动静载荷作用下含孔洞硬岩损伤演化的核磁共振特性试验研究

为研究含孔洞的岩石在动静载荷作用下的细观结构损伤破坏规律,对含圆形和方形孔洞的花岗岩试样分别进行不同轴向预静载、相同冲击动载下的霍普金森压杆试验,并对动静加载前后的试样进行核磁共振(NMR)测试,得到花岗岩试样的弛豫时间T2谱曲线、核磁孔隙度和核磁共振图像等特性参数。试验结果表明,随着轴向预静载的增大,花岗岩受动力扰动作用后的T2谱峰值、谱面积以及核磁孔隙度均逐渐增大,岩石内部的损伤程度不断加剧,且当预静载大于10 MPa时,动力作用下岩石的损伤劣化特性表现得越来越敏感。对比分析含圆形和方形孔洞试样的核磁共振特性试验结果,发现相同荷载条件下方形孔洞试样的损伤程度均大于圆形孔洞试样,这一规律在预静载大于10 MPa时表现得更突出。核磁共振图像直观反映出孔洞花岗岩在动静载荷作用下岩石内部的孔隙结构和损伤劣化的演变规律,为揭示深部硬岩巷道的动力破坏机制提供有意义的试验指导。     

基于核磁共振技术的岩石孔隙结构冻融损伤试验研究

 为研究岩石在冻融循环作用下的孔隙结构损伤特性,选取寒区花岗岩为岩样,在冻结温度为－40 ℃,融解温度为20 ℃条件下,分别进行3轮冻融循环试验,并对每轮冻融循环后的岩样进行核磁共振(NMR)测量,得到同一块岩样不同冻融循环次数后的孔隙度、横向弛豫时间T2分布及核磁共振图像(NMRI)。结果表明：花岗岩的T2分布主要为3个峰,随着冻融循环次数的增多,岩石的孔隙度、核磁共振T2谱分布和T2谱面积均会增大,但每个岩样的增大幅度均不同,反映出冻融循环作用下岩石中孔隙的发育和扩展特性;核磁共振图像显示同一块岩样在不同冻融循环次数后的内部微观结构分布,动态地显示岩石的冻融损伤过程。冻融循环条件下岩石核磁共振特征为岩石冻融损伤机制研究提供可靠的试验数据。     

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。     

循环荷载作用下含缺陷岩石破坏特征试验研究

 采用水泥砂浆材料和充填材料模拟含缺陷岩石,分别对含孔洞、柔性充填物及刚性充填物试样进行低周疲劳试验,观察含缺陷试样的疲劳破坏特征,得出含缺陷试样的轴向不可逆变形阶段性规律,研究不同缺陷对岩石类材料的疲劳寿命、疲劳裂纹萌生及其扩展的影响。试验结果表明：循环荷载作用下含缺陷岩石试样的轴向不可逆变形经历初始变形、等速变形以及加速变形3个阶段;含缺陷试样疲劳裂纹首先在有较大应力集中的缺陷与基体材料界面边缘处萌生及扩展;在相同循环加卸载条件下,预制孔洞直径越大,对应的孔洞试样疲劳寿命越短;刚性充填物试样最容易发生疲劳破坏,孔洞试样次之,柔性充填物试样疲劳寿命最长。     

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。     

花岗岩在化学溶蚀和冻融循环后的力学性能试验研究

通过研究花岗岩在不同化学溶液（水、NaOH溶液和HNO₃溶液）中浸泡并冻融循环后的力学性能,分析了花岗岩在不同化学溶液中溶蚀及经历不同冻融循环次数后,在单轴压缩作用下基本力学性能的变化规律;从微观力学和化学机理出发,探讨了化学溶蚀和冻融循环对花岗岩的损伤机理;通过定义损伤变量,定量分析了花岗岩的损伤程度。试验结果表明,在水、NaOH和HNO₃溶液中,随着冻融循环次数的增加,花岗岩的相对杨氏模量呈指数函数减小,峰值应力损失率呈幂函数增加;轴向峰值应变按Guass函数变化。随着冻融循环次数的增加,HNO₃溶液中的花岗岩初期损伤劣化较大,后期损伤劣化较小,而NaOH溶液中的花岗岩初期损伤劣化较小,后期损伤劣化较大。岩石冻融损伤的过程本质上是温度产生的应力,使岩石损伤劣化的过程;同时化学溶蚀对岩石产生化学损伤作用,与冻融损伤相互促进,共同影响岩石的损伤劣化。     

