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。     

基于统计损伤理论岩石非共面重叠裂隙扩展搭接规律数值模拟研究

为探究非共面重叠裂隙的扩展贯通规律,基于损伤理论建立了含非共面重叠双裂隙的计算模型,对单轴压缩下的裂纹扩展过程进行了描述,与试验结果对比验证了数值模拟的合理性,同时对应力-应变关系进行了阐述,从细观的角度对不同倾角的裂纹差异进行了解释,最后基于断裂力学理论推导了翼裂纹的产生机理。结果表明:裂纹尖端产生"翼形裂纹",预制裂纹倾角较小时翼裂纹从靠近预制裂纹尖端而非裂纹尖端产生,而倾角较大时则从预制裂纹尖端产生;含共面非重叠裂隙的应力-应变曲线呈现三个典型的阶段:弹性阶段、损伤阶段及破坏阶段。弹性阶段声发射事件数较少,损伤阶段声发射事件数逐渐增加,破坏集中发生于破坏阶段;对于裂隙倾角较小的情况,最大拉应力出现在靠近裂隙尖端处,而不是裂隙尖端处,对于裂隙倾角大于30°的情况,最大拉应力出现在裂隙尖端处,且裂隙的倾角越大,拉应力区也越大,压应力区越小;基于断裂力学理论推导了裂纹尖端的开裂准则,表明翼形裂纹的产生是由于其裂纹尖端的拉应力所导致。     

单轴压缩条件下裂隙几何特征对岩石力学特性的影响研究

为探究裂隙几何特征对岩石单轴压缩力学特性的影响,采用Rhino-Griddle软件建立不同裂隙几何特征的标准岩样模型,并通过FLAC3D软件对单轴压缩条件下裂隙岩体的变形破坏规律进行了模拟研究,探讨了倾角、张开度、数目与岩石单轴力学特性的关联,分析了多裂隙岩样的裂纹扩展规律。数值计算结果表明:随着裂隙倾角的增加或裂隙张开度的降低,岩样的单轴抗压强度和峰值应变均会有所增加,且裂隙倾角相较于裂隙张开度对岩石的力学性能影响程度更大;裂隙数目对应力-应变曲线的影响在峰后阶段较为明显,随着裂隙数目的增加,岩样的残余强度不断降低,三裂隙岩样的残余强度几乎为0;预制裂隙端部首先萌生裂纹,裂纹不仅向裂隙平行方向沿裂隙扩展,还沿着接近平行于轴向的加载方向向其他裂隙端部扩展,不同预制裂隙裂纹上下完全交汇贯通并与外部裂纹搭接,最终导致岩样完全失去承载能力。     

落锤冲击下饱冰裂隙砂岩动态力学性能研究

为了研究饱冰裂隙砂岩的动态力学特性，通过落锤冲击试验与PFC数值模拟相结合的方法揭示了裂隙倾角对饱冰裂隙砂动态力学特性及裂纹扩展过程的影响规律。试验结果表明，不同倾角饱冰裂隙砂岩的应变时程曲线形式一致，裂隙倾角仅影响峰值应变的大小，其中裂隙水平时的峰值应变最小，且随裂隙倾角的增大峰值应变增幅超过40%。试样的宏观破坏模式均以张拉为主。数值结果表明，循环冲击会影响饱冰裂隙砂岩应力-应变曲线的形态和斜率。试样的起裂应力与起裂应变的大小以及微裂纹数量均随裂隙倾角的增加呈先增后减的变化过程，而峰值应力则随裂隙倾角的增加而线性增大。     

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。     

充填体与围岩组合模型循环加卸载破裂声发射特征研究

以不同种类围岩与充填体构成的组合模型为研究对象,采用RLW-3000微机控制剪切蠕变试验机对组合模型进行循环加卸载,设置了3种不同侧压力,研究了组合模型在循环加卸载过程中的声发射特征及破裂特性。试验结果表明:在循环上限应力值较小时组合模型声发射表现为Kaiser效应,AE事件率曲线能够很好地描述组合模型内部损伤演化的特征,AE事件率峰值不断增大代表着组合模型内部裂隙逐渐发育;随着循环次数的增加,荷载值较大时表现为Felicity效应,组合模型的Felicity比随循环次数的变化均呈现下降趋势,表现出记忆超前性能;声发射活动的活跃期对应着组合模型宏观裂隙的形成阶段;玄武岩组合模型的最大AE事件能量值比大理岩和花岗岩组合模型的最大能量值大的多,成数量级的关系;AE事件能量值的大幅上升变化可以预示组合模型的破坏。     

