脆性岩石卸围压试验与岩爆机理研究

岩爆是高地应力区地下工程开挖卸荷产生的动力现象。按照地下工程开挖卸荷特点,开展了脆性花岗岩常规三轴、不同卸载速率条件下峰前、峰后三轴卸围压试验,研究了岩石破坏的全过程并进行了声发射特征分析,探讨了岩爆岩石的变形破坏特征和岩爆形成力学机制。试验结果表明:无论是峰前还是峰后卸围压,高地应力下花岗岩都表现脆性破坏特征,峰前卸围压时岩样表现出的脆性比峰后卸围压更为强烈;卸载速率越快,岩石脆性破坏越强,发生岩爆的可能性越大。试验研究成果对地下工程岩爆发生的机理研究和预测提供了试验依据。     

基于能量原理的卸围压试验与岩爆判据研究

 岩爆是高地应力区地下工程开挖卸荷产生的地质灾害现象。按照地下硐室开挖过程中围岩的实际受力状态,开展脆性花岗岩常规三轴、不同控制方式、不同卸载速率条件下峰前、峰后卸围压试验,研究岩石破坏的全过程,从能量的原理探讨岩石破坏过程能量积聚–释放的全过程,研究岩石的变形破坏特征、能量集聚–耗散–释放特征和基于能量原理的岩爆判据。试验结果表明：无论是峰前还是峰后卸围压,岩样都表现脆性破坏的特征,峰前卸围压时岩样破坏表现出的脆性比峰后卸围压更为强烈;且无论是加载还是不同控制方式卸围压条件下,岩石在破坏前所能够储存的最大应变能受围压和卸载速率的控制。从能量的观点和工程应用的角度出发,提出一种新的能量判别指标：岩体实际储存能量与极限能量之比为U/U0,该指标真实合理地反映地下工程开挖卸荷过程中围岩的能量变化过程,围岩能量的积聚程度以及岩爆的发生程度,通过数值仿真计算可以更合理地定量预测高应力下地下工程开挖过程中岩爆发生的强度和位置。     

不同卸荷速率下大理岩破裂时效特性与机理研究

巷道开挖过程中卸荷速率对岩体破裂特性有显著影响,且破裂特性表现出明显的时间效应。针对岩体在卸荷条件下的受力特征,利用颗粒流程序,对脆性大理岩进行围压卸载数值模拟,研究不同卸荷速率下卸荷结束瞬间和卸荷后持续点的岩石试样破裂特性和机理。结果表明:围压卸载过程中,卸荷变形率△ε_i随卸荷速率的增大而减小,且侧向变形比轴向变形更敏感;在卸荷结束瞬间,微裂纹主要集中在试样上下端部并形成剪切破裂带,其中张拉裂纹数目是剪切裂纹的3~6倍,试样的破裂程度S_1随卸荷速率的增大呈指数递减规律变化;在卸荷后持续点,卸荷速率较慢的情况下岩石试样破坏形式为宏观剪切破裂面,卸荷速率较快的情况下岩石试样破坏形式为块体剥落及上下端部颗粒(块体)弹射,试样的破裂程度S_2随卸荷速率的增大呈指数递增规律发展;卸荷速率越快,达到卸荷后持续点时,试样累计释放的颗粒动能越大,岩爆程度越大。     

三轴加卸载下花岗岩脆性破坏及应力跌落规律

基于2种卸荷应力路径和常规三轴压缩试验,研究了加卸载条件下花岗岩的变形破坏及应力脆性跌落特征.卸荷条件下岩石变形主要是向卸荷(主)方向回弹或拉伸变形为主,而非或次卸荷方向的塑性变形很小,峰后应力应变曲线呈现明显的脆性特征.而加载条件下岩石以轴向压缩变形为主,且压缩塑性变形随围压增大而增大;卸荷条件下破坏岩石各种级别的张...     

