岩石变形破坏全过程的变形场和能量演化研究

以白光数字散斑相关方法作为试验观测手段,通过单轴压缩试验对一种红砂岩变形破坏全过程的变形场和能量演化特征进行研究。利用CCD(charge-coupled device)相机记录试验加载全过程的试件表面散斑场图像,采用数字散斑相关方法对试验图像进行分析,计算得到了岩石变形破坏过程中试件表面变形场、变形局部化区域的位移错动量值和试件表面变形能密度量值,并对变形局部化带的位移演化和变形能量演化特征进行分析。从试验结果分析得出：岩石试件变形局部化带的位移演化在加载峰值前基本上保持线性演化规律,而其位移错动加速与加载峰值点相对应,岩石试件加载峰值后阶段的承载力变化主要受变形局部化带的位移演化影响;岩石试件在加载过程中的能量释放和能量积累规律与局部化带的演化有关,体现出局部能量释放和整体能量释放两种形式。     

煤样单轴压缩时滞性变形破坏的试验研究

在深埋中等坚硬煤层采掘工作面煤壁片帮大多表现出明显时滞性,针对采掘工作面煤壁片帮发生时滞性应力特征,在RMT-150B岩石力学试验系统上进行煤样单轴压缩和分级加载对比试验,分析两种加载方式下煤样时滞性变形破坏特征,结果表明：两种加载方式在煤样峰值前应力-应变曲线宏观没有明显区别,单轴压缩峰值后出现分次应力跌落,而分级加载最后一级应力高于煤样屈服强度时没有明显峰值点,出现屈服平台,峰值后应力跌落迅速;单轴压缩得到的力学参数明显高于分级加载试验值,表现出煤样的力学参数具有时滞性;分级加载应力比低于70%时,煤样轴向和环向变形特征不明显,分级加载应力比高于70%时,尽管轴向应力保持恒定,随着时间延长煤样轴向和环向变形则不断增加,且环向应变远大于轴向应变,体积不断增加,在此期间,煤样继续吸收外界能量内部材料逐步损伤破坏,新生微裂纹不断演化、发展和汇聚,分级加载应力水平比越高,延时破坏越短,相反延时破坏则越长,分级加载时表现出明显时滞性特征;单轴压缩时煤样破坏相对简单,具有明显张剪性双重破裂面,而分级加载时煤样破碎充分,破坏形式复杂,环向膨胀特征明显,与采掘工作面煤壁延时片帮破坏特征极为相似。其研究结果对采掘工作面煤壁延时片帮治理具有一定的参考意义。     

受静载荷的岩石在周期载荷作用下破坏的试验研究

为了研究受静载荷的岩石在周期载荷作用下破坏及变形发展规律,在Instron电液伺服材料试验机上进行了红砂岩的单轴动静组合加载试验。采用自制的一维水平静压加载装置,配合Instron电液伺服材料试验机进行了红砂岩的二维动静组合加载试验。试验表明,受静载荷的红砂岩在周期载荷作用下的破坏形态因所受静载荷的状态不同而不同,在周期载荷作用下的应力-应变曲线表现为滞回圈先疏后密再疏,直至破坏;相同条件的受静载荷的红砂岩受不同周期载荷作用时,尽管其应力-应变曲线表现为不同的滞回圈数和不同的全应变,但仍与岩石在周期荷载作用下疲劳破坏的极限变形规律一致,并且破坏岩石所消耗的有效全应变能有向相同值发展的趋势。     

