岩石剪切破坏裂纹演化特征量化分析

 为深入研究岩石破坏过程表面裂纹演化规律,探讨表面裂纹与内部破裂之间的内在联系,对砂岩剪切过程中表面裂纹演化特征进行量化,分析砂岩剪切破坏表面裂纹演化模式,建立表面裂纹量化参数与应力状态和声发射特征之间的关系,并探讨含水状态对岩石剪切破坏表面裂纹量化参数的影响。研究结果表明：砂岩在剪切过程中伴随着表面雁行裂纹的形成与贯通,雁行裂纹宏观形态出现于破坏前的极短时间内,随后岩石发生剪切贯通;最大AE事件率总是出现在剪应力急剧下降来临之前极短时间内,且出现在表面裂纹非稳定快速扩展之前;饱水系数影响了表面裂纹出现的时间和相对于峰值剪应力的位置,随着饱水系数的增加,砂岩表面裂纹出现时间变早,最大瞬时贯通速度呈依次递减规律,贯通时间变长,表面裂纹快速扩展滞后时间呈明显增加趋势。     

双面剪切荷载作用下岩石断裂过程声发射特性研究

为深入研究双面剪切荷载作用下岩石断裂过程声发射特性,利用自主研发的煤岩双面剪切试验装置及PCI–2型声发射系统,分析砂岩声发射特性随含水率增高声发射特性曲线变化趋势。试验结果表明:砂岩试件在不同含水率条件下,其剪应力随时间变化趋势一致,剪应力达到峰值所需时间随含水率增加呈减少趋势;双面剪切荷载作用下,砂岩的Hit率–时间曲线、累计Hit数–时间曲线均可分为3个阶段,且Hit率峰值滞后于剪应力峰值;砂岩在双面剪切荷载作用下,内部微裂纹萌生、扩展主要始发生于剪应力达到抗剪强度的1/2时,此时砂岩试件处于微破裂稳定发展阶段;砂岩声发射事件幅值由低到高随剪应力增加呈阶梯状分布;砂岩内部微裂纹扩展方式以绕晶而过为主,穿晶破裂为辅。     

不同含水率泥质粉砂岩破裂声发射特性试验研究

以干燥、自然和饱和含水3种典型状态的泥质粉砂岩为研究对象,进行单轴压缩破坏全程声发射检测试验,研究了3种状态下岩石破裂的力学和声发射特性的不同。研究结果表明:含水使得泥质粉砂岩软化,且峰值应力和弹性模量均随含水率的增加而减小,变形特征由脆性逐渐向延性转化;声发射累计事件数、声发射事件率峰值、声发射累计绝对能量、声发射绝对能率峰值等声发射参数均随含水率的增加而减少,即含水使得泥质粉砂岩损伤破裂程度减小,破裂全程能量释放水平降低;根据试验所得声发射累计事件数和累计绝对能量随时间变化曲线,得出含水率使得泥质粉砂岩由“突发型”的脆性破坏向“平稳型”的延性破坏过渡。     

压剪应力条件下砂岩双面剪切细观开裂扩展演化特性试验研究

 利用自主研发的煤岩双面剪切细观开裂演化过程试验装置,通过开展不同法向应力条件下的剪切试验,借助声发射技术及图像处理技术,对细观开裂扩展过程、细观开裂扩展空间分布进行深入探究。研究结果表明：对于压剪应力条件下的双面剪切试验,加载过程中的大部分阶段,试件表面损伤不明显,表面裂纹出现在峰值剪应力之前;当剪应力达到峰值前,Hit率有一个急剧增加的过程,说明砂岩内部已有裂纹产生,而试件表面并无明显变化,一段时间后才在表面观测到细小裂纹,推测裂纹由内向外扩展;试件发生宏观破坏后,左右两侧裂纹呈八字形或梯形分布,由于竖向剪切力引起的岩体内部剪切破坏占主导作用且砂岩内部晶粒间存在一定的几何物理性质差异,主裂纹基本沿预定剪切面扩展的同时表现出开裂扩展的不规则性;裂纹多在石英、长石等矿物颗粒的边缘即砂岩中相对薄弱的环节产生,随着应力水平的增加,裂纹也会穿过矿物颗粒形成穿晶破裂,这种现象多在石英颗粒中出现,这与其特有的微结构特征有关。     

