水力耦合作用下含三维裂隙类岩石材料的破裂力学行为及声发射特征

水力耦合作用下裂隙岩体的破裂力学行为及声发射特征是关系到地下工程安全建设与灾变预测预警的关键问题。利用水泥砂浆材料及声发射技术开展了室内压缩破裂试验,研究了无水及水力耦合条件下含三维裂隙试件的破裂模式、力学特性、声发射特征以及水压和裂隙倾角的影响,分析了声发射信号主频特征随岩体破裂状态的变化规律。试验结果表明:随裂隙倾角增大,试件破裂模式经历了张拉为主-拉剪复合-剪切为主的转变过程;水压增大增强了试件张拉破裂模式,而剪切破裂模式在一定程度上被削弱;随水压升高,起裂应力、损伤应力和峰值强度均持续降低,水压对起裂应力及峰值强度的影响程度存在阈值(4 MPa);试件破裂过程中声发射撞击率变化呈现明显阶段性特征,从而为起裂和损伤应力判定提供了依据;试件不同破裂状态下的声发射信号呈现不同主频特征,相对高、中、低频波的主频值域区间具有非连续性,低频和高频信号占比与试件破裂状态存在对应关系,因此可为岩体破裂状态的预测预警提供参考信息。     

风化片岩残积土剪切特性研究

为考察片岩残积土的剪切特性,结合鄂西北山区某边坡工程,开展了风化岩残积土大型原位直剪试验,研究了风化岩残积土的结构组成、剪切面破损特性、剪切强度特性及其含石率、起伏度等相关关系。结果表明：该风化岩残积土应力-应变曲线多呈应变硬化特征,无明显峰值;束状孤石和束状石组多为翻滚和啃断破坏,起伏度随含石率的增大而增大,近似呈线性关系;爬坡效应会引起剪胀,造成剪应力和垂直应力的增大;随着垂直应力的增大,剪切破坏机制逐渐由滑移破坏变为啃断破坏,剪压应力比（剪应力与垂直应力的比值）逐渐减小。研究成果可为边坡工程变形及稳定性分析提供参考。     

循环高温-快速冷却处理后的花岗岩力学特性及声发射响应特征

基于温度、循环次数对花岗岩试样内部结构损伤的考虑,通过高温处理后的花岗岩单轴压缩试验和声发射监测试验,研究了循环高温-快速冷却后花岗岩力学性质和声发射响应特征。研究结果表明:随着对花岗岩施加温度和循环次数的升高,花岗岩单轴抗压强度不断降低,而单轴抗压强度对应的峰值应变随之增大,花岗岩岩样的塑性特征愈发明显。常温下与高温处理后花岗岩的声发射信号剧烈程度、分布特征存在明显区别。随着对花岗岩施加温度的升高,声发射计数率最大值和声发射累计振铃计数先增大后减小;随着对花岗岩冷热循环次数的升高,声发射计数率最大值和声发射累计振铃计数大致呈现减小的趋势,而声发射信号密集程度均呈现增大的趋势。     

加载速率影响下类硬岩声发射及破裂响应特征

为明确硬岩破坏失稳过程中的声学及破裂响应特征与加载速率相关性,对不同加载速率下类硬岩岩样进行单轴压缩试验及声发射测试,分析类硬岩力学参数特性、声发射现象及破裂响应特征,并基于声发射特征获得类硬岩破坏前兆预警信息。结果表明:类硬岩的峰值强度、弹性模量和峰值应变具加速率效应;随着加载速率增大,力学参数总体呈指数函数增长,相对低加载速率下(0.10~0.15 kN/s)的增长速率较快而在相对高加载速率下(0.20~0.25 kN/s)的增长速率略有减缓;声发射参数演化呈阶段性增长趋势,最大增幅与加载速率呈正相关;随着加载速率增大,AE幅度和幅度密度逐渐增大,AE振铃计数由低值低频向高值高频转变,AE能量由孤震型向群震型转变;加载速率对破裂模式及破碎形态具有明显影响,随着加载速率增大岩样由剪切破坏逐渐向拉伸剪切复合破坏、拉伸破坏演变,破裂程度增大并逐渐表现出岩爆倾向;声发射b值随加载时间增大经历了先上升、后波动、最后下降的演化阶段,呈逐渐减小趋势;类硬岩的临界破坏前兆点(b值)为0.68,声发射前兆信息的预警时序由大到小为累计振铃计数、累计能量、b值,具有良好的时效性和可靠性。研究成果对揭示硬质围岩体力学特征和破坏前兆信息预警提供一定参考。      

