遍布节理试样压剪加载下的力学特性及声发射特征研究

节理岩体的力学性质对指导工程设计、施工具有重要的意义。为研究组合节理参数对遍布节理试样的力学性质影响,采用类岩材料预制不同节理倾角、间距的遍布节理试样并进行压剪试验。根据高清相机记录的不同节理试样的破坏特征,试样的破坏模式可分为平面剪切破坏、类完整性剪切破坏和斜剪切破坏,节理间距会改变试样的破坏模式而节理倾角对试样的破坏模式有关键性影响。分析不同节理参数试样的峰值剪切强度,遍布节理对试样的弱化程度达到15.95% ~56.62%,节理试样的峰值剪切强度随着节理间距的增大逐渐增强而随着节理倾角的增加先增后减。此外,采用声发射设备实时监测试样加载过程以分析不同节理参数试样的声发射特征。在压密阶段,节理试样的声发射最大撞击数随节理间距减小而增大。声发射峰值能量随节理间距减小而减小,但均值能量随节理间距减小而增大;试样的峰值能量和均值能量随节理倾角增大均呈现先增大后减小的规律。     

关于“压剪作用下多节理类岩试样力学性质及破坏判据研究”的讨论

<正>高青鹏等的论文《压剪作用下多节理类岩试样力学性质及破坏判据研究》~([1])(以下称为原文)于2019年3月刊发在《岩土力学》,原文采用试验方法研究了骨料粒径及节理倾角对岩体力学性质的影响,并利用Mohr-Coulomb准则建立了岩石压剪断裂判据,内容丰富,是一篇试验和理论相结合的文     

关于“压剪作用下多节理类岩试样力学性质及破坏判据研究”的讨论回复

<正>首先,非常感谢黄诗渊博士对《压剪作用下多节理类岩试样力学性质及破坏判据研究》~([1])一文(以下简称原文)的赞赏;其次,感谢黄诗渊博士对原文提出的几个不同的观点,让笔者认识到对压剪断裂破坏研究存在的不足,以激励我后期对压剪断裂破坏进行更深入研究。最后,对黄诗渊博士提出的     

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。     

类节理岩石直剪试验力学特性的数值模拟研究

节理岩体的剪切特性是主导岩体工程稳定性的关键因素。基于PFC2D离散元颗粒流程序,结合室内试验结果对比分析,选取合理的细观参数进行数值模拟,分别从细观角度研究了节理岩石的裂纹发展、能量转化及声发射现象等特性,从宏观角度研究了节理岩石的强度模型和破坏形态。结果表明：节理岩体主要呈现磨损和剪断两种破坏形态,不同的破坏形态对应不同的强度模型;随着剪切变形增加,岩体沿节理面发生破坏,弹性阶段以法向裂纹为主,而塑性阶段切向裂纹起主导作用,滑移区R、P裂纹贯通形成破碎带,节理面产生较大滑移;在应力达到峰值强度前,边界能主要转化为应变能,法向裂纹生成较多;越过峰值强度后,摩擦能快速增长,并伴随大量切向裂纹产生。与室内试验结果相比,PFC2D较好地模拟了节理岩体剪切力学特性,弥补了室内试验中无法进行细观特性研究的缺陷,对于节理岩体后期研究提供了一些参考。     

压剪应力状态下岩石复合型断裂判据的研究

考虑岩石闭合裂纹壁面间存在的摩擦力对裂纹尖端应力场的影响,应用最大周向应力理论得到压剪复合裂纹的断裂角。在此基础上,依据岩石裂纹尖端双向受力时的破坏特征,结合最大周向应力准则与修正的格里菲斯（Griffith）强度理论,建立了考虑摩擦效应的闭合裂纹失稳扩展的岩石压剪断裂判据。研究结果表明：断裂角受裂纹和荷载方向的夹角、裂纹壁面之间的摩擦系数、侧压力系数的影响;当压剪裂纹的断裂角是某个定值时,纯II型裂纹的断裂韧度与纯I型裂纹的断裂韧度的比值只与岩石裂纹表面的摩擦系数取值有关,而与其他岩石力学参数无关。此研究成果可为压剪应力作用下裂隙岩体的失稳破坏提供参考。     

