基于DIC的高温砂岩劈裂力学特性研究

为探讨高温处理后砂岩劈裂条件下力学特性的变化规律,在对400～1000℃热处理后的砂岩进行物理性质测试的基础上,通过数字图像相关技术(digital imagine correlation,DIC)记录和分析了不同温度处理后砂岩在巴西劈裂试验过程中的应变场演化以及裂纹产生、扩展和贯通过程。研究结果表明:随着温度升高,砂岩的质量不断损失,体积不断膨胀,P波波速衰减迅速;温度低于800℃时,热处理砂岩抗拉强度呈下降趋势,但总体下降幅度不大,维持在10%左右;高温对砂岩抗拉强度的影响远超抗压强度,当温度超过800℃时,由于砂岩内部裂隙急剧增加,抗拉强度大幅下降,可将800℃视为砂岩抗拉劣化的温度阈值;随着温度升高,砂岩内部孔隙和裂隙增多,导致巴西圆盘两端与中部的应变差逐渐降低。     

升温速率对高温作用后砂岩的宏细观性质影响

砂岩受到高温影响后,宏细观性质会发生不同程度的变化,400 ℃ 和1 000 ℃ 是砂岩宏细观性质变化的两个重要节点。为进一步研究升温速率对高温砂岩物理性质、力学特性以及内部微观破裂的影响,以350 ℃和 950 ℃为目标温度,开展了不同升温速率下砂岩的单轴压缩试验,单轴压缩全程采用声发射监测,采用扫描电镜分析了砂岩破坏后的细观形貌。研究结果表明：经不同升温速率处理后,350 ℃砂岩的质量、体积、密度以及纵波波速变化较小;950 ℃砂岩的质量、密度及纵波波速显著降低,体积明显增大,且升温速率越高变化率越小。350 ℃砂岩的应力−应变曲线、应力−体积应变曲线、抗压强度及弹性模量受升温速率的影响较小;950 ℃ 下砂岩试样应力−应变曲线随升温速率的增加向上偏移,抗压强度和弹性模量则先增加后达到恒定。350 ℃ 及 950 ℃砂岩的声发射振铃累计数都有随升温速率增大而减小的趋势,950 ℃ 下升温速率为1 ℃/min 时砂岩的振铃累计数最大,突发性声发射活动区域最多。对不同升温速率砂岩进行扫描电镜分析发现,升温速率对350 ℃ 砂岩的微观形貌影响较小,950 ℃ 砂岩试件则会随着升温速率的下降出现微裂纹和微孔隙数量增多、体积扩大的情况。     

不同粒径黄砂岩微观−宏观裂纹演化机制研究

为了探讨粒径对黄砂岩微观-宏观裂纹演化机制的影响,系统地开展了不同粒径黄砂岩单轴压缩声发射试验。基于声发射监测技术以及震源机制反演方法,对岩石变形破坏过程中微裂纹演化机制进行了研究,同时利用电镜扫描技术与几何分形理论,对破坏后的砂岩表面裂隙宏观形态及试件断口的微观形貌特征进行了分析。试验结果表明：粒径的大小、胶结物类型的不同均可影响岩石强度,通过室内试验得出随着黄砂岩粒径的逐渐增大,其峰值应力呈逐渐下降的变化趋势;对比不同粒径黄砂岩试件变形破坏过程中的声发射改进 b 值（ bI 值）与平均声发射能率,所有试件峰值破坏前平均声发射能率均存在“激增”与“激降”现象,且声发射 bI 值在砂岩试件达到峰值破坏时下降到最小值,该现象可以作为岩石的失稳破坏前兆特征;随着构岩矿物颗粒粒径的增大,岩石内部微裂纹的破坏模式由张拉型为主导向剪切型为主导进行转变;破坏后岩样表面宏观裂隙的分形维数随着岩石粒径的增加呈现下降的变化趋势,即粒径大小对岩石表面宏观裂隙演化过程具有一定控制作用。     

基于RA/AF的高温后砂岩破裂特征识别研究

开展岩石高温损伤破裂信息识别研究对地热开发和煤炭地下气化等具有重要的指导意义。通过不同高温处理后砂岩在破坏过程中声发射参数RA(上升时间/振幅)和AF(平均频率)值变化,研究高温后砂岩内部不同类型裂纹的发展演化规律。结果表明:砂岩在整个加载过程中以拉张裂纹为主,当加载应力超过峰值应力的80%后,剪切裂纹所占比例迅速增大,可将此作为砂岩发生破坏的前兆;当加热温度超过600℃时,剪切裂纹所占比例上升,超过800℃,剪切裂纹所占比例迅速下降,600℃和800℃可作为砂岩损伤突变的阈值温度;高温后位错塞积现象增多,砂岩塑性特征增强,拉张裂纹所占比例增大。研究成果将对高温作用后岩石破裂失稳前兆信息的识别提供重要的理论基础。      

