盐岩三轴压缩破坏与声波声发射特征试验研究

利用岩石声波-声发射一体化测试系统与应力加载装置,系统地研究了三轴压缩试验中盐岩的变形破坏特征与声波声发射活动规律。结果表明：（1）三轴加载试验中,盐岩的破坏过程分为压密与弹性压缩阶段、裂纹产生与稳定增长阶段、裂纹加速增长阶段和应变硬化阶段。阶段Ⅰ中,盐岩纵横波波速略微上升,并伴随少量的声发射事件;阶段Ⅱ中,盐岩的声发射活动开始活跃,超声波波速稳定;阶段Ⅲ和阶段Ⅳ中,岩石的声发射事件数量大幅度上升,纵波波速保持稳定,横波波速呈现明显地下降趋势。（2）盐岩的声波与声发射特征与试验围压应力密切相关。围压水平越低,受载盐岩破坏过程中的波速变化率越大;围压水平越高,盐岩超声波波速变化率越小。根据对试验数据的分析,当盐岩轴向应变达到10%,围压条件为5、10、15、20 MPa时盐岩的声发射事件数量分别为16 271、8 764、3 041、906个,围压对盐岩破坏过程的声发射活动有较大的影响,显示了围压致密效应。     

锦屏二级水电站大理岩复杂加卸载应力路径力学特性研究

地下洞室开挖围岩经历典型径向卸载、环向加载应力路径,由此引起的岩体强度、变形特征和破坏机制也不尽相同。针对锦屏二级水电站高地应力赋存环境,对施工排水洞大理岩开展常规单轴全应变、三轴压缩、卸围压、卸围压-加载轴压等4种不同应力路径力学试验,得到应力-应变全过程曲线、变形破坏特征和极限储能变化规律。试验研究结果表明, （1）锦屏二级水电站大理岩破坏时轴向应变一般较小,为硬脆性材料,卸荷应力路径下该脆性特征更为明显;（2）卸围压同时加载轴压试验峰值强度对应轴向应变、环向应变及体积应变值一般高于单纯的卸围压值,而对应峰值强度则一般低于卸围压值;（3）卸荷速率较大时,变形模量越大,大理岩峰值强度越低。加载速率越大,变形模量越小,峰值强度越高。初始围压越高,变形模量值越低,峰值强度越高;（4）无侧限作用时试件主要为张拉破坏,低侧限作用时为剪切破坏为主,局部存在张拉破坏,较高侧限时,剪切面为典型X或Y型;（5）岩石试件具有极限储能值,该值受多种因素的影响。一般情况下试件破坏对应围压越高,极限储能值越高,卸载速率越大,极限储能值越小。研究结果对于岩爆孕育发生机制解释以及工程实际问题的解决均有参考价值。     

黏土岩水力耦合特性试验研究

对于高放废物地质处置工程,地质屏障系统是放射性有害物质进入环境的最后一道屏障,也是一条重要防线。黏土岩由于其低渗透性、渗透损伤自修复以及较强的吸附能力等特性,被认为是一种合理的高放废物处置地质屏障。结合比利时正开展的黏土岩高放废物地质处置相关研究课题,通过一系列室内试验研究黏土岩的水力耦合机制及长期蠕变特性。三轴压缩试验表明,黏土岩压缩强度、超孔隙水压力与围压正相关。渗透试验表明,黏土岩渗透性呈现显著的各向异性特征,围压增大使黏土岩渗透性显著降低。蠕变试验表明,黏土岩蠕变变形、蠕变变形速率与载荷密切相关,即：载荷越大,黏土岩蠕变变形越显著,蠕变变形速率达到稳定所需的时间越长,且相应的稳态蠕变速率越大;根据应力阈值和等时曲线法初步确定该黏土岩长期强度在1.0～1.2 MPa。研究结果将为我国未来黏土岩高放废物处置库的选址和安全性评估提供重要科学依据。     