裂隙数量和开度对低强度岩体力学特性及破坏模式的影响

采用MTS815电液伺服控制试验机对不同裂隙数量和不同裂隙开度条件下的低强度岩体试件进行常规单轴压缩试验,基于试验结果,详细分析了每种类型裂隙试件的应力-应变曲线、强度、变形参数及破坏模式。研究结果表明:① 裂隙数量可使试件应力-应变曲线的峰后破坏阶段由快速下跌转变为台阶式下跌,最后变为水平延伸式缓慢下跌,呈近似塑性流动变形破坏,相对而言裂隙开度对试件应力-应变曲线的影响则非常小;② 受结构效应的影响,试件峰值强度只在水平和倾斜裂隙条件下才随裂隙数量的增加呈明显减小趋势,而裂隙开度对试件峰值强度的影响较小,且存在最弱影响开度值;③ 裂隙数量对不同裂隙倾角条件下试件的变形特征均有较大影响,而裂隙开度只对倾斜裂隙试件的变形特征影响较为明显;④ 裂隙数量对倾斜和垂直裂隙试件破坏模式的影响要比水平裂隙试件的明显,但影响规律不明确。裂隙开度可以完全改变垂直裂隙试件的破坏模式,使其由纯拉伸破坏向单一剪切破坏转变,但对水平和倾斜裂隙试件的破坏模式基本没有什么影响。     

单裂隙岩石力学特性的单轴加载速率效应及破裂细观机理研究

为探索加载速率及裂隙倾角复合因素对裂隙岩体强度及变形特征的影响规律,分析力学参数及破坏特征与裂隙尖端应力的对应关系,基于室内试验结果,借助PFC颗粒流平台,构建直径50mm,高度100mm的圆柱岩石模型,嵌入宽度为15mm的贯穿裂隙,开展单轴加载试验。结果表明:相同加载速率下,裂隙体模型峰值应力随着裂隙倾角的增加呈现出三次方增长趋势;相同裂隙倾角下,加载速率对裂隙体模型峰值应力有强化效应;低倾角裂隙体存在一次加速强化阶段,高倾角裂隙体存在二次加速强化阶段;裂隙体模型破坏形式随着裂隙倾角的增加呈现出"张拉-复合-剪切-张拉"的规律,其内部微裂纹数量随倾角的增大而增加;低倾角裂隙体模型裂隙尖端应力呈现出多峰值应力现象,高倾角裂隙体模型呈现出单峰值应力现象;不同半径处裂隙所对应尖端应力各不相同,其应力差值与模型破坏形式存在相关性。     

含V型相交裂隙岩体的力学特性及破坏模式试验

为深入了解V型相交裂隙岩体试件的力学特性和裂纹演化规律,采用MTS815电液伺服控制试验机对含不同夹角V型相交裂隙岩体试件进行了常规单轴压缩试验,基于试验结果,详细分析了试件的应力-应变曲线、强度与变形特性、裂纹演化与破坏模式及能量耗散特征。研究结果表明:①裂隙试件的应力-应变曲线进入裂纹萌生与扩展阶段早于完整试件,在峰前出现了明显的应力降现象,在峰后破坏阶段,完整试件表现为应力-应变曲线的快速跌落,而裂隙试件呈现台阶状多阶段性跌落,甚至缓慢水平下降,体现出明显的延性破坏特征;②裂隙试件的峰值应力、弹性模量和峰值应变均有明显减小。峰值强度和弹性模量随裂隙夹角的增加呈先增大后减小的变化趋势。轴向峰值应变主要受裂隙夹角的影响,总体随夹角的增大呈线性减小的趋势;③裂隙的存在能够完全改变岩体试件的破坏模式,随着裂隙夹角的逐渐增加,裂隙试件破坏模式的演化过程为:台阶式张拉-剪切复合破坏(30°)→张拉-八字形剪切复合破坏(60°)→台阶式平行双斜面剪切破坏(90°)。当裂隙夹角为60°时,试件的裂纹演化和破坏模式体现出对加载方向近似的结构对称性特征;④相交裂隙试件单轴压缩破坏的弹性应变能、耗散能、总能量和能量耗散率均较完整试件有大幅度的减小。裂隙试件产生的裂纹数量越多,试件表面的脱落现象越明显,耗散能和能量耗散率也越大。拉-剪复合破坏比单纯剪切破坏要消耗更多的能量。试件的破坏特征和破坏模式能很好地反映试件的能量耗散特性。     

