白云岩单轴压缩试验声发射特性研究

在单轴压缩条件下,进行白云岩破坏全过程的声发射试验研究,得到应力、声发射特性与时间的关系,并研究了岩体的Kaiser效应。结果表明:（1）岩石单轴压缩破坏过程中并不是所有试验岩样有具有典型的声发射特征阶段,部分岩样AE曲线中可以找到Kaiser效应特征点,但是多数岩样的Kaiser效应特征点不明显;（2）岩样的AE现象在应力达到峰值前会经过一个平静期,而在岩石发生破坏直至彻底破坏阶段,AE现象明显增加,这个先平静后剧增的过程可以作为预报岩爆发生的一种警示信号;（3）大多数岩样都在AE能量达到最大时发生彻底破坏。     

循环载荷下煤样变形及声发射特征试验研究

为预防煤岩动力灾害,有必要研究煤样在疲劳破坏过程中应力水平对裂隙演化的影响。采用岩石力学试验机与全信息声发射信号分析仪组成的试验系统,研究不同应力水平循环作用下煤样的变形和声发射特征,并探讨声发射参量与裂隙演化的关系。结果表明:在等幅循环载荷下,煤样的变形过程有减速、匀速和加速3个阶段,滞回曲线呈现疏-密-疏的变化规律,并且滞回环的疏密程度及疲劳寿命与上限应力水平正相关;循环过程中煤样的声发射特征也表现出明显的阶段性,可分为降低、稳定和升高阶段,且应力水平越高,各阶段的声发射活动越剧烈;与声发射活动呈现的阶段性特征相对应,煤样裂隙演化过程可分为初始损伤、微裂纹稳定发展、裂纹贯通破坏阶段,并且随应力水平的增高,单次循环中煤样裂纹的萌生和扩展发育越快。     

组合煤岩力学性质与声-电荷信号关系研究

为探究组合煤岩力学性质与声-电荷信号关系,选用新邱矿区煤样和砂岩制备组合煤岩试样,采用物理实验和数值实验相结合的方法,开展不同岩煤高度比的组合煤岩试样受载破坏声发射与电荷感应监测试验,得到了组合煤岩力学性质、声-电荷信号规律及其相互关系。结果表明:组合煤岩试样中的岩石高度提高会提升其整体强度,其破坏脆性特征显著,冲击倾向性增强,弹性阶段的声发射信号提前,声发射能量累积量增加,峰后声发射能量变化率及电荷变化率增大;组合煤岩峰后产生连续声发射信号和电荷信号,强冲击和中等冲击组合煤岩破坏时声发射能量变化率分别为0.336和0.047 J/s,电荷变化率分别为204.88和24.52 pC/s。声发射信号与电荷信号可以在一定程度上反应组合煤岩应力状态并预测失稳破坏,为通过信号监测煤体冲击地压灾害发生提供依据。     

劈裂拉伸条件下大红山铜矿矿岩变形特性的试验研究

对大红山铜矿的3种岩石的试样进行了劈裂拉伸(巴西法)试验和单轴压缩试验,研究了岩石的变形特性。劈裂试验中在试样中部相互垂直的方向上粘贴了电阻应变计测量试样的变形。结果表明,在劈裂试验条件下,两种岩石均出现垂直于加载轴线方向所获得的拉伸弹模小于平行于加载轴线方向所获得的压缩弹模的现象。与单轴压缩下试样出现破裂、扩容的破坏特征相比,劈裂拉伸下试样的变形特征为接近峰值时变形曲线斜率会逐渐降低,达到峰值应力后则很快出现数值很大的拉伸变形,直至试样破坏。劈裂拉伸循环加卸载试验发现,大多数试样的拉伸卸载变形大于加载变形,致使残余变形的数值为负值,称之为反向残余变形。此现象与连续介质变形行为的预期不符,至今未见类似报道。反向残余变形是否具有普遍性及其影响,应该开展更多研究。     

圆拱形缺陷对砂岩力学特征影响的试验研究

为研究含圆拱形预制缺陷砂岩的力学特征,在板状黄砂岩试样内预制了不同α值的圆拱形缺陷。采用YNS-2000型电液伺服控制试验系统和数字照相采集系统研究了不同圆拱形缺陷倾角α对黄砂岩力学特征和破坏模式的影响规律。研究结果表明:试样峰值强度、平均模量和割线模量随着α的增大呈先减小后增大再减小趋势,α=30°试样峰值强度和峰值应变均最小,α=75°试样峰值强度和应变均达到最大;预制圆拱形缺陷α对试样起裂应力、起裂位置和破坏模式均具有重要影响,随着α值的增大,试样起裂应力总体呈先减小后增大再减小趋势,当α=30°时,试样的平均起裂应力最小,其值为10.90 MPa;当α=75°时,试样的平均起裂应力最大,其值为18.91 MPa。     

