岩石变形破裂红外与微波辐射变化特征对比研究

利用实验的方法对岩石单轴压缩过程中红外辐射、微波辐射、应变进行了联合测试.实验结果表明,红外与微波辐射的变化特征随应力的阶段性发展,二者呈现不同的阶段性变化规律与破裂前兆特征.红外辐射呈现初始阶段变化很小、弹性阶段缓慢增加、塑性阶段快速增加以及临破裂前回落的变化特征;而微波辐射呈现初始阶段微降、弹性阶段上升、塑性阶段下降以及临破裂前上升的变化特征.红外与微波在岩石破裂前均出现早期和晚期前兆,但前兆规律不同,异常变化形式正好相反.两种手段结合可以更好地监测岩石的应力与灾变现象.     

潮湿岩石受力过程红外辐射的变化特征

利用红外热像仪对干燥和潮湿砂岩单轴压缩过程中的红外辐射特征进行了试验比较.结果表明:潮湿岩石加载过程中平均红外辐射温度(AIRT)随载荷增加呈上升趋势,AIRT与应力的变化步调一致,曲线波动较小;岩石失稳前单位载荷下潮湿岩石的升温幅度高于干燥岩石,水对岩石受力时的红外辐射具有明显推动作用,但破坏瞬间热像特征变化不很明显.干燥砂岩AIRT与应力的关系不是简单的对应关系,但在破坏瞬间出现显著的增温现象和热像特征的明显变化.可以利用潮湿岩石AIRT与应力的良好同步性监测潮湿岩石的应力变化过程,利用干燥岩石破裂瞬间的热像变化特征分析岩石灾变的空间位置与灾变模式.     

高温遇水冷却岩石循环加卸载力学性能试验研究

为研究高温遇水冷却后不同岩性岩石在循环加卸载条件下的物理特性和力学响应特征的变化规律,对高温遇水冷却后的花岗岩、大理岩及绿砂岩试件分别开展了单轴压缩和循环加卸载试验. 结果表明,当加热温度超过400 °C后,三类岩石的体积增长率显著增加,400 °C可以作为三类岩石物理参数发生突变的阈值温度.总体上,三类热处理水冷却岩石的单轴抗压强度随温度的升高而降低,但花岗岩在200 °C温度处理后峰值强度比常温时有所增加. 在循环荷载作用下,花岗岩滞回曲线接近于线性,上限应力较高且不可逆变形小;而绿砂岩和大理岩的上限应力低于花岗岩且变形较大.相同温度热冲击下滞回环宽度大小顺序为绿砂岩>大理岩>花岗岩.随循环次数的增加,三类高温遇水冷却岩样的塑性变形减小,弹性模量增大,试件强度较单轴压缩均有提高;随温度升高,破坏面裂纹更为发育,破裂岩屑更为细碎.      

岩石加载破坏红外温度标准差指标分析

岩石受载破坏过程中,岩石表面温度场会随应力增加而发生变化。对完整红砂岩开展真三轴试验,含裂隙花岗岩开展单轴压缩试验,试验过程中采用红外热像仪对岩石表面进行全程监测,以获取岩石表面温度,并引入温度标准差指标,用温度标准差来反映岩石破坏过程中表面温度场变化特征,研究岩石破坏前温度标准差异常变化,以获取岩石破坏前温度标准差的异常变化特征,将这种异常变化作为岩石破坏的一种前兆信息。结果表明:岩石破坏前温度标准差会出现异常上升现象;含裂隙岩石的温度标准差敏感性远高于完整岩石;相较于温度曲线异常转折性变化,温度标准差异常出现时间更早且现象更明显。温度标准差异常反应作为岩石破坏的一种预警信息,为岩石破坏预警信息研究提供理论参考。     

水对粉砂岩受力破裂红外辐射温度敏感性实验

为研究含水粉砂岩破裂过程中红外辐射温度变化对应力的敏感程度,采用实验与数据分析的方法,对粉砂岩单轴加载红外辐射温度进行分析.研究结果表明:水对粉砂岩破裂红外辐射敏感性影响较大,且存在一个临界转换点(质量分数1.464%).当质量分数MF1.464%时,质量分数增大"红外辐射-应力"的敏感性增强;反之,敏感性减弱.另外,MF=2.563%是水对红外辐射温度变幅影响的一个关键点.低于2.563%时,质量分数增大红外辐射温度降幅增大;反之,红外辐射温度降幅减小.     

