花岗岩真三轴加载破坏前兆信息

岩体开挖卸荷导致内部扰动和应力重分布,极易发生突发性失稳破坏。对不同中间主应力下的花岗岩试件进行真三轴加载试验。试验过程中采用高速摄像机、声发射、红外热像仪全程观测,研究岩石加载破坏过程中红外热像演化特、临空面温度变化特征、声发射振铃计数率变化特征、岩石表面裂纹发育,研究岩石破坏前各类监测数据的异常反应。研究表明:热像异常演化对岩石未来表面破裂有指导作用,未来裂纹扩展区域与热像异常出现位置相一致;岩石破坏前临空面上温度会出现异常,一般表现为温度曲线转折性变化和温度跳跃式升高;声发射振铃计数率会在试件失稳破坏前出现密集性增高现象。这些异常现象作为前兆信息为岩石破坏提供预警,研究结果为岩体开挖卸荷后工程灾害预警与防治提供理论参考。     

开放性裂隙岩石三轴加载破坏前兆信息

含节理的岩质边坡开挖卸荷时易发生突发性失稳破坏,对含不同岩桥长度的花岗岩试件开展三轴加载试验,运用红外热像仪全程采集,引入温度特征粗糙度,研究含节理岩石试件三轴加载过程中临空面上平均温度变化和温度特征粗糙度变化特征,将温度特征粗糙度与声发射振铃计数率和应力应变曲线对比分析.研究表明:温度特征粗糙度在试件破坏前夕出现突跳现象,而此时平均温度无任何异常表现,温度特征粗糙度前兆性优于平均温度;温度特征粗糙度与声发射振铃计数率和应力应变曲线三者阶段性较为一致,温度特征粗糙度突跳现象均略提前于声发射振铃计数率陡增和应力应变曲线下降;不同岩桥长度试件的温度特征粗糙度变化特征较为一致,以此作为研究指标受节理长度影响较小.研究结果可为节理岩质边坡开挖卸荷防治提供理论参考.     

脆性砂岩预制裂隙扩展破坏过程试验研究

采用CSS-3940YJ岩石力学试验机,开展单轴压缩条件下岩石预制裂隙扩展破坏过程试验.基于全程变形曲线的试验结果,分析了裂隙倾角对岩石变形、强度、裂隙扩展破坏方式的影响规律.研究结果表明,与完整岩样相比,预制裂隙砂岩变形呈现出局部化渐近破坏特征,其峰值强度、峰值轴向应变均明显降低,且降低幅度随着预制裂隙倾角的增大而减小;岩样宏观破坏模式主要呈现出拉破坏、剪破坏和混合破坏3种,且随着倾角的增加逐渐由剪向拉破坏过渡.值得指出的是:由于在加载过程中预制裂隙两端处于应力集中状态,导致在预制裂隙两端会首先萌生出垂直于裂隙的翼型裂纹,并沿着加载力方向向岩样两端发展,随后在预制裂隙两端会产生反翼型裂纹和次生共面剪切裂纹,裂隙倾角越小产生的次生裂纹数目越多,岩样的贯通破坏模式就会越复杂.     

裂隙混凝土应变场和温度场演化规律试验

摘要:为了探究裂隙混凝土的破坏特征,基于数字图像相关技术和红外辐射技术,对裂隙混凝土试块进行单轴压缩试验,分析加载过程中试样表面应变场和温度场的演化规律。在本试验中,通过数字图像相关与红外辐射技术分别确定加载过程中裂隙混凝土应变集中区和表面温度场的演化情况。研究结果表明：应变集中区由预制裂隙尖端萌发,沿加载方向扩展,当裂隙混凝土轴向荷载达到峰值荷载的76.54%左右时,试件仍未有贯通裂纹产生。裂隙混凝土应变场标准差演化过程可大致划分为初始分异、匀加速分异、变加速分异3个阶段。温度场标准差演化过程大致分为匀速分异和突变分异2个阶段。不同应变场和红外辐射温度场标准差之间的相关系数在0.55~0.92之间,呈中度或高度相关关系。随着新生裂纹的扩展,试块表面的最高温度逐渐上升,上升幅度为3.33%。在试件破坏时出现连接预制裂隙的高温条带,红外辐射温度场标准差随轴向应变的增大波动增长,分异程度明显。     