渗流-应力耦合作用下砂岩声发射及分形损伤特征研究

为探究渗流-应力耦合作用下岩石内部微元体的损伤演化特征,对取自某矿井的砂岩进行了三轴渗透及声发射试验。研究结果表明:砂岩的渗透率变化历经降低、动态平衡、快速增加以及略微回落四个阶段;声发射现象呈阶段性变化特征,随着围压的升高,声发射最大值越滞后;基于柱状分形理论得到的分形特征表明,分形维数逐渐降低,表明砂岩内部损伤经历了一个从无序到有序的变化趋势,分形维数突变点的出现,可作为砂岩即将失稳破坏的前兆;渗流-应力耦合作用下砂岩的损伤值呈指数型函数增加,渗透损伤Ds主要集中于屈服阶段之后,渗透损伤与总损伤的比值随围压的升高呈线性减小;应力加载是损伤产生的主要因素,渗透作用为次要因素;分形维数df与损伤D、渗透损伤Ds之间呈良好的负指数型函数关系。     

盐岩压剪条件下的损伤特性研究

为了解盐岩在压剪受力状态下的损伤特性,设计了不同放置角度的盐岩压剪试验和声发射信号采集试验,研究了盐岩试件在不同剪切角度下的损伤力学特性和声发射信号特征。针对压剪受力状态,从一般力学模型入手,讨论建立了关于剪应力和正应变的剪切损伤模型。试验结果表明,随放置角度的增大,盐岩的力学特性由塑性为主要特征逐渐转为脆性为主要特征;试验中放置角度越大,盐岩试件峰值剪应力越小,试件整体承载能力也呈下降趋势,试件的变形能力减弱,抗变形能力则随放置角度增大而先增大后减小,45°时达到最大。声发射信号表明,盐岩由于其自身的结构和损伤破坏特征,盐岩在压剪受力状态下的声发射信号比较明显;试件的放置角度为55°、65°时,在屈服阶段AE计数波动相对越剧烈,试件破坏的也越快;试件的放置角度小于45°时,AE计数呈递增式增长,峰值一般出现峰值应力附近。     

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。     

花岗片麻岩峰前围压卸荷条件下力学特性的实验研究

对小湾水电站坝基花岗片麻岩试件进行了室内不同直径、不同峰前围压卸荷试验。结果表明:相同围压下,卸载同加载相比,变形模量变化不大,但泊松比大幅增加,甚至会超过0.5;在相同围压卸荷时,不同尺寸的试样会呈现不同的破坏性状,尺寸越大,越容易产生张破坏;岩块的峰值强度随着围压升高呈线性增加,且尺寸越大受围压变化的影响越小,存在明显的尺寸效应。     

热-水-力耦合条件下黏土岩蠕变特性研究

黏土岩作为放射性核废料处置的备选介质,长期处于热-水-力耦合的复杂条件下。为研究围岩的长期稳定性,本文开展一系列不同围压和偏应力下的黏土岩加温-降温排水蠕变试验,得出以下结论:温度的升高会提升黏土岩的蠕变速率,延长衰减蠕变阶段的时间,但是降温过程中试样主要以冷缩变形为主并未见明显的蠕变变形;围压的降低以及偏应力的增加会提高黏土岩的蠕变速率,并且这种影响会随温度的升高明显加剧。基于试验结果,在Perzyna过应力理论的基础上引入蠕变硬化、蠕变损伤以及热损伤,建立了黏土岩热-水-力耦合蠕变模型。通过ABAQUS软件及其子程序对该模型进行数值实现,模拟结果与试验结果的对比初步表明该模型可以很好地描述热-水-力耦合条件下黏土岩的蠕变特性。     

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。     

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。     

Fracture strength of dry silicate rocks at high confining pressures and activity of acoustic emission

Three dry silicate rocks, gabbro, dunite and eclogite, were triaxially compressed up to a confining pressure of 3 GPa at room temperature. These rocks exhibited brittle fracture behavior up to the highest confining pressure. The change of the mechanism of fracture in the brittle region is suggested from the measurement of the compressive fracture strength and the activity of acoustic emission. The existence of the “high-pressure brittle-fracture” phase is proposed. The fracture strength increased with increase of confining pressure. The increasing rate of strength was lowered at a value of confining pressure: at about 0.8 GPa on gabbro; at about 1.0 GPa on dunite; and at about 1.5 GPa on eclogite. At lower confining pressures than the above value, the acoustic emission rate began to increase at the onset of dilatancy and increased rapidly followed by fracture as the axial stress was increased. At the higher confining pressures, however, the acoustic emission rate did not increase rapidly before final fracture, and stayed constant to the fracture. The similar behavior was shown on the granite studied previously. It is interesting that the frictional strength forms the boundary between “low- and high-pressure brittle-fracture” phases.     

