超声波振动下非均匀岩石损伤过程数值模拟与试验

在振动载荷作用下,岩石内部细观缺陷的发展将导致其宏观力学性能的劣化。为了提高超声波振动碎岩效率,采用数值模拟与实验研究相结合的方法,对超声波振动下岩石内部的损伤过程进行分析;采用有限元与统计技术相结合的方法,建立岩石二维模型,引入损伤增量因子的概念,分析岩石非均匀性对岩石裂纹扩展过程的影响。研究结果表明:1)岩石材料在超声波振动下的损伤过程分为萌生、扩展、贯通3个阶段,随着非均匀系数的增加,岩石原始裂纹的扩展效率逐渐加快。2)损伤因子存在一个临界值,约为0.005 4:当某一时刻岩石的损伤因子低于0.005 4时,损伤增量因子与非均匀系数的响应关系不明显;当损伤因子高于0.005 4时,损伤增量因子随着非均匀系数的增大而急剧增大,此时岩石非均匀性对损伤因子的影响不容忽视。     

花岗岩热损伤特性研究

通过对花岗岩在20 ℃～600 ℃范围内基本力学性质的研究,探讨了弹性模量、单轴抗压强度以及泊松比随温度的变化规律,发现75 ℃和200 ℃分别为花岗岩弹性模量和单轴抗压强度的门槛温度。以弹性模量为研究对象,提出了热损伤的概念,并给出了热损伤本构方程的一般表达式;在Lemaitre损伤模型的基础上,推导了一维TM耦合弹脆性损伤本构方程和损伤能量释放率的表达式;参照经典塑性力学的屈服面理论,引入了温度作用下应力空间中脆性岩石的损伤面模型,定性地讨论了荷载和温度影响下损伤面时的演化规律。     

花岗岩循环爆破振动衰减规律与损伤演化机理试验

为了研究岩石在循环爆破作用下的动力学响应,本文对黑云母花岗岩试块进行了小型爆破试验,利用加速度传感器和声波测试仪,分别对循环爆破荷载下质点振动衰减规律与累积损伤演化机理进行了探析,并对不同装药量下花岗岩试块的裂纹扩展与断裂形态进行了比较。结果表明:萨道夫斯基公式对室内花岗岩试块的爆破振动衰减规律具有较好的适用性,拟合相关参数都处于0.90以上;花岗岩的爆破损伤随着爆破次数的增加而增加,且损伤值随着距爆心距离（爆心距）的增加而降低,近区损伤值迅速降低,降幅约为1.46/m,而中区和远区损伤值降低相对缓慢,约为0.57/m和0.13/m;花岗岩的破坏程度和装药量有较高的关联度,当药量较低时,岩块致裂所需要的爆破次数就越大;随着药量增加到一定程度,岩块在低爆破次数下就会发生破坏;此外,还发现随着装药量的增加,试块爆后破裂的块数呈现增加趋势,如较低药量时试样破裂成2块,较高药量下破裂成3~4块。     

超声波振动下不同应力条件对岩石强度影响的试验

振动有助于碎岩,以往关于振动碎岩机理的研究大多在低频率段展开。为填补超高频率段下振动碎岩机理的空白,采用单轴动静组合加载模式,开展了超声波振动下不同应力条件对岩石强度影响的试验研究,其中超声波振动频率为20kHz,预压范围为100～500N。研究结果表明:当预压小于200N时,岩石内部应力状态无法满足强度准则,岩石强度下降不明显;当预压大于等于200N时,岩石强度随振动时间的增加而逐渐降低且存在最优预压力值(400N)使得岩石强度最低。缩短振动频率与岩石固有频率的差值有利于提高超声波振动碎岩效率。     

花岗岩残积土冲击损伤与损伤演化特性试验研究

选取东南沿海某建筑工程地基浅层残积土为试样,运用超声波岩土损伤检测技术,测试计算在不同冲击荷载作用下试样纵波波速。选用纵波波速为损伤变量进行损伤度计算,分析了冲击荷载冲击频率、冲量等参数对试样损伤度的影响关系。同时结合试样试验破坏实际情况,分析了冲击荷载作用下试样损伤演化破坏特性。结果表明,随着冲击频率和冲量的增大,残积土试样损伤度都有增大上升趋势;随着损伤度的增加,残积土冲击损伤演化过程可分为小变形、端部出现裂纹、前端1/3处鼓胀或出现裂纹、前端裂纹扩展与表面剥落等几个不同破坏阶段。研究结论为揭示动荷载作用下残积土动力损伤演化规律提供科学依据和量化参数。     

