实时温度下中细粒花岗岩动力响应与吸能特性试验研究

 基于改进的分离式霍普金森压杆,研究实时温度下中–细粒花岗岩的动力响应与吸能特性。结果表明：温度在20 ℃～500 ℃下,花岗岩全应力–应变曲线的弹性、塑性与应变软化3个阶段特征明显,700 ℃时的应力–应变曲线出现塑性屈服平台;应变率增加,岩石抗压强度增大,但随温度的升高应变率效应逐渐减弱;温度和应变率对岩石弹性模量的影响规律均不明显;应变率增加会使岩石单位体积的能量吸收能力提高,但不同温度下应变率对单位体积吸能的影响效果有较大差异;500 ℃及以下时峰值应变的应变率效应比较接近,但700 ℃时峰值应变的应变率敏感系数大幅增加;采用相同气压加载时,发现不同温度下应变率所处范围差异较大,而且气压对应变率的影响系数也不相同;500 ℃及以下,随应变率增加试样破坏形式从劈裂过渡到碎裂,700 ℃时试样则呈粉碎性破坏。     

高温作用下花岗岩的声发射特征研究

 通过MTS810材料测试系统及AE21C声发射检测仪对山东临沂花岗岩在20 ℃～800 ℃单轴压缩下的声发射特征进行试验研究,分别分析升温过程中花岗岩振铃计数率随时间的变化规律以及加载过程中花岗岩的声发射特征参量与应力–应变之间的关系。研究表明：升温及加载过程中,花岗岩声发射振铃计数率随着温度升高而增大,声发射活动也变得更频繁;其声发射参量在400 ℃～800 ℃高温后与高温下有较大差别,高温后的声发射参量明显低于高温下,岩样内部裂纹较少以致高温后花岗岩的强度等力学指标要优于高温下;各温度段高温下声发射振铃累计数都要高于高温后,尤其在800 ℃时,两者相差超过1倍;800 ℃前花岗岩岩样主要呈劈裂和剪切破坏为主的脆性破坏,未出现强烈的塑性破坏;高温使储存的能量显著增多并加速能量耗散,能量的耗散和弹性能的释放使岩石的强度减小,宏观裂纹增多并最终破坏。     

冲击荷载作用下应变率对花岗岩力学性能影响的颗粒流模拟

通过PFC颗粒流数值分析软件对SHPB试验进行数值模拟,研究了不同应变率对花岗岩力学性能的影响,探讨了不同应变率对花岗岩峰值应力、峰值应变的影响规律,分析了花岗岩在不同应变率作用下的破坏规律.结果表明:随着应变率的增加,峰值应力显著增加,表现出较强的应变率相关性;应变率增大,弹性模量随之增大.冲击荷载下花岗岩试件裂纹以...     

单轴压缩下高温盐岩的力学特性研究

 对不同温度下(20 ℃～700 ℃)及高温后(100 ℃后,200 ℃后)喜马拉雅山盐岩进行单轴压缩破坏试验,获得其受高温作用的力学特征和破坏形态,探讨峰值应力、峰值应变和弹性模量的变化规律,并重点分析高温下其应力–应变曲线的特殊性。研究结果如下：当温度低于120 ℃时,盐岩的抗压强度和弹性模量随温度的升高而降低,120 ℃～200 ℃时,随温度的升高而增加;在较高温度下(500 ℃及以上),盐岩的内部结构发生突变,峰值应力大大降低;盐岩的应力–应变曲线在不同温度区间有较大差异,170 ℃是其发生突变的阈值;当温度为170 ℃～400 ℃时,盐岩呈现出明显的应变硬化特性;喜马拉雅山盐岩所能承受的极限温度不超过700 ℃;与同等高温下相比,经历100 ℃和200 ℃高温后的盐岩,其承载能力降低,变形及弹性模量较小,其内部出现较多裂纹,整体性较差。     