多组非贯通裂隙岩石的压缩特性数值研究

裂隙岩体力学性质研究是非常复杂的课题,非贯通裂隙岩石的力学行为与裂隙的几何产状密切相关,裂纹的扩展贯通直接影响岩石的破坏。采用改进刚体弹簧方法,以随机均布Voronoi图为基础,生成不同裂隙产状的岩石数值模型,模拟含多组非贯通裂隙岩石的细观起裂和扩展过程。从细观和宏观两个方面分析了预制裂隙的贯通模式及其对岩石宏观破坏模式的影响;并得到沿平面破坏、阶梯状破坏、沿次生块体转动破坏三种破坏模式。通过分析岩石渐进破坏过程揭示其破坏机理;且定量分析了裂隙岩石在强度上表现出的各向异性特征。将数值计算结果与已有的岩石试验结果对比分析,表明数值与试验结果吻合较好。     

岩石材料破坏过程中的氡射气变化特征

岩石破坏过程中物理力学性质会发生显著的改变.通过实验室的岩石类材料加载过程中氡脉冲辐射信息的研究表明,氡脉冲辐射随不同岩石变形破坏阶段会有明显变化,特别是进入屈服阶段后.这与加载破坏过程中岩石的裂隙和表面积大量增加密切相关,体现在裂隙附近产生很多密集的微裂隙,改变了岩石微结构,伴随着岩石、矿物中晶格的错动,并出现超声振动,使得岩中受束缚的氡(自由、吸附和部分封闭)被释放出来,导致氡射气脉冲增加,利用氡脉冲辐射信息变化可实现对岩石破裂前兆的识别.     

岩石破裂过程中裂隙流体X射线造影试验及应用

裂隙流体是水岩系统工程灾变的主要影响因素,直观可视化岩石破坏与裂隙流体的相互作用过程,是揭示不同工程背景条件下水岩互馈灾变机理的关键。该文提出了岩石破裂过程中裂隙流体X射线造影方法,开展了岩溶滑坡、红层边坡失稳及煤矿采空区涌水灾害背景下的岩石材料尺度试验。试验研究结果表明:岩溶管道-裂隙流过渡过程中流态经历了从层流到过渡流或紊流的演化过程,多级应力荷载作用下碳酸盐岩管道流体至裂隙流体的变化过程具有分形演化特征。水动力循环和多级应力荷载作用下红层泥岩损伤因子呈非线性增长,采取控制或降低渗流扩散系数的加固措施可有效治理或调控红层边坡灾害。煤岩破裂过程中裂隙水均方根流量具有分数指数演化规律,裂隙水演化经历了超-扩散流动向亚-扩散流动的变化过程,得出开采扰动作用下煤岩裂隙水的非线性流动和异常扩散现象是诱发采空区突涌水灾害的本质原因。     

面向MOOC的知识模型及可视化方法研究

利用一种岩石裂隙水沙渗透试验系统开展了水沙在平面平行裂隙中流动的滞后性的试验研究,分析了渗流速度-压力梯度闭环曲线的特征,解释了滞后现象的原因.试验结果表明:当渗流速度由零增大到1.77 mm/s再减小到零时,渗流速度-压力梯度曲线自行封闭,形成滞环;由于裂隙开度、粗糙度、沙粒径和沙浓度的不同,滞回曲线呈现凸镜形、月牙形、"8"字形、勺形和裂缝形等多种形状;水沙混合液与岩石裂隙面的接触角变化引起回程中渗透速度沿裂隙宽度方向分布变化,这是岩石裂隙中水沙渗透存在滞后现象的主要原因;沙粒在岩石裂隙面的沉积、水沙在岩石裂隙中运动形态的转变、水沙混合液的粘塑性是岩石裂隙中水沙渗透存在滞后现象的重要原因.     

三轴压缩单一裂隙砂岩细观损伤破坏特性CT分析

完成了含单一预制裂纹的裂隙砂岩三轴压缩条件下的细观破坏特性CT实时扫描试验.得到了裂纹萌生、发展、宏观裂纹形成、破坏等各阶段的CT图像.结果表明,与完整岩石试样一样,三轴压缩单一裂隙砂岩的破坏过程也可以分为线性发展阶段、细观裂纹萌生及发展阶段、损伤快速发展阶段和峰后损伤加速发展阶段等4个阶段,但是,由于已有裂隙的存在,裂隙岩石的损伤演化速度高于完整岩石的损伤演化速度,已有预制裂纹对新的裂纹的起裂位置及贯通性宏观破坏裂纹的形成具有重要影响,裂隙砂岩试样的扩容量大于完整试样破坏时的扩容量.     

