单轴条件下砂岩三维破裂过程的CT观测

岩石破裂过程研究一直是岩石力学专家关注的重要问题。本文采用特制的三轴压力仪与医用西门子SOMATOM -plusCT扫描仪结合 ,对砂岩进行了室内单轴压缩试验。通过对砂岩的CT图像和密度损伤增量与应力关系曲线分析 ,结果显示 ,砂岩的破裂演化过程可分为初始损伤的压密、裂纹出现扩展、裂纹归并分岔、裂纹重分岔扩展以及裂纹惯通宏观破坏等五个阶段。在初始损伤的压密阶段 ,砂岩的密度损伤增量为正值 ,速率也为正 ;在裂纹出现扩展阶段 ,砂岩出现局部密度损伤增量减小 ,并随应力增加而由正值转为负值 ,速率也由正变负 ;在裂纹归并分岔阶段 ,砂岩的密度损伤增量全为负值 ,速率也变快 ;在裂纹重分岔扩展阶段 ,砂岩的密度损伤增量继续变负 ,但速率变慢 ;在裂纹惯通宏观破坏阶段 ,砂岩的密度损伤增量继续变负 ,速率变的更快。     

利用岩石声发射凯塞效应测定岩体地应力

将砂岩在整个变形阶段的声发射信号特征可划分为加载初期、压密阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹非稳定扩展阶段、砂岩破坏阶段5部分。利用岩样声发射信号的特征,确定出岩石的凯塞效应点与其裂纹稳定扩展阶段的起始点相对应,并进一步得出岩石凯塞效应点的上限为裂纹稳定扩展阶段的终点,裂纹非稳定扩展阶段的起始点。凯塞效应点受岩样两端面的平行度、压机加载速率等有关,岩样端面不平整,在加载初期会有强烈的声发射信号;压机加载速率过大,声发射信号可能显示不出来或被后续更强的声发射信号所掩盖。计算出深度为670m处巷道周围天然应力3个主应力的大小和方向,与在现场用应力解除法和水压致裂法测得的天然应力相比,其数值基本一致,但方向存在一定的偏差。     

基于核磁共振的脆硬性泥页岩水化损伤演化研究

为研究脆硬性泥页岩水化后细观结构的损伤演化特征,利用核磁共振技术对不同浸泡时间的脆硬性泥页岩试样进行测量,得到不同浸泡时间的试样质量变化、横向弛豫时间T2谱分布以及核磁共振成像。结果表明：水化作用会对岩石内部产生损伤,岩样吸水率在最初的8 h内变化相对较大,1 d后相对接近稳定,之后变化不明显。随着浸泡时间的延长,微裂缝在水化的作用下快速扩展、贯通使岩样表面产生明显裂纹。核磁共振T2谱图和成像结果表明,水化作用使岩样微观结构重新分布,T2曲线信号幅度发生明显的变化,并随着浸泡时间的延长而增加。整个水化损伤分为3个阶段：大尺寸孔隙裂纹发展阶段;小孔隙产生、大尺寸孔隙裂纹加剧扩展;小孔隙加剧产生扩展、大尺寸孔隙裂纹归并贯通至水化破坏阶段。核磁共振图像显示同一块岩样在不同浸泡时间的内部微观结构分布,动态地显示岩石的水化损伤过程。     

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。     

锦屏大理岩蠕变损伤演化细观力学特征的数值模拟研究

岩石的蠕变损伤和断裂是岩石流变效应的重要表现形式,但其损伤演化过程往往难以直观观测,为此,采用二维颗粒流数值模拟方法(PFC2D)对岩石的蠕变损伤和断裂的细观力学机制进行了分析。在锦屏大理岩室内试验基础上,利用颗粒流应力腐蚀模型(PSC),建立了能反映其短期和长期强度特征的柱状岩样数值模型,并开展了大量数值试验。结果表明,蠕变损伤的演化过程与暂态的损伤演化过程具有明显的差异。在岩样蠕变损伤过程中,其内部微裂纹多沿加载方向开裂且分布均匀,先快速增加再稳定扩展,最后则发生快速断裂。当荷载较小时,岩样宏观上呈现劈裂破坏特征,当荷载较大时,岩样呈现剪切破坏特征。在岩样蠕变损伤初始和稳定演化阶段的前期,荷载大小对岩样的损伤演化过程影响不大;在稳定演化阶段的后期至断裂过程中,低荷载下岩样的损伤增速比高荷载下快。     

