不同加载速率下深部砂岩的声发射与破裂响应特征

为探究深部砂岩破裂演化特征与加载速率的相关性,开展了3种加载速率下的单轴压缩声发射监测试验,深入分析了加载速率对深部砂岩微破裂集聚成核机制和多类型破裂源演化特征的影响。研究结果表明,在不同加载速率下,深部砂岩的声发射参数(声发射计数与幅度)曲线的演化趋势具有一致性,随着加载速率的增加,声发射累计计数与累计幅度呈现减小的趋势;试样在不同加载速率下的时空演化特征具有一定的相似性,在不同的变形阶段,岩样内部多类型破裂源的占比不尽相同,在裂纹扩展阶段前,多类型破裂源占比情况受加载速率的影响较小,当岩样进入裂纹稳定扩展阶段后,随着加载速率的提高,剪切型破裂源占比趋于减小,张拉型与压缩型破裂源占比趋于增加;不同加载速率下岩样的声发射矩震级与频次关系均服从正态分布规律,声发射b值随着加载速率的增加逐渐减小,声发射矩震级中值随着加载速率的增加呈缓慢增加的趋势,加载速率可以增大试样内部破裂源的整体强度。     

双轴加载下花岗岩破裂过程声发射b值特征研究

基于声发射定位技术和声发射事件震级算法,对在双轴加载条件下岩石破裂声发射b值变化规律进行试验研究。研究结果表明：双轴加载试验中,岩样声发射b值变化规律与单轴加载b值变化规律相似,先随应力增大而增大,之后随应力增大而减小;侧向压力的变化对声发射b值均值的大小影响不明显,但对加载过程中b值的波动范围有明显影响;随着侧向压力的增大,声发射b值峰值出现在较低应力区间,与单轴加载试样破坏前才出现b值下降规律不同,双轴加载岩石的b值变化规律应充分考虑侧向压力的影响,这对应用b值预报双轴加载条件下岩石的破坏具有重要意义。     

含孔洞岩样破裂过程研究

岩石是典型的非均匀脆性材料,其内部富含各种缺陷,在受载破裂过程中会产生大量的声发射信号。在实验室内单轴加载条件下,应用声发射监测系统以及应力分析软件(三维岩石破裂过程分析系统,RFPA3D),研究分析了不同孔洞数目岩石试样破裂机理以及其破裂过程中的行为特征。     

含孔洞岩样破裂过程研究

岩石是典型的非均匀脆性材料,其内部富含各种缺陷,在受载破裂过程中会产生大量的声发射信号。在实验室内单轴加载条件下,应用声发射监测系统以及应力分析软件（三维岩石破裂过程分析系统,RFPA3D）,研究分析了不同孔洞数目岩石试样破裂机理以及其破裂过程中的行为特征。     

矿柱破裂过程中的声发射活动时空演化特征研究

矿柱及其稳定性一直是采场稳定性研究的核心,通过应用花岗岩样人工制作三组矿柱物理模型,应用声发射仪器监测矿柱破裂过程及其声发射活动时空演化特性。结果表明:在加载的初始阶段,声发射定位事件在矿柱内部比较零乱;随着荷载的增加,在矿柱内部破裂面的声发射事件逐渐聚集、成核、剪切宏观裂纹。在整个加载过程中,声发射撞击数在弹性变形后期及即将产生塑性破坏时达到两个峰值点,在弹性变形后期产生的声发射撞击数峰值点振幅多在50 dB,在矿柱承载达到其峰值应力的90%时,声发射撞击数达到最大峰值,此后声发射撞击数逐渐减少,但大幅值(80～100 dB)声发射撞击数不断增加,宏观裂纹逐渐贯通,即将产生破坏,该实验结果对实验室预测岩石试件的破坏具有一定的指导意义。     