压剪应力条件下砂岩开裂扩展过程的试验研究

利用自主研发的含瓦斯煤岩细观剪切试验装置及 PCI-2型声发射(AE)测试分析系统,开展法向应力分别为0.0,1.5,3.0,4.5,6.0 MPa条件下砂岩的压剪试验,对砂岩在压剪应力条件下的变形特性、声发射特性及其细观开裂扩展特征等进行系统研究。研究结果表明：随着法向应力的增加,砂岩抗剪强度增大,峰值剪切力及其相应的峰值位移均近似呈线性增大;不同法向应力条件下岩石的最终断裂破坏形态虽有所不同,但其开裂扩展趋势基本都是沿预定剪切面不断向前延伸扩展;法向应力越大,开裂扩展的时间越晚,岩石越不容易发生失稳破坏;受法向应力的影响,AE 事件率并未随着剪应力达到峰值而达到最大值,而是在峰值剪应力后急剧增大,微裂纹急剧扩展演化,最终AE事件率达到最大值,裂纹贯通导致岩石失稳破坏;随着法向应力的增加,剪切面两侧颗粒之间的摩擦力增大,同时受应力分布不均及岩石内部结构的影响,主裂纹的宽度越大,开裂扩展形态更加复杂。     

变加载速率砂岩声发射特征及损伤本构模型

研究加载速率对岩石声发射特性的影响,可以推断加载过程中岩石内部的性态变化,有助于揭示岩体的失稳破坏机制。利用WAW-1000型试验机及PCI-2型声发射仪研究了受加载速率影响的砂岩单轴压缩声发射特性。结果表明:不同加载速率下,砂岩试件的破坏形式有单向剪切破坏、双向剪切破坏和轴向劈裂破坏3种破坏形态。加载速率对砂岩试件的声发射特征也有显著影响:加载速率较高时,砂岩声发射撞击幅值维持较高水平,撞击事件贯穿整个加载阶段,试件内部声发射数量少而集中;加载速率越高,砂岩累计声发射计数增长越快。以时间为中间变量,拟合出考虑加载速率情况下,砂岩应变与累计声发射计数的关系,推导出基于加载速率、声发射累计振铃计数的砂岩损伤本构模型。     

花岗岩剪切破坏过程声发射横、纵波特征试验研究

开展花岗岩剪切声发射监测试验,利用横、纵波2种传感器接收花岗岩剪切破坏过程的声发射信号,分析声发射横、纵波信号的变化规律及其异同点,探讨两类信号变化规律差异性的原因。研究结果表明：剪切破坏过程中声发射横、纵波事件率变化趋势不一致,纵波事件率在弹性阶段达到最大值后降低,峰值应力前出现“平静期”,累计计数呈“S”型变化;横波事件率在临近峰值应力时出现最大值,累计计数呈“指数”型变化。剪切破坏过程声发射横、纵波事件能量变化趋势一致,破坏过程能量不断增大,临近峰值应力能率达到最大值,累计能量陡增。声发射横、纵波信号频率演化和分布差异性明显,纵波主频在6个固定的频率,近似呈条带状演化,而横波频率成分复杂,主频条带状演化不明显;纵波主频集中分布在90～110 kHz,而横波主频离散分布在0～500k Hz。由于横、纵传感器类型的差异,对岩石破裂过程不同频率声发射信号响应机制不同,是二者声发射事件数量变化趋势不一致的原因;横、纵波声发射事件能量变化趋势一致,这可能与二者高能量的信号均呈现低频特征有关。研究成果进一步丰富和完善了对岩石破裂过程声发射信号特征认识,有助于深入揭示岩石破裂灾变机制。     

