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。     

裂隙充填影响巴西圆盘抗拉力学特性试验研究

裂隙是影响岩石力学特性和破裂模式最重要的因素之一,通过试验、数字照相技术和声发射监测对完整和含不同裂隙倾角 单裂隙、不同岩桥与裂隙夹角 双裂隙充填与非充填类岩石材料巴西圆盘的抗拉强度和破裂模式进行研究,探讨了随着 、 的不断变化和裂隙充填与否对试样最终破坏机制的影响。试验结果表明：（1）随着裂隙倾角 不断增大,单裂隙试样的抗拉强度先减小后增大,然后又减小;预制裂隙尖端萌生的翼裂纹贯通造成试样破坏;（2）双裂隙试样的抗拉强度随着 的增大先减小后增大;预制裂隙尖端萌生的翼裂纹和远场裂纹的扩展导致试样破坏;（3）在 、 相同的情况下,充填试样抗拉强度明显要高于非充填试样;预制裂隙充填与否对试样裂纹扩展的时间和裂纹数目影响较大;（4）加载初期,声发射较为平稳;宏观裂纹出现或者抗拉强度跌落时声发射将会变的异常活跃;在 、 相同的情况下充填试样声发射的起伏变化更为剧烈。     

加载速率影响的煤体破裂过程声-电荷试验研究

为建立加载速率影响下煤体不同失稳形式的声发射-电荷判据,以阜新五龙矿某工作面为研究对象,采用物理试验研究方法,开展了不同加载速率下煤体破裂过程声-电荷监测试验,深入研究了加载速率影响的煤体力学性质、破裂规律和煤体破裂过程能量耗散与声发射-电荷信号的对应关系。研究结果表明:加载速率越高,应力调整越提前,煤样单轴抗压强度增加,累积变形能耗散加剧,煤体失稳形式由静载失稳过渡到类动载扰动失稳,煤体失稳破坏的动力特征明显,压缩型冲击地压动力灾害发生几率增大;不同加载速率下煤岩破裂过程产生的声-电荷信号变化与煤岩受载的应力突变具有较好的一致性;对所用煤样的声发射-电荷信号进行量化分析,初步提出了判定煤体失稳形式的声-电荷复合判定依据,在不同矿区、不同工作面上,可依据监测获得的声-电荷现场数据辅以采动应力场的变化情况,对采动过速诱发的煤体压缩型冲击地压的发生几率进行预测和预警。     

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。      

裂隙形式对岩体强度特征及破坏模式影响的试验研究

利用RMT－150C电液伺服机对含不同预制裂隙形式（单、双、T形交叉及X形交叉裂隙）的类岩石试样进行了单轴压缩试验,系统地研究了裂隙形式对试样强度特征及失稳模式的影响。试验发现,（1）不同裂隙形式下裂隙的起裂破坏模式主要表现为初始裂隙起裂破坏,裂隙形式与破坏模式关系不突出;（2）单轴抗压强度受裂隙形式影响明显,随着裂隙形式由单裂隙到X形交叉裂隙变化,裂隙试样抗压强度呈现增高趋势,同时试样起裂和失稳时的声发射总能量也逐渐增大。进一步对裂隙形式影响强度特征的机制进行了初步分析,研究成果可以反映不同裂隙形式组合对工程岩体稳定性的影响规律。     

周期性循环载荷作用下岩石声发射规律试验研究

声发射是岩石等脆性材料内部损伤的伴生现象。在周期性循环载荷作用下通过改变不同应力幅度和不同加载速率对细粒砂岩进行声发射试验研究,探讨了声发射在周期性载荷作用下的声发射规律。研究结果表明,改变上限应力对声发射现象的影响显著,而改变下限应力的影响主要在循环末期,提早了每个循环声发射产生时间;加载速率的增加提高了声发射率,特别是循环过程中主裂纹的形成和扩展阶段,加快了岩石破坏进程;不同应力幅度和加载速率下声发射表现出不同的发展模式,不同模式预示着不同的岩石变形破坏速率。     

