基于数字图像相关方法的裂隙砂岩应变场演化规律及前兆识别

目前数字图像相关方法在岩石力学领域的应用主要集中于获取变形场云图,缺乏结合一些指标对变形数据进行定量分析。采用数字图像相关方法对裂隙砂岩试件压缩加载过程进行非接触式、实时变形测量,结合方差量化描述应变场分异特征;而后对应变场方差变化曲线进行有限差分求导,量化描述应变场分异速率,分析应变场演化规律及前兆特征。研究结果表明：裂隙砂岩试件的变形破裂过程可划分为压密、弹性变形、裂纹稳定扩展、裂纹快速扩展及破坏等4个阶段。加载过程中裂隙砂岩试件的裂纹萌生和扩展行为,在应变场上表现为应变局部化带的产生与发展,进而导致应变场方差和分异速率发生变化。应变场方差-轴向应变曲线表现出阶段性特征,可划分为稳定分异、加速分异以及加加速分异等3个阶段。应变场分异速率-轴向应变曲线在张拉裂纹起裂时均出现第一个尖峰,可作为裂隙岩体失稳破坏前的前兆信号,对应的前兆应力与峰值应力之比为0.80～0.96。研究成果对工程岩体失稳预测具有较好的理论参考价值。     

基于三维数字图像相关技术的脆性岩石破坏试验研究

利用三维数字图像相关技术(3D-DIC)观测系统研究单轴压缩状态下带中心圆孔花岗岩岩板的破坏全过程,得到了含孔洞岩石破坏过程中观测面的三维全场位移和应变,不仅能够直观地反映岩石表面裂隙的产生、扩展及相互连通的演化过程,亦能够确定裂纹的位置、形态以及扩展方向等具体信息,还能重现加载过程中试样表面的压缩(平行荷载方向)、剥离(垂直荷载方向)、膨胀及剥落(垂直试样表面方向)。结果表明:3D-DIC技术在岩土力学试验中有其独特的优势,岩石材料破坏过程中应变场的演化能较好地反映其内部裂纹的产生和扩展规律。根据全场应变云图可以判断岩石裂纹扩展演化的情况;裂纹的演化具有强烈的非线性特征,在试样接近破坏时形成的"X"型对称变形局部化带,最终只形成一条宏观破坏带,荷载方向、岩石结构及其内部的非均匀性都会对最终宏观破裂带的位置产生影响;利用3D-DIC观测系统进行岩石变形破坏机制的研究是有效的,可为岩土介质宏细观变形破坏机制的研究提供重要的借鉴。     

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。     

三轴条件下软岩变形破坏过程的CT图像分析

采用X射线CT方法对一种软弱粉砂岩在三轴压缩条件下的变形破坏过程进行了实时观测,获得系列CT图像。软岩破裂成核现象在远离强度峰值前发生,完整岩石试件裂纹从外向内传播,裂纹演化基本方式表现为扩张和扩展的交替性。软岩屈服现象的本质是CT尺度裂纹演化,裂纹演化是软岩在峰值强度前的主要细观过程。     

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。     

深隧道围岩稳定性的数值模拟与模型试验研究

在大型真三轴模型试验机上进行隧道的超载试验,试验过程中采用内窥摄影实时监测试件的破坏演化全过程,确定了高应力条件下隧道的变形特征和裂纹演化特征;采用应变测量技术对隧道关键部位的应变值进行了测量,据此分析了围岩体的应力变化规律。针对相似材料的力学特性,建立了应变软化模型,采用与模型试验相同的边界条件进行了数值模拟分析,对围岩体的塑性应变变化过程和应力场进行了研究。结果表明,两种手段反映的破坏演化过程是基本吻合的,所反映的围岩体应力变化规律也是一致的。     

裂隙砂岩变形破裂过程中应变场及红外辐射温度场演化特征研究

采用数字图像相关方法和红外热成像技术非接触式全场观测手段,对不同裂隙倾角的砂岩试件进行单轴压缩试验,引入标准差和近似导数定量地描述应变场和红外辐射温度场的分异程度和分异速率,分析其变形破裂过程中两个领域全场信息的演化规律、变化机制以及前兆异常特征,并探索全场信息之间的相关关系。研究结果表明,裂隙砂岩应变场标准差演化过程可划分为初始分异、初加速分异、中加速分异和快加速分异4个阶段。红外辐射温度场标准差演化过程可划分为初始分异、稳定分异和加速分异3个阶段;应变场和红外辐射温度场标准差在裂隙砂岩变形破裂过程中变化趋势大致类似,两者的皮尔逊相关系数在0.50～0.91之间,呈显著或高度正相关关系;裂隙岩体破裂失稳前应变场分异速率出现2个尖峰,分别对应于张拉裂纹和剪切裂纹起裂点,可视为2个前兆点;红外辐射温度场分异速率在剪切裂纹萌生前呈持续增长,也可视为前兆点。研究成果可为裂隙岩体稳定性监测与预报提供新的手段和理论依据。     