基于三维数字图像相关技术的脆性岩石破坏试验研究

利用三维数字图像相关技术(3D-DIC)观测系统研究单轴压缩状态下带中心圆孔花岗岩岩板的破坏全过程,得到了含孔洞岩石破坏过程中观测面的三维全场位移和应变,不仅能够直观地反映岩石表面裂隙的产生、扩展及相互连通的演化过程,亦能够确定裂纹的位置、形态以及扩展方向等具体信息,还能重现加载过程中试样表面的压缩(平行荷载方向)、剥离(垂直荷载方向)、膨胀及剥落(垂直试样表面方向)。结果表明:3D-DIC技术在岩土力学试验中有其独特的优势,岩石材料破坏过程中应变场的演化能较好地反映其内部裂纹的产生和扩展规律。根据全场应变云图可以判断岩石裂纹扩展演化的情况;裂纹的演化具有强烈的非线性特征,在试样接近破坏时形成的"X"型对称变形局部化带,最终只形成一条宏观破坏带,荷载方向、岩石结构及其内部的非均匀性都会对最终宏观破裂带的位置产生影响;利用3D-DIC观测系统进行岩石变形破坏机制的研究是有效的,可为岩土介质宏细观变形破坏机制的研究提供重要的借鉴。     

基于CT扫描和数字体相关法的页岩各向异性三维变形场特征研究

为了获得层状页岩各向异性三维变形场特征,对四川盆地龙马溪组层状页岩开展单轴压缩试验,并利用Micro-CT原位扫描,以原位扫描获得的数字图像作为变形信息载体,基于局部数字体积相关法（digital volume correlation,简称DVC）和全局DVC方法计算单轴压缩条件下层理页岩变形场,研究页岩变形演化的层理效应。结果表明：随着载荷增加,页岩试件整体位移场梯度逐渐向层理方向演化。不同层理页岩试件的高应变集中区呈现出不同的模式,0°试件受张拉和剪切作用共同影响,在中部区域应变集中明显,裂缝集中于中部发育;45°试件在加载后期张拉应变和剪应变集中区同时出现,裂缝发育遇层理面出现明显拐折,裂缝的演化由张拉和剪切作用共同控制;90°试件在整个加载过程中张拉应变集中显著,裂缝沿垂直层理面平行发育,试件破坏受控于张拉作用。Micro-CT的高分辨率原位扫描图像结合局部DVC和全局DVC获取的变形场和应变场能够反映各向异性页岩的变形破坏规律,为页岩变形演化的层理效应研究提供了方法。     

岩石三维破坏数值模型及形状效应的模拟研究

应用RFPA3D分别模拟了理想光滑端部加载和限制性加载端部情况下不同形状的岩石在单轴压缩下的破坏过程。模拟结果表明,试样形状对岩石的抗压强度、变形特征以及破坏模式有很大影响。岩石试样的强度随着长宽比的增加而减小,当长宽比超过2.5以后单轴压缩强度趋于稳定。理想端部下,长宽比较大的试样主要是剪切破坏模式;而长宽比较小时,主要是因为拉伸引起破坏。端部效应是引起试样拉伸破坏的一个重要因素,但是即使采用光滑端部,试样的形状效应依然存在。长宽比的逐渐增加使岩石逐渐由延性破坏向脆性破坏转变。     

基于无网格法的含缺陷岩石变形局部化数值模拟研究

利用自主开发的基于无网格法的岩石力学计算分析程序,采用Mohr-Coulomb破坏准则,考虑材料塑性屈服后的软化特性,研究单轴压缩条件下含一个缺陷的岩石试样的变形特性,探讨含缺陷材料的岩石变形局部化的演化规律。计算结果表明,岩石试件的破坏是一个渐进破坏的过程;加载过程中试件中的缺陷弱粒子首先出现粒子破坏并产生声发射,随加载进行试件产生微裂隙并扩张形成一个变形局部化带,局部化带扩张、发展,最终形成一个明显的剪切破坏带,缺陷粒子对试件的破坏起到了控制作用。岩石的声发射记录了岩石材料的塑性破坏过程,岩石试件的剪切破坏带与塑性区的发展具有非常类似的规律,但塑性区面积要大于剪切破坏带,从所处位置来看剪切破坏带位于塑性区之内,通过研究声发射特征信息发现变形局部化发生在应力-加载步（应变）达到峰值强度前。     

