矽卡岩单轴循环加卸载试验及声发射特性研究

利用MTS岩石力学试验系统和PAC声发射信号采集系统,研究了单轴循环加卸载作用下矽卡岩强度变化及声发射特征。在矽卡岩循环加卸载过程中,若加载过程中岩样没有明显局部破坏,则随着循环次数的增加,弹性模量逐渐增大,岩样强度略有提高;若加载过程中岩样内部已经出现明显的局部破坏,产生了不可恢复的宏观裂纹,则循环加卸载会促进宏观裂纹层面间的滑移,从而加速岩样失稳破坏。矽卡岩在单轴压缩作用下声发射曲线大体可分为压密、弹性、塑性、峰后屈服4个阶段,并伴随有不同的声发射情况。此外,矽卡岩在循环加卸载作用下具有反凯塞效应,并且随着加卸载循环次数的增加,费拉西蒂比逐渐变小;岩样卸载阶段仍然有大量声发射产生。     

冻融岩石核磁共振检测及冻融损伤机制分析

以花岗岩为岩样在最低冻结温度为-40 ℃、融化温度为20 ℃的条件下对5组岩样开展了冻融循环试验,最高累积冻融循环次数为100次,并采用核磁共振（NMR）技术检测岩样内部损伤变化。试验结果表明,冻融作用会对岩石内部造成损伤,循环次数达到一定值时岩样表面产生明显裂纹;NMR T2谱图和成像结果表明,冻融作用使岩样孔隙结构重新分布,孔隙数量随循环次数增加而增加,产生裂纹后T2曲线信号幅度发生显著变化。最后使用损伤力学原理对花岗岩冻融损伤机制进行探讨,得到材料连续性与孔隙率的损伤关系、有效应力与孔隙率的关系表达式,并以岩样核磁共振结果为基础,得出其有效应力与循环次数的表达式。     

循环剪切作用下三维粗糙裂隙非线性渗流特性数值模拟研究

研究了循环剪切过程中剪切位移和循环次数对三维粗糙裂隙非线性水力特性的影响。首先,基于天然粗糙裂隙面的高程数据生成三维裂隙面,并通过前人的研究结果确定循环剪切过程中的法向位移变化值,建立了16个开度空间模型,从而得到了不同剪切位移和循环次数下接触面积和开度分布情况,发现当循环次数一定时,随着剪切位移的增加,原本吻合的上下表面发生错动,平均开度和各向异性增大,接触面积减小;剪切位移一定时,随着循环次数的增加,上下表面起伏在剪应力作用下被磨平,接触面积增大,平均开度减小。将模型导入数值模拟软件进行计算得到流量数据,结果表明,水力梯度随流量变化规律符合Forchheimer定律。循环1次时,随着剪切位移从4 mm增加到10 mm,线性Fochheimer系数减小了88.3%,非线性Fochheimer系数减小了95.2%;循环2次时,随着剪切位移从4 mm增加到10 mm,线性Fochheimer系数减小了95.4%,非线性Fochheimer系数减小了99.7%,两系数减小的幅度随循环次数增大而增大。进一步分析发现,剪切位移的增加对裂隙渗透性有促进作用,循环次数增加对渗透性起抑制作用。此外,...     

不同频率循环荷载作用下花岗岩细观疲劳损伤量化试验研究

花岗岩宏观尺度疲劳破坏是由于细观尺度微裂纹的萌生、发育和贯通引起的,所以对处于细观尺度的微裂纹特征进行量化分析,对于理解花岗岩的动力特性有一定的意义。首先利用RMT-150B多功能全自动刚性岩石伺服试验机,采用振幅为10 MPa,频率分别为0.01、0.02、0.05、0.10、0.20、0.50、1.00 Hz的正弦循环荷载作为动力扰动,对海南昌江花岗岩试样进行单轴循环荷载试验。然后,利用扫描电镜（SEM）拍摄得到花岗岩的大量细观结构图片,运用数字图像技术获取微裂纹的细观几何信息,从方位角、长度、宽度和面积对不同荷载频率相应的花岗岩细观尺度微裂纹特征进行量化分析。研究结果表明,随着循环荷载频率的增加,微裂纹方位角发育离散性增加,而其统计均值则在某一区间内波动;微裂纹长度的发育则较快,而仅当荷载频率达到1 Hz时,宽度才有一定的发展,同时,能量耗散的方式也发生一定的变化。     