基于声发射的盐岩变形破坏过程的分形与损伤特征研究

为研究盐岩变形破坏过程中损伤变量和分形维数之间的关系,对取自某地的纯盐岩开展了单轴压缩和三轴压缩试验。在基于声发射振铃计数的损伤模型和基于声发射定位点空间演化的分形维数计算的基础上,对盐岩变化破坏过程中的损伤变量和分形维数进行了研究。研究表明：在盐岩变形破坏过程中,盐岩分形维数逐渐降低,损伤变量逐渐增加,且分形维数下降的各个阶段与损伤变量增加的各个阶段相对应;盐岩变形破坏前分形维数不再明显下降,且不同应力状态下,盐岩变形破坏前分形维数不同;随着围压增大,盐岩变形破坏前分形维数逐渐降低,其中单轴压缩和三轴压缩应力状态时,分形维数分别低于2.42和2.31、2.20时,预示着试件内部损伤开始汇集,逐渐形成宏观破裂面,导致试件变形破坏;围压对盐岩声发射活动有明显的抑制作用,随着围压的增大,盐岩变形破坏过程中声发射活动逐渐减少,且在此过程中可以发现：在应力加载初期,盐岩分形维数快速下降时所对应的应力百分比逐渐增大,在应力加载后期,当盐岩分形维数不再明显减小时对应的应力百分比逐渐增大;在盐岩变形破坏的加载初期,损伤变量较小,能量释放较少;盐岩变形破坏前损伤变量增加较快,能量快速释放。     

二次加载盐岩损伤自愈合与应变硬化试验研究

为研究损伤盐岩的应变硬化和损伤自愈合特性,通过力学试验、孔渗测试试验、核磁试验,探究损伤盐岩于常温静置和围压保压两种情况下盐岩试样的力学性质、渗透率和孔隙度以及孔径分布在应变硬化和损伤自愈合的共同作用下的变化规律,结果表明：（1）损伤盐岩的应变硬化使得岩样塑性减弱,二次加载峰值应变减小,弹性模量变大。常温静置或围压保压处理后盐岩发生损伤自愈合,塑性逐渐恢复,二次加载时峰值应变增大,弹性模量减小。（2）完整盐岩和损伤盐岩试件的应力-应变曲线几乎没有压实阶段,而经过长时间常温静置和围压保压处理后的试件应力-应变曲线出现了明显的压实阶段。（3）完整盐岩渗透率和孔隙度极低,损伤盐岩的渗透率均高出完整盐岩两个数量级,并随着常温静置时间的变长,渗透率和孔隙度缓慢减小。围压保压后的损伤盐岩的渗透率恢复到了与完整盐岩相同的数量级。（4）常温静置和围压保压作用后,部分中孔和大孔愈合成小孔和中孔。（5）常温静置下损伤盐岩就会产生缓慢的损伤自愈合,而围压保压作用可以大幅度提升盐岩损伤自愈合的速度。（6）盐岩的损伤自愈合可分为前期的快速阶段和后期的缓慢恢复阶段。     

不同荷载下矩形巷道围岩变形及声发射特性试验研究

为研究不同初始地应力下矩形巷道在开挖卸荷过程中围岩的变形破坏特征以及声发射(AE)特性,使用水泥砂浆浇筑胚体并加工成矩形巷道围岩试件,进行开挖卸荷模型试验,得到顶板、隅角和帮部围岩的变形破坏特征以及AE撞击计数、损伤变量、频谱的演化特点。试验结果表明:(1)矩形巷道在开挖卸荷过程中以顶板和帮部围岩径向受拉、隅角围岩切向受压变形为主,且顶板围岩变形特征与帮部类似。(2)地应力量级增加,对顶板(巷帮)的径向以及隅角围岩的切向应变速率影响显著,对其他方向影响较小。(3)AE撞击计数和损伤变量的演化特征揭示了围岩试件内部微裂隙萌生、扩展以及宏观裂缝出现直至发生主破裂的损伤过程;地应力越高,主破裂发生的时间会相对推迟,且开挖卸荷后的相对损伤比重随初始地应力增加呈非线性增长。(4)AE信号峰值频率集中区段增多,且幅值逐渐升高的现象可看作围岩即将发生主破裂的前兆信息;地应力越高,峰频集中区段分布越广。(5)随地应力增大,围岩试件内壁展现了从微裂纹―分层碎胀―块状剥落的变化过程;矩形巷道破坏形式主要以顶板和帮部围岩的张拉性隆起为主,并伴随离层碎胀现象,隅角围岩在试件失去承载力时表现为压剪破坏的特征。     