基于矿物晶体模型的非均质性岩石双裂纹扩展规律研究

为研究细观结构非均质性对裂隙岩石宏观力学及裂纹扩展规律的影响,基于花岗岩室内力学试验及矿物组成分析利用PFC离散元数值软件建立针对2种不同类型花岗岩的矿物晶体模型(grainbasedmodel,GBM),结合单裂纹岩石单轴压缩室内试验与数值模拟结果验证GBM的合理性与可靠性。对双裂隙岩石试样进行单轴和双轴压缩数值试验,分析研究应力–应变曲线、试样破坏模式及微裂纹的发展与演化规律。结果表明:岩石试样加载过程中的新生裂纹以晶内和晶间的拉伸裂纹为主,裂纹的发展可分为初始阶段、稳定发展阶段、快速发展阶段和峰后阶段;在10MPa条件下的双轴压缩中裂纹扩展的形态与单轴压缩相比具有中心对称和边缘延展2个明显的特性;峰值应力下各类型破坏裂纹数量随双轴试验围压增加呈现不同程度的增长趋势。从应变–裂纹数量角度分析,除晶间剪切裂纹外,围压对其他类型裂纹的前期发展存在不同程度的抑制作用;非均质性系数大的双裂隙岩石加载过程中更易出现应力集中且双轴压缩时破坏形式更易从拉伸破坏向剪切破坏转换。     

饱水冻结花岗岩动态力学性状的应变率效应

从某场地钻取典型花岗岩岩芯试样,借助75 mm直径SHPB装置和低温冻结设备,分别对-15 ℃和25 ℃饱水花岗岩试件施加应变率大小近乎相等的4种冲击荷载,以探究饱水冻结花岗岩动力学特性的应变率效应。试验结果表明:同等应变率冲击加载下,饱水冻结花岗岩的峰值强度更高,抗剪切强度增加,动态弹性模量变为近似直线型增长;相比25 ℃饱水花岗岩,-15 ℃饱水冻结花岗岩破坏需要更高的冲击应变率,破坏时的峰值应变减小。饱水冻结花岗岩内部复合结构裂纹的形成与耗散能紧密相关,耗散能越大,裂纹越多,用耗散能表征的损伤变量值可以判断岩石的破碎程度,-15 ℃冻结饱水花岗岩破坏时的损伤变量值为0.22。研究方法为确定高寒地区冻结岩体的动力学参数提供依据。     

高温–水冷却花岗岩动态压缩力学特性的应变率效应研究

为探究高温–水冷却花岗岩的应变率效应,使用MXQ1700箱式气氛炉制备200℃,400℃,600℃,800℃和1 000℃共5种高温花岗岩试样并用水冷却,随后利用分离式霍普金森压杆系统对常温试样和高温–水冷却花岗岩试样进行4种不同冲击速率的动态压缩试验(冲击气压分别为0.30,0.40,0.50和0.60MPa)。此外,还通过压汞和扫描电镜试验获得高温–水冷却花岗岩试样的孔径分布、孔隙率和微观形貌。微观结果表明：试样内部损伤以400℃为界可分为两个阶段,400℃之前,高温–水冷却花岗岩试样内部以微孔和小孔为主,孔隙率低于2.20%,损伤较小,当温度超过400℃后,内部中孔比例快速增加,孔隙率上升,损伤随温度升高而加剧。应变率效应方面：在相同温度条件下,高温–水冷却花岗岩试样的动态峰值应力和峰值应变均随应变率的增加而增大,而弹性模量的应变率效应不明显;花岗岩试样破碎程度随损伤的增加而加剧,且分形维数随着应变率的增大而增加;分析内部损伤和外界冲击速度对花岗岩试样应变率的影响,并获得应变率随内部损伤和冲击速度变化的拟合公式。     

