饱和大理岩特征强度试验研究

为了研究水对岩石裂纹扩展活动的影响规律和机制,通过单轴压缩声发射试验,采用声发射法和体应变(含裂纹体应变)法确定干燥和饱和大理岩的特征强度,探讨声发射法确定大理岩特征强度的适用性和水对特征强度值变化的影响规律。结合特征强度附近声发射波形信号的主频统计结果,分析讨论水影响特征强度值的内在机制。结果表明:声发射法确定的大理岩起裂强度均小于宏观体应变法,其用于确定饱和岩样起裂强度有较强的适用性,但不适用于损伤强度的确定。岩样饱和后,其归一化起裂强度减小,归一化损伤强度增大。影响机制主要是孔隙水压力作用的强弱和裂纹扩展"阻碍力"。起裂点附近,孔隙水压力作用明显,岩石内部产生较多微观拉破坏,使裂纹在较低应力水平发生稳定扩展。扩容点附近,孔隙水压力作用弱化,产生裂纹扩展"阻碍力",裂纹在较高应力水平发生非稳定性扩展。     

单轴压缩条件下砂岩破坏全过程电阻率与声发射响应特征及损伤演化

 为了全面、客观地描述单轴压缩条件下砂岩损伤破坏过程和状态,提出利用电阻率和声发射技术对砂岩岩样单轴压缩全过程进行联合测试的试验方法。针对30个砂岩岩样单轴压缩全过程中的电阻率和声发射响应特征进行试验研究。研究表明,电阻率和声发射的响应信息有很强的规律性和互补性：在压密阶段、弹性变形阶段和塑性变形阶段,电阻率信息对岩样内部裂隙萌生和发展活动的响应更为敏感,而声发射信号较微弱;岩样破裂瞬间,电阻率和声发射都突然升高,二者相比,声发射的同步性更好,敏感程度更高;岩样破坏完成后,电阻率仍有不同程度的变化,最终趋于稳定,而声发射又恢复到较低的水平。同时,推导基于电阻率表征的岩样损伤变量的解析表达,并根据其与声发射表征的损伤变量之间的互补性,定义一综合损伤变量,得到典型岩样的损伤演化方程,提出岩样损伤破坏状态的判别标准和破坏前兆特征。通过理论与实际试验全应力–应变曲线的对比发现,综合损伤变量能够更全面、客观地反映和描述受载岩样的损伤演化过程。     

高应力硐室围岩三轴蠕变及声发射特征研究

针对高应力岩体工程开挖后硐壁附近围岩长期变形问题,利用MTS815 Flex Text GT岩石力学试验系统和PCI–Ⅱ声发射三维监测系统,针对高应力硐室围岩,开展大理岩试件三轴蠕变试验及声发射实时监测,探讨硐室开挖后围岩在较小侧向压力下的蠕变力学特性和声发射特征。结果表明：大理岩的多级蠕变全过程应力–应变曲线具有5个阶段,岩样具有脆性破坏特征,横向变形较轴向变形具有更显著的蠕变特征;声发射特征表现出明显的应力响应和时效特征,且与典型蠕变3个阶段相匹配,在减速和稳态蠕变阶段,声发射振铃计数率和能量率呈线性增长趋势,加速阶段声发射振铃计数率和能量率呈现指数型增长,且声发射变化对应的时间点提前于应变加速点,可作为大理岩蠕变破坏的前兆特征;基于AF和RA值表征的大理岩内部微裂纹发展特征,大理岩蠕变破坏是张拉破坏和剪切破坏共同作用的结果。     

粗晶大理岩单轴压缩力学特性的静态加载速率效应及能量机制试验研究

 加载速率对岩石力学性质具有重要影响,影响的程度与岩石本身的微结构和加、卸载应力路径及状态等密切相关。基于静态加载速率范围内的9个不同等级应变率下粗晶大理岩单轴压缩试验,研究加载应变率对岩石的应力–应变曲线、破坏形态、强度、弹性模量及变形模量与应变能耗散及释放的影响规律,探讨岩石损伤演化的能量机制。根据总体积应变及裂纹体积应变与起裂及扩容应力的相关性,确定各应变率下岩石起裂及临界扩容应力。加载应变率大约以1×10－3 s－1为分界点,小于该值时应力–应变曲线峰值点附近仍存在一定的塑性屈服或流动段,超过该值后表现为“折线”型。随着加载应变率的增加,岩样破裂模式由张剪型逐渐过渡到张性劈裂甚至劈裂弹射。一般而言,起裂及临界扩容应力和峰值应力均随加载速率增大而增大,且起裂及临界扩容应力越接近峰值强度,但当应变率为1×10－4～1×10－3 s－1时,上述值均出现一个相对低值区间,这与粗晶大理岩的微结构特征相关。起裂应力、临界扩容应力、弹性模量及变形模量均与峰值强度线性相关。单轴压缩下峰前能量耗散量越多,强度越高,峰后可释放弹性应变能和释放速率越大,岩石的张性贯通破裂特性愈强,破裂块数越多。能量耗散使岩石损伤而强度丧失,而能量释放使岩石宏观破裂面贯通而整体破坏。     