深部花岗岩50℃卸荷蠕变试验研究

为研究深部花岗岩在温度作用下的卸荷蠕变特性,采用岩石全自动三轴流变仪开展了花岗岩在温度50℃、围压10、20、30 MPa条件下的卸荷蠕变试验,分析了花岗岩高温卸荷蠕变特征、宏观破坏模式和微细观损伤破坏机理.试验结果表明:在温度效应条件下,花岗岩高压卸荷蠕变会产生较大变形;50℃卸荷蠕变条件下,花岗岩的蠕变性能随着围压的卸载而呈指数变化,初始卸荷围压越高,花岗岩越早出现蠕变变形;花岗岩高温卸荷蠕变破坏模式主要为共轭剪切破坏,蠕变作用促使岩石内部损伤裂隙扩展并形成裂隙面而失效破坏;岩石高温卸荷蠕变破坏强度约为常温三轴强度的1/3,其黏聚力和内摩擦角也比常规指标减少30%以上.     

加载岩石红外辐射实验与数值模拟对比分析

利用红外仪对岩石试件进行单轴加载变形破坏过程进行监测,得到试件破坏过程的红外热像。另外,利用RFPA软件对试件在加载过程进行数值实验,并对试件进行应力状态分析。由红外实验与数值实验结果对比可以看到:试件破坏过程中整体以升温为主,弹性阶段压应力集中区的岩石试件表面红外辐射温度升高,而拉应力集中作用区温度降低。裂纹越集中区温度升高越明显。这一实验结果可以为利用红外手段预测预报地震、岩体工程破坏失稳提供进一步的理论依据。     

致密岩石变形破坏过程中渗透率演化的试验研究

为了研究致岩石在变形破坏过程中的渗透率变化特点,利用自适应全自动岩石三轴试验机对致密脆性的花岗片麻岩进行了不同孔隙压力下的渗透试验．试验结果表明：岩石不同变形阶段的渗流特性明显不同;在孔隙压力不大的情况下,岩石本身的裂隙发育情况与孔隙压力相比,对渗透率占主导作用;环向应变更能体现岩石发生软化屈服破坏的过程,在体现渗透率变化上响应更灵敏．在试验的基础上进一步探讨了应力-应变过程中渗流应力耦合的机理,分析了岩石细观力学性质对屈服破坏前期渗透率“突跳”的影响．     

加载速率对白云岩力学特性影响的颗粒流数值试验研究

青川县东河口滑坡是2008年汶川地震诱发的一处典型深层岩质滑坡,体积约1500×104m3。地震过后,针对该滑坡的形成机制展开了不少研究,但在考虑组成该滑坡体材料的力学参数时,均尚未考虑到岩体在动荷载条件下的力学特性,导致研究结果与实际有出入。为了获得滑坡岩体在不同加载速率下的力学行为,同时借助于颗粒流程序（Particle Flow Code, PFC）在模拟岩体微细观损伤演化过程上的优势,本研究首先对从滑坡现场取得的白云岩试样开展了室内常规单轴压缩试验,以试验结果作为拟合依据确定了白云岩试样的PFC数值模型以及细观参数,进而开展了白云岩在不同加载速率下的力学特性、宏观破裂形态、裂隙扩展规律等的研究。结果表明：在0.5 m/s和1 m/s的较高速率加载时,白云岩力学性能出现 “伪增强”现象,岩体表现为延性破坏,最终的破坏形态为粉碎状。当加载速率≤0.05 m/s时,岩体表现为脆性破坏,破坏形态较为完整,主要在端部发生局部剪切破坏,裂纹并未在整个岩样内发育,并且,高加载速率下破坏时的裂隙总数明显多于低加载速率下的裂隙总数,在峰值强度后微裂隙的产生速率明显较大。尽管本研究只是对组成该滑坡的其中一类岩体开展了研究,暂无法用于准确解释该滑坡的地震诱发机制,但研究结果预示了在实际地震过程中,由于加载速率时刻在变化,岩体在高、低加载速率交替变化的荷载作用下将变得更加破碎,从而为滑坡的形成创造了先决条件。     