不同加、卸载条件下片岩的变形特性试验研究

对丹巴电站调压井围岩的片岩试样进行了加载试验和卸荷试验研究,分别分析了常规三轴试验及加轴压卸围压、以相同速率同时卸轴压与围压的3种加、卸载方式下的应力-应变关系及整个加、卸载过程中变形参数的变化规律,分析表明:片岩在卸荷条件下表现出明显的脆性破坏特征,而且有强烈的扩容现象,卸荷条件下岩石的破坏也是由于扩容所引起的;卸荷会造成岩体变形模量迅速减小、泊松比迅速增大;试验采取的两种卸荷方式与常规三轴相比较,岩石试样从受力至破坏的整个过程中其变形模量和泊松比的变化趋势有明显的不同,尤其是在相同速率同时卸轴压与围压的卸荷方式对岩石的变形参数影响很大。     

冲击性岩石应力状态与声发射信号频率特征相关性研究

 博士学位论文摘要：岩爆、冲击地压的发生是由岩体本身的物理力学性质与其所处的应力环境等因素综合决定的。声发射(acoustic emission,AE)技术是岩爆、冲击地压等这系列冲击性动力灾害监测预警的一种重要手段。通过分析冲击性岩石在不同受力变形破坏过程中的AE特征,推断岩石内部的性质变化,反演岩石的破坏机制及破坏程度,可进一步为岩爆、冲击地压等冲击性动力灾害源的识别、预警提供重要的技术途径。采用不同频率的AE检测通道,对不同冲击性岩石在不同受力方式下的AE信号频率及基本参数特征进行试验研究,主要研究内容与成果包括： (1) 通过对冲击性花岗岩进行单轴压缩、三轴压缩、单轴加卸载、三轴加卸载试验,分析围压对岩石冲击危险性的影响,得到岩石损伤能量释放率与损伤变量之间的关系,确定冲击性花岗岩具备发生冲击危险的最低轴向应力水平。 (2) 基于单轴加卸载扰动AE试验,研究了冲击性粉砂岩AE响应比值、弹性模量响应比值及变形响应比值随轴向相对应力水平变化规律,提出了在实际应用中,可综合利用多种因素响应比值变化规律进行联合预判来提高岩体失稳破坏预测的准确性。 (3) 通过对冲击性花岗岩在不同围压下循环加卸载AE试验,得到岩石加卸载损伤破坏过程中高、低2种频率的AE通道中AE累计振铃计数、应力与时间的关系。基于此,研究AE不可逆性特征。同时,运用快速傅里叶变换FFT逆变换对Kaiser点的AE信号进行消躁,并采用FFT分析消躁后信号的频谱特征,得到冲击性花岗岩发生主破裂前Kaiser点的主频特征及变化规律,为进一步反演冲击性岩石的损伤破坏机制及破坏程度提供依据。 (4) 在冲击性花岗岩不同围压下循环加卸载AE试验的基础上,运用小波包频段分解法和G-P算法对Kaiser点信号及其相邻点的频段能量分布特征与AE能量关联维数进行研究,得到Kaiser点特征频段变化规律及Kaiser点AE关联维数均小于其相邻点的结论,为进一步揭示冲击性岩石的损伤破坏机制提供参考依据。 (5) 研究不同冲击倾向性岩石在单轴压缩和三轴压缩下的AE频率和基本参数特征,得到较强冲击性岩石、较弱冲击性岩石和非冲击性岩石在不同受力及变形破坏阶段的AE频率、优势频率、振铃计数、能量、撞击数等相关参数变化特征及规律,进一步为岩爆、冲击地压等冲击性动力灾害源的AE技术识别、预警提供基础依据。 (6) 建立了基于AE信号频段与岩石力学参数间关系的多频段AE信号频率识别模式,在此基础上,研究了冲击性花岗岩在单轴和三轴压缩下频率分布特征,得到冲击性花岗岩在单轴和三轴压缩下破坏失稳及临界破坏状态的频率组合识别模式。     

