动载下含表面裂纹岩石破坏的近场动力学模拟

为了研究动态加载下岩石表面裂纹的扩展,基于前期试验结果使用一种考虑压缩和拉伸强度比的弹塑性常规态基近场动力学模型进行数值试验。模拟动态加载下含不同角度和深度三维表面裂纹岩石的破坏过程。模拟结果表明,使用的近场动力学模型可以很好地模拟岩石三维裂纹的扩展和试样的破坏过程。通过近场动力学模拟可以得到与试验结果一致的强度变化规律。试样表面形成的裂纹深入试样内部一定深度,该深度与表面裂纹深度有关。试样内部产生的壳裂纹会与表面形成的裂纹连接形成复杂的三维裂纹。

具有随机裂纹岩石类材料破坏形态的近场动力学模拟

随机裂隙的存在会导致岩石呈现多样化的失效过程,为此利用常规态型近场动力学模型建立了岩石破坏算法,通过建立随机裂隙的几何参数(裂隙中心点位置、迹长、倾角)分布函数,实现带有随机裂隙岩石材料的破坏过程模拟,同时提出了基于多裂隙扩展的裂隙量化参数用以定量描述裂隙的演化过程,最后探讨了边界加载速率、弹性模量及随机裂隙数量对裂隙演化过程的影响。结果表明,较大的加载速率会明显影响岩石内部裂隙的发育程度及扩展形态,导致裂隙扩展率及裂隙发育率进展加快,裂隙倾向于多形式的扩展;而弹性模量增加会造成裂隙以单一化的形式扩展,并不会呈现多形态裂隙对岩石破坏的共同作用;随机裂隙数量的增加会导致裂隙内部相互发育、扩展,形成较为复杂的裂隙网络,使得岩石破坏呈现碎片化。

基于近场动力学方法的岩石十字裂纹破坏分析

采用单键双参数键型近场动力学方法对岩石十字裂纹破坏过程进行了模拟。相较于传统的键型近场动力学,考虑了物质点对间法向及切向的移动情况,以此来突破泊松比的限制,同时为避免施加荷载时位移产生突变而引入了线性加载算法,并建立了能准确描述岩石破坏的近场动力学模型,进而模拟了岩石的十字正交裂纹的起裂及裂纹成核的过程。本次模拟将轴向压缩下的含不同位置与不同倾斜角的初始十字裂纹试件的裂纹扩展路径与试验结果进行了对比分析,研究了裂纹的中心点间距、裂纹的倾斜角等因素对裂纹的起裂及裂纹扩展路径的影响。通过对比发现,模拟结果与试验结果吻合性良好。

单轴受压岩石破坏全过程声发射特征研究

在刚性试验机上,对单轴受压岩石破坏全过程进行声发射试验,得到了岩石破坏全过程力学特征和声发射特征,包括岩石应力-应变曲线、声发射事件数等,研究了声发射事件数(AE数)、事件率与应力、时间之间的关系。研究表明:岩石在一次性加载过程中,不是所有的岩石都具有典型的Kaiser效应的声发射特征点;在弹性阶段的初期和后期,随着应力水平的增加岩石声发射显著增加,特别在弹塑性高应力阶段,岩石声发射增长迅速;岩样在试验接近峰值强度时单位时间内的应力增长速度减小,声发射事件率出现明显下降,即出现相对平静阶段;声发射事件率在不同应力水平变化很大,峰值强度后的声发射现象仍然明显,其声发射特征随岩样破坏形式的不同而不同。

预制孔岩石破坏过程中的声发射时空演化特征研究

选取粗粒花岗岩和细粒砂岩,通过预制方孔和圆孔,开展单轴加载条件下岩石破坏声发射试验。采用单纯形定位算法,对岩石破裂过程中的声发射时空演化规律进行研究,并对声发射活动特征、能量释放率和空间相关长度进行分析。研究结果表明:对于预制孔间距与预制孔尺寸相同的试件,声发射事件主要在岩石中部群集,试件以中部剪切破坏为主,声发射三维定位事件直观反映裂纹初始、扩展直至贯通的动态演化过程;在整个加载过程中,颗粒较粗且大小不均的花岗岩试件声发射活动性较强,颗粒较细且均匀的砂岩试件声发射活动性在加载后期才开始增强;岩石破坏前,小尺度裂纹合并贯通形成大尺度裂纹,声发射率下降,能量释放率增强,出现声发射信号"平静"而能量释放"不平静"的现象;岩石在受载过程中,应力场通过迁移和重新分布逐步建立起长程相关性;岩石破坏前,空间相关长度显著增加,且在岩石破坏时达到最大值。

