不同岩石的抗压和抗拉破坏特征试验研究

为探究不同岩性岩石在发生破裂时的演化模式,采用声发射监测系统对大理岩、花岗岩、灰岩、砂岩的巴西劈裂试验和单轴压缩试验监测。试验结果表明,巴西劈裂试验应力变化为非线性变化和线性变化,且不同岩石在巴西劈裂破坏时会产生二次破坏;单轴压缩条件下不同岩样在发生破坏时具有典型的全应力–应变曲线特征,声发射参数变化随应力变化较为一致,但不同岩性对于声发射参数的响应存在差异;在劈裂和压缩过程中,振铃计数和撞击计数对于岩石破坏的发生更为敏感,且岩石越坚硬,发生破坏时释放的能量越多。     

基于颗粒离散元模型的不同加载速率下花岗岩数值试验研究

不同加载速率条件下岩石的力学特性,对于其动载下破裂内在机制的研究具有积极的意义。基于颗粒流理论,通过黏结颗粒模型（bonded particle model,简称BPM）虚拟实现不同加载速率0.001～0.500 m/s下花岗岩单轴压缩和巴西劈裂试验,定量分析加载速率对应力-应变、破裂形态、应变能率及声发射的影响。结果表明：单轴抗压强度和抗拉强度及其对应峰值应变随加载速率增加而非线性增长;单轴压缩作用下,随加载速率增加,试样由单一斜截面破坏向多斜截面破坏转变,且主控裂隙带宽度急剧增大,由裂纹数量及水平向高应变率区域变化规律可明显看出,试样破坏程度随着加载速率增加而逐渐加剧;巴西劈裂作用下试样从一条主控裂隙向多条主控裂隙转变,且裂纹向圆盘试样两侧边缘部分延伸,破坏程度加剧;单轴压缩和巴西劈裂作用下,声发射事件及应变能率均随加载速率增加而呈现出非线性增长趋势。     

深埋变质灰岩单轴加载声发射试验研究

深度挖掘声发射的各特征参数,对于研究岩石损伤演化特征、理解岩石破裂机制、预测预报岩体失稳等方面具有重大意义。通过开展单轴压缩声发射试验,对变质灰岩的损伤破裂机制进行深入研究。研究表明:变质灰岩具有显著的硬脆性,试验过程中AE事件数、振铃计数与能量均呈现出初始较小—缓慢增长—急剧增长—缓慢增长的相似变化趋势;AE事件时空定位结果显示,在试验加载初期,岩石内部AE事件较少,随着荷载增加,AE事件首先在岩样上端部积聚,然后逐渐向中部扩展,直至贯穿试样底部,AE定位结果与岩样的破坏特征相符;通过AE监测技术可以研究岩石在加载全过程中的裂纹起裂、成核、扩展、交汇贯通的破裂过程,对于研究岩石的损伤破坏全过程具有指导意义。     

化学腐蚀对黄河小浪底砂岩力学特性的影响

利用岩石细观加载仪和数字显微观测系统，进行了黄河小浪底砂岩在不同化学腐蚀下的单轴压缩破裂过程试验，探讨了不同浓度，不同pH值和不同化学溶液对岩石力学特性的影响，分析了在化学腐蚀下岩石的细观破裂行为，给出了部分砂岩荷载位移变化曲线。     

单轴压缩下两种脆性岩石强度及声发射特性的试验研究

脆性对岩石破裂机制及声发射特性具有重要影响。采用花岗岩及大理岩两种不同岩性的岩石,开展了单轴压缩及声发射测试试验,获取了两种岩石的强度及变形特性,并对其脆性大小进行定量评价,分析了单轴压缩过程中两种岩石声发射能量演化特性,结合声发射b值计算结果及其物理意义,对比了两种岩石破裂机制的差异性。结果表明:(1)试验所采用的两种岩石,花岗岩的σ_cd/σ_p之比介于0.676~0.745之间,平均为0.706,而大理岩的σ_cd/σ_p之比介于0.439~0.615,平均为0.52;(2)基于脆性评价指标,结合试样宏观破坏现象及形态,本次试验采用的花岗岩其脆性大于大理岩;(3)岩石脆性程度越大,在裂纹不稳定扩展阶段,在产生相同的轴向压缩变形的情况下,环向变形量越大;(4)强脆性的花岗岩在裂纹不稳定扩展阶段持续出现高能级的声发射信号,而弱脆性的大理岩则表现出能量持续降低的变化趋势,峰值强度后,弱脆性的大理岩其高能级能量的声发射信号更活跃;(5)单轴压缩下,与大理岩相比,花岗岩破坏过程中大尺度的破裂事件所占比例较大。     