花岗岩地区地铁隧道爆破振动传播规律研究

青岛为典型花岗岩地区,地铁隧道开挖采用钻爆法。本文首先采用现场实测与统计分析的方法分析了青岛地铁3号线3个工点的隧道爆破监测数据,较为系统地研究了钻爆法施工条件下地表及邻近构筑物的最大振速、主频分布与爆破参数的相关关系,采用线性回归法拟合出包含上述因素的经验公式。采用数值模拟手段,模拟爆破条件下地表及临近建筑物的振动的响应,并将模拟结果与实测数据进行对比,研究主要结论如下：(1)最大振速随比例距离基本呈指数的形式衰减,随着比例距离的增加,最大振速值逐渐减小; (2)爆破引起的振动主频随比例距离分布较为随机,无法建立两者之间的数学模型,主频多在20～70Hz范围内; (3)建筑物内部中三矢量方向上的最大振速均随着楼层的增高呈一定的增加趋势,建筑物外部的地表振速要大于内部质点的速度。     

循环冻融条件下安山岩和花岗岩的物理力学特性试验研究

结合青藏铁路块石护坡路基处于青藏高原特殊的气候条件,对用于青藏铁路护坡的两种主要岩石（花岗岩和安山岩）进行循环冻融试验.结果表明:两种岩石在经历了数次冻融循环后都出现了微细裂纹;声波监测表明,超声波速同冻融循环周期呈指数下降关系,显示了冻融循环对岩石风化的影响以及循环后岩石物理力学参数变化的趋势.结果说明,花岗岩的冻融...     

高温后预制裂纹花岗岩损伤特性研究

温度是影响岩石物理力学性质的重要因素之一。研究高温对岩石力学性质演变规律及损伤破坏机制的影响,对深部岩体工程具有重要意义。基于PFC颗粒流数值模拟方法,建立了含预制裂纹花岗岩数值模型,模拟了不同温度(20℃,200℃,400℃,600℃,800℃)处理后含预制裂纹花岗岩单轴压缩试验。研究结果表明,含预制裂纹花岗岩的峰值强度和弹性模量随着热处理温度的升高显著降低,而峰值应变呈现增加趋势;不同热处理温度造成的热损伤程度不同,导致预制裂纹花岗岩宏观破坏模式存在差异;热处理温度不超过600℃时,花岗岩均沿着预制裂纹两端发生破坏;当热处理温度达到800℃,热损伤成为花岗岩力学破坏模式的主导因素,且破碎程度显著增加。研究成果有助于了解高温作用下的岩石损伤演化机理,可为深部地下工程提供借鉴。     

高低温冻融循环条件下花岗岩力学性能试验研究

高低温冻融循环条件下岩石的力学特性是岩石力学与工程中的一个重要课题。通过试验研究了花岗岩在不同温度幅值的高低温冻融循环条件下,单轴抗压强度、弹性模量、峰值变形、应力-应变曲线随循环次数变化的规律,并基于Loland损伤力学模型,推导出岩石类材料损伤变量表达式,揭示了花岗岩力学性能劣化与循环次数、循环温度幅值的关系,为高低温冻融循环条件下岩石力学性能的研究提供一定的试验、理论基础     