单裂隙砂岩单轴压缩的中等应变率效应颗粒流模拟

加载速率对裂隙岩体的力学性质及变形破坏均有重要影响。利用二维颗粒流程序PFC2D开展了不同倾角非贯通单裂隙砂岩试件的单轴压缩试验,研究了中等应变率对裂隙砂岩应力-应变曲线特征、裂隙尖端应力状态、特征应力状态、岩体损伤及裂隙扩展等力学响应的影响规律。裂隙岩体应力-应变曲线呈现明显的波动性,定义应力突变指标 对应力突变型波动剧烈程度进行了定量统计分析：随应变率的增加,曲线应力突变波动越剧烈,且峰后明显大于峰前;随裂隙倾角的增大,波动幅度峰前增大,而峰后减小。裂隙尖端破裂应力随应变率增大均有所提高,随裂隙倾角的增大,切向剪应力 总体上呈增加变化,而法向应力 明显减小。尖端破裂时岩样加载应力 、岩样临界扩容应力 及峰值应力 均随应变率增大而增大。裂隙尖端的破裂可立即引起岩体扩容,一般应变率越低,岩体裂隙尖端破裂点 和扩容点 越接近峰值强度 。随着应变率的提高,损伤裂纹及宏观裂隙类型越多,岩体试件损伤破裂程度越强,特别是试件端部效应愈显著。裂隙首先以I型翼裂纹在其尖端起裂,而I型翼裂纹的扩展长度与加载速率与裂隙倾角具有较强的相关性。     

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。     

隐晶质玄武岩破裂演化及破坏特征试验研究

隐晶质玄武岩是白鹤滩水电站超大规模地下厂房洞室群中广泛揭露出的主要围岩类别之一,且普遍赋存隐微裂隙,开挖过程中展现出特殊的力学响应特征。综合采用CT扫描、高速摄像、声发射、扫描电镜等手段,分析了隐晶质玄武岩的变形破坏特征、裂纹扩展及声发射演化规律等,并探讨了其细观破坏机制。结果表明:完整试样应力-应变曲线光滑,加载至峰值强度时瞬间爆裂,声发射信号异常集中,碎裂破坏;含隐微裂隙试样应力-应变曲线呈锯齿状,出现多次表面剥落,整个过程声发射信号非常活跃,以劈裂破坏为主;含宏观裂隙试样应力-应变曲线呈双峰或多峰状,峰前原生裂隙局部滑移,第1次峰值时宏观破裂面形成,声发射信号集中于峰值应力跌落瞬间,以剪切破坏为主。隐晶质玄武岩细观破坏机制主要为矿物颗粒沿晶断裂和穿晶断裂。研究成果为准确认识并科学掌握白鹤滩地下厂房洞室群围岩的力学响应及其破裂演化特征奠定了坚实基础,也可为硬脆岩体高应力破坏的认识和灾害控制提供参考和借鉴。     

单侧限压缩下预制裂隙试样力学特性及板裂化机制细观研究

岩体板裂化破坏是地下工程中一种常见的破坏现象。采用等效岩体技术,将岩体中裂隙(平行于临空面)和岩块分别用光滑节理模型及颗粒体模型表征,通过试验和计算对比,研究单侧限压缩条件下裂隙岩体强度、裂纹分布、裂纹孕育演化规律及裂隙岩体板裂化形成机制。研究表明:(1)随裂隙数量的增加,岩体单侧限抗压强度近似呈线性降低的规律。(2)单侧限压缩下裂隙岩体中产生的裂纹可划分为Ⅰ型～Ⅴ型裂纹,其中Ⅰ型、Ⅱ型(剪切)裂纹是由加载端部效应导致,Ⅲ型～Ⅴ型裂纹由岩体板裂化破坏导致。(3)单侧限压缩下岩体板裂化破坏过程中,导致无侧限边界处岩体剥落的Ⅴ型裂纹最先产生,原生裂隙进一步扩展的Ⅳ型裂纹随后产生,最后产生的是板裂化现象向岩体深部发展的Ⅲ型裂纹。(4)各类裂隙试样在单侧限压缩下的声发射数量与破裂强度均近似服从高斯函数分布关系。     

Effects of size and strain rate on the mechanical behaviors of rock specimens under uniaxial compression

Size and strain rate are two key factors that dramatically influence the estimation of rock mechanical behaviors. To better understand the effects of size and strain rate on measured rocks, rock specimens with six different sizes were tested at six different strain rates under uniaxial compression using the MTS 815 Rock Mechanics Test System. Having determined that the size and strain rate significantly affect the peak strain, peak stress, elastic modulus, acoustic emission (AE), and failure pattern of the rock specimens, the relation was established between the strength and the size and strain rate of red sandstone. And the variation was revealed among the size and strain rate, the AE, and the failure pattern. It turned out that the peak stress was negatively correlated with the rock size and was positively correlated with the strain rate. When the length to diameter ratio (L/D) of the rock specimen was less than 2.0, the AE appeared mildly. The AE quantities gradually increased before the peak stress, and then sharply decreased after the peak stress. The failure pattern of the rock specimen was relatively complicated, with a fracture plane appearing along the axial direction. Conical failure type was also presented. When the L/D ratio of the specimen was greater than 2.0, the AE characteristics of red sandstone showed the radical model. There were relatively few AE rings before the peak stress. But the AE rings increased suddenly and dramatically during the peak stress. The rock specimens primarily failed with a single shear plane. Moreover, with an increase in the strain rate, the AE activities were enhanced and the AE quantities increased. When the strain rate of the rock specimen was less than 5.0?×?10^?4/s, the rock specimen failed with a shear or tensile-shear pattern. And when the strain rate was greater than 5.0?×?10^?4/s, the rock specimen tended to fail in a conical pattern.     