砂岩破坏声发射临界慢化前兆特征试验研究

通过对砂岩岩石试样开展单轴加载压缩下的声发射试验,测试岩石试样在单轴多级加载条件下受力变形全过程的声发射参数,建立时间-荷载-声发射参数关系曲线,分析岩石变形破坏全过程的声发射特征及变化情况,对岩石变形破坏过程声发射特征的自相关系数和方差变异性进行深入分析,揭示岩石变形破坏的临界慢化现象,探索岩石临界破坏的声发射前兆表征。研究结果表明：（1）岩石在逐级加载过程中产生明显的声发射现象,声发射振铃计数随着加载级数增加越来越高,在岩石试样破坏时刻达到最高;（2）利用声发射RA（上升时间/峰值幅度）与AF（平均频率）特征分析,岩石试样在整个过程中以张拉破裂为主,加载后期剪切破裂逐步增多;（3）通过声发射振铃计数率、上升时间、峰值频率、RA主要特征时间序列的方差和自相关分析,发现其分析结果均在岩石破坏前存在突变性,即表明出明显的临界慢化现象,可作为岩石破坏灾变的前兆特征;（4）峰值频率和RA的方差变异可作为岩石损伤破坏的关键前兆指标。鉴于此,将临界慢化现象分析用于脆性岩石破坏过程的研究,对深入认识岩石临界破坏状态和灾变前兆具有非常重要的科学价值和实用意义。     

珊瑚骨架灰岩三轴压缩声发射特性研究

通过对珊瑚骨架灰岩在不同围压条件下的声发射监测试验,获取珊瑚骨架灰岩三轴压缩力学特性及其声发射（AE）基本特征。研究表明,珊瑚骨架灰岩强度特性符合Mohr-Coulomb强度准则。珊瑚骨架灰岩在三轴压缩作用下的宏观破坏特征表现出较明显的围压效应,即单轴压缩表现为劈裂式张拉断裂面;随着围压的增大,由两级台阶式宏观断口逐渐过渡呈现为单斜面剪切带。珊瑚骨架灰岩在三轴压缩作用下的AE时序演化规律与其应力-应变曲线特征基本吻合,等效破坏时间所对应的累计振铃计数、累计能量计数与围压之间呈良好的对数函数关系。峰前累计振铃计数、累计能量计数在长期强度?cd之前表现出稳定的平缓现象,符合岩石的线弹性变形特征,并在约90%处呈现剧增现象,即为岩石内部微裂纹快速不稳定扩展的开始。珊瑚骨架灰岩在单轴压缩作用下的峰前能量演化规律与其应力?应变曲线特征基本吻合,峰前弹性能、峰前耗散能同样在约90%处出现转折现象。     

大理岩静态和循环荷载试件的电镜试验分析

本文对单轴静态和循环荷载试验前后的大理岩试件进行了电镜试验分析,从中得出三个结论:(1) 试件中不同的部位,其破坏程度不同;(2) 对试件用不同的加载方式,其破坏方式和特征不同;(3) 在疲劳应力门槛值(疲劳应力极限值。以下,称疲劳应力门槛值)以下的循环幅值荷载作用下,岩石内部的裂隙等发生闭合,这是证明岩石疲劳应力门槛值存在的一个重要试验证据。     

砂岩脆性临界破坏声发射信息应力比分析

根据岩石脆性破坏的本构方程和三维重整化理论,推导出了岩石破裂前声发射信号激增的临界点所对应的应力和岩石峰值应力比值的数学表达式。通过测试深部紫红色砂岩单轴加载变形破裂全过程中力学与声发射特征,得到了全过程力学特征曲线、声发射能量累计数等相关数,发现岩石破裂前声发射突增点所对应的应力与岩石临界点相对应。单轴刚性加载条件下岩石脆性破裂前声发射突增点所对应的应力与峰值应力比值大部分近似在74%左右,误差在±9%以内。     