基于声发射实验岩石破坏前兆特征研究

在单轴加载条件下,进行岩石破裂失稳全过程声发射实验研究,得到岩石破裂过程中的应力-应变曲线、声发射参数与时间的关系。选取累计AE数、AE能量释放率、震级-频度关系中的b值随时间的变化规律研究了岩石失稳破坏的前兆信息。结果表明：在初始加载阶段,声发射数量很少;在岩石弹性变形阶段后期和塑性变形阶段,累计声发射数快速增加;声发射能量在岩石破裂过程中相当长的一段时间内保持低释放率,而在破坏前释放明显;在岩石失稳破坏前,b值出现快速下降现象,多数岩石试件声发射b值岩石破坏前下降到最低值。这些前兆特征可以为现场岩体声发射监测预报技术的应用提供依据,以提高岩体稳定性监测预报的准确率。     

循环载荷下深部花岗岩的破坏机理研究(增刊)

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。     

岩体破裂变形过程中AE时序特征研究

对室内岩石声发射试验的事件率与应力关系曲线、事件时序分布进行了分析,研究了岩体破裂变形过程与声发射事件时序分布特征之间的相关规律。现场监测结果表明,岩体破裂变形过程中的声发射信号是随机的,非周期性的,随着地质环境等改变而改变;岩体声发射事件主频时序参数突变,由小突然增大,或是在连续增加时突然减少,都是临近破坏的征兆,可作为预测、预报岩体破裂失稳的依据。     

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。     

含两组交叉节理砂岩强度及破坏特征离散元分析

为研究含两组交叉节理岩体强度及破坏特征,采用一组经室内试验标定的砂岩细观参数,建立含两组交叉节理岩体颗粒流模型,进行单轴压缩和三轴压缩模拟。基于模拟结果,分析了节理数量、节理倾角和围压对含两组交叉节理岩体强度及破坏特征的影响。结果表明：① 与完整岩石相比,节理岩体强度明显降低。峰值强度随着节理数量的增加近似线性减小,随着节理倾角的增大呈先减小后增大非线性变化趋势,而随着围压的增大而提高;② 节理岩体表现为张性破坏、沿节理滑移破坏、穿节理剪切破坏、张性滑移破坏及剪切滑移破坏等5种破裂模式;③ 节理数量增加会加剧试样破坏程度,但不改变其破裂模式。单轴压缩下,当节理倾角较小时主要发生张性破坏,随着倾角的增大,表现为张性剪切或沿节理面滑移破坏。在围压作用下,试样表现为剪切破坏或剪切滑移破坏。最后从细观层面探讨了节理岩体宏观裂纹的细观位移场分布特征。     

基于断裂力学的危岩支撑-锚固联合计算方法

危岩是山区及开挖边坡表面广泛分布、致灾严重的一种地质灾害,在岩腔比较发育时可采用支撑-锚固联合治理技术予以有效防治。通过将作用在危岩体上的荷载变换为作用在主控结构面的法向力、切向力和弯矩,基于断裂力学方法建立了主控结构面尖端岩石断裂角和联合断裂强度因子计算方法,提出了危岩稳定系数计算式;运用断裂力学建立了危岩支撑力和锚固力计算方法,提出了确定支撑体断面尺寸和锚杆数的方法。实例分析显示了这种方法的合理性和有效性,是对相关技术规范的有效补充和完善。     

含弱面岩体拉伸破坏形式及声发射特性研究

金属矿山开采过程中的弱面岩体工程结构极易发生拉剪破坏。为了探究含弱面岩体支护方式与弱面角度的关系,对预制弱面的砂岩进行不同角度的抗拉试验。结果表明：①含弱面拉伸试验试样主要有 2 种破坏形式,剪切拉伸复合破坏和拉伸破坏;②弱面深度为 10 mm,弱面与加载方向的夹角为 70°时,预制弱面试件能承受的抗拉强度最大,当预制弱面深度增大时,圆盘试件承受的峰值抗拉强度会随着角度前移;③弱面角度会影响试件劣化过程,当弱面深度为 15 mm,弱面与加载方向为 50°时,试件会发生突然性断裂,具有一定的岩爆倾向性;④含弱面岩体破坏模式与其内部的不同角度弱面有密切关系。进行室内含预制弱面试件抗拉强度实验,可为含弱面岩体的现场施工提供指导建议。     

