岩石变形破坏全过程的变形场和能量演化研究

以白光数字散斑相关方法作为试验观测手段,通过单轴压缩试验对一种红砂岩变形破坏全过程的变形场和能量演化特征进行研究。利用CCD(charge-coupled device)相机记录试验加载全过程的试件表面散斑场图像,采用数字散斑相关方法对试验图像进行分析,计算得到了岩石变形破坏过程中试件表面变形场、变形局部化区域的位移错动量值和试件表面变形能密度量值,并对变形局部化带的位移演化和变形能量演化特征进行分析。从试验结果分析得出：岩石试件变形局部化带的位移演化在加载峰值前基本上保持线性演化规律,而其位移错动加速与加载峰值点相对应,岩石试件加载峰值后阶段的承载力变化主要受变形局部化带的位移演化影响;岩石试件在加载过程中的能量释放和能量积累规律与局部化带的演化有关,体现出局部能量释放和整体能量释放两种形式。     

岩石圆孔结构破坏过程变形场演化的实验研究

采用自行设计的岩石材料破坏过程变形场监测系统(Geo-DSCM系统),观测了受单轴压缩的岩石圆孔结构破坏过程中的变形场演化。圆孔结构由大理岩方板在中心钻孔加工而成,以0.02 mm/min的位移加载速度进行单轴压缩至破坏。实验结果表明,载荷水平较低时圆孔结构的拉应力集中部位发生变形集中现象;当载荷水平接近加载曲线的峰值点时,变形集中在两条共轭的与加载方向成一定角度的局部化带上;之后,变形的集中迁移到其中一条带上集中,结构最终在此带上形成宏观裂纹而破坏。     

截齿截割煤体变形破坏过程的散斑测试研究

采用白光数字散斑相关测定方法,在压力机上,在截割模拟实验台上分别对煤试件进行刀齿、镐齿的截割实验,研究被截割煤体的变形破坏过程。研究表明：截齿截割煤体过程中,煤体出现稳定的变形局部化带,且最终发展为宏观裂纹;煤体变形局部化带为一个倾斜带;刀齿截割时,变形局部化发展较慢,但产生变形局部化后,局部化带宽且带内应变值较高;而镐齿截割时,变形局部化发展较快,但产生局部化后,局部化带窄且带内应变值不如刀齿高。截齿截割作用下的煤体变形破坏主要是剪破坏。     

岩石摩擦滑动变形演化及声发射特征研究

进行岩石摩擦滑动变形演化过程的声发射特征试验研究。以数字散斑相关方法和声发射系统为试验监测手段,采用双面剪切模型试验方法,开展界面摩擦滑动速率与声发射振铃计数、界面摩擦滑动位移与声发射累计能量、试件变形能密度与声发射b值的对应关系研究。结果表明：（1）声发射振铃计数演化受岩石界面摩擦滑动速率影响,界面摩擦滑动速率的突变与声发射振铃计数激增有较好对应关系;（2）界面摩擦滑动位移与摩擦滑动过程中声发射累计能量演化趋势具有较好的对应关系,可以利用声发射累计能量对岩石摩擦滑动位移的变化趋势进行定性判断;（3）通过声发射b值演化分析可以得出,在剪应力缓慢增长阶段,界面摩擦滑动以随机分布的小尺度微破裂为主;在剪应力线性增长阶段后期,界面摩擦滑动以锁固段的大尺度微破裂为主;在剪应力波动增长阶段,岩石摩擦滑动失稳既可能是由小尺度微破裂为主引发的状态转化,又可能是由以锁固段大尺度微破裂为主引发的稳定状态转换。     

不同加载速率Ⅰ型预制裂纹花岗岩断裂特征研究

以CCD相机配合高速相机搭建试验变形观测系统,开展不同加载速率下含Ⅰ型预制裂纹花岗岩试件的三点弯试验。利用数字散斑相关方法对试验过程采集的数字散斑图像进行分析,对不同加载速率作用下含Ⅰ型预制裂纹花岗岩试件裂纹扩展过程中的变形演化特征、裂纹扩展速率、裂纹尖端张开位移、裂纹张开角以及初始断裂应力强度因子进行研究,研究结果表明：（1）花岗岩试件初始裂纹扩展速率随着加载速率的增加总体呈线性增加趋势;最大扩展速率随着加载速率增加呈现先较快增加后缓慢增加的变化趋势。（2）不同加载速率作用下,花岗岩试件预制裂纹尖端张开位移均呈现非线性缓慢增长-迅速增长-线性增长的变形趋势,且线性增长阶段曲线斜率随着加载速率的增加而增大。（3）随着加载速率的增加,花岗岩试件初始裂纹张开角先逐渐减小后稳定在0.1o～0.13o。（4）随着加载速率的增加,花岗岩试件初始断裂应力强度因子呈指数增长。     

