深层脆性页岩力学性能及破坏规律实验研究

对川南埋深3 762.3～3 849 m页岩进行实验研究,通过岩体矿物组分测试、微观结构CT扫描分析、以及设计0°、30°、60°和90°等4种层理角度深层页岩的三轴压缩试验,总结深层脆性页岩破坏规律,进而深入认识脆性页岩力学性质及其变形特征,为川东南地区后续的页岩层段高效钻进提供理论支撑。研究结果表明:该层段页岩含有大量石英和白云石,脆性矿物含量高,蒙脱石等膨胀性黏土组分含量极低;深层页岩十分致密,力学强度高,层理弱面和基质体分布及层理间的胶结作用使得岩体力学各向异性特征明显;单剪切滑移破坏和共轭剪切拉伸破坏为该地区深层页岩的主要破裂形式。三轴压缩时,0°和90°试样易发生沿着层理的张拉劈裂和穿越基质剪切破坏,30°和60°岩样易沿着层理发生剪切滑移破坏。     

页岩巴西劈裂裂缝形态评价及功率谱特征分析

定量评价页岩破坏的裂缝形态是评估水力压裂裂缝网络复杂程度的重要前提。通过对黑色页岩试件进行巴西劈裂试验,同时结合数字图像相关技术和声发射技术,建立声发射功率谱频带特征与页岩试件微损伤机制的对应关系,并对裂缝形态进行定量评价。结果表明:层理是页岩功率谱特征、微损伤机理、裂缝形态差异的根本原因。页岩基质张拉、剪切破坏引起高频声发射信号,页岩层理张拉、剪切破坏引起低频声发射信号。随层理与加载方向之间的夹角角度增加,主频、次主频逐渐从低频带向高频带扩散,且高低频数量比H:L也逐渐增加。0°页岩试件的H∶L为4.28%∶95.72%,裂缝为直线形;30°和60°页岩试件的H∶L分别为15.89%∶84.11%和36.93%∶63.07%,裂缝为圆弧形;90°页岩试件的H∶L为93.85%:6.15%,形成圆弧–直线复合型裂缝。研究结果将为解析现场微震数据提供借鉴,为控制页岩储层水力压裂裂缝轨迹提供理论基础。     

页岩巴西劈裂裂缝形态评价及功率谱特征分析

定量评价页岩破坏的裂缝形态是评估水力压裂裂缝网络复杂程度的重要前提。通过对黑色页岩试件进行巴西劈裂试验,同时结合数字图像相关技术和声发射技术,建立声发射功率谱频带特征与页岩试件微损伤机制的对应关系,并对裂缝形态进行定量评价。结果表明：层理是页岩功率谱特征、微损伤机理、裂缝形态差异的根本原因。页岩基质张拉、剪切破坏引起高频声发射信号,页岩层理张拉、剪切破坏引起低频声发射信号。随层理与加载方向之间的夹角角度增加,主频、次主频逐渐从低频带向高频带扩散,且高低频数量比H：L也逐渐增加。0°页岩试件的H：L为4.28%∶95.72%,裂缝为直线形;30°和60°页岩试件的H：L分别为15.89%∶84.11%和36.93%∶63.07%,裂缝为圆弧形;90°页岩试件的H：L为93.85%：6.15%,形成圆弧-直线复合型裂缝。研究结果将为解析现场微震数据提供借鉴,为控制页岩储层水力压裂裂缝轨迹提供理论基础。     

地下采空诱发陡倾层状岩质斜坡失稳机制研究

 我国西南灰岩山区的褶皱山体经长期强烈的地质抬升运动与河流侵蚀,山体呈现出中上部厚层-巨厚层灰岩地层陡峭,下部页岩、泥岩地层平缓的“靴状”地貌形态,加之下部煤层、铝土矿层的开采,成为我国大型层状岩质崩滑灾害的高发区。本文以重庆武隆鸡冠岭陡倾层状岩质斜坡滑动为例,采用FLAC3D模拟分析了地下采空诱发陡倾层状岩质斜坡“弯曲变形-层间错动-采矿加速倾倒变形-下伏岩体阻滑-下伏岩体剪切破坏-整体失稳”的渐进失稳过程,认为鸡冠岭山体滑动是一类层状岩体的倾倒-滑移失稳的复合破坏模式。模拟结果表明：(1) 陡倾临空的斜坡在长期重力作用下,坡体沿山梁方向发生蠕滑变形,坡体逐渐产生拉裂缝;同时由于该斜坡位于背斜核部附近,应力集中导致上覆层状岩体呈现出弯曲变形的特征;(2) 长期岩溶作用加速坡体裂缝的发育与扩张;(3) 斜坡下部煤层开采时,导致鸡冠岭山梁发生应力发生重分布,上覆层状岩体逐渐发生层面分离,层状岩体下部产生裂缝,岩体强度逐渐降低;(4) 当斜坡下部煤层逐渐采空后,上覆层状岩体变形急剧增大,发生倾倒破坏,挤压矿层下伏稳定岩体,发生剪切滑移,最终从临空处剪出形成高速碎屑流。因此,对于西南灰岩褶皱山区,认识长期地下采空对层状山体的扰动作用,对大型灰岩山体防灾减灾与风险区划具有重要的现实意义。     

