三轴压缩条件下单裂隙岩石的破坏特性研究

通过在高强硅粉砂浆材料模型中预制特定倾角和特定尺寸的单裂隙,以常规三轴压缩试验为手段,研究单裂隙试样的破坏特性。试验中观察到3类典型的裂纹,即拉伸型裂纹（Ⅰ型）、滑移型裂纹（Ⅱ型）和撕开型裂纹（Ⅲ型）,其中Ⅱ型、Ⅲ型裂纹在三维试验中普遍存在,Ⅰ型裂纹仅在部分试件中观察到;三轴压缩条件下试样的破裂模式有3种,即拉剪复合破坏、“X”型的剪切破坏和沿裂隙面的剪切破坏。试验结果表明：三轴压缩条件下的单裂隙试样的裂隙扩展规律与预制裂隙关系密切,围压是试样宏观破裂模式的主要影响因素,预制裂隙长度主要影响裂隙扩展的规模,预制裂隙倾角则是新裂隙起裂的诱因。     

干湿交替作用后砂岩破裂过程实时观测与分析

采用岩石破裂全过程的细观力学试验系统进行了天然状态及干湿交替作用后的完整和含预制圆孔砂岩试件的单轴压缩破裂试验。利用显微镜观察了砂岩裂纹萌生、扩展以及试件的失稳破坏过程。经过干湿交替作用后岩样更容易在较低的应力状态下发生裂纹的扩展,并且裂纹扩展的初始阶段一般表现为拉破裂。完整试件的裂纹是随机性的三维扩展,而有预制圆孔试件一般是从预制圆孔周边开始扩展。天然状态下的预制圆孔试件在起裂时从圆孔的压应力集中区产生剪切裂纹;而干湿交替作用后,起裂时可能先从拉应力集中区产生拉裂纹,并且裂纹演化过程更为复杂一些,破裂形式多样化。与天然状态相比,经过干湿循环作用后的砂岩破坏脆性降低,强度等力学参数也随干湿交替次数增加而逐渐降低。     

单轴应力下的孔洞–裂隙扩展规律数值模拟

为研究不同孔洞-裂隙（简称"孔-隙"）赋存条件下的裂纹扩展规律,利用RFPA软件,对不同裂纹倾角及不同非均质系数下的岩体破坏进行数值模拟分析,获得其裂纹扩展过程、声发射规律、应力-应变曲线,同时与原试验结果进行对比验证。结果表明:完整试样裂纹沿着剪切方向产生,含孔-隙试样裂纹沿裂隙尖端及孔口侧边产生;翼裂纹贯穿试件的同时,在预制裂纹尖端或孔口侧边产生水平方向的次生裂纹,并产生分叉,非均质系数影响次生裂纹走向;压载前期试样以拉破坏为主,压载后期以拉-剪组合破坏为主,次生裂纹的产生与剪切破坏有关;声发射累计能量与声发射累计数前期缓慢增大,后期迅速增大,预制裂纹倾角越小,非均质系数越大,声发射累计能量越大;不同裂纹倾角及不同非均质系数试件的应力-应变曲线均经历3个阶段:弹性变形阶段、非线性变形阶段及残余变形阶段,孔-隙的存在降低了试样的峰值强度,影响试件的脆性度。研究结果为进一步认识孔-隙相互作用规律提供了参考。      

水力耦合作用下含三维裂隙类岩石材料的破裂力学行为及声发射特征

水力耦合作用下裂隙岩体的破裂力学行为及声发射特征是关系到地下工程安全建设与灾变预测预警的关键问题。利用水泥砂浆材料及声发射技术开展了室内压缩破裂试验,研究了无水及水力耦合条件下含三维裂隙试件的破裂模式、力学特性、声发射特征以及水压和裂隙倾角的影响,分析了声发射信号主频特征随岩体破裂状态的变化规律。试验结果表明:随裂隙倾角增大,试件破裂模式经历了张拉为主-拉剪复合-剪切为主的转变过程;水压增大增强了试件张拉破裂模式,而剪切破裂模式在一定程度上被削弱;随水压升高,起裂应力、损伤应力和峰值强度均持续降低,水压对起裂应力及峰值强度的影响程度存在阈值(4 MPa);试件破裂过程中声发射撞击率变化呈现明显阶段性特征,从而为起裂和损伤应力判定提供了依据;试件不同破裂状态下的声发射信号呈现不同主频特征,相对高、中、低频波的主频值域区间具有非连续性,低频和高频信号占比与试件破裂状态存在对应关系,因此可为岩体破裂状态的预测预警提供参考信息。     

