平行裂隙砂岩破坏和声发射特性数值研究

为了研究加载速率对裂隙砂岩破坏特征和声发射响应的影响,利用RFPA2D数值模拟软件对单轴压缩条件下的预制平行裂纹砂岩进行模拟,分析不同加载速度下的力学特性、声发射响应特性和裂纹演化规律。结果表明:随着加载速率的增加,平行裂隙砂岩峰值强度、峰值应变、岩桥破裂强度和岩桥破裂应变都相应增大;峰值声发射计数也随着加载速率的增加而增大;当加载速率较小时,声发射信号较为丰富,试样破裂以沿预制裂纹扩展的剪切破坏为主,当加载速率较大时,声发射信号更加集中于破裂瞬间,最终的主裂纹为与加载方向平行的张拉裂纹。     

含弧形预制裂隙砂岩力学特征试验研究

天然岩体中富含近似弧形裂隙缺陷,在外荷载作用下弧形裂隙容易萌生新生裂纹,新生裂纹的扩展容易导致岩石工程的失稳,但针对含弧形预制裂隙岩石力学相关特征的研究还不够全面,基于此在板状黄砂岩试样内预制了不同γ值(弧形高度和直径比值)的弧形裂隙,研究含弧形预制缺陷砂岩的力学特征。利用高压水射流切割机在完整板状黄砂岩试样中切割出不同γ值弧形裂隙缺陷,采用YNS-2000型电液伺服控制试验系统、DS2声发射和数字照相采集系统研究了不同弧形裂隙γ在单轴压缩作用下对黄砂岩峰值强度、平均模量、割线模量、声发射、破坏过程、起裂形式、起裂应力和破坏形式的影响规律。利用复变函数求解在弧形裂隙应力场中所构建的黎曼-希尔伯特问题,获得尖端应力强度因子表达式。试验结果表明:①弧形裂隙缺陷砂岩试样随着γ的增大,峰后试样的承载能力逐渐降低,试样峰值强度、平均模量和割线模量出现总体减小趋势,当γ=0.2时峰值强度最大为27.09 MPa;当γ=1时峰值强度最小为18.99 MPa。②预制弧形裂隙γ对试样起裂应力、起裂位置、破裂演化过程、声发射特征和破坏模式均具有重要影响,随着γ值的增大,试样起裂应力呈总体减小趋势,当γ=0.8时,试样的平均起裂应力最小,其值为4.99 MPa;当γ=0时,试样的平均起裂应力值为11.08 MPa,平均起裂应力值最大。③随着γ的增大,试样的破坏模式由拉剪混合破坏向拉伸破坏转变,当γ=0时,试样为拉剪破坏;当γ在0.2～1.0时,试样为拉伸破坏。初始起裂裂纹扩展并不是导致试样最终破坏的原因,次生裂纹的扩展与自由面贯通才是导致试样整体破坏原因,试样破坏瞬间释放大量弹性能导致岩块折断和表面剥落现象。通过对含弧形裂隙裂纹扩展机制探讨推导出应力强度因子表达式,并根据该表达式求出相应应力强度因子值,曲线拟合后发现其变化趋势与试验值变化趋势基本吻合。研究仅通过单轴压缩作用研究发现弧形裂隙γ对砂岩力学参数、破裂演化过程和破坏形式影响明显,为了充分研究外界荷载对含弧形裂隙砂岩的破坏特征,将通过改变加载形式和加载路径深入研究含该类缺陷岩石的力学特征。     