循环单轴应力和循环温度作用下玄武岩力学性质初探

对玄武岩在循环单轴应力–温度作用下的力学性质进行初步的试验研究。开展应力上限为80%和65%单轴抗压强度、温度上限为60℃和90℃的循环单轴应力–温度试验以及循环后的单轴压缩试验。试验结果表明:循环应力和循环温度作用具有"叠加"效应;循环应力上限为80%单轴抗压强度时,玄武岩随循环次数增加逐渐损伤,在循环中破坏;应力上限65%抗压强度且温度上限60℃时,玄武岩随循环次数增加逐渐硬化,在循环中不会发生破坏;损伤岩样峰值应变经历初始阶段、等速阶段和加速阶段,残余应变具有较大波动性;损伤岩样峰值割线模量先迅速降低,后缓慢降低,在临近破坏时急剧减小,应力上限大时峰值割线模量的降低程度大;应力上限相同,温度上限大的损伤岩样破坏循环数小;硬化岩样峰值应变和残余应变随循环次数增加而减小,峰值割线模量、割线弹性模量和卸载模量随循环次数增加而增大,温度上限大时岩样模量增加幅度小;硬化岩样受循环作用后,抗压强度较初始强度提高;岩石破坏时峰值应力与峰值割线模量定义的损伤因子线性相关程度高。     

砂质泥岩在低温劈裂试验中的声发射研究

砂质泥岩在低温环境中的物理力学特性和损伤破坏对于西部富水深部竖井工程建设有重要的研究意义。依托内蒙古鄂尔多斯梅林庙矿区工程,选取深约690 m的砂质泥岩为母材,研究3种温度(26℃,-10℃,-20℃)下砂质泥岩在巴西劈裂试验中的力学特性,并运用声发射仪,选取声发射能量、幅度以及峰值频率参数,分析其在不同温度试验中的变化规律。结果表明,温度对于砂质泥岩的劣化影响明显,-20℃时砂质泥岩的劈裂强度较常温及-10℃时分别减少了37.47%和29.2%。常温下砂质泥岩加载初期存在裂隙压密过程。声发射3个参数在试验过程中的变化相互验证,可以描述岩石破坏的全过程。基于累计声发射能量的损伤演化较好反映了岩石内部裂隙产生–扩展–汇集–贯通–破坏的过程,为人工冻结工程中损伤程度的评估以及预防冻结过程中渗水淹井问题提供了新的思路。     

岩石单轴压缩下损伤表征及演化规律对比研究

采用声波、声发射一体化装置同步测试单轴压缩下花岗岩应力应变、超声波及声发射(AE)特征演化规律,分析岩石特征应力对应的宏–细观表征,通过裂纹体积应变、声发射及声波特征等共同量化岩石损伤演化过程。结果表明:裂纹体积应变和波速对应的损伤起始应力吻合较好,AE事件、幅值分布、b值对应的应力特征值基本一致,但AE事件表征的损伤累积开始早于宏观变形和声波;初始加载阶段波速及各项异性系数K均逐渐增加,之后变化趋缓,起裂应力后侧向波速开始减小,而K逐渐增大;峰值应力前裂纹的快速聚结引起AE信号幅值大幅增加,伴随的是b值的快速下降和AE累积能量的陡增;基于起裂应力后损伤才开始累积的假定,量化并对比了裂纹体应变、AE事件等多参量表征的损伤演化规律,发现花岗岩损伤累积绝大部分发生在损伤应力之后。裂纹体应变表征的损伤具有明确物理意义,但裂纹体应变计算中泊松比选取存在一定主观性,裂纹体应变、AE能量、模量等参数表征的损伤在接近峰值应力前均出现大幅增加,与b值的快速下降对应。综合对比分析,AE能量表征的损伤具有更好的可靠性,反映了岩石损伤破裂的本质特征。     

