岩石张拉及剪切破裂声发射震源机制分析

选取花岗岩,开展三点弯曲和剪切加载条件下声发射试验,采用单纯形算法与矩张量理论分析了不同破裂类型微裂纹的时空分布特征.研究结果表明:在加载过程中,三点弯曲试样总体上以张拉型破裂为主,岩石最终破坏时,张拉型裂纹所占比例超过50%;剪切试样以剪切型破裂为主,最终剪切型裂纹所占比例超过60%.声发射事件的群集区域和矩张量分析结果与最终的岩石破裂结果相一致,说明矩张量理论能够定量描述岩石在加载过程中张拉应力、剪切应力的分布和迁移规律,这为岩石破裂过程中微裂纹的相互作用和贯通机制提供了良好的分析手段.     

基于矩张量分析的花岗岩破裂声发射特征试验

基于声发射定位技术和矩张量分析方法,对在单轴加载条件下岩石破裂过程中的裂纹破裂机制及时空分布特征进行试验研究.借助CAD软件展示不同破裂机制的声发射事件,直观反映裂纹破裂类型.研究结果表明:单轴压缩加载试验中,花岗岩试样破裂以剪破坏为主,但岩石微裂纹的破裂类型所占比例并不固定,岩石内部微裂纹破裂类型与岩石材料的力学环境有关;花岗岩作为一种脆性岩石,破裂不符合格里菲斯强度准则认为的脆性材料都是拉伸破坏的基本观点,证明格里菲斯强度准则对于均质度不高的脆性岩石的适用性有一定的局限;花岗岩单轴压缩试验中,试样的破坏类型与其应力水平没有关系,3种类型的声发射事件随应力增大的变化趋势相似.     

内置三维裂隙非均匀性岩石渐进破坏数值研究

岩石内部裂隙缺陷对新裂纹的萌生扩展有显著影响,导致岩石强度大幅降低甚至破坏.研究内置缺陷岩石裂纹的萌生、演化与微破裂分布,有助于揭示岩体渐进破坏规律,具有重要的工程意义.采用细观损伤数值方法对单轴压缩下内置裂隙岩石的破坏进行研究,再现不同均质度岩石微破裂萌生、发育、扩展、贯通直至破坏以及整个过程的声发射分布.将数值试验同物理实验比较,结合前人研究进行分析.结果表明,内置三维裂隙岩石裂纹扩展和破坏过程与相应物理实验总体上一致;在较均质岩石中观察到反翼型裂纹,揭示出反翼型裂纹主动偏向翼型裂纹扩展的现象;鱼鳍状裂纹在椭圆裂隙扩展试验中极易出现,并在均质岩石中表现为翼型裂纹与反翼型裂纹以卷曲面形式扩展形成包裹状破裂面;岩石非均匀性对其应力场,强度,声发射和破坏形式有显著影响,均质性差的岩石易沿着内置斜裂隙发生单截面剪切破坏;细观损伤数值方法可以模拟岩石破裂全过程并揭示微破裂空间位移、聚集规律,研究结果可为研究岩石破坏机理的物理实验和理论分析提供借鉴.     

由煤岩变形冲击破坏所产生的电磁辐射

对岩石破裂所产生的电磁辐射现象的观测和研究 ,对于研究地震规律和矿山冲击矿压及其预报具有重要的意义。在实验室和现场条件下 ,采用 EAE- 0 4声电测试系统和KBD5电磁辐射监测仪对煤岩变形破裂过程中的电磁辐射进行了测定。试验和测试结果表明 ,煤岩体在变形、破坏过程中均产生电磁辐射现象 ;煤岩在冲击破坏前 ,电磁辐射强度一般在某个值以下 ,而在冲击破坏时 ,电磁辐射强度突然增加 ;而电磁辐射的脉冲数则随载荷的增加及变形破裂过程的发展而增大。依此规律 ,可以对冲击矿压危险性进行评价和预测预报。     

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。     

单向压应力对砂岩漏斗爆破过程的影响

针对深部高应力条件下岩石爆破问题,开展不同单向压应力条件下的砂岩漏斗爆破实验,研究了静应力对漏斗爆破过程中裂纹网形成与扩展的影响.提出了爆破漏斗破坏分区的概念,即块状破坏区、过渡区、片状剥落区.分别分析了静应力对爆破漏斗三个破坏区的影响,进而阐明了不同静应力条件下岩石爆破破坏的特征.结果表明:静应力促进平行其自身方向裂纹的形成,抑制垂直其自身方向裂纹的形成,进而改变了裂纹网的形态;静应力促进平行其自身方向爆破漏斗破坏区的形成,对片状剥落区的影响最大,块状破坏区与过渡区次之,对垂直其自身方向的破坏区影响较小;当应力强度比达到0.15时,需要考虑静应力对爆破效果的影响.     