铸铁承压设备声发射特征研究

为开展声发射技术应用于铸铁承压设备检测的应用研究,首先应研究铸铁材料拉伸过程的声发射特征,然后获取铸铁构件上典型裂纹扩展的声发射信号,找到铸铁构件开裂所特有的声发射信号特征,为活性缺陷的正确检测和识别奠定基础。因此,本文首先研究了灰口铸铁HT200材料拉伸试件的声发射特性,然后在报废的造纸烘缸上预制了表面裂纹,采用水压循环加载的方式,用声发射监测其加载试验过程的声发射现象,获取缸体表面裂纹扩展的声学信号样本,确定了随载荷变化,裂纹缺陷扩展的声发射参数特征和定位特征,其结果为后续波形信号的特征提取和模式识别研究提供了典型声发射源信号数据,也为铸铁类构件的声发射检测提供了参考。     

饱水作用对锁固型岩体变形特性影响研究

为了研究饱水作用对锁固型岩体力学性质和变形特性的影响,对干燥与饱水状态下的岩体进行单轴压缩试验,利用数字图像相关方法对岩体加载过程进行非接触式实时变形监测。研究结果表明：饱水作用弱化了岩体的单轴抗压强度和弹性模量;应变场演化特征表明饱水作用增大试件的变形量,但未改变试件的裂纹扩展路径和最终破坏模式;岩桥锁固段剪切裂纹起裂和峰值应力时伴随着应变场分异速率突增,可作为锁固型岩体滑动和失稳破坏的前兆信号,饱水作用对应变场分异速率峰值有削弱作用;通过计算预制裂隙两侧的错动位移,定量揭示岩体失稳过程中岩桥的“锁固效应”。研究结果可为涉水环境下锁固型岩体的稳定性问题和灾变监测提供参考。     

砂蜡物理性质及其破坏形式研究北大核心

通过研究不同配比情况下砂蜡混合物标准样的单轴压缩实验,测定分析了其力学特性,并对试样压缩破坏的破裂情况进行了分析研究。结果表明,在含蜡量较小时,砂蜡的单轴抗压强度与蜡含量基本呈线性关系。而循环加载情况下,抗压强度变化不大;含蜡量高的砂蜡强度较大而变形较小,随着蜡含量的升高,砂蜡的割线模量E_(50)和弹性模量Et都增大,砂蜡试样的泊松比也呈现出上升趋势;砂蜡试样与煤岩试样相同,单轴压缩变形破坏形式也表现为复杂多变,蜡含量多(8%~14%)的砂蜡试样中多发生A类脆性剪切破坏型、B类楔劈式破坏型,而蜡含量低(4%~6%)的砂蜡试样破坏形式以C类挤压粉破柔性破坏型为主。     

砂蜡物理性质及其破坏形式研究

通过研究不同配比情况下砂蜡混合物标准样的单轴压缩实验,测定分析了其力学特性,并对试样压缩破坏的破裂情况进行了分析研究。结果表明,在含蜡量较小时,砂蜡的单轴抗压强度与蜡含量基本呈线性关系。而循环加载情况下,抗压强度变化不大;含蜡量高的砂蜡强度较大而变形较小,随着蜡含量的升高,砂蜡的割线模量E_(50)和弹性模量Et都增大,砂蜡试样的泊松比也呈现出上升趋势;砂蜡试样与煤岩试样相同,单轴压缩变形破坏形式也表现为复杂多变,蜡含量多(8%~14%)的砂蜡试样中多发生A类脆性剪切破坏型、B类楔劈式破坏型,而蜡含量低(4%~6%)的砂蜡试样破坏形式以C类挤压粉破柔性破坏型为主。     