基于岩石“等效损伤”探究宏观断裂规律

岩石损伤几乎都是由多因素造成的耦合损伤。通过对试件进行SEM试验,并利用IPP数字图像处理软件分析各种损伤的裂纹共有演化规律,提出等效损伤理论。结果表明:①不同损伤裂隙都具有统计自相似性;②细观大缺陷重点发育现象是宏观应力集中的细观体现;③微裂纹宽度扩展速率远小于长度的扩展速率;④用耦合损伤试件加载破坏试验数据验证宏观断裂强度公式,表明:宏观尺度下"等效损伤"仍然成立,且可以解决耦合损伤引起的宏观断裂问题。     

灰岩三轴高温后效流变特性及长期强度研究

流变特性是岩石的变形特征之一,长期强度作为岩石流变特性重要的强度指标也越来越受到工程建设的重视。开展了高温后灰岩三轴蠕变试验,首先采用高温前后岩样纵波波速的变化引入热损伤因子D,量化岩石热损伤,然后分别采用等时曲线法、过渡蠕变法和稳态蠕变速率法进行了灰岩蠕变长期强度分析,并提出一种改进的稳态蠕变速率曲线切线法。结果表明,基于波速的热损伤因子能较为准确地量化温度对灰岩性质的影响;热损伤因子与灰岩经历高温后的长期强度呈现高度相关性,确定灰岩的温度阈值在380℃附近,低于此温度表现为灰岩性质强化效应,高于此温度表现为损伤效应;提出的稳态蠕变速率曲线切线法对于灰岩的长期强度预测较为准确,与实际情况相符;各温度下岩样蠕变破坏形态均表现为剪切破坏,亚裂纹逐渐由与主剪切面平行转为垂直扩展。     

单孔岩样水压致裂的数值分析

水压致裂是改变岩体结构的一种天然行为和人为手段。采用F－RFPA2D软件,对水压致裂过程、裂缝扩展形态及注水孔形状和大小、应力条件和岩样强度等影响因素进行了研究。将开始出现声发射的水压称为微裂压力,将声发射急剧增多、裂缝非稳定扩展直至岩样破坏的水压称为破裂压力。岩样尺寸一定时,微裂压力和破裂压力随内孔面积增加而降低,方形孔岩样的微裂压力和破裂压力均小于同面积的圆形孔。微裂压力和破裂压力随围压或岩样强度增加而增加,且其差值随岩样强度增加而增加,理论破裂压力与模拟值趋势基本一致。方形孔的宏观裂纹起裂位置多在角点附近,而圆形孔比较随机。无围压时,宏观裂纹的延伸方向随机;有围压时,宏观裂纹扩展方向大致与主应力方向一致,且沿较大主应力方向的宏观裂纹扩展至岩样破坏,较小主应力方向宏观裂纹不完全发育。研究结果对水压致裂试验和工程实践有一定参考意义。     

基于3D-DIC的砂岩裂纹扩展及损伤监测试验研究

裂纹监测对岩石损伤演化的认识至关重要。为研究岩石裂纹扩展及损伤变形特性,开展了含不同倾角（0°～90°）预制裂隙的标准细黄砂岩样的单轴压缩试验。利用三维数字图像相关技术（3D-DIC）获取岩样三维空间坐标下的应变分布,并结合声发射从光学与声学的角度监测了裂纹的扩展演化。由此提出了一种裂纹主应变的计算方法,定量表征岩石劣化的损伤变量D值。最后,探讨了由声发射与损伤变量D值确定岩样特征强度的影响因素。结论如下：（1）裂纹主应变反映了岩样受荷过程中同源裂纹在时间上的变化速率与空间上的扩展趋势,能较好地表征岩石的开裂行为;（2）声发射适用于确定岩样的起裂应力,不适用于损伤应力的确定,损伤变量D值所确定的起裂应力滞后于声发射,但适用于损伤应力特征值的确定;（3）结合声发射与DIC技术确定的归一化起裂应力范围为0.63～0.94、归一化损伤应力的范围为0.83～0.99;（4）预有裂隙会影响岩石的材料力学性能。随着倾角的增加,岩石的起裂应力、损伤应力及峰值应力呈增长的趋势,由于难以形成局部应变场聚集,裂纹的萌生与起裂更加困难。结果表明,3D-DIC技术的利用可以提高对岩石开裂行为的理解,对岩石的损伤监测与判识更有重要的意义。     

