岩体脆性破裂失稳临界应力特征重正化群研究

岩体通常是由节理和岩桥组成,大量岩体工程破坏和失稳多是由于系统中较硬介质突然脆性破坏所致.把岩体脆性破坏过程看作一个逾渗相交过程,假定岩体细观微元体强度服从Weibull分布,基于系统在逾渗阈值处有尺度不变的性质,利用重正化群方法在求得一维和二维条件下系统逾渗阈值的基础上,首次研究了三维重正化群条件下岩体脆性破坏在逾渗阈值附近的临界特性,为相关问题三维重正化群研究提供了解析解参考,并揭示了如下规律:(1)维数一定时,逾渗阈值p*随着形状参数m的增大呈减小趋势;当形状参数m一定且m较小时,逾渗阈值p*随着维数增加而降低;当形状参数m一定且m较大时,逾渗阈值p*随着维数增加呈逐渐增大趋势.(2)形状参数m一定时,关联临界指数v随着维数增加呈降低趋势;维数为1时,关联临界指数v随着形状参数m的增大呈衰减趋势,而对于二维、三维的情况,其随着形状参数m的增大基本呈增大趋势.(3)对于一维、二维情况而言,体积膨胀点与峰值强度点所对应的应力之比σed/σf随着形状参数m的增大呈减小趋势,三维则正好相反,σcd/σf随着形状参数m的增大呈增大趋势.特别需要指出的是,在维数、形状参数m一定时,σcd/σf为定值,说明对于特定的岩石破裂过程,其膨胀点处应力与峰值应力之间存在某种联系,可能遵循一定的规律,这对于宏观岩石破裂现象(诸如边坡失稳、岩爆、地震等)的预测具有一定的启示意义.     

脆性岩石全应力应变过程中渗透性突变研究

针对岩体结构与渗透性对应关系的复杂性,直接建立二者的量化关系模型存在极大的技术难度问题,利用伺服渗透试验结果,分析脆性岩石全应力应变过程中渗透性演化和加载变形破坏特征,得出渗透性变化过程中存在跳跃突变点,该点处的应力和临界破坏强度以及岩石体胀点处应力处于同一应力水平;通过岩石统计强度分析,借助重整化群理论,在岩石试样承载能力概率函数基础上推导出脆性岩石临界破坏强度与峰值应力比值的表达式,该比值随围压增大而减小.用该公式预测伺服渗透试验中的渗透性突变点位置.研究结果表明:大多数脆性岩石预测值与试验值较吻合,误差在-0.089～0.058之间,验证了该表达式的合理性.     

高应力下脆性岩石卸荷力学特性及数值模拟

高地应力下脆性岩体工程开挖变形机理、稳定性评价及灾害控制技术研究一直是岩石力学和工程地质研究的难点问题。基于高应力下脆性岩石卸荷力学试验分析,明确了卸荷过程中的岩石力学参数及变形破坏演化规律,发现高应力下脆性岩石的破坏具有较明显的应变强度特征。分析了高应力下脆性岩石卸荷破坏采用张拉屈服的Griffith应变强度准则的合理性,建立了考虑卸荷屈服引起岩体力学参数变化的弹脆塑性数值计算方法,并在实际工程中得以验证。     

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.     

岩石点荷载与单轴压缩全过程声发射数值模拟研究

利用岩石破裂过程数值模拟软件RFPA对点荷载与单轴压缩下岩石破裂的全过程进行数值模拟,得到了两种不同加载方式下岩石破裂全过程力学特性和声发射特征。通过对比研究两种加载方式下载荷与加载步、声发射事件与加载步、声发射能量与加载步之间的关系,结果表明:岩石在弹性变形阶段的中后期,声发射事件与能量都在显著增加,接近峰值应力时,声发射进入相对平静的阶段;单轴压缩与点荷载两种不同加载方式下,岩石整个破坏过程的声发射规律与特征具有较好的一致性。     