岩石变形破裂状态与电荷感应信号相关性试验分析

在基于电检测的岩体动力灾害预测预报技术中,分析岩石的变形破裂状态与电信号的相关性是关键环节。采用自行研制的岩石电荷感应试验系统,对花岗岩和煤岩试样进行单轴加载条件下的电荷感应检测,分析了岩石峰前阶段变形破坏状态与电荷感应的相关性。结果表明,电荷感应信号在不同的变形破坏阶段呈现出明显特征,电荷感应信号可反映岩石内部结构的变化,变形破坏过程与电荷感应规律有良好的相关性。对花岗岩试样而言,压密段电荷感应信号的幅值较小且分布最零散,弹性段没有明显的电荷感应现象,稳定变形段电荷感应信号的幅值中等且分布密集,加速变形段部分电荷感应信号的幅值最大且再次呈现出密集分布的状态。对煤岩试样来说,加速变形阶段的电荷感应信号与花岗岩存在较大差异,电荷感应信号的幅值明显增大,正电荷的数量明显增多且信号更为集中,二次加载阶段的变形过程一直伴随感应电荷产生,信号幅值集中在±500 mV的范围内,不但幅值大大减小,正电荷出现的次数也明显增多。结合岩石单轴压缩内部裂纹形成机制和变形阶段划分的研究成果,采用电荷感应信号可分析和评判岩石所处的变形破坏状态。     

冻融循环作用下受荷砂岩的能量演化与破碎分形特征*

为研究冻融循环作用对岩石力学特性的影响,对砂岩试件依次进行冻融循环处理、单轴压缩实验以及筛分实验,分析不同冻融循环次数下砂岩试件加载过程中的能量演化、分配规律以及破坏后碎屑尺度分布的分形特征,并讨论冻融循环作用的影响效应。结果表明:随着冻融循环次数的增加,单轴抗压强度和弹性模量均呈指数衰减的趋势,峰值应力点对应的耗散应变能及其与总能量比值表现出类似的变化规律。这些试件破坏后的碎屑尺度分布具有分形特征,分形维数在2.50~2.61之间。数据拟合进一步表明冻融循环作用下耗散应变能与分形维数之间呈显著的线性正相关关系,这是因为冻融循环次数越大使得砂岩试件的抗压强度越小,破坏所需的耗散应变能越小,试件破碎程度越不严重,导致相应的分形维数越小。     

花岗岩颗粒流模型循环压缩作用下裂纹特征分析

为了分析花岗岩颗粒流模型循环作用下的裂纹特征，基于花岗岩单轴压缩试验得到的应力应变曲线，完成了PFC3D数值试验的参数标定，探讨了不同循环次数下数值试件内部裂纹数目、分布和角度的变化规律。研究结果表明:平行黏结模型能够正确表达花岗岩的主要力学性质；在数值试验加载至破坏过程中，裂纹数目以应力应变曲线峰值点为分界，峰后阶段产生的裂纹数占总裂纹数的60%~90%;张剪裂纹最初产生于试件两端，随着加载进行，裂纹向着试件中部发展贯通，最终形成宏观剪切破坏带；剪切裂纹的角度分布方向明显，与轴向加载方向相同；张拉裂纹角度分布则在轴向加载方向和水平方向上略显集中。研究结果可为矿山安全回采矿柱提供依据。     

3D Voronoi等效晶质模型在岩石破坏细观研究中的应用

基于3D Voronoi图提出一种能够反映岩石矿物晶粒结构的三维精细化建模方法,分析了晶粒排列均匀化程度及大小等微观结构的变化对模型宏观力学性质的影响程度,并进行了晶粒结构优化设计。通过模拟粉砂质板岩单轴压缩和巴西劈裂的破坏过程,以及与室内试验对比验证了其适用性,并从细观角度揭示了岩石的破坏机理。研究结果表明:通过裂纹生长速率大致可以表征室内试验中弹性变形、非弹性变形和峰值后宏观破坏阶段;岩样在单轴压缩和巴西劈裂破坏过程中以拉伸断裂为主,在宏观上表现为脆性断裂;岩样宏观断裂呈现沿晶和穿晶断裂的组合形态,弹性变形阶段裂纹的萌生和扩展以沿晶断裂为主,而穿晶断裂的扩展和贯通往往导致局部失稳,表现为非弹性变形阶段。     