基于三轴压缩声发射试验的岩石损伤特征研究

 利用MTS815岩石伺服试验系统和AE21C声发射监测仪,对灰岩进行三轴压缩声发射试验,利用声发射参数,分析三轴压缩条件下岩石的损伤演化特征。试验结果表明：(1) 相同试验条件下,检波器置于三轴室内时的声发射振铃计数和能量的最大值分别比置于室外时高27%和32%,表明,声发射检波器置于三轴室内能够接收到更全面、真实的声发射信号。(2) 围压使岩石压密阶段声发射活动降低,同时声发射振铃计数最大值稍滞后于岩样宏观破坏时间,说明围压提高了岩石的剪切强度和峰后承载能力。(3) 建立基于声发射累计振铃计数的岩石三轴压缩损伤演化模型,岩石的损伤演化过程可划分为初始损伤阶段、损伤稳定发展阶段、损伤加速发展阶段和损伤破坏阶段。初始损伤阶段,声发射参数较小;损伤稳定发展阶段,声发射活动明显活跃,振铃计数和能量逐渐增加;损伤加速发展阶段,声发射活动异常活跃,宏观破坏后不久声发射振铃计数和能量达到峰值;损伤破坏阶段,岩石仍具有相当的承载能力,在破坏过程中仍有声发射活动出现。     

预制孔岩石破坏过程中的声发射时空演化特征研究

选取粗粒花岗岩和细粒砂岩,通过预制方孔和圆孔,开展单轴加载条件下岩石破坏声发射试验。采用单纯形定位算法,对岩石破裂过程中的声发射时空演化规律进行研究,并对声发射活动特征、能量释放率和空间相关长度进行分析。研究结果表明：对于预制孔间距与预制孔尺寸相同的试件,声发射事件主要在岩石中部群集,试件以中部剪切破坏为主,声发射三维定位事件直观反映裂纹初始、扩展直至贯通的动态演化过程;在整个加载过程中,颗粒较粗且大小不均的花岗岩试件声发射活动性较强,颗粒较细且均匀的砂岩试件声发射活动性在加载后期才开始增强;岩石破坏前,小尺度裂纹合并贯通形成大尺度裂纹,声发射率下降,能量释放率增强,出现声发射信号“平静”而能量释放“不平静”的现象;岩石在受载过程中,应力场通过迁移和重新分布逐步建立起长程相关性;岩石破坏前,空间相关长度显著增加,且在岩石破坏时达到最大值。     

拉–压–剪应力下细砂岩和粗砂岩破裂过程声发射特性研究

利用TAW–2000KN压力机、TYJ–500KN压力机和SH–II声发射系统,对粗砂岩和细砂岩进行单轴压缩、巴西劈裂和变角剪切实验,对裂纹扩展过程中的力学特性和声学特征开展研究。实验结果表明:通过统计细砂岩和粗砂岩的单轴抗压、抗拉和抗剪强度可知,岩石抗压和抗拉强度比近似相等,抗剪强度比相差较大。细砂岩和粗砂岩剪切破坏过程声发射特征差异明显,剪应力作用下细砂岩声发射计数曲线变化规律为:(1)–I–(2)–II–(3)(其中"–"表示区间),剪应力作用下粗砂岩声发射计数曲线变化规律为:(1)–I–II–III–(2);声发射能量特点为:细砂岩:呈现弯曲"厂"型,粗砂岩:呈现标准"S"型曲线,且峰前与应力–应变曲线变化规律完全一致。细砂岩和粗砂岩拉伸破坏过程声发射特征差异明显,拉应力作用下细砂岩声发射计数曲线变化规律为:(1)–I–(2)–II–(3)–III,拉应力作用下粗砂岩声发射计数曲线变化规律为:(1)–I–(2)–II–(3)–III;声发射能量特点为,细砂岩:由于局部失稳破坏存在,呈现复杂路径增长,粗砂岩:呈现直线趋势增长。从破坏角度分析,2种岩石区别在于,细砂岩破坏前发生声发射计数和能量的缓慢增长,破坏后出现一定的稳定期。粗砂岩加载前期,高计数信号和低计数信号交替出现,破坏前期和破坏阶段高计数信号和低计数信号混合稀疏出现。细砂岩和粗砂岩单轴压缩过程声发射特征区别较大,声发射计数特点为:细砂岩:(1)–I–(2)–II–(3),粗砂岩:(1)–I–II–(2)–(3);声发射能量特点为:细砂岩:呈现扁平型"S"曲线,粗砂岩:呈现明显"Z"型曲线。利用声发射RA值与平均频率关系能较好反映裂纹类型,拉伸破坏和剪切破坏均符合客观实际。单轴压缩破坏形态给予裂纹类型正反馈,说明应用声发射技术判断裂纹类型有效、可行。     