含水率对红砂岩特征应力及声发射特性的影响

为了探讨含水率对红砂岩特征应力及声发射响应特征的影响,利用RMT-150C岩石力学压力试验机和PCI-II AE win型声发射系统开展了不同含水率条件下红砂岩试件单轴压缩试验。对水侵蚀作用下红砂岩的物理力学参数及特征应力演化机制进行了分析,探究在不同含水率条件下声发射(宽、窄频带)时间序列模式的演化规律,同时基于累计声发射事件数与统计力学理论构建了红砂岩的损伤演化模型。试验结果表明:(1)P波波速随着含水率增加呈现先减小后增加的变化趋势,当含水饱和度达到临界值时,P波波速会降到最低值;(2)窄频带接收传感器接收的声发射信号与红砂岩内部颗粒间的摩擦作用息息相关,而宽频带接收传感器接收的声发射信号与红砂岩内部裂纹演化存在着内在联系;(3)水对声发射事件率(宽频带)在裂纹非稳定扩展阶段影响相对较为显著,对特征应力与强度的比值影响甚微,但对各阶段应变百分比作用效果相对较为明显,随着含水率的增加,红砂岩试件的失效模式由脆性破坏逐渐向延展性破坏转变;(4)随着含水率的增加,声发射事件率(窄频带)活跃期呈现后移的变化趋势,干燥、自然与饱和状态下岩石试件声发射模式分别为主震型、前震–主震–后震型和群震型;(5)基于声发射累计事件数(宽、窄频带)与统计力学理论构建的损伤演化模型可将不同含水率条件下红砂岩试件的损伤过程分为4个阶段:初始损伤阶段、损伤稳定发展阶段、损伤加速发展阶段及损伤破坏阶段。     

单轴压缩下高温后砂岩的声发射特征

通过在单轴压缩下实施的声发射测试,研究焦作砂岩受20～1 200 ℃温度作用后的声发射演变过程;结合不同温度下砂岩的力学性质,通过声发射参数分析研究砂岩在不同受力阶段的声发射特点。研究表明：400 ℃以内温度对砂岩的声发射影响不太明显,在100 ℃后和600 ℃后声发射振铃累计数均发生急剧变化,100 ℃是砂岩裂纹扩展发育的门槛值,600 ℃后砂岩内部结构成分发生了变化,声发射现象较为明显。600～1 200 ℃时,砂岩呈现出明显的脆塑性转变现象,高温导致声发射信号的时间有所推迟,声发射信号增长率不断上升。1 200 ℃后,砂岩释放密集的声发射信号,呈现出塑性破坏特征。     

高温作用后花岗岩单轴压缩下变形破坏特征研究

本文采用TAW 2000伺服三轴试验机及声发射检测设备,对高温作用后的花岗岩在25~650℃单轴压缩下的声发射特征进行试验研究,分别分析了高温作用后的花岗岩纵波波速、最大强度及振铃计数随时间的变化规律。研究结果表明:花岗岩的纵波波速和最大强度随着温度的升高而下降,当温度超过500℃时,纵波波速和最大强度下降幅度最大,可见花岗岩的阈值温度为500℃左右。高温作用后的花岗岩在加载过程中始终伴随声发射信号,并且与应力-时间曲线具有较好的对应关系,不同温度作用后的花岗岩声发射活动程度不同,温度越高,声发射活动愈强烈。500℃前花岗岩试样主要以劈裂破坏为主,温度达到500℃,花岗岩试样以剪切破坏为主,高温导致花岗岩试样内部结构发生改变,试样内部的裂纹逐渐发生扩展、贯通,最终发生破坏。     

一种测量岩石压缩裂纹扩展过程声波波速的连续测量方法

中低围压或单轴压缩荷载条件下,可以将脆性岩石材料的裂纹扩展过程划分为原生裂纹压密、新生裂纹起裂并稳定扩展、不稳定裂纹扩展和交互贯通以及峰后5个主要发展阶段。含预制裂纹试样的直接观测法、应变监测、声发射（AE）监测、声波波速测试、CT（computerized tomography）扫描、微电镜观察等间接监测方法被用来研究裂纹起裂和扩展过程。本文基于在中、低围压以及单轴压缩荷载条件下,脆性岩石材料首先产生张拉裂纹,并优先沿加载方向发育的规律,提出采用声波波速连续测量方法进行岩石加载过程波速的连续观测,有助于分析裂纹扩展过程中声波波速的变化,为研究裂纹扩展过程提供一种间接测量手段。     