L形边裂隙单圆孔砂岩单轴压缩力学特性

 为加深对含交会裂隙圆孔岩石裂纹扩展和断裂机理的认识,分别对含一对水平边裂隙（A系列）和L形边裂隙（B系列）的单圆孔砂岩试样开展单轴压缩试验,建立颗粒流模型以提取加载过程中的位移云图和微裂纹数量,对比两个系列试样的变形和开裂差异,获得不同裂隙长度与倾角砂岩试样模型的接触力分布演化和颗粒位移分布情况。结果表明：1) 边裂隙弯折缝改变了岩样的破坏模式,随裂隙长度增加或倾角增大,含水平边裂隙砂岩试样先后发生剪切破坏和翼型拉伸破坏,而含L形边裂隙砂岩试样先后发生共面剪切破坏和共面拉伸破坏;2) 单轴压缩下砂岩试样中圆孔与裂隙的开裂相互作用,产生了剪切、共面剪切、翼型拉伸、共面拉伸和反向拉伸5种类型的裂缝,揭示了含边裂隙单圆孔砂岩试样的裂缝贯通机理;3) 裂隙长度一定时,与含水平边裂隙砂岩试样相比,含L形边裂隙砂岩试样开裂晚、变形小、强度低、破坏早、稳定性差。     

石灰岩声发射特性的试验研究

采用SYB-4声发射仪和岩石声发射参数动态测试系统,对广西高峰石灰岩进行了单轴压缩条件下的声发射试验,研究了石灰岩在单轴加载过程中声发射活动随时间和岩样应力、变形等变化的内在规律,在此基础上分析了石灰岩的破坏机理。试验研究表明:除加载初期外,石灰岩声发射活动与试样体积变形间有较好的关联性,岩样中微裂纹形成和原有裂纹扩展是造成岩石声发射活动与体积变化的主要原因。因此,采用声发射技术可对矿山采场矿岩体变形稳定性进行监测和评价。      

单轴压类岩石试件应变局部化位置、方向及预警应用研究

应变局部化是岩石破坏的先兆,为揭示单轴压缩条件下控制变形局部化带出现时间、位置和生长方向的主要因素。以白光数字散斑相关方法作为观测手段,获取实验过程中变形局部化的时间演变全过程数据,计算最大主应变场、最小主应变场、位移场,并结合轴力-位移关系曲线对多个试件的局部化演变特征进行了综合对比分析,发现类岩石脆性材料在单轴压受力条件下局部化带的发展沿最大主应变(最大压应变)方向,并随着最大主应变方向的偏转而发生偏转;局部化带的出现位置受最小主应变控制;短时位移场显示脆性类岩石材料局部化带内以张拉破坏为主,并非剪切破坏;局部化带不仅可在接近峰值载荷的高荷载条件下出现,还可能出现在荷载值较低的变形加速拐点处;局部化启动、局部化带两侧观测点水平位移分量反向是较好的构件破坏预警指标。     

Numerical modeling of plastic deformation and failure around a wellbore in compaction and dilation modes

In many wellbore stability analyses, the ability to forecast both the occurrence and extent of plastic deformation and failure hinges upon a fundamental understanding of deformation mode and failure mechanism in the reservoir rock. This study focuses on analyzing plastic zones, localized deformations, and failures around a borehole drilled overbalanced or underbalanced through a highly porous rock formation. Based on several laboratory experiments, porous rocks are prone to deform under both shear-induced dilation and shear-enhanced compaction mechanisms depending on the stress state. The shapes of the deformation and failure patterns around the borehole are shown, depending on the initial stress state and the local stress paths. The inquiry of the local stress paths in the near-wellbore zone facilitates the understanding of the reasons for different types of failure mechanisms, including the mixed-mode and the plastic deformation structures. The modification of the 2D plane strain condition by imitating third stress in the numerical scheme helps us bring the stress paths closer to the real state of loading conditions. Our modeling reveals that the transition from isotropic to anisotropic stress state is accompanied by an increase in the deviatoric part of effective shear tensor that leads to the development of inelastic deformation, degradation, and subsequent rock failure. Particular interest is devoted to the modeling of strain localization especially in compaction mode around a wellbore and computing the amount of stress concentration at the tips of dog-eared breakouts. Stress concentration can result in a change in irreversible deformation mode from dilatancy to compaction, elucidating the formation of the shear-enhanced compaction phenomenon at the failure tips in the direction of the minimum horizontal stress.     