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。     

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。     

Analyses of Inclined Cracks Neighboring Two Iso-Path Cracks in Rock-Like Specimens Under Compression

Crack propagation process in pre-cracked rock like specimens has been studied experimentally and numerically considering three cracks in the middle part of each specimen. The rock-like specimens are specially prepared from Portland pozzolana cement, fine sands and water. These pre-cracked cylindrical specimens (each containing a single inclined crack in the neighborhood of two iso-path cracks) are experimentally tested under compressive loading. The same problems are numerically simulated by a modified displacement discontinuity method using higher order displacement discontinuity elements and higher order special crack tip elements for crack tip treatment to increase the accuracy of the Mode I and Mode II stress intensity factors obtained based on linear elastic fracture mechanics theory. The crack propagation and coalescence paths of the inclined crack are estimated by implementing a suitable iteration algorithm of incremental crack length extension in a direction predicted by using the maximum tangential stress criterion. The numerical and analytical crack extension analyses are compared which are in good agreement and show the validity, applicability and accuracy of the present work.     

不同荷载作用下拉破裂的声发射特征研究

采用类岩石材料研究了不同加载条件下的张拉裂纹的破裂过程,并利用声发射(AE)测试技术分析了劈拉试样和三点弯曲试样在断裂过程中裂纹的萌生、起裂、扩展和破裂全过程的声发射特征。试验结果表明,声发射的阶段性突发特征反映了张拉裂纹阶段性扩展的力学机制。但是,在不同的加载条件下,张拉破裂的声发射特征有所差异：在弯拉应力作用下,试样拉破裂的声发射特征表现可分为声发射数的渐进增长、快速增长、突发式增长和逐渐下降4个阶段;而在劈拉应力作用下,试样破裂的声发射特征可分为声发射数缓慢增长、声发射数突发和声发射数的稳定发展3个阶段。在弯拉应力作用下,裂纹的萌生和聚集阶段的声发射特征明显,但在劈拉应力作用下几乎观察不到其声发射特征变化。不同破裂模式下的声发射特征值得进一步研究。     

等效岩体技术在断续双节理岩石试件破裂机制细观分析中的应用

采用等效岩体技术,将岩体中的岩块和节理分别用颗粒体模型和光滑节理模型描述,从细观角度开展了人工预制含两条断续节理岩石试件力学特性及破裂机制的研究。同时,结合室内试验研究成果,通过计算与试验结果的对比分析,验证了等效岩体技术在断续节理岩体力学特性研究中的适宜性和可靠性。主要研究结果如下：（1）随着断续节理产状的不同,虽可将宏观破裂划分为剪切模式、翼型张拉模式和混合模式等3种类型,但从细观角度看,颗粒间张拉型微破裂均是引起各类宏观破裂模式的主要诱因。（2）在试样达到抗压强度前,破裂声发射事件次数较少,强度均较低,主要孕育于断续节理尖端处,并沿两断续节理尖端的连线在岩桥区域累积贯通。（3）在试样达到抗压强度后,破裂声发射事件次数迅速增加,且破裂强度有所提高。（4）各类试样中,声发射事件累积数和破裂强度之间均近似满足Doseresp生长函数关系。     

Effect of Specimen Geometry and Testing Method on Mixed Mode I–II Fracture Toughness of a Limestone Rock from Saudi Arabia

Summary The effect of testing method and specimen geometry such as diameter, thickness, and crack length and type on measured fracture toughness was investigated using specimens collected from a limestone rock formation outcropping in the Central Province of Saudi Arabia. Straight Edge Cracked Round Bar Bend (SECRBB), semicircular disk specimens under three point bending, and Brazilian disk specimens under diametrical compression were used in this investigation. SECRBB specimens were used for the Mode-I study, and notched Brazilian disk and semicircular specimens were used for the mixed Mode I–II study. The results show that specimen diameter and crack type have a substantial influence on the measured fracture toughness; however, loading rate, crack size, and specimen thickness seem to have a negligible effect on the fracture toughness. Mode-I fracture toughness is significantly influenced by specimen diameter and crack type, while their effects on Mode-II fracture toughness are generally negligible. The different specimens (SECRBB, Brazilian disk, and semicircular) can give comparable results only when the proper span to diameter ratio is used. The Brazilian disk with a straight notch was found to be the most convenient geometry to use for fracture toughness determination. A simple method of making a precise notch inside the disk is presented, using the combination of a drilling machine and a wire saw.     

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。