循环荷载下花岗岩细观损伤量化试验研究

在循环荷载作用下,花岗岩宏观尺度疲劳破坏是由于细观尺度微裂纹的萌生、发育和贯通引起的,因此对处于细观尺度的微裂隙进行量化分析,对于理解花岗岩的动力特性有一定的意义。利用扫描电镜（SEM）拍摄得到昌江花岗岩的大量细观结构图片,利用数字图像技术对图片进行处理,提取微裂纹的细观几何信息。从矿物晶体和微损伤形式两个角度定量分析了循环荷载作用过程中的细观损伤特征。研究结果表明：①循环荷载作用过程中穿晶裂纹大部分出现在长石晶体内,而云母晶体则以沿晶裂纹为主;②在3类微裂纹中以沿晶裂纹发育速度最快,是疲劳损伤中主要的损伤形式;③沿晶裂纹和穿晶裂纹发展中所消耗能量占微裂纹开裂能量的大部分     

冻融温变速率对岩石受载特性的影响规律

以贺兰山岩画、云冈石窟等中常见的硅质胶结砂岩为研究对象,对不同温变速率冻融后岩样进行称重、超声波测试和单轴压缩试验,探究了冻融后岩石物理力学性质随冻融温变速率的变化规律;根据冻融后岩石受载过程中的声发射和微震特征,揭示了温变速率对冻融后岩石内部不同尺度裂纹扩展的影响规律及其内在机制。研究表明：（1）随着温变速率增加,岩样冻融后的微裂纹增多,颗粒间联结强度减弱,峰值强度、弹性模量降低,破坏应变及损伤参量D_e、D_v增大;（2）冻融岩石受载过程中,微裂纹具有“初始压密―扩展孕育―急速扩展”的演化特征,宏观裂纹演化过程可分为“匀速扩展－急速扩展”两个阶段,其中宏观裂纹的急速扩展阶段还呈现出“孕育－扩展－再孕育－再扩展”的波浪式发展特点;温变速率越大,冻融后岩石受载过程中的微裂纹、宏观裂纹扩展越快,且更易于进入急速扩展阶段;当温变速率增大到一定数值后,微裂纹、宏观裂纹从加载开始即以较高速率扩展,直至岩样破坏;（3）微裂纹孕育阶段和加载全过程的声发射振铃相对增长速率,以及宏观裂纹匀速扩展阶段的相对时长、微震振铃相对增长速率均与损伤参量D_e、D_v具有较好的拟合关系,能够反映冻融循环对岩石的初始损伤作用;（4）冻胀力随温变速率增加而增大,导致不同温变速率冻融后岩样的初始损伤不同,这是引起冻融后岩石受载过程中裂纹扩展、声震特性出现显著差异的内在原因。     

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。     

砂岩高温前后超声特性的试验研究

对焦作砂岩经历不同温度（100 ℃～1 200 ℃）前后超声纵、横波波速和几何尺寸进行了量测,进行了单轴抗压强度试验,计算了超声波纵波经过岩样的衰减系数,应用波速与弹性模量的关系计算了岩样的裂隙密度。比较了经历不同温度前后的岩样体积、超声波速、衰减系数的变化。结果表明,岩样在经历高温后内部微裂隙发展,使结构致密性下降,超声波速降低;对经历不同温度后的岩样波速改变与强度变化规律有明显差异,但超声衰减系数与强度变化规律相似,可以为强度评价提供一定参考。     

