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.     

围压及孔隙水压对饱水砂岩能耗特征的影响

为研究含孔隙水压下岩石承载变形过程中的能量演化特征,基于有效应力原理推导出含孔隙水压下岩石承载变形过程中的能量计算公式.分析了围压和孔隙水压对岩石承载变形过程中能耗特征的影响,讨论了岩石输入能密度、弹性能密度和耗散能密度在扩容起始点和峰值点的差异,从能量耗散的角度解释了岩石扩容起始应力作为岩石长期强度参数的合理性.研究表明:岩样在扩容起始点和峰值点的输入能密度和弹性能密度与围压呈正线性关系,与孔隙水压呈负线性关系.岩样承载过程中的cd-c阶段的耗散能密度随围压的增大而增大,而孔隙水压的增大则导致该阶段耗散能密度的减小,其有效地弱化了岩石材料内部颗粒间的摩擦效应.此外,孔隙水压能量输入密度随岩样的体积应变变化,在高孔隙水压条件下,相同应力水平的各类能量输入密度的绝对值随孔隙水压的增大而增大.     

岩石损伤破裂过程与声发射特性耦合规律实验研究

采用MTS岩石力学试验系统和PAC公司SAMOS声发射监测系统,开展了灰岩、大理岩试样单轴受压破坏过程声发射特性试验,研究了岩石受力、变形过程中,声发射事件时间序列、空间分布、能量和b值等声发射参数特征,分析了岩样损伤破裂不同阶段与声发射参数的内在联系与特征规律.研究表明,岩石试件宏观破坏前,岩石中的裂纹处于非稳定扩展阶段,声发射事件急剧增加,达到弹性变形阶段的5～8倍,并逐渐向破裂面集中,弹性能加速释放,声发射累积能量急剧增加,为弹性变形阶段的103倍;声发射事件的振幅明显增加,可达弹性变形阶段的10倍;声发射波形峰值前的延续时间相对较短,频谱分散,出现多峰现象;通过对岩样的声发射源定位,有效采集到微损伤“积聚区”,该区域的微损伤密度明显大于试样其它区域;随着岩样中微裂纹的局部扩展、贯通直至岩样破坏,b值和M值发生显著变化,岩样破坏前b值急剧减小,声发射事件震级明显增大.     

类岩石材料压缩破坏力学特性及裂纹演化特征

为探究含预制裂隙类岩石材料压缩破坏的力学特性及裂纹演化特征,利用自主研发的YYW-Ⅱ应变控制式无侧限压缩仪及高精度声发射(AE)监测系统,研究了含不同宽度预制裂隙的类岩石材料试样在单轴压缩条件下的受力变形和破坏模式,探究了试样的裂纹演化过程,进而分析了预制裂隙宽度对类岩石材料破坏的影响规律。结果表明:预制裂隙宽度由3 mm增大到5mm时,试样的峰值强度减小,峰值轴向应变增大,压密阶段的应变量亦增大;试样的破坏模式由自身材料性质为主导的剪切破坏,转变为预制裂隙下半部区域张拉破坏诱发的剪切破坏;试样主要裂纹演化由沿预制裂隙面向顶部和下部的发展,转变为预制裂隙下半部区域发育裂纹向上部和底部的扩展。研究成果可为岩土工程相似材料模型破坏特征及裂隙演化的研究提供一定的参考。     

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.     

循环加卸载下岩样变形与强度特征试验

基于在伺服试验机上对不同晶粒大理岩样进行单轴循环加卸载试验,研究了岩石的变形与强度特征.结果表明,岩石材料具有明显的记忆性,岩样循环加卸载过程的外包络线与单调加载的全程应力-应变曲线相吻合,加卸载路径不能完全重复,应力与应变之间不存在一一对应关系,岩样的线性变形并不意味着弹性变形;循环加卸载对岩石力学参数的影响不是很大,其偏差在正常离散范围以内;整个循环加卸载过程中,岩样的杨氏模量及能耗并非常数;弹性阶段加卸载的平均杨氏模量基本一致,能够表征岩石材料的变形特性,且在弹性阶段能耗较少,而在裂隙压密、屈服和破坏阶段耗能较多;软弱岩样在加卸载过程中需要消耗更多的能量.     