水平层状复合岩体变形破坏特征的围压效应研究

为研究不同围压下深部复合地层岩体变形和破坏特征,结合地质赋存条件制作了类层状复合岩石试样,通过开展不同围压下的三轴压缩试验,研究了围压对水平层状复合岩体变形破坏特征的影响。试验结果表明：随着围压的不断增加,峰后偏应力-应变曲线的降低速率逐渐变缓,应变软化程度逐渐减弱;随着围压的增大,水平层状复合岩石的破坏形态呈现出明显差异,整体上破坏形态逐渐由脆性破坏向延性破坏过渡;在一定围压状态下,围压对软岩膨胀变形的约束效果相对硬岩较弱,导致水平层状复合岩石试样的软、硬分层之间的膨胀变形不协调,在层间黏结力作用下,软、硬分层之间发生相对错动现象。该研究成果对于施工单位预防深部复合地层隧道掘进机（TBM）工程灾害具有一定的指导意义。     

上部地壳岩石流动与显微构造演化--天然与实验岩石变形证据

岩石流动性和变形显微构造的发育直接受温度、压力、应变速率和流体相等制约 ,致使在不同地壳层次岩石的流动性表现出很大的差异。对上部地壳环境条件下天然和实验变形岩石的显微构造分析揭示出一系列具有不同特点以及由不同的成核、扩展和联合方式形成的破裂与微破裂型式的存在。讨论了在上部地壳环境中 ,温度与围压的变化对岩石破裂的影响 ,并阐述了高压破裂与低压破裂及其力学、流变学和显微构造特点 ,提出高压破裂对应于天然变形环境下出现的剪切 (挤压 )破裂 ,而碎裂岩带是典型的天然低压破裂 ,其低压环境的出现可以是浅部低围压或深部高流体压力所致。流体相的存在不仅可以引起石英 ,也可以引起方解石类碳酸盐岩矿物的水解弱化 ,并进而导致岩石流动机制的转变。岩石变形及流体等因素所致的岩石粒度变化 ,则从另一个方面影响着上部地壳岩石流动性的变化。从变形环境考虑 ,随着深度的加大 ,温度和压力升高 ,导致岩石由脆性向韧性转变 ;转变域内岩石的变形是一个复杂过程 ,是多种不同脆性和晶质塑性机制的综合。     

北疆侏罗系与白垩系泥质砂岩物理力学特性对比分析及其能量损伤演化机制研究

特殊的地理、气候条件及工程地质的复杂性决定了在北疆地区软岩地层中修建引水隧洞的设计施工难度较大。隧洞成拱效应与围岩自稳能力差,围岩渗透性强,遇水软化特性显著,极易产生软岩大变形甚至坍塌失稳灾害。为进一步研究北疆地区侏罗系与白垩系泥质砂岩的物理力学性质、遇水软化特性与能量损伤演化机制,开展了二者的单轴压缩、常规三轴与单轴蠕变试验。研究结果表明：两种岩石均富含黏土矿物,白垩系泥质砂岩的粒径分配更好,但其胶结程度较差,导致其强度稳定性与地层波速相对较低。低围压条件下,两者均以环向变形与体积扩容为主,但随着围压升高,其破坏模式由体积扩张过渡到体积压缩类型。高围压加载会造成岩石内部损伤,从而导致其抗压强度的降低。遇水后,两种岩石的延塑性与应变软化特性均明显增强,白垩系泥质砂岩的遇水软化特性更为显著。白垩系泥质砂岩的蠕变特性更为显著,两者的长期强度接近其单轴压缩损伤应力值。两种泥质砂岩的能量损伤演化过程均呈现S型变化规律,侏罗系泥质砂岩的能量硬化特性更为显著,白垩系泥质砂岩会更早地进入到能量硬化与能量软化阶段。     