破裂岩石力学性态的模拟研究

本文根据三轴压缩模拟试验结果,探讨了围压对破裂状态岩石的残余强度和弹模的影响,岩石处于完整状态与破裂状态时的粘结力和内摩擦角、岩石在不同破裂状态下的弹模变化情况,并提出了一种与模型材料相似的天然岩石处于破裂状态时的力学模型。     

三轴受压状态下岩石试块变形破坏过程中孔隙水压的变化特征及其临界破裂前兆

为讨论饱水岩石中孔隙水压与损伤变形过程的关联性,探究岩石破坏的孔隙水压前兆特征信息,采用三轴压缩试验、渗流实验相结合的方法,分析了在不同孔隙水压和不同围压条件下饱水岩石变形破坏过程中损伤扩展与孔隙水压变化的内在联系。研究表明：(1)开放饱和岩石单元体中,岩石在受荷破坏全过程中的初始压密、弹性压缩、塑性变形和破坏失稳阶段,孔隙水压呈现增高、稳定、逐渐减小和锐减变化;(2)岩石破坏的孔隙水压前兆特征明显,在主破裂前夕,内部损伤加剧,裂隙贯通,孔隙水压将失去稳定状态,孔隙水压由稳态锐减可作为岩石破裂的前兆信息;(3)在应力变化大、高孔隙水压以及高围压条件下,孔隙水压对损伤发展更为敏感,响应也更明显,孔隙水压与损伤发展相互影响,互为关联,损伤扩展造成孔隙水压降低,孔隙水压降低又促进损伤发展;(4)可以尝试在深部开采工程中监测岩体内部孔隙水压的变化来预测岩体失稳的突发性灾害。     

切削具的“后部效应”对岩石破碎的影响

本文通过一个光弹实验和静压卸载实验,着重讨论了钻井中做回转运动的切削具后部的岩石表面上出现张裂纹和卸载破坏的问题。光弹实验表明,运动的切削具(如金刚石颗粒)在其后部的岩石中诱发出一个张应力区,最大张应力是在岩石表面上,在此表面上极易形成微小张裂纹。卸载实验表明,对某些脆性岩石(如花岗岩),载荷只要达到其压碎载荷的60％以上,就可以通过卸载方式破坏岩石。     

基于数字图像的复合岩石试验与损伤模型研究

为研究层状复合岩石破坏过程和形态,采用相似理论制作出层状复合岩石相似模型,在单轴压缩条件下观测岩石的破坏特征,结合三维数字图像相关技术(3D Digital Image Correlation,以下简称DIC)对试件的整体变形及破坏进行全过程的观测,得到复合岩石三维场的位移和应变,同时基于试件表面应变场的变化,建立了表面损伤程度与损伤因子D之间的量化关系,进而得到基于DIC表征的层状复合岩石损伤演化模型,研究结果表明：(1)层状复合岩石的破坏形态与脆性岩石特征相似,以拉伸劈裂破坏和Y型剪切破坏为主;(2)DIC试验记录的表面应变与损伤因子之间的量化关系可有效反应岩石破坏的全过程,以此为基础建立的损伤演化方程与实验数据拟合效果较好,证明了模型的合理性。     

干热岩储层水力压裂改造的电磁法监测评价研究进展

 从岩石受压破裂过程电阻率特性、裂缝型岩石电阻率特性、岩石电阻率与渗透率关系3个方面出发，总结了电磁法水力压裂监测评价相关的岩石物性基础研究，介绍了干热岩水力压裂现场电磁法监测应用案例。基于岩石电性基础研究总结得出：岩石在受压破裂过程中会伴随着显著的电阻率变化，且电阻率变化特征与岩石中的含水饱和度紧密相关；裂缝数量、宽度与粗糙度等都会对岩石的电阻率产生影响，影响趋势与裂缝是否含水有关；可通过修正Archie定律与Kozeny-Carman模型建立特定岩石的电阻率与渗透率关系模型。讨论了电磁法应用干热岩水力压裂监测评价所面临的难点，包括：（1）研究高温高压条件裂缝型致密岩石的电阻率性质；（2）研究高温高压条件裂缝型致密岩石渗透率与电阻率关系模型；（3）研究开发具有更高精度、更小分辨率、更强抗干扰能力及更远探测距离的电磁法探测新理论新方法、新技术新装备。