岩石破坏声发射平静期及其分形特征研究

通过岩石加载的室内试验方法,测试不同岩石破裂全过程的力学特征及其声发射特性,得到岩石破坏全过程力学特性——岩石的全应力-应变曲线、声发射事件累积数、声发射事件率等相关曲线及参数,给出声发射事件数、事件率与应力水平、时间之间的关系。着重讨论一次性加载过程中塑性变形阶段明显的岩石在加载接近峰值强度时单位时间内的应力增长速度减小,也即这一阶段出现明显的"耗时"现象;并且在此阶段监测到的声发射事件率出现明显下降,出现声发射相对平静阶段;而对于塑性变形阶段不明显的岩石来说,这一阶段则基本不存在明显的"耗时"现象,声发射的监测中也没有发现声发射相对平静期现象。另外,还运用分形理论,研究分析处于不同加载应力比的岩样在各个阶段的声发射分形维数,特别是研究声发射平静期维数变化情况。指出在加载初期分形维数处于较低值,且分形维数随加载应力增加而逐步增加;在加载到峰值应力的40%左右时,分形维数开始下降;在加载接近到峰值应力时,即处于声发射平静期阶段时分形维数逐步降到最低,且此时预示着岩石的破坏。此外,结合室内试验,还对现场岩体失稳破坏声发射监测中的一些实际问题进行总结和分析,为更好地应用声发射手段进行岩体稳定性现场监测预报提供理论依据、方法和手段。

液氮压裂中液氮对岩石破坏的影响试验

为了研究液氮对岩石破坏的影响,在理论分析的基础上,借助核磁共振测试技术,通过测试所选取的砂岩岩样孔隙体积及孔隙结构的变化,研究液氮对干燥状态和饱和水状态岩样的破坏形式。结果表明:液氮的热力冲击作用可使干燥岩石在较短时间内产生收缩变形和孔隙体积减小,试验后红色砂岩和白色砂岩岩样的孔隙体积分别降低了8.63%和4.78%;冻结作用对饱和岩样的矿物颗粒之间胶结较弱处具有损伤破坏作用,当损伤达到一定程度后,会贯通成缝,使岩体出现断裂现象。

基于声发射实验岩石破坏前兆特征研究

在单轴加载条件下,进行岩石破裂失稳全过程声发射实验研究,得到岩石破裂过程中的应力-应变曲线、声发射参数与时间的关系。选取累计AE数、AE能量释放率、震级-频度关系中的b值随时间的变化规律研究了岩石失稳破坏的前兆信息。结果表明:在初始加载阶段,声发射数量很少;在岩石弹性变形阶段后期和塑性变形阶段,累计声发射数快速增加;声发射能量在岩石破裂过程中相当长的一段时间内保持低释放率,而在破坏前释放明显;在岩石失稳破坏前,b值出现快速下降现象,多数岩石试件声发射b值岩石破坏前下降到最低值。这些前兆特征可以为现场岩体声发射监测预报技术的应用提供依据,以提高岩体稳定性监测预报的准确率。

岩石破坏声发射强度分形特征研究

通过对岩石单轴受压破坏全过程的声发射实验,建立了岩石破坏声发射强度分维模型,研究了岩石破坏全过程各个应力水平声发射分形特征以及分形维值随实验时间的变化规律。研究结果表明:加载初期岩石试件声发射强度分形维值变化不稳定,分形维值的大小变化有反复,但从分形维值总的变化趋势来看,这一阶段的分形维值还是处于较大水平;加载中后期声发射强度分形维值出现较强的规律性,其值逐渐由大变小,试件破坏前的分形维值最小。由于实际应用中最小分形维值点(临界值点)难以确定,故提出将岩石破坏前声发射强度分形维值的持续降维作为岩石破坏的前兆特征,从而对利用声发射参数进行岩体稳定性现场监测预报提供理论依据、方法和手段。

岩石加荷破坏弹性能和耗散能演化特性

开展大理岩、灰岩和砂岩的常规三轴试验,研究岩石变形过程的能量非线性演化特征。结果表明:岩样屈服前外力功大部分转化为弹性应变能存储于岩样内部,耗散能增加的很少,屈服点后耗散能快速增加,弹性能增速变缓。岩石的极限存储能具有围压效应,随着围压增加,岩石破坏时的极限存储能逐渐增加。极限存储能还与岩石本身的性质有关,岩石的强度越高,脆性越强,极限存储能愈大。灰岩极限存储能最大,大理岩极限存储能次之,砂岩极限存储能最小。根据弹性能和耗散能的演化规律,构建了岩石变形破坏过程中弹性应变能的非线性演化模型,理论模型与3种岩石的试验结果吻合较好。

岩石破坏过程的声发射特征研究

通过对岩石受力破坏过程的声发射试验,研究了岩石破坏全过程的声发射特征,包括声发射与时间、声发射与应力水平之间的关系。研究表明,岩石声发射事件率在不同应力水平的变化很大;岩石在接近峰值强度时单位时间内的应力增长速度减小、声发射事件率出现明显下降。