不同加载速率对含孔试样变形特性影响研究

为研究瓦斯抽采钻孔的静态加载速率效应,以含预制贯穿孔试样为实验对象,开展不同加载速率的单轴压缩试验并采用数字图像技术分析了试样的力学特性和破坏演化规律.结果表明:加载速率的变化对含孔试样力学特性有较大影响:随加载速率增大,抗压强度、起裂应力水平和变形能密度均逐渐增加但增幅放缓,弹性模量呈现出先增大后减小的趋势.加载过程中拉伸裂纹尖端的几何形状不断改变,拉应力强度因子KΙ减小,拉伸裂纹经历"扩展-闭合-扩展",拉伸裂纹长度与加载速率呈现较强的指数函数关系,加载速率为0.5 mm/min时,拉伸长度达到最大为43.16 mm.含孔试样的破坏模式单一,呈中心对称;加载速率较小时,远场裂纹起裂位置距边缘较近,宏观裂纹以剪切破坏为主;加载速率较大时,宏观裂纹以拉伸破坏占主导地位,远场裂纹起裂位置距边缘较远.研究结果为揭示瓦斯抽采钻孔失稳的力学响应规律并阐述其演化过程提供一定的理论指导.     

单裂隙砂岩破坏特征和破裂演化规律试验北大核心

针对含不同倾角裂隙的板状砂岩试样开展单轴加载试验,从宏细观角度深入探索裂隙倾角对脆性岩石变形破坏特征、声发射及破裂演化规律的影响效应,揭示其破坏机制。结果表明:裂隙倾角α较小时(0°≤α≤30°),应力-应变曲线呈锯齿状;翼裂纹首先在初始裂隙中部萌生,次生拉伸裂纹扩展贯通导致试样破坏,声发射较为分散,以劈裂破坏为主;随裂隙倾角增加(30°<α<90°),应力跌落次数减少,峰值强度和弹性模量不断升高;翼裂纹起裂位置向初始裂隙尖端转移,起裂强度和起裂强度比逐渐增加,次生裂纹转为剪切裂纹,声发射趋于集中,破坏模式向剪切破坏过渡;裂隙倾角为90°时,应力-应变曲线光滑,初始裂隙起裂前试样瞬间破坏,声发射异常集中,以劈裂破坏为主,与完整试样基本一致。     

单裂隙砂岩破坏特征和破裂演化规律试验

针对含不同倾角裂隙的板状砂岩试样开展单轴加载试验,从宏细观角度深入探索裂隙倾角对脆性岩石变形破坏特征、声发射及破裂演化规律的影响效应,揭示其破坏机制。结果表明:裂隙倾角α较小时(0°≤α≤30°),应力-应变曲线呈锯齿状;翼裂纹首先在初始裂隙中部萌生,次生拉伸裂纹扩展贯通导致试样破坏,声发射较为分散,以劈裂破坏为主;随裂隙倾角增加(30°α90°),应力跌落次数减少,峰值强度和弹性模量不断升高;翼裂纹起裂位置向初始裂隙尖端转移,起裂强度和起裂强度比逐渐增加,次生裂纹转为剪切裂纹,声发射趋于集中,破坏模式向剪切破坏过渡;裂隙倾角为90°时,应力-应变曲线光滑,初始裂隙起裂前试样瞬间破坏,声发射异常集中,以劈裂破坏为主,与完整试样基本一致。     

加载速率影响下裂隙细砂岩力学特性试验研究

天然岩石含多种原生缺陷,受工程扰动影响易促使载荷速率发生变化,为确保岩体工程的稳定性,需对加载速率及裂隙影响下的岩石力学特性进行研究。以均质细砂岩试样为研究对象,试样中央预制0°～90°贯通裂隙,通过单轴压缩试验和声发射试验研究加载速率影响下的裂隙砂岩力学性质变化规律。结果表明:相同裂隙倾角下,试样的抗压强度、峰值应变以及弹性模量均与加载速率呈正相关关系;加载速率对岩石力学性质的强化效应具有区间性,低数量级时加载速率的作用程度明显高于高数量级时。砂岩试样的力学性质受控于裂隙倾角α,随着α的增加,试样峰值强度先增加后减小,并在α=15°时达到最低值。声发射计数特征能够准确反映砂岩试样的破坏过程,岩石加载过程中,声发射计数经历"剧烈-平静-剧烈"的过程,且随着加载速率的增加,加载前期尤其是峰值强度前记录到的明显声发射事件数降低。     