岩石强度对于组合试样力学行为及声发射特性的影响

为研究岩石强度对煤、岩体整体失稳的影响,测试并研究了不同组合煤岩试样单轴压缩过程的破裂形式、应力应变特性、试样强度、声发射特性等规律,分析了岩石强度对于组合试样力学行为的影响。结果表明:组合试样应力-应变曲线位于煤体和岩石之间,更加靠近煤体;随着岩石强度的升高,组合试样从屈服到达峰值的速度越来越快;煤体相同条件下,岩石的强度较低时,组合试样裂纹会向岩石内扩展,同时岩石发生拉伸破坏,岩石强度较大时,破裂主要发生在煤体内;组合煤岩试样屈服点和峰值的应力比值相差不大,屈服点和峰值的应变比值随岩石强度的升高不断升高,两者比值和岩石强度呈线性关系;组合试样峰值应力处声发射信号能量值和脉冲值随岩石强度的增加呈线性升高。     

破碎磷矿体力学特性及等效损伤规律研究

针对宜昌地区磷矿体破碎、节理裂隙发育等特点,进行多围压三轴压缩试验,建立三轴压缩等效耦合损伤变量模型,研究不同围压作用下破碎岩体压缩变形特性和损伤规律,揭示破碎岩体节理裂隙、围压大小、损伤特性、力学强度的相互影响关系。研究表明:围压的增加,可有效提高破碎岩体力学强度,并减小岩体损伤变量的谷值。在高围压作用下,破碎岩体应力应变曲线峰值处近似"折线状",峰值处呈脆性破坏,破坏后峰值强度迅速衰减;低围压作用下,峰值处岩石试样呈现弹塑性破坏,峰值强度衰减缓慢。     

分级循环加卸载作用下花岗岩变形破坏研究

以地下深部花岗岩为试验材料,利用GAW-2000微机控制电液伺服岩石单轴试验机进行分级循环加卸载试验,研究在同一递增荷载幅度条件下,试件的抗压强度、变形、破坏特征、残余应变以及弹性模量的变化趋势。结果表明：在单轴分级循环加卸载试验作用下,岩样的峰值强度随着每级循环次数的增加呈现递减趋势,且单调荷载应力-应变曲线包络住循环荷载应力-应变曲线；岩样破坏特征主要以剪切破坏为主,随着循环次数增加,破坏裂纹更加分散；岩样在加载过程中,岩体内部的结构在不断地调整,导致结构面变得密集与裂隙间更加闭合,卸载时回弹变形有滞后现象,加载起点与卸载终点不重合；轴向弹性、残余应变与环向弹性、残余应变随循环次数变化的规律具有相似性,岩样弹性模量曲线的趋势以“波浪形”的规律交替变化。     

含雁行裂纹砂岩静态加载速率效应实验研究

为研究裂隙岩体的静态加载速率效应,以含预制雁行裂纹砂岩为实验对象,测试了不同加载速率下试样的力学性质、破裂模式、能量耗散及声发射响应特征,综合声发射定位和裂纹扩展演化录像,分析了裂纹扩展演化过程及加载速率效应机制。结果表明:(1)裂隙砂岩受载过程存在着明显的静态加载速率效应。随着加载速率的升高,试样峰值强度、峰值应变、起裂应力、峰值处积累的弹性能和声发射计数峰值均逐渐增大但增幅放缓,弹性模量呈现出先增大后减小趋势,累计声发射总计数则逐渐减小。(2)试样新裂纹的起裂萌生均对应着应力的局部下降、耗散能的突升及声发射的高值响应。(3)加载速率较小时,试样沿一条预制裂纹扩展、滑移而形成剪切型破坏;当加载速率较大时,试样最终破坏模式为裂纹岩桥贯通,并由裂纹外端沿与加载方向平行扩展而成的拉破坏。研究结果为深入认识煤岩动力灾害的力学响应机制及揭示其演化过程提供了有益的参考。     