直剪条件下非贯通节理岩体岩桥力学性质弱化机制及贯通模型初步研究

通过非贯通节理岩体直剪试验的力学特点和理论分析,修正了Lajtai岩桥张拉破坏理论。通过非贯通节理岩体直剪试验中岩桥的应力状态,提出岩桥内部的张拉破坏使岩桥力学性质发生弱化,并进一步分析研究了力学性质可能弱化的区域。分析非贯通节理岩体扩展贯通过程,提出了非贯通节理岩体的贯通破坏模式。通过非贯通节理岩体直剪试验初步验证了修正的岩桥张拉破坏理论和贯通破坏模式。     

岩石压剪性断裂特性及Ⅰ—Ⅱ型复合断裂判据

本文系统阐述了岩石压剪性断裂的特性,认为金属断裂力学复合断裂判据基本上不适用于压剪状态下的岩石斯裂;在此基础上,提出了新的岩石压剪性断裂判据:2COSθ_0/2(cosθ_0-1)[(1+1/f~2)~(1/2)-1]K_Ⅰ+[(sin θ_0/2-3sin 3θ_0/2)(1+1/f~2)~1/2+4sin θ_0/2]K_Ⅱ=4K_(Ⅰc),推导了起始断裂角ψ_0,说明了实验验证结果,指出了该判据在工程地质领域中的应用途径。     

考虑裂隙水压力的岩体压剪裂纹扩展规律研究

在库水位大幅度升、降变化时,容易导致岩体内增量裂隙压力的集中,使断裂面上有效应力降低,裂纹面尖端的应力强度因子增加。当达到临界强度因子时,可能使岩体内裂纹、裂隙贯通、扩展,形成连续的复式破坏面,从而使边坡稳定性降低,造成边坡的失稳。基于此,从断裂力学角度分析了裂隙水压力对裂纹强度因子的影响,对考虑裂隙水压力作用的Ⅰ、Ⅱ型复合裂纹扩展规律进行了研究,结果表明：Ⅰ、Ⅱ型复合裂纹的裂纹扩展角的变化,不仅与裂纹的闭合程度、斜裂纹倾角、双向应力大小有关,还与裂隙水压力的大小、裂纹面的摩擦系数有关;并且在相同情况下,未闭合裂纹的扩展角要大于闭合裂纹的扩展角;对于闭合裂纹,裂纹面摩擦系数越小,扩展角越大;最后,推导了基于摩尔-库仑准则考虑裂隙水压力的岩体断裂韧度KIc、KIIc和压剪状态下Ⅰ、Ⅱ型复合断裂判据。研究成果为分析水岩作用下裂隙岩体的失稳破坏提供了重要的参考。     

冻融循环下含节理类岩石试样剪切破坏特性

为探究冻融循环对节理岩石抗剪力学特性的影响,针对冻融循环前后不同连通率节理岩石试样进行剪切特性试验,探究了节理试样的剪切破坏机制,对比分析了冻融前后节理试样抗剪强度的衰减趋势,分析了黏聚力及内摩擦角随岩石试样剪切破坏面分形维数的变化规律。结果表明：随冻融循环次数的增加,节理试样剪切应力-位移曲线发生显著变化,峰值剪应力出现明显下降,黏聚力及内摩擦角对比冻融前试样出现明显劣化,并且随节理试样连通率的增加,劣化程度加剧;在节理连通率相同时,随冻融循环次数的增加,剪切破坏面的分形维数呈现近指数函数递增的趋势,随分形维数的增加,节理试样的黏聚力损伤因子、内摩擦损伤因子也呈现指数函数增加的趋势;在冻融循环次数相同时,内摩擦角损伤因子随节理连通率的增大呈先减小后增大的趋势,而黏聚力损伤因子在冻融循环次数为30次前后分别呈递增和先减后增的趋势。     