加载速率对不同温度状态石灰岩力学性能影响的试验研究

借助美国MTS810电液伺服材料试验机和高温炉,对常温和600℃两种温度状态下石灰岩试件进行不同加载速率下的单轴压缩试验,得到石灰岩力学性能随加载速率的变化规律。结果表明:常温时,石灰岩岩样在3×10-4³×10-3 mm/s的低应变率范围内,加载速率对峰值应力和弹性模量影响不大,在加载速率为3×10-33×10-3 mm/s的低应变率范围内,加载速率对峰值应力和弹性模量影响不大,在加载速率为3×10-3³×10-1 mm/s的区段内,峰值应力和弹性模量均呈明显上升趋势;600℃时,峰值应力和弹性模量随加载速率增加变化不大。常温时,不同加载速率下石灰岩岩样均为竖向劈裂破坏,且在3×10-33×10-1 mm/s的区段内,峰值应力和弹性模量均呈明显上升趋势;600℃时,峰值应力和弹性模量随加载速率增加变化不大。常温时,不同加载速率下石灰岩岩样均为竖向劈裂破坏,且在3×10-3³×10-1 mm/s的加载速率区段中,随加载速率的增加,劈裂面逐渐增多;600℃时,石灰岩岩样在不同加载速率下均为剪切破坏。     

断续双裂隙红砂岩加载速率效应颗粒流分析

采用颗粒流程序平行黏结模型,对不同加载速率下断续非共面双裂隙红砂岩数值试样进行单轴和三轴压缩模拟,分析了加载速率对应力-应变曲线、峰值强度、扩容特征、变形参数和破坏模式等力学行为的影响。研究结果表明:加载速率主要影响应力-应变曲线峰值强度和峰后阶段,对峰前阶段影响很小。峰值强度随着加载速率的增大呈单调增长,与围压的关系可以用Mohr-Coulomb准则表征。裂纹损伤阈值对速率的敏感性随着加载速率的增大而提高,与围压的关系可以用广义Hoek-Brown准则表征。加载速率对弹性模量和泊松比的影响很小,而弱化模量和峰值应变影响明显。高加载速率会生成更多的微裂纹,进而造成试样破坏更为严重。     

中部锁固岩桥三轴加卸荷力学特性及裂纹扩展研究

 锁固型高陡岩质边坡内部岩桥破坏机制复杂,研究边坡中部锁固段的破坏规律及其对边坡整体变形破坏机制具有重要意义。为表征滑坡后缘拉裂缝和前缘蠕滑破坏,在完整岩样端部预制裂纹形成中部岩桥,开展3种不同长度岩桥试样的三轴加载和三轴加卸荷试验,分析2种应力路径下的应力–应变特征、强度特征和裂纹扩展模式,从断裂力学角度揭示了裂纹扩展机制。结果表明：随围压和岩桥长度的增加,试样峰值强度和对应的应变增大,且三轴加卸荷峰值和应变均大于三轴加载;应力–应变曲线呈现出“突发式破坏”和“峰后回升”现象,部分试样还表现出“双峰值”特征;岩桥试样呈现贯通岩桥、贯通试样上端面、向外环向破坏、向内环向破坏及贯通试样下端面等5类裂纹扩展模式;岩桥试样在下部节理尖端应力集中处产生张拉裂纹和剪切裂纹,大部分裂纹起裂角集中在40°～50°范围。中部岩桥三轴加卸载力学试验表明,边坡锁固段并非一次剪断破坏,可能呈现逐次多级破坏模式,本研究获得的岩桥裂纹扩展及破坏机制,可为锁固型岩质边坡开挖卸荷的破坏机制和变形特征提供理论支撑。     

岩石压剪耦合破坏过程的实时监测研究

将实时激光全息干涉光路布置与岩石力学压剪加载装置组构成光学-力学最优匹配测量系统，通过数据图像采集系统，实时动态捕获了压剪应力作用下花岗岩岩样压剪耦合破坏全过程的实时全息干涉图；根据全息干涉条纹解释原理和图像处理计算，试样表面动态干涉条纹的分布与移动规律高精度直观地揭示了岩石压剪耦合破坏过程中局部变形场分布、微破裂微裂纹的演化路径与速率以及岩石失稳破裂的力学性状。结果表明，该方法能够为岩石损伤与断裂力学问题的研究提供有效的试验技术支持。     

