃数曲线,针对其变形特征及应力、振铃数与时间的关系分阶段进行了研究。研究表明:岩石类材料声发射受岩石强度、节理裂隙和晶粒软硬大小等的影响;部分质软岩石类材料在弹性、弹塑性阶段,其单位时间声发射振铃数逐步增加,但在接近强度峰值时出现声发射相对平静现象;峰后声发射活性主要受岩石的强度影响。对比不同岩石的破坏声发射特性,可为天然和人工岩土工程稳定性评估提供参数。     

岩石受载破坏前兆特征——声发射平静研究

通过岩石加载室内试验方法,测试了不同岩石破裂全过程的力学特征及其声发射特性,得到了岩石破坏全过程力学特性--岩石的全应力应变曲线、声发射事件累积数、声发射事件率等相关曲线及参数,研究了声发射事件数、事件率与应力水平、时间之间的关系。研究着重讨论了一次性加载过程中非脆性破坏的岩石在加载接近峰值强度时单位时间内的应力增长速度减小,也即这一阶段出现明显的耗时现象;并且在此阶段监测到的声发射事件率出现明显下降,出现声发射相对平静阶段。而对于脆性破坏岩石来说,这一阶段则基本不存在明显的“耗时”现象,声发射的监测也没有声发射相对平静期现象。结合室内试验,还对现场岩体失稳破坏声发射监测中的一些问题进行了总结和分析,为更好地应用声发射手段进行岩体稳定性现场监测预报提供了理论依据、方法和手段。     

不同加载条件下花岗岩声发射特征及其岩爆倾向性研究

试验现场取样并利用TYP-500型三轴试验机进行岩石力学实验,借助PCI-2声发射系统记录试件的加载破坏全过程的声发射响应信号;通过声发射振铃计数分析单调加载不同围压、循环加卸载不同围压、单轴不同加载以及三轴不同加载条件下花岗岩声发射特征,发现常规单轴和常规三轴试验岩样声发射规律基本一致;大致均在峰值应力强度的90％左右,声发射累计计数突然增大,可将此作为判定花岗岩破坏的前兆特征;在室内岩石力学试验与现场调研的基础上,基于全应力-应变图,结合冲击能系数判据,确定金源矿区的岩爆倾向性,且用单轴循环加卸载方式来快速判断岩石岩爆倾向性具有一定的参考价值,并可在进一步的研究中将其应用到现场预测当中。     

基于声发射的高松矿田白云岩破坏特征分析

在刚性试验机上,对个旧锡矿高松矿田白云岩进行单轴受压岩石破坏全过程声发射试验,研究岩石破坏全过程力学特征和声发射特征,在此基础上分析石灰岩的破坏机理。试验研究表明:白云岩在加载初期有声发射活动,为原有微裂隙闭合过程中挤压破坏产生;弹性阶段的中期,声发射事件比较稳定;后期和塑性阶段的前期声发射事件明显增加,此时原有裂纹扩展是造成岩石声发射活动和体积变化的主要原因。     

岩石单轴压缩破坏声发射特性试验研究

通过5种岩石试样的单轴压缩破坏全过程的声发射试验,研究了不同岩石受力变形的声发射特性,应力、应变与声发射的关系,应力、声发射与时间的关系。通过试验发现,岩石在单轴受压破坏全过程中都会产生声发射事件,声发射事件的特性与岩石的强度、质密程度、构造面的发育程度等有关;岩石在峰值破坏前的声发射事件数、应力、应变和时间之间的相互关系呈3种典型的类型;部分岩石试样在临近破坏前,其声发射事件率出现明显下降,这种岩石破坏的前兆现象可以用来解释岩体声发射现场监测时,在冒顶、片帮和岩爆等发生前会出现声发射事件反常现象,这对岩体工程稳定性监测预报、提高预报的准确性具有重要的指导作用和应用价值。     

静态压剪载荷下岩石力学特征研究

缓倾斜或倾斜矿体条件下,矿柱通常受压剪外载共同作用。本文使用一套新颖的岩石力学属性测试系统,结合声发射技术,得出花岗岩试样在静态压剪外载条件下力学属性的变化。花岗岩试样的微裂隙起裂应力和微裂隙损伤应力均随着试样倾角的增加呈线性下降趋势。微裂隙起裂应力与峰值强度的比值,在0°～10°倾角范围内基本不变,微裂隙损伤应力与峰值强度的比值当试样倾角增加至10°时逐渐降低。相较于单轴压缩状态,花岗岩试样的峰值强度在试样倾角为5°和10°时,分别下降了13.7%和29.8%,试样的破坏形式逐渐由轴向分离式断裂转变为剪切破坏。建议在矿柱强度经验公式中加入压剪外载下岩石强度这一新的参数,以考虑倾角对矿柱强度的影响。     