三峡库区侏罗系泥岩CT损伤特性试验研究

结合CT-三轴试验研究了三峡库区侏罗系泥岩破坏过程中的细观损伤特性。获得了泥岩受破坏时的实时CT图像、CT数均值及方差等结果。通过CT图像中泥岩内部的主裂纹区域和非主裂纹区域在变形破坏过程中出现的特征,采用截面整体分析和选取区域分析相结合的方法探讨了岩样各变形阶段的损伤演化规律。研究表明:宏观裂纹一般最早出现在到达屈服点后,形成于红层泥岩承载能力较弱的区域,即原生孔隙、微裂纹较集中的区域,根据岩石内部区域CT数的变化规律可以判断裂纹的出现阶段和损伤程度。基于此,提出将不同围压下泥岩在屈服点的应变值作为岩石损伤的门槛应变值,低于该应变值时,侏罗系泥岩无明显损伤,高于该应变值时,损伤加剧。     

不同荷载下矩形巷道围岩变形及声发射特性试验研究

为研究不同初始地应力下矩形巷道在开挖卸荷过程中围岩的变形破坏特征以及声发射(AE)特性,使用水泥砂浆浇筑胚体并加工成矩形巷道围岩试件,进行开挖卸荷模型试验,得到顶板、隅角和帮部围岩的变形破坏特征以及AE撞击计数、损伤变量、频谱的演化特点。试验结果表明:(1)矩形巷道在开挖卸荷过程中以顶板和帮部围岩径向受拉、隅角围岩切向受压变形为主,且顶板围岩变形特征与帮部类似。(2)地应力量级增加,对顶板(巷帮)的径向以及隅角围岩的切向应变速率影响显著,对其他方向影响较小。(3)AE撞击计数和损伤变量的演化特征揭示了围岩试件内部微裂隙萌生、扩展以及宏观裂缝出现直至发生主破裂的损伤过程;地应力越高,主破裂发生的时间会相对推迟,且开挖卸荷后的相对损伤比重随初始地应力增加呈非线性增长。(4)AE信号峰值频率集中区段增多,且幅值逐渐升高的现象可看作围岩即将发生主破裂的前兆信息;地应力越高,峰频集中区段分布越广。(5)随地应力增大,围岩试件内壁展现了从微裂纹―分层碎胀―块状剥落的变化过程;矩形巷道破坏形式主要以顶板和帮部围岩的张拉性隆起为主,并伴随离层碎胀现象,隅角围岩在试件失去承载力时表现为压剪破坏的特征。     

孔隙水压作用下岩样加载破坏过程的数值模拟

应用自主开发的岩石破坏过程渗流与应力耦合分析软件F-RFPA^2D，通过对孔隙水压作用下岩石试件加载破坏过程的数值模拟，研究了孔隙水压力对岩石强度、应力-应变曲线和破坏模式的影响，再现了受压试件在孔隙水压力作用下破坏过程及其逐步演变的应力场和渗流场。结果表明，孔隙水压力对岩石变形、破裂过程及其破坏模式有很大影响。     

Deformation Field around the Stress Induced Crack Area in Sandstone by the Digital Speckle Correlation Method

Abstract: The deformation field around sub-cracks was calculated using the digital speckle correlation method. First, the uni-axial compression tests on sandstone samples containing a pre-fabricated fracture were made. Photomicrographs showing the characteristics of the sub-crack development were taken using a scanning electron microscope (SEM). From these photomicrographs, the real-time images showing the initiation, growth and coalescence of sub-cracks and micro-cracks in the sandstone specimens were obtained and the effects of loading level as well as grain boundaries on the development of cracks were analyzed. Second, the intensity images of the sandstone specimen surface were captured from the observations of the SEM corresponding to different loading levels. Then correlation computation was carried out for the sequential pairs of intensity images to evaluate the displacement components, as well as the strain field. The results show that the deformation varies in different areas separated by sub-cracks during rock damage processes.     

