不同温度循环作用后大理岩细观损伤特征的定量研究

通过单轴压缩试验和细观损伤特征量化试验,对经历20、100、300、450、600 ℃五种温度循环后的四川锦屏大理岩试样的宏观力学性质及相应的细观损伤特征进行了研究。试验结果表明:① 经历不同温度循环的大理岩单轴压缩破坏试样的细观尺度微裂纹主要由沿晶裂纹、穿晶裂纹及晶内裂纹组成,且裂纹相应的基本几何信息服从广义极限统计分布特征;② 由于试样中的沿晶裂纹和穿晶裂纹的100 ℃温度阈值特征,致使宏观尺度的大理岩试样在温度100 ℃前后表现出不同力学性质;③ 沿晶裂纹是在经历温度循环后大理岩试样单轴压缩破坏中起主导作用的微裂纹,穿晶裂纹有一定贡献,而晶内裂纹并未发挥显著作用。     

单轴加载条件下大理岩的实时轴向波速变化特征与频谱分析

为研究大理岩在单轴应力条件下的实时轴向波速的变化特征,采用自主研发设计的超声波检测替代承压装置,完成了大理岩、Q345钢的单轴压缩试验与实时轴向超声波测试,并结合FFT方法分析了大理岩试样与Q345钢试样的波速、频谱特征。试验结果表明:在单轴加载条件下,Q345钢试件耦合面的接触性状是导致其波速增长的主要原因,而大理岩纵波波速随应力的变化则受耦合面接触性状与孔隙闭合特征的共同控制,大理岩在弹性范围内的波速变化可分为孔隙压密段与线弹性段两个阶段;试件端面接触性状越稳定,波速增长越慢,波速越高,次频带谐波能量越低;随着岩石内部的孔隙、裂纹被压密,纵波波速增大,频域信号的低频段能量逐渐向高频段转移。     

基于SEM的大理岩单轴受压全过程细观损伤量化研究

设计基于SEM的大理岩细观损伤全程数字化跟踪试验方案,对四川锦屏大理岩试样进行了单轴压缩细观损伤的全程试验。基于数字图像处理技术,对微裂纹的萌生、生长及贯通过程进行定量分析,提取试样在受荷过程中微裂纹的面积、方位角、长度等基本几何数据。然后利用统计学理论对获取到的32组试样微裂纹的损伤全过程的细观信息进行了统计分析,得到在单轴压缩过程中大理岩试样微裂纹的方位角、长度和间距服从变参数的广义极限分布这一结论。     

脆性岩石循环加卸载试验及应变损伤参数分析

为研究不同应力状态循环加卸载条件下脆性岩石的强度、变形和损伤力学特性,对马城铁矿辉绿岩开展了单轴压缩、三轴压缩以及单轴、三轴循环加卸载等不同应力路径岩石力学试验,得到了脆性岩石在单轴和三轴条件下的强度、变形特征以及循环加卸载应力-应变曲线变化规律。给出一种岩石循环加卸载过程中相对应变损伤参数,结合现有损伤力学理论,对脆性岩石破坏过程中的损伤演化规律进行了研究。试验结果表明：①UCS条件下,循环加卸载峰值强度比平均单轴压缩峰值强度低10%~20%;CTC条件下,峰值强度出现离散性。②循环加卸载过程中弹性常量变化趋势跟岩石内部微裂隙的闭合、张开、扩展等断裂损伤机制密切相关。③岩石内部的损伤积累程度随循环次数的增加而不断增大,绝对应变损伤参数几乎不受围压作用的影响,而相对应变损伤参数受到围压的约束作用。     

基于微裂纹演化的岩石蠕变损伤与破裂过程的数值模拟

传统的岩石唯像蠕变模型忽略了岩石内在细观结构的时效损伤演化机制,无法从深层次上揭示复杂工程条件下岩石蠕变特性和时效破裂机理。基于连续介质力学理论,提出了一种表征真实岩石介质的宏-细观双尺度概念模型;依据细观尺度下微裂纹瞬时扩展和亚临界扩展的物理机制,运用损伤力学与断裂力学理论,建立了基于微裂纹演化的岩石细观蠕变损伤本构方程及破裂准则;采用Matlab软件编程将该细观模型嵌入到Comsol宏观有限元模型中,实现了一种能够模拟岩石蠕变损伤与破裂演化全过程的数值方法。在此基础上,利用建立的数值方法对双轴压缩条件下岩石蠕变过程进行了数值模拟,模拟结果很好地表征了岩石典型的3阶段蠕变特征,并以一种物理真实、可视化的方式深入地揭示了岩石从细观时效损伤演化至宏观破裂的全过程。     

