单轴加卸荷过程中岩石声学特性及其与损伤因子关系

设计了岩石试块的单轴加卸荷实验.利用声发射观测动态检测损伤的扩展,通过超声波检测来定量评价岩石试块的损伤程度.结果表明:岩石在加载和卸载两种过程中都有新的损伤产生;其损伤扩展和演化过程可以通过声发射监测来动态观测,损伤演化的水平则可通过超声波的信号特征进行定量评价.     

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。     

深埋隧道白云岩试样岩爆模拟实验研究

基于深埋隧道开挖工程的高应力条件及构造应力发育特征,利用深部岩爆实验系统,模拟了两种构造应力条件下白云岩的岩爆过程:三向应力作用下板状试件瞬间卸载一个方向应力,保持其他两向应力不变或保持其中一向应力,增加另一向应力.实验获得了应力-时间、应力-应变、声发射特征及岩爆破坏规律.研究表明:本工程区内构造应力引发白云岩岩爆的可能性较大,岩爆临界深度为290m.竖向构造应力引发的岩爆表现为局部片状崩落,从卸载后发生时间看属于滞后岩爆;水平构造应力引发的岩爆强度更高,表现为块状弹射后整体破碎,属于瞬时岩爆.声发射峰值均出现在岩石裂隙发育段,而密集度最高值对应岩石破裂段.声发射峰值处的最大主应力约为岩石破裂时最大主应力的77.4%.     

基于声发射监测循环载荷下岩石损伤过程

应用声发射技术对循环载荷下岩石损伤过程进行了实验研究.基于加卸载响应比理论和损伤力学理论建立了循环载荷下岩石破坏过程中的内部损伤和声发射关系的数学模型,分析了循环加载方式下的岩石损伤演化过程和岩石失稳破坏的前兆.实验结果表明,岩石加载的声发射活动规律反映了其损伤过程;在循环加载条件下,随着载荷的增加,岩石在卸载过程中的损伤逐步增大,声发射数加卸载响应比Y值逐渐减小;对于大多数岩石试样而言,在其处于弹性变形后期时,声发射数加卸载响应比Y值达到(或接近)1并在小范围内波动,可以作为岩石失稳破坏的前兆,这对于循环载荷下岩石失稳破坏具有预测意义.     

红透山铜矿矿岩破坏过程中声发射实验研究

通过对红透山铜矿矿岩学轴压缩状态下声发射实验,分析了各种岩石产生声发射的机制及岩体破坏机制。实验表明,声发射的显著增加都发生在极限应力的95％,因此,声发射显著增加作为岩体破坏预报点是可行的。     

不同应力水平下红砂岩短时蠕变声发射特征

为认识岩石蠕变过程中的声发射特征,进行了短时蠕变声发射试验,研究了红砂岩在不同应力水平下的声发射特征.试验结果表明:在减速蠕变至等速蠕变过程中,声发射事件率与能率随时间的增大而减小,并且减小的幅度随着应力水平的增大而减小;当加载应力约为峰值应力的40%~60%时,声发射振幅随时间的增大而减小;当加载应力约为峰值应力的70%~80%时,声发射振幅保持相对稳定.在加速蠕变阶段,声发射振幅发生跃迁的频率显著增大,而声发射事件率与能率在加速蠕变的中后期开始增大.因此,可根据不同应力水平下的声发射特征,对红砂岩不同蠕变阶段进行辨别.     

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。     

金属矿山岩体声发射时间序列特征的试验和模拟研究

针对金属矿山特有的地理地质条件,开展相应岩石声发射试验,确定矿区矿体围岩的时间序列特征,获得岩石破裂冒落声发射参数的危险临界值,并深入研究形成该种声发射信号的破裂机制和破坏特征.然后分别对较均质岩石试样和含有结构弱面的岩石试件进行比较试验,总结弱面裂隙影响下的岩石试件产生声发射信号的规律.利用基于离散单元法的颗粒元程序进行含裂隙岩石试样数值模拟研究,通过降低接触面刚度来模拟岩石内部的损伤,通过不同的模拟条件来研究岩石的破坏情况.研究成果将为分析损伤岩体的声发射规律开辟一条新的研究途径.     

双轴加载下大尺寸岩石裂隙演化规律试验

为准确掌握深部岩体的破裂过程中失稳机制,对大尺寸试样进行了不同加载速率下的双轴加载试验,分析了试件破裂过程中裂隙演化规律和声发射行为特征.在大量试验的基础上,选取了由425硅酸盐水泥、砂子(粒径≤2 mm)、石膏、高效减水剂和水组成的砂浆材料,确定了各组分的最优配比.借助岩石应力-渗流耦合真三轴试验系统和PCI-2声发射监测系统,分析了不同加载速率对大尺寸试样裂隙演化的影响规律和破裂的声发射行为特征.结果表明:加载速率越大,大尺寸试样越容易产生反翼裂隙,发生突变性剪切破坏,而不同加载速率下试样破裂的声发射行为特征基本相似,当加载到90%σc时,声发射事件累计数瞬时增多,表现为裂隙的瞬时扩展贯通,导致试样最终破裂.     

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.     