含裂隙岩石裂纹扩展与剪切特性的数值研究*

为研究直剪条件下含交叉裂隙岩石的裂纹扩展模式和剪切特性,基于PFC2D研究直剪条件下含裂隙岩石的裂纹扩展模式和剪切特性。研究结果表明:直剪过程可分4个阶段:Ⅰ初始平静阶段、Ⅱ裂纹单一扩展阶段、Ⅲ裂纹复杂扩展阶段、Ⅳ破坏阶段;法向应力越大,Ⅱ,Ⅲ阶段的裂纹扩展程度受到抑制;岩石中含单裂隙时,随裂隙角度α的增加,抗剪强度的变化趋势基本一致,遵循先降后增的规律;含交叉裂隙时,当主裂隙角度α=120°,150°时,抗剪强度随次裂隙角度β的增加呈先减小后增大的趋势,抗剪强度最小值均出现在β=30°;加固含裂隙岩体时,预防裂隙或者潜在破坏面两侧的岩体产生位移差,使其加固后成为1个稳固整体,是避免岩体产生裂纹导致破坏的重要手段。     

分级加载条件下红砂岩蠕变特性试验研究

岩石的蠕变性质是引起工程岩体破坏的主要原因之一。通过进行分级加载蠕变试验,分析了红砂岩在不同加载应力条件下的蠕变特征。试验结果表明:在不同加载应力条件下,试件等速蠕变阶段应变速率与加载应力呈指数函数关系,并且当加载应力大于损伤强度σcd时,径向等速蠕变阶段应变速率大于轴向;同时,试件在破坏过程中存在加速蠕变阶段不明显的现象。根据蠕变破坏过程中黏滞系数的变化特点,将理想黏塑性体中的黏滞系数定义为时间的负指数函数,建立了一个非定常西原蠕变模型,该模型能较好反映红砂岩在单轴压缩条件下的蠕变特性。     

冻融影响下不同岩性岩石物理力学特性试验研究*

为探究冻融循环影响下不同岩性岩石的物理力学性质的差异化响应,对青砂岩、灰砂岩2种砂岩,白色大理岩、麻粒岩2种变质岩开展冻融循环试验和相关力学试验。研究结果表明:在冻融循环过程中,2种砂岩的质量变化幅度明显高于2种变质岩。相较于青砂岩与麻粒岩,大理岩的单轴压缩强度及弹性模量劣化速率最快。冻融前后青砂岩、大理岩的单轴压缩破坏模式发生明显变化。灰砂岩抗拉强度劣化速率显著低于青砂岩。基于单轴抗压强度、抗拉强度的脆性指数表明冻融作用提高青砂岩的脆性。研究结果可为冻融影响下工程岩体的稳定性与安全性评价提供参考。     

单轴压缩下中部锁固岩桥变形破坏模式及演化机制研究

为了探究锁固岩桥破坏模式及演化机制,通过在完整试样端部预制裂隙以形成中部岩桥,采用物理试验和RFPA2D数值模拟方法,研究不同锁固岩桥角度试样破坏模式及裂隙扩展演化机制的影响规律,并利用断裂力学理论分析岩桥裂隙扩展机理。研究结果表明:利用数字图像技术,从定量角度分析裂隙扩展类型,得出试验试样最终破坏是由前期损伤不断积累所导致的结果;锁固段岩桥角度α对锁固段的破坏有重要影响,当α≤90°时,锁固岩桥段发生张拉贯通破坏;当90°＜α＜120°时,锁固岩桥段发生张拉剪切贯通破坏;当α≥120°时,锁固岩桥段并没有发生贯通破坏。最终得出3种试样破坏模式:下部裂隙张拉扩展,贯通中部岩桥;上下部裂隙同时张拉扩展,剪切贯通中部岩桥;下部裂隙张拉扩展,贯通试样上端面,中部岩桥没有发生破坏。     

基于近场动力学的煤体单轴压缩全过程损伤演化规律研究*

为了研究煤体受压变形破坏情况,采用近场动力学理论、室内单轴压缩实验及数值模拟相结合的方式,演绎推导PD损伤本构力函数,分别在宏、微观2个方面对煤体损伤规律进行研究。研究结果表明:以近场动力学所推导的本构力函数对于复杂裂隙演化过程的研究具有独特优势,煤体受到外荷载作用后内部微结构会产生不同程度的损伤,损伤过程可分为:压密阶段、微裂纹的萌生扩展阶段、断裂破坏阶段;压密阶段后均伴随键的断裂,至破坏阶段时,键几乎完全断裂,导致煤样宏观失稳破坏;模拟模型在受到外载荷作用下,内部能量开始聚集,随着压力的增大,内部能量散开,最终呈“X”型分布,这与实验加载后煤样的损伤效果基本一致,以此来反演煤体内部微结构变化从而得到煤体损伤规律切实可行。