脆性岩石起裂应力水平与脆性指标关系探讨

 脆性指标与起裂应力作为岩石力学性质的内在体现,均反映岩石的非均质性和结构上的差异,二者存在一种必然的联系,通过理论研究和算例分析来探讨起裂应力水平与基于单轴抗压、抗拉强度比值的脆性指标的关系。首先,归纳总结基于压拉比、全应力–应变特征及硬度或坚固性的28种基本脆性测试方法。然后,研究硬脆性岩石单轴压缩起裂机制,讨论基于裂纹体积应变拐点的起裂应力确定方法,并定义起裂应力水平指标K。最后,结合具体工程算例探讨岩石起裂应力与基于压拉比的脆性指标的函数关系,深入验证起裂应力水平和脆性指标间内在联系的必然性。得出以下结论：(1) 以岩石单轴抗压、抗拉强度为纽带,建立起裂应力水平和脆性指标间的函数关系,根据单轴压缩起裂应力与单轴抗拉强度的关系,进一步验证脆性指标与起裂应力水平存在内在联系的必然性。(2) 岩石起裂应力水平与脆性指标B5和B6存在明显的函数关系,起裂应力水平与B5呈幂函数关系,与B6呈线性函数关系,相关系数均大于85%。(3) 采用起裂应力水平指标重新定义脆性指标,通过岩石的室内单轴压缩试验,由起裂应力水平可以快速得到岩石的脆性指标。通过这一研究,丰富了岩石起裂应力与脆性指标的关系,为脆性指标的计算提供了一条新思路。     

基于全应力–应变曲线及起裂应力的岩石脆性特征评价方法

脆性作为岩石重要的力学指标,准确评价岩石脆性特征对岩体工程稳定性具有重要意义。目前,常用的岩石脆性指数评价方法主要基于岩石压缩过程中峰后应力–应变曲线变化规律,而对岩石峰前应力状态关注较少。综合考量峰后应力跌落速率及起裂应力值至峰值应力值之间的应力增长速率,建立一种基于岩体应力–应变全过程的脆性指数计算方法,更加准确、合理地描述岩体脆性特征。试验结果表明:单轴条件下当全程采用轴向位移控制时,脆性较强的岩石难以准确获得其峰后曲线,容易降低基于峰后应力曲的常规脆性评价方法的准确性,而所建立的脆性指标可根据峰前曲线进行判断,能够准确评价岩石脆性程度。在三轴条件下,该脆性指标更为全面地反映了围压对大理岩脆性的抑制作用。建立的脆性指标基于岩石整个压缩过程的应力状态,能够更加显著地体现不同因素对岩石脆性特征的影响。试验结果很好地验证了该指标的准确性与优越性,研究结果对丰富与完善岩体脆性评价体系具有重要的作用。     

砂岩裂纹起裂损伤强度及脆性参数演化试验研究

岩石起裂强度σci及损伤强度σcd作为岩石重要的强度特征值,其研究对于分析岩石的渐进破坏过程及预测隧洞脆性破坏有着重要意义。首先采用应变分析及声发射监测方法,研究了两组硬质砂岩试样在单轴及三轴压缩过程中的裂纹演化特征。试验结果表明,试样的侧向膨胀变形及声发射计数值可以较好地反映其内部的裂纹演化情况,二者随着裂纹的萌生积累都表现出一致的阶段性变化规律。同时通过进一步分析应变及声发射曲线中的阶段性变化拐点,确定了砂岩试样的起裂强度及损伤强度值。其中青砂岩平均起裂强度约为其峰值强度的0.42倍,红砂岩平均起裂强度则约为其峰值强度的0.48倍。最后通过对比不同围压下的试验结果,发现两组砂岩试样起裂阶段内摩擦角均小于其峰值阶段,初始φ0约为终值的1/2。由此定义了可反映岩石脆性程度的起裂摩擦水平φ_0/φ,并建立考虑摩擦作用的线性起裂准则。     

基于岩石峰前起裂及峰后特征的脆性评价方法

现有研究表明岩石脆性与其内部微裂纹起裂、扩展有密切联系,但考虑岩石起裂特征的脆性评价指数并不多见,在对脆性理论以及起裂特征分析的基础上,提出了一种基于岩石峰前起裂及峰后特征的脆性评价方法.首先,结合George和Tarasov&Potvin等对脆性的描述和定义,从理论上分析了基于岩石峰前起裂及峰后特征脆性评价方法的可行...     

