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.     

煤岩的红外信息随应力变化的实验研究

利用红外遥感技术对煤和岩石加载直至破裂过程中的红外辐射信息进行了实测研究,结果发现：煤和岩石的红外辐射温度场随应力状态的改变而发生显著变化,破坏前这些变化表现出前些前兆信息特征。这将为预测、预报地震及煤岩灾害动力现象研究提供依据。     

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。     

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。     

岩石加载过程声波波速变化规律实验研究

通过对花岗岩、片麻岩、大理岩和砂岩进行加载,探寻岩石波速随应力变化的响应特征.实验结果表明:花岗岩和片麻岩在线弹性加载阶段,波速-应力呈线性上升;波速达到峰值之后,波速-应力为二次函数非线性变化,再继续加载则岩样发生破坏.大理岩及砂岩在整个加载过程中波速基本保持恒定.依据成岩类型将波速变化分为两种类型:Ⅰ型,波速线性增加—峰值波速—缓慢下降—突然下降(破坏);Ⅱ型,波速不变—突然下降(破坏).在循环荷载作用下,岩石在线弹性加载阶段,波速呈线性上升;当增加到一定载荷,波速突然下降,岩样发生破坏.以上研究表明,在线弹性加载阶段,波速增加主要是密度变化引起的,裂纹萌生、扩展、贯通直接影响波速随应力的...     

裂隙花岗岩卸载损伤破坏全过程CT实时试验

利用自制的CT专用岩石三轴试验加载设备,完成了单一裂纹岩石卸围压应力作用下损伤破坏全过程CT实时监测试验.得到了非常清晰的裂隙岩石卸围压破坏全过程中从裂纹发展、贯通到破坏等各个阶段的CT图像.结果表明,裂隙岩石的卸载破坏具有突发性.     

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.     

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。     

单轴压缩条件下预制裂隙类岩石材料实验研究

为研究裂隙类岩石材料在单轴压缩条件下的力学性质及裂纹扩展规律,通过在试样中预埋铁片的方法,制备出含不同裂纹条数和裂纹倾角的裂隙类岩石材料;采用RYL-600剪切流变仪对试样进行以负荷控制方式进行单轴加载,并使用数码相机记录试样加载过程中裂纹的起裂、扩展和贯通过程.着重对60°×18条裂隙类岩石材料的实验结果进行详细分析,观察其轴向应力-轴向位移曲线,曲线呈现出3次明显的应力跌落阶段,结合试样在试验过程中的录像,将裂纹的扩展分为3个阶段.并且,通过FLAC3D数值模拟软件对60°×18条的试样进行数值模拟研究,获得了数值模拟实验加载过程中的轴向应力-轴向位移曲线和模型破坏切片图,分析其破坏方式和破坏模式,并与物理实验对比,两者吻合较好.     

声发射信号预测山体滑坡基础性试验研究

对现场取样并二次加工的岩石样本采用深梁三点加载方式在5种工况(变速加载、匀速加载、破坏形态改变、加载环境改变以及尺寸改变)下进行剪切加载至破坏,以模拟岩体滑坡.进而基于声发射理论,利用声发射传感器对试验样本破坏全过程中的声发射信号进行实时采集,并形成相应位置的声发射信号随时间变化曲线.最终通过声发射信号曲线变化特征识别区分出岩石样本加载破坏整个过程中的不同阶段.试验结果证明,基于传感器合理布置位置,通过观察声发射信号曲线变化特征可以对山体滑坡面中关键点破坏的预警提供较好的判断依据,从而通过对多个关键点破坏位置的预警来预测滑坡面的早期形态,为今后声发射信号预测山体滑坡的工程应用提供试验基础.     

天空冷背景下受力岩石微波辐射特征实验研究

分析了环境因素对微波辐射观测的影响机理. 以此为基础,在天空冷背景条件下,利用岩石试验机、微波辐射计、声发射、温度测试仪等,开展了岩石弹性变形阶段循环加载微波辐射变化特征的室外观测实验. 结果表明,在天空冷背景下能可靠获取岩石受力变形过程中的微波辐射能量变化信息. 花岗岩弹性变形阶段的微波辐射亮温变化与应力间呈同步性很强的正相关关系,相关系数达0.94; 岩石表面的温度变化与应力间亦呈正相关,但其变化滞后于应力变化,且单位应力的微波亮温升幅远大于表面温度升幅. 实验证实了利用微波辐射观测手段可有效探测岩石受力引起的岩石内部应力状态的变化.     