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。     

岩石声发射混沌特征分析

岩石等脆性材料在加载过程中,随着荷载的增加,材料内部的微裂纹产生、扩展并伴随着声发射现象的发生。声发射是研究脆性材料破坏的良好工具。对砂岩、细砂岩和高丽山砂岩3类岩石进行了声发射试验,记录了加载及破坏过程中产生的声发射信号,并且采用混沌动力学理论研究了3类岩石的声发射活动规律,计算了岩石的关联维数和最大Lyapunov指数。研究结果表明,岩石加载及破坏过程具有混沌特征,用相空间重构法可以较好地揭示岩石破坏过程的动力学特征,这为混沌理论在岩石、岩体声发射其他领域的研究及应用奠定了基础。     

高温花岗岩遇水冷却后物理力学特性试验研究

观察500℃内高温花岗岩遇水冷却后的物理力学特性试验研究和SEM图像发现,高温花岗岩遇水冷却后物理力学特性随温度变化规律,揭示其细观机制。结果表明,(1)高温花岗岩遇水冷却后体积随温度升高而膨胀,而质量和密度随温度升高而减小,500℃时体积增加1.32%,质量减小0.21%,密度减小1.51%;(2)纵波波速和横波波速皆随温度升高而降低,且前者降低幅度大于横波波速的,500℃时分别降低64.9%、46.8%;(3)单轴抗压强度和弹性模量随温度呈减小趋势,500℃时分别减小51.9%、58.6%,温度大于300℃时花岗岩表现出明显的塑性特征;(4)温度大于300℃时花岗岩内部微裂纹数目不断增多,尺寸不断增大,并逐步交叉、贯通形成微裂纹网络,导致高温花岗岩遇水冷却后物理力学性质的劣化。     

不同含水率砂岩单轴压缩力学特性及波速法损伤

为了探究不同含水率砂岩单轴压缩下力学特性及损伤变化情况,首先对5种不同含水率砂岩进行静态单轴压缩实验,获得其物理力学参数;而后利用超声波检测仪测量该5种不同含水率砂岩的波速,将该批次砂岩加载到80%峰值强度后卸载到0,测量此时砂岩声波波速,利用声波法定义损伤,研究含水率对砂岩损伤的影响。结果表明:单轴压缩下,砂岩的峰值强度及弹性模量随含水率升高逐渐降低,而峰值应变变化呈相反趋势;总功及弹性能随含水率增加而下降,耗散能随含水率增加而增大。实验前声波波速随含水率升高逐渐减小,实验后声波波速随含水率升高而下降,且下降趋势较实验前更迅速;砂岩的残余塑性变形和内部损伤均随含水率升高逐渐增大。研究结果可为现场岩石损伤测试提供依据。      

裂隙砂岩应变场演化与超声时移衰减特征研究

微裂纹萌生、扩展和聚结模式的识别是研究岩体灾害孕育演化过程的基础。为探究裂隙岩石微裂纹发育过程及机制,采用主动超声测量和数字图像相关（digital image correlation,简称DIC）技术同步监测单轴压缩下预制裂隙砂岩的损伤破裂过程,分析了表面应变场演化及超声衰减特征。结果表明：小倾角预制裂隙尖端的局部拉应力集中利于裂纹更早萌生;随裂隙倾角增加,预制裂隙试样由较为稳定的渐进性破裂转变为突发性破坏,其脆性特征也更明显,表面应变场可实时追踪裂纹的萌生和扩展。P波波速、振幅谱和超声振幅的衰减与微裂纹的发育和宏观裂纹的形成密切相关,可将超声波主频的明显衰减视为宏观裂纹形成的直接证据;不同射线路径P波速度及振幅衰减的差异,是轴向应力和预制裂隙诱导损伤累积各向异性的结果。此外,采用改进谱比法分析了超声衰减的时移特征,发现超声波衰减比P波波速对岩石介质中微裂纹的发育更敏感,进一步对比发现超声振幅、表面应变、P波波速对岩石损伤识别的敏感性依次降低。该研究结果表明,主动超声衰减和DIC表面应变同步监测是识别和量化岩石损伤和裂纹扩展先兆信息的有力工具。     

温度、三轴应力条件下砂岩渗透率阶段特征分析

利用20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机进行了长石细砂岩的渗透率试验,研究了恒定三轴压力和常温至600℃条件下砂岩渗透率变化特征。试验表明,随着温度增加,长石细砂岩渗透率变化规律表现为5阶段特征：①低温段,随温度升高渗透率略有下降;②阈值温度前段,达到阈值温度后,渗透率急剧增大,产生一个突跃,增加了65倍;③阈值温度后段,随着温度的继续升高,渗透率出现下降;④稳定段,渗透率达到谷值后不再下降,并稳定在一个较高水平,是室温渗透率的8倍;⑤高温段,渗透率重新增大。通过对长石细砂岩的细观结构变化及声发射事件（AE events）计数率分析后认为：渗透率的阶段性变化规律主要与内部矿物颗粒之间及其内部因局部热应力集中而诱发产生的微裂缝的开闭有关;高温条件下的长石细砂岩渗透率二次剧烈变化则主要与砂岩中部分矿物晶体颗粒成分在高温环境下的熔融、重结晶等现象有关。     