不同围压下破碎花岗岩非线性渗流特性试验研究

随着我国高坝枢纽工程和高水头抽水蓄能电站的大规模兴建,高坝岩基和高压引水系统围岩将承受极高的渗透水压和水力坡降,不仅导致岩体渗流产生强烈的非线性,而且导致岩体发生渗漏、突透水和渗透破坏的风险急剧增大。采用Triaxial Cell三轴试验系统,开展不同围压(1~30 MPa)下阳江破碎花岗岩的非线性渗流试验,研究高水力梯度条件下破碎花岗岩的非线性渗流特性及其表征方法。试验结果表明,随着水力梯度的逐步增大,破碎花岗岩中的水力梯度与渗流流量呈非线性特征;在围压加载过程中破碎花岗岩的非线性渗流特征逐渐减弱。结合花岗岩的破碎形态和渗透率量级,提出了破碎花岗岩非线性渗流3种可能的成因机制即惯性效应、渗透失稳和固液界面效应。在该基础上分别采用二次函数型Forchheimer公式和幂函数型Izbash公式对试验结果进行拟合,结果表明二者均能很好地表征破碎花岗岩的非线性渗流行为。Forchheimer公式非线性系数既能够表征渗流的惯性效应,又能表征渗透失稳机制,其在量值上随着围压的增大呈现正负交替现象,与围压加载过程中破碎花岗岩裂纹的闭合和扩展密切相关;Izbash公式非线性系数则既能够表征渗流的惯性效应,又能表征低渗介质非线性渗流的固液界面效应,其在量值上与围压存在相关性很好的幂函数关系。研究成果对于深化高渗压、大水力梯度条件下断层破碎带和挤压带非线性渗流规律研究具有重要意义。     

基于分形与损伤理论的岩石声-应力相关性理论模型研究

建立单一微裂纹在单轴压缩荷载作用下的力学模型,采用宏观复合型断裂理论中的最大周向应力理论,求出单一微裂纹达到稳定时的形态尺寸.利用分形损伤理论,求出不同荷载阶段的分形维数;由分形维数的定义导出了不同荷载阶段的裂纹个数的变化情况;结合单一微裂纹的形态尺寸,求出不同荷载阶段中岩石孔隙率与荷载值之间的关系;利用目前被广泛采用的超声波纵波速度与孔隙率的关系式,最终导出单轴压缩荷载作用下岩石超声波纵波速度与应力的理论关系式.进行岩石声-应力的试验测试,根据试验成果作出声-应力曲线,并与理论声-应力曲线进行比对,结果表明,理论模型比较适合于反映岩石受载全过程中的后半部分的声-应力关系.     

岩石声速与其损伤及声发射关系研究

首先,建立了单轴压缩过程岩石损伤参量、应变与声速之间的定量关系式,分析了不同均质度对单轴压缩过程岩石声速的影响,结果表明,随着均匀度的增加,单轴压缩过程中声速由平缓变化到急剧变化,这与已有的岩石声发射数值模拟分析结果是一致的;其次,根据建立的声速与应变的关系公式,通过单轴压缩过程岩石声速与应变实测结果的回归分析,得到了具有较高精度的回归方程,从而通过试验验证了所建立的关系式的正确性;最后,从损伤的角度讨论了单轴压缩过程岩石声速与声发射的关系,得出了Kaiser点应位于声速初始下降点附近的结论,为岩石声发射测量地应力试验中Kaiser点的确定提供了新的方法。     

基于超声检测的软岩单轴流变损伤试验

采用软岩相似材料进行了2种不同流变加载方式下的单轴流变损伤破坏试验,并通过超声检测技术获得了软岩在各级流变阶段的超声信号。试验结果表明：软岩相似材料具有强烈的黏、弹、塑性变形特征,选用西原模型对软岩各级流变过程进行模拟较为合适;当应力达到或超过软岩试件单轴抗压强度的80%时,纵波波速曲线才会在流变过程中持续下降,出现可检测损伤迹象,而首波振幅曲线波动大,检测结果不准确;以波速定义损伤变量,得到了软岩流变过程损伤演化曲线。试验结果能为软岩工程长期流变下的结构稳定性提供依据。     

楔刀作用下岩石微观劣化的试验研究

通过改装RMT-150C系统,使用不同刃角的楔形刀具对花岗岩进行贯切试验,利用DISP声发射测试系统进行声发射的定位特征分析,研究岩石在楔形刀具作用下损伤劣化破坏的全过程。试验结果表明：声发射试验是一种研究TBM滚刀破岩微观机制的有效方法,脆性岩石材料的破坏过程是内部微裂纹的萌生和扩展过程的宏观反映;在楔刃刀具匀速贯入时,声发射信号随着荷载的变化呈一定对应趋势的变化,荷载-贯入度曲线能反映试件内的损伤历程;声发射2D定位结果显示,在岩石破碎区的密实核下方存在“损伤核”,它由微震裂源增生丛聚分布形成,核内劣化程度高,是孕育密实核的场所,为TBM滚刀作用下岩石的宏观破裂现象提供了解释和依据;楔刀跃进式的挤压贯切岩板试件,钝刃刀具产生“球状”损伤核,尖刃刀具产生“水滴状”损伤核,钝刃刀具贯切试件产生更深的贯入度和更宽的损伤核,致使试件中不仅破碎深度大,而且破损范围广,破岩效果优于尖刃刀具。     