水-岩作用对砂岩卸荷力学特性及微观结构的影响

库岸坡岩体在工程建设中不可避免要遭遇开挖卸荷作用的影响,以三峡库区典型岸坡的层状砂岩为试验对象,设计开展了模拟库水位升降变化和浸泡-风干循环的水-岩作用试验,重点分析了水-岩作用对砂岩卸荷力学特性和微观结构的影响。研究表明：在10次水-岩作用过程中,砂岩的三轴卸荷强度、抗剪强度总体呈先陡后缓的劣化趋势,前4次水-岩作用的劣化速度较快,占总劣化度的70%左右,而后,劣化趋势逐渐趋缓;随着水-岩作用次数的增加,同一围压下岩样卸荷前的变形模量逐渐降低,围压卸载过程中变形模量的线性缓变阶段逐渐变短,非线性突变阶段逐渐变长、变缓,岩样的脆性特征逐渐减弱,塑性逐渐增强;水压力的反复升降变化和浸泡-风干循环作用对岩样造成了不可逆的渐进累积损伤,微观上岩样微裂纹、裂隙、孔隙逐步发育、汇集,宏观上就表现为孔隙率增加、三轴卸荷强度、抗剪强度的劣化。相关研究结论可为库岸边坡岩体开挖卸荷变形稳定分析提供参考。     

基于声学测试和摄像技术的单裂隙岩石裂纹扩展特征研究

为研究裂隙岩石破坏强度及裂纹扩展特征,采用MTS岩石力学试验机对单裂隙岩石进行单轴压缩试验,同步进行声发射、声波及摄像测试,研究裂隙岩石应力应变行为、声波及声发射特征与裂纹扩展、聚结的变化关系。结果表明,起裂应力、峰值强度及模量随裂隙倾角α变化一致,均先减小后增大,起裂应力和强度受α影响较大;裂纹间断性加速扩展引起的应力转移和释放(应力降),导致裂隙岩石应力-应变曲线呈阶梯状上升;应力降伴随着能量释放、刚度劣化和AE振铃计数的激增,随着α的增大,首次应力降和振铃计数陡增对应的应力逐渐增大,且振铃分布向峰值强度附近集中;裂纹起裂、扩展引起波幅和波速衰减,且波幅下降早于应力降的发生。α=0o岩样峰前波速降高达50%,随α的增大,波速下降点的应力逐渐增大,峰前波速降幅不断减小,α较小时峰前裂纹发育程度高,随着α的增大,峰前裂纹发育程度减弱,裂纹加速扩展、聚合向峰后转移;裂纹长度扩展到临界值时扩展速率会发生快速增大,随着α的增大,裂纹临界长度逐渐降低。     

基于微裂隙变形与扩展的岩石冻融损伤本构模型研究

在冻融条件下岩石微裂隙中的水发生相变,体积膨胀,对微裂隙产生很大的冻胀力,当冻胀力超过岩石的抗拉强度时,微裂隙扩展。温度升高时,水又进入新的微裂隙,如此反复循环造成了岩石的损伤。据此,将岩石中的微裂隙等效为扁平状椭圆裂隙,基于断裂力学建立了单条微裂隙下裂隙扩展长度与冻胀力的关系,考虑岩石中微裂隙的分布,将岩石冻融条件下的应变分解为初始损伤应变、附加损伤应变和塑性应变,建立了弹塑性冻融损伤本构模型。最后,通过岩石冻融试验对该模型的合理性进行了验证,结果表明,该模型能够较好地模拟岩石在不同冻融次数下的应力-应变关系曲线。     

Effect of Rapid Thermal Cooling on Mechanical Rock Properties

Laboratory tests have been conducted to investigate the effects of rapid thermal cooling on various rock specimens including igneous, sedimentary, and metamorphic rocks. At first, various types of thermal loading were conducted: heating up to 100, 200, and 300 °C, followed by rapid cooling with a fan. In addition, multiple cyclic thermal cooling (10, 15 and 20 cycles) with a maximum temperature of only 100 °C was conducted. Experiments included edge notched disc (END) tests to determine the Mode I fracture toughness, Brazilian disc tests to determine tensile strength, seismic tests to determine P-wave velocity, and porosity tests leading to meaningful results. Even though only small changes of temperature (rapid cooling from 100 °C to room temperature) were applied, the results showed that crack growth occurred in some rock types (granite, diabase with ore veins, and KVS) while crack healing occurred in other rock types (diabase without ore veins, quartzite, and skarn). To better understand the results, 3D transient thermo-mechanical analysis was conducted using the ANSYS program. The results indicated that there was a thin region near the outside of the specimen where large tensile stresses occur and microcracking would be expected, and that there was a large area in the middle of the specimen where lower magnitude compressive stresses occur and crack closure would be expected. It was found that the more heterogeneous and more coarse-grained rock types are more likely to exhibit crack growth, while less heterogeneous and more fine-grained rocks are more likely to exhibit crack healing.     