不同应力路径下花岗岩三轴加卸载力学响应及其破坏特征

开展3种不同应力路径下的花岗岩三轴加卸载试验,得到花岗岩在不同加卸载路径下的应力–应变曲线,分析其破坏特征、变形特征及其强度特征。试验结果表明:(1)卸围压过程中岩石环向应变和体积应变与围压在初始阶段呈线性关系,而后呈明显的非线性关系,岩石轴向变形不明显,变形主要表现为环向变形,岩石扩容显著,脆性破坏特征明显。(2)卸荷试验中岩石变形模量随卸荷比的增大而减小,而泊松比随卸荷比的增大而增大,在卸荷初期岩石变形参数劣化不明显,而后呈指数型变化,且岩石加轴压卸围压试验较恒轴压卸围压试验对变形参数的影响更加明显。(3)在高应力卸荷条件下,Mogi-Coulomb强度准则较Mohr-Coulomb强度准则更能反映岩石的卸荷破坏强度特征;相对于常规三轴压缩试验,恒轴压卸围压试验试样黏聚力c降低24.21%,内摩擦角?增大16.71%,而加轴压卸围压试验试样黏聚力c增大10.25%,内摩擦角?减少6.64%,表明在恒轴压卸围压试验中试样抗破坏的主控因素为摩擦力,而在加轴压卸围压试验中为黏聚力。     

节理岩桥真三轴开挖卸荷试验研究

由于边坡内部岩桥聚积较高应力,节理岩质边坡开挖的卸荷容易诱发突发失稳。利用真三轴试验系统,对含不同岩桥长度花岗岩试样开展单轴加载和真三轴加卸载试验,研究岩质边坡开挖卸荷中复杂节理岩桥强度及破坏模式,并借助高速摄像机和声发射系统分析应力–应变曲线、峰值强度、裂纹扩展、破坏模式、声发射特征及声发射峰值强度的变化规律。研究结果表明:在单轴加载和真三轴加卸载试验中,真三轴加卸载下脆性破坏更加明显;随着岩桥长度增加,试样峰值强度、破坏时释放能量与声发射计数率均相应提高;在不同中间主应力下,试样抗压强度随中间主应力增加而增长,但声发射计数峰值反而降低,这是因为中间主应力带来的侧向压力使岩石内部结构更加紧密,微裂纹难以扩展;利用断裂力学强度因子叠加方法,揭示了开挖卸荷应力状态下岩桥长度与中间主应力对起裂扩展的影响机制。真三轴试验能更真实地模拟岩石开挖卸荷的应力状况,研究结果可对节理岩质边坡开挖稳定性评价提供理论支撑。     

深部高应力圆形隧洞内部卸荷条件下岩爆模拟试验和强度弱化效应研究

为了模拟深部高应力圆形隧洞在内部卸荷条件下洞壁发生岩爆的过程,以具有中等岩爆倾向性的红砂岩作为试验材料,利用TRW–3000岩石真三轴电液伺服诱变试验系统,对100 mm×100 mm×100 mm立方体红砂岩试样开展了先加载后钻孔卸荷条件下的岩爆模拟试验。试验模拟500 m深度的二维应力状态,首先对试样加载至设定的初始应力状态,然后利用自主研发的岩石钻孔卸荷试验装置进行岩石内部钻孔卸荷(孔洞直径为25mm),之后在竖直方向加载至洞壁发生破坏,达到模拟效果后主动卸载。试验过程中,利用微型摄像机监控并记录洞壁的整个破坏过程。为了对比卸荷作用的影响,对预先贯穿孔洞(孔洞直径为25mm)的同尺寸红砂岩试样开展了先开孔后加载条件下的岩爆模拟试验。试验结果表明,2种试验条件下均可实现岩爆过程的模拟,整个试验过程均可以划分为平静阶段、颗粒弹射阶段、岩片剥落阶段,最终在洞壁两侧形成V型槽。与先开孔后加载试验相比,先加载后开孔试验中洞壁的初始破坏应力较低,洞壁更容易发生破坏,并且洞壁发生岩爆破坏的严重程度较强,产生的岩片尺寸较大,洞壁剥落岩片的总质量较高,形成的V型槽深度较深,破坏范围较广。试验对比结果表明,高应力岩石内部卸荷会对围岩造成一定程度和范围的损伤,诱发围岩产生明显的强度弱化效应。     

