闭合裂纹面相互作用的实验研究

为了研究地震过程中断层面的相互作用,设计了四类裂纹面状况不同的断裂力学实验。实验结果表明,裂纹面的状况对于含裂纹材料的σ_c(2^1/2)值有强烈的影响,并利用断裂力学的原理对结果进行了分析。 实验中解决了如下技术关键: 1.可用三点弯曲、局部受拉、单面启裂、双面贯穿的方法,在脆性材料板状试件（玻璃板、岩石板）以及有机玻璃板中预制中心穿透裂纹。 2.在裂纹端部预计裂纹扩展的区域内粘贴电阻应变片,用以判断并测量裂纹初始扩展及其相应的破坏应力σ_c的方法。     

岩石破裂时电磁辐射的机理研究

本文提出了岩石破裂时的电磁辐射是裂纹尖端电荷随着裂纹加速扩展运动所产生的假说.应用断裂力学方法推导了岩石破裂时初始裂纹长度与裂纹扩展加速度的关系,并计算了其速度和加速度值.根据破裂岩石的电子发射理论,解释了裂纹尖端带电荷的现象.利用岩石在单轴压缩致裂过程中记录到的近场电磁辐射的实验结果,计算了裂纹扩展时裂纹尖端的电荷量和远场电磁辐射强度.通过对电磁辐射波谱分析的研究,得到岩石破裂时电磁辐射频率上限的估计值.最后对岩石破裂时出现的声光电磁现象在理论上作了统一的定性的解释.     

从断裂力学观点探讨 b 值的物理实质

岩石试验声发射及天然地震的 b 值到底反映了什么样的物理实质,是一个长期以来引起争论的问题.本文运用断裂力学的观点和方法,研究岩石试验试件内微裂纹系中各裂纹的扩展顺序及声发射能量,由此确定整个声发射序列,并进而确定 b 值.如果假设裂纹长度的分布密度函数为 p()=B-.经过力学分析和数学推导,可得到关系式 b=3/2.由此看出:b 值的物理实质是,它反映了介质的断裂构造状态————包括介质中裂纹系的空间分布及其它影响材料中裂纹扩展的物理量(如断裂韧度、摩擦系数等)的空间分布.这一结论与大多数实验及观测结果相符.我们的研究结果与茂木清夫观点有共同之处.茂木清夫认为:介质的不均匀性是决定 b 值的重要因素.介质的不均匀性一词固然也包括了介质的断裂构造状态在内,但是本文之观点比茂木更进一步说明了问题的实质.      

裂纹系微破裂集结和动态扩展的实验研究

研究了裂纹系的动态破裂,重点考察了裂纹系相互作用.选用大理石、玻璃为实验材料,将其加工成薄板状,并在板内预制各种不同形态的裂纹系,在单轴压下用可见光透视观察裂纹系动态相互作用的破裂过程.实验中发现,岩石的动态破裂过程和玻璃有很大差别,岩石的裂纹系动态相互作用后期是通过微破裂演化来实现的,而在玻璃中观察不到.裂纹系的不均匀应力场分布是破裂演化的初始原因.通过实验,给出大理石材料中各种不同形态裂纹系的动态破裂演化的全场过程图像,直观地揭示了含裂纹系岩石变形破坏的实质.实验显示了不同几何形态的裂纹系的破裂发育过程有明显区别.在微破裂集结时,周围的破裂部分闭合.因此,用二维模型描述的微破裂图像和实际有很大出入.为了消除这个差距,必须研究三维破裂.本文的实验结果表明,裂纹(断层)不能起到阻碍破裂扩展的作月;裂纹(断层)作为障碍体,和预存裂纹之间存在强烈的相互作用,使得样品的强度降低几乎一个量级.讨论了上述结论对于认识地震(包括矿震)断层行为的意义.     