不同岩石破裂全过程的声发射序列分形特征试验研究

通过对不同岩性的岩石进行单轴压缩声发射试验,获取岩石破裂全过程中的载荷-轴向变形曲线及声发射参数,观察试件破裂失稳时的破坏情况,分析破坏过程的载荷变化关系。着重对比了不同岩石的不同力学性质、岩石声发射序列的时域特征和声发射序列的分形特征。研究结果表明,采用声发射率、能率可以很好地描述岩石破裂损伤的整个阶段;计算岩石声发射率、声发射能率的关联维数,可得出岩石破裂过程的声发射序列具有分形特征;岩石破裂过程的声发射分维值D反映了岩石内部微裂隙的统计演化规律;不同岩性的岩石破裂过程的声发射参数序列的分形特征具有一定的共性;归纳总结出岩体声发射序列分维曲线的演化模式,即波动→持续下降演化模式,提出可以将分维值的持续下降作为岩体破裂失稳的前兆。     

一种改进的光滑粒子动力学法在地震条件下岩质边坡中的验证与应用

开发一种改进损伤框架的粒子流算法,被称为核断裂的光滑粒子流法（kernel?broken smoothed particle hydrodynamics,KBSPH）,用于模拟地震条件下岩质边坡的裂纹扩展和变形破坏过程.在KBSPH中,提出一种改进的损伤框架,通过引入断裂标志来改进损伤粒子的核函数,使损伤粒子的虚拟应力键直接断裂,裂纹在断裂的应力键间生成,从而模拟岩石的裂纹扩展过程.在地震边界上采用了双层边界,将动力输入边界与黏滞边界分离.首先通过薄板振动实验验证KBSPH的动力特性.其次以单裂隙岩体单轴压缩试验验证KBSPH的断裂力学特性.最后模拟地震条件下多节理岩质边坡中裂纹扩展过程和动力响应.薄板振动实验验证了KBSPH的动力特性的准确性.单裂隙岩体单轴压缩试验,证明了KBSPH可以正确模拟预制裂隙尖端的翼型裂纹.通过对比以往数值模拟方法和现场案例,表明KBSPH正确揭示了加速度放大效应以及地震条件下岩质边坡的裂纹扩展过程.KBSPH避免了传统算法的网格畸变,损伤粒子应力分量重新分配的问题,降低了编程难度,提高了运行速率,可为SPH在地震条件下岩石力学中的应用和理解岩石断裂机理提供一定的参考.      

加锚岩石力学性质及破坏特征试验研究

采用煤矿煤层顶板岩石作为加锚基体,用钢丝模拟锚杆,对由二者组成的加锚岩石进行了巴西劈裂、单轴压缩和压剪试验研究。结果表明,当加锚试件岩石基体出现塑性屈服裂纹开始扩展后,锚杆逐渐取代岩石基体成为外荷载的承载主体,试件的破坏特征由脆性向延性转变。加锚试件劈裂过程中,圆盘中心出现裂缝后,部分试件仍具有一定的承载能力,其抗拉强度提高了51.1%;另有部份试件则表现为迅速破坏并丧失承载能力,其抗拉强度提高了91.6%。单轴压缩试验中,加锚试件的破坏形式可分为两类:一类为裂纹平行锚杆轴向发展;另一类为裂纹垂直锚杆轴向发展,加锚试件的抗压强度提高了34.6%。加锚试件剪切过程中,其承载能力出现了明显的二次劣化现象,回归试验结果可得加锚试件的内摩擦角基本不变,而凝聚力提高了22.9%。     