基于最大值的岩层断裂监测机理与方法研究

研究由矿山开采引起的覆岩断裂,可探究地表沉陷的原因及覆岩断裂与地表沉陷的时空关系。从岩层断裂时诱发的微震现象入手,利用微地震定位原理,建立微震计算模型。在获得微波同时不考虑振幅、频率与能量的基础上,只要每个检波器能够检测到的是同一性质的最大值时刻,就可以实现岩体断裂（震源）的空间定位,从而利用最大值达到时刻来确定岩体断裂的即时位置,确定微震波速,进而研究地表沉陷的内部原因。     

含孔洞层状砂岩动态压缩力学特性试验研究

隧道、矿山巷道和硐室等地下岩石工程中揭露的层状岩体往往具有不同的产状,层理弱面的方向与主要动荷载作用方向存在多种组合,相应的动态各向异性力学特性和变形破坏特征对地下岩石工程安全稳定具有至关重要的影响。针对冲击载荷下倾斜层状岩体中巷道围岩稳定性问题,选取一种层理构造显著的黄砂岩,其中层理倾角φ为层理面与加载方向之间的夹角,加工制备倾角分别为0°,15°,30°,45°,60°,75°和90°的7组预制中央圆形孔洞板状试样(尺寸为宽度60 mm×高度60 mm×厚度15 mm),在75 mm杆径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验平台上进行冲击压缩试验,并使用高速摄影仪实时记录试样动态裂纹扩展演化过程,研究不同层理倾角条件下预制中心孔洞层状岩石的动态力学参数、裂纹扩展演化过程及最终破坏模式等动态压缩力学特性变化规律。结果表明,峰值应力处试样破坏的峰值应变在0. 008 1～0. 012 37变化,随着层理倾角的增加,试样动态抗压强度、弹性模量及峰值应变整体均呈先增大后减小的变化规律;初始起裂裂纹总是从孔洞周边压应力集中处萌生,随后逐渐形成宏观裂纹,宏观裂纹为剪切裂纹或拉剪复合裂纹;倾角0°试样发生局部沿层理和局部穿越层理的复合张剪破坏,倾角15°～45°试样发生局部沿层理和局部穿越层理的剪切破坏,倾角60°～90°试样最终发生穿越层理的类X型剪切破坏;利用正交各向异性板理论计算孔洞周边应力分布,发现随着层理倾角的增加,孔洞周边应力集中系数的峰值也逐渐增大,且层理倾角为0°,15°,30°,45°的试样孔洞周边最大压应力出现在θ(θ为孔洞周边任意一点的极角)为74°,81°,86°,90°及关于原点中心对称的254°,261°,266°,270°处,同时试验中观测到相应的层理倾角试样分别在88°,85°,79°,70°及关于原点对称的271°,264°,262°,252°处萌生剪切裂纹,与理论分析结果吻合较好。层理方向与冲击载荷平行时,层状岩体中巷道围岩对冲击载荷的承载能力最弱。针对钻爆法分台阶开挖硐室或爆破施工中存在近距既有巷道,应合理布置爆破载荷的方向,避免层理方向与爆破载荷之间的夹角过小而导致巷道失稳。     