岩石破裂全程数字化细观损伤力学试验研究

设计基于扫描电镜（SEM）的岩石破裂全过程数字化细观损伤力学试验方案,实现了岩石破裂全过程的显微与宏观实时的数字化监测、控制、记录及分析的岩石力学试验。应用于四川锦屏大理岩预制裂纹试样中进行单轴压缩破坏全程的数字化试验,对微裂纹的萌生、生长及贯通过程进行数字化定量分析,得到试样在受荷过程中微裂纹的面积、方位角、长度、宽度和周长基本几何数据,从宏细观角度描述了岩石试样单轴压缩过程中的破坏机制,并分析得出试样单轴受压破坏过程中虽然微裂纹在某些区域集中,但在整个试样中微裂纹的统计分布依然是服从某一指数分布的这一结论。试验研究结果证明了该试验方案的科学性和先进性。     

岩石非理想裂纹圆盘试件动态断裂韧性测试的有限元分析及试验研究

采用中心裂纹圆盘-霍普金森压杆(CCCD-SHPB)试验系统对大理岩中心裂纹圆盘试件进行不同加载速率下的纯Ⅰ型加载试验,研究岩石材料动态断裂韧性的加载速率相关性。考虑到试验中所使用的圆盘试件是带有中心切口的非理想裂纹,结合试件的实际加工情况,提出采用切口尖端形状为小圆弧形的预制裂纹,介绍了试件的制作方法,并利用有限元计算论证了采用这种形状非理想裂纹试件的试验可行性。结果表明,采用圆弧形裂尖、裂纹宽度为1 mm的中心切口非理想裂纹圆盘试件来代替理想裂纹圆盘试件是可行的,误差不超过2.13%。分析试验数据得出：非理想裂纹圆盘试件在纯Ⅰ型加载条件下,其断裂韧度表现出明显的速率相关性,且随着加载速率的增大而增大。     

基于数字图像相关法的两类岩石断裂特征研究

岩石破坏时的临界断裂特征,如过程区长度,裂缝口张开位移是运用断裂力学解决岩石断裂问题的关键所在。传统测量方法,如应变片、直线位移传感器无法获得岩石破坏时的全场变形,因此,也无法准确地获得上述断裂特征。数字图像相关法是一种光学的变形测量方法,其通过试样表面的数字图像采集及相关计算,能够获得岩石破裂过程各个阶段的高精度全场变形特征。利用该试验手段,对两类岩石,即相对较硬的大理岩和相对较软的黄砂岩开展了一系列半圆盘三点弯曲断裂试验并获得了岩石断裂时的临界变形场,对变形场进行分析,从而确定了两类岩石破坏时临界特征、过程区长度及裂缝口张开位移。结果表明,大理岩的断裂过程区长度明显小于黄砂岩的断裂过程区长度,峰值时黄砂岩COD的值均大于相同裂纹长度的大理岩,而较软岩的力学行为更容易受边界效应的影响。上述研究有助于进一步了解不同类型岩石的断裂发展过程并采用相应的方法来解决岩石破裂问题。     