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。     

冲击加载下板岩压缩破坏层理效应及损伤本构模型研究

为探究动态加载条件下层状板岩的各向异性行为,采用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)获得江西层状板岩在高应变率下5组层理面倾角(θ=0°,30°,45°,60°和90°)临界破坏状态力学特征及破坏机制,进而利用元件组合模型理论,建立考虑宏观层理影响的层状岩体动态损伤本构模型。试验及理论分析结果表明:各层理角度试样应力–应变曲线峰值大小不同,但总体变化规律相近,均包含加载前期的弹性压缩阶段,中期的塑形阶段和塑性加强阶段,以及达到峰值后的峰后曲线;临界破坏状态下层理面在试样的破坏中起到重要作用,除θ=0°为穿越层理面的劈裂破坏外,其余层理倾角的破坏模式主要包括:偏向层理面方向的剪切破坏、沿层理面的滑移破坏和沿层理面的劈裂破坏。新建立的层状岩体动态损伤本构模型,综合考虑岩体自身微观损伤和宏观层理面损伤叠加影响,该模型不仅能较好地描述冲击条件下层状岩体应力–应变曲线变化规律,且峰值强度吻合较好,有助于更为准确地描述层状板岩在高应变率下变形破坏行为。     

真三轴卸载煤爆实验破坏特征演化分析

对煤岩体进行真三轴卸载煤爆实验,获得了其临界破坏应力、破坏碎屑分形维数及声发射参数特征,引入处理声发射波形的短时傅里叶变换方法获得时频演化特征,利用离散元颗粒流数值方法对该过程进行模拟揭示其细观损伤机制。研究结果表明:煤爆临界破坏应力状态为28.6 MPa/17.8 MPa/8 MPa,煤爆时刻声发射能量快速释放,能率达到峰值;量测粒径尺寸大于10 mm的喷出碎屑尺寸,按照粒度-数量方法算得的分形维数值为2.04;声发射时频特性在煤岩体煤爆实验过程中经历了由单峰低幅低频向双峰高频演化再过渡到单峰高幅高频,最后变为多峰高幅低频的过程,预示着破裂源由单一小尺度不断向复杂大尺度演化的损伤机制;通过颗粒流软件对煤爆过程进行模拟,发现煤岩模型试件内部主要存在张拉损伤,而随着模型加卸载不断进行,剪切破裂逐级增多,与声发射时频特性相吻合。     

三轴应力下卵石混凝土力学性能与本构关系

为研究卵石混凝土的三轴受压力学性能,进行了27个卵石混凝土试件的常规三轴试验,观察了试件的破坏形态,获取了其应力-应变全过程曲线及特征点参数,深入分析了围压对卵石混凝土力学性能的影响.结果 表明:随着围压的增大,卵石混凝土试件破坏形态先由轴向劈裂破坏转变为斜向剪切破坏,再转变为横向剪切破坏;围压越大,峰值应力、峰值应变...     

冻融灰岩单轴声发射损伤特性试验研究

为探究冻融及轴向载荷作用下灰岩力学特性演化规律及内部细观结构渐进损伤特征,开展不同冻融循环次数灰岩单轴声发射试验,获得相应的物理力学参数,分析声发射信号与冻融灰岩内部微裂纹活动的相关性,定量研究冻融灰岩损伤累积变化规律,阐明冻融灰岩损伤劣化机制。结果表明：随着冻融次数的增加,灰岩单轴抗压强度、弹性模量、泊松比逐渐降低,冻融80次后分别折减61.43%,48.42%,17.33%,峰值应变点逐渐后移;声发射振铃计数变化过程可分为平静阶段、增长阶段、陡增阶段;随着冻融次数增加,灰岩单轴声发射信号活跃且呈局部高密度释放特征,声发射b值呈“V”型变化,动态b值局部突降表明大尺度裂纹产生,灰岩内部裂纹类型由剪切裂纹向拉伸裂纹阶段过渡,对应岩样由剪切破坏转为劈裂破坏;冻融0,10,20次灰岩损伤变量呈突变或渐进突变特征,冻融40,60,80次灰岩损伤变量呈分段渐进式增长;水冰相变引起孔隙结构体积膨胀、孔隙局部冰结造成的细观水压致裂现象及自由水动力学响应是造成灰岩冻融损伤的主因。     