加载速率对砂岩和花岗岩声发射事件宏微观形成机制的影响

分析了砂岩、花岗岩在不同加载速率下声发射事件的分布特征,并对有、无声发射事件区域的岩石碎片进行电镜扫描,从宏微观并结合声发射信号特征分析了加载速率对声发射事件形成机制的影响。研究表明:随加载速率的增加,镜面区特征逐渐减弱,即其对应的颗粒间的滑移以及岩石内部微裂隙共同作用产生的破坏变少,同时岩石越易发生脆性破坏,其产生的声发射信号多为连续型(或似连续型),不利于形成声发射事件,所以声发射事件数逐渐变少;对于砂岩,微破坏及小的宏观破坏是声发射事件形成的根源,对于花岗岩,颗粒间的位错是声发射事件形成的根源;花岗岩镜面区特征及范围较砂岩明显,即颗粒间的滑移及微裂隙共同作用更加明显,同时宏观上砂岩的破碎程度和规模也远小于花岗岩,所以砂岩的声发射事件数远少于花岗岩;镜面区特征明显说明颗粒间的滑移以及岩石内部微破坏是岩石的主要破坏组成,所以花岗岩从加载开始便有声发射事件,而砂岩没有。砂岩和花岗岩声发射事件的形成机制有着明显的区别。     

岩石破坏声发射与裂纹尺度增长试验研究

选取内蒙古哈不沁铁矿花岗岩为试验对象,进行了岩石单轴压缩声发射试验,研究采用声发射参量预测岩石破坏裂纹尺度增长的可行性。花岗岩的全应力-应变曲线和声发射各参量曲线分析结果表明,应变的逐渐增加加快了岩石内部聚集的弹性变形能的释放,随着弹性变形能的释放,声发射的幅度、振铃计数、能量等越来越频繁地跳跃,当进入岩石破坏阶段时,声发射参量呈现突发性增长。对比分析了在声发射参量下预测裂纹尺度与实测裂纹尺度的相关性,结果表明,径向破坏裂纹尺度是轴向位移的2倍,且预测值与实测值非常吻合,预测的裂纹尺度能够反映岩石的损伤破裂过程,也能够描述岩石应变的发展过程。     

基于离散元方法的花岗岩单轴压缩破裂过程的声发射特性

结合花岗岩单轴压缩下声发射特性室内试验,采用颗粒流数值模拟试验,对加载过程中声发射特性进行了监测,探讨了单轴压缩下的荷载大小与声发射累积数的变化关系,分析了峰值强度前割线模量的变化规律。研究结果发现：加载过程中,试件内部最早出现剪切裂纹,随着颗粒单元内部应力增加,逐渐出现拉伸裂纹;单轴压缩不同荷载阶段对应了4个不同的声发射释放阶段,峰值强度后期出现大量振铃,且累积数较峰值强度前的累积数高;试件的弹性模量变化幅度随模拟时间步增大而逐渐降低,于某特定值浮动。研究成果可为岩石声发射特征研究提供参考。     

基于数字图像处理的含不同开度裂隙组合花岗岩破裂规律研究

为了研究不同开度裂隙组合花岗岩破裂规律,通过RFPA-DIP数值模拟软件,基于花岗岩真实细观结构建立含不同开度裂隙组合模型,进行单轴压缩数值试验。分析了模型的应力-应变曲线特征,峰值强度特征,裂纹扩展规律和声发射特征。结果表明：应力-应变曲线上升与跌落次数随裂隙开度的增加而增多;1 mm裂隙随着加载的进行而闭合,对模型力学特性影响较小;当两裂隙开度大于或等于2 mm时,出现岩桥区成核现象;开度较大的裂隙其裂纹扩展优先于开度较小裂隙;随着开度增加,峰值抗压强度、裂纹贯穿时声发射次数和总次数呈减小趋势。研究结果对含裂隙岩体地下工程建设具有一定的参考价值。     