低含水量粘土的加载速率效应与蠕变变形

通过对低含水量藤森粘土(Fujinomori clay)试样的单向固结试验,研究了低含水量粘土的加载速率效应与蠕变变形。所采用的藤森粘土土样有湿润(含水量小于15%)、风干(含水量小于4.5%)与烘干(含水量小于1%)3种。试验中,应变率逐步改变,同时进行了蠕变及加、卸载试验以及小幅度的循环加载试验。试验结果表明:湿润土样、风干土样与烘干土样都有明显的加载速率效应与蠕变变形;在大范围的卸载-重复加载过程中,蠕变变形会由卸载初期的正变形逐步发展为后期的负变形,在这个发展过程中存在着中性点(即蠕变为零,或者无蠕变的点);藤森粘土的加载速率效应随含水量的降低有所降低,即湿润藤森土样的加载速率效应更明显。     

不同加载速率下岩石强度特性的扰动状态概念理论分析

岩石的强度特性受很多因素的影响,加载速率是其中很重要的影响因素之一.利用扰动状态概念理论,建立了非线弹性岩石材料的本构模型.采用RMT-150B岩石力学试验机对砂岩试件进行了四种不同加载速率下的单轴压缩试验,得到了不同加载速率下砂岩的应力-应变全过程曲线,并分析了加载速率对岩石强度特性的影响.通过建立的扰动状态本构模型对岩石的应力-应变关系进行了模拟.相关研究及分析比较表明,该模型与试验结果较为一致.     

加载速率对岩石单轴压缩试验影响的数值模拟研究

在单轴压缩数值模拟试验中,加载速率由每次边界条件变化幅度和边界条件变化后的平衡计算时间这两个因素共同控 制。同样的加载速率,两个因素的不同组合也会对加载效果有很大的影响。因此,探究以上两因素对岩石单轴压缩数值模拟 试验的影响机制,可对高效进行高精度的各加载速率下的数值模拟试验起到积极作用。本文使用MatDEM软件,基于软件自 动设定的加载区间以及标准平衡迭代,设置不同的应力施加步数Nd与平衡迭代比率Rb,进行不同加载速率下的数值模拟试 验。模拟结果表明：（1）单步加载后平衡迭代次数越多（Rb越大）,该步中应力波传播与动能衰减越充分。在最优阻尼条件下, 当单步加载后平衡迭代次数等于40次（Rb等于0.8）时,每步加载中动能充分平衡,可以最低计算量取得准静态模拟结果; （2）单步加载应力增量越小（Nd越大）,数值模拟试验精度越高;（3）当加载速率一定即计算量相同时,为保证更高的模拟试验 精度,应采用低单步应力增量与低单步加载后平衡迭代次数（Nd大、Rb小）的加载方案。本文为定量研究岩石加载速率问题和 相关数值模拟提供了参考。     

加载速率对岩石单轴压缩试验影响的数值模拟研究

在单轴压缩数值模拟试验中，加载速率由每次边界条件变化幅度和边界条件变化后的平衡计算时间这两个因素共同控 制。同样的加载速率，两个因素的不同组合也会对加载效果有很大的影响。因此，探究以上两因素对岩石单轴压缩数值模拟 试验的影响机制，可对高效进行高精度的各加载速率下的数值模拟试验起到积极作用。本文使用MatDEM软件，基于软件自 动设定的加载区间以及标准平衡迭代，设置不同的应力施加步数Nd与平衡迭代比率Rb，进行不同加载速率下的数值模拟试 验。模拟结果表明：（1）单步加载后平衡迭代次数越多（Rb越大），该步中应力波传播与动能衰减越充分。在最优阻尼条件下， 当单步加载后平衡迭代次数等于40次（Rb等于0.8）时，每步加载中动能充分平衡，可以最低计算量取得准静态模拟结果； （2）单步加载应力增量越小（Nd越大），数值模拟试验精度越高；（3）当加载速率一定即计算量相同时，为保证更高的模拟试验 精度，应采用低单步应力增量与低单步加载后平衡迭代次数（Nd大、Rb小）的加载方案。本文为定量研究岩石加载速率问题和 相关数值模拟提供了参考。     