结构性煤体间歇性破坏行为的实验及数值模拟研究

不连续结构弱面广泛分布于煤岩材料内部,导致其在单轴压缩条件下获得的应力–应变曲线在峰前阶段反复出现应力突降现象。为探究富含不连续结构弱面煤岩材料受载后产生间歇性破坏行为的内在机制,自大同塔山煤矿选取层理裂隙较密集煤块,加工标准煤样,进行单轴加载测试,并实时监测单轴加载过程中煤样声发射信号,从应力及能量演化、声发射特征、宏观破坏形态等角度分析煤样间歇性破坏行为;依据煤样结构性特征建立颗粒流数值模型,探究煤样在间歇性破坏过程中的内部破裂行为及裂隙演化规律,并将数值模型与实验室煤样破坏形态进行对比分析。研究表明:(1)弹性变形能演化趋势与应力–应变曲线形态相似,在峰值强度时达到最大,试件破坏后完全释放;能量耗散量在应力突降时激增,试件破坏后增长至与输入总能量相等。(2)声发射事件振铃计数及能量演化规律与应力–应变曲线具有良好对应关系,应力平稳上升时,声发射事件较少,且多为低能级事件;应力突降时,大量高能级声发射事件丛集。(3)声发射b值及分形维数D反映微破裂尺度分布及其有序性,临近破坏前二者剧烈震荡,表明煤样内部不同尺度裂隙交替出现,由无序向有序反复调整,完全丧失承载能力前存在多次间歇性局部破坏。(4)数值计算发现,原生裂隙尖端最先产生张拉破裂,当应力突降时,颗粒间黏结及裂隙数量激增,微破裂相互沟通形成大尺度裂纹,或裂纹向试件表面迅速扩展。不同空间位置的局部破坏造成峰前应力–应变曲线锯齿张爬升,大尺度裂纹的产生将试件切割成为独立承载的结构单元,破坏试件承载整体结构,是试件强度劣化的内在原因。     

大理岩损伤强度的识别及基于损伤控制的参数演化规律

为获取脆性岩石特征强度及破坏过程中损伤演化规律,设计能同步测试应力–应变曲线、AE声发射及岩样径向纵波波速的试验方案,并对3种不同方法确定的损伤强度值进行对比。结果表明,除AE及波速测试方法外,采用体应变(含裂纹体应变)方法可以较为准确地获取试件的特征强度值。通过定义岩石循环加卸载试验获取的不可逆裂纹应变累计值作为岩石损伤的度量,基于损伤控制试验得到锦屏大理岩破坏过程中强度和变形特性随损伤的演化规律。研究表明,随损伤变量的增加,岩石弹性模量、损伤强度和峰值强度均会下降,但随着损伤变量达到至某值后,损伤强度会发生迅速降低,而峰值强度随着损伤累积仍会保持增加然后缓慢降低;进一步分析得到内摩擦角和黏聚力随损伤变量变化规律：随着损伤的发展,黏聚力从峰值迅速下降,并很快到达残余门限值;而内摩擦角随着损伤的发展经历了先上升再降低2个过程,其中上升段是在大部分黏聚力损失后逐渐升高至峰值。研究成果对于揭示脆性岩石强度破坏机制具有重要的理论意义。     

单轴荷载下大理岩声发射时空演化特征研究

采用岩石声发射三维定位系统和颗粒流模拟软件PFC2D对单轴荷载作用下大理岩损伤破坏过程中的声发射活动规律展开研究。结果表明:(1)压密与弹性变形阶段,岩石声发射活跃度低,AE事件数量分别占总量的2%和18%,AE震源离散。塑性变形阶段中,岩石声发射活动最为剧烈,AE事件数量占总量的74%,AE震源集中于岩石破裂面。峰值应力后期,岩石声发射活动急剧降低。(2)对比试样AE事件定位、颗粒流模拟与岩石损伤破裂状态发现,三者具有高度一致性,前面二者可成为研究岩石损伤演化的重要工具。(3)以岩体声发射能量释放为依据,将大理岩的损伤过程分为初始损伤阶段、损伤稳定发展阶段、损伤加速发展阶段、损伤破坏阶段。损伤加速发展阶段中,岩体裂隙系统发展最快,声发射能量释放率最高,损伤变量逐渐增长至最大值,岩体即将破裂失稳。     