模拟节理岩体水压致裂的CT实时试验初探

采用自行研制与CT机配套的专用注水加载装置,对含单裂纹试件在水压作用下裂纹扩展并贯通的全过程进行了CT实时监测试验。在不同水压情况下,试件原生裂纹扩展导致微裂纹萌生、发展,最终试件劈裂,同时伴随周围颗粒被挤密压实。CT实验得到了各阶段清晰的CT图象及CT数和方差。通过分析,从细观上掌握了节理岩体水压致裂的损伤演化特性及裂纹扩展规律,提出了损伤和劈裂门槛值概念,并推导了基于CT数的损伤变量。     

层状岩体剪切强度与破坏规律分析

对用类岩石材料自制的层状岩体试样,开展了一系列的直剪试验,研究了层理面倾角和层理面间距对岩体抗剪强度的影响,分析了层状岩体剪切破坏形态的规律.试验结果表明:层理面倾角为0°时,试样的抗剪强度最低;层理面倾角为30.时,试样的抗剪强度最高;层理面间距越大,试样的峰值抗剪强度也越高;层状岩体试样的剪切破坏形态,按其破坏机理...     

含预制裂隙大理岩破坏过程声发射特征研究

采用含预制裂隙大理岩块试件 ,对压剪应力场中试件破坏过程声发射特征进行研究 ,试验表明预制裂纹对试件的影响是显著的。试验观测到不同试件的不同声发射特征 ,这表明它们的损伤断裂过程的不同机制 ,对于一些以张拉型翼裂萌生、扩展为破坏机理的岩样 ,还表现出明显的二次峰值现象。锯齿型裂纹的情况较为复杂 ,其破坏具有不同于其他试件的特征 ,破坏之前有相当长一段时间 ,声发射也较为活跃 ,且增幅越来越大 ,破坏时出现最高峰值 ,破坏一瞬间的振铃累积数几乎达到全过程的一半 ,这表明含锯齿形裂纹的材料的破坏更具有突然性和不可预测性 ,对岩石材料强度以及岩体稳定性有关键的影响     

基于声发射监测的含天然弱面辉绿岩变形和强度特性实验研究

针对红透山铜矿采场顶板含不同角度节理岩体问题,将含有天然弱面辉绿岩试件进行单轴压缩声发射试验研究。研究结果表明:(1)含有纵向弱面辉绿岩试件比含横向弱面试件强度大,含有三角形斜向弱面抗压强度最低,在相同应力下,含纵向弱面试件轴向应变会比完整试件的应变变化小,含横向贯通弱面试件的轴向应变会比完整试件的应变变化大,横向应变变化相反;(2)完整试件和含天然横向弱面试件在受压时试件为脆性断裂破坏,含纵向弱面试件在受压时为沿弱面拉伸破坏,含有斜向三角弱面试件破坏为沿弱面剪切破坏;(3)含有纵向弱面辉绿岩试件声发射信号与完整试件压缩时产生的声发射信号相近,含有斜三角弱面试件声发射信号非常活跃,试件撞击率出现几次阶段峰值,含双横向弱面试件受到抗压比含单横向弱面试件声发射信号更活跃;(4)此试验可为采场内含有结构面岩体开挖支护提供指导意见,研究结果可以反应含不同弱面试件受加载变形和强度特性及破坏模式。     

含预制裂隙大理岩破坏过程声发射特征研究

采用含预制裂隙大理岩块试件，对压剪应力场中试件破坏过程声发射特征进行研究，试验表明预制裂纹对试件的影响是显著的。试验观测到不同试件的不同声发射特征，这表明它们的损伤断裂过程的不同机制，对于一些以张拉型翼裂萌生、扩展为破坏机理的岩样，还表现出明显的二次峰值现象。锯齿型裂纹的情况较为复杂，其破坏具有不同于其他试件的特征，破坏之前有相当长一段时间，声发射也较为活跃，且增幅越来越大，破坏时出现最高峰值，破坏一瞬间的振铃累积数几乎达到全过程的一半，这表明含锯齿形裂纹的材料的破坏更具有突然性和不可预测性，对岩石材料强度以及岩体稳定性有关键的影响。     

基于CT的混凝土试样静动力单轴拉伸破坏裂纹分形特征比较研究

为了能定量地利用CT数资源研究混凝土静动力强度特性及裂纹演化规律,利用适合CT扫描仪的便携式动力加载设备,对圆柱体混凝土试样进行单轴静动力拉伸CT试验,并利用编制的差分盒维数计算程序计算CT扫描断面的分形维数,以此为基础从细观层面上比较分析混凝土静动单轴拉伸强度特性、受力破坏机制及裂纹分形特征。结果表明:静力拉伸荷载条件下混凝土破坏时裂纹扩展速度慢,破裂面粗糙曲折,裂纹绕着骨料追随最薄弱界面发展;动力拉伸时裂纹扩展速度快,破裂面较平直,裂纹切割骨料追随能量释放最快路径发展;静动力拉伸CT扫描断面分形特征明显,分形维数随裂纹扩展成规律发展,能较好地反映出混凝土材料损伤裂纹的演化规律,可以定量表述试样的破损程度,可作为裂纹演化的定量参数。     