岩石破裂前红外热像的时空演化特征

以花岗闪长岩和大理岩试件单轴加载红外观测实验为例,对岩石破裂前红外热像的时空演化特征进行了分析.结果表明:岩石在塑性变形阶段随着微破裂的产生出现热像空间分异现象,表现为在未来剪性破裂位置出现高温异常条带,且高温异常条带之间的区域出现低温辐射异常,这种热像异常特征是岩石宏观破裂的早期红外前兆.而临失稳前热像整体表现出的短暂降温是岩石宏观破裂的晚期红外前兆.两种红外前兆的出现及其空间特征与岩石破裂形式及应力场分布格局有密切关系.     

不同高径比石膏试样破坏特性及其能量耗散

采用RMT-150B岩石力学试验机,对七种不同高径比的石膏试样进行了单轴压缩试验,分析其力学特性及其破坏特征.根据单轴压缩力学试验结果,利用能量耗散理论,分析其能量耗散特性.研究结果表明:随轴压应力的增加,石膏试样内部微裂隙先闭合,而后在其尖端产生了新裂隙;新裂隙随轴压应力的增加而逐渐地扩展、贯通、形成破裂面,最终发生剪切滑移破坏;石膏试样的体积应变随轴压应力的增大,经历了先压缩后增加,最后急剧膨胀,表现出明显的非线性变形;石膏试样的峰值应力、弹性模量随高径比的减小而增大;轴向应变和横向应变随高径比的减小而减小;变形模量与高径比之间的关系不明确,不能用其表征石膏试样的变形特性;高径比越大的石膏试样受压后容易发生剪切破坏,破坏时吸收的能量增量越快,属于脆性破坏,而高径比越小的石膏试样则发生压酥破坏,属于塑性破坏.     

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栽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。     

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。     

含水岩石动态抗压强度与微观机制

通过选取云南迪庆某地区红砂岩进行不同含水状态和不同脉冲强度下的SHPB试验和SEM试验,分别从宏观和微观角度研究含水岩石的动态强度特性及其破坏机制。结果表明:静态或动态单轴压缩时,随着含水率的升高,岩石的强度均降低;根据SHPB试验中的应力-应变全过程曲线,含水试样体积压缩变形明显,具有较高的峰值应变,峰后有应变软化特征,而干燥试样具有较高的峰值强度,峰后应力迅速跌落;根据各试样的动态抗压强度变化曲线,相同脉冲强度下试样的抗压强度随含水率的增加而降低,而相同含水状态时的抗压强度随脉冲强度的增加而增大;根据SEM图像,饱水试样颗粒结构疏松而干燥试样颗粒结构致密,冲击破坏机制饱水试样以初始微裂纹破裂和矿物边界或物相边界破裂为主,破坏时的动态抗压强度较低,而干燥试样还包括矿物颗粒直接剪断破裂,因此破坏强度较高。     

水-动力耦合作用下红砂岩动态强度及破坏机理

为探究水化学损伤下红砂岩的动态强度和破坏机理,通过自然、干燥和饱水红砂岩试样的静态单轴压缩和动态单轴冲击试验,结合岩石碎块的电镜扫描(SEM)图像,分析了不同含水状态和应变率荷载等级下岩石的强度特性,并基于损伤断裂理论分析了含水岩石微裂纹起裂和扩展机理.试验结果表明:红砂岩试样动态抗压强度随含水率的增加而降低,随应变率的增加而增大,饱水试样具有显著的应变率效应;冲击荷载下,饱水试样应力-应变曲线具有显著的体积压缩现象,峰值应变最大,塑性变形明显,而干燥试样弹性变形最大,峰前塑性变形最小;受孔隙水影响,饱水试样颗粒结构疏松多孔,胶结物质被溶蚀而使胶结作用弱化.根据最大周向正应力理论,对含水岩石的微裂纹起裂条件和扩展方向进行了讨论,并对裂尖的动态应力强度因子进行了修正.     