含雁行裂纹砂岩静态加载速率效应实验研究

为研究裂隙岩体的静态加载速率效应,以含预制雁行裂纹砂岩为实验对象,测试了不同加载速率下试样的力学性质、破裂模式、能量耗散及声发射响应特征,综合声发射定位和裂纹扩展演化录像,分析了裂纹扩展演化过程及加载速率效应机制。结果表明:(1)裂隙砂岩受载过程存在着明显的静态加载速率效应。随着加载速率的升高,试样峰值强度、峰值应变、起裂应力、峰值处积累的弹性能和声发射计数峰值均逐渐增大但增幅放缓,弹性模量呈现出先增大后减小趋势,累计声发射总计数则逐渐减小。(2)试样新裂纹的起裂萌生均对应着应力的局部下降、耗散能的突升及声发射的高值响应。(3)加载速率较小时,试样沿一条预制裂纹扩展、滑移而形成剪切型破坏;当加载速率较大时,试样最终破坏模式为裂纹岩桥贯通,并由裂纹外端沿与加载方向平行扩展而成的拉破坏。研究结果为深入认识煤岩动力灾害的力学响应机制及揭示其演化过程提供了有益的参考。     

岩体失稳过程中的声发射监测研究

对大红山铜矿岩样进行了单轴压缩和劈裂试验,研究岩样在加载过程中的声发射特征。同时,对该矿2个盘区进行了盘区顶板的声发射监测,探索岩体的破坏机理和预测破坏的方法。根据室内试验与1 a多的现场监测发现,室内岩样破坏过程中声发射特性与现场监测中出现的点柱垮落、采场顶板冒落现象的声发射参数规律相似。声发射活动从平静到剧增且维持较长时间的变化可视为岩体失稳的前兆信息之一。     

基于颗粒流的砂岩三轴破裂演化宏-细观机理

以重庆地区砂岩的三轴压缩试验应力-应变曲线为基准,完成了二维颗粒流PFC2d数值砂岩试样的细观参数标定。针对0.5~20 MPa围压下数值砂岩在双轴试验中的宏观力学响应,从试样内部位移、3种类型裂纹(总裂纹、拉裂纹和剪裂纹)的数目演化和角度分布等细观层面进行了解释。研究结果表明：PFC2d数值试样能代表物理砂岩的主要宏观力学特性;试验过程中,试样内3种裂纹数目均呈“S”型累积,其突变点与宏观应力-应变曲线的弹、塑和破坏特征点对应;随着围压增大,由试验过程中剪裂纹始终占主导逐渐变为拉裂纹始终占主导,拉裂纹的占比逐渐增大;对于整个试样和破裂带,破裂带内拉裂纹的占比始终高于整个试样;总裂纹和剪裂纹角度分布的主方向明显,与加载方向相同;拉裂纹的角度分布较为均匀,在加载方向、破裂面及共轭破裂面方向的集中度相对明显。     

基于声发射监测的双轴加载岩石破裂研究

选取中粗粒花岗岩,应用声发射技术,通过施加不同侧向压力,对双轴加载方式下花岗岩试样破裂过程中的声发射序列特征进行研究,着重分析了抗压强度、声发射活动特征与侧向压力的关系。研究表明：侧应力增大了竖向抗压强度,加载端临界侧向应变是侧向应力影响竖向抗压强度的关键。当加载端临界侧向应变为正值,即试件在该方向受拉时,侧向应力对竖向抗压强度的增强起到正作用;反之,起负作用。同时,侧压力对声发射序列特征影响也比较明显。侧压力较小时,岩石在加载初期只有较少的声发射事件,在破坏前出现大量的声发射事件,声发射序列在应力峰值前表现为单峰型;侧应力较大时,较小的应力扰动即可诱发微裂隙的产生和发展,产生较多的声发射事件,致使声发射序列表现为群震型。这对于岩石破裂失稳预报很有意义。     

三点弯曲条件下不同层理面强度对裂纹扩展过程的影响

煤矿、页岩气开采等工程均涉及到层状岩体力学问题,层状岩体的裂纹破裂模式直接决定了工程施工稳定性及能源高效开发利用。为了揭示层理面强度性质对裂纹扩展过程的影响,利用ABAQUS模拟软件,通过全局嵌入0厚度cohesive单元的方法,创建了与最大主应力方向垂直的层理面,并且基于页岩XRD矿物成份分析结果,利用Python语言对软件进行二次开发,实现了页岩的层理各向异性与矿物颗粒非均质性。通过控制层理面的强度参数,研究了在三点弯曲条件下,层理面强度性质对裂纹扩展过程的影响。通过MATLAB编程处理模拟结果,实现了加载过程中的声发射(AE)模拟,根据声发射定位图和声发射能量数据,进一步分析了裂纹破裂类型及动态扩展过程。结果表明:层理面抑制了裂纹沿着最大主应力方向扩展,层理面强度越弱抑制效果越强;层理面强度较弱时,裂纹先从层理界面处起裂,产生顺层横向裂纹,阻隔应力波的传递,导致预制裂纹尖端应力场波及范围变小应力集中程度变强;层理面的存在导致裂纹扩展路径复杂,穿层破裂与顺层破裂交替出现,裂纹表现为断续位错式的破裂特征,层理面强度与最大主应力共同决定了裂纹路径;穿层破裂主要沿着最大主应力方向产生,表现为拉张破裂类型,顺层水平迁移裂纹表现为剪切破裂类型;层理面强度越弱,克服顺层破裂所需能量越大,峰值载荷越大;层理面强度与声发射事件数呈负相关性,层理面越弱声发射事件数越多,拉张、剪切破裂越多,顺层裂纹长度越长。     

