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。     

离散裂隙网络对岩石力学性质和声发射特性影响的颗粒流分析

基于颗粒流软件平台,采用图像处理技术和Monte Carlo法,生成离散裂隙网络。结合等效晶质模型进行花岗岩细观结构的数值建模,从细观角度阐述了离散裂隙网络对岩石强度与变形性质、声发射特性的影响。主要结论如下：（1）裂隙平均长度和密度影响着岩石的力学性质,岩石的单轴压缩强度、弹性模量随裂隙密度的增加而减小。（2）单轴压缩下岩石破坏时均是晶间-拉裂纹和晶内-拉裂纹为主。（3）离散裂隙网络与岩石的声发射事件密切相关。随着裂隙密度的增加,声发射b值和分形维数D值均呈下降趋势。当b值和D值急剧下降时,预示着岩石失稳破坏。（4）离散裂隙网络对声发射事件的破裂强度有一定的影响。在离散裂隙网络附近易产生破裂强度大的声发射事件。综上所述,基于离散裂隙网络和等效晶质模型联合建模获得的细观角度上岩石破裂机制和声发射现象等结论,可有效弥补现有室内试验中研究手段的不足,并对野外具有更为复杂的裂隙网络的岩体稳定性评价与工程施工提供有力支撑。     

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。     

岩石细观统计渗流模型研究(Ⅱ)：实例分析

进一步分析了第Ⅰ部分中提出的岩石细观统计渗流模型[1]。讨论了由细观统计渗流模型得到岩石宏观渗透系数的方法。为了利用细观统计渗流模型对岩石损伤破坏过程中的渗透性演化进行分析,引入了各向异性损伤模型,用以对岩石的细观损伤和裂纹的扩展过程进行力学分析,并讨论了细观统计渗流模型与各向异性损伤模型的联合分析方法。对Lac du Bonnet花岗岩损伤过程中的渗透性演化进行了计算分析和验证。结果表明,细观统计渗流模型可以较精确地描述裂纹充分贯通前岩石渗透性的演化。     

岩石细观统计渗流模型研究(II):实例分析

进一步分析了第I部分中提出的岩石细观统计渗流模型[1]。讨论了由细观统计渗流模型得到岩石宏观渗透系数的方法。为了利用细观统计渗流模型对岩石损伤破坏过程中的渗透性演化进行分析,引入了各向异性损伤模型,用以对岩石的细观损伤和裂纹的扩展过程进行力学分析,并讨论了细观统计渗流模型与各向异性损伤模型的联合分析方法。对Lac du Bonnet花岗岩损伤过程中的渗透性演化进行了计算分析和验证。结果表明,细观统计渗流模型可以较精确地描述裂纹充分贯通前岩石渗透性的演化。     

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。     

岩石破裂过程TMD耦合数值模型研究

从岩石的细观结构层次出发,应用损伤力学和热弹性理论,对热力耦合作用下岩石破裂过程中热-应力-损伤相互作用关系进行了分析。初步建立了细观热-应力-损伤（TMD model,thermal-mechanical-damage）耦合数值模型,并在岩石破裂过程分析系统RFPA2D中加实现。运用该数值模型计算模拟均匀与非均匀材料试样在热力耦合作用下的应力分布及破坏形 态,通过与理论及试验结果对比,证明了该数值模型的合理性和有效性。     

岩石破裂声发射关键特征信号优选方法

岩石破裂过程的声发射中大量的低能常规信号易将少量的高能关键信号特征规律淹没,不利于前兆特征分析和灾变预警。从岩石破裂失稳预警角度出发,以提取影响岩石结构稳定的关键破裂事件声发射信号为目标,提出了岩石破裂失稳关键特征信号的识别准则及其定义。构建了基于信号能量贡献率的岩石破裂关键事件声发射信号的优选方法,并针对花岗岩、大理岩、煤岩和粉砂岩进行了岩石破坏失稳的声发射监测试验验证。试验结果表明,新方法能有效提取岩石破裂过程中影响岩石整体稳定的关键声发射信号,具有一定的普适性。着重从声发射事件率突降、相对平静期和累计能量急升跃阶等前兆特征对优选后岩石破裂关键特征信号进行了一致性检验。检验结果表明,优选后的关键特征信号与上述前兆特征高度一致,并能够有效地提高后期声发射特征参数计算效率,方法有效可行。     