单轴压缩过程砂岩破坏特性研究

岩体灾害孕育过程中引起的岩体变形、破坏,会改变岩体的声学特征,在工程中可通过观测声波在岩石内部传播变化判别岩石的稳定性和承载状况。为了确定砂岩裂纹扩展不同阶段声波传播规律与破坏模式,通过声波监测装置及岩石破裂全过程分析系统RFPA^2D研究单轴压缩下砂岩在不同应力水平下波速变化及破坏模式。结果表明:砂岩在进入弹性加载阶段前波幅增速最大,在随后的弹性加载阶段纵波波速增长速度最快,在发生宏观破坏前纵波波速达到最大;根据裂纹应变模型得到裂纹闭合应力σ_cc约为0.19σ_c;裂纹起裂应力σ_ci约为0.28σ_c;在体应变达到极值时,得到试样的损伤应力,砂岩的损伤应力σ_cd约为0.66σc;由RFPA^2D得到由于拉破坏和压剪破坏产生的声发射数,得到在加载初期岩石微裂纹的产生均为压剪破坏,由于压剪破坏产生的剪切面出现时,拉破坏成为主导因素,并导致裂纹扩展及贯通,最终试样失稳破坏。可见砂岩破坏经历的压密阶段—弹性阶段—裂纹稳定扩展阶段—裂纹加速扩展—峰后...     

冬瓜山铜矿深部大理岩单轴压缩条件下的力学特性

为研究深部岩石在单轴静载条件下的力学特性,选用英国INSTRON公司生产的1346型电液伺服材料试验机进行深部大理岩的单轴压缩试验。岩样取至冬瓜山铜矿井下900 m深处,试验时采用位移加载的方式加载,加载速率为0.03 mm/s。通过研究分析试验结果得出：深部岩石处于“三高一扰动”的复杂力学环境中,其内部构造复杂,导致单轴抗压强度值出现离散性;分析大理岩的全应力-应变曲线,得出曲线出现压密、弹性、塑性、破坏几个阶段;岩石破坏前出现扩容现象,即岩石破坏前的瞬间其体积应变会向正值或负值2个方向发展;单轴压缩条件下深部大理岩最终的破坏模式不同于浅部岩石,其出现3种破坏模式,即单斜面剪切破坏、“Y型”和“T型”剪拉破坏。     

应变率对岩石裂隙扩展规律的影响

为分析一种奥陶系沉积岩在单轴压缩条件下岩石的裂隙扩展规律,利用应力加载系统和VIC-3D观测系统等试验系统,并采用数字图像相关方法研究了单轴压缩下岩石表面裂隙扩展过程中应变场的变化特征。试验结果表明:在加载过程中,通过VIC-3D观测系统可得到整个加载过程中的全场应变演化规律,其中岩石表面数字散斑云图的高应变区不断增加,相应地岩石在弹塑性阶段就开始出现了轴向的微裂纹,当达到应力峰值为18.02 MPa时,主裂纹和周围出现的次生裂纹不断扩展延伸导致了试样的完全破坏;考虑到应变率对岩石力学特性的影响,结合单轴压缩下岩石试样表面裂隙周围应变场的变化特征,分析出了主裂纹Ⅰ和次生裂纹Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ周围的应变率和裂纹扩展速率的关系,发现裂隙扩展速率和轴向应变率呈现较强的指数函数关系。研究结果揭示了这种沉积岩的裂隙扩展与延伸规律,可为防治煤矿动力灾害的发生提供参考。     

高温环境下大理岩热损伤特性的试验研究

采用MTS 810电液伺服材料试验系统对常温~800℃高温作用下大理岩的力学性能进行了研究,考察了大理岩的全应力-应变曲线、峰值应力、弹性模量等量的变化特征.结果表明:随受热温度升高大理岩的峰值强度和弹性模量不同程度上渐次降低,尤其是在不同温度段岩石强度降低具有突变性,800℃时大理岩的延性明显增强.基于岩石的应变强度理论和岩石强度的随机统计分布假设,采用损伤力学理论,考虑微元体破坏及弹性模量与温度之间的非线性关系,建立了单轴压缩下的大理岩损伤统计本构模型,给出了考虑温度效应大理岩损伤统计本构模型参数.通过与高温状态下单轴压缩实验结果相比较,显示了所建模型的合理性。最后探讨了温度对大理岩损伤特性的演化规律.     