基于DIC技术的3D打印节理试件破裂机制研究

为了准确表征不同角度预制节理岩石在单轴压缩下的变形破坏模式,基于3D打印技术制作了节理模型用于模拟岩体中的结构面,通过水泥砂浆的浇筑得到含不同角度预制节理的岩石试件并进行单轴压缩试验,同时采用数字图像相关技术（DIC）观测、分析试验过程中试件裂纹产生、扩展以及贯通过程。结果表明：随着预制节理从0°增加到90°,试件强度与峰值应变均呈现先降低后升高的变化趋势,0°和45°试件弹性模量相对于完整试件有所降低。基于DIC检测结果,0°、30°、45°及60°试件裂纹皆从预制节理尖端部位起裂,各角度试件的起裂应力与试件强度变化规律一致。各角度试样起裂时在剪应力控制下以剪切翼型裂纹形式起裂,0°与45°试件裂纹在扩展过程由剪切发展为张拉型裂纹,30°和60°试件以剪切裂纹形式贯穿始终,90°试件从底部起裂并最终表现为张拉破坏。研究还发现,下翼起裂角θ2和上翼起裂角θ1之间存在明显的线性正相关关系,关系式为θ2 =0.828 6θ1 +12.185,且起裂应力大小变化与峰值应力变化一致,皆随节理角度的增加先减小后增大。     

单轴压缩条件下锚杆对含三维表面裂隙试样的锚固效应试验研究

在岩石相似材料试件中设置三维表面裂隙,制作不同锚固方式的试件,对其进行单轴压缩试验,研究锚杆对试件强度以及预置裂隙扩展模式的影响。试验结果表明,与无锚试件相比,4种加锚试件的抗压强度和压缩弹性模量均有不同程度的提高,而且锚杆对压缩弹性模量的增强效果比对抗压强度的增强效果更显著。4种加锚试件的残余强度大体相等,比无锚试件的残余强度提高了2.0～2.5倍。加锚试件的破坏过程大致分4个阶段:孔隙裂隙压密阶段、弹性变形至微弹性裂隙发展阶段、非稳定破坏阶段和破裂后阶段,试件表面宏观裂纹均出现在破裂后阶段。由于锚杆的加固止裂作用,预置裂隙的扩展模式发生变化,加锚试件内部出现了弧形破裂面和剪切薄弱面。试验中共出现3种裂纹:张拉裂纹、剪切裂纹和拉剪复合裂纹。     

单孔岩样水压致裂的数值分析

水压致裂是改变岩体结构的一种天然行为和人为手段。采用F－RFPA2D软件,对水压致裂过程、裂缝扩展形态及注水孔形状和大小、应力条件和岩样强度等影响因素进行了研究。将开始出现声发射的水压称为微裂压力,将声发射急剧增多、裂缝非稳定扩展直至岩样破坏的水压称为破裂压力。岩样尺寸一定时,微裂压力和破裂压力随内孔面积增加而降低,方形孔岩样的微裂压力和破裂压力均小于同面积的圆形孔。微裂压力和破裂压力随围压或岩样强度增加而增加,且其差值随岩样强度增加而增加,理论破裂压力与模拟值趋势基本一致。方形孔的宏观裂纹起裂位置多在角点附近,而圆形孔比较随机。无围压时,宏观裂纹的延伸方向随机;有围压时,宏观裂纹扩展方向大致与主应力方向一致,且沿较大主应力方向的宏观裂纹扩展至岩样破坏,较小主应力方向宏观裂纹不完全发育。研究结果对水压致裂试验和工程实践有一定参考意义。     