实时温度下花岗岩动态压缩破坏特性试验与数值研究

为了研究黑云母花岗岩热动力学性能,对不同实时温度(20℃,100℃,200℃)下的花岗岩试样力学响应和破坏过程进行了室内试验和数值模拟分析。结果表明:在所研究的温度范围内,20℃时岩样的抗压强度和弹性模量值最大,100℃时最小,且100℃下岩样的破碎程度比20℃和200℃的明显偏大;随着加载速率的提高,应力–应变曲线上的峰值应力和峰值应变增加,岩样内部裂纹演化及破坏程度也随之增大;低加载率时试样周边易萌生裂纹,高加载率下试样内部裂纹在加载初期甚至也可被激活;所提出的Holmquist-Johnson-Cook(HJC)模型参数确定方法是可行的,数值模拟能较好地描述热处理岩样在冲击荷载作用下力学特性;HJC模型与相关失效准则相结合,能逼真地展现岩样动态压缩破裂过程及其形破坏态变化。     

锦屏深埋大理岩破裂特征与损伤演化规律

 锦屏二级引水隧洞最大主应力超过70 MPa,在如此高应力条件下,必然存在岩体强度和地应力之间的尖锐矛盾。深入认识大理岩的破裂特征,把握围岩的损伤演化规律,对于支护优化设计和评价围岩稳定性具有重要意义。在已有关于脆性岩石破裂问题研究成果的基础上,借助于裂纹体积应变拐点和大理岩体积应变拐点配合声发射测试,确定不同围压条件下大理岩的特征强度,并将特征强度在主应力空间中进行表达,形成现场可用的强度包线。利用起裂强度曲线分析损伤区的应力状态,并根据计算成果确定不同损伤区分区的范围,描述监测断面随掌子面推进过程中损伤区的演化过程。为进一步分析损伤区的演化规律,在监测断面布置声波和声发射测试,声波检测获得的松弛圈深度主要与损伤区中的破坏区相对应,而声发射测试可以获得完整的损伤区分布特征,更有利于了解围岩的损伤特征,可为支护优化设计和支护时机的选择提供更加科学的依据。     

疲劳荷载下大理岩累积损伤过程的应变速率响应

通过不同围压下4种应力比进行应力控制的大理岩等幅循环加卸载三轴压缩试验,探索疲劳荷载作用下岩石累积损伤过程中的应变速率响应特征。结果表明:①在低围压或高应力比条件下岩样易发生疲劳破坏。随循环次数增加,发生疲劳破坏岩样的弹性模量呈急速下降趋势,未发生疲劳破坏岩样的弹性模量小幅波动后趋稳。②加载过程中岩样轴向应变速率随应变发展呈"U"型演化趋势,体变速率随体变发展呈反"L"型演化趋势,临近破坏时轴向应变速率和体变速率均大幅增加。卸载过程中轴向应变速率呈倒"S"型演化规律,体变速率呈"U"型演化趋势。③每次加载的初始和终了应变速率各自均与其对应的残余应变呈线性正相关关系,当次加载的初始应变速率可反映岩样在之前疲劳作用下的累积损伤程度。④新建立的归一化初始应变速率和损伤因子有明显的线性关系,系数K随围压增大或应力比值减小而减小。未破坏岩样在后期循环加载时的归一化初始应变速率和损伤因子曲线出现"弯钩"型回缩现象。     

不同岩性的裂隙岩石破裂热–声敏感性分析

岩石破裂过程存在热红外和声发射信号变化,因此研究含裂隙岩石破裂过程热–声信号具有重要意义。为研究不同岩性裂隙岩石破坏过程的热–声敏感强度,对花岗岩、玄武岩、红砂岩、灰岩及大理岩试样开展了单轴压缩试验,对试样加载过程临空面温度和内部声学信号进行了监测,提出了热–声敏感性联合分析指标。研究结果表明：热–声联合指标时序敏感性依次为：红砂岩、灰岩、大理岩、花岗岩、玄武岩;热–声联合指标峰值敏感性依次为：玄武岩、花岗岩、大理岩、灰岩、红砂岩;热红外温度信号早于声发射信号;联合指标能够避免声发射信号的滞后性和热红外的空间局限性;各岩性岩石破裂过程中热–声信号和应力有很好的对应关系。相关研究可为岩石突发性失稳破坏的分析和防治提供有益参考。     