双边非对称裂纹平板试样拉伸试验研究

采用自制的压–拉转换装置,配合RMT 150C岩石力学试验系统及数字散斑相关方法,对双边非对称裂纹类岩石平板试样进行直接拉伸试验,得到类岩石试样的拉应力–应变曲线、试样表面应变场演化过程和裂纹扩展模式。研究发现,类岩石试样直接拉伸的拉应力–应变曲线大致可以分为4个阶段：（1）近似线性阶段,预制裂纹基本不起作用,应力随应变增加较快,试样表面应变场的分布主要受试样内部的孔隙及颗粒的影响;（2）整体缓慢增加阶段,两预制裂纹和试样内部的孔隙及颗粒共同影响试样表面应变场的分布,整体上应力随应变呈增加趋势;（3）短暂峰值过渡阶段,试样中某个预制裂纹对试样表面应变场的分布起决定性作用;（4）破坏阶段,裂纹起裂位置在应变场相对集中区域,并扩展导致试样破坏。对于直接拉伸条件下的双边非对称裂纹平板试样,其中某条预制裂纹会率先扩展,先向远离前方裂纹的方向扩展,再向靠近前方裂纹的方向扩展,对采用数值模拟方法研究张拉应力状态下裂纹相互作用扩展规律具有重要意义。     

基于3D-DIC技术岩石广义应力松弛特性试验研究

基于可视化三轴压缩伺服控制试验系统和三维数字图像相关技术(简称3D-DIC技术),开展了不同流变方向系数α下的广义应力松弛试验,对广义应力松弛过程中砂岩表面的应变演化规律进行了探讨。研究结果表明:在流变过程中若砂岩有发生破坏的趋势,其表面的轴向、径向应变场的应变集中区域逐步显现,轴向应变集中区域由层状离散分布逐渐向即将出现裂纹的位置集中,而径向应变场中在裂纹即将形成区域附近应变增长速率最快。不同表面位置轴向、径向应变差异的演化速率与其整体演化速率的变化趋势呈现正相关,在即将形成裂纹附近的轴向、径向应变变化量发展经历减速、等速、加速3个阶段,而远离裂纹处的应变则可能先增大后减小,不同位置应变值的等时曲线演化则预示裂纹即将形成的区域。随着流变方向系数α由0.3、0、-3.0、∞、3.0依次变迁,流变过程中轴向、径向应变场整体演化的均值与方差均上升,说明其演化速率加快,应变集中现象更显著,且砂岩破坏前后的应变场演化差异增大。     

岩样三轴压缩的破坏形式和Coulomb强度准则

尽管岩样轴向承载能力与围压成线性关系,但岩样在围压下轴向压缩破坏的断面,并不能由Coulomb准则准确预示。截面倾角在45°±φ/2附近时,基于粘聚力和内摩擦力的承载能力变化不大,实际破坏面的方位与岩样内部层理、缺陷等有关。砂岩具有明显的颗粒,岩样破裂面通常含有部分圆锥面,并不完全是平面,而石灰岩、煤的颗粒细微,破裂面则多是平面。对高径比为2的圆柱岩样,在围压影响系数大于4或内摩擦角φ达到36.87°之后,倾角45°±φ/2的平面将起止于岩样的端面,而不是侧面,难以利用Coulomb准则分析岩样的承载特性。     

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。     

An Experimental Study of the Fracture Coalescence Behaviour of Brittle Sandstone Specimens Containing Three Fissures

To analyse the fracture coalescence behaviour of rock, rectangular prismatic sandstone specimens (80?×?160?×?30?mm in size) containing three fissures were tested under uniaxial compression. The strength and deformation behaviours of the specimens are first analysed by investigating the effects of the ligament angle β₂ on the peak strength, peak strain and crack initiation stress of the specimens. To confirm the sequence of crack coalescence, a photographic monitoring technique is used throughout the entire period of deformation. Based on the results, the relationship between the real-time crack coalescence process and the axial stress–strain curve of brittle sandstone specimens is also developed, and this relationship can be used to evaluate the macroscopic deformation characteristics of pre-cracked rock. The equivalent strain evolution fields of the specimen, with α?=?β₁?=?45° and β₂?=?90°, are obtained using the digital image correlation technique and show good agreement with the experimental results of pre-cracked brittle sandstone. These experimental results are expected to improve the understanding of fracture mechanisms and be used in rock engineering with intermittent structures, such as deep underground excavated tunnels.     