加载速率与裂隙倾角复合作用下类岩材料破断试验及声发射特征分析

通过对含0.1mm预制裂隙的类岩材料进行静态到准静态的不同加载速率单轴压缩试验,分析加载速率与裂隙倾角复合影响的裂隙体类岩石材料破断规律。基于声发射测试技术,分析加载速率和裂隙倾角复合作用下,含预置裂隙类岩材料起裂强度变化规律及岩体破裂全程动态频域变化特征。试验结果表明:类岩试件的峰值强度受预置裂隙倾角和加载速率共同影响,相同加载速率条件下,含预制裂隙类岩石试件的劣化系数随裂纹倾角增大呈现先增大后减小的趋势,裂隙倾角为45°时,劣化系数最大,倾角为90°时,劣化系数最小;不同加载速率下,裂隙体劣化系数随加载速率的增大而减小。声发射测试数据表明,依据声发射特征参数分析岩石破裂全过程是可靠的,且在峰值强度过后,仍然有大量的声发射事件产生;通过能量率分析,可得到类岩试件的起裂强度,进而得到裂隙体起裂应力水平,得出起裂应力水平与预制裂隙倾角、加载速率的回归方程。     

裂隙重合度对砂岩力学性质及损伤演化的影响

为了研究裂纹重合度对裂隙砂岩力学性质和损伤演化规律的影响,利用RFPA~(2D)软件对5种裂纹重合度的砂岩试样进行了单轴压缩试验数值模拟,分析不同裂纹分布条件下的力学特性、声发射特性和损伤演化过程。结果表明:预制裂纹重合度越接近100%,平行裂隙砂岩试样的峰值强度和起裂强度越大,声发射计数量也随之增多;裂纹扩展都是由翼裂纹萌发开始,不同裂纹分布情况下,翼裂纹发展的趋势有明显差别,裂纹重合度小于100%时会出现岩桥贯通现象;当裂隙重合度接近100%时,有其中1条翼裂纹主导破裂过程,发育过程较慢,强度相对越高;而当裂纹重合度大于100%时,两端的翼裂纹相对独立的扩展直至形成贯通裂纹,裂纹发展速度快,加速了破坏失稳的形成。     

加载速率对煤样单轴压缩宏细观破裂特征的影响

为研究煤样单轴压缩宏细观破裂特征的加载速率效应，对煤样进行了0.06、0.3及3 mm/min三种加载速率的单轴压缩试验，结合声发射及数值计算方法，分析了加载速率影响下煤样的力学性质、声发射特征、裂隙扩展与宏观破坏模式。研究结果表明，加载速率越高煤样的单轴抗压强度与峰值应变越大；累计振铃计数与声发射定位事件随加载速率增大不断减小；微观裂隙破坏由张拉破坏向剪切破坏过渡；宏观破坏模式由低加载速率的少量拉剪混合微裂纹破坏转变为高加载速率的单一贯穿的剪切裂纹破坏；数值模拟结果印证了室内试验结论，并揭示了煤样加载破坏实质是力链体系失稳，峰值应力前，轴向应力的增加使得局部力链强度差异增大，强弱力链断裂产生煤样的宏观破坏。     

正交型交叉裂隙岩石强度特征与破裂机理试验研究

工程岩体是具有各向异性的非均匀地质体,隧道开挖或服役过程中由于岩体节理、裂隙诱发的片帮、冒顶等事故时有发生,造成严重的人员伤亡和经济损失。天然岩体中裂隙主要以交叉形态分布,为了探究裂隙对岩石力学特性及破裂特征的影响规律,利用线切割设备对岩石试样预制不同分布状态的正交型交叉裂隙,借助声发射和表面应变测量系统对单轴压缩条件下裂纹起裂应力、裂纹扩展路径与应力性质进行计算与分析。研究结果表明,裂隙长度对岩石强度的影响作用较小,裂隙与加载方向的夹角是影响岩石强度的最主要因素。岩石峰值强度与弹性模量均随主裂隙倾角的增大呈先增加后减小的变化规律,当主裂隙倾角α=90°时,岩石试样的力学指标达到最小值;正交型裂隙试样中主裂隙或次裂隙端部更容易产生起裂破坏,起裂位置与预制裂隙倾角息息相关;裂隙岩石的破裂具有显著方向性,正交型裂隙岩石的起裂裂纹主要呈翼型或反翼型,当α45°时,主裂隙对起裂起到主控作用,次裂隙的存在对裂纹扩展具有导向作用;当α45°时,起裂裂纹主要位于次裂隙端部,起裂由次裂隙控制。与完整试样相比,裂隙岩石试样整体失稳破坏前产生多次声发射突增现象,即加载过程中产生多次破裂,正交型裂隙试样起裂应力集中于0.22σ_c～0.34σ_c,起裂发生在较低应力水平;当岩石中存在与加载方向垂直的裂隙时,岩石的破裂与破坏受此类裂隙的影响最为显著。     