不同加载速率下岩石红外辐射效应的试验研究

为研究加载速率对岩石试样红外辐射效应的影响,对花岗岩进行不同加载速率下单轴压缩实验,监测其红外辐射的变化。研究结果表明:随着加载速率增加,花岗岩试样抗压强度逐渐增加,从初始加载直至破坏的时间明显减少,初始压密阶段变长,弹性阶段的斜率逐渐变小;加载速率对红外辐射效应的影响体现在红外热像和平均红外辐射温度变化量上,在花岗岩红外热像图上表现为热像图上的高温区域不断扩大;试样的平均红外辐射温度变化量(?t_(AIR))随着加载速率提高逐渐增大;在较高加载速率下,?t_(AIR)曲线的斜率呈指数函数增大,即花岗岩试样的红外辐射效应越来越明显。     

单轴压缩下粉砂岩声发射事件与撞击对比试验研究

为更深入地研究岩石受载失稳过程中声发射(AE)撞击和事件参数对岩石内部损伤的响应关系,试验采用PCI-2全数字化声发射信号采集分析系统及TAW-2000型微机伺服岩石力学实验系统,对粉砂岩进行单轴加载声发射监测,观察粉砂岩在单轴加载过程中声发射事件参数与撞击参数的变化特征。通过参数对比分析,发现事件参数与撞击参数对粉砂岩破坏表征的优劣性,得出如下结论:AE撞击参数较AE事件参数变化趋势明显,更能体现岩石内部损伤过程;在岩石受载中期声发射活动相对前后期较为平稳且各参数值也相对偏低;在粉砂岩未处于失稳破坏阶段时,撞击数与事件数的变化趋向相同;但受载末期撞击数迅速增加而事件数很少,两者变化呈不同趋向,其直观地反映出岩石内部裂隙发展过程。     

基于图像检索技术的受载煤样裂隙演化规律

在煤岩试样破坏过程中进行CT扫描测试,可实现煤岩试样内部裂隙结构可视化表征,但是在加载过程中,因试样位移变形,会引起扫描层定位不准确,进而影响试验结果。为了解决这一问题,笔者利用图像相似性检索技术,检索出受载试样在不同应力水平下的最相似的CT图像,从而更加准确的描述受载煤样裂隙演化规律。研究结果表明：(1) 在三轴压缩破坏过程中,试样应力应变曲线分为5个明显的阶段,即初始压密阶段、线弹性变形阶段、塑性屈服阶段、峰值破坏阶段以及残余变形阶段。(2) 基于感知哈希算法的图像检索技术能够准确识别并定位不同应力阶段相似度最高的CT图像,且CT图像相似度随着轴向荷载不断增大而逐渐降低。(3) 在整个三轴加载过程中,CT图像的相似度绝对差均值表现出两个明显的变化阶段：缓慢增加阶段和快速增加阶段。(4) 分形维数可以定量描述裂隙演化,受载样品破坏过程中分形维数主要经历了缓慢减小,缓慢增大,快速增大三个阶段。     

裂纹长度对裂隙岩体力学特性及破坏模式的影响

采用伺服控制岩石力学试验机对水泥砂浆材料制备的类岩石试件进行单轴加载,利用颗粒流离散元软件对岩体进行单轴加载数值模拟试验,研究不同预制裂纹长度下裂隙试件的力学特征及破坏规律.结果表明:随着裂纹长度的增加,裂隙试件的峰值强度、峰值应变和弹性模量均减小,裂隙模型脆性减弱,延性增强,且随着裂纹长度的增加,弹性模量的降幅逐渐增大,敏感度增强;引入强度劣化系数来定量分析裂隙试件的劣化特征,当裂纹长度从10 mm增加到15 mm时,劣化系数增长迅速,试件强度下跌明显,强度敏感度最大;裂纹长度影响裂隙试件的最终破坏模式,在0°原生裂纹下,随着裂纹长度的增加,裂隙试件的破坏模式由剪切破坏为主变为剪切、张拉复合破坏再转化为出现宏观裂纹的张拉破坏.     

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。     

水压致裂作用对岩石渗透率影响数值模拟

针对在低渗透油、气田和煤层气开采过程中,水压致裂增透机理应用中的问题.基于流固耦合理论,考虑损伤和应力变化对渗透率的影响,运用岩石破裂过程流固耦合分析系统RFPA,进行了单孔水压致裂过程对岩石渗透率影响的数值模拟研究.实验结果表明,水力压裂过程中水压力不断增加致使裂隙萌生、扩展,岩石破裂失稳;水压力与裂隙长度呈强烈非线性关系;裂隙扩展提高岩体渗透率,渗透率数值上增加1-2个数量级,裂隙扩展过程中主裂隙附近岩体渗透率高于非破坏区岩体渗透率.     

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。     

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.     

含单裂隙复合岩层强度与裂纹扩展特征模拟研究

与单一岩层类似,不同力学性质岩层复合而成的复合岩层中也有裂隙的存在,但其力学特性和裂纹扩展、破坏模式等却与单一岩层不尽相同.本文首先通过模拟试验确定出两种力学性质差异明显的软硬岩石材料,并以此为基础组成一种复合岩层的模拟模型;通过改变复合岩层夹层与加载力方向之间的夹角β,研究了单轴压缩下无裂隙、裂隙倾角α为45°与135°时复合岩层的峰值强度、弹性模量等宏观力学特性随β角变化而变化的规律,得到了不同β角时单裂隙在复合岩层中的扩展过程以及最后的贯通破坏模式,最后通过模拟试验过程中的声发射(AE)分析,探讨了复合岩层中单裂隙扩展过程中复合岩层内部的变化情况,分析了软硬复合岩层在单裂隙存在情况下单轴受压的破坏机理,为后续的相关试验与模拟研究工作做了初步试探.