Micromechanics of compressive failure and spatial evolution of anisotropic damage in Darley Dale sandstone

The micromechanics of compressive failure in Darley Dale sandstone (with initial porosity of 13%) was investigated by characterizing quantitatively the spatial evolution of anisotropic damage under the optical and scanning electron microscopes. Two series of triaxial compression experiments were conducted at the fixed pore pressure of 10 MPa and confining pressures of 20 and 210 MPa, respectively. For each series, three samples deformed to different stages were studied. Failure in the first series was by brittle faulting. In contrast, failure in the second series was ductile, involving shear-enhanced compaction and distributed cataclastic flow. In the ductile series, crack density and acoustic emission activity both increased with the development of strain hardening. The stress-induced cracking was relatively isotropic. In the brittle series, crack density increased with the progressive development of dilatancy, with spatial distributions indicative of clustering of damage at the peak stress and shear localization in the strain softening stage. Dilatancy was associated with significant anisotropy in stress-induced cracking, that was primarily due to intragranular and intergranular cracking with a preferred orientation parallel to the maximum principal stress. Compared with published data for Westerly granite and San Marcos gabbro (with porosities of the order of 1%) and for Berea sandstone (with porosity of 21%), there is an overall trend for the stress-induced anisotropy (in a sample deformed to near the peak stress) to decrease with increasing porosity. The sliding wing crack model was adopted to analyze the evolution of anisotropic damage, using a friction coefficient and fracture toughness inferred from stress states at the onset of dilatancy. Significant discrepancy exists between the model prediction and microstructural data on stress-induced anisotropy, which is possibly due to limitations intrinsic to the microscopy technique as well as the sliding wing crack model.     

冻融后煤矸石混凝土受压损伤声发射特性

为了研究冻融循环作用后煤矸石混凝土的受压损伤特性,基于声发射技术,对冻融循环作用0,25,35,45次后的煤矸石混凝土进行单轴抗压试验,对煤矸石混凝土受压破坏全过程中的损伤特性进行动态分析;依据冻融循环后煤矸石混凝土受压破坏过程中所释放的声发射能量,对其内部损伤程度进行定性分析,并依据声发射事件累计计数建立了煤矸石混凝土损伤演化模型.研究表明:随着冻融循环次数的增加,煤矸石混凝土的初始损伤程度增大,峰值应力减小,脆性表现明显;依据声发射事件累计计数建立的损伤演化模型与试验结果符合较好,为研究冻融环境下的煤矸石混凝土损伤演化规律提供了参考.     