饱水状态下煤矿粉砂岩蠕变特性试验研究

为探究地下水对深部岩体蠕变力学特性的影响,利用ZYSS2000岩石高温高压蠕变仪对饱水状态下的煤矿深部粉砂岩开展单轴压缩蠕变试验。试验结果表明,煤矿粉砂岩在各级应力作用下,轴向和侧向蠕变曲线较为相似,主要表现为减速蠕变和等速蠕变,其中减速蠕变段历时较短,等速蠕变段历时较长;体积蠕变曲线表现出压缩向扩容转化的特征;随应力的逐级增大,煤矿粉砂岩的瞬时应变、蠕变应变及稳态蠕变速率整体呈增长趋势,但应力的增大对煤矿粉砂岩侧向变形的影响比轴向变形要大;粉砂岩蠕变过程中的等时应力-应变曲线,表明粉砂岩侧向的时效变形与非线性特性较轴向更明显。     

富水全、强风化砂岩强度特性试验及本构关系探讨

针对富水全、强风化砂岩的特点,进行了该砂岩的基本物理力学性质、化学成分实验,然后通过单轴、三轴压缩实验研究了爆破扰动、含水量、试样层理对砂岩应力-应变强度特性的影响。发现砂岩遇水软化,粘聚力大幅度降低,表现出显著的各向异性;爆破扰动后,岩石试样的单轴抗压强度减低,弹模减小,泊松比增大;由于砂岩具有明显的节理性,按两种方向加载所得到的岩石试样强度明显不同;根据实验所得应力-应变曲线特点,发现用修正的Duncan-Zhang模型可以很好地描述砂岩的前应力-应变曲线。     

冻融循环后大理岩单轴压缩破坏特性及规律研究

为研究大冶铁矿高边坡广泛分布的大理岩在冻融循环后单轴压缩破坏特性及规律,对岩样进行不同冻融次数和不同冻融温度下的冻融试验后,再进行单轴压缩试验。对比分析其单轴压缩应力-应变曲线及破裂面宏观形态,结果表明:经历冻融循环后的大理岩岩样,随冻融次数的增加和冻融温度的降低,岩样内部损伤趋重,弹性变形减弱而塑性增强;破裂面由张破裂向剪破裂转变,由多断面破裂转变为单一断面破裂;破坏模式由轴向劈裂拉伸破坏模式向轴向拉剪破坏模式逐渐过渡。     

干湿循环下宁明粉砂岩宏微观损伤劣化规律研究

为揭示干湿循环下广西宁明地区粉砂岩损伤劣化规律,首先通过干湿循环试验模拟了岩石失水-吸水过程,分析了干湿循环作用下粉砂岩饱和含水率、纵波波速变化规律,并研究了干湿循环后粉砂岩的单轴压缩力学参数劣化特性以及微观结构变化,然后以弹性模量定义干湿循环后粉砂岩损伤,并基于Weibull分布定义受荷后粉砂岩的损伤,耦合得到了干湿循环作用下受荷粉砂岩的损伤演化方程。研究表明：随干湿循环次数增加,粉砂岩饱和含水率呈非线性增大,纵波波速、单轴抗压强度、弹性模量呈非线性减小,可采用指数函数进行拟合,且变化趋势均呈现出3个阶段;干湿循环作用对弹性模量劣化程度较单轴抗压强度劣化程度更为显著;阶段劣化度随干湿循环次数的增加而减小,总劣化度随干湿循环次数的增加而增大;峰值应变逐渐增大,岩样塑性得到了显著发展,破坏模式由脆性破坏向延性破坏转变。     