岩石失稳破裂的变形突跳研究

针对在非刚性加载条件下岩石失稳破裂过程中变形突跳的特性, 根据时间的不可逆性, 研究了岩石试样在普通试验机下的变形规律及突跳特性, 得到了与尖点突变模式相似的突变机构。再利用突变理论中尖点突变模型研究由试验机和岩石试样组成的力学系统的失稳机制, 结果表明:两者得到的岩石变形突变量非常相似, 且具有同一变化趋势。     

大埋深高地应力关山隧道围岩变形破坏分析

甘肃省关山隧道是一条受高地应力影响的大埋深硬脆性闪长岩铁路隧道,位于青藏高原东北缘,构造活跃,运动速率较大,且方向变化显著的六盘山挤压隆升构造区。在隧道开挖过程中围岩变形破坏现象明显,围岩等级低于前期岩体质量分级,表现出强烈的岩体质量劣化和各向异性。针对该问题,除了采用矿物成分和微结构分析寻找原因,还通过现场结构面统计分析对围岩质量劣化和各向异性进行描述,同时运用自行研发的钻孔电视进一步分析开挖前后一定时间间隔内围岩的渐进式变形和破坏。钻孔电视试验结果表明,尽管闪长岩作为一种硬脆性岩体,单轴抗压强度（UCS）高于现场地应力值,但其变形和破坏却普遍发生,开挖过程中新生裂隙迅速发育,原先在高地应力下闭合的裂隙也会重新张开和发展,围岩劣化,稳定性降低。为了进一步分析围岩的变形破坏过程,设计了变压力大小和方向的单轴抗压试验,试验中闪长岩的单轴压力值低于单轴抗压强度,试验结果与钻孔电视试验观测结果吻合,证明了在开挖引起的地应力剧烈变化条件下硬脆性闪长岩结构劣化,存在变形破坏的可能性。在大埋深高地应力条件下,除了岩体的各向异性,地应力的变化也是硬脆性围岩稳定性的重要考量因素。     

梯度塑性理论及其在地质灾害预测研究中的应用

岩石结构稳定性问题是岩土工程实践中迫切需要解决的重要课题之一。文章以地震为例，讨论了地质灾害的局部化特征，介绍了经典弹、塑性理论的某些缺陷及梯度塑性理论的几点优越性：(1)控制方程总是适定的；(2)病态网格依赖性消失；(3)局部化带宽度由材料的内部长度完全确定；(4)可对岩石结构的尺寸效应及失稳回跳进行合理解释和预测；(5)对预测宏观及微观问题均比较有效。介绍了基于梯度塑性理论的岩石变形、破坏及稳定性研究进展。梯度塑性理论可用于研究单轴压缩条件下，岩石试件发生剪切破坏时全程应力一应变曲线、尺寸效应、剪切带倾角尺寸效应及失稳回跳等问题。它们对土木工程及岩土工程均十分重要。若将单轴压缩岩样比拟为矿柱，则该失稳判据即为矿柱岩爆准则。梯度塑性理论可用于研究韧性断层带内部应变、应变率分布规律、断层带错动位移及带内孔隙度分布规律，为韧性断层带定量分析提供了新的手段。此外，该理论还可对直剪试验机——岩样系统不稳定性进行分析，系统失稳可比拟为断层岩爆。发展基于梯度塑性理论尺度律及失稳判据等解析解一方面可加深对岩石变形、破坏的理解；另一方面。还可用来检验数值结果的正确性。     

基于梯度塑性本构理论的岩样侧向变形分析(Ⅰ):基本理论及本构参数对侧向变形的影响

研究了岩样在单轴压缩条件下轴向应力．侧向或环向变形的全程曲线特征。基于考虑峰值剪切强度后微小结构之间相互影响和作用的梯度塑性理论，得到了由于剪切局部化而引起的侧向塑性变形。利用虎克定律描述了试件的弹性变形，得到了轴向应力．侧向变形全程曲线的解析解。在软化阶段，试件中部侧向变形及对靠近试件上端或下端部位的侧向变形并不相同。与轴向应力．应变曲线可能出现的回跳现象类似。试件中部轴向应力．侧向应变曲线也可能出现回跳现象。在应变软化阶段，与应力．侧向应变曲线相比，应力．环向应变曲线不容易发生回跳现象。若在试件内部出现多条剪切带，则应该以等效剪切带宽度替代本文中的剪切带宽度。随着剪切带倾角、内部长度参数的降低、剪切模量的增加及弹性模量的降低，轴向应力．侧向应变曲线越陡；甚至能出现弹性回跳。     