不同破坏类型岩石的声发射及分形特征研究

为了研究在单轴压缩下不同破坏类型岩石的声发射及分形特征,利用声发射监测仪和岩石力学伺服试验系统对砂岩和泥岩试样进行了实验研究。并且对砂岩、泥岩的力学特性、声发射计数和累计计数以及声发射序列的分形特征进行了对比研究。研究结果表明:砂岩发生的是脆性破坏,泥岩发生的是塑性破坏。脆性破坏岩石的应力-应变过程可分为三个阶段:初始压密阶段、线弹性阶段和塑性破坏阶段,塑性破坏岩石可分为四个阶段:初始压密阶段、线弹性阶段、塑性破坏阶段和残余应力阶段。在初始压密阶段、线弹性阶段和塑性破坏阶段中脆性破坏岩石的声发射累计计数平均增长率要比塑性破坏的高。脆性破坏和塑性破坏岩石的声发射序列都具有分形特征,分形维值在岩石破坏前会出现突降现象,但是塑性破坏岩石出现突降现象的时间要比脆性破坏的长很多。     

不同法向应力下含瓦斯煤剪切破坏细观演化过程研究

 利用自主研发的煤岩细观剪切加载试验装置,开展压剪载荷作用条件下法向应力分别为0,2和4 MPa时含瓦斯煤的细观裂纹开裂、扩展及其宏观破坏演化过程的研究。结果表明：剪应力达到峰值前,含瓦斯煤样表面会有明显裂纹出现,达到峰值后剪应力都有一个急剧下降的过程,该过程与Charge-coupled device(CCD)摄像机观测下的主裂纹贯通相对应,但煤样没有立刻剪断,仍有一定的承载能力,随后剪应力随时间缓慢下降;在剪切过程中,煤样上部均出现破碎带,并伴随煤块的脱落,同时法向应力越小,煤样破坏越严重,裂纹发育越明显;含瓦斯原煤的开裂点均出现在煤样的上部与下部,受原煤原始裂纹和节理等因素影响,主裂纹扩展方向并不与剪切方向重合,而是沿剪切方向曲折向前发展。     

酸性条件下砂岩剪切破坏特性试验研究

运用自主研发的煤岩细观剪切试验装置,选取三峡库区三叠系上统的须家河组细砂岩开展室内不同pH值溶液浸蚀后的剪切试验,并借助图像处理技术对砂岩试件在剪切载荷作用下裂纹的时间演化规律进行试验研究,探讨裂纹开裂与砂岩浸蚀程度之间的关系。研究结果表明：岩石在不同时间点剪应力与裂纹演化有明显的相关性,表面裂纹的萌生到失稳断裂是在相对较短的时间内完成的,砂岩的破裂几乎是产生于矿物颗粒边界与胶结物中的绕晶破裂,仅在极少数应力高度集中区域的颗粒上才会出现穿过颗粒的破裂;随着化学溶液酸性的增强和浸蚀时间的延长,砂岩浸蚀程度增大,抗剪强度降低,砂岩剪切破坏时的裂纹开裂宽度相应增大,裂纹开裂情况愈加复杂;化学溶液是引起岩石强度和变形衰减的一个重要原因。     

单轴压缩下煤岩声发射及分形特征研究

为了研究煤岩在单轴压缩下的声发射及分形特征,利用RMT-150C 型岩石力学伺服试验系统和CDAE-1 型声发射检测仪对砂岩、砂质泥岩和戊组煤试样进行了实验研究。对砂岩、砂质泥岩和戊组煤的力学特性、声发射计数和累计计数以及声发射序列的分形特征进行了对比研究。研究结果表明:煤岩全应力-应变过程可分为四个阶段:初始压密阶段、准弹性阶段、塑性变形破坏阶段和残余变形阶段。初始压密阶段,声发射计数都比较低,累计计数增加的趋势特别缓慢;准弹性阶段,声发射计数有所增加,累计计数变化趋势相对较快;塑性变形破坏阶段,声发射计数都出现了跳跃式上升,声发射累计计数都出现了激增现象,但是砂岩的特别明显;残余变形阶段,声发射计数水平比较低,累计计数基本不增加了。煤岩破坏过程中声发射序列都具有分形特征,分形维值在煤岩破坏前会出现突降现象,可以作为预测煤岩动力灾害的前兆。