岩石压剪断裂过程中的超声波波谱特性研究

岩石破裂过程中的声发射特性不仅与岩石种类有关 ,而且与受到的载荷和破裂进展密切相关 ,岩石受载时的声发射波谱中含有大量与微断裂有关的信息。本文通过岩石压剪加载时峰值前的声发射波谱特性分析 ,探讨了岩石压剪时的微断裂机理 ,揭示了岩石在压剪加载不同阶段的波谱特性与岩石初始非线性、线性响应和临界裂纹扩展之间的相关关系。实验结果表明 ,声发射波谱参数的变化对岩石微断裂进展的响应比载荷本身更为敏感。这一结论为岩石边坡稳定性分析 ,岩爆预测和采矿工程的安全性评估提供了十分有意义的实验依据。     

岩石断裂过程的声发射试验研究

根据N-t,φ-t,E-t,A(t)-t曲线,并结合读数显微镜实测观察,可较准确地判定开裂点。在计算大理岩临界应力强度因子时,考虑了裂纹扩展长度的影响.导出了低脆性岩石N-K_1关系的一般表达式,并与Harris公式进行了比较.研究了声发射事件数与裂纹扩展长度增量的关系。     

岩石爆破中的断裂控制方法

在断裂力学理论的基础上，提出了岩石爆破中实现断裂控制的基本原则，分析了岩石爆破中的断裂控制方法。     

基于P-CCNBD试样的岩石动态断裂韧度测试方法

预裂的人字形切槽巴西圆盘(Pre-cracked chevron notched Brazilian disc,简称P-CCNBD)是将人字形切槽巴西圆盘(cracked chevron notched Brazilian disc,简称CCNBD)的切槽尖端再稍加切削制成直裂纹前沿的试样。利用霍普金森压杆对P-CCNBD砂岩试样进行径向冲击,完成I型动态断裂试验后再做数值分析得到岩石的动态断裂韧度。为了验证数值模拟的可靠性,先进行了无限平面中一条有限尺寸裂纹表面受冲击拉伸作用的动态有限元分析,结果表明,数值模拟的结果与Shi得到的结果非常吻合。将试验-数值法和他人的准静态法分别确定的砂岩的动态起裂韧度进行对比,两种方法得到的结果有一定的差异。采用试验-数值法,将比较成熟的直裂纹巴西圆盘(cracked straight-through Brazilian disc,简称CSTBD)和P-CCNBD两种试样测得的结果进行对比,两者吻合较好。得到的动态起裂韧度都有随着加载率的增加而增大的加载率效应。分析了准静态法的缺陷,认为试验-数值法得到的结果更为合理。     

冲击载荷作用下岩石动态断裂试验研究

以自行研制的可调速落锤冲击试验机进行加载,通过高速相机搭建数据采集系统,采用数字散斑相关方法作为试验的观测方法,开展5组不同预制裂纹长度的花岗岩试件在冲击载荷作用下的动态断裂试验。并对岩石I型裂纹在冲击载荷作用下的位移场演化、裂纹动态断裂的裂尖张开位移、裂纹尖端的扩展历史、动态断裂的应力强度因子进行了定量研究。试验结果表明：对于单一试件而言,在落锤开始与岩石试件的边界接触到试件的预制裂纹开始扩展整个过程中,裂纹尖端的应力强度因子KI呈递增趋势,KII与KI相比,相差1～2个数量级。对于不同预制裂纹试件,在落锤冲击加载作用下,总体表现为一定的预制裂纹长度范围内,随着预制裂纹的长度增加,裂纹尖端应力强度因子呈增加的趋势。     

断裂多孔岩石中的复杂反应流体动力学

:断裂多孔介质中的流体流动和组分输运过程对于理解金属成矿过程、油气运移、污染物质的输运和分布十分重要 ,近 2 0年来得到了广泛的研究。文中综述了这一领域的进展 ,涉及断裂多孔介质中的流体流动和组分输运的连续介质模型、多孔介质和断裂多孔介质的渗透率关系 ,特别是重点介绍了渗滤理论及其在断裂多孔介质中的流体流动和组分输运中的应用     