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     

粒子重复冲击破岩细观损伤及破碎特征试验研究

粒子冲击破岩作为一种新型辅助破岩技术已在钻探和油气开采等领域得到有效运用,其在极坚硬岩层中隧（巷）道辅助掘进方面具有广阔的应用前景。从试验角度研究了粒子的冲击次数、颗粒强度及冲击速度等因素对极坚硬花岗岩表面冲击坑损伤破碎特征的影响,对冲击坑三维形貌、岩石碎屑及坑内矿物破碎特征进行了定量分析。结果表明：成坑最大深度随冲击次数增加呈抛物线趋势增大,而成坑体积和坑顶面积随冲击次数增加呈线性增长;成坑体积随冲击速度呈先增大后减小的规律,该临界冲击速度约为82.5 m/s;冲击坑中心与外部的细观破碎机制差异导致岩石碎屑平均尺寸具有明显的双峰特征。从能量角度分析发现,成坑体积、坑顶面积和最大深度随粒子动能在双对数坐标系下线性增长。基于图像处理方法获得了冲击坑周边主要矿物内部裂纹分布随冲击速度和次数增加的分形维数变化规律。破岩效果表明,增大粒子冲击速度和冲击次数能有效扩大岩石冲击坑的损伤范围,但冲击速度的影响程度显著大于冲击次数。     

高温后花岗岩巴西劈裂抗拉实验及超声特性研究

采用非金属超声检测分析仪和液压伺服试验系统装置,研究不同温度（25 ℃～1 000 ℃)作用后花岗岩的超声特性,分析不同温度条件下花岗岩的劈裂抗拉强度。结果表明,（1）高温后花岗岩的纵波波速、超声波形以及劈裂抗拉强度都与温度的变化密切相关;（2）随着温度的增高,花岗岩试样的纵波波速和劈裂抗拉强度逐渐减小,经历1 000 ℃高温后,纵波波速下降90%,劈裂抗拉强度下降65%,并且,纵波波速和抗拉强度间存在一定的相关性;（3）超声波波形随温度升高由整齐变混乱,由密集变稀疏,尤其在800 ℃波形变化最明显;（4）花岗岩试样的热损伤不断增加,经历1 000 ℃热损伤后,试样的脆性增加,变得轻脆易碎。     

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。     

花岗岩断裂带原状裂隙岩水力特性试验研究

渗透系数作为含水介质渗流测评关键指标,其变异性造成裂隙岩体地下水流动及溶质运移不确定性,影响硬岩处置库高放废物迁移、扩散等关键问题评估。针对我国高放废物处置库甘肃北山预选区旧井块段花岗岩体,以中尺度控水断裂构造为研究对象,采用非标试件渗透装置捕捉原状裂隙岩显式渗流外参分析导水性差异;染色剖分裂隙岩提取隐式过流内参重构过流网络以识别优势渗径。研究结果表明：十月井断裂损伤带内存3组裂隙,其中Ⅰ组裂隙占优的原状岩渗透系数普遍高于10?4 cm/s量级,导水能力最强;Ⅱ组裂隙占优的原状岩渗透系数介于10?5～10?4 cm/s量级,导水能力居中;Ⅲ组裂隙占优的原状岩渗透系数普遍低于10?5 cm/s量级且多介于10?6～10?7 cm/s之间,导水能力最弱。P-Q曲线显示此类大尺寸不规则裂隙岩水流状态多表现层流型、充填型及冲蚀型特征,其中岩样4、6、10～12呈层流型特征;岩样2、7呈充填型特征;岩样1、5、8、9、13、14则呈冲蚀型特征,冲蚀、充填、层流型曲线特征岩样其导水性能逐步递增。