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。     

充填节理岩石累积损伤动力压缩特性试验研究

充填节理的动态力学特性及其对应力波传播规律的影响是岩体工程响应和安全性评价的重要依据。由于现有对充填节理岩石累积损伤及动力强度弱化特性研究较少,研究对人工充填节理岩石试样展开了系列试验,分析了岩样累积冲击作用下的损伤演化规律及其对动态力学性能的影响。首先,利用简易落锤冲击装置对岩样进行多次预冲击试验,通过波速变化分析了充填节理岩样的累积损伤变化规律。在此基础上,对不同次数预冲击作用后的充填节理岩石试样进行了SHPB动态冲击破坏试验。通过试验结果,分别从岩样的强度变形特征、波传播特性以及能量耗散等方面分析了累积预冲击作用对充填节理岩石动态力学性能的影响。     

一维动静组合加载下岩石冲击破坏试验研究

 利用研制的岩石动静组合加载SHPB试验装置,系统研究岩石在一维动静组合加载下的冲击破坏特性。首先按照一维应力波传播理论,对动静组合加载的试验原理进行理论论证。试验过程中预先在轴向施加不同载荷,按照静载强度的20%,30%,40%,70%,80%和90%等6个系列进行,然后沿轴向进行冲击加载,考察岩石的临界破坏承载强度。研究结果表明：在临界破坏的情况下,动态冲击的应力–应变曲线(包括常规冲击和动静组合加载)最后都会出现总应变减小的现象,这是由于冲击过程中岩石内部储存弹性能释放所致。在轴向静压较小时,岩石的组合加载应力–应变曲线跟常规的冲击试验曲线类似;轴压较大时,岩石的组合加载应力–应变曲线没有初始的近似线弹性段,直接从非线性段开始。随着轴向静压的增大,岩石的抗冲击强度呈现出先增大后减小的趋势,大约在静载强度60%时,抗冲击强度达到最大值。在入射能较小时,岩石吸收的能量会缓慢增加,在入射能较高时,岩石吸能会快速增加。常规冲击下岩石的临界破坏模式为劈裂形式,动静组合加载下呈现压剪形式。     

岩石动静组合加载力学特性研究

 根据深部岩石力学研究的需要,在分析深部开挖中岩石受力特点的基础上,提出岩石动静组合加载问题。通过对多载荷凿岩机、INSTRON系统、SHPB装置的不断改进和尝试,研制出中高应变率段岩石动静组合加载试验系统,该系统可实现岩石轴向静压0～200 MPa、围压0～200 MPa和冲击动载0～500 MPa的同时加载。基于新研制的试验系统,对岩石在不同动静组合加载下的强度特性、破碎规律及吸能效率进行研究。结果表明：冲击动载一定,轴向静压从0增大到其单轴静压强度70%时,岩石的组合加载强度大于其纯静载强度或纯动载强度。轴向静压不变,随着冲击动载的增大,岩石的组合加载强度逐渐增大,表现出率相关性。动静组合加载下,岩石的破坏呈拉伸破裂模式,岩石的破碎块度在冲击动载或轴向静压增大时都向细粒端发展。岩石的吸能率随着动静组合加载的不同而不同,通过选择合适的动静组合加载,可使岩石的吸能率最大。     