加载速率效应对花岗岩破裂的力学性能及能量转化机制的影响

基于单轴压缩下的花岗岩破坏试验,结合岩石破坏过程中的能量转化机制,对不同加载速率下花岗岩损伤变形的力学参数、能量转化机制进行了探讨。研究表明,随加载速率的提高,花岗岩的峰值应力、起裂应力逐渐增大,峰值应变、起裂应变逐渐降低,但起裂应变与峰值应变之比却呈现先减小后增大的趋势;随着加载速率的提高,花岗岩试件的峰前总吸收能U^0、可释放应变能U^1、耗散应变能U^2均逐渐增大;当加载速率较低时,花岗岩试件沿最大主应力方向实现劈裂、张拉破坏,此时宏观破坏裂纹较少;而当加载速率较高时,岩石试件由多条裂纹贯通破坏,其破坏形式属于劈裂裂纹与剪切裂纹共同主导的混合破坏模式。     

考虑加载速率效应的尾砂胶结充填体细观声发射特征研究

尾砂胶结充填体作为人工水泥基材料具有显著的加载速率效应,且充填体的变形破坏与声发射特性密切相关。为研究不同加载速率下充填体的细观声发射（AE）特征,本文对尾砂胶结充填体开展了一系列单轴抗压强度测试,确定了强度演化规律,借助颗粒流程序（PFC2D）从细观角度分析了充填体的裂纹演化和细观AE特征,结合能量守恒理论,探讨了充填体的加载速率效应。结果表明：1）充填体的单轴抗压强度与加载速率呈正相关,两者呈二次多项式函数关系。2）数值模拟结果显示,提高加载速率增加了充填体的起裂应力,提前了裂纹萌生的时间并增加了破坏后的总裂纹数,且随着加载速率提高,充填体的破坏模式逐渐由剪切破坏转变为拉剪混合破坏。3）细观AE事件-时间步曲线经历初始期、平静期、缓慢上升期、快速上升期和快速下降期,与试验获得AE特征高度一致。在峰值应力之前AE事件较少,AE事件密集带不明显,在峰值应力之后AE事件以及较大震级的AE事件迅速增加,形成相互贯通的AE密集带。4）边界能、应变能、耗散能与加载速率呈正相关关系,较高的加载速率对充填体裂纹萌生、扩展有一定的阻滞作用,促使试样的储能极限增加,进而改善了充填体的强度性能。然而,峰前较高的能量积累也将导致峰后阶段能量快速释放,对应的细观裂纹数量增加。研究结果可为充填体的加载速率效应和细观声发射特征研究提供参考依据。     

弯载下砂岩声发射特征值时间效应

为探索开采速度对采空区顶板破断特征影响的力学机制,设定不同加载速率,开展砂岩3点弯曲和声发射试验,研究砂岩弯曲折断过程的力学行为及其受加载速度影响的时间效应和折断前兆特征。结果表明,加载速率越快,砂岩显著初始损伤声发射发生的应力条件越高,积累的应变能越高;岩石折断前,前兆声发射时间长度与加载速率呈指数负相关,加载速度越快,前兆声发射时间越短,可预测性越差;加载速率与砂岩折断声发射峰值能量及破坏载荷呈指数正相关,与砂岩折断声发射峰值计数呈指数负相关,加载速度越快,岩石折断所需的破坏荷载越大,峰值声发射计数越少,一次性释放的能量越高。上述岩石弯曲声发射特征值是加载速率的函数,存在时间效应。从机理上解释了煤矿开采速度越高,顶板岩体动力灾害危险性相对越高,可预测性越差的原因。     