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。     

周期荷载下盐岩的疲劳变形及损伤特性研究

利用RMT－150C型岩石力学多功能试验机,进行了盐岩单轴循环荷载作用下的疲劳试验,研究了盐岩的疲劳强度、变形及损伤特性。试验结果表明,当上限应力大于“门槛值”时,盐岩疲劳破坏时的轴向应变可以分为初始变形、等速变形和加速变形3个阶段,呈疏－密－疏的发展过程。改变上限应力和平均应力会显著影响疲劳的进程,提高上限应力值和平均应力值,初始轴向变形和循环轴向变形的比率都会提高,疲劳破坏时的总循环次数显著减小。盐岩疲劳破坏终点的变形量同样受静态轴向应力-应变全过程曲线的控制,控制误差范围在10%左右。循环荷载作用下,盐岩的变形模量经历了一个先逐渐增加,后缓慢降低,最后加速减小的过程。对循环荷载作用下盐岩疲劳损伤演化规律进行了初步探讨     

循环剪切荷载作用下岩石节理变形特性试验研究

以水泥砂浆为相似材料,制备3种岩壁强度、5种起伏角度的锯齿型节理试样;利用试验设备,进行了在4种法向应力下的循环剪切试验。根据试验结果,结合循环剪切试验特点,定义剪胀角来表征节理循环剪切的法向变形特性,以及剪切刚度来表征节理循环剪切的切向变形特性。基于不同起伏角、不同强度等级和不同法向应力下的节理试样循环剪切试验结果,分析了循环剪切过程中剪胀角和剪切刚度的变化规律;并利用不同条件下的试验结果,对比分析初始起伏角度、法向应力、岩壁强度对节理循环剪切变形特性的影响规律。研究发现：剪胀角、剪切刚度均随着剪切循环次数的增加而呈现先快、后慢的降低趋势,并且中低起伏角度节理的剪胀角、剪切刚度的降低趋势随着初始起伏角度、法向应力的增加而加快,随着岩壁强度增加而变慢,高起伏角度节理的剪胀角、剪切刚度的降低趋势基本保持不变。     

不同卸荷速率下矩形巷道变形及声发射特性试验研究

为研究矩形巷道在不同开挖卸荷速率条件下的变形规律和声发射特性,使用水泥砂浆矩形巷道围岩试件进行快、慢速开挖卸荷试验,得到顶板、隅角、帮部围岩的应变特征和声发射(AE)撞击计数、能量、频谱的演化特点。试验结果表明:(1)快速卸荷,应变释放率高,卸荷后变形不稳定;而慢速卸荷,围岩应力充分调整,有利于应变的充分释放,卸荷后变形相对稳定。(2)矩形巷道的快、慢速卸荷,均以顶板和帮部围岩的径向受拉、隅角围岩的切向受压变形为主;随围岩深度增加,卸荷效应的影响逐渐减弱。(3)两种卸荷速率的AE撞击计数和能量演化特征与应变特性形成良好对应,揭示了围岩内部裂隙与损伤随开挖卸荷的发展过程;峰值频率区段变宽和高幅值信号的峰值频率在某一频段增多的现象可看作围岩发生主破裂的前兆信息。(4)快速卸荷,顶板和帮部周边产生大块剥落现象;而慢速卸荷,顶板和帮部周边每隔一段距离产生垂直于隅角的贯通裂缝,碎胀现象明显但未脱落;两者的隅角围岩破坏程度均较小。     

非连续循环荷载作用下岩盐力学特性试验研究

运用多功能试验机首次开展岩盐非连续疲劳试验,研究了时间间隔作用下的岩盐的力学特性(包括变形和弹性常数)的演化规律。试验结果显示:(1)与常规疲劳情况不同,间隔疲劳过程中时间间隔后的循环产生的轴向残余应变总大于时间间隔前的残余应变,且径向和体积残余应变呈现出与轴向相同的规律。(2)时间间隔后的循环内弹性模量总体大于时间间隔前的循环内弹性模量,但泊松比随时间间隔变化不明显,时间间隔前、后均呈相似的上升趋势。(3)间隔疲劳过程中的时间间隔对塑性变形的积累有加速效应,时间间隔越长,疲劳过程中残余应变积累越快,岩盐疲劳寿命越短。(4)循环过程中无应力静置时间间隔的出现,为岩盐内部结构的整体调整提供了时空条件,有利于晶粒在残余应力作用下归位并产生新的滑移面,后续加载时晶粒回到原应力峰值对应位置将耗散更少能量,宏观上表现为塑性变形的加速积累,岩盐更容易发生疲劳破坏,疲劳寿命降低。     