不同围压作用下岩石损伤破坏的数值模拟

利用RFPA2D对岩石在不同围压下损伤破坏演化过程进行了数值模拟 ,基于岩石损伤定义分形维数以描述试样在各种加载条件下微破裂的演化过程。计算结果表明 :分形维数和损伤变量随着荷载的增加逐渐增大 ,岩石的起始损伤随着围压增加而被延迟 ,试样强度随着围压的增加而增加 ,其宏观破坏符合Mohr -Coulomb破坏准则。

单轴压缩过程中岩石变形破坏机理

对白岗岩、花岗岩、大理岩试样在扫描电镜下进行单轴压缩试验,即时观察分析岩石在受力过程中,其微裂纹的萌生—扩展—断裂破坏全过程。得到各试样的应力-应变曲线与相对应的微观结构变化的照片实录,很直观地揭示了岩石变形破裂的实质,比较满意地解释岩石变形破坏的机理。

岩石试样单轴压缩的破坏形式与承载能力的降低

岩样单轴压缩破坏有剪切滑移、拉伸劈裂、“压杆失稳”式折断等多种形式，但其承载能力降低的主要原因是剪切滑移，与由此产生的轴向塑性变形量成线性关系。

岩石破坏过程中试件表面应变场演化特征研究

分析了2种岩石试件(一种大理岩方柱试件和一种含圆孔大理岩平板试件)在单轴压缩下试件表面的应变场演化过程,得到了最大剪应变场的特征统计量(方差S)随加载的演化规律:S值在试件的均匀变形阶段较小且变化缓慢,在试件的非均匀变形段急剧上升。根据S值的变化趋势,将2个试件的变形破坏过程划分为5个不同的阶段,并给出了5个阶段的代表应变场,总结了各阶段的变形特征。应变局部化是其中一个重要阶段,是联系岩石均匀变形和非均匀变形的"桥梁"。实验结果表明,2个试件的应变局部化开始于加载曲线峰值前非常接近峰值的时刻(方柱试件为99.2%峰值应力处,含圆孔平板试件为92.2%最大载荷处),结束于峰值点。峰值后岩石试件的变形主要表现为弱化带和宏观裂纹的活动。

循环载荷作用下岩石单轴压缩破坏过程的平面弹塑性细胞自动机模型

采用平面弹塑性细胞自动机模型在细观尺度上模拟应变软化岩石类材料的单轴压缩破坏过程。在平面弹性力学细胞自动机的基础上,推导分析平面弹塑性问题的细胞自动机更新规则,开发二维岩石弹塑性细胞自动机数值模拟软件;模拟不同均质度岩石的单轴压缩破坏过程,并在应力峰值后区考虑反复加卸载过程。模拟得到的岩石单轴压缩条件下的全程应力-应变曲线与典型的加卸载应力-应变试验曲线吻合较好,模拟得到的声发射曲线很好地反映出岩石声发射的Kaiser效应。

脆性各向异性岩石破坏过程数值模拟

在改进刚体弹簧方法的基础上,采用Hoek-Brown准则判断界面破坏,提出各向异性Voronoi网格的生成方法,并引入界面细观参数各向异性的赋值函数,最终建立了脆性各向异性岩石损伤破坏过程的数值模拟方法。利用该方法对文献中的试验结果进行了模拟。计算表明,该方法不仅能成功模拟岩石抗压强度随软弱面倾角变化的"U"形规律,定量上与试验结果吻合良好,而且能同时定量模拟岩石变形特性即弹性模量和泊松比的各向异性特征。

岩石破坏前的短临应变前兆研究

采用新型应变仪观测岩样在破裂孕育过程中岩样表面测点的应变变化 ,结果除了长趋势变化、破坏前几秒的特征变化外 。

中等主应力变化引起的岩石破坏

用真三轴压力机对岩石进行了两种实验研究，一种实验是当岩石处于三向不等压应力状态（σ1>σ2>σ3）时，保持围压（σ2>σ3）不变，增加最大主应力σ1使岩石破坏，另一种实验是当岩石在一定的应力状态（σ1>σ2>σ3）时，保持最大主应力σ1和最主应力σ3不变，单独改变中等主应力σ2（增加和减小）使岩石破坏。并对两种实验中岩石的应力-应变关系和岩性、危性进行了研究。

试论岩石破裂和破坏的差异对地震模拟及前兆研究的影响

本文分析讨论了实验地震学研究中很少论及的岩石破裂和破坏的很大差异.指出仅以岩石破坏实验模拟地震特别是前兆研究存在诸多不足.建议以岩石破裂来模拟地震特别是前兆研究.由此可给出较为完整的地震活动图像.岩石破坏前兆已研究的相当多,但大破裂前则未必出现如破坏那样的前兆.大破裂前兆特征比破坏前兆更能反映地震前兆的复杂性.其识别更难,更符合实际.同时议及以岩样的整体黏滑模拟地震研究特别是前兆研究的不足.建议加强对局部现象——大破裂(或黏滑)的前兆特征、预测方法的深入仔细研究.