深埋变质灰岩单轴加载声发射试验研究

深度挖掘声发射的各特征参数,对于研究岩石损伤演化特征、理解岩石破裂机制、预测预报岩体失稳等方面具有重大意义。通过开展单轴压缩声发射试验,对变质灰岩的损伤破裂机制进行深入研究。研究表明:变质灰岩具有显著的硬脆性,试验过程中AE事件数、振铃计数与能量均呈现出初始较小—缓慢增长—急剧增长—缓慢增长的相似变化趋势;AE事件时空定位结果显示,在试验加载初期,岩石内部AE事件较少,随着荷载增加,AE事件首先在岩样上端部积聚,然后逐渐向中部扩展,直至贯穿试样底部,AE定位结果与岩样的破坏特征相符;通过AE监测技术可以研究岩石在加载全过程中的裂纹起裂、成核、扩展、交汇贯通的破裂过程,对于研究岩石的损伤破坏全过程具有指导意义。     

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。     

含2条断续裂隙试件直接拉伸下的颗粒流模拟

采用颗粒流程序PFC构建了试件直接拉伸模型,模拟了含2条断续裂隙试件的直接拉伸试验,通过完整试件的模拟结果与室内试验结果的对比,验证了细观参数的准确性和可靠性,同时分析了裂隙倾角和岩桥倾角对抗拉强度和裂纹扩展的影响。研究表明:在直接拉伸情况下,含2条断续裂隙试件以萌生次生倾斜反翼裂纹为主,少量次生共面裂纹和翼裂纹;岩桥倾角和裂隙倾角均较小时,次生共面裂纹与原始裂隙之间发生搭接、贯通,随着岩桥倾角和裂隙倾角的加大,次生倾斜反翼裂纹扩展使试件断裂;裂纹扩展的方向与最大拉应力的方向基本保持垂直;岩桥倾角对于试件的抗拉强度和起裂应力影响不大;裂隙倾角对于试件抗拉强度和起裂应力影响明显,裂隙倾角越大,试件抗拉强度和起裂应力越大。     

含折线型裂隙砂岩试件翼型裂纹起裂与扩展机制研究

岩体内部赋存的裂隙很多表现为折线型,为探究这类岩体的断裂机制,制备含折线型裂隙砂岩试件并对其进行单轴压缩试验。采用数字图像相关(DIC)方法计算加载过程中的变形场演化,根据新生裂纹两侧的位移差异识别裂纹类型;运用扩展有限元法(XFEM)模拟断裂过程,根据应力分布特征解释翼型裂纹起裂与扩展机制。DIC计算结果表明,新生裂纹处出现应变局部化带,裂纹两侧发生相对分离;含直线型和折线型裂隙砂岩试件的翼型裂纹分别萌生于预制裂隙端部以及折角处,这是因为裂隙几何形态会改变拉应力集中位置;含折线型裂隙砂岩试件的起裂应力小于含直线型裂隙砂岩试件,这是因为相同加载条件下前者的最大拉应力值更大;这2类试件的裂纹扩展均是由于裂纹尖端集中的拉应力引起的,裂纹依然呈张开状态;裂隙几何形态未改变试件的最终破坏模式,均表现为对角剪切破坏。     

水力耦合作用下玄武岩启裂机制与临界水压研究

为了研究岩石在水力耦合作用下的启裂机制,针对溪洛渡玄武岩开展了水力耦合三轴试验与声发射测试。试验结果表明：玄武岩峰值强度随着围压的增大而增大,表现出典型的硬脆性行为;当围压保持不变时,其峰值强度随初始水压增大而逐渐降低,同时硬脆性减弱。声发射测试结果表明：玄武岩在水力耦合作用下的裂纹启裂为张拉破坏,在裂纹稳定扩展阶段以张拉破坏为主,以剪切破坏为辅,且这些破坏均主要发生在岩石中部;在裂纹非稳定扩展的峰后阶段,岩石破裂以剪切破坏为主。在玄武岩启裂机制认识的基础上,基于单一圆孔理论推导得到水力耦合条件下岩石裂纹启裂的临界水压破坏准则,并将其引入玄武岩水力耦合三轴试验数值仿真,分析了玄武岩水力耦合破坏过程与水压分布规律,验证了临界水压破坏准则的合理性,对于水力耦合作用下岩石破坏过程研究具有较好的参考价值。     