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。     

饱水冻结裂隙砂岩力学特性试验研究

为探究寒区裂隙岩体的力学特性及破坏机理，对不同裂隙倾角的饱水砂岩开展-10℃冻结环境下的常规三轴压缩试验。结果表明：裂隙几何特征对加载过程中砂岩应力应变曲线发展有较大影响。应力应变曲线初始段呈“上凸型”特征，这是由于该阶段主要由岩体孔隙和裂隙内冰体承担荷载。砂岩峰值强度、弹性模量、抗剪强度参数与裂隙倾角呈线性正相关|泊松比、体积应变与裂隙倾角呈非线性负相关关系，但变化幅度不大|低温冻结环境一定程度上增强了砂岩颗粒间胶结度及摩擦力，使得不同裂隙砂岩均呈单斜面剪切破坏特征，除主剪切面斜裂纹外无明显翼裂纹及次生裂纹出现。通过建立考虑裂隙砂岩强度和变形的损伤演化方程发现，随裂隙倾角增大，砂岩起裂应力水平、扩容应力水平均逐渐增大，而峰后应力应变曲线跌落状态越明显，表明应力应变曲线弹性阶段相对变长，塑性阶段变短，砂岩脆性增强，抵抗塑性变形能力下降。     

基于Smooth-Joint模型的层状页岩力学特性研究

普光气田陆相页岩气资源潜力巨大,侏罗系千佛崖组一段页岩气大面积分布,埋深适中,页岩气资源量为4 239.5亿m³。为实现页岩气的高效开发,在室内页岩单轴压缩力学试验的基础上,利用颗粒离散元法建立页岩的单轴压缩模型和Smooth-Joint节理模型,探讨宏观各向同性页岩单轴压缩破坏、变形及强度特征,以及不同Smooth-Joint节理倾角对岩石力学特性的影响。数值试验与室内试验分析结果表明,节理面的存在降低了岩石的抗压强度;岩体的抗压强度随着节理倾角的改变而改变,随着节理倾角的增大,岩体的强度先降低随后增大;当节理面与潜在破坏面的方向相近时,即节理面倾角θ=45°+φ_s/2时,岩体受压破坏沿节理面发生,岩体强度下降得最多;层状页岩单轴压缩全应力—应变曲线可以分为5个阶段,阶段Ⅰ岩样内部裂纹闭合体积减小、阶段Ⅱ弹性变形过程(总体积应变增量等于弹性体积应变增量)、阶段Ⅲ裂纹稳定扩展(弹性变形)、阶段Ⅳ裂缝非稳定扩展(塑性变形阶段)、阶段Ⅴ试件裂缝继续扩展延伸直至达到峰后强度σ_p停止。该研究结果为普光陆相千佛崖组页岩气的开发提供...     

离散裂隙网络的几何参数对裂隙岩体力学参数的影响研究

构建不同结构特征的离散裂隙网络,然后建立相应的等效岩体模型,通过单轴压缩数值试验得到等效岩体模型的力学参数,分析离散裂隙网络的几何参数对裂隙岩体力学参数的影响。结果表明：随着裂隙密度P₃₂的增加,单轴抗压强度、弹性模量及峰值应变近似线性递减,泊松比近似线性递增；随着裂隙倾角均值的增加,单轴抗压强度、弹性模量及峰值应变先减小后增大,泊松比先增大后减小,在60°时达到极值；对于裂隙倾角的分布特征,当裂隙倾角均值为60°时,单轴抗压强度、弹性模量及峰值应变随Fisher分布常数的增加而减小,泊松比随Fisher分布常数的增加而增加,而对于其它裂隙倾角均值的情况,Fisher分布常数对裂隙岩体力学参数的影响较小；对于裂隙直径的分布特征,幂律分布指数对裂隙岩体力学参数的影响较小；敏感性分析结果表明,单轴抗压强度对于离散裂隙网络几何参数的敏感性最大,弹性模量的敏感性最小。     

炭质页岩常规三轴试验和本构方程的研究

利用XTR01-01型微机控制电液伺服岩石三轴试验仪,研究了堡镇隧道大变形段的裂隙岩体(炭质页岩)在围压为0～25MPa下的应力—应变全过程曲线,建立了屈服强度、峰值强度、残余强度与围压的关系。根据塑性力学的相关理论,提出三线性弹性—线性软化—残余理想塑性五线性模型,并应用于炭质页岩,得到了炭质页岩各段的本构方程,并讨论了软化段。结果表明,理论模型和试验结果吻合较好。