孔隙水压力作用下砂岩裂纹扩展行为的试验研究

为研究水力耦合作用下砂岩裂纹扩展特征,开展了不同孔隙水压和围压条件的砂岩破坏试验。结果表明：有效围压相同,随着孔隙水压力增大,脆性指标数增大,起裂应力、损伤应力和峰值应力都变小;裂纹初始体积应变变小,裂纹扩展体积应变先减小后增大,损伤应力与峰值应力对应的裂纹轴向应变扩展速率、裂纹环向应变扩展速率增加,裂纹体积应变扩展速率与孔隙水压力关系不明显。孔隙水压力相同,随着有效围压增加,起裂应力、损伤应力和峰值应力增大。起裂应力、损伤应力、峰值应力对应的裂纹轴向应变扩展速率、裂纹环向应变扩展速率和裂纹体积应变扩展速率增大。同一块砂岩特征应力点的裂纹应变扩展速率比较,裂纹轴向应变扩展速率最大,裂纹环向应变扩展速率次之,裂纹体积应变扩展速率最小。     

人工单节理砂岩的三轴试验研究

采用云石胶黏结岩块的方法制备人工节理面,通过直剪试验获得人工节理面的抗剪强度特性,基于完整和单节理砂岩的常规三轴试验,分析不同倾角（0°,30°,60°,90°）对单节理岩体试样力学响应的影响。结果表明:人工节理面在直剪试验中呈现脆性破坏,其抗剪强度符合M-C准则;不同围压下（2.5,5 0和7.5 MPa）完整砂岩的破坏形态和弹性模量基本相同,峰值强度随围压增大;相同围压下（2.5 MPa）不同倾角单节理岩体的破坏形态、弹性模量、峰值强度均不相同,单节理岩体试样的峰值强度-倾角曲线呈反对号“”形,节理倾角对岩体力学性质的影响明显,其中60°节理岩体试样的强度最低,仅为完整岩石强度的19.7%。推导了过圆柱体试样中心任意斜截面内力的三维计算公式,根据其理论预测所得完整岩石的破裂面角度和60°节理试样的破坏方式均与试验结果相符,其吻合度较传统的二维分析更高。     

3D-DIC系统在岩石力学试验中的应用

介绍了全场3D-DIC系统,在试样周围均匀布置三组3D采集元,利用散斑图像的采集,尽可能在较大范围内捕捉试样表面的变形并进行分析。为了验证3D-DIC系统测量结果的可靠性,以江持安山岩为试验材料,进行了单轴压缩条件下的恒定应变速率和交替应变速率试验。通过3D-DIC系统的测量结果与应变片测量结果的对比发现,两者吻合度较好,表明3D-DIC系统能够满足岩石力学试验非接触式、可视化变形测量的需求。另外以田下凝灰岩为试验材料,通过图像分析得到了加载过程中岩石表面的全场变形信息,发现岩石变形的不均匀性和应变局部化现象,表明利用3D-DIC系统对岩石破裂过程变形测量比传统变形测量方法更具有优越性,为岩石力学试验研究提供了一种新的、便捷的测试方法。     

基于数字图像相关法的两类岩石断裂特征研究

岩石破坏时的临界断裂特征,如过程区长度,裂缝口张开位移是运用断裂力学解决岩石断裂问题的关键所在。传统测量方法,如应变片、直线位移传感器无法获得岩石破坏时的全场变形,因此,也无法准确地获得上述断裂特征。数字图像相关法是一种光学的变形测量方法,其通过试样表面的数字图像采集及相关计算,能够获得岩石破裂过程各个阶段的高精度全场变形特征。利用该试验手段,对两类岩石,即相对较硬的大理岩和相对较软的黄砂岩开展了一系列半圆盘三点弯曲断裂试验并获得了岩石断裂时的临界变形场,对变形场进行分析,从而确定了两类岩石破坏时临界特征、过程区长度及裂缝口张开位移。结果表明,大理岩的断裂过程区长度明显小于黄砂岩的断裂过程区长度,峰值时黄砂岩COD的值均大于相同裂纹长度的大理岩,而较软岩的力学行为更容易受边界效应的影响。上述研究有助于进一步了解不同类型岩石的断裂发展过程并采用相应的方法来解决岩石破裂问题。