非均匀性对岩石介质中裂纹扩展模式的影响

运用岩石破裂过程分析ＲＦＰＡ２Ｄ系统,通过对岩石试样中预置的倾斜裂纹扩展过程的数值模拟,研究了材料非均匀性对岩石介质中裂纹扩展模式的影响．数值模拟再现了受压试样在裂纹扩展过程中逐步演变的应力场和应变场,以及与岩石非均匀性有关的声发射和断裂扩展模式的“岩桥”现象．模拟结果说明,岩石的非均匀性对含裂纹试样的变形、破裂过程及其破坏模式有很大的影响．     

含有障碍体的岩石样品破裂发展过程中的b值变化

本文用AET—5000型声发射仪对单轴压力下含有障碍体的岩石样品于破裂发展过程中的b值变化进行了研究。结果表明,不存在障碍体时大理岩板的b值随应力的增加而单调下降,由0.80降至0.13,直到岩样破裂为止。存在单个尺度较小的障碍体时,加载初期b值下降,当达到破裂应力的40％左右,b值回升;当障碍体的尺度较大时,b值在达到破裂应力的70％左右回升;然后,它们在应力再度增强时,b值又重新下降。而存在多个障碍体时,其变化形态随着障碍体的不同分布而不同。 最后讨论了造成b值变化的可能原因及其在地震预报中的影响和作用。     

不同应力变化过程岩石的声发射q值

在单轴应力条件下对不同应力变化过程岩石的声发射b值或m值进行了研究。所用的岩石为济南辉长岩和房山大理岩。实验的方式有三种:(1)重复加载实验;(2)递增加载实验;(3)应力增减实验。实验表明,应力减小过程的声发射b值比应力增加过程的声发射b值低。重复加载时声发射率显著下降但声发射b值变比不大,声发射b值对岩石的应力历史的记忆效应也不及声发射率的记忆效应明显。     

岩石破裂中多裂纹辐射模型

以往有关岩石破裂过程中产生的电磁辐射（EM）理论均建立在单裂纹模型之上,但实验表明,岩石破裂中存在着多裂纹同步扩展的现象,因而存在多裂纹同步扩展产生的电磁辐射。根据实验结果,提出了多裂纹同步扩展的简化辐射模型,计算了电磁辐射场的特性。结果表明,这种电磁辐射比单裂纹辐射场强振幅大N倍和具有更强的方向性,用实验测量值与该模型的计算值进行了比较,二者基本吻合。     

岩石加速破裂行为的物理自相似律

掌握岩石变形破坏过程中体积膨胀点至峰值强度点之间加速破裂行为的演化规律,是实现地质灾害物理预测的关键.本文考虑裂纹张开和闭合两种情况,基于断裂力学建立了三轴应力作用下裂纹扩展临界尺度与等效应力的关系.对微元体破坏概率,分别采用以等效应力表达的Weibull分布函数和裂纹尺度分形函数,通过对比导出了形状参数m与裂纹分布分维D_f关系的表达式.一个有趣的发现是,岩石峰值强度点与体积膨胀点应变比仅与m或D_f有关.对岩石蠕变或准蠕变破坏,合理的m值范围为[1.0,4.0],在此范围内应变比近似为常数1.48,该常数是描述不同尺度岩石加速破裂规律的物理自相似常数.实例分析表明,基于岩石加速破裂规律构建的多锁固段脆性破裂理论,其适用性广,尤其在崩滑和大地震预测领域,具有良好应用前景.此外,本文给出了b值与m值定量关系,以解释b值的物理意义,并探讨将其用于地震预测的可行性.     

用超小型压力机研究裂纹的稳态与非稳态扩展

本文利用显微镜观察记录了玻璃中预制小裂纹稳态与非稳态扩展的全过程。当对玻璃加载到初始压力P和压缩量u时,停止加载,并观察稳态扩展过程,测量破裂扩展的速度。根据测量结果,发现在预制裂纹稳态扩展时,扩展速度随着时间在增长,而初始压力P和压缩量u却保持不变。但是一旦非稳态扩展出现,初始压力P和压缩量u便突然下降。实验中的应力降和地震中的应力降在数量级上是相同的。最后我们讨论了稳态扩展过程中P和u不变的原因。我们认为:Griffith的破裂准则应用到破裂过程时不是十分完善的,需要作适当的修正。     