单轴压缩条件下岩溶化裂隙岩体损伤破坏特征研究

岩溶化裂隙岩体是普遍发育于自然界中具有初始损伤的岩体。为了研究岩溶化裂隙岩体损伤破坏特征,本文以贵州某地赋存的溶蚀岩体为研究对象,运用损伤力学理论构建岩溶化裂隙岩体在单轴压缩条件下的损伤演化模型,并建立岩溶化裂隙岩体损伤演化方程。采用颗粒流数值软件进行单轴压缩数值试验,进一步研究岩溶化裂隙岩体试件在单轴压缩条件下的损伤演化特征,分析岩溶化裂隙岩体的微观损伤特征。结果表明:岩溶化裂隙岩体的初始损伤主要包括溶蚀损伤和裂隙损伤。岩溶化裂隙岩体的初始损伤随着溶蚀率的增加而增加,最终增加速率趋于平缓;岩溶化裂隙岩体的损伤演化曲线均呈“S”型变化,先缓慢增加,再迅速增加,最后缓慢增加至损伤值1;岩溶化裂隙岩体存在异构特征,导致破坏裂隙起源于具有初始损伤的溶蚀孔洞和裂隙处,随后裂隙经历萌发、扩张和剪切作用、数量和长度增加以及裂隙贯通4个阶段后发生宏观破坏。     

单轴压缩条件下裂隙岩样冻融损伤破坏模式分析

以寒区裂隙岩体为研究对象,采用水泥砂浆类岩石材料制作具有不同几何特征的裂隙岩样,对预制的不同裂隙岩样进行冻融循环试验和单轴压缩试验,研究裂隙长度、裂隙倾角、裂隙数目以及冻融循环次数对试件贯通模式的影响。试验表明：裂隙岩体的几何特征以及冻融循环作用对岩体损伤破坏模式有较大影响。随着冻融循环次数的增加,岩样破裂面的破裂程度越来越严重,破坏模式也越来越复杂;裂隙倾角为30°的裂隙岩样,主要发生拉伸破坏,而裂隙倾角为60°的裂隙岩样,则表现为拉剪贯通,且双裂隙岩样岩桥间多出现压剪裂纹,对于裂隙倾角为90°的岩样,裂隙数目以及裂隙长度对其影响不大,均为劈裂破坏,且破坏面不一定为裂隙面;预制裂隙长度越大,越容易产生除了主拉裂纹以外的支裂纹（压裂纹）。研究结果可为寒区岩体工程建设及运营提供科学的参考。     

Damage characterization during laboratory strength testing: A 3D-finite-discrete element approach

A combined finite-discrete element approach is used to simulate the complete 3D fracture process during conventional laboratory testing, including Brazilian indirect tension and uniaxial and biaxial compression. A typical granite rock type (based on the Lac du Bonnet granite) was simulated to investigate the fracture pattern and mechanical strength of brittle rock in the laboratory. Damage intensity parameters (D₂₁ and D₃₂) are introduced and utilized to characterize the induced damage in the models. These parameters provide an improved representation of the cumulative associated damage and facilitate a quantitative characterization of crack intensity during testing. The numerical simulations included both 3D and 2D models, and show that there is a good agreement between the strength response derived from simulations both in 3D and 2D and the considered rock material. A good correlation also exists between the fracture pattern in 3D and the equivalent 2D models. The influence of confinement on the biaxial strength and the associated damage in compression is investigated. While axial splitting is the dominant failure mode at low confinement, finite-discrete element simulations show that a shear failure mode tends to dominate as the confinement increases. The dependency of dilation upon the confining pressure is also demonstrated, the dilation angle decreasing with increased confinement.     

石灰岩声发射特性的试验研究

采用SYB-4声发射仪和岩石声发射参数动态测试系统,对广西高峰石灰岩进行了单轴压缩条件下的声发射试验,研究了石灰岩在单轴加载过程中声发射活动随时间和岩样应力、变形等变化的内在规律,在此基础上分析了石灰岩的破坏机理。试验研究表明:除加载初期外,石灰岩声发射活动与试样体积变形间有较好的关联性,岩样中微裂纹形成和原有裂纹扩展是造成岩石声发射活动与体积变化的主要原因。因此,采用声发射技术可对矿山采场矿岩体变形稳定性进行监测和评价。      

不同倾角节理组和锚固效应对岩体特性的影响

首先采用DDARF(discontinuous deformation analysis for rock failure)分析方法对双裂隙岩块进行单轴和双轴压缩模拟试验,研究了裂隙角度和侧向应力大小对岩块特性的影响,得到了裂隙岩块在这两种加载试验中的破坏过程、应力-应变曲线以及岩块中裂隙的起裂应力和岩块的峰值强度。在双轴压缩模拟试验中绘制了裂隙角度为45°的岩块在不同侧向压力下的强度包络线。其次,采用DDARF分析方法模拟劈裂试验中含裂隙试块的锚固效果,得到了4种不同锚固角度试块的轴向荷载–位移变化曲线和裂隙扩展规律。模拟结果与前人的类似条件下的试验结果相符良好。随后又将双裂隙试块双轴压缩模拟试验中得到的参数运用到一个地下洞室的工程实例中,用等效力学特性的方法分析对比了完整岩体和节理岩体洞室开挖完成后的破损状态的差异。最后运用DDARF分析方法研究了随机生成4组节理岩体的地下洞室的稳定性,得到了洞室节理围岩的裂隙扩展过程。同时通过对关键点位移的监测分析了锚杆的锚固效应。     