尖端相交裂隙砂岩强度与破裂演化特征试验研究

岩石中裂隙的分布形态对岩石力学特性的影响极为显著。通过对含尖端相交裂隙砂岩试样进行单轴压缩试验,研究了2条相交裂隙分布方向角β和夹角α对砂岩强度、变形及破裂演化特征的影响。试验结果表明:随着β角的增大,试样峰值强度逐渐增大,平均模量先增大后减小。当β角为0°时,试样表现为双裂隙外尖端贯通破坏,当β角在30°~45°之间时,试样表现为单裂隙外尖端开裂破坏;当β角在60°~90°之间时,试样表现为双裂隙外尖端独立开裂破坏。随着β角的增大,裂隙内尖端的裂纹发育程度逐渐减弱。随着α角的增大,试样峰值强度逐渐减小,平均模量表现出先减小后增大再减小的趋势,当α角在30°~60°之间时,试样表现为单裂隙外尖端开裂破坏;当α角在90°~150°之间时,试样表现为双裂隙外尖端开裂破坏。随着α角的增大,裂隙内尖端裂纹发育程度逐渐减弱直至无裂纹产生。利用声发射仪记录了试样加载过程中的声发射特征,结果表明AE事件数主要集中在峰值和峰前非线性段,宏观裂纹的起裂、扩展和贯通都会产生明显的AE事件。     

煤的直接拉伸力学特性及声发射特征试验研究

为探究直接拉伸荷载作用下煤岩力学特性和损伤演化特征,使用MTS815岩石力学测试系统及PCI-Ⅱ声发射测试系统,对原煤试件进行单轴直接拉伸和实时声发射测试,分析了煤的直接拉伸力学特性及声发射特征,建立了基于声发射的损伤模型。试验结果表明：因煤体孔隙裂纹分布差异,抗拉强度离散性明显,试件平均抗拉强度为0.66 MPa;随拉伸荷载持续作用,煤体损伤累积,试件峰后承载能力逐步下降,但仍保持一定的抗拉承载能力。煤体声发射事件在峰值应力区附近沿破坏面急剧增加和汇合,预示了宏观裂纹面的形成和煤体破坏的发生;峰后试件振铃计数率和声发射能率阶段性反复升降,试件破坏进程逐步推进;声发射测试可良好展示煤体直接拉伸荷载条件下损伤出现、发展和导致破坏的完整演化过程。     

考虑加载速率效应的尾砂胶结充填体细观声发射特征研究

尾砂胶结充填体作为人工水泥基材料具有显著的加载速率效应,且充填体的变形破坏与声发射特性密切相关。为研究不同加载速率下充填体的细观声发射（AE）特征,本文对尾砂胶结充填体开展了一系列单轴抗压强度测试,确定了强度演化规律,借助颗粒流程序（PFC2D）从细观角度分析了充填体的裂纹演化和细观AE特征,结合能量守恒理论,探讨了充填体的加载速率效应。结果表明：1）充填体的单轴抗压强度与加载速率呈正相关,两者呈二次多项式函数关系。2）数值模拟结果显示,提高加载速率增加了充填体的起裂应力,提前了裂纹萌生的时间并增加了破坏后的总裂纹数,且随着加载速率提高,充填体的破坏模式逐渐由剪切破坏转变为拉剪混合破坏。3）细观AE事件-时间步曲线经历初始期、平静期、缓慢上升期、快速上升期和快速下降期,与试验获得AE特征高度一致。在峰值应力之前AE事件较少,AE事件密集带不明显,在峰值应力之后AE事件以及较大震级的AE事件迅速增加,形成相互贯通的AE密集带。4）边界能、应变能、耗散能与加载速率呈正相关关系,较高的加载速率对充填体裂纹萌生、扩展有一定的阻滞作用,促使试样的储能极限增加,进而改善了充填体的强度性能。然而,峰前较高的能量积累也将导致峰后阶段能量快速释放,对应的细观裂纹数量增加。研究结果可为充填体的加载速率效应和细观声发射特征研究提供参考依据。