干湿循环作用下深部砂岩强度劣化及能量演化规律

为研究干湿循环对深部砂岩的强度劣化机制和能量演化规律,对经历不同干湿循环次数的砂岩进行基本物理参数的测定、单轴压缩试验和SEM观测,探讨砂岩单轴抗压强度劣化及单轴压缩过程中能量演化规律。试验结果表明：随干湿循环次数的增加,单轴抗压强度和弹性模量劣化效果明显,但平均劣化度逐渐减小,说明干湿循环对岩石的损伤劣化效果逐渐趋于稳定。干湿循环10次以后,砂岩在SEM下可以观测到明显的絮状物,单轴抗压强度降低明显,并呈现一定的延性特征。在单轴压缩试验中,随干湿循环次数的增加,砂岩试件中储存的弹性能逐渐减少,耗散能呈波动性下降。     

掘进应力扰动下细砂岩破裂规律及其强度损伤的实验研究

采用数值模拟和实验相结合的方法,以西铭矿回风大巷细砂岩为例,通过FLAC~(3D)精细化模拟,还原了巷道掘进过程中围岩应力加卸载路径,通过声发射探测仪掌握了未经历掘进应力扰动的单轴压缩和经历掘进应力扰动后单轴压缩的砂岩破裂过程声发射信号分布特征,揭示掘进应力扰动作用对岩石强度的削减效应以及对破裂发育的影响规律。结果表明:掘进应力扰动对岩石极限强度存在显著的削减效应,强度削减幅度约为11.43%;掘进应力扰动改变了试件主裂隙发育及扩展方向,单轴加载路径下试件裂隙自下部萌生并上行发育直至形成贯通断裂带,而经历掘进应力路径后试件裂隙亦自下部萌生,但主裂隙起裂位置调整至岩石上部,并下行发育直至试件中形成完全贯通的宏观断裂面。掌握掘进应力扰动作用下围岩破裂初期规律及其后期围岩变形、破坏特征的影响规律,对确定合理的采动围岩支护方法具有重要意义。     

含水率对岩石强度及出砂影响研究

储层含水量增加,岩石的强度减小,出砂风险增大。油藏出砂将降低油气产量,损害井下装置和地面设施。针对流花油田弱胶结储层,开展储层岩石不同含水饱和度时的单轴强度实验,揭示了出水对储层出砂影响的机理,并通过经验方法对不同含水率储层的临界生产压差进行预测。结果表明:含水饱和度与岩石单轴强度呈指数递减规律。含水饱和度越高,岩样的单轴抗压强度越低。含水率对岩石强度及出砂影响程度,取决于砂岩内蒙脱石、伊蒙混层等易水化黏土矿物的含量和含水率大小。     

岩石与类岩石单轴压缩过程中力学及声发射特性对比研究

开展石灰岩、砂岩与类岩石的单轴压缩声发射实验,从力学参数、破坏形态及声发射时域参数、频谱特征等多角度对比分析其破裂过程的异同。研究结果表明：石灰岩、砂岩在达到峰值应力后瞬间破坏,为脆性破坏;而类岩石在峰值应力后依然有残余强度,为塑性破坏;前者在临近破坏前会出现标志破坏前兆的声发射低事件率缺失现象,后者不明显。岩石声发射事件率呈现前低后高特征,类岩石则为‘高-低-高’,相应的声发射能率表现出高度的一致性;不同变形阶段两者的声发射频带分布不同,反映出两者内部破裂演化的差异性。     

砂岩单向压缩条件下的变形特性及破坏模式研究

以晋华宫煤矿某巷道顶板砂岩为研究对象,利用MTS815.03型岩石材料试验机对试样进行单轴压缩试验。分析和研究了砂岩在单向抗压荷载作用下的变形特性和破坏模式,得到以下结论:1岩石试样在单向压缩条件下的破坏模式主要有劈裂模式、剪(主)+拉(次)模式、劈+剪共存等三种模式。具体表现为单裂纹劈裂贯通、多裂纹劈裂贯通以及剪切破坏等;2根据能量耗散理论,提出了单向压缩条件下试样破坏模式与耗散能之间的关系,认为试样破裂模式与试样破裂前后的能量指标关系不大,而与试样破裂前后的耗散能比值有直接的关系,比值越小,试样破裂的块体越小,比值越大,试样破裂的块体越大。