相交双裂隙岩石损伤断裂特征

为了探求相交双裂隙岩石损伤断裂特征,采用岩石破裂过程RFPA数值分析系统对不同角度的单裂隙、中点相交的等长双裂隙岩石在单轴压缩、单轴拉伸作用下的破坏过程进行数值模拟。结果表明:双裂隙试件除共轭裂隙之外,在压缩条件下首先在高角度裂隙两端产生扩展裂隙,拉伸作用下试件的断裂方向由低角度裂隙决定;当试件中的裂隙角为60°和75°时,压缩峰值强度随另一条裂隙倾角的增加单调递增;试件内部应力最大值的演化在加载初期随加载步的增加线性增长,压缩条件下最大主应力最大值增长最快,拉伸条件下,剪应力最大值增长最快。     

低应变率加载速度影响脆性岩体锚固效果的试验研究

外载荷加载速度是影响锚杆支护硐室稳定的重要因素,锚固体加载速度效应的试验研究较少。锚固硐室围岩会更接近单轴受力状态,围岩压力主要为低应变率加载,结合脆性围岩锚杆支护破坏特点,对布设两根相似锚杆的砂岩进行了从0.001～0.100 mm/s等5种低应变率加载速度工况下的单轴压缩试验。试验表明低应变率加载速度对加锚试样和无锚试样力学性质及破裂特征的影响是有差异的。加锚砂岩弹性模量随加载速度增加有轻微提升,所有工况下,锚固砂岩整体轴向变形量仍与无锚砂岩的轴向变形量相近;无锚试样的单轴抗压强度随加载速度增大呈递增趋势,但加锚砂岩强度随加载速度增大出现相对劣化,对加载速度的敏感性相对降低,锚杆加固增强作用减弱;各加载速度下无锚试样均最终表现为拉剪破坏,初始可见表面裂纹均为轴向张拉裂纹;加锚试样随加载速度增加会使最终破裂形式由张拉破坏向拉剪破坏过渡,初始表面裂纹由轴向张拉裂纹转变为剪切裂纹。进一步,从能量理论与加锚岩体声发射特征、锚杆与岩体相互作用等方面探讨了低应变率加载速度增大导致加锚砂岩强度劣化的机制,声发射信号表明高加载速度条件下加锚试样受载初期就会产生较大损伤,耗散能量增加,同时,高加载速度亦使岩体与锚杆间的界面载荷传递不能发挥作用。研究结果表明,锚杆支护下的冲击地压巷道应防范锚固体的扰动失效问题,推广"锚支卸"联合防冲支护措施。     

尖端相交裂隙砂岩强度与破裂演化特征试验研究

岩石中裂隙的分布形态对岩石力学特性的影响极为显著。通过对含尖端相交裂隙砂岩试样进行单轴压缩试验,研究了2条相交裂隙分布方向角β和夹角α对砂岩强度、变形及破裂演化特征的影响。试验结果表明:随着β角的增大,试样峰值强度逐渐增大,平均模量先增大后减小。当β角为0°时,试样表现为双裂隙外尖端贯通破坏,当β角在30°~45°之间时,试样表现为单裂隙外尖端开裂破坏;当β角在60°~90°之间时,试样表现为双裂隙外尖端独立开裂破坏。随着β角的增大,裂隙内尖端的裂纹发育程度逐渐减弱。随着α角的增大,试样峰值强度逐渐减小,平均模量表现出先减小后增大再减小的趋势,当α角在30°~60°之间时,试样表现为单裂隙外尖端开裂破坏;当α角在90°~150°之间时,试样表现为双裂隙外尖端开裂破坏。随着α角的增大,裂隙内尖端裂纹发育程度逐渐减弱直至无裂纹产生。利用声发射仪记录了试样加载过程中的声发射特征,结果表明AE事件数主要集中在峰值和峰前非线性段,宏观裂纹的起裂、扩展和贯通都会产生明显的AE事件。     