不同围压下致密砂岩破裂过程声发射特征研究

揭示致密砂岩的破裂机制对致密油气储层压裂设计和压裂缝网改造具有重要的指导意义。本文采用鄂尔多斯盆地延长组长6储层致密砂岩试样,开展了不同围压下的常规三轴压缩试验,分析了围压对岩石力学性质的影响。采用声发射定位技术研究了试样破裂过程,分析了不同围压下声发射定位事件的信号特征及其时空演化序列。此外,对破裂后试样进行了CT扫描,基于CT切片图像观测了试样内部破裂特征。得到以下几点认识:（1）不同围压下,声发射时空演化差异主要表现在压密阶段。随着围压的增加,声发射事件主要发生时段后移。（2）围压对声发射特征参数累计振铃计数的影响主要表现在压密阶段,其他阶段累计振铃计数呈相似变化趋势。不同围压下均可将累计振铃计数快速增加的瞬间作为岩石即将破裂的标志。（3）随着围压的增加,岩石破裂形态趋于简单化,由拉张破裂为主的复杂形态逐渐转变为单一的剪切破裂形态。（4）CT扫描切片直观地反映了试样的破裂形态,与声发射定位所得试样整体破裂形态相吻合,并且在声发射定位的基础上进一步刻画了裂纹分布情况与各裂纹相互作用过程。采用声发射定位技术与CT扫描双重方法,研究试样破裂过程,对于深入研究岩石破裂机制具有一定的意义。     

Time-dependent cracking and brittle creep in crustal rocks: A review

Rock fracture under upper crustal conditions is driven not only by applied stresses, but also by time-dependent, chemically activated subcritical cracking processes. These subcritical processes are of great importance for the understanding of the mechanical behaviour of rocks over geological timescales. A macroscopic manifestation of time-dependency in the brittle field is the observation that rocks can deform and fail at constant applied stresses, a phenomenon known as brittle creep. Here, we review the available experimental evidence for brittle creep in crustal rocks, and the various models developed to explain the observations. Laboratory experiments have shown that brittle creep occurs in all major rock types, and that creep strain rates are extremely sensitive to the environmental conditions: differential stress, confining pressure, temperature and pore fluid composition. Even small changes in any of these parameters produce order of magnitude changes in creep strain rates (and times-to-failure). Three main classes of brittle creep model have been proposed to explain these observations: phenomenological, statistical, and micromechanical. Statistical and micromechanical models explain qualitatively how the increasing influence of microcrack interactions and/or the increasing accumulated damage produces the observed evolution of macroscopic deformation during brittle creep. However, no current model can predict quantitatively all of the observed features of brittle creep. Experimental data are limited by the timescale over which experiments are realistically feasible. Clearly, an extension of the range of available laboratory data to lower strain rates, and the development of new modelling approaches are needed to further improve our current understanding of time-dependent brittle deformation in rocks.     

热处理北山花岗岩变形特性试验与损伤力学分析

温度与荷载共同作用下岩石力学行为和损伤特性的研究,对于深入认识高放废物处置库围岩在热-力耦合作用下的渐进破坏规律具有重要意义。以国内高放废物处置库预选区甘肃北山花岗岩为研究对象,通过开展不同热处理温度后的物理力学性质测试,并借助偏光显微和X射线衍射细微观分析手段,对其宏观变形、损伤演化以及破坏特征开展了研究。研究结果表明：随着热处理温度的升高,质量、密度、纵波波速和峰值强度总体呈下降的趋势,而体积和峰值应变则逐渐增大,1 000 ℃时不同围压下的峰值强度分别减小了77.70%、57.28%、37.33%及33.97%,峰值应变分别增加了196.37%、115.27%、105.13%及90.38%。在低温、低围压下三轴压缩过程中北山花岗岩的损伤发展迅速,破坏形式以张拉劈裂为主,且试样破坏后极为破碎,在破坏面附近存在多条贯通的轴向裂纹;随着温度和围压的增大,北山花岗岩的变形由脆性向塑性转变,破坏形式都是陡倾角的剪切破坏。     

非饱和压实土率相关变形特征与时效模型

为研究高填方路堤压实土率相关变形特征,对不同压实度的非饱和压实土分别开展了不同加载速率以及不同围压条件下的CD三轴剪切试验,探讨了不同工况下压实土的剪切强度指标;借助GDS饱和土静态三轴仪的围压控制器来间接测定非饱和压实土体变的途径。试验结果表明：压实土强度及变形特征具有明显的时间相依性,加载速率越大,压实土的抗剪强度越高,超固结变形特性越强,抗剪强度指标黏聚力c值增幅较大、内摩擦角 值增幅较小;低围压下,压实土呈应变软化及剪胀变形,且压实度越高,应变软化及剪胀变形越显著,c值增加明显、 值增加缓慢。采用基于下负荷面的弹黏塑性本构模型对路基压实土的率相关变形特征进行表征,预测结果与试验数据吻合良好,表明该模型适用于高填方路堤长期沉降分析。