片状岩石全应力应变压缩过程及力学机制试验研究

为了解片状岩石的全应力应变压缩过程及力学机制,利用RMT-150C岩石力学刚性伺服试验系统,对绿泥石片岩和云母石英片岩进行压缩力学试验.基于试验结果,得到岩石全应力应变压缩过程,提出峰前压密、线弹性、微裂隙稳态扩展和微裂隙不稳态扩展4个变形阶段以及峰后应变软化、残余应力稳定两个变形阶段,分析岩石在各阶段的强度变形特性以及体应变、横向应变和轴向应变之间的关系;详细探讨压缩条件下水对试样物理力学性质的影响规律,重点对比峰值强度、弹性(变形)模量等指标的敏感程度和围压效应;并揭示片状岩石在压缩状态下的破裂模式,将整个破坏过程分为单一剪切破裂、鼓状破裂、Y字形破裂及平行劈裂4种形式.     

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。     

两种岩石的不同类型渗透特性实验及其机理分析

为研究岩石不同渗透特性,对石灰岩和闪长岩进行了瞬态渗透实验,研究了岩样全应力-应变过程中的渗透率演化规律以及孔隙压差与时间的关系,并建立了岩样变形破坏过程的应变-渗透率方程,最后分析了这两种不同类型岩石渗透机理.实验结果表明,闪长岩的渗透率在峰前很低且基本不变,在峰值强度时产生"突跳"现象,石灰岩的渗透率在岩石强度峰值前后随岩石变形逐渐增大.应变-渗透率曲线的拟合方程更能深刻描述岩石破裂过程的渗透规律,孔隙压差与时间的变化关系呈一元四次多项式的关系.岩石渗透性与岩石的应力状态和岩石内部结构及力学性质有关.     

三向应力下岩石的强度和变形特性研究

为探讨岩石在三向应力作用下的强度和变形破坏规律及影响因素,采用MTS815电液伺服岩石力学试验系统,分别对砂岩和灰岩进行了三轴压缩试验。基于岩石的应力应变曲线与莫尔-库伦准则,对其残余强度、抗剪强度参数和弹性模量等力学变形特性进行了研究,并分析了孔隙率对岩石各类参数的影响。结果表明:围压对岩石的破坏特征有显著影响,岩石由低围压控制下的脆性破坏逐渐转变为高围压控制下的塑性破坏;横向应变的变化规律与侧向压力作用关系不明显,岩石在峰值应力处的横向应变几乎为定值,应力刚降至残余强度时的横向应变也近似为定值;与砂岩相比,灰岩的孔隙率较低,因而内摩擦角较大,峰值强度也越高,峰值后的残余强度降低得越明显;围压对低孔隙率岩石的弹性模量影响较小,而高孔隙率岩石的弹性模量随围压增加而增大。     

含陡倾角软弱结构面的花岗岩力学特性及声发射特征

利用MTS 815.03岩石试验机对试件进行三轴压缩试验,采用DISP声发射测试系统进行声发射数据收集,并对含陡倾角软弱结构面的岩体试件和岩石试件进行试验对比.两种试件随围压的增加强度逐渐增加,破坏由脆性向延性转变;岩体试件总是沿结构面滑移破坏,岩石试件为剪切破坏.随着围压的增加,两种试件的弹性模量、变形模量、峰值应变和峰值强度增加;岩体试件弹性模量、变形模量值和峰值强度低于岩石试件,而峰值应变高于岩石试件.岩体试件内摩擦角小于岩石试件,而黏聚力大于岩石试件.随围压的增加,两种试件在峰值应力阶段声发射事件远高于其他阶段,而岩体试件声发射事件集聚量远远高于岩石试件.研究结果表明软弱结构面的存在降低了岩体的力学性质,因此在高放废物地质处置库选址时结构面发育特征是需要考虑的关键因素.     