三峡花岗岩起裂机制研究

从三峡花岗岩常规三轴实验出发,通过研究裂纹应变的变化规律,得到不同围压下花岗岩的起裂应力。结果表明,起裂应力与围压变化幅度一致,与峰值强度相比,起裂应力一般保持在峰值应力的25%～50%。进一步的实验与理论分析认为,三峡花岗岩在单轴、三轴压缩条件下的微观破裂机制主要是拉伸破裂,从起裂至裂纹稳定扩展阶段,其内部裂纹属I型裂纹,由此通过对压应力下椭圆裂纹的拉伸破坏分析,研究起裂应力、起裂角与围压的关系。比较基于裂纹应变分析得到的结论发现,二者在一定围压区间是比较接近的。     

脆性岩石扩容起始应力预测——以花岗岩和闪长岩为例

 采用TAW–2000电液伺服岩石三轴试验机,通过32组花岗岩和闪长岩的物性及单轴压缩试验测试,获得岩石的特征物理力学参数。在此基础上,揭示岩石扩容起始应力与弹性模量、泊松比和孔隙度的关系,建立花岗岩和闪长岩的扩容起始应力预测方程。研究结果表明：(1) 弹性模量作为岩石的弹性基质刚度的反映,包括颗粒间的接触刚度和颗粒间基质的刚度,孔隙度作为岩石内部孔洞空间的体积测量指标,是岩石内初始的微裂纹、微孔洞及张开裂纹的综合反映,一定程度上可以反映初始损伤的程度,二者与岩石的扩容起始应力密切相关;(2) 扩容起始应力与弹性模量呈正相关,而与孔隙度呈负相关,当弹性模量最小而孔隙度最大时对应最小的扩容应力值,反之调整;(3) 通过逐步数据拟合分析得出扩容应力的预测模型,通过与试验结果的对比分析,证明预测模型的可靠性。在弹性模量、孔隙度和泊松比已知的前提下,可以先验地对扩容起始应力进行预测,为扩容起始应力的求解提供一条新的思路。     

评价岩石脆性指标对滚刀破岩效率的影响

 脆性是岩石重要的力学性质之一。岩石脆性与滚刀破岩效率密切相关,但目前还没有统一的用于评价滚刀破岩效率的岩石脆性指标。总结现有的35种脆性指标,将其分为基于强度、应变、应变能、硬度、莫尔包络线、特殊试验和其他等7种类型。为研究岩石脆性与滚刀破岩效率之间的关系,通过滚刀贯入试验,引入归一化比能概念,提出表征岩石脆性的新指标,重点研究基于强度和贯入试验的脆性指标与归一化比能之间的关系。试验结果表明：(1) 滚刀更难贯入高强度岩石;(2) 脆性指标B2和B4与归一化比能之间呈强烈的指数函数关系,随着脆性的增高,归一化比能降低,滚刀破岩效率增高,应优先选用脆性指标B2来评价滚刀破岩效率,其次是脆性指标B4;(3) 将单轴抗压强度约20 MPa定义为单轴抗压强度过渡值,滚刀不适宜切削单轴抗压强度小于20 MPa的软岩。试验结果对评价滚刀破岩效率时岩石脆性指标的选取具有一定的指导意义。     

大理岩应力脆性跌落系数的试验研究

岩石的应力-应变全过程曲线以峰值应力为界，通常分为破坏前区和破坏后区2个部分。由于岩石破坏后区的力学特性对诸多岩石类工程，如地下巷道、矿柱和岩爆等，具有重要的工程意义。因此，此方面的研究已受到理论界和工程界的重视。岩石的破坏后区一般处于非稳定状态，其力学响应难以用经典的应变软化模型来加以描述，而应采用脆塑性模型。使用RMT-150B型岩石力学试验系统，在轴向应变率保持为常数的条件下，对雅安大理岩进行常规三轴压缩破坏试验，得到不同围压下岩石的应力-应变全过程曲线。利用试验得到的应力-应变全过程曲线，获得大理岩的应力脆性跌落系数与围压的关系表达式，为采用非理想脆塑性模型对大理岩介质及其中的构筑物进行数值分析提供依据。     