单轴压缩条件下充填体—砂岩组合体破坏过程及前兆特征声发射试验研究

分别对砂岩、充填体—砂岩组合体试件进行单轴压缩声发射（AE）试验,研究了试件破坏过程中AE振铃计数及主频特征,重点对比了组合体试件中砂岩侧、充填体侧所采集到的AE信号差异性,同时采用BP神经网络对峰值应力前组合体试件的AE信号类型进行识别,分析了试件破坏过程中不同类型AE信号的时间—应力变化关系及占比变化规律。研究表明：组合体试件的平均单轴抗压强度仅为砂岩试件的38.85%;组合体试件破坏过程中的声发射信号振铃计数量整体少于砂岩试件;峰值应力前,组合体试件中砂岩侧AE振铃计数“激增”现象明显;临近破坏前,组合体试件中砂岩类型的声发射信号占比逐渐下降,充填体类型信号的占比逐渐上升,这一现象可作为组合体试件破坏的前兆特征。     

冲击荷载下层状砂岩变形破坏及其动态抗拉强度试验研究

针对层状砂岩的各向异性,探究了冲击荷载作用下层理角度对层状砂岩变形破坏的影响规律。加工制作了含软弱层理的砂岩标准试件,利用霍普金森杆试验系统进行了不同层理倾角下的砂岩动态巴西圆盘试验,并结合数字图像相关方法获得了圆盘试件变形场的演化云图。从破坏结果看,层理面与加载轴线之间的夹角对层状砂岩的变形破坏有显著影响。当软弱层理平行于加载轴线时,圆盘试件在加载端处首先产生应变集中,并随着冲击加载的作用迅速沿层理扩展,最终表现为从圆盘试件加载端向非加载端呈弧线形断裂的特征;当软弱层理垂直于加载方向时,圆盘试件中间首先形成多个应变集中区,表现为在加载轴线与软弱层理相交处萌生多个微裂纹,并在冲击加载的作用下微裂纹沿加载轴线不断相互贯通,最终形成径向扩展的宏观裂纹;当软弱层理面与加载方向成45°时,圆盘试件在加载端处首先沿层理方向形成显著的拉剪应变集中区,由于层理介质的抗拉强度和抗剪强度均低于砂岩基质体,因而表现为试件在拉、剪复合应力的共同作用下从加载端处产生多条沿层理面扩展的裂纹。从试验结果中还可以看出,在相同加载速率下,垂直层理试件的强度最高,水平层理试件的强度最低,倾斜层理试件的强度介于水平层理试件和垂直层理试件之间。随着加载速率的提高,不同层理方向的砂岩动态抗拉强度均呈线性增长的特征,但与无层理砂岩相比,含软弱层理砂岩的动态抗拉强度对加载速率的敏感程度较低。此外,层理角度对砂岩的开裂应变有较大影响,受剪应力的影响,倾斜层理砂岩的开裂应变高于垂直层理砂岩。     

剪切荷载条件下岩石细观破坏及声发射特性研究

采用煤岩细观剪切实验装置及PCI-2型声发射系统,开展了砂岩在不同剪切速率条件下的细观破坏与声发射特性试验,探讨岩石在剪切破坏过程中的破坏形式与声发射之间的关系。试验结果表明:在剪切荷载作用下,砂岩试件在不同加载速率条件下破坏过程中剪应力随时间变化趋势一致,随着加载速率增大,砂岩的剪切变形减小,抗剪强度降低;声发射活动伴随着整个剪切过程,剪应力峰值前声发射信号很少,剪应力峰值后声发射信号剧增,砂岩表面与内部裂纹萌生扩展几乎同步发生;加载速率为0.002 mm/min的砂岩试件累计Hit数最高,砂岩内累计损伤最多;砂岩试件在发生断裂破坏的短时间内经过内裂纹贯通形成主裂面、微凸体摩擦断裂形成最终破坏面两个过程,其中微凸体摩擦断裂所需剪应力低于使试件形成贯通主裂面所需剪应力。