岩石介质中多裂纹扩展相互作用及其贯通机制的数值模拟

运用岩石破裂过程分析RFPA^2D系统，通过对岩石试样中预置的一组右行右阶雁列式裂纹扩展过程的数值模拟，研究了非均匀岩石介中多裂纹扩展的相互作用模式及其贯通机制。数植模拟再现的受压混合型裂纹扩展过程中逐步演变的全场变形过程，以及与细观非均匀性有关的声发射和断续扩展模式的“岩桥”现象，清晰地揭示出多裂纹扩展的相互作用及其贯通机制。模拟结果说明，对于岩石这种地质介质而言，忽略其非均匀性影响，可能会掩盖岩石变形与破裂过程中的许多与非均匀性有关的特殊现象，包括声发射或微震模式、岩桥或雁行断裂等。     

“入”字式断层声发射b值及震级-频度关系的物理意义

本文从实验上研究了“人”字式断层声发射b值并从理论上对频度—震级关系及b值变化的物理机理进行了探讨。“人”字式断层的引入使b值呈现低值,b值随载荷呈现单调下降以及下降又上升或波状上升两类变化,反映了不同的破裂过程。根据微破裂的产生、发展和聚合过程的物理图象,建立了微破裂的分布方程。在裂纹无相互作用时,分布方程的解即是Gutenberg-Richter公式。在裂纹相互作用时,分布方程的解不是简单的幂函数,在对数坐标中频度—震级关系偏离线性     

花岗岩变形破坏的阶段性模型--应力速度及预存微裂纹密度对断层形成过程的影响

依据对具有较高微裂纹密度的筑波花岗岩和极低微裂纹密度的花岗斑岩 2种极端的岩石标本、在等应力速率的快速加载 (约 6MPa/min)和蠕变加载 (轴向应力保持在约 95 %破坏强度 ) 2个极端的加载条件下的实验结果 ,讨论了预存微裂纹密度与加载速度对多晶质结晶岩变形破坏过程的影响。实验中利用高速多通道声发射波形数字记录系统 (每秒可记录多达 5 0 0 0个声发射事件的 32通道波形 ) ,获得了岩石标本破坏前微破裂活动的详细时空分布数据。声发射的发生率、震级 -频度关系中的b值及震源的空间分布揭示出岩石变形破坏过程中微破裂活动具有 3个典型阶段 :初期阶段、第 2阶段和成核阶段。尤其是在成核阶段 ,还观测到发生率和b值有大幅度前兆性起伏。一般而言 ,在相同加载条件下预存微破裂密度越高 ,或对同一岩石加载速度越慢 ,对应的断层成核过程就越长 ,因此最终破坏的可预报性也越高。为了进一步探讨微破裂活动的阶段性特征及其物理本质 ,还利用亚临界破裂扩展模型对声发射数据进行了理论分析     

循环加载下岩石破裂过程中声发射b值变化特征及意义

1 研究背景 声发射是指岩石在受力过程中发生变形和破裂,其应变能释放所监测到的一种物理现象,而b值是表征地震震级—频度关系的参数,研究人员发现,b值具有非线性特征,且与岩石破裂过程密切相关.因此,利用岩石试件变形破坏过程中产生的声发射事件模拟地震,进而研究不同加载条件下岩石变形破坏过程中的声发射b值变化特征,可用于监测岩石受力破坏过程中内部预存微裂隙的活动状态,有助于揭示岩石损伤机理及岩石的破坏程度,也可作为岩石失稳预警参数,捕捉地震发生的前兆信息.     

岩石裂纹扩展微观机制声发射定量反演

岩石受载内部微裂纹扩展及其震源机制反演有助于认识宏观裂纹扩展过程的非线性断裂力学行为.借助声发射监测手段,本文建立了仅涉及微裂纹张开/闭合和剪切滑移的位移不连续震源模型,通过各位置处传感器耦合质量标定及点源远场P波矩张量反演获得了含预制裂纹砂岩受载过程的震源机制解及时变响应特征,在全局坐标系下分析了微裂纹的三种断裂力学行为.结果表明:在位移不连续模型中,震源矩张量特征值与试样泊松比之间必须满足特定约束条件,该约束条件下的优化问题可采用拉格朗日乘子和Levenberg-Marquardt迭代法求解;受载砂岩裂纹扩展过程中,声发射震源以剪切滑移机制占优,微裂纹空间取向及运动方向与试样宏观主裂纹夹角平均值分别为40.9°和17.7°;对微裂纹体积分解表明岩体微观破裂机制以沿X方向I型张开为主,而沿Y方向的II型断裂滑移方向与试样全局变形方向相一致,由于试样内部晶粒分布非均质性造成了少量沿Z方向的III型平面外微裂纹滑移行为;受载砂岩裂纹扩展过程中微裂纹模式角与震源极性值变化趋势一致、利用震源震级评估的局部应力降值与实验观测结果相吻合,这两者均表明了位移不连续模型在震源机制定量反演中的适用性.     