不同应力路径下绢云母片岩粗粒料声发射特征

粗粒料在变形和颗粒破碎过程中伴随着明显的声发射（AE）,通过监测粗粒料在外力作用下的声发射信号特征可用来研究其力学机制。为探讨不同应力路径下绢云母片岩粗粒料声发射规律,采用改装设计的大型三轴试验机,对绢云母片岩粗粒料分别开展了常规三轴固结排水、等p（体应力）和等q（偏应力）应力路径试验,同时监测其声发射信号。研究表明,对于粗粒料的声发射必须考虑颗粒间的滑动摩擦、翻滚摩擦、颗粒破碎这3种细观机制。不同围压、不同应力水平对颗粒间的滑移、翻滚以及颗粒破碎活动影响较大,因此,在不同阶段,摩擦型AE与破碎型AE所占比例各不相同。在等p路径下,当累计声发射信号出现拐点时,可判断其为应变软化点。等q试验产生的累计AE计数与累计AE能量计数要比等p试验的累计AE计数和累计AE能量计数少一个量级,说明等p试验状态下的声发射要比等q试验活跃。等p试验中,随着体应力逐渐增大,累计AE参量增长率逐渐增大,而等q试验中,随着偏应力逐渐增大,累计AE参量增长率逐渐降低。     

边坡岩体软弱夹层力学特性试验研究

采用自制试验装置,进行边坡岩体中的软弱夹层的力学特性试验。分析实测的剪应力-变形曲线发现,该曲线有明显的比例极限、屈服点和峰值点,表明在试件受力变形初期,剪切力-变形近似呈线性关系,剪切刚度为常量;随法向应力的增大,峰值剪应力呈线性增长,达到峰值强度之后,随剪切变形增大,抗剪强度变化不大,残余强度近似等于峰值强度,表明试样发生剪切破坏,其破坏类型呈“塑性”破坏型。软弱夹层的剪切变形可分为3个阶段,各个阶段的强度参数不同,对边坡工程来说,为保证其有足够的安全系数,建议软弱夹层强度参数取低值。根据试验结果得到的法向应力-压缩位移关系曲线近似呈双曲线型,当法向相对位移小于3.4 mm时与理论结果更为接近。     

卸荷条件下横观各向同性岩体扩容与能量特性分析

丹巴水电站引水隧洞围岩主要为石英云母片岩,位于高应力区,层状特征显著,属于典型的横观各向同性岩体,其扩容和能量特性问题突出。针对平行片理和垂直片理方向的试件,基于MTS815岩石力学试验平台,研究三轴卸荷条件下石英云母片岩的扩容特性及能量变化规律。研究表明:(1)平行组与垂直组试件的特征应力均随围压的增大而增大,两者间具有良好的线性关系;(2)平行组试件裂纹闭合应力、损伤扩容应力及峰值应力均大于垂直组,起裂应力低于垂直组;(3)平行组试件扩容参数(扩容指标及剪胀角)大于垂直组,且随着围压的增大,两组试件扩容特征相继减弱,试件扩容指标与围压呈良好的指数型分布,特征剪胀角与偏应力比呈良好的线性分布;(4)平行组与垂直组试件峰值点和残余点处能量值均随围压增加而增大,且与围压呈良好指数型分布,相同围压下,平行组试件峰值点处能量特征值及残余可释放应变能均大于垂直组,残余耗散能低于垂直组;(5)无论是峰值点还是残余点处,两组试件耗散能量值与剪胀角以及能量特征值与扩容指标间均呈现良好指数型关系。     

岩石摩擦滑动变形演化及声发射特征研究

进行岩石摩擦滑动变形演化过程的声发射特征试验研究。以数字散斑相关方法和声发射系统为试验监测手段,采用双面剪切模型试验方法,开展界面摩擦滑动速率与声发射振铃计数、界面摩擦滑动位移与声发射累计能量、试件变形能密度与声发射b值的对应关系研究。结果表明：（1）声发射振铃计数演化受岩石界面摩擦滑动速率影响,界面摩擦滑动速率的突变与声发射振铃计数激增有较好对应关系;（2）界面摩擦滑动位移与摩擦滑动过程中声发射累计能量演化趋势具有较好的对应关系,可以利用声发射累计能量对岩石摩擦滑动位移的变化趋势进行定性判断;（3）通过声发射b值演化分析可以得出,在剪应力缓慢增长阶段,界面摩擦滑动以随机分布的小尺度微破裂为主;在剪应力线性增长阶段后期,界面摩擦滑动以锁固段的大尺度微破裂为主;在剪应力波动增长阶段,岩石摩擦滑动失稳既可能是由小尺度微破裂为主引发的状态转化,又可能是由以锁固段大尺度微破裂为主引发的稳定状态转换。     