含水状态下膏溶角砾岩破裂全程的细观力学试验研究

利用新型岩石细观力学试验系统,对石家庄-太原铁路专线太行山隧道工程6#斜井的膏溶角砾岩在单轴压缩荷载作用下的岩石细观损伤裂纹扩展直至破裂的全程进行了实时观测,得到了不同含水状态下岩石初始损伤微裂纹的萌生、扩展、连接、贯通直至宏观破裂的数字显微和全场实时图像。从岩石细观损伤机制出发,结合同时获得的应力-应变曲线,将损伤破裂过程分为4个阶段,得到了含水状态下岩石损伤发展演化的初步规律,并给出了应力损伤门槛值,发现水环境影响下造成的初始损伤微裂纹是水对膨胀软岩力学性质产生软化作用的重要因素。     

不同高度花岗岩岩爆试验的声发射特征研究

岩石尺寸是影响其力学行为的重要因素,而岩爆是岩石处于复杂应力状态下的特殊力学响应,因此研究岩爆过程中的尺寸效应影响问题具有重要意义。利用室内MTTA真三轴岩爆模拟试验系统和PAC声发射(AE)监测系统,对具有不同高度的花岗岩进行室内岩爆模拟试验,观察岩石试件破坏特征,分析花岗岩试件岩爆过程中声发射信号的参数特征、波形频谱特征。研究结果表明,随着岩石试件高度的降低,岩爆临界破坏强度有升高的趋势。岩石岩爆破坏后破裂面特征随着试件高度的降低而发生明显变化,经历了由劈裂张拉破坏为主向剪切破坏为主破坏模式的转变。同时,试验中表征损伤的声发射能率参数随着试件高度的降低有增大的趋势,即释能速度越来越快。对实验各典型阶段产生的AE特征波形进行提取并采用快速傅里叶变换方法处理,对比频谱图发现花岗岩岩爆试验过程声发射主频值总体呈“从低频向高频再向低频”转变迁移的趋势,不同高度岩石岩爆试验结果有着相似的谱分布,主频主要集中在90～120k Hz低频区间范围,是该花岗岩岩爆中的最重要特征频率,频谱特征中的高频部分受试件高度的影响而有不同。     

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。     

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。     

深部三维圆形洞室岩爆过程的模拟试验

为了模拟深部圆形洞室三维受力情况下岩爆的发生过程,以具有极强岩爆倾向性的花岗岩作为试验材料,利用自行研制的TRW?3000岩石真三轴电液伺服诱变试验机,对含直径50 mm贯穿圆形孔洞的100 mm×100 mm×100 mm立方体花岗岩试样进行了三向不等压加载试验。试验首先模拟1 000 m深度的初始应力环境,以垂直于洞室轴向的水平方向作为最小主应力方向,通过增加竖直方向应力模拟应力调整过程诱发岩爆情况,并借助三维加载岩样内部结构破坏实时视频监控系统监控洞壁破坏情况。试验结果表明,岩爆过程可以划分为平静阶段、颗粒弹射阶段、岩片剥落和爆裂阶段,洞壁两侧中间部位应力集中系数最高,最先产生破坏,然后沿径向向深部发展,最终形成两个对称型的V型槽。圆形洞室洞壁两侧破坏的3个典型受力节点,符合深部工程中统计得到的无支护圆形巷道的远场应力状态与破坏模式之间的关系,达到了模拟的效果。利用现有的4种岩爆判据进行了分析,判别结果与试验过程中拍摄到的洞壁破坏情况基本一致。洞壁的破坏伴随着声发射计数增加和能量升高,岩爆越剧烈,声发射越活跃。     