脆性材料中倾斜裂纹扩展的数值模拟与复合应力效应研究

该研究应用一个材料失效分析模拟软件MFPA^2D，以硼玻璃作为典型的脆性材料，通过对单向拉伸下含不同倾斜角度裂纹玻璃失效情况的数值模拟，重点研究含不同裂纹角的倾斜直通裂纹玻璃试样存单向拉伸下的复合应力效应。研究表明，在这种情况下裂纹尖端存在的三种类型应力：KⅠ，KⅡ及平行应力对裂纹扩展有不同的作用。对于脆性材料的平面应力问题，KⅠ是裂纹扩展的主要因素，KⅡ起辅助作用，平行应力对裂纹扩展有抑制作用。这与传统概念所认为的对于玻璃和陶瓷类脆性材料，断裂完会由Ⅰ型应力强度决定有所不同，对于认识脆性材料的失效机理和断裂预防具有积极意义。     

花岗岩脆性破坏特征与机制试验研究

为了研究花岗岩脆性破坏特征和机制,进行不同围压下的三轴压缩试验,并对花岗岩破裂面断口进行电镜扫描测试,分析不同围压下花岗岩断口的微观形貌特征,最后讨论花岗岩脆性破坏机制。试验结果表明:在研究的围压范围内,花岗岩表现为典型的脆性破坏,随围压升高未出现脆–延转换特征;围压作用下除倾斜剪切破坏面外,还有"Y"型破坏形态;峰值前有无塑性变形产生以及发生塑性变形的范围和程度是决定花岗岩发生脆性破坏的主要原因,而岩石矿物成分和微观结构的差异性是其内在机制;峰值后应力降的大小和速度是花岗岩脆性破坏程度的外在表现,宏观裂纹的贯通速度决定峰值后应力降大小,岩体内积聚的能量大小是造成裂纹贯通速率快慢差异的内在因素,宏观断裂面是否完全贯通是应力降大小的决定因素。     

基于应力–应变曲线的岩石脆性特征定量评价方法

 脆性是岩石的一种重要性质,岩石的许多力学行为都与其脆性有关。总结现有的基于强度、应力–应变曲线、加卸载试验、硬度、矿物成分等脆性指标,并详细分析这些指标在评价岩石脆性时的局限性。为合理、准确评价岩石的脆性程度,提出一种建立在应力–应变曲线峰后应力降的相对大小和绝对速率基础上、能够考虑岩石塑性屈服特性和应力状态影响的新的脆性指标,并开展单轴和三轴压缩实验对新指标进行检验。试验结果表明：水泥砂浆和大理岩脆性程度均随围压增大而减小,相同应力状态下大理岩脆性程度均大于水泥砂浆,这与二者实际脆性程度相符;单轴试验条件下灰岩、大理岩、花岗岩和红砂岩的脆性程度依次减小,破坏时的轴向应变逐渐增大,这与“应变越低脆性程度越大”吻合。试验结果可很好地验证该脆性指标的可靠性,研究成果对丰富和改进现有的岩石脆性特征评价方法具有重要意义。     