基于宏细观损伤耦合的非贯通裂隙岩体本构模型

针对非贯通裂隙岩体工程结构中的受荷岩体,提出受荷细观损伤与裂隙宏观损伤的概念。以完整岩石的初始损伤状态作为基准损伤状态,综合考虑裂隙宏观缺陷的存在、微裂纹细观缺陷在受荷下的损伤扩展以及宏细观缺陷在受荷过程中的耦合,基于Lemaitre应变等效假设,推导了考虑宏细观缺陷耦合的复合损伤变量,并给出同时考虑试件尺寸、裂隙几何与力学特性的宏观损伤变量的计算公式,从而建立了基于宏细观缺陷耦合的非贯通裂隙岩体在荷载作用下的损伤本构模型。用宏细观损伤耦合的本构模型来描述非贯通裂隙岩体在受荷过程中的细观损伤演化与宏观损伤行为,与非贯通裂隙岩体实际受荷情况符合较好。研究结果表明：（1）完整岩样和裂隙岩样的应力-应变行为在峰值强度之前差异较大,峰值强度以后差异逐渐减小,最后趋于一致,二者具有相近的残余强度;（2）裂隙岩体强度随裂隙贯通率的增加而增大,随裂隙倾角的变化具有明显的各向异性,同时还与裂隙面的内摩擦角有关;（3）裂隙倾角为90°时,裂隙岩样的峰值强度最高;张开型裂隙岩样的裂隙倾角为45°时,峰值强度最低;（4）非贯通裂隙岩体工程结构中的受荷岩体,其力学性能由受荷细观损伤与裂隙宏观损伤及其耦合效应所决定,基于宏细观损伤耦合的复合损伤变量可以较好地反映非贯通裂隙岩样的力学特性。     

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。     

裂隙岩石单轴压缩损伤扩展细观机理CT分析初探

完成了单一裂纹的裂隙砂岩单轴压缩条件下细观损伤破坏机理CT实时试验,得到了裂纹萌生、发展、宏观裂纹形成、破坏等各阶段的CT图像、CT数和CT数方差。结果表明,与无预制裂隙的岩石试样相比,已有预制裂纹对新的裂纹的起裂位置及贯通性宏观破坏裂纹的形成具有重要影响,预制裂纹的存在导致裂隙砂岩试样的扩容量大于完整试样破坏时的扩容量。     

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。     

高温作用后3D打印岩体试样力学性能初探

实际岩土工程中经常遇到高温环境，研究3D打印岩体试样在高温作用后的力学性能对促进3D打印技术在工程领域的应用具有重要意义。以GS19砂和呋喃树脂作为打印基材，运用3D打印技术制备内部结构高度一致的岩体试样，研究不同温度作用后3D打印岩体试样的力学性能，结合电镜扫描试验从微观层面上分析不同温度作用后3D打印岩体试样力学性能产生变化的原因。提出了3D打印岩体试样的最优力学温度，并研究了含预制裂隙的3D打印岩体试样在最优力学温度作用后的破坏特征。研究表明：3D打印岩体试样的单轴抗压强度与劈裂抗拉强度随温度的不断升高均呈现先增大后降低的规律，最优力学温度为150 ℃；在最优力学温度作用后，含不同倾角预制裂隙的3D打印岩体试样的破坏过程包含压密、微裂纹萌生、裂纹稳定扩展、贯通破坏4个阶段，裂纹的初始萌生位置均出现在预制裂隙处但随着预制裂隙倾角的变化而有所不同，扩展路径总是趋向于荷载加载的方向并大致呈中心对称形式。     