节理倾角对黄土力学特性影响试验研究

黄土节理种类多样、角度多变,是影响黄土力学性质的重要因素。为研究节理对黄土力学性质影响,开展含预制节理黄土试样单轴与三轴压缩强度试验,分析了非贯通节理对试样剪切破坏模式影响,探讨了节理倾角对黄土强度与变形特性影响规律。结果表明:节理试样剪切破坏均为压剪破坏,破坏模式可分为节理面与破裂面贯通型和节理面与破裂面斜交型,压力作用下非贯通节理尖端翼裂纹和次生裂纹不断萌生,易劣化扩展形成剪切破裂面;节理存在弱化了试样抗变形能力,单轴压缩条件下试样应力-应变曲线均呈应变软化型,预制节理降低屈服阶段变形模量,减小试样剪切破坏位移,加速试样剪切破坏;节理存在显著降低黄土强度,峰值强度与残余强度均随节理倾角呈现先减小后增大变化趋势,但变化幅度随围压增大而降低,黏聚力随节理倾角变化最为敏感,节理倾角60°时试样强度指标最低;预制节理倾角与黄土试样剪切破裂角越接近,节理面越易劣化贯通为剪切破裂面,试样抗变形能力越差,强度性质劣化越显著,试样越容易剪切破坏。研究成果为揭示黄土节理界面劣化对黄土边坡促滑机制提供参考。     

基于颗粒流的直切槽式巴西圆盘裂纹扩展分析

利用颗粒流程序（PFC) 对直切槽式圆盘试样进行巴西试验模拟,分析了不同的裂隙倾角和裂隙长度对直切槽式圆盘试样裂纹扩展规律的影响。根据起裂位置的不同,主裂纹可分为从裂隙尖端萌生的Ⅰ型主裂纹和从裂隙尖端一定距离处萌生的Ⅱ型主裂纹;次生裂纹可分为从加载点附近萌生的Ⅰ型次生裂纹和从远离加载点的一侧萌生的Ⅱ型次生裂纹。当裂隙长度保持不变而增大裂隙倾角时,主裂纹从Ⅰ型过渡为Ⅱ型,次生裂纹则从Ⅰ型转变为Ⅰ型和Ⅱ型共存,最后又变为Ⅰ型。当裂隙角度保持不变而增大裂隙长度时,主裂纹保持不变,次生裂纹则由Ⅰ型逐渐过渡为Ⅰ型和Ⅱ型共存。另外,当径向应力达到峰值应力之后,试样内会有大量的微裂纹萌生、扩展,造成了圆盘试样的破坏。从力链和能量角度来看,巴西圆盘试样的破裂过程是试样内部拉应力集中产生的颗粒间黏结破裂以及应变能释放的过程。     

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。     

岩石剪切破坏裂纹扩展模拟及声发射能量监控

运用岩石破裂过程分析软件RFPA2D,通过设置不同尺寸、剪切速率,探究裂隙形成、声发射能量以及位移之间的关系。数值模拟结果表明非均质岩石剪切破坏过程裂纹的扩展贯穿模式及声发射能量的对应关系。结果表明:(1)岩石剪切破坏的尺寸效应显著,剪切速率影响较小。(2)大裂隙的生成伴随较强的声发射能量,引起Y方向位移波动明显。(3)岩石剪切破坏剪裂纹是由大量细小张裂隙发育演变而来,对破坏模式起主导作用。     