碳酸盐岩应力–应变关系与微结构分析

 碳酸盐岩微裂隙的存在、产生和发展对宏观力学性质有显著的影响,通过碳酸盐岩扫描电镜图像分析和进行三轴剪切试验,发现碳酸盐岩中白云岩、灰岩、白云质灰岩的应力–应变关系均可分为压密阶段、线弹性变形阶段、微裂隙的产生和稳态扩展阶段以及断裂破坏阶段,与之对应的微裂隙表现为：原始微裂隙发生闭合,稳定持续存在形成线弹性变形,新的微裂隙在应力集中处产生、扩展并稳定发展以及微裂隙扩展强烈、发展成宏观裂隙最终导致岩块整体破裂。试验表明,受压状态下岩石裂隙是从孔隙的外围开始发育,逐渐扩展到孔隙,最后导致孔隙及岩体失稳。裂隙发育以张性的微裂隙起始,逐渐形成剪裂隙,并出现追踪剪裂隙的张裂隙,直至裂隙贯通。碳酸盐岩的初始微观裂隙主要的表现为张裂隙和剪裂隙,岩石破裂从先存的裂隙端部开始,原有裂隙的端部是加载后应力集中的地方,在岩石介质的晶粒边界的接触点或断层附近,应力高度集中导致裂纹密度增加,当压力达到或接近峰值压力时,由于裂纹的汇交与集中迅速失稳形成宏观断裂,随后就出现开裂和应变软化。     

考虑T应力的岩石压剪裂纹起裂机理

传统断裂理论在研究岩石压剪裂纹起裂机理时,往往仅考虑裂纹尖端应力场Williams展开式中的r~(1/2)奇异应力项,而忽略了非奇异应力项(T应力)的影响,造成理论预测值与试验结果不符。在对压剪应力下裂纹受力特征进行分析的基础上,将T应力引入传统断裂力学的最大周向应力准则,提出了考虑T应力的修正最大周向应力准则。同时考虑压剪应力下的裂纹应力传递特点,在上述准则中又引入裂纹面法向刚度及切向刚度等变形参数。最终建立了能够同时考虑岩石性质和裂纹几何参数(如裂纹倾角、长度等)、强度参数(裂纹面摩擦系数)及变形参数(裂纹面法向及切向刚度)的最大周向应力准则,更好地反映了岩石压剪裂纹起裂机理。算例表明由该方法计算得到的翼裂纹起裂角与试验结果吻合较好,同时通过参数敏感性分析发现裂纹尖端相对临界尺寸对翼裂纹起裂角的影响最大。     

三轴加卸载下花岗岩脆性破坏及应力跌落规律

基于2种卸荷应力路径和常规三轴压缩试验,研究了加卸载条件下花岗岩的变形破坏及应力脆性跌落特征.卸荷条件下岩石变形主要是向卸荷(主)方向回弹或拉伸变形为主,而非或次卸荷方向的塑性变形很小,峰后应力应变曲线呈现明显的脆性特征.而加载条件下岩石以轴向压缩变形为主,且压缩塑性变形随围压增大而增大;卸荷条件下破坏岩石各种级别的张...     

岩石应力松弛特性研究现状与展望

介绍了岩石应力松弛与岩石工程长期稳定的相关性,分析了单轴压缩、多轴压缩和剪切应力条件下岩石的应力松弛研究现状,在此基础上,探讨了目前研究中存在的不足之处,提出了岩石应力松弛研究的方向。     

大理岩破坏起裂应力及断裂能特征试验研究

根据大理岩常规三轴试验数据,探讨不同围压下大理岩破坏的起裂应力和起裂断裂能变化规律。大理岩起裂应力位于峰值应力的53%~76%之间,随围压升高向峰值强度逐渐逼近。起裂断裂能与围压、峰值强度呈正线性关系。起裂应力对应的声发射能量计数率出现突跳,起裂点之后声发射能量计数率和累计释放能量增加速度明显变快,理论计算求得的起裂点和声发射监测数据吻合较好。大理岩常规三轴破坏符合Mogi-Coulomb强度准则。     

含非贯通节理花岗岩的力学特性与细观起裂机制研究

非贯通节理复杂的起裂机制与破坏模式对岩体力学行为有着重要的影响。考虑节理倾角与贯通度的影响,基于花岗岩试样单轴压缩试验,分析非贯通节理对岩体力学特性及断裂特征的影响,结合三维离散元数值模型,从细观尺度研究裂纹起裂、贯通破坏过程与岩体宏观破坏的相关性,并建立含非贯通节理的断裂力学理论模型,引入应力强度因子一般表达式,分析非贯通节理的断裂韧性,量化节理倾角与贯通度对岩体抗脆断能力的影响。结果表明：非贯通节理对岩体造成的劣化效应显著,随着倾角的增加,节理岩体强度增加。根据裂纹形态与形成机制,区分了6种裂纹,发现节理试样的起裂破坏模式对强度特征影响显著。15°～75°范围内,试样的断裂韧度随节理倾角的增大有不断增大的趋势,其中,15°节理试样抗脆断能力最弱;随节理贯通度的增大,节理岩体的断裂韧性近似双曲线趋势减小。     