基于岩体损伤模拟的露井联采边坡稳定性

岩体是具有初始几何损伤的多裂隙介质,露天和井工开采导致应力场发生改变,进而节理扩展,损伤增加,强度降低。根据Kawarnoto损伤张量概念、等效应变原理及断裂力学理论,对安太堡煤矿露井联采条件下的节理岩体损伤演化进行了模拟,得到了边坡岩体在露采与井采时损伤张量的时空分布演化特征。建议应用反映采动效应的损伤张量或截面损伤度作为岩体扰动参数,根据岩体质量分类RMR值,确定Hoek-Brown强度参数m和s,体现了岩体强度的各向异性和时空变化。应用到安太堡煤矿露井联采条件下的边坡稳定性分析中,安全系数为1.89~2.32,说明发生剪切破坏的可能性较小,边坡岩体的破坏主要由井工采空区坍塌引起。     

相交双裂隙岩石损伤断裂特征

为了探求相交双裂隙岩石损伤断裂特征,采用岩石破裂过程RFPA数值分析系统对不同角度的单裂隙、中点相交的等长双裂隙岩石在单轴压缩、单轴拉伸作用下的破坏过程进行数值模拟.结果表明:双裂隙试件除共轭裂隙之外,在压缩条件下首先在高角度裂隙两端产生扩展裂隙,拉伸作用下试件的断裂方向由低角度裂隙决定;当试件中的裂隙角为60°和75...     

饱水冻结裂隙砂岩力学特性试验研究

为探究寒区裂隙岩体的力学特性及破坏机理,对不同裂隙倾角的饱水砂岩开展-10℃冻结环境下的常规三轴压缩试验。结果表明:裂隙几何特征对加载过程中砂岩应力应变曲线发展有较大影响。应力应变曲线初始段呈“上凸型”特征,这是由于该阶段主要由岩体孔隙和裂隙内冰体承担荷载。砂岩峰值强度、弹性模量、抗剪强度参数与裂隙倾角呈线性正相关;泊松比、体积应变与裂隙倾角呈非线性负相关关系,但变化幅度不大;低温冻结环境一定程度上增强了砂岩颗粒间胶结度及摩擦力,使得不同裂隙砂岩均呈单斜面剪切破坏特征,除主剪切面斜裂纹外无明显翼裂纹及次生裂纹出现。通过建立考虑裂隙砂岩强度和变形的损伤演化方程发现,随裂隙倾角增大,砂岩起裂应力水平、扩容应力水平均逐渐增大,而峰后应力应变曲线跌落状态越明显,表明应力应变曲线弹性阶段相对变长,塑性阶段变短,砂岩脆性增强,抵抗塑性变形能力下降。     

岩石节理峰前循环直剪试验颗粒流宏细观分析

利用二维颗粒流(PFC2D)程序较为完善地实现了考虑二阶起伏体岩石节理的峰前循环数值直剪试验,并分别从宏观和细观角度分析了节理峰前循环直剪试验中节理累积损伤特征与抗剪强度的变化规律。对比分析已有的室内试验成果,验证了计算方法的可靠性。研究表明:①随着岩石节理一阶起伏角、法向压力的增大,节理的破坏模式按爬坡—爬坡啃断—啃断趋势发展,且抗剪强度随着一阶起伏角、法向压力的增大总体上呈增大趋势。②低幅值的循环荷载对节理剪切强度的影响极为有限,甚至可以忽略,但随着循环加载幅值的增加,节理起伏体上裂纹的扩展贯通程度、裂纹的数量均显著增多,表明循环加载幅值的大小是决定节理起伏体累积损伤速度的关键因素。③节理裂纹数量随循环加载次数的增大而增加,且有增速的趋势,在循环加载次数增加到某个量级时,裂纹出现激增的现象,表明节理疲劳裂纹的扩展贯通有累积后突变的演变特征;不同破坏模式下,节理的峰值抗剪强度均随着循环加载次数的增加呈现出先增后减的变化趋势,表明有限次数的循环加载有利于增大节理的峰值抗剪强度,但循环加载最终会因节理的累积损伤造成其抗剪强度的劣化。研究结果丰富了室内试验成果,有助于进一步认识岩石节理在微震频发作用下的累积损伤与强度劣化规律。     

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。