注浆材料和预制裂纹缺陷角度对类岩石试件单轴抗压强度及破坏模式的影响

选用环氧树脂和纯水泥浆作为注浆材料,对含不同角度和不同注浆材料裂隙试样进行单轴压缩试验。试验结果表明,注浆材料和裂纹缺陷角度对类岩石试件单轴抗压强度及破坏模式具有重要影响;环氧树脂加固效果优于纯水泥浆,环氧树脂可以有效地消除预制裂纹尖端的应力集中;在裂纹缺陷角度很小( <30°)和角度很大( =90°)的情况下无论裂隙是注环氧树脂还是纯水泥浆,注浆效果都不明显,当 =60°时两种注浆材料的加固效果都很好。提出滑动裂纹模型,对注浆裂隙进行力学分析发现,含注浆裂隙试样的抗压强度随着注浆材料和完整材料胶结面摩擦系数和黏聚力的增大而增大,不同注浆材料和完整材料胶结面的摩擦系数和黏聚力不同,解释了为什么不同的注浆材料对注浆试样强度提升作用不同。研究成果为分析工程中注浆材料和裂纹缺陷角度对岩体强度的影响提供了一定的理论基础。     

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。     

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。     

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。     

不同节理粗糙度类岩石材料三轴压缩力学特性试验研究

粗糙度是影响节理岩体强度与变形特性的重要因素之一。首先使用3D 打印机制作模具,并浇筑形成不同粗糙度（节理粗糙度系数JRC=2、7、12、17、22）的节理岩石试样。采用GCTS高温高压动静岩石三轴试验系统,对含有不同粗糙度节理岩石试样进行了三轴压缩试验,获得了不同粗糙度节理岩石试样的三轴应力–应变曲线,分析了JRC对岩石三轴强度和变形特性的影响规律,在三轴加载过程中采用声发射测试系统,分析了不同粗糙度节理岩石试样的声发射特性。运用数字三维视频显微系统观察节理面形态,讨论了不同围压下节理岩石试样峰值强度与JRC之间的关系。研究结果表明,节理面的存在直接导致节理岩石试样强度的大幅度降低,JRC对岩石破坏裂纹的形态、数量和空间分布特征亦有很大的影响,随着JRC值的增大,岩石节理面的抗剪强度增大,岩石试样的三轴抗压强度也会增大,岩石试样由脆性破坏转变为延性破坏。     

含预制裂隙大理岩SHPB动态力学破坏特性试验研究

岩石内部损伤演化是导致岩土工程灾害的原因之一,揭示岩石破裂过程中的关键参数响应特征可为岩石破坏后失稳状态识别提供依据,对于岩体工程灾害预警防控至关重要。通过循环加载−卸载(加卸载)试验制备不同损伤程度粉砂岩试样,利用损伤试样开展单轴加载试验,分析试样损伤程度与波速关系及声发射演化规律,探讨不同损伤程度岩石的声发射响应机制。结果表明：(1) 损伤试样纵波波速随着损伤程度增加呈线性减小趋势,但声发射振铃计数由阶段性递增转变为加载全过程迅速增加,声发射能量在屈服阶段由小幅度突增转变为快速增加。(2) 反映岩石内部不同尺度裂隙发展趋势的声发射b值峰值区由峰后破坏阶段向压密阶段转移,造成峰后破坏阶段失稳特征不明显,反映岩体内部声发射源集中程度和能量尺度的S值在压密至屈服阶段由低位中幅度波动转变为高位小幅度波动,表明岩石在峰前阶段产生非稳定破坏。(3) 损伤试样破裂过程随着损伤程度增加由晶间滑移主导型转变为裂隙发育主导型,导致声发射高频低能(400~800 kHz、0~250 aJ)信号由零星出现转变为加载全过程密集分布,以及高频信号带变宽。(4) 损伤岩石内部裂隙发育程度不同是导致声发射响应机制差异化的根本原因,岩石内部裂隙密度随着损伤程度增加而增大,造成其在受载过程中由渐进式稳定破坏模式向突发式非稳定破坏模式转变,同时加载过程中声发射信号活跃度及强度增强。研究获得了不同损伤程度岩石的声发射参数特征,可为工程岩体损伤程度识别提供理论依据。

     

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。     

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。