石灰岩孔道试样孔内卸压条件下破坏特征的研究

 为了研究复杂应力环境下岩体工程开挖的影响,设计内压加卸载试验装置,利用内径20 mm、外径49.84 mm的厚壁圆筒石灰岩试样,在RMT–150C岩石力学试验系统进行不同内压条件下的加卸载试验,重点分析了孔内卸压条件下试样的破坏形式产生机制。结果表明：(1) 固定孔压加载时,由于试样孔道内外存在应力差,不能进入延性变形阶段,高围压时有孔压试样的强度明显高于无孔压试样的强度;(2) 孔压卸载对试样造成的损伤较大,卸载孔压后重新加载的试样,其强度低于常规三轴压缩时的孔道试样;卸载破坏时试样内外压差越大,其强度越小,表明围岩发生破坏的根源在于巷道开挖卸载后引起应力差的增加;(3) 固定孔压时,试样多呈现单一的剪切面滑移破坏,而卸载孔压时试样破坏形式都为张拉破坏或者压拉组合破坏,应力路径对孔道试样破坏形式影响较大。研究结果为揭示深埋巷道围岩破坏失稳现象的产生机制提供参考。     

软硬互层岩体卸荷蠕变力学特性试验研究

 利用岩石全自动三轴蠕变仪对锦屏二级水电站辅助交通洞典型灰白色细晶大理岩与绿片岩软硬互层岩样开展卸荷蠕变试验,得到岩样轴向、侧向典型的蠕变全程曲线。蠕变试验结果表明：围压较高时,试样的轴向与侧向变形随时间的推移变化不大,蠕变现象不明显;随着围压逐渐减小,试样的蠕变变形越来越显著,在最后一级出现了典型的蠕变3个阶段并发生了非线性加速蠕变现象直至试样破坏。软硬互层岩样三轴卸荷蠕变破裂形式主要以剪切破坏为主,局部伴随着一定程度的张拉破坏,主裂纹与水平面大致呈45°角,剪切破裂面较为单一平整,且破坏面基本是沿着强度较低的绿片岩层理内部并平行于层理面产生和扩展贯通而形成的。在加速蠕变阶段之前,其侧向蠕变变形比轴向蠕变变形小,但试样处于加速蠕变阶段时,侧向蠕变变形量与蠕变速率均要高于轴向蠕变;这表明随着时间的增长和围压的降低,岩样的侧向蠕变比轴向蠕变更为灵敏,而且体积扩容效应显著。卸荷条件下,蠕变力学参数表现出较为显著的非定常性规律,当外荷载小于岩样长期强度时,岩石卸荷蠕变力学参数与卸荷量有关,随着卸荷量的增大逐渐弱化;当外荷载大于岩样长期强度时,岩石卸荷蠕变力学参数不仅与卸荷量有关,而且还与蠕变时间有关。     

脆性岩石破坏试验研究

 对不同加载速率控制条件下标准试样以及带中心圆孔的花岗岩岩板进行单轴压缩试验,研究岩石破坏的全过程并进行声发射特征分析。试验结果表明：岩石材料破坏过程是内部微裂纹产生和扩展过程的宏观反映;声发射信号与应力–应变曲线有良好的对应关系,根据声发射信号可以判断岩石内部裂纹扩展演化的情况;在不同的加载速率条件下对应不同的承载能力和不同的破坏形态。根据试验结果,建立弹脆性损伤本构模型,基于ABAQUS平台,采用与试验一致的控制条件对带孔岩板进行数值模拟,并与试验结果进行比较。结果表明,数值模拟真实地反映了岩石变形破坏的全过程,研究成果对研究脆性岩石的破坏以及脆性岩石的岩爆机制具有重要的指导意义。     