循环荷载下支撑剂的变形及渗透特性试验研究

针对页岩气井多段压裂过程中人工裂缝的应力阴影效应及生产过程中采气–停采引起的变化荷载伤害裂缝导流能力的问题,以陶粒支撑剂为研究对象,采用DL-2000型裂缝导流仪,开展了循环荷载条件下不同铺砂厚度支撑剂的变形及渗透特性实验研究。结果表明,随着循环次数的增加,弹性应变基本稳定,塑性应变持续产生,后者是导致渗透率持续降低的根本原因;塑性应变与永久渗透率损失随闭合压力的变化趋势吻合良好;弹性应变和可恢复渗透率损失随闭合压力的增大而增大,弹性应变随铺砂厚度增大而减小,可恢复渗透率损失随铺砂厚度增大无显著变化;随着铺砂厚度的增大,支撑剂层应力敏感性减弱,颗粒破碎程度降低。适当增加铺砂厚度能有效减小裂缝宽度及渗透率损失,降低循环荷载对导流能力的伤害程度。     

黏土岩时效变形特性试验与理论研究

高放废物地质处置岩体材料选取中,黏土岩因具有低渗透性、损伤自修复特性、对放射性核素具有良好的吸附作用等优点,被认为是一种合理的高放废物地质处置屏障。以黏土岩为研究对象,从黏土岩短期、长期力学特性等方面开展研究工作,主要内容如下：（1）进行黏土岩短期自然固结试验,确定了黏土岩的基本物理力学参数,主要包括前期固结压力、压缩指数等;（2）进行流-固耦合固结试验,试验结果表明盐水作用对黏土岩力学特性具有重要影响,且流-固耦合过程中的膨胀现象与黏土岩的黏土矿物含量和类型密切相关;（3）通过对黏土岩进行固结流变试验,研究黏土岩渗流-应力耦合作用下的长期力学特性,试验表明黏土岩具有明显的流变特性,且流变现象与载荷密切相关;（4）根据固结流变试验建立黏土岩一维流变本构模型,同时将模型计算结果与试验结果进行对比,分析表明,该模型能够很好地反映黏土岩一维固结流变特性。该研究对我国未来黏土岩高放废物处置库的规划、设计、选址和运营等具有重要的参考意义。     

加载速率影响的煤体破裂过程声-电荷试验研究

为建立加载速率影响下煤体不同失稳形式的声发射-电荷判据,以阜新五龙矿某工作面为研究对象,采用物理试验研究方法,开展了不同加载速率下煤体破裂过程声-电荷监测试验,深入研究了加载速率影响的煤体力学性质、破裂规律和煤体破裂过程能量耗散与声发射-电荷信号的对应关系。研究结果表明:加载速率越高,应力调整越提前,煤样单轴抗压强度增加,累积变形能耗散加剧,煤体失稳形式由静载失稳过渡到类动载扰动失稳,煤体失稳破坏的动力特征明显,压缩型冲击地压动力灾害发生几率增大;不同加载速率下煤岩破裂过程产生的声-电荷信号变化与煤岩受载的应力突变具有较好的一致性;对所用煤样的声发射-电荷信号进行量化分析,初步提出了判定煤体失稳形式的声-电荷复合判定依据,在不同矿区、不同工作面上,可依据监测获得的声-电荷现场数据辅以采动应力场的变化情况,对采动过速诱发的煤体压缩型冲击地压的发生几率进行预测和预警。     

循环加卸载下花岗岩非均匀变形演化的声发射特征试验研究

为了研究岩石材料在循环加卸载过程中的声发射特征与非均匀变形的对应关系,开展了花岗岩试件单轴循环加卸载试验。利用声发射系统和CCD相机分别对试样变形破坏过程中的声发射信号和试件表面的变形图像进行采集,结合数字散斑相关方法,对试件非均匀变形演化过程中的声发射特性进行研究。研究结果发现：每次循环加载过程中,非均匀变形的最小点皆与应力卸载的最低点相对应。而自局部化带启动后,每次循环加载过程中的非均匀变形的最大点滞后于循环加载应力的顶点。非均匀变形演化与声发射信号存在较好的对应关系,循环加载过程中非均匀变形的首次转折增大点对应声发射信号增加的起点,非均匀变形的最大点对应声发射信号平静期的起点。随循环次数增加,非均匀变形程度与Felicity比呈负相关关系,即非均匀变形越大,损伤程度越大,Felicity比越小。