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I型裂纹定向扩展规律试验研究

为精准获得岩石I型裂纹扩展演化全过程,采用一种简易裂纹定向扩展装置开展了不同岩性试样裂纹扩展试验研究,借助声发射及数字散斑技术对裂纹扩展全过程进行了监测,建立了裂纹定向扩展力学模型,分析了裂纹扩展过程中声发射及变形场的演化规律,提出了评价岩石I型裂纹扩展难易程度的能量指标CE,探讨了I型裂纹定向起裂扩展机制。结果表明：该简易裂纹定向扩展装置能够有效实现I型裂纹沿预定方向稳定扩展,其起裂角均小于10º,同时通过简化力学模型计算得到白砂岩、灰砂岩的裂纹扩展峰值强度与巴西劈裂抗拉强度相比偏差分别为22.76%、7.53%;根据变形场演化规律,可将裂纹扩展分为微裂隙发育（散斑变形场分区不明显）、主控裂纹孕育（散斑变形场出现分区现象）和主控裂纹扩展3个阶段;声发射演化过程可分为平静期、缓增期、急增期和降低期4个阶段,由于灰砂岩相较于白砂岩质地更致密、更坚硬,导致其声发射平静期长,而后3个阶段持续时间短;将载荷−位移曲线峰前与峰后的面积之比定义为评价岩石I型裂纹扩展难易程度的能量指标CE,计算得到灰砂岩、白砂岩的CE分别为13～16、1～2,表明CE可有效评价岩石I型裂纹扩展难易程度;岩石I型裂纹起裂扩展机制可概况为：在加载峰值前裂隙尖端受最大拉应力作用,存储的弹性能快速增加、耗散能缓慢增加,但在加载峰值后裂隙尖端存储弹性能超过其储能极限迅速释放,此时输入能大部分转化为耗散能促进主控裂纹快速扩展。后续将对裂纹定向扩展试验装置进一步优化改进,以期为裂纹扩展机制、岩石破坏前兆信息、裂纹止裂原理等研究提供一种新方法,同时为工程现场煤岩层定向爆破、压裂、止裂等相关技术优化提供理论指导。     

单轴压缩下含倾斜单裂纹砂岩试件裂纹扩展量测研究

选用砂岩作为试验材料,进行不同倾斜角度单预制裂纹的单轴压缩试验研究,透过裂纹扩展量测技术以及配合相关断裂准则,得到：(1) 理论与实验的裂纹起裂角随裂纹倾斜角增加而增大;(2) 透过相关断裂准则,砂岩试件在裂纹尖端产生反翼裂纹是因为剪力破坏;(3) 在单轴压缩作用下砂岩试件裂纹扩展受单裂纹的倾斜角影响,当裂纹倾斜角较小时,裂纹不易起裂;当裂纹倾斜角较大时,裂纹起裂比较容易;(4) 在单轴压缩作用下砂岩试件则受单预制裂纹的倾斜角影响,当裂纹倾斜角较小时,裂纹扩展属于非稳定扩展;当裂纹倾斜角较大时,裂纹扩展属于稳定扩展;(5) 在单轴压缩作用下砂岩试件裂纹尖端A侧与裂纹尖端 B侧的裂纹扩展平均速度随裂纹倾斜角增加而降低。     

三维裂隙间距对砂浆材料力学特性的影响

采用刚性伺服试验机和声发射仪器,研究了预置三维裂隙间距对砂浆材料力学特性的影响,总结了含裂隙试件的破坏过程。综合分析单轴压缩应力-应变曲线和声发射数据可知,含三维裂隙试件的破坏主要由预置裂隙扩展、贯通造成,破坏过程可以分为微裂纹萌生、预置裂隙起裂、扩展、贯通几个基本阶段,试件最终破坏型式为单斜面剪切破坏。裂隙间距d与椭圆形裂隙长轴2c之比(d/2c)在0～1范围内,随着d/2c值增大,试件起裂应力σi和峰值强度σp有降低的趋势。当d/2c值从1/3增至2/3时,σi和σp发生突降,可见此范围为影响强度的敏感区间。d/2c值为1的试件σi和σp最低,相对完整(无预置裂隙)试件分别降低了22.48%和18.60%。裂隙间距不同的试件σi和σp之比变化范围为83.1%～78.9%,且随d/2c值增大,σi/σp有下降趋势。可见裂隙间距越大,从起裂应力到峰值应力的承载空间越大,这对工程实践有一定参考价值。