单轴压缩下岩石全应力应变过程中能量演化特征

为了探究不同岩性岩石单轴压缩下能量演化规律，对花岗岩、砂岩和煤进行了单轴压缩和单轴分级加卸载试验，得到了不同条件下的应力-应变曲线；利用积分和公式获得了岩石试样不同条件下全过程的总能量密度、弹性能密度和耗散能密度值；分析岩石试样峰前和峰后能量演化特征，探究单轴压缩弹性能密度与总能量密度之间的关系。结果表明：单轴分级加卸载应力-应变曲线的外包络线和其单轴压缩曲线具有相同趋势，整体存在一定的偏离程度，且密实度越大的岩石，其偏离程度越小；岩石试样的弹性能密度和总能量密度在单轴压缩与单轴分级加卸载下均满足线性储能规律，利用线性储能规律，得到了岩石单轴分级加卸载与单轴压缩储能极限，两者几乎相等，并且岩石强度越大其储能极限越大。     

基于三轴试验与数值模拟的大理岩破坏特征研究

为了研究深部围岩在不同围压下的力学性质与破坏特征, 对不同围压下大理岩开展了三轴压缩试验; 利用RFPA^2D数值模拟软件对大理岩开展了不同围压下应力-应变特征、强度与声发射特征等研究。结果表明, 岩样峰值应力与围压有关, 随着围压增大, 岩样逐渐由脆性破坏转为延性破坏; 岩石弹性模量随着围压增大表现出非线性增大规律; 数值模拟结果也表明, 岩样声发射现象在单轴压缩时反应强烈, 伴随围压增大, 岩样声发射特征参数逐渐趋于稳定, 围压对岩石横向应变有明显束缚作用, 降低了岩石能量释放与破坏程度。RFPA^2D数值模拟可呈现大理岩试样在不同围压下裂纹萌生、发育、汇合至试样破坏的全过程, 其模拟结果与室内试验结果吻合度较高, 验证了结论的可靠性, 可为矿山深部开采提供理论依据和现实指导。     

单向压缩下岩石表面温度与体积应变关系实验

在单向压缩条件下,通过远红外热像仪,测得了多种岩石试件表面温度随载荷的变化规律,通过贴于试件表面的应变片,同时实测了试件总体的体积应变值,据此寻找岩石试件在受压过程中,试件表面温度与体积应变之间的关系。研究结果表明,在岩石受压的大部分变形过程中,岩石红外辐射温度会随载荷的增加而增加,也随着压缩体积应变的增加而增加,后一结论比较符合热力学定理的预示。实验结果有助于将温度变化与应力或应变变化定量联系起来。     

基于CT三维重构的深部煤体损伤演化规律

为研究不同应力条件下深部煤体损伤演化规律及破坏机理,以平煤十二矿己15-17220工作面的深部煤体为研究对象,进行了单轴压缩的实时CT扫描实验,结合细观统计损伤力学,提出了一种基于CT图像灰度值定义损伤变量的方法,定量分析了煤样单轴压缩过程中损伤演化规律。通过CT扫描实验、压汞实验和室内基本力学实验,建立了能够反映固体基质分布的深部非均质煤样的三维数值几何模型,进行了合理的网格划分,确定了不同材料组分的本构模型及其物理力学参数,在位移控制加载条件下开展了煤样单轴压缩的数值模拟,定性研究了煤样单轴压缩过程中的损伤演化规律及破坏机理。进一步,在单轴压缩数值模拟基础上,通过对煤样施加不同的环向应力,进行了5种不同围压条件下煤样三轴压缩的数值模拟,从应力-应变曲线形态、煤样破裂形态及破裂角大小等方面定性分析了三轴压缩条件下深部煤体损伤演化规律。结果表明:单轴压缩数值模拟的应力-应变曲线及损伤演化特征与CT实时扫描实验得到的结果具有较好的一致性。随着轴向应力的逐渐增加,煤样损伤依次经历了零损伤阶段、局部损伤产生阶段、损伤线性和非线性稳定增长阶段和损伤加速增长致使完全破坏阶段。试件最终破坏时其最大剪切应变率区域及塑性区都近似平行或垂直于煤基质和煤杂质的交界面,且损伤发生的两个主破坏面相互垂直。单轴压缩的整个过程煤样主要发生拉伸破坏,屈服应力后由于煤样的不均匀变形才发生剪切破坏。基于CT重构的煤样三轴压缩的数值模拟得到的损伤演化特征和经典的岩石损伤演化的6个阶段能够很好的吻合,煤样主要发生剪切破坏;随着围压的增大,峰值强度、扩容点应力和残余强度均逐渐增大,破裂角逐渐减小,破裂角与围压之间近似呈负线性相关。在数值模拟的网格划分、几何模型建立、材料参数和本构模型的选取以及应力应变的计算方法等方面做出了优化,取得了较好的数值模拟效果,能够消除实验样品差异性带来的影响,且能够直观准确地定性描述单轴和三轴压缩过程中的损伤演化规律。     

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...     