动态致裂过程的能量分析

本文从能量观点出发,对裂纹形成过程进行了分析,并以此为基础,讨论了各种致裂方法的原理和特点。     

动载确定方法对岩石动态断裂韧度测试的影响

为了考察不同方法确定的动态载荷对测试岩石动态断裂韧度的影响,在SHPB压杆系统上动态冲击直径80 mm的大理岩圆孔裂缝平台巴西圆盘,获得了弹性压杆上的应力波形,间接计算得到3种不同的作用在圆盘端部的动态载荷。将载荷输入ANSYS动态有限元模型中,求得了相应的动态应力强度因子,并根据试验-数值分析方法确定了岩石的动态断裂韧度测试值。结果表明,在加载速率约为4.0×104 MPa•m1/2/s的条件下,采用三波法确定的大理岩的平均动态断裂韧度为 3.92 MPa•m1/2,采用一波法比三波法计算的结果偏低11.22%,采用二波法比三波法计算的结果偏高20.15%,3种方法得到的结果差异较大。应力波在传播过程中,通过圆盘表面和预制裂缝面发生散射,部分能量不断发生释放是造成圆盘试件两端加载载荷不相等的主要原因。三波法是3种方法中比较理想的动态载荷确定方法,但需要考察试件的动态应力平衡性。     

岩石断裂破坏的机理研究

由于岩体中岩石通常处于宏观压应力状态,因此人们常认为岩石的破坏为剪切破坏。根据我们的研究,对于岩石的断裂破坏,其本质应归为微裂缝的拉张破坏。     

岩石断裂的研究现状浅析

经典断裂力学理论的研究已经取得很大的进展,然而由于岩石材料的性质,该理论在岩石材料研究方面遇到了局限,岩石断裂研究具有其特殊性。在参考相关文献的基础上,简要介绍了常用的岩石断裂准则,以及岩石断裂研究新情况。     

岩石断裂表面的分形模拟

根据岩石断裂表面粗糙度所具有的统计自仿射分形的特征,提出了改进的自仿射分形插值的概念。运用改进的自仿射分形插值方法,根据实测岩石断裂表面粗糙度数据,对岩石断裂表面粗糙形态进行了分形模拟,给出了二元分形插值数学模型。将以不同数量的观测数据模拟出的插值曲面与实际测量的岩石断裂表面相比较,得出了不同数量信息点的模拟精度,它们之间的关系曲线显示为幂函数关系的规律。这就意味着不仅可以得到模拟结果,还可以得到模拟结果的估计精度。运用少量已知数据值,模拟出未知曲面,给出了由局部模拟整体的方法这对于根据少量数据研究、模拟和直观显示复杂物体的几何形态,如地形地貌、断层表面和材料裂隙表面,具有重要的应用意义。     

压缩单裂纹圆孔板(SCDC)岩石动态断裂全过程研究

用大直径分离式霍普金森压杆冲击砂岩的压缩单裂纹圆孔板,成功地监测到Ⅰ型动态断裂的全过程。实验中由裂纹扩展计分别纪录了动态起裂、扩展、止裂、和再起裂时刻,采用分形裂纹扩展模型分析曲折裂纹的扩展速度,最后用实验-数值-解析法确定砂岩的动态起裂韧度、动态扩展韧度、动态止裂韧度以及二次动态起裂韧度。动态断裂全过程的实验结果表明:裂纹扩展路径为不规则曲线,此时裂纹动态扩展速度表征的普适函数值会比假设裂纹路径为直线时小;利用分形模型得到更加接近真实的动态扩展韧度;砂岩的动态起裂韧度大于动态止裂韧度;由于初次动态起裂时的裂纹实为人工切槽,而二次动态起裂时为天然形成的裂纹因而非常尖锐,初次动态起裂韧度略大于二次动态起裂韧度。     