岩石不等长裂纹应力强度因子及起裂规律研究

天然岩体中含有数量众多的裂隙且绝大多数为不等长裂隙,而那些具有一定尺度和规模的主控裂隙对岩体稳定性起决定作用。为研究不等长裂纹相互作用规律及主控裂纹起裂规律,基于Kachanov法,推导了远场受力的两条拉剪不等长共线裂纹的尖端应力强度因子表达式并从理论上分析了裂纹间距对裂纹相互作用的影响;通过最大周向应力准则,计算了单轴受拉时不同裂纹倾角的主控裂纹起裂角,绘出理论断裂准则曲线;推算滑动裂纹的应力强度因子,对含不等长裂纹的类岩试件进行单轴压缩试验。结果表明:当裂纹间距大于等于小裂纹长度时,小裂纹对主控裂纹的起裂几乎无影响;主控裂纹起裂角只与裂纹角有关,单轴受拉时,起裂角随裂纹角增大而减小,单轴受压时,起裂角随裂纹角增大而增大;当裂纹倾角小于30°时,起裂临界荷载急剧增大。     

水力压裂起裂与扩展分析

水力压裂起裂与扩展压力的确定是压裂设计最为重要的参数之一,与水平孔或垂直孔水力压裂相比,任意方向钻孔水力压裂的起裂与扩展更加复杂。根据最大拉应力准则,分析任意方向钻孔裂缝起裂压力及起裂方向,得出量纲一起裂压力(pb/σv)随钻孔方位角和钻孔倾斜角的变化规律;并以王台铺煤矿顶板岩层水力压裂为例,进行起裂压力与起裂位置计算,通过有限元计算分析扩展压力较大的原因。研究结果如下：(1)当水平主应力相等时,钻孔从垂直方向逐渐旋转至水平方向过程中,所需起裂压力不断减小,水平孔由σh方向逐渐旋转至σH方向过程中,裂缝起裂压力保持不变;(2)随着σH/σh或σH/σv的增大,裂缝起裂压力的变化规律与地应力场类型密切相关;(3)钻孔由垂直方向转向水平方向过程中,对于3种类型的应力场(正断层型、平滑断层型、逆断层型),裂缝起裂压力有着各自独特的变化规律;(4)水平孔由σh方向逐渐旋转至σH方向过程中,对于不同类型的应力场,合理布置钻孔方向可使起裂压力最小;(5)当岩石抗拉强度与地应力大小相近时,增大抗拉强度使裂缝起裂所需的压力明显增大;(6)有限元计算结果表明,裂缝起裂后旋转扩展会导致较高的扩展压力;(7)在进行水力压裂作业时,地应力的大小、方向和类型是进行钻孔参数设计的基础。     

玄武岩脆性相似材料的起裂和损伤强度特征试验研究

岩石起裂强度和损伤强度是评价硬岩高应力破坏的重要指标。利用可表征玄武岩块体物理力学行为的脆性类岩石相似模型材料,基于Hoek三轴压缩试验与声发射测试,开展了模型材料的变形破坏特征、声发射特性、裂纹起裂与损伤应力阈值水平、岩石起裂与损伤强度特征等方面的研究工作。研究成果揭示了模型材料的硬脆性破裂演化特征,给出了模型材料的裂纹起裂应力、损伤应力阈值,定义了模型材料的起裂强度包络线与损伤强度包络线,探究了玄武岩块体脆性相似材料的起裂强度和损伤强度特征。研究成果可为玄武岩地区地下洞室开挖片帮、岩爆或破裂等应力控制型破坏的预警预报提供一定的技术支撑。