基于信息融合技术的岩石单轴压缩破坏特征

研究岩石破坏机理只就单一测试手段往往缺乏对比性,在进行煤岩和花岗岩的单轴压缩试验的同时,进行了红外摄像和声发射检测。根据单轴压缩试验,获得了应力-应变全过程曲线,对试验过程中的红外图像和声发射信号进行了分析。综合分析结果表明,岩石破坏过程是其能量的转化过程,不同阶段岩石破坏的机制不同;岩石在单轴压缩试验条件下其内部应力状态复杂,破坏过程的演化是从局部破坏到整体破坏的过程。     

基于CT图像的土石混合体破裂-损伤的三维识别与分析

土石混合体是一种特殊的非连续非均匀地质材料,传统的岩土力学试验方法与分析理论难以直接用于分析其变形破坏行为。发展了一种基于CT扫描和图像处理技术的内部破裂与损伤的三维识别方法,利用自行开发的裂纹识别提取程序提取和分析了单轴压缩下不同含石率土石混合体变形破坏时的内部细观结构变化特征,建立了土石混合体破裂-损伤的三维重构模型,定量地分析了单轴压缩条件下土石混合体的内部损伤演化规律以及含石量的影响和作用。研究表明:该方法可以直观定量地表征土石混合体变形破坏的内部损伤特征与演化规律。石块对土石混合体损伤发展的影响与含石量密切相关,存在一个临界含石率。     

大理岩脆－延性转换的微观机理研究

为探讨高水压对大理岩变形、强度、脆－延转化特性及破坏断裂损伤劣化的影响，取锦屏二级水电站引水隧洞大理岩分别进行高水压、高围压、低围压作用下全应力－应变过程三轴压缩对比试验，对大理岩破坏断裂断口进行微观扫描电镜试验，分析不同工况条件下大理岩断口微观形貌特征.结果表明，在低围压作用下莫尔强度包络线近似为线性，在高围压作用下莫尔强度包络线为非线性.高外水压力的存在抑制了岩石脆性向延性的发展，降低了岩石的强度，对软化区裂纹的扩展起到加剧作用.通过微观数字图像实验分析可知，高围压比低围压条件下大理岩断口裂纹长度小、密度大，分布均匀.给出了高水压、高围压作用下岩石破裂产生的微观损伤力学机理，为进一步分析高围压、高内外水压条件下非圆形洞室围岩失稳破坏提供了可靠的理论依据.     

循环冷加载条件下受载煤样结构损伤规律

煤体是具有孔隙、裂隙结构的固体介质,孔隙的贯通程度、裂隙的宽度是煤层渗透能力的重要指标,为了使煤体裂隙结构发生损伤而达到增透的目的,对三轴受载煤样进行注液氮冷加载实验,利用液氮注入钻孔煤实验装置系统对煤样施加4 MPa围压,分别进行多周期冷加载作用,通过高倍相机、金相显微镜、声波测速仪和CT成像系统观测煤样表面裂隙宽度、波速衰减率及内部结构损伤情况。根据单轴压缩实验的应力-应变曲线,分析煤样结构随冷加载周期的变化规律。结果表明:(1)煤样裂隙结构损伤程度随冷加载周期的增加而增大,损伤速率随注液氮周期的增加呈现先增加后降低的非线性变化规律;(2)煤样经6周期注液氮冷加载后表面发生颗粒脱落,经过7周期注液氮冷加载后发生宏观碎裂;(3)冷加载对煤样原生裂隙损伤效果显著,并沿着层理方向延伸。液氮冷加载能使煤体结构发生显著损伤,这为冲击地压灾害防治与瓦斯治理提供了新的方法。     

煤炭地下气化过程中温度-应力耦合作用下燃空区覆岩裂隙演化规律

进行了高温下泥岩和砂岩的热物理性质实验和单轴压缩实验，获得了不同温度下岩石比热容、导热系数、弹性模量和单轴抗压强度等基本物理力学参数。基于热力学与弹性力学理论，建立了考虑岩石损伤演化的温度-应力耦合作用控制方程，并以某煤炭地下气化现场的工程地质条件为背景，对温度-应力耦合条件下燃空区覆岩温度场和裂隙场的演化规律进行了数值模拟研究。最后，采用现场钻孔观测试验法对燃空区覆岩断裂带发育高度进行了探测。现场探测结果与数值模拟结果基本吻合，证明了数值计算模型及预测结果的合理性。