岩石细观破裂的实验观测研究及其对认识地震活动性的启示

对合一条预制中心割缝的大理岩六边形试件进行了对边均匀加压实验，在扫描电镜下实时观测了细观裂纹的起裂、扩展过程，研究了它们与外载大小和方向之间的关系．用实验过程中拍摄的显微照片测量与计算了裂端距（割缝周围次级裂纹开裂点至割缝端点的距离）与外载方向之间的关系，并分析了当加载方向变化时裂纹扩展的特征及变化规律．最后将实验结果与滇西北洱源－鹤庆断裂尾端张性盆地的发育过程做了对比，发现两者在受力方向改变时，次级断层的发育过程具有相似之处．     

非穿透裂纹平板试件三维破裂的实验研究

在研究地震孕育及震源破裂的问题时,用三维破裂来模拟地震破裂过程,比二维破裂与实际更加接近。我们设计了一组实验,采用几种不同的材料（玻璃、有机玻璃和大理石等）做成平板试件,在其中心预制非穿透裂纹,并在单轴压下进行了实验研究。 实验结果表明,非穿透裂纹与穿透裂纹的扩展情况有质的差别。非穿透裂纹的扩展并不沿原裂纹面延伸,而是沿裂纹前缘扩展出许多裂纹面,每一个破裂面都是复杂的扭曲、拐折的曲面。这可能意味着实际地震断层的扩展情况也是极为复杂的。     

在不同应变速率下三种岩石的b值变化

本文研究了物理性不同的三种岩石在不同应变速率影响下声发射 b 值随应力增加而变化的特征。结果表明:应变速率在(10~(-4)～10~(-8))范围内三种岩石的声发射 b 值都随应力增加而减小。它们的高 b 值区随应变速率下降向应力增加方向偏移。同时,三种岩石的 b 值随应力的变化对不同应变速率的反应程度是不一样的,说明无论是应力状态或是岩石的物理性质都能影响岩石 b 值的变化,但,也都不是决定岩石声发射 b 值的唯一因素。     

利用声发射和波速变化判定岩石损伤状态

对岩石受单轴压缩损伤过程中的声发射和超声波波速进行了同步测量,对比分析了声发射和波速随损伤过程的变化规律。研究表明,岩石损伤过程可分成几个阶段,不同阶段声发射和声波波速变化呈现不同特征;利用超声波波速的相对变化能够稳定可靠地鉴别岩石的"加载强化"与"加载弱化";声发射b值对裂隙的非稳定扩展更加敏感,可以作为岩石失稳预警参数;岩石声发射和波速都对损伤具有记忆性,重复加载下的声发射和超声波波速变化可提供更丰富的岩石损伤状态信息。     

岩石破裂电磁辐射频率与岩石属性参数的关系

为进一步明确岩石破裂电磁辐射频率特征,基于岩石破裂电磁辐射是由岩石破裂时传播裂纹引起原子扰动产生的假说, 通过断裂力学理论中小范围屈服条件下张开位移法计算岩石破裂时的裂纹宽度,由单脉冲电磁辐射频率与裂纹宽度之间的关系,研究电磁辐射频率与岩石属性参数之间的关系,并给出了它们之间的关系表达式;单独讨论了不同属性参数对电磁辐射频率的影响.结果表明,电磁辐射频率随弹性模量增大而增大,随岩样尺寸和强度增大而减小,随泊松比的变化、岩石弹模的不同电磁辐射频率有变化;当弹模较小时,泊松比的影响也较小,而当弹模很大,即岩石刚度很大时,泊松比的增大会导致频率的增大;裂纹初始长度的变化受试件尺寸的影响,进而影响频率,当尺寸较大时,裂纹长度对频率影响较小,当尺寸较小时,频率随裂纹长度增大而增大.通过计算几种常见岩石破裂时电磁辐射频率值发现,岩石破裂时电磁辐射频率达到10⁵ Hz量级,这与现有的实验结果相吻合.