使用小型围岩试件模拟与再现巷道围岩开挖卸荷过程的试验系统

 为了实现在实验室进行巷道(隧道)开挖卸荷过程的模拟,获得对围岩试件进行开挖卸荷试验的创新性监测方法与成套试验技术,研制了一套可以使用小型围岩试件模拟与再现巷道围岩开挖卸荷路径的试验系统。该系统主要由3个独立的子系统组成：(1) 系统I：SAM–3000型微机控制电液伺服岩石三轴试验系统;(2) 系统II：小型巷道围岩试件加、卸载腔;(3) 系统III：声波–声发射一体化测试系统。通过对3个子系统进行软、硬件集成与调试,获得了小型巷道围岩试件级别(高290 mm,外径200 mm,内径100～150 mm)的开挖卸荷过程的室内模拟与再现。使用小型巷道围岩试件进行了初步的开挖卸荷试验研究,结果表明,所构建的试验系统可以有效地模拟：巷道围岩的开挖卸荷条件;巷道围岩在开挖卸荷条件下的变形规律、应力分布特征和破坏机制等。     

含节理岩石试件的卸荷变形特性研究

 开展含节理岩石试件在主应力差卸载路径下的变形特性试验,试验发现：(1) 恒定s3减小s1卸载主应力差过程中,完整岩石卸载变形曲线与加载变形曲线基本重合,但节理试件加卸载变形曲线表现出较大差异,且卸载后试件轴向和环向均出现较大残余应变;(2) 按照2种不同路径卸载主应力差时,含节理试件变形特征存在很大差异。为从理论上研究含节理试件变形特征并解释上述试验现象,建立节理加卸载本构模型,并提出确定模型参数的方法。研究表明：用节理面加载与卸载变形特征的差异,从理论和试验结果两方面能很好地解释含节理岩石试件加卸载变形特性的差异以及在不同卸荷应力路径下的变形差异。研究成果可以反映含单组节理岩体的加卸载变形特性。     

锦屏大理岩加、卸载应力路径下力学性质试验研究

 地下岩体开挖卸荷应力路径不同于加载应力路径,由此引起的岩体强度、变形特征和破坏机制也不尽相同。针对锦屏二级水电站引水隧洞群围岩赋存于高地应力环境的特点,对其中3# 引水隧洞大理岩开展单轴加、卸载以及三轴压缩和高应力条件下的峰前、峰后卸围压等4种不同应力路径力学试验,得到了的应力–应变全过程曲线、变形破坏特征和主要力学参数的变化规律。试验研究结果表明：(1) 建立在岩样单轴逐级等量加、卸载应力路径下的回滞环面积递减,尤以屈服阶段的卸载对应变影响最大;(2) 不同围压下岩样三轴压缩全过程试验结果表明,当围压达到40 MPa时,应变软化特性转化为理想塑性,可以认为该值为锦屏大理岩脆－延转化点;(3) 对比以上不同应力路径下的强度准则方程以及峰前、峰后黏聚力和内摩擦角,相同初始应力条件下,岩石卸载破坏所需应力变化量比三轴压缩破坏情况下对应的应力变化量小,说明岩石卸载更容易导致破坏;(4) 在变形破坏机制方面,由于峰后比峰前卸围压塑性变形大,岩样塑性变形已吸收较多的弹性变形能,其脆性特性受到抑制,因而不像峰前卸围压破坏具有突发性,岩样由张性破坏过渡到张剪性破坏;(5) 根据大理岩岩样加、卸载破坏断口SEM扫描结果,从细观角度验证了脆性岩石在不同路径下微观剪断裂破坏机制。总之,以上研究结果揭示了锦屏大理岩加、卸载应力路径下力学特性差异,对解决工程实际问题具有重要的参考价值。     