脉冲水射流破岩过程中的应力波效应分析

引入Johnson-Holmquist-Concrete岩石非线性本构关系,利用光滑流体粒子动力学方法,模拟了脉冲射流在破岩过程中应力波形成、传播及衰减过程,得出了高速脉冲射流作用下岩石表面不同位置处应力值随时间变化曲线,以及应力波峰值强度与离射流作用点距离的关系曲线,根据计算结果分析了岩石在应力波效应下的破坏行为以及射流速度、岩石性质对应力波效应的影响。分析结果表明：脉冲射流的应力波效应具有较强的局部性,应力波峰值强度随与射流作用点距离的增大而急剧减小;脉冲射流应力波强度、作用范围与射流速度呈正比例关系,其对岩石的体积破坏存在一个门限速度;不同岩性岩石在脉冲射流应力波作用下的破坏形式有所不同,砂岩等强度较低岩石的破坏形式主要为应力波对岩石加卸载过程中的拉应力下的裂纹扩展,而石灰岩、花岗岩等脆性硬岩的破坏形式主要为应力集中导致的纵向破坏。     

考虑水-力耦合和不同应力路径的砂岩卸荷力学特性试验

为研究不同渗透压力条件下的岩石卸荷力学特性,选取砂岩为研究对象,开展了不同渗透压力和不同应力路径下的三轴卸荷试验,并与常规三轴试验进行对比,比较了不同应力路径下的岩石强度特性,分析了渗透压力对岩石变形和强度参数的影响。试验结果表明：渗透压力的增大会弱化岩石强度,岩石的峰值强度随渗透压力的增大而降低,而轴向变形随渗透压力增大而增加,渗透压力越大,岩石的压密段特征越明显;针对两种不同的卸荷应力路径,恒轴压卸围压路径条件下,岩石的黏聚力不断降低,内摩擦角不断增加,而加轴压卸围压路径条件下,岩石的黏聚力不断增加,内摩擦角逐渐降低。     

岩石的卸荷劣化及其本构模型研究

卸荷条件下,岩石的变形参数产生劣化效应,弹性模量E在卸荷较小时变化较小,随着卸荷量的增加其快速减小;而泊松比μ则随着卸荷量的增加而变大.岩石的破坏阶段,变形参数与其应力跌落量有关:E随着应力跌落量的增加而减小;并呈线性关系.根据岩石变形参数的变化规律,将卸荷条件下岩石的损伤本构模型分为三段:一般加载段、卸荷段、应力跌落段.结合试验证明修正的统计损伤本构模型较为符合实际.     

爆破开挖扰动作用下深埋隧洞的微震分布规律

基于地应力高、开挖断面大、日炮次多、爆破扰动强的施工环境下的微震监测数据,研究了爆破开挖扰动作用下深埋隧洞的微震分布规律.结果表明:爆破开挖卸荷影响范围内的微震活动既与围岩应力重分布有关,又与爆破扰动密不可分;爆破扰动是开挖卸荷影响范围之外微震活动的主要诱因,是时滞型岩爆孕育发生的重要影响因素之一;微震分布区域与爆破地点的相对位置及距离密切相关.研究结果可为钻爆法开挖下的隧洞岩爆防治提供参考.     

开挖卸荷洞壁围岩强度变化规律研究

基于非线性Hoek-Brown强度准则,对地下岩体开挖应力重分布后岩体强度的变化规律进行了研究。结果表明,由于应力卸荷洞周一定范围岩体强度发生明显降低,不同部位降低幅值不同,距洞壁位置越远降低越小。岩体表征参数GSI、单轴抗压强度σci降低,卸荷后岩体强度降低,应力扰动系数D降低,岩体强度升高。     

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.     

基于近场动力学的岩石不同应力路径损伤演化

加卸载效应普遍存在于各类岩土工程中,为研究岩体在不同应力路径下加卸载的力学响应和损伤演化规律,通过在传统键型近场动力学本构模型中引入键的损伤变量函数,以反映岩石材料应力应变曲线中先应变硬化再应变软化的非线性阶段,采用改进键型近场动力学模型数值模拟与室内细砂岩加卸载试验对照的方法研究了细砂岩在不同加卸载路径下的力学、损伤演化规律。结果表明：改进的键型近场动力学本构模型能够较好地模拟岩石材料先应变硬化再应变软化力学性质和在不同应力路径下的力学响应及损伤发展趋势;在常规三轴路径下,岩石的抗压强度与围压呈较严格的正相关变化;定义的损伤值可直观的对比出不同加卸载路径与常规三轴压缩下岩石的损伤发展情况,相对常规三轴压缩,卸荷路径加快了岩石材料的破坏,且升轴压破坏程度>恒轴压破坏程度>卸轴压破坏程度。     

岩石受载记忆的声发射实验研究

在刚性试验机上，对花岗岩试样进行了单轴循环加载试验，分析了试验过程中试样的状态参数、物性参数及声发射（AE）信息的变化规律，得到了四个不同循环加载阶段应力、应变及损伤因子与AE事件累计数的关系，并以Fencity比评判各参数对Kaiscr效应值记忆的准确性和稳定性。结果表明：岩石试样的物性参数（应变、损伤因子）对Kaiser效应值记忆的准确程度和稳定程度均好于状态参数（应力），岩石材料在受压变形过程中，“生的塑性变形是应力记忆能力出现Felicity效应的主要原因。     

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.