裂隙岩体动力特性的试验模拟研究

针对地震、爆破等动力荷载作用下裂隙岩体的动力学特性问题,采用水泥浆制作试样,模拟具有不同数量平行贯通裂隙的岩体,利用Hopkinson压杆对试样施加应变率为100,140,170的动力荷载,得出试样在高应变率下的动态应力-应变曲线.对应力-应变曲线的分析表明:裂隙岩体具有应变率敏感性;破坏岩体的最终变形随着裂隙率降低而减小.     

高静应力和频繁动力扰动共同作用下矽卡岩动力学特性

为进一步揭示深部岩体受到开挖爆破等动力作用时的破坏机理,利用基于SHPB装置的动静组合加载试验系统,首次对中高应变率下矽卡岩在高静应力和频繁动力扰动共同作用时的变形特性、能量规律、破坏模式等进行了研究.随着冲击次数的增加,岩石的弹性模量先增大后减小,而每次冲击时的最大应变整体表现出先减小后增大的趋势,最后一次冲击时弹性模量骤降,最大应变突增,岩石试样发生破坏.单位体积岩石能耗为负值,说明在冲击动载的作用下岩石试样表现出释放能量的特性,这是由于高静应力作用产生的弹性应变能受动力冲击作用诱导而释放;随着冲击次数的增加,单位体积岩石释放的能量先增大后减小.结构致密、强度较高的矽卡岩试样随冲击次数的增加表现出劈裂破坏模式.     

强度比对类复合岩样冲击破碎特征的影响

为了保证复合地层中施工效率及工程安全,揭示动荷载作用下复合岩层的力学特征,通过分离式霍普金森压杆对三种不同强度比的类复合岩样进行动态巴西劈裂试验,基于破碎分形理论,探究强度比、应变率、入射角对类复合岩样的破碎程度及能耗特性的影响。试验结果表明：1）层理面倾角对类复合岩样破碎形态有较大影响,当应变率为146.36 s-1时,沿层理面加载试样易发生劈裂拉伸破坏,且强度比越低试样破坏所需吸收的能量越少;2）当入射角为0°时,类复合岩样分形维数随着强度比的增大而增大,但当入射角为90°时AC复合岩样（强度比为1.5）分形维数最大;3）类复合岩样吸收的能量主要用于裂纹扩展,单位体积内试样吸收的能量越大,试样越破碎,即类复合岩样分形维数与能耗密度呈正相关。     

基于数字散斑技术的压-剪裂隙岩体破坏过程分析

为了研究压-剪应力环境下裂隙岩体内部的裂纹起裂、扩展及破坏过程,采用水泥砂浆材料制作含不同倾角的非平行裂隙试样,并在刚性试验机上进行限制性压剪试验。与此同时,采用高分辨率电荷耦合器件(CCD)相机连续捕捉图像,并采用高精度数字散斑技术对变形图像进行处理,得到压剪加载过程中试样表面的应变场及位移场,进而获取非平行裂隙间的破坏过程。研究结果表明:压-剪应力共同作用下非平行裂隙试样的破坏形式基本可以分为脆性破坏和非脆性破坏;脆性破坏下,在加载初期试样内部的裂隙尖端并无翼裂纹产生,且试样破坏迅速,加载曲线峰后段加载力突然下降至残余值;非脆性破坏下,试样加载曲线可分为4个阶段,在压密阶段试样内部无裂纹产生,而在非线性变形阶段试样内部预制裂隙尖端将衍生出翼裂纹,加载过程中试样并未发生突然破坏,且加载曲线的峰后阶段加载力持续下降;此外,不同的裂隙倾角导致试样呈现出不同的破坏模式,当裂隙倾角为0°和180°时,试样内部断续裂隙间虽形成了贯通,但其主要破坏面是试样中部的贯通剪切破坏面。对于倾角为45°、90°和135°的情况,试样内部并未形成贯通式的破坏面,而是裂隙尖端衍生出的裂纹扩展至试样边界导致的破坏。     

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.     