岩石卸围压破坏过程的能量耗散分析

 在分析试验机与岩样之间能量交换的基础上,综合分析岩样卸围压破坏过程的能量耗散规律,以及能量与岩样变形、围压之间的关系。研究结果表明,在卸围压破坏过程中,能量耗散与岩样的破坏特征及施加围压有较大关系;延性破坏的能量耗散大于脆性破坏,同一种破坏模式下,岩样的能量耗散随施加围压的增大而增大。2种卸围压试验均表明,能量耗散与时间呈非线性关系,与侧向变形呈线性关系,且在相同侧胀水平下,施加围压越大,能量耗散越大,岩样更具脆性破坏特征。     

含孔洞岩石试样三维破裂过程的并行计算分析

岩石破裂过程中裂纹的萌生、扩展、贯通和相互作用都呈空间三维分布，采用三维数值模拟才能更真实地模拟岩石的破裂过程。基于东北大学的大规模并行计算环境，利用 RFPA ^3D -Parallel 程序进行了含孔岩石试样在单轴、双轴和三轴加载条件下破裂过程的数值模拟。数值模拟表明：①数值模拟再现了单轴载荷作用下孔洞周边裂纹区的分布规律，这证实了数值模拟程序的正确性；②在双轴压缩载荷作用下，试样的承载能力的提高非常有限，含孔试样的破裂模式为劈裂破裂，破裂面大致平行于加载平面；③在三轴压缩条件下，试样的承载能力大幅度提高，试样的破裂模式与最大主应力的作用方向有关，在平行于孔轴的高压应力和侧向约束条件下孔周围岩才会发生分区破裂。     

刀具动态作用下节理岩体破坏过程的数值模拟

基于细观损伤力学和动力有限元方法,模拟分析了节理岩体在刀具动态荷载作用下的损伤破裂过程,探讨了节理间距和节理角度的影响。在动力分析模型中,通过考虑黏弹性边界以排除边界应力波反射的影响,提高了计算精度。数值模拟结果表明,节理的存在改变了岩体中应力波的传播模式。一方面,节理面反射的拉伸应力波加剧了节理与刀具间岩体的碎裂;另一方面,软弱节理面破坏吸收了应力波能量,阻碍了应力波向下的传播,减弱了下部岩体的破坏程度。模拟结果还表明,节理间距越小,岩体破坏程度更加明显。倾斜节理的存在使刀具下部的裂纹出现不对称性扩展特征,影响了主裂纹向下扩展的能力,限制了其伸展的空间。节理岩体在刀具动态作用下的破坏过程研究还很少见到,研究结果对于节理岩体动态破坏的机理以及地下工程开挖等实际应用,具有一定的参考价值。     

基于多级破坏方法确定岩石卸荷强度参数 的试验研究

 根据卸荷路径确定岩石卸荷强度参数时,为避免岩样本身离散性过大对强度的影响,采用了卸荷多级破坏试验方法。将卸荷应力路径与多级破坏方法有机结合,用单个岩样获取多个强度值,然后通过回归确定岩石卸荷强度参数。基于MTS 815.02岩石三轴试验机,研究荷载控制方式下多级破坏试验中峰值判断、破坏状态变形控制等几个问题,并提出相应的解决方案。最后成功开展了大理岩卸荷多级破坏试验,取得了与常规卸荷破坏试验较一致的结果。研究成果表明,卸荷应力路径中引入多级破坏的方法,既考虑了应力路径对强度的影响,又有效避免岩样离散性过大对强度的影响,是一种实用、有效的确定岩石卸荷强度参数方法。