三轴压缩作用下断续节理砂岩力学特性研究

节理岩体的力学特性直接影响工程岩体的安全。为了研究节理岩体的各向异性力学特性和破坏特征,设计进行了0°,30°,45°,60°,75°和90°等6种角度断续节理砂岩的三轴压缩试验,详细分析了节理倾角对断续节理岩体变形强度特征和破坏模式的影响。研究结果表明：①在加载过程中,随着围压增大,断续节理砂岩应力-应变曲线的屈服阶段逐渐明显,峰值强度和残余强度逐渐提高,破坏时延性特征逐渐明显;②随着节理倾角增大,断续节理砂岩的变形模量、抗压强度、黏聚力和内摩擦角等力学参数均呈现先减小后增大的U型变化趋势;③节理对岩样破坏裂纹的形成与开展具有明显的诱导和控制作用,不同倾角岩样的破裂面均顺节理倾角方向发展,当节理倾角与岩样计算破坏角接近的时候,岩样的破裂面顺节理面开展,变形和强度参数达到极小值;④随着围压增大,不同倾角断续节理岩样的变形和强度参数差别逐渐减小,各向异性特征逐渐减弱;⑤断续节理砂岩的破坏模式可分为张拉破坏、折线型的复合剪张破坏、沿节理面剪切破坏等3种类型,节理倾角的分布决定了断续节理砂岩在加载作用下的变形破坏模式,变形破坏模式的差异决定了断续节理砂岩变形和强度参数的各向异性特征。研究成果可为工程中节理岩体的各向异性特征分析提供较好的参考。     

高温静水应力状态花岗岩中钻孔围岩的 流变实验研究

 采用自主研制的“20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机”对f 200 mm×400 mm的内含f 40 mm钻孔的花岗岩体高温三维静水应力状态的流变特性进行了深入的研究。研究结果表明：(1) 花岗岩是由多种晶体胶结而成的脆性坚硬岩石,5 000 m静水应力以内及600 ℃以内的恒温恒压状态下,花岗岩中钻孔围岩主要表现为稳态蠕变;当应力达到5 000 m静水应力,温度为600 ℃时的蠕变为非稳态蠕变。(2) 高温静水应力状态下花岗岩中钻孔围岩蠕变过程存在应力阈值和温度阈值。(3) 热力耦合作用下钻孔围岩内部晶间胶结物及晶粒内部产生的位错及微破裂过程,是高温高压下钻孔围岩蠕变存在温度阈值和应力阈值的主要原因。(4) 高温静水应力状态下,含有钻孔的花岗岩体流变破坏的应力为5 000～6 000 m的静水应力(125～150 MPa),温度为500 ℃～600 ℃,破坏形式为压裂破坏、压剪破坏或两者相结合。同时,获得了600 ℃以内及埋深6 000 m以内静水应力条件下,不同温度不同埋深静水应力状态下花岗岩中钻孔围岩的蠕变率参数,为高温岩体地热开发钻井井壁稳定性研究提供了重要的力学参数依据。     

Effects of microstructures on dynamic compression of Barre granite

The distribution and characteristics of microstructures (microcrack and grain) of Barre granite (BG) were investigated, and three orthogonal weak planes associated with the preferred orientations of microcracks were identified. It has been demonstrated that both the fracture toughness and the longitudinal wave speed depend on the direction of these weak planes. In this study, disk samples cut from one BG block are prepared for split Hopkinson pressure bar (SHPB) test. The axial directions of the samples are chosen to be parallel to the preferred direction of microcracks and the samples are grouped and denoted by Y (lowest P-wave velocity), Z (highest P-wave velocity), and X (intermediate P-wave velocity). Pulse-shaper technique is adopted to achieve equilibrium of dynamic stresses on both ends of the sample and constant strain rate during the dynamic loading. For samples within the same orientation group, the maximum stress achieved shows clear strain-rate sensitivity. The effect of microcracks on the dynamic compressive response of BG depends on the strain rate for a fixed loading duration (230 μs). For low strain-rate loading (70 s⁻¹) and high strain-rate loading (130 s⁻¹), the maximum dynamic stress achieved is not sensitive to the microcrack orientation; for intermediate strain rate (100 s⁻¹) loading, the maximum achieved stress for Y-samples is the largest. In addition, three dynamic compressive rock failure modes are identified: quasi-elastic, cracked, and fragmented. The correlation between the failure modes and the shape of the stress–strain curves is discussed.     