不同应力路径下英安岩声发射b值特征及破坏前兆

对英安岩岩样开展单轴、常规三轴加荷和三轴卸荷试验,并对试验过程进行声发射监测,研究在3种应力路径下英安岩变形破坏过程的声发射b值特征差异,探索声发射b值在岩石破坏前兆方面的规律。研究结果表明:英安岩岩样的声发射b值特征与加载的应力路径关系密切,加荷路径即单轴路径和常规三轴路径下b值变化规律相似,加荷与卸荷路径下b值变化规律差异较大。单轴和常规三轴加荷试验中,围压对声发射b值特征有较大的影响。围压越大,岩样在破坏前,b值的整体水平越高。岩样在破坏时,声发射b值下降幅度越大、降低速率越快,且b值达到整个过程中的最小值。三轴卸荷试验中,围压对声发射b值特征影响不明显。与常规三轴试验相比,三轴卸荷试验在卸荷至一定水平后,其b值整体水平更低,最终破坏时b值的最小值更小。提出当岩样峰值强度后存在明显的应力跌落,此时声发射b值的快速下降可以作为破坏前兆。b值的临界值要通过大量室内岩石声发射试验的统计结果来确定。将声发射b值快速下降、临界值突破0.6作为试验英安岩岩样的破坏前兆。     

持续开挖效应下结构面剪切力学性质与能量特征研究

基于地下岩体工程开挖扰动的实际情况,开展考虑持续开挖效应,充分反映岩体结构面应力调整过程的结构面剪切试验更具理论意义和工程应用价值。采用人工劈裂方法制备岩体结构面,开展了常规应力路径和持续开挖效应下的结构面剪切试验,系统研究了两种条件下结构面剪切力学性质、声发射特征和能量的演化规律。研究结果表明：开挖扰动荷载强度越大,结构面发生剪切破坏时的剪应力降整体上越大,但持续开挖效应下的剪应力降最大值仅为常规应力路径下剪应力降的48.57%;考虑持续开挖效应的结构面剪切过程中声发射活动主要集中于结构面受剪破坏和剪应力降产生时,且声发射活动强度与开挖扰动强度正相关,声发射振铃计数变化率极值明显小于常规应力路径下的相应值;持续开挖效应下试样裂纹发育密集度、结构面磨损区域及破坏程度均随开挖扰动强度增加而增加,但试样裂纹发育的密集程度和结构面破坏程度相对常规应力路径下的情况轻;考虑持续开挖效应的结构面发生剪切破坏时弹性应变能随扰动荷载增大而增大,均低于常规应力路径条件下的弹性应变能值,持续开挖效应降低了结构面剪切破坏的强度,但更易引发结构面发生剪切破坏。     

基于三维扫描和三维雕刻技术的岩石结构面原状重构方法及其力学特性

为了客观重复制作与原岩结构面的岩性、表面形态和力学性质完全一致的试样,集成三维扫描和三维雕刻技术,提出了原岩结构面试样重构新方法。采用该方法制作了具有相同表面形态的大理岩结构面试样,开展了不同法向力下的直剪试验,并采用声发射技术对结构面剪切破坏过程进行了监测。结果表明：重构结构面试样与原始结构面试样具有高度相似性;结构面剪应力-剪切位移曲线可分为两类：剪胀滑移型和剪断跌落型;剪切破坏后结构面可明显地划分为两个区域：剪胀脱开区和剪断磨损区;提出了结构面剪切强度新公式,理论公式与试验结果更接近;结构面剪切过程中剪应力、能量率、计数、撞击率随时间的变化规律具有较好的一致性,声发射定位位置与剪切过程中结构面损伤破坏区域基本吻合。     