单轴压缩条件下含三叉裂隙类岩石试样力学特性的细观研究

三叉裂隙是自然界普遍存在的一种岩体缺陷形式,其对岩体的力学特性有重要影响。对含预制三叉裂隙的水泥砂浆试样进行室内单轴压缩试验,配合使用摄像机拍摄裂纹的起裂、扩展、贯通过程,通过数字图像技术处理获取试样的应变场云图,并结合PFC2D程序研究不同?、? 条件下试样的强度特征、裂纹模式和裂纹演化扩展规律。研究表明：三叉裂隙对试样单轴抗压强度有明显的削弱作用。当? 恒定为120°时,试样在? = 30°时达到最大抗压强度;当? 恒定为90°时,随?增大,试样抗压强度呈先减小后增大的趋势,且当? = 45°时达到最大抗压强度。试样产生的裂纹可分为3类,分别是张拉型裂纹(Ⅰ型裂纹)、剪切型裂纹(Ⅱ型裂纹)、混合型裂纹(Ⅲ型裂纹)。这3类裂纹通常从裂隙尖端开始产生,并且Ⅰ型裂纹沿加载方向扩展,通常未扩展至试样边界;Ⅱ型和Ⅲ型裂纹通常与加载方向呈一定角度扩展至试样边界。通过对裂纹的几何形态和组成宏观裂纹的微裂纹成分的分析,得知导致含三叉裂隙试样在单轴压缩条件下失效的是张拉破坏。数字图像技术得到的应变云图表明,当载荷达到一定阶段,裂隙尖端出现应力集中,微破裂开始发育并聚集成微破裂区,微破裂区扩大产生宏观裂纹。通过对主应变和剪应变云图分析,发现导致试样失效的是张拉破坏,剪应变在裂纹扩展过程中的影响较小。     

Experimental study on three-point bending of granite after cryogenic freeze-thaw cycles at -160 ℃北大核心CSCD

In order to study the effect of freeze-thaw cycles on the type I fracture toughness of granite under ultra-low temperature conditions,semi-circular bending（SCB）specimens were used in this study,and different freeze-thaw times（1,2 and 3 times）were selected. The granite in the natural state was treated with -160 ℃ ultra-low temperature freeze-thaw cycles,and the three-point bending test was carried out on the granite after the freeze-thaw cycle. and microstructure effects. The results show that with the increase of freeze-thaw cycles,the localized damage of I-type crack tip of granite is intensified,the fracture toughness is decreased,the number of microcracks and pores in the rock is increased,the length of cracks is increased,and the pore size is increased. Finally,the changes of rock frost heaving force and fracture toughness under low temperature and ultra-low temperature conditions are compared and analyzed. Compared with low temperature conditions,the frost heaving force produced by ultra-low temperature freezing and thawing is larger. When fracture toughness decreases by approximately the same amplitude,rocks need more cycles of freezing and thawing at low temperature. The research results can provide theoretical reference for underground storage of liquefied natural gas（LNG）in ultra-low temperature environment. © 2022 Science Press (China).     

含充填节理岩体相似材料试件单轴压缩试验及断裂损伤研究

研究了单轴压缩条件下裂隙含充填与否对节理岩体力学性能的影响。以相似材料模拟脆性岩石材料制作含预置裂隙试件,在刚性试验机上对试件进行单轴压缩试验,研究了裂隙充填与否对节理岩体强度峰值及峰后塑性变形能力的影响;用有限元软件ABAQUS对试件进行断裂及损伤分析,研究了裂隙充填与否对节理岩体应力强度因子及损伤因子的影响。研究表明,在单轴压缩情况下,裂隙中含充填与不含充填相比,裂隙含充填岩体峰值强度提高、峰后塑性变形能力增强、总应变能释放率Gc降低,增大了节理岩体抵抗开裂的能力;裂隙含充填岩体环向拉应力场从分布区域及峰值都小于无充填裂隙试件;在同样外荷载作用下,裂隙含充填岩体损伤度小于无充填岩体。     

基于SEM图像的岩石细观结构特征研究

从损伤理论出发,构筑一套细观量化试验方法,解决从试验制样、试验设备到试验程序等相关问题。采用扫描电镜对四川锦屏大理岩进行了观测,得到了大量岩石细观结构图片。利用数字图像处理技术对图片进行处理,并编制相关程序实现图像二值化,然后从图像中提取了微裂隙的长度、方位角、宽度、面积和周长等微裂隙细观信息。最后,利用统计学理论对获取到的微裂隙细观信息进行了统计分析,得到各参数的统计规律,为研究岩石的宏观破坏提供了依据。