考虑不同节理倾角和贯通率的类岩材料单轴压缩试验

为研究节理倾角与贯通率对类岩材料力学特性的影响,选用预制贯通节理类岩材料作为研究对象,对以节理倾角和贯通率为单一变量的两组砂浆试样进行单轴压缩试验。试验结果表明:节理倾角为0°时,随着节理贯通率的增大,试样的峰值强度、峰值应变以及弹性模量均不断减小;不同贯通率试样破坏时均呈现出整体张拉破坏的特征;节理贯通率相同时,随着节理倾角的增大,试样峰值强度呈现V字形变化趋势;试样峰值应变先减小后增大再减小,弹性模量先增大后减小再增大,二者呈现良好对应关系。通过对比节理贯通率和不同倾角对力学特性的影响,发现节理贯通率在试样强度、变形破坏过程中起主要影响作用。     

双孔洞裂隙砂岩裂纹扩展特征试验与颗粒流模拟

基于尺寸为80mm×160mm×30mm的双孔洞裂隙长方体砂岩试样单轴压缩试验结果,分析了双孔洞裂隙砂岩裂纹扩展特征,建立了双孔洞裂隙砂岩宏观应力-应变曲线与裂纹扩展过程的关系.利用颗粒流模拟程序,基于试验结果进行细观参数校准,进一步研究了裂隙倾角对双孔洞裂隙试样力学参数及裂纹扩展特征的影响.与完整砂岩试样相比,双孔洞裂隙试样力学参数显著降低,但降低程度与裂隙倾角密切相关.随着裂隙倾角的增大,双孔洞裂隙试样峰值强度先减小后增大,弹性模量呈逐渐增加的趋势,而峰值应变呈非线性变化.完整试样呈轴向劈裂脆性破坏,而双孔洞裂隙试样首先在孔洞上下边缘及裂隙的尖端附近萌生初始裂纹,裂纹的扩展与贯通导致了试样最终失稳破坏.最后探讨了双孔洞裂隙试样裂纹扩展细观机制:首先在裂隙尖端附近和孔洞边缘形成应力集中区,应力提高导致颗粒间黏结断裂,产生微裂纹;在应力集中区转移过程中不断产生新的微裂纹,微裂纹的汇集形成宏观裂纹.     

单轴载荷作用下岩石损伤演化及声发射特性研究

本文通过对两种不同岩石试样进行了单轴载荷破坏过程中声发射特性试验,得到了岩石全应力应变破坏过程中,声发射事件时间序列、事件累计数时间序列等声发射特性,分析了岩样损伤破裂不同阶段与声发射参数的内在联系与特征规律,研究表明,声发射信息反映岩石内部的损伤破坏情况,与其内部原生裂隙的压密及新裂隙的产生、扩展、贯通等演化过程密切相关,通过声发射事件数参数拟合出的理论应力应变曲线能够合理地反映岩石实际的应力应变和损伤演化特性,对预测预报岩石破坏失效的过程具有有着极其重要的理论价值和实际意义。     

含煤地层裂隙岩石声波速度特征试验研究

选取完整岩样、含裂隙岩样进行声波速度试验测定。统计分析试验结果得出：（1）裂隙的存在使岩石声波速度降低．声波速度降低的程度随裂隙张开度的增大而增大；（2）完整岩样纵横波速比的差小于0．1，含裂隙岩样纵横波速比的差大于0．1；（3）含裂隙岩样声波速度随围压的增大而增大，两横波速度差随围压的增大而减小。试验证明裂隙的存在降低声波在岩石中的传播速度，研究得出裂隙岩石声波速度特征，为煤田地震勘探研究的发展提供了基础性研究资料。     

单轴压缩作用下含不同倾角裂隙的类岩石试样力学特性

对含有不同倾角的预制裂隙类岩石试样进行单轴静载态压缩试验,研究裂隙倾角对于试样强度、破坏模式、破坏过程及裂纹起裂和扩展规律的影响。研究发现,含有预制裂隙的类岩石试样与完整试样的应力-应变曲线相似,可分为压密段、线弹性段、裂纹稳定扩展段、应变软化段和残余强度段。含裂隙岩石的峰值抗压强度随裂隙倾角的逐渐增大呈V字形变化,裂隙倾角45°时,岩石的峰值抗压强度最低,裂隙倾角0°和90°时,岩石的峰值抗压强度最高。裂纹的起裂角随裂隙倾角的增加而逐渐减小,裂纹的起裂速度和稳定扩展速度随裂隙倾角的增大逐渐增大。裂纹随载荷的逐渐增加,从预制裂隙尖端开始起裂,在初始加载阶段,由于岩石还具有一定的强度,裂隙扩展不明显,达到一定的载荷时,裂隙迅速而稳定扩展,直至完全破坏。     