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。     

新疆天湖花岗岩的一维动静组合拉伸特性研究

基于SHPB装置,设计了岩石动静组合加载试验系统。根据SHPB装置的理论基础,即弹性杆中一维应力波传递及试件应力均匀化,系统阐述了基于SHPB装置岩石在动静组合加载下的适用性,并针对高放废物地质处置新疆预选区天湖地段的钻孔花岗岩岩芯,开展了一系列的动静组合加载试验。动静组合拉伸加载下,随着轴向静压的增大,岩石的抗冲击强度呈现出先增大的趋势。大约在静载抗拉强度的50%时,抗冲击拉伸强度达到最大值。并且,随着轴向静压的增大,岩石的动静组合拉伸强度亦随之快速增大,最大可达到静载强度的3倍,抗冲击动载的1.5倍。试验结果表明,在冲击破坏情况下,岩石组合加载破坏模式呈现拉伸破坏,与静态拉伸破坏及一般冲击下的劈裂破坏特征基本一致。通过系列的动静组合拉伸加载,能够得到不同轴向静压及不同冲击动载下,岩石承受的临界动载荷值,进而可以确定一个施加动载荷大小的安全范围,这对于深部地下工程的爆破开挖,具有一定的理论指导意义。     

基于核磁共振技术的白云岩微观损伤致劣机制研究

为探究静力加载下白云岩的微观损伤致劣机制,结合核磁共振驰豫机制和T₂谱驰豫信号特征,提出一种多谱峰正态数学模型;同时,通过三轴压缩试验前后的核磁共振检测信号对模型进行验证,结合试验前后核磁共振驰豫信号特征及核磁成像技术,从核磁共振 T₂ 弛豫谱信号和孔隙孔径分布特征分析岩石内部微观孔隙结构的损伤致劣机制。结果表明：(1) 所提出的数学模型能够较为完整的表征核磁共振驰豫信号信息,反演拟合度R~2 = 0.99,结合岩石宏观破坏时的核磁驰豫信息,利用所提出的数学模型可定量评价岩石的损伤状态;(2) 通过岩石压缩破坏试验前后的核磁共振检测结果对比分析,岩石破坏前,岩样核磁共振检测呈现典型的 3 个谱峰,小孔隙和中孔隙连通性较好,大孔隙分布较少;岩石宏观破坏后,中、大孔隙连通性显著增强,中孔隙和大孔隙具有典型“靠拢–合并”特征,破坏后大孔隙和中孔隙 T₂ 谱谱峰面积与总谱峰面积之比超过 90%,宏观损伤值 D>0.9;(3) 岩石在不同围压作用下破坏时,内部孔隙结构的核磁驰豫信号特征表现基本一致,均为大孔隙分布为主导...     

温–压耦合及动力扰动下岩石破碎的能量耗散

 采用自行研制的温–压耦合及动力扰动试验系统,在4个温度等级(20 ℃,100 ℃,200 ℃,300 ℃)且每个温度等级的试样分别施加0,20,60,80 MPa的轴向静压力,对砂岩试样进行冲击试验。基于常规的霍普金森杆压缩试验中的能量耗散原理,计算出不同温度作用下动静组合加载岩石试样的能量耗散规律。结果表明：当动载荷保持不变,岩样在温度为20 ℃,200 ℃和300 ℃且预压力为20 MPa时,能量吸收率最大;而岩石试样作用温度为100 ℃时,当冲击载荷不变,不加轴压(轴压为0 MPa)时的能量吸收率最大。研究结果有助于研究高温、高应力作用下岩石破碎机制,为研究高温作用下岩体工程起到一定的参考作用。     