断裂岩石蠕剪中的细观接触损伤试验研究

为深刻理解构成断裂岩体长期抗剪强度的细观机制,对岩石断裂面的细观接触和损伤演化进行了试验研究。采用压剪方式和巴西劈裂方式制作出两类断裂岩石,在恒定法向力作用下对破坏岩石试件进行分级施加剪切力的蠕变试验。在加载前、中、后对断裂岩石分别进行CT和激光扫描,观察到不同蠕变阶段断裂岩石的细观接触和损伤状态,获得不同性质的断裂岩石抗剪强度特征。试验研究表明：构成断裂岩石长期抗剪强度的机制主要有两个：一是细观凹凸啮合体的抗剪断能力;二是表观凹凸接触体的抗摩擦能力。拉破裂岩石表面局部粗糙度相对较大,抗剪强度以第1种破坏机制为主,剪切破坏岩石表面宏观起伏度较大,抗剪强度是以第2种破坏机制为主。在蠕变剪切过程中,两种机制交织在一起,并随时间或剪位移的增加而相互转换。     

条形药包爆破预制贯通裂纹动态断裂过程研究

采用动态焦散线试验和ABAQUS数值分析方法,对条形药包爆破载荷作用下不同角度预制贯通裂纹的扩展行为进行了研究。研究结果表明：在爆炸应力波的作用下,柱部区域和端部区域0°预制贯通裂纹远端翼裂纹背离炮孔方向扩展,而近端翼裂纹朝向炮孔扩展。预制贯通裂纹远端的应力集中程度较近端高,并且远端翼裂纹的止裂韧度更低,翼裂纹更易扩展。在爆炸应力波的作用下,柱部区域90°预制贯通裂纹由张开逐渐转为闭合,爆炸应力波在已闭合的预制贯通裂纹面发生透射,并在预制贯通裂纹尖端产生压剪应力集中,形成以II型断裂为主的I-II复合型裂纹,并近似垂直于预制贯通裂纹面扩展,随后,在自由面反射应力波的作用下,反翼裂纹沿预制贯通裂纹面起裂扩展;炮孔端部区域90°预制贯通裂纹处翼裂纹的起裂是由于爆炸应力波在预制贯通裂纹处产生反射拉伸波的结果,促使预制贯通裂纹端部产生拉应力集中,形成近似I型裂纹,随后,翼裂纹逐渐转向爆炸应力波传播方向扩展。     

岩石断裂破坏的机理研究

由于岩体中岩石通常处于宏观压应力状态，因此人们常认为岩石的破坏为剪切破坏。根据我们的研究，对于岩石的断裂破坏，其本质应归为微裂缝的拉张破坏。     

基于岩石破坏全过程能量特征改进的能量跌落系数

合理而准确地评价岩石的脆性是评估岩爆风险、油气储层可压裂性等工程实践的前提。针对表征脆性岩石破坏过程的能量跌落系数,详细分析了其适用性和局限性。为更加有效地评价岩石的脆性,基于岩石破坏全过程的应力-应变曲线,在能量跌落系数的基础上,进一步考虑峰前总能量中可释放弹性能的占比,提出一种改进的能量跌落系数,认为脆性是岩石内部可释放弹性能在峰前阶段大量储存与峰后阶段快速释放的综合表现。通过不同围压下大理岩和花岗岩试验数据进行分析和对比,结果表明改进后的能量跌落系数不仅能反映同种岩石不同围压下的脆-延转化行为,还能有效评价相同围压下不同岩石的脆性强弱。同时讨论了泊松比、损伤变量对岩石脆性评价的影响,发现随着泊松比增大,各围压下花岗岩的脆性强于大理岩的性质不改变;随着损伤变量增大,花岗岩的脆性由强于大理岩转变为弱于大理岩,且围压越高现象越明显。试验结果验证了改进后能量跌落系数的可靠性,研究成果有望对岩石脆性评价提供些许参考。     

岩石中柱状装药爆炸能量分布

岩石中装药爆炸产生的爆破能量可分为爆炸冲击波能量和爆生气体膨胀能量。对爆炸能量分布的理论分析有助于改善爆破效果,提高爆破质量。在柱状耦合装药情况下,分析了冲击波作用下岩石变形和破坏的特点、爆生气体对爆腔的扩腔作用,考虑了在岩体的损伤情况下爆生气体对裂纹的驱裂作用。计算结果表明：埋深在临界深度以下时,岩石中柱状装药爆破冲击波做功消耗的能量约占爆炸总能量的40 %,剩余爆生气体能量中用于扩腔和扩展主要裂隙的能量约占总能量的23 %,剩余大约37 %的能量中有小部分能量用于新增裂纹数目,而大部分损失掉了。