岩石声发射特性试验研究

对取自柿竹园矿的花岗岩、矽卡岩,进行声发射特性试验研究以及岩石的声波波速测试,得到岩石的纵波速度及在受单轴压力下岩石破坏过程中的应力-应变以及声发射参数与应力、时间之间的关系,为矿山的安全生产、避免地压灾害提供了决策依据。     

岩石破裂过程中的声发射b值及分形特征研究

应用声发射及其定位技术,通过单轴受压岩石破坏声发射试验,对岩石破裂过程中的声发射b值和空间分布分形维值随不同应力水平的变化趋势进行了研究。研究结果表明：声发射分形维值D和b值反映了岩石破坏过程中微裂纹的初始和扩展;在小尺度微裂纹所占比例较高的加载初期,分形维值和b值在较高的水平波动变化,部分岩石试件分形维值和b值呈现升高现象;随着载荷的增加,岩石内部微裂纹的空间分布由无序向有序转变,大尺度裂纹所占比例增加,声发射定位事件出现群集现象,分形维值和b值开始较快速下降并在岩石失稳破坏时达到最低值。在岩石破坏过程中,声发射分形维值和b值的变化趋势相近。由于实际应用时,分形维值和b值的最小值（临界点）难以确定,故可将2个参数相结合,以分形维值D和b值较快速下降作为前兆特征,以提高现场岩体稳定性监测的准确性。     

自然与饱水状态下砂岩压缩破坏力学特性及声发射特征

为研究自然与饱水状态下不同粒径砂岩损伤破坏过程中的力学特性和声发射特征,对自然和饱水状态下3种粒径砂岩进行单轴压缩试验和声发射试验,研究其单轴应力状态下力学特性和声发射特征。试验结果表明:在自然状态下,粗粒砂岩平均抗压强度为54.23 MPa,中粒砂岩为53.56 MPa,细粒砂岩为59.46 MPa;饱水后,粗粒砂岩平均抗压强度为35.62 MPa;中粒砂岩为31.79 MPa,细粒砂岩为29.10 MPa。饱水后,粗粒砂岩、中粒砂岩和细粒砂岩的弹性模量分别降低19.6%、32.7%和33.7%;泊松比分别增加9.6%、10.4%和19.5%。所有试样各阶段声发射能量曲线变化趋势与各阶段受力破坏程度具有较高的一致性,声发射能量峰值都出现在应力峰值附近,其中饱水后弹性变形阶段声发射总能量发生不同程度的减少,粗粒砂岩为67.4%,中粒砂岩为32.4%,细粒砂岩为29.3%。饱水试样损伤演化阶段较自然状态声发射总能量发生明显下降,粗粒砂岩最为明显,降幅为73.5%,中粒砂岩为36.0%,细粒砂岩为62.0%。饱水后失稳破裂阶段声发射能量值较自然状态依旧出现不同程度的减少,粗粒砂岩为30.7%,中粒砂岩为29.5%,细粒砂岩为38.3%。砂岩饱水后力学特性与声发射特征变化是试样微观结构变化在宏观层面的体现;用砂岩单轴破坏过程中声发射能量峰值可以很好地表征砂岩脆性,将为岩石脆性研究提供新的思路。      

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。     

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。     

循环扰动和高温作用下砂岩的岩爆倾向性及破坏特征研究

为了揭示循环扰动和高温影响下砂岩的岩爆机制,开展了循环扰动和高温作用下砂岩单轴压缩试验和CT扫描试验,研究了不同条件下砂岩的力学特性、岩爆倾向性及破坏特征,探讨了岩爆倾向性与破坏特征的关系。研究结果表明：循环扰动和高温对砂岩的力学性能及岩爆倾向性影响效果显著;无循环扰动砂岩的单轴抗压强度、弹性模量及岩爆倾向性随温度的升高呈先增加后降低的趋势,200℃为该类砂岩的阈值温度,受循环扰动砂岩的力学特性及岩爆倾向性随温度的上升而降低;而砂岩的力学特性及岩爆倾向性随循环应力幅值增加而下降;随着循环应力幅值和温度的增加,砂岩破坏模式由劈裂破坏向剪切破坏转变,同时砂岩的岩爆倾向性与裂隙三维分形维数呈良好的负相关关系;此外,高温对砂岩的力学性能、岩爆倾向性及破坏程度影响效果强于循环扰动。研究结果可为高温工程岩爆防治提供理论依据和工程参考价值。