静载对节理煤岩体动态力学特性和应力波传播的影响

为研究地应力和节理作用下煤岩体的动态力学特性和应力波传播规律,利用改造的动静组合加载SHPB装置,针对人工构造节理试样,研究不同静载(0,2,4,6和8 MPa)和不同节理吻合系数(JMC:0.8,0.9,1.0和无节理)煤样的动态力学特性和应力波传播规律。试验结果表明：随节理吻合系数减小,反射波振幅呈现增大趋势,透射波振幅呈现降低趋势;随着静载从0 MPa增大到8 MPa,不同节理吻合系数试样的透射系数均呈现增大趋势,且节理吻合系数越小,透射系数增加值越大,静载对低节理吻合系数试样的透射系数影响更为明显;峰值应力随静载增大而增大,而峰值应变反之;节理比刚度和动态模量均随静载增大呈现增长的趋势,表明静载的存在抑制节理煤岩体劣化作用。基于应力–应变关系和标准线性固体模型分析验证了试验结果,随静载和节理吻合系数增大,地震波品质因子增大,试样耗散能量减少。研究认为在地下工程中应更为重视节理和静载共同对应力波传递特性的影响。     

动力扰动下预静载硬岩断裂的增韧和减韧效应

为了研究预静载条件下硬岩受动力扰动的断裂特性变化规律,采用大理岩制作中心直裂纹半圆盘(semicircular bend,SCB)三点弯曲试样,在MTS Landmark电液伺服试验机上,进行预静载下的循环加卸载和不同扰动频率的岩石断裂韧度测试试验,发现硬岩断裂的增韧和减韧效应。在获得岩石静载断裂载荷的基础上,设定预静载上限为常规静载断裂载荷值的90%,首先进行循环加卸载试验,循环加载次数分别为5,10,20,40,80,100和167次;然后进行不同扰动频率下预静载岩石的断裂韧度测试试验,采用半正弦波动力扰动加载方式,波动幅值为10%静载断裂载荷值,加载频率分别为1,10,20和30 Hz。研究结果发现:(1)随着循环次数的增加,SCB试样断裂韧度显著增加(循环40次为最高点,增加幅度为常规断裂韧度的19%),然后逐渐减小并收敛于定值(大约循环80次数后趋于收敛,最后的增加幅度为常规断裂韧度的11%),整体趋势具有增韧效应;(2)在动力扰动条件下,岩石断裂韧度值较常规条件下有较大幅度减小(1 Hz频率下减小幅度为常规断裂韧度的9%),并且随着扰动频率的增加,岩石断裂韧度呈线性减小的趋势,整体趋势具有减韧效应。因此,在预静载为常规静载断裂载荷值90%条件下,循环加卸载只会增加岩石的断裂难度,高频扰动却有利于岩石的断裂破坏。上述研究规律为深部硬岩非爆破连续开采提供了一定的理论启示。针对深部高应力硬岩,采用诱导方式适当增加应力集中程度使围岩进入临界破坏阶段,进而开发具有高频振动加载的破岩机械进行采掘,可以在一定程度上提高高应力围岩的破岩效率。     

冻融循环条件下岩石核磁共振特性的试验研究

 为研究岩石在冻融循环作用下微观结构的变化特征,选取寒区花岗岩为试样,在冻结温度为－40 ℃,融解温度为20 ℃条件下分别进行0,10,20,30和40次冻融循环试验,并对冻融循环后的岩样进行核磁共振(NMR)测量,得到不同冻融循环次数后岩样的横向弛豫时间T2分布及核磁共振成像图像。结果表明：花岗岩的T2分布主要为3个峰,第一个峰和第二个峰的面积之和占全部峰总面积的98%以上,表明微孔隙占绝大多数;在经历10,20,30和40不同冻融循环次数后,岩石的T2谱面积发生了明显变化,孔隙率分别增大了14.0%,0.9%,16.2%和1.6%。核磁共振图像显示冻融循环后岩样的孔隙空间分布情况。冻融循环条件下岩石核磁共振特征的变化规律,为岩石冻融损伤机制研究提供可靠的试验数据。     