预制孔岩石破坏过程中的声发射时空演化特征研究

选取粗粒花岗岩和细粒砂岩,通过预制方孔和圆孔,开展单轴加载条件下岩石破坏声发射试验。采用单纯形定位算法,对岩石破裂过程中的声发射时空演化规律进行研究,并对声发射活动特征、能量释放率和空间相关长度进行分析。研究结果表明：对于预制孔间距与预制孔尺寸相同的试件,声发射事件主要在岩石中部群集,试件以中部剪切破坏为主,声发射三维定位事件直观反映裂纹初始、扩展直至贯通的动态演化过程;在整个加载过程中,颗粒较粗且大小不均的花岗岩试件声发射活动性较强,颗粒较细且均匀的砂岩试件声发射活动性在加载后期才开始增强;岩石破坏前,小尺度裂纹合并贯通形成大尺度裂纹,声发射率下降,能量释放率增强,出现声发射信号“平静”而能量释放“不平静”的现象;岩石在受载过程中,应力场通过迁移和重新分布逐步建立起长程相关性;岩石破坏前,空间相关长度显著增加,且在岩石破坏时达到最大值。     

高温高压下花岗岩中钻孔围岩的热物理及力学特性试验研究

 采用自主研制的20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机,对f 200 mm×400mm的花岗岩体内含f 40 mm的钻孔在600 ℃以内及6 000 m埋深静水压力下钻孔围岩的热弹性变形进行深入的试验研究。根据热弹性变形试验结果反演计算出高温高压下钻孔围岩的热物理及力学特性参数,并对钻孔围岩的热物理及力学参数进行认真细致的分析。研究结果表明：(1) 高温不同埋深应力下钻孔围岩的热变形可分为3个阶段：低温热变形微弱阶段,中高温热变形快速增长阶段,高温热变形平稳阶段,且埋深(即应力大小)对于钻孔围岩的热变形具有明显的影响;(2) 高温高压下含有钻孔的花岗岩体以剪切方式破坏,花岗岩体在经历500 ℃～600 ℃的高温仍呈现出脆性特征,岩体破坏的条件为6 000 m埋深静水压力,600 ℃左右;(3) 高温下钻孔围岩的弹性模量随温度的升高呈负指数规律减小;(4) 高温下钻孔围岩的泊松比随温度的升高总体呈增大的趋势;(5) 高温不同埋深应力下钻孔围岩的热膨胀系数不同,埋深对钻孔围岩的热膨胀系数具有很大影响。研究结果可为高温岩体地热开发深钻施工及钻井围岩稳定性维护提供理论依据与技术储备。     