硬脆性流纹岩变形分析的综合刚度法

天然岩石在压缩荷载作用下内部裂隙的闭合、张开、扩展过程直接影响岩石的力学性能。在经典移动点回归法的基础上,引入泊松比进行修正提出了一种6阶段变形划分方法——综合刚度法。不同加载路径下流纹岩的单轴压缩试验结果分析表明:（1）采用综合刚度法可以准确获得硬脆性岩石试样接触应变ε₀、裂隙闭合应变ε_c、弹性应变ε_e、裂隙稳定扩展应变ε_i、裂隙不稳定扩展应变ε_d和峰后应变值ε_f;（2）单轴压缩下流纹岩试样裂隙闭合应变达到峰前总应变的44.2%,峰前裂隙扩展应变和峰后应变均较小,脆性特征明显;（3）单轴压缩弹性阶段加卸载试验表明,采用综合刚度法能更准确剔除试样接触应变,获得裂隙闭合应变。综合刚度法更加适用于硬脆性岩石的变形分析,可以准确剔除试样接触应变并获得更准确的各阶段应变,特别是裂隙闭合应变,可以作为评价岩石内裂隙密度的定量参数。     

循环载荷下含水砂岩裂纹演化与损伤特征试验研究

基于矿井地下水库岩体频繁受到矿震、采动应力等循环荷载扰动这一工程背景,在实验室条件下开展了不同含水率砂岩单轴及循环加卸载试验,采用数字散斑技术,揭示了不同含水率砂岩裂纹扩展及破坏规律,基于电镜扫描微观分析,获得了循环载荷下不同含水砂岩微观劣化机制。试验结果表明：单轴及循环加卸载条件下,随着含水率增大,砂岩峰值强度均逐渐降低。干燥砂岩峰值轴向应变经历初始变形、等速变形、加速变形和失稳破坏4个阶段,含水砂岩经历初始变形、等速变形和失稳破坏3个阶段;随着含水率的增大,对应阶段内峰值轴向应变逐渐减小。通过变形率分析法验证发现,水对砂岩的变形记忆特性并无影响。单轴循环加卸载条件下,砂岩的破坏模式由干燥时的张拉−劈裂破坏逐渐向拉−剪混合破坏过渡,至饱和状态时呈现单一的剪切破坏。电镜扫描结果表明,随含水率增大,破裂结构面逐渐由光滑结构、浑圆状结构、片状结构向完全破碎结构过渡。随着含水率增大,绝对损伤参数不断增大,从侧面反映水岩耦合损伤的正相关性;累计损伤参数累积速率更快,同一循环周次下,累计损伤参数也更大。     

岩石破裂过程中的声发射b值及分形特征研究

应用声发射及其定位技术,通过单轴受压岩石破坏声发射试验,对岩石破裂过程中的声发射b值和空间分布分形维值随不同应力水平的变化趋势进行了研究。研究结果表明：声发射分形维值D和b值反映了岩石破坏过程中微裂纹的初始和扩展;在小尺度微裂纹所占比例较高的加载初期,分形维值和b值在较高的水平波动变化,部分岩石试件分形维值和b值呈现升高现象;随着载荷的增加,岩石内部微裂纹的空间分布由无序向有序转变,大尺度裂纹所占比例增加,声发射定位事件出现群集现象,分形维值和b值开始较快速下降并在岩石失稳破坏时达到最低值。在岩石破坏过程中,声发射分形维值和b值的变化趋势相近。由于实际应用时,分形维值和b值的最小值（临界点）难以确定,故可将2个参数相结合,以分形维值D和b值较快速下降作为前兆特征,以提高现场岩体稳定性监测的准确性。