SHPB加载下含不同倾角裂隙的类岩石试样力学特性

 为研究裂隙倾角对类岩石试样的强度与变形特性、裂纹扩展规律及破坏过程的变化趋势的影响,对含有不同倾角的预制裂隙类岩石试样进行霍普金森杆（SHPB）加载试验。研究发现,SHPB加载作用下类岩石试样的应变阶段分段不明显,基本不存在应变软化阶段以及残余强度段。SHPB加载作用下,类岩石试样的峰值强度的变化趋势与静载荷作用下基本相同。随着预制裂隙倾角变化呈先变大后减小的V字形变化。在裂隙倾角为45°时,试样的峰值强度最小,0°和90°试样的峰值强度与完整试样极其接近。且SHPB加载作用下的类岩石试样的强度增加比较缓慢,峰值强度基本都小于相同条件下静载荷的峰值强度。随着预制裂隙倾角的增大,起裂角逐渐减小。当预制裂隙倾角较小时（0°,15°）,起裂角接近90°。与静载荷作用下的变化趋势是一致的。SHPB加载过程与静载荷不同,类岩石试样从开始加载至完全破坏总时间为约为2 s,速度极快。     

基于三轴加卸载试验的花岗岩弹性模量变异与能量演化分析

为了研究岩体的变形特征和能量特征与其所处应力状态之间的关系，开展了5种围压下花岗岩的三轴循环加卸载试验.基于应力-应变曲线，计算了循环加卸载过程中花岗岩的弹性模量和能量密度，分析了应力状态对弹性模量及能量演化规律的影响.研究结果表明：轴向弹性模量随围压的增大而增大，随轴向应力的增大先增大后减小.轴向弹性模量与最大、最小主应力呈现良好的二次函数关系.随着围压的增大，能量密度与弹性能占比(弹性能与输入总能量之比)均显著增大，岩石储能能力提高；随着轴向应力增大，弹性能占比先增大后减小.弹性能占比减小阶段即岩石损伤加剧阶段，围压的增加延长了岩石的损伤演化过程.最后讨论了应力状态、岩石力学参数及能量状态的关联性.     

含裂缝页岩在围压下力学特性及破坏模式

以含缺陷岩石为研究对象,通过离散元法生成不同数量和角度的裂隙,研究裂隙数量、分布模式以及在围压条件对岩石力学特性和破坏模式的影响,结果表明：随着裂隙数量的增加,岩样的抗压强度呈现负指数变化,弹性模量呈现线性下降;随着裂隙数量和围压的增加岩样破坏对应的新裂缝数量随之减少,角度主要集中在90°左右并服从正态分布,围压对新裂缝不对称性具有抑制作用。垂直于最大主应力方向的原生裂缝对应力具有屏蔽作用,但围压可以有效减轻这种应力屏蔽作用。建立损伤变量力学评价方法,定量分析了裂隙数量和岩石损伤变量之间的关系。     

断续三裂隙砂岩单轴压缩裂纹扩展特征颗粒流分析

节理裂隙对岩石的强度破坏及裂纹扩展特征具有显著影响.为了进一步认识预制裂隙对断续裂隙岩石力学行为的影响,本文在一组经过室内试验标定的细观参数的基础上,进行了断续三裂隙砂岩试样单轴压缩颗粒流模拟.基于模拟结果,分析了岩桥倾角对裂隙砂岩试样应力-应变曲线、强度变形参数以及裂纹扩展特征的影响.研究结果表明:(1)峰值强度、弹性模量、峰值应变、裂纹起裂应力和贯通应力均随着岩桥倾角的增大呈先减小后增大再减小变化趋势,而裂纹损伤阈值与岩桥倾角之间无明显相关性;(2)岩桥倾角主要影响中间裂隙2的起裂模式,当岩桥倾角较小时裂隙2尖端不易萌生裂纹;(3)裂纹贯通模式和程度均与岩桥倾角密切相关.当岩桥倾角为0°、30°和60°时只有2处贯通,岩桥倾角为90°和120°时发生4处贯通,而岩桥倾角为150°时有5处贯通.裂纹贯通形式主要分为7类,而且断续三裂隙砂岩贯通模式是其中一类或多类贯通形式的组合.最后,从细观应力场和位移场角度讨论了岩桥倾角较小时中间裂隙2尖端裂纹较难起裂的原因.