冲击荷载下复合岩体动力响应力学特性及本构模型研究

为研究工程中冲击作用下不同复合岩体的动力响应差异，采用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统和数字图像相关系统(DIC)，对煤–岩和岩–煤2种复合岩体进行不同应变率下的动态冲击试验，对比动力冲击后2种复合岩体的应力波传播特征、动态强度、能量耗散、破碎分形特征以及破坏模式。并建立考虑复合煤–岩特性的本构模型。试验和理论分析结果表明：在相同应变率条件下，2种复合岩体的入射能基本一致，由于应力波传播过程中冲击杆与岩–煤的波阻抗匹配优于煤–岩体，在应变率较小时岩–煤体的动态强度、耗散能明显大于煤–岩体，随着应变率的增加二者差别逐渐减小；复合岩体耗散能越大其破碎块度分形维数越大，表现出明显的线性相关；不同复合岩体在冲击作用下的破坏主要集中在煤体侧，且以劈裂破坏为主，受界面效应的影响，煤体侧裂纹会发育至岩体侧，从而发生贯通破坏。基于元件组合建立考虑应变率效应和损伤演化的本构模型，其结果与试验结果吻合较好，验证了构建模型的正确性。     

节理填充物对岩体起裂强度影响规律的试验研究

以水泥、泥浆、石膏三种材料作为填充物制作含单一裂纹的节理岩体试件,进行单轴压缩试验,并通过建立单轴压缩下闭合裂纹起裂强度的解析表达式和开展数值模拟对其进行深入的研究。研究表明：在单轴压缩下,基于摩擦系数理论数值模拟得到的试件起裂强度与室内试验测得的峰值强度基本吻合;填充物摩擦系数越大,节理岩体越难被破坏,且与无填充岩体相比含填充岩体的起裂强度大幅提高;含填充节理试件的峰值强度远大于无填充的节理试件,其中填充水泥的节理试件峰值强度最高,填充泥浆的最低;剪切破坏是泥浆作为填充物的试件的主要破坏形式,而水泥和石膏作为填充物的试件的破坏则是复合型;随着填充物强度的提高,节理岩体的破坏形式将从剪切破坏转变为张拉破坏。     

地震载荷作用下的节理岩体破裂模型

考虑了地震水平加速度的作用,建立了裂隙岩体的破裂模型,分析了在水平加速度作用下节理组的倾角、节理长度及间距对岩体破裂的影响。分析表明,节理的倾角越大,岩体越容易破坏;节理组的倾角增大过程中,岩体节理的破坏模式逐步由以剪切滑移破坏为主转为以张拉破坏模式为主;当节理的间距与长度的比值在一定的范围内时,该比值越大,岩体越容易破坏,同时,节理的长度越大,岩体越容易破裂。该模型对于地震载荷作用下的岩体安全性分析具有重要的意义。     

聚丙烯纤维混凝土单轴受压损伤机理研究

考虑聚丙烯纤维体积掺量和长径比两因素,设计制作了7组混凝土试件,通过单轴受压应力-应变全曲线试验,研究了聚丙烯纤维对混凝土力学行为的影响。采用声发射信号采集系统同步监测混凝土内部损伤演化过程,分析了聚丙烯纤维混凝土单轴受压损伤机理。结果表明,聚丙烯纤维显著改善了混凝土的峰后延性和抗压韧性。混凝土试件贯通裂缝形成时,声发射撞击数突增,应力迅速下降,损伤发展较快。随着纤维体积掺量增加,试件声发射累计撞击数逐渐增大;纤维长径比为280时,声发射累计撞击数最大。聚丙烯纤维混凝土破坏时剪切裂纹所占裂纹总数比重较大,试件呈现剪切破坏形态。     

CT数字图像处理技术在沥青混合料微观结构分析中的应用

利用CT机对马歇尔成型的沥青混合料试件进行分层扫描.通过数字图象处理技术对试件冻融劈裂前后图像的变化进行分析,从空隙率、胶浆面积、粗集料面积等3个方面揭示了试件内部冻融劈裂前后微观结构的变化规律.通过数学假设,建立了沥青混合料CT值分布规律的数学模型,从而将CT值和沥青混合料的损伤变量联系起来.利用损伤变量对沥青混合料试件冻融劈裂前后水损害情况进行了对比分析.