基于改进颗粒流声发射片的地下厂房洞室围岩局部损伤细观机制研究

通过改进的PFC-FLAC离散−连续耦合计算方法,提出了一种基于FLAC连续模型耦合区域节点速率双线性插值的PFC颗粒流声发射片模拟方法以及基于声发射强度的围岩破坏区深度细观角度判别方法,并将其应用于地下厂房洞室开挖面、岩锚吊车梁与岩壁接触面等局部围岩损伤细观机制与破化特性研究。研究结果表明：浅层围岩接触力链逐渐稀疏,大量微裂纹发育并汇集成宏观裂隙,最终出现浅层破裂区,呈拉裂破坏;随着距离开挖面的增大,围岩从开挖前期受力较大产生破坏、到开挖后期只有少量微裂纹产生,对应了围岩回弹卸荷区深度。在岩壁围岩劣化和吊车梁超载的情况下,吊车梁与岩壁竖直接触面和倾斜接触面分别发育大量拉裂纹和剪裂纹,宏观表现为拉裂破坏与滑移破坏。上述分析结果与三维有限元方法相一致,并弥补了后者围岩破坏显示方法单一、难以描述围岩损伤程度变化的缺点,为研究地下厂房洞室大变形与应力集中部位的宏细观特性与损伤机制提供参考。     

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。     

深部断续节理岩体中渗流对巷道稳定性影响的数值分析

应用自主开发的岩石破坏过程渗流与应力耦合分析软件F-RFPA2D,通过对高应力节理岩体中巷道的失稳破坏过程所进行的数值模拟分析,研究了深部断续节理岩体中地应力及渗流对巷道稳定性的影响。模拟结果不但直观形象地给出了巷道的渗流场、应力场、破坏区分布,而且得到了巷道周边关键部位的位移变化情况,并与无地下水的稳定性进行了比较。结果表明,岩体中断续节理与地应力及渗流相互作用,对巷道失稳的演化起了重要作用,如巷道与节理的相对方位决定了巷道坍塌的方向;岩桥对巷道的稳定起了重要的作用;虽然渗流应力加速了巷道的失稳破坏,但没有改变高地应力对巷道的主要破坏模式。该研究对于进一步理解深部岩体中节理、地应力及渗流对巷道稳定性的影响进而采取有效的加固措施具有重要的理论和实践意义     

岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型研究(Ⅰ):模型建立及其数值求解程序

在地下水渗流场、应力场、损伤场的耦合作用下更易造成隧道围岩坍塌或涌水等灾害。首先,将围岩材料视作各向同性连续介质,基于Drucker-Prager准则建立岩石弹塑性损伤本构模型,采用完全隐式返回映射算法实现弹塑性损伤本构方程的数值求解。其次,以上述研究为基础根据岩石处于弹塑性状态时渗透系数动态演化公式,建立岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型,并给出三场耦合情况下的数值求解迭代方法。针对耦合模型中涉及参数较多且不易测定的问题,基于差异进化算法原理建立智能反分析方法,对耦合模型中的损伤参数进行反演。最后,利用C++语言编制相应的岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合程序和参数反演程序,利用所编程序进行以下计算:(1)对智能反分析程序的性能、正确性进行分析,对比不同差异策略、交叉因子、变异因子的反演精度和收敛速度。(2)分别采用弹性模型和弹塑性损伤模型进行隧道围岩位移场、应力场的计算。(3)不考虑力学作用的情况下进行孔隙水压力、渗流量的计算。(4)采用所建耦合模型计算得到隧道围岩应力场、渗流场以及损伤场的相互影响规律。研究结果表明,基于差异进化算法的智能反分析程序能够较好地解决耦合模型中损伤参数不易确定的难题,为实际工程中获得不易测定的计算参数提供了有效的方法,同时所建立的耦合模型通过应力、渗流和损伤的相互作用更能够真实地反映出岩石材料的宏观破坏现象,所编计算程序能够模拟地下水渗流场、应力场、损伤场之间的耦合特性,为受地下水影响严重的工程建设提供了方法,研究结论为后期对实际隧道工程进行耦合计算奠定基础。