单轴压缩下两类脆性岩石声发射特征试验研究

本文主要研究花岗岩和砂岩两种脆性岩石的详细声发射特征。通过对花岗岩和砂岩样品进行单轴压缩试验,并在试验过程中监测样品破裂全程的声发射信号。对试验结果的分析包含了力学特性分析和声发射特性分析,声发射特性分析使用了多种参数:累积声发射计数、累积声发射能量、AF值、RA值、b值。研究主要获得了如下结果:（1）获取了岩石样品的变形参数与强度参数,并分析了其离散性;（2）岩石样品内部颗粒的胶结强度与结构的均匀性对累积声发射计数、累积声发射能量的影响;（3）需要通过进一步试验研究来确认采用AF和RA值来区分岩石类材料张拉和剪切裂纹模式的合理性及其阈值;（4）砂岩样品在接近破坏时,微裂缝活动仍然占据主导地位。文章对脆性岩石样品在单轴压缩条件下的力学特性和声发射特性进行了详尽细致的分析,发现了单轴压缩条件下脆性岩石的一些重要特性,为进一步的试验研究工作提供了基础。     

动态扰动对应力松弛岩石变形行为影响的试验研究

利用自主研发的岩石松弛-扰动试验装置,测试了岩石加载、松弛、动态扰动和扰动后4个阶段的轴向应力、轴向应变和声发射响应,观察到了岩石试样在动态扰动后应变增加、应力降低的现象,砂岩试样的这种特征比花岗岩明显。初步分析认为,产生该现象的原因一方面由于松弛-扰动过程导致岩石内部出现不可逆的损伤,另一方面则是扰动去除后试样的残余变形。在初始压密和弹性阶段,砂岩试样的声发射撞击数少;在接近应变峰值阶段,撞击数骤增;在应力松弛阶段撞击数骤减;在动态扰动阶段,撞击数骤增。声发射是由于岩石损伤引起的,声发射数据反映了岩石的损伤是引起松弛试样在动态扰动后应变增加、应力降低的一个原因。另外,基于砂岩和花岗岩的准静态循环加、卸载试验,对砂岩、花岗岩在不同应变等级下的残余应变进行了定量化;砂岩的残余应变远高于花岗岩,这与砂岩试样在历经松弛-动态扰动后应变增加、应力降低较为明显的趋势相对应。同时,无论是松弛-动态扰动试验还是准静态循环加、卸载试验,岩石的残余变形都会随着卸荷初始应变的提高而增加。岩石的损伤与残余变形是密切相关的,两者的综合作用引起了动态扰动后岩石试样的应变增加、应力降低现象。     

周期荷载作用下盐岩声发射特征试验研究

通过改变恒幅荷载条件下的上限应力、下限应力以及加载速率等试验条件,基于声发射技术对盐岩疲劳损伤特征进行试验研究。试验发现,盐岩声发射信号出现在加载阶段和卸载初期,而砂岩声发射信号一般集中出现在上限应力处;盐岩疲劳寿命对下限的依赖程度大于砂岩;随着上限应力的增大,盐岩声发射振铃数增多。加载速率的提高会加速盐岩的疲劳破坏。通过对比声发射振铃数累计曲线和应变累计曲线,发现两者有很好的对应关系,说明二者在反映盐岩疲劳损伤时具有一致性。最后对盐岩进行3级变幅荷载试验,发现第3级声发射振铃数比相同上、下限应力的恒幅荷载条件下多,说明变幅荷载造成的盐岩损伤比恒幅荷载条件下严重。     