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。     

双向加载煤岩变形与声发射特性颗粒流研究

为了明确煤岩双向应力状态下的强度和损伤特性,通过煤岩的单轴试验测得其力学参数,然后利用颗粒流和fish程序结合试验结果获得煤岩细观力学参数,进行了煤岩双向加载下的强度、变形和损伤声发射特征的研究。获得以下主要结论:双向加载煤岩变形破坏过程中,中间主应力对屈服阶段影响最显著,而对峰后软化阶段基本没有影响,这与三向加载下围压对峰后软化阶段的影响不同,从而表明双向加载条件下煤岩峰后基本不存在脆性-延性转化的特征。双向加载下煤岩的体变经历线性体缩、非线性扩容和线性扩容阶段,中间主应力对非线性扩容阶段影响显著,而对其他两个阶段基本没有影响。煤岩损伤破坏过程中,在弹性阶段声发射呈线性增加趋势但增速较小,屈服阶段声发射进入非线性快速增加阶段,在峰值附近增速最快,峰后初期达到最大强度,随后声发射强度急剧减小。声发射最大强度有一定的滞后效应,随着中间主应力的增大,最大声发射强度的滞后效应相对减弱,且随着中间主应力的增大,声发射最大强度持续时间段明显延长。     

应力损伤盐岩的声波、溶解试验研究

采用声波技术研究盐岩在单轴载荷条件下的损伤特征,并对受损盐岩进行溶解试验分析,以此来分析盐穴建造期盐岩的损伤溶蚀机制。试验发现：随着轴向应力的增加,侧向波速逐渐较小,在达到极限强度后波速快速减小,而不像轴向波速那样在弹性压密阶段会出现小幅增加之后才开始减小;盐岩所受压力越大,对应的溶解速度越快。由岩石单轴强度理论和损伤理论分析表明,盐岩应力损伤由盐岩晶粒相互错动促使微裂纹增多所致,侧向波速确定的损伤变量与应力具有相关性,盐岩的溶解速率随损伤变量的增加而增加。     

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。     

单轴压缩与劈裂荷载下灰岩声发射b值特性研究

通过开展灰岩巴西劈裂和单轴压缩声发射试验,探讨两种加载方式下岩石破裂声发射b值特性及b值计算影响因素。结果表明,累积计算b值拟合度高,误差较小;步距为5 dB时不同门槛值下b值随时间变化的总体规律基本一致,选择5 dB的步距和40 dB的门槛值计算b值比较合理,能够降低非岩石破裂信号对b值变化的影响。由动态b值的波动程度可以看出,在劈裂荷载下灰岩损伤演化过程可分为3个阶段,即(0～40%)?c(?c为峰值强度)、(40%～90%)?c和(90%～100%)?c,而在单轴加载下可分为：(0～80%)?c和(80%～100%)?c两个阶段,且不同阶段岩石内部损伤的程度不同。在裂纹扩展阶段,相比单轴加载,劈裂荷载下动态b值增加较为稳定,但在整个破坏过程中劈裂荷载下动态b值波动更大,在单轴压缩和劈裂加载方式下b值的大小取决于灰岩破裂面上的结构性质及破裂模式。     

Brittleness Effect on Rock Fatigue Damage Evolution

The damage evolution mechanism of rocks is one of the most important aspects in studying of rock fatigue behavior. Fatigue damage evolution of three rock types (onyx marble, sandstone and soft limestone) with different brittleness were considered in the present study. Intensive experimental tests were conducted on the chosen rock samples and acoustic emission (AE) sensors were used in some of them to monitor the fracturing process. Experimental tests indicated that brittleness strongly influences damage evolution of rocks in the course of static and dynamic loading. AE monitoring revealed that micro-crack density induced by the applied loads during different stages of the failure processes increases as rock brittleness increases. Also, results of fatigue tests on the three rock types indicated that the rock with the most induced micro-cracks during loading cycles has the least fatigue life. Furthermore, the condition of failure surfaces of the studied rocks samples, subjected to dynamic and static loading, were evaluated and it was concluded that the roughness of failure surfaces is influenced by loading types and rock brittleness. Dynamic failure surfaces were rougher than static ones and low brittle rock demonstrate a smoother failure surface compared to high brittle rock.