峰后脆性对非均质岩石试样破坏及全部变形的影响

在平面应变压缩条件下,采用FLAC模拟峰后脆性对含初始随机材料缺陷的岩样的破坏过程、前兆、声发射及全部变形特征的影响.利用若干FISH函数预置初始随机缺陷,计算全部变形特征,并统计每10个时间步内的破坏单元数.密实的岩石服从莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为.缺陷在破坏之后经历理想塑性行为.不同脆性岩石的峰后的应力-轴向应变曲线、应力-侧向应变曲线、侧向应变-轴向应变曲线、体积应变-轴向应变曲线及由侧向应变及轴向应变计算得到的泊松比-轴向应变曲线于应力峰值之前发生分离.由于缺陷的依次破坏,在初始加载阶段之后,计算得到的泊松比随着轴向应变的增加而直线上升,这使侧向应变增加的速度超过轴向应变增加的速度.随着峰后脆性的降低,岩样失稳破坏的前兆变得明显,破坏变得不突然.脆性越强的材料,体积膨胀之后发生应变软化越早;剪切应变集中的位置越少;在硬化阶段及软化阶段,声发射持续的时间越短.     

点载荷作用下岩石塑性特征及分类

为了研究不同种类岩石在点载荷作用下塑性特征,通过室内实验测定了花岗岩、细砂岩、黄砂岩、玄武岩、粉砂岩、红砖在点载荷作用下位移-载荷曲线,得到了6种类岩石力学特性和塑性特征。粉砂岩、红砖和玄武岩的强度接近;黄砂岩、花岗岩和细砂岩强度呈现线性增大,且与刚度变化趋势相一致。随着强度的增加,变形呈现先急剧增长后缓慢下落的特点。根据曲线规律对岩石进行分类和分级,黄砂岩、粉砂岩、玄武岩和红砖均属于脆塑性岩石;玄武岩为塑性岩石,细砂岩为脆性岩石。通过塑性系数对岩石进行分类,细砂岩为脆性岩石,级别为1级,塑性系数为1;玄武岩为塑性岩石,级别为6级,塑性系数为6~∞;花岗岩塑性黄砂岩塑性粉砂岩塑性红砖塑性。岩石越致密越均质,弹脆性越好;孔隙越多越离散,塑性变形越明显。     

脆性岩石破裂过程渗透性演化试验

为探讨脆性岩石变形破裂过程中渗透性的演化规律,利用电液伺服控制岩石力学试验系统(MTS815 02)对不同岩性的岩石进行了应力 应变全过程渗透试验·试验结果表明岩石的渗透率与其应力状态密切相关,岩石峰后的渗透率普遍远大于峰前,常在应力 应变曲线峰后区出现"突跳"现象,而造成这一现象的根本原因在于岩石内部细观结构的变化·并根据试验结果建立了峰值前后反映岩石结构变化特征的分段应力 渗透率关系方程,为建立描述岩石破裂过程应力 渗透率耦合数值模型提供了可靠的试验依据·     

花岗岩高应力强卸荷作用下力学特性试验研究

在对花岗岩岩样进行常规三轴加载试验的基础上,进行了峰前高应力条件下卸围压并维持q=σ1-σ3不变的花岗岩卸荷破坏试验,研究卸荷条件下花岗岩的变形、破裂特征,强度准则.结果表明:1)常规三轴破坏以轴向变形为主,卸荷破坏以径向变形为主,卸荷破坏特征以向卸荷方向发生径向变形和体积扩容为主,卸荷状态下脆性特征较加载状态下明显.2)在加载试验中,岩石基本上表现为剪切破坏,张性破裂成分很少.卸荷破裂时各种级别的张裂隙发育,剪性破裂面以共轭X或局部剪切破坏为主.3)在初始围压相同情况下,卸荷点越大,岩样从卸围压至破坏的时间越短,说明高卸荷点更容易导致岩石破坏.4)Mogi-Coulomb强度准则适合描述花岗岩高应力强卸荷作用破坏下的岩石强度特征.     

煤系岩石脆性破坏临界电磁辐射信息分析

根据煤系岩石加载破坏过程中的电磁辐射信息与其受载变形破坏过程的相关关系,分析了煤系岩石脆性破裂前的电磁辐射信号突增现象.通过试验数据和用岩石破坏重整化群理论系统研究岩石破裂前临界点的电磁辐射信息识别条件.单轴荷载条件下,临界点对应的应力和岩石峰值应力比值在其临界比大都在70%与80%之间,均值75%左右,误差在±9%以内,表明岩石内部微裂纹的形成与原有裂纹的扩展是电磁辐射活动的主要原因.上述研究可为煤岩动力灾害防治提供有力的依据.     