凌海花岗岩变形特点与脆性评价

以凌海花岗岩为研究对象,进行了一系列常规三轴高压试验,研究了花岗岩的变形特点及脆性演化规律。基于试验结果,分析了不同围压下的全应力-应变曲线,探讨了静态应变采集试验中花岗岩表面变形特点、峰前损伤规律及其与裂隙扩展的关系,总结了动态采集试验中典型的裂纹扩展模式,并基于改进的峰后能量平衡法评价岩石的脆性。研究结果表明：多应变片静态采集三轴试验中岩样不同位置变形规律差异明显,压缩应变较大的区域往往是裂隙产生、扩展的位置;动态应变采集三轴试验中识别了3种典型的裂隙扩展模式,且与应力加载方式存在一定联系;在70 MPa围压范围内,岩样都表现出明显的脆性破坏特征,其脆性指数随围压增加呈现出先减小后增加再减小的变化趋势。该研究成果对进一步开展其他硬岩的变形破坏机制研究和地下工程的稳定性分析具有一定参考价值。     

速度倒数法滑坡预警模型流变试验研究

滑坡失稳的预测预报研究是地质工程领域中的一项重要课题,准确地确定预测预报理论模型的参数是实际应用中的难点。在实际滑坡监测中通常可以观察到位移曲线呈现阶梯形,这些阶梯形位移变化点就是滑坡的变形突变点。为研究滑坡变形突变点的变形特征,进行了不同荷载作用下的天然试样以及不同荷载、不同含水率作用下的浸水试样的流变试验,得到了累计位移-时间曲线以及变形速度-时间曲线。依据秦四清的锁固段理论以及速度倒数法滑坡预警模型对试验结果进行分析。研究结果表明：荷载和含水率的变化对模型参数没有影响,模型参数是关于材料属性的函数;变形过程中突变点的变形特征与破坏时的变形特征相似,并且速度倒数法预警模型在突变点和破坏点确定的模型参数基本一致。因此,滑坡监测曲线中早期位移突变点确定的模型参数可以用于确定滑坡破坏时的预警模型。     

基于声发射的盐岩变形破坏过程的分形与损伤特征研究

为研究盐岩变形破坏过程中损伤变量和分形维数之间的关系,对取自某地的纯盐岩开展了单轴压缩和三轴压缩试验。在基于声发射振铃计数的损伤模型和基于声发射定位点空间演化的分形维数计算的基础上,对盐岩变化破坏过程中的损伤变量和分形维数进行了研究。研究表明：在盐岩变形破坏过程中,盐岩分形维数逐渐降低,损伤变量逐渐增加,且分形维数下降的各个阶段与损伤变量增加的各个阶段相对应;盐岩变形破坏前分形维数不再明显下降,且不同应力状态下,盐岩变形破坏前分形维数不同;随着围压增大,盐岩变形破坏前分形维数逐渐降低,其中单轴压缩和三轴压缩应力状态时,分形维数分别低于2.42和2.31、2.20时,预示着试件内部损伤开始汇集,逐渐形成宏观破裂面,导致试件变形破坏;围压对盐岩声发射活动有明显的抑制作用,随着围压的增大,盐岩变形破坏过程中声发射活动逐渐减少,且在此过程中可以发现：在应力加载初期,盐岩分形维数快速下降时所对应的应力百分比逐渐增大,在应力加载后期,当盐岩分形维数不再明显减小时对应的应力百分比逐渐增大;在盐岩变形破坏的加载初期,损伤变量较小,能量释放较少;盐岩变形破坏前损伤变量增加较快,能量快速释放。