不同预静载硬岩在动力扰动下断裂特性的试验研究

 为了研究不同预静载水平下硬岩受不同扰动频率载荷的断裂特性变化规律,采用红砂岩制作中心直裂纹半圆盘三点弯曲试样(Semi-Circular Bend,SCB),利用MTS Landmark电液伺服试验机,开展“不同预静载+动力扰动”下砂岩的断裂韧度测试试验。以岩石静载断裂载荷为基础,选取4个预静载水平(60%,70%,80%和90%的静载断裂载荷)作为初始静载状态,之后分别施加扰动载荷直至试样断裂。扰动加载方式采用正弦波载荷,加载波幅值依次为静载断裂载荷的40%,30%,20%和10%,设置扰动频率分别为1,10,20,30,40和50 Hz。研究结果表明,不同预静载水平下岩石的断裂韧度值较常规加载下都有不同幅度的减小,并且随着扰动频率的增加,岩石断裂韧度呈线性减小的趋势。但不同预静载水平之间的减韧效应存在差异性,预静载水平越高,减韧幅度越大。与常规加载条件下相比,预静载水平下的断裂位移整体具有减小的趋势。岩石扰动断裂点的分布区段具有明显的集中性,当预静载水平低于90%时,断裂点位于预应力水平之上的加载段,而当预静载水平为90%时,断裂点多数位于预应力水平之上的卸载段,并且基本上没有断裂破坏发生在预应力水平之下。断裂疲劳寿命随扰动频率的增加出现先增大后减小再增大的趋势,整体呈增加趋势。断裂破坏时间跟预静载水平、扰动频率之间的相关性不明显。综合考虑认为,扰动频率为10 Hz时达到相对最优的致裂效果。     

预制裂隙花岗岩动静组合加载力学特性和破坏规律试验研究

为了研究动静组合加载下深部含裂隙岩体的力学特性和破坏规律,选用花岗岩加工制备50 mm×50 mm含裂隙的圆柱形试样,采用改进的霍普金森压杆装置,进行6个典型轴压水平和3个冲击气压水平的动静组合加载试验,并借助三维数字图像相关技术(3D-DIC)记录并分析试样的变形破裂过程。试验结果表明,裂隙的存在降低了花岗岩试样的抗压强度;随着轴压的增大,试样动态强度和动态弹性模量整体呈先上升后下降的趋势,组合强度基本呈上升趋势,动态应变则呈下降趋势;随着冲击气压的增大,试样动态强度和组合强度均增大,表现出显著的应变率效应。试样的能量吸收率随轴压增大呈先上升后下降的趋势,但在常规静载轴压比0.6～0.7时转而释放能量,并且轴压越大,释放能量所需的冲击气压越小,表现出硬岩岩爆特征;随着冲击气压增大,试样能量吸收率有所下降。对于完整试样,局部高应变先在试样端部集中并形成拉伸起裂裂纹,最终呈劈裂拉伸破坏;对含预制裂隙试样,局部高应变大多先在裂隙尖端或附近集中并形成翼裂纹,最终在轴压0～30 MPa动静组合加载下呈拉剪复合型破坏,但受端部效应影响,在轴压50～70 MPa动静组合加载下,裂隙尖端会形成2条近...     

动静组合载荷作用下岩石破碎数值模拟及试验研究

运用 ANSYS 软件对花岗岩 在单一静载、动载和动静组合载荷作用下的破坏过程进行了数值模拟分析。结果表明：静载破岩时岩石中的裂纹扩展范围比冲击破岩时广,形成的破碎角大;冲击载荷破岩时岩石中的裂纹扩展速度比静载时快,形成的破碎角较小;动静组合载荷破岩时破碎深度和裂纹扩展面积比单一静载或动载时均大,破岩效果优于单一加载模式。在多功能岩石破碎试验装置上对花岗岩分别进行了单一静载、冲击载荷和动静组合载荷破岩试验,进一步表明动静组合载荷破岩在破碎深度、破碎体积和破岩比能方面比静力压入或单一冲击具有明显的优势,能大幅度提高破岩效果。不同的动静组合载荷存在不同的破岩比能,合理选取动静载荷的比值,可使破岩比能最小,破碎效果达到最优。