透明类岩石内蕴裂纹扩展变形试验研究

采用力学试验手段探究岩石受压情况下内部裂纹扩展贯通机理是了解岩石破坏失稳机制的重要手段。由于真实岩体内部裂纹无法直接观察其扩展过程,通过自行研制的透明类岩石材料在RMT-150B多功能全自动刚性岩石伺服试验机上进行单轴压缩力学试验,观察研究透明类岩石内部三维裂纹的扩展贯通机理。这一方法克服了真实岩体不透明的特点,更方便地观察岩体内部裂纹萌生扩展不同阶段的形状。通过对透明岩石内部布置不同长度和角度的裂隙,模拟不同长度和角度的原生节理裂隙对岩体破坏失稳的影响。研究结果表明:含预制裂纹的透明类岩石试件在压缩过程中三维裂纹的起裂扩展要比二维条件下复杂,大致经历了压密,弹性变形,裂纹扩展,脆性破坏四个阶段。含预制裂隙的试件其峰值强度和峰值轴向应变比完整试件均有明显降低,且预制裂隙的长度对峰值强度和峰值轴向应变的降低幅度有一定影响。试验成果无疑对分析真实岩体的破坏失稳机理有着重要的参考价值。     

单轴加载岩石损伤及声发射特性非均质效应的数值试验

为研究岩石非均质性对其力学特性的影响,运用岩石真实破裂过程分析软件RFPA2D,并采用岩石单轴常位移加载方式,分析不同均质度条件下岩石损伤演化模式和声发射特性.研究结果表明:均质度对岩石力学特性影响显著,随着岩石均质度的增高,岩石单轴加载损伤演化模式由延性向脆性过渡,宏观破裂弥散性降低,岩石峰值强度不断增大,当均质度大于30时,岩石峰值强度基本趋于稳定;岩石均质度较低时,单轴加载条件下岩石声发射体现出强度低、事件频率高的声发射特性,均质度增高时,岩石声发射强度也进一步提高,并且突变性增强.     

含预制裂隙花岗岩破坏的细观多相颗粒流模拟

基于断裂力学理论,分析了单轴压缩条件下,裂隙倾角对岩石裂纹起裂的影响.根据花岗岩矿物组分,建立了包含长石、石英和云母三相结构的细观颗粒流模型,模拟不同裂隙倾角下花岗岩的单轴压缩破坏过程,得到了花岗岩裂纹起裂、强度、应力应变、破坏形态等力学特征.研究结果表明:岩石试样优势起裂角为24°～30°,定向裂隙对裂纹起裂具有导向、促进作用;裂隙花岗岩的起裂应力和峰值强度随裂隙倾角的增大均表现为先减小后增大的变化趋势,当裂隙倾角为45°～60°时,岩石试件强度最低;裂隙花岗岩试样的压缩变形主要为裂隙面的变形,预制裂隙与新生裂隙的连接与贯通形成的宏观破裂面导致岩石破坏;花岗岩矿物组分比例对裂隙花岗岩强度有一定影响.     

低温冻结状态下岩石的变形特性及力学行为研究

为研究冻土地区不同含水状态下冻结岩石的力学行为,对凝灰岩和玄武岩冻土试件进行了常温20℃和低温-20℃下的单轴压缩试验和巴西劈裂试验.通过观察其变形行为和声发射活动,研究了其断裂破坏过程以及饱水率对材料强度和变形性能的影响.结果表明,冻结岩石的破裂过程分为以下几个阶段:Ⅰ阶段为裂纹气孔闭合;Ⅱ阶段为弹性变形;Ⅲ阶段为裂...     

高围压高水压作用下脆性岩石强度变形特性试验研究

对锦屏二级水电站引水隧洞大理岩、砂岩进行高围压高水压条件下全应力-应变过程三轴压缩试验,分析高围压高水压对脆性岩石变形、强度及脆-延转化特性的影响,探讨围压变化范围较大时岩石强度与围压及高孔隙水压之间的关系．结果表明：在较大围压范围内,有无施加水压力2种条件下,σ1与σ3之间均呈非线性关系;高孔隙水压力加速了岩石的脆性破裂,降低了岩石的强度．