水力耦合作用下的砂岩声发射特性试验研究

水压会刺激岩石裂纹的产生和加速岩石破裂,对岩石的变形破坏特征和破坏机制有重要影响。利用MTS815 Flex Test GT 岩石力学试验系统和PCI-Ⅱ声发射仪开展了砂岩在不同围压下的水-力耦合试验。结果表明：在整个岩石破裂过程中,声发射活动随加载时间、应力变化表现出不同的特征;声发射活动在岩石的峰后阶段随着水压的增大更为集中,强度也更高,而随着围压的增大其集中程度和强度都有所降低;在相同围压下,声发射累计振铃计数和累计能量随着水压的增大而增大,在相同水压下,声发射累计振铃计数和累计能量则随着围压增大而有所减少;随着水压的增大,岩石最终失稳破坏时刻的声发射三维定位图中裂纹数量增多,裂纹的集中程度也更高,在宏观破坏形态上表现出破坏角减小。这些成果揭示了水-力耦合作用下岩石的破坏机制由压制剪切向压制张裂变化,岩石破裂的脆性破坏特征增强。     

卤水浸泡后盐岩声发射特征试验研究

为了研究盐穴能源地下储库建造过程中,腔体围岩处在地温、卤水和地应力地质环境中盐岩的损伤演化特点,利用声发射技术分析盐岩受不同温度的饱和卤水作用后的单轴压缩损伤破坏过程。试验发现：在一定温度的饱和卤水中浸泡30 d后盐岩的单轴抗压强度和弹性模量有所降低,但降低的平均幅度很小;卤水对盐岩主要表现为溶蚀作用,而浸泡弱化作用非常小;单轴压缩过程中盐岩的应力-应变曲线与声发射-应变曲线具有较好的一致性,卤水浸泡后盐岩的累计声发射数随卤水的温度升高略有增加;卤水作用后盐岩试件的声发射率和累计数要小于无卤水作用盐岩;盐穴建造期盐岩受一定温度的卤水作用后盐岩的强度将出现一定弱化,但卤水也会促进损伤盐岩体的重结晶恢复,盐岩的这种特性有利于盐穴建造期安全和稳定。     

岩质边坡声发射特征及失稳预报判据研究

在分析岩质边坡失稳过程中岩体力学性质和声发射产生的微观机理基础上,通过岩石声发射试验和岩质边坡声发射监测实例,研究了岩质边坡声发射特征,提出了岩质边坡失稳破坏的基本力学分类及其声发射的监测预报方法和判据,实现对岩质边坡失稳的预测预报。研究结果表明,边坡破坏前存在一次或多次声发射高峰。应用AE技术可以确定边坡在变形过程中应力集中活跃区;以抗滑力减小为主的岩质边坡,其失稳预报判据为大事件率在15次/ min以上,预报时间为几分钟至数小时。以下滑力增大为主的岩质边坡失稳的预报判据为大事件率在26次/ min以上,破坏时间为第一次声发射峰值期后的30～45 d。     

不同连通率断续节理岩体直剪破坏特征

在边坡稳定性评价中,不同形态、连通率及排列方式的岩桥起决定性作用。本文通过开展室内直剪实验并结合声发射特征参数的研究,揭示了不同连通率岩桥和不同法向应力状态下断续节理岩体的破坏规律。结果表明:在直剪条件下,随法向应力及连通率的变化,岩体破坏面呈现“一”、“X”、“锯齿”、“Z”以及复合型破坏,破坏面起伏度较小,且贯通破坏无时间先后性。法向压力一定时,随着断续岩桥连通率的提高,声发射事件累计计数峰值呈线性增长,计数峰值不断趋于增长。在岩桥连通率一定的情况下,随法向应力的增大,声发射事件计数峰值与累计计数在中等法向应力下最大。对断续节理岩桥变形破坏特征的研究,有利于分析节理岩体的力学特性,有助于边坡工程的稳定性评价与预测。     

基于逾渗模型的盐岩损伤与破坏研究

逾渗是一种分形模型,利用声发射点定位盐岩内部破坏网格来建立逾渗模型,可以分析三轴压缩条件下盐岩逾渗特征以及损伤演变发展。研究发现,各试样逾渗模型团簇(cluster)数与最大团簇占有率关系曲线斜率在70%应力峰值后基本相等,利用最大团簇沿试样轴向的延伸来描述裂缝的扩展规律,并通过最大团簇在轴向的延伸终点得到了各试样逾渗的临界破坏比率,它对于研究渗透陡增点非常重要。提出利用逾渗关联长度(关联长度?代表处于同一团簇中的两个点的平均距离)确定试样损伤起始点,并通过计算逾渗模型破坏比率得到损伤变量,它和基于AE振铃计数以及AE能量计算得到的损伤变量结果相近。研究结果表明,逾渗可以形象地表述岩石内部破裂过程和损伤情况,为研究岩石破坏失效及裂缝衍生发展提供了新的思路。