不同温度处理后深部砂岩动态力学及损伤特性试验与分析

利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置研究不同温度处理后深部砂岩的动态及损伤特性,并对砂岩经历-15℃～800℃作用后的动态应力、应变、应变率、分形维数、破坏模式及损伤度随温度变化的规律进行分析。结果表明:在-15℃～800℃温度范围内,20℃是随温度变化的分界点,其中,-15℃～20℃时砂岩的动态峰值应力随着温度的升高不断增加,0℃时出现转折点;20℃～800℃时砂岩的动态峰值应力随着温度的升高不断下降,600℃后峰值强度急剧下降。试验数据表明温度处理后的砂岩动态特性表现出较强的应变率效应,其破坏模式主要为劈裂拉伸破坏及压碎破坏,砂岩的损伤演化过程受温度影响较大。     

不同应力路径下大理岩破坏过程的声发射特性

 对大理岩试样进行常规三轴和卸围压破坏过程的声发射参数测试,研究加荷和卸荷两种应力路径下大理岩破坏过程的声发射特性差异。结果表明,常规三轴试验中,声发射幅值随着围压的增加逐渐增大,岩样破坏前的声发射累计释放能量呈线性增加,最大振铃计数率和能量计数率不是出现在峰值,而是出现在峰后应力跌落阶段,峰值应力前的屈服阶段和残余强度前各存在一个平静期,振铃计数率的每个突增都与应力降相对应。卸围压试验中,岩样破坏后声发射幅值明显增大,卸荷开始后振铃计数率和能量计数率出现突增,声发射累计释放能量呈非线性迅速增加,根据声发射累计释放能量增速可以将岩样破坏过程分为3个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段和塑性阶段,在大规模声发射出现前期会出现平静期,两者会交替发生。与常规三轴试验相比,卸荷声发射振铃计数率更大,累计释放能量更高,说明大理岩卸荷破坏更加剧烈。     

含预制椭圆形孔洞大理岩变形破坏力学特性试验研究

通过对含预制椭圆形孔洞板状大理岩试样进行单轴压缩试验,研究椭圆长短轴比m及倾角?对大理岩力学特性的影响,并借助数字图像相关技术(DIC)记录并分析试样的变形破裂过程。研究发现,含椭圆形孔洞试样的峰值强度、弹性模量和起裂应力水平都随倾角的增大而增大,且对倾角和长短轴比的变化都有不同的敏感性,其中峰值强度对倾角变化的敏感程度随长短轴比的增大而增大。含椭圆形孔洞试样的最终破坏模式随倾角的增大可分为拉–剪混合破坏和剪切破坏2种,而孔洞长短轴比的变化对裂纹搭接及岩样破坏形态的影响较小。含椭圆形孔洞岩样在峰值前后的变形破裂特征能够通过观测试样表面应变场得到清晰地表征,其中局部高应变区预示着裂纹的起裂和扩展。基于局部化特征,提出一种含孔洞缺陷岩石起裂应力的测量方法,当含椭圆形孔洞试样起裂应力水平达到39.83%～76.18%时,试样处于拉伸裂纹临界起裂状态。     

深部花岗闪长岩破坏过程声发射及特征应力特性试验研究

以深部花岗闪长岩(564~576 m)为研究对象,采用微机伺服岩石三轴试验机和声发射监测系统,对岩样进行压缩试验和声发射监测试验,获得深部花岗岩破坏过程声发射特性。通过探究深部花岗闪长岩在单轴及三轴压缩破坏过程中应力–应变特征和声发射参数曲线,得出岩石的裂隙初始应力、裂隙贯通应力和峰值应力以及与之对应的声发射特征得到声发射参数与岩石破裂之间的关系。分析试验数据,得到声发射参数与岩石破裂之间的关系,为进一步建立工程岩体的强度准则提供依据。     

灰岩单轴压缩损伤演化试验研究

利用单轴压缩试验,研究了裂纹应变随加载速率的变化规律,得到了不同加载速率下黄龙灰岩的起裂应力。黄龙灰岩的起裂应力约为峰值强度的95%以上,裂纹起裂应力随加载速率增加而增加,而且加载速率越高,破坏后的岩石碎块的尺寸越小。根据岩石黄龙灰岩单轴压缩过程的声发射特征,得到了岩石内部微裂纹演化特征。随着裂纹的不断扩展,岩样出现了明显的损伤局部化现象。最后,利用滑移裂纹模型,分析了黄龙灰岩动态损伤演化机制,得到了加载速率与裂纹起裂应力的关系,同时获得了临界裂纹长度与加载速率的关系。     

岩石变形与渗透性变化关系研究

将变形(应变)作为基本变量,引入损伤作为中间变量,建立新的渗透性演化模型.该模型可以用来计算岩石峰值破坏前,受剪切和拉伸破坏时的渗透性变化情况.模型经试验资料验证,在应力–应变峰值前与实测值吻合良好.