高温高压下花岗岩中钻孔变形失稳临界条件研究

 采用自主研制的“20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机”,运用光学原理钻孔变形观测仪器,对f 200 mm×400 mm花岗岩体内含f 40 mm的钻孔在6 000 m埋深静水应力及600 ℃以内恒温恒压下钻孔变形规律及其临界失稳条件进行深入细致的试验研究和理论分析。研究结果表明：(1) 高温高压下花岗岩中钻孔变形随温度和应力的增大表现为明显的不同阶段。4 000 m埋深静水应力及400 ℃以内恒温恒压下,钻孔变形表现为明显的黏弹性变形阶段,钻孔直径虽有减小但仍处于稳定状态,并不发生破坏;4 000～5 000 m埋深静水应力及400 ℃～500 ℃时恒温恒压下,钻孔变形表现为黏弹–塑性变形阶段,钻孔围岩有破坏的趋势,孔径开始增大;5 000 m埋深静水应力及500 ℃以上时,钻孔围岩塑性区的块裂状围岩颗粒逐渐从孔壁脱落下来,钻孔发生破坏。(2) 花岗岩中钻孔围岩在超过应力阈值和温度阈值后,即5 000 m埋深静水应力及500 ℃以外时,钻孔破坏,发生塌孔现象,花岗岩颗粒从孔壁脱落下来,钻孔直径增大。(3) 钻孔围岩在高温静水应力下,岩体最终发生破坏的应力条件为5 000～6 000 m埋深静水应力(即125～150 MPa)及500 ℃～600 ℃,其破坏形式为压裂破坏、压剪破坏或两者相结合。(4) 高温高压下花岗岩中钻孔变形失稳临界条件为4 000～5 000 m埋深静水应力,400 ℃～500 ℃。同时,根据试验研究结论,运用黏弹塑性力学理论给出高温高压下钻孔变形的分析理论,建立4 000 m埋深静水应力及400 ℃以内恒温恒压下钻孔变形的黏弹性理论模型及4 000～5 000 m,埋深静水应力400 ℃～500 ℃时恒温恒压下钻孔变形的黏弹–塑性理论模型,为我国高温岩体地热(HDR)开发与利用中钻孔稳定性及维护问题、大陆科学钻探工程(CCSD)在深孔和超深孔施工过程中遇到的钻孔稳定性问题提供科学依据和理论指导。     

高应变率下预制单节理岩石SHPB劈裂试验能量耗散分析

应用SHPB试验装置研究预制单节理岩石的能量耗散关系。使用SHPB试验系统,对高径比为0.5的完整花岗岩试样及预制单节理花岗岩试样进行高应变率下的冲击劈裂试验。在相同驱动气压下,改变加载方向与节理间的夹角,完成高应变率相同入射能下的冲击劈裂试验。对SHPB系统中的入射能、反射能、透射能及试样吸收能的时程变化规律进行了分析;从能量角度出发,分析冲击荷载作用下单节理岩石的能量耗散规律及其各向异性特征。结果表明:高应变率下,完整花岗岩试样在冲击劈裂试验中的吸收能随平均应变率增加而增加,表现出显著的应变率相关性;预制单节理岩石与加载方向之间夹角对破坏模式的影响明显,节理试样产生3种破坏模式:(1)穿越节理面的劈裂破坏;(2)沿节理岩石层面的滑移破坏;(3)劈裂与滑移破坏共同作用下的破坏。在入射能基本相同,入射时间较长时节理岩石试样吸收能较入射时间较短时的吸收能大。动态劈裂试验中,节理试样的吸收能随节理角度变化(0°~90°)近似呈U型。研究成果可为节理岩石动态力学性能研究提供参考。     

“三段式”岩石滑坡的锁固段破坏模式及演化机制

锁固段的地质结构及力学性质是“三段式”岩石滑坡的关键控制因素。根据“三段式”滑坡的地质结构特征,采用物理模型试验和颗粒流数值模拟方法,研究了锁固段岩桥角（后缘拉裂隙与前缘蠕滑段末端连线和水平方向间的角度）对锁固段的破坏模式及演化机制的影响规律。锁固段破裂的模式主要有张拉贯通破坏和张-剪混合贯通破坏两种。随着锁固段岩桥角的增大,锁固段破坏模式由张拉破坏向张-剪混合破坏转变：岩桥角小于90°时,为张拉破坏;岩桥角位于90°~110°之间,为张-剪混合破坏;当岩桥角大于110°时,锁固段并不发生破坏,边坡以其它形式发生破坏。通过锁固段的应变时程分析,随着锁固段岩桥角增大,锁固段区域拉应力的影响范围逐渐减小,由全部受拉向全部受压转变。