循环冲击载荷作用下砂岩破坏模式及其机理

利用岩石动静组合加载SHPB试验装置对不同静载砂岩试件进行循环冲击试验,研究其破坏模式.在研究岩石试件界面摩擦力的基础上,对不同静载作用下岩石试件的应力状态进行分析.研究应力波斜入射到微裂纹时的作用效应,探索具有一定静载的岩石在循环冲击作用下的破裂机理.研究结果表明:对具有三轴静载的试件,应力波在其最大剪应力所在平面进行斜入射时优先破坏.在循环冲击载荷作用下,具有轴向静载的岩石在破坏过程中具有明显的端部效应,而没有轴向静载的岩石则没有端部效应;静载荷的组合形式对岩石在循环冲击作用时的破坏模式影响较大;无静载荷作用时,岩石在循环冲击时逐步破坏成几块,破裂面平行于纵向面,属于张应变破坏;只有轴向静载作用时,岩石试件第1次破坏形成共轭双曲线型破裂面,进而在入射界面处发生破坏,破坏都属于张剪破坏;具有三轴静载作用时,由于轴向静载的不同,岩石最终破坏成圆锥台、圆锥体和V型锥体,破坏属于拉剪破坏.     

岩石在不同应力条件下的本构模型与损伤演化

目的建立反映岩石破裂过程的本构关系,解决由于其天然的复杂形态和赋存条件的多样性而导致的复杂破坏特性问题.方法借助连续损伤理论和Weibull统计分布函数,针对岩石不同应力条件下的变形特征分别建立本构模型,并通过引入损伤因子导出损伤演化方程.结果岩石在受到单轴应力以及三轴应力时所得到的本构方程在原理上是一致的,区别在于在受到三轴应力时需考虑围压的影响.随着轴向应变的增大,岩石要经历微型隙压密阶段、弹性变形阶段、塑性屈服阶段和破坏阶段.在三轴应力试验中,随着围压的增大,上述阶段会变得缓慢.结论岩石的应力应变曲线实质上是以裂纹为主的变形破坏过程,是损伤变量趋于1的发展历程.围压增大抑制了岩石中微裂纹的扩张,说明围压会改变岩石的受力状态,宏观上表现为岩石平均强度的增大.经参考试验结果验证,所建立的模型合理可行.     

岩石圆环试件拉张破裂结构演化有限元模拟

岩石具有低抗拉特性,抗拉强度控制着岩体工程的整体稳定性.利用有限元方法,对岩石圆环试件拉张破裂过程的结构演化过程进行了研究.模拟结果显示:圆环结构受拉应力作用发生破裂.形成不连续面;圆环在拉应力作用下不断形成破裂面,结构形式相应发生演化,并导致应力状态改变,最终圆环结构内壁上下、外壁左右全部开裂,系统不稳定、丧失承载能力,完全破坏.将有限元模拟结果与实验结果对比二者相吻合,可为研究岩石的破裂规律及裂纹扩展提供新的研究方法.     

砂岩扩容过程中超声波衰减的实验研究

利用振幅谱比法对砂岩扩容过程中超声波衰减的实验结果进行分析表明:岩石存在裂纹稳定性传播与裂纹的非稳定性传播和宏观破裂过程;在前期研究三轴实验中横波速度极大值作为岩石应力门槛值的基础上,增添了横波的衰减系数的最小值,即品质因子的最大值作为新的判据.提出了裂纹稳定性传播阶段与裂纹的非稳定性传播阶段分界的特征是:横波的衰减系数、横波损伤因子、泊松比、体积应变曲线在该分界处出现拐点.将其归属于裂纹传播过程中具有局部贯通时破裂的特征,该分界点处在岩石的应力门槛值与抗压强度之间.此项研究结果具有广泛的应用价值.