基于巴西劈裂试验的砂岩热损伤及声发射特征研究

为了研究高温对砂岩的物理力学性质以及声发射特征的影响,本文针对25~900℃等温度处理后的砂岩开展巴西劈裂试验,同时结合扫描电镜、声发射监测等方法进一步分析了砂岩的抗拉强度、体积膨胀率、质量损失率、P波波速、宏微观破坏特征以及声发射特征等性质的变化情况。研究结果表明:(1)砂岩经高温处理后,质量、P波波速、抗拉强度以及残余抗拉强度均发生不同程度的下降,同时体积也发生膨胀;(2)在200~400℃范围内,抗拉强度大幅度下降,表明砂岩热损伤的阈值温度在这一区间;(3)砂岩的破坏以单一主裂纹破坏为主,且温度越高次生裂纹形成的越少,砂岩的脆性也越显著;(4)扫描电镜的结果显示:砂岩经高温处理后内部孕育有大量的微裂纹与微孔隙,随着温度的升高,裂纹的延伸长度、张开度、密度、连通性以及扩展范围发生变化,导致矿物的完整性下降;(5)不同温度加热后的砂岩声发射特征存在差异并表现出明显的阶段性特征,且温度越高声发射活动趋于平稳,同时声发射事件峰值先于砂岩破坏出现,可利用声发射对砂岩破坏的过程进行有效监测。

不同温度条件下北山花岗岩巴西劈裂试验裂隙扩展过程

对我国高放废物地质处置地下实验室场址的甘肃北山花岗岩分别进行不同温度下(25、60、90、120、200、300℃)的巴西劈裂试验,通过实时声发射监测、主断面分析以及颗粒流程序数值模拟,研究了岩样的裂隙扩展过程。结果表明:(1)120℃时温度对花岗岩存在显著强化效应,其他温度下花岗岩强度较常温下降低;(2)声发射数据显示中等温度(60~120℃)荷载下花岗岩产生的裂隙数量和尺度随着温度升高而增大,因此消耗更多的加载能量,使得花岗岩强度逐渐增大;(3)受长石、石英和云母的热力学性质差异影响,在室温至120℃范围,花岗岩断面裂隙随着温度升高更趋于沿着长石颗粒的边界扩展,120℃后非长石颗粒边界的裂隙占比开始上升;(4)基于花岗岩表面矿物实际分布建立了PFC2D模型并进行模拟试验,可知温度能降低矿物颗粒间的粘结强度,使得岩石更易发生破裂。

基于巴西劈裂试验的页岩强度与破坏模式研究

为了研究页岩横观各向同性性质对劈裂强度及破坏模式的影响,对7组不同倾角下的试样进行了巴西劈裂和声发射测试。研究表明：层理的方向对试样的劈裂强度和最终破坏模式有着重要的影响。随着层面倾角？的增加,页岩试样的劈裂强度逐渐减小。在不同倾角下的破坏模式可分为直线形（？？0°、90°）、月牙形（？？15°）和曲弧形（？？30°、45°、60°、75°）。通过分析不同倾角下圆盘中心点沿层理分解得到的正应力和剪应力,当？？0°时,试样的破坏方式为基质的拉伸破坏;当？？90°时,试样的破坏方式为层理的拉伸破坏,当15°≤？≤75°时,试样的破坏为复合型破坏。观察声发射空间累计定位演化分布情况,直线型的声发射点较均匀地分布在试样中轴线的两侧;曲弧型的声发射点在圆盘的一端较密而另一端较稀疏;月牙型则在试样的中部和一端都累积了部分声发射点;分布特征与宏观破坏方式具有相似性。分形维数D可以较好地反映试样的破坏模式,从倒V形的变化趋势可知,直线形试样D值接近于2,而月牙形和曲弧形试样D值介于2.2~2.7。因此,D值越大,说明裂纹的曲率半径越大;相反D值越小,裂纹越趋于一条直线,破裂形态也就越简单。

基于单弱面理论对板岩巴西劈裂试验研究

为了揭示板岩这种层状岩体抗拉强度的各向异性,笔者根据层状岩体巴西劈裂试验圆盘平面应力的弹性力学解析解,并结合单弱面理论,建立了不同层理角度θ与抗拉强度的关系式。通过对不同层理角度θ下的试件进行巴西劈裂试验,得到:随着θ从0°变化至90°,强度因子呈现两端大中间小的趋势;运用单弱面理论得到的强度关系式可以较好地反映出在含有层理面时巴西劈裂试验抗拉强度随层理角度变化的规律;当0°≤θ<25.2°或72.6°<θ≤90°时,属于纯拉伸破坏;当25.2°≤θ≤72.6°时,岩块受层理面影响,属于沿层理面剪切破坏。

平台巴西劈裂试验确定岩石抗拉强度的理论分析

为了完善平台巴西劈裂试验测定岩石抗拉强度的理论基础,基于二维弹性理论,建立对弦载荷下的平台巴西劈裂力学模型,采用应力场叠加法求得圆盘内的应力近似解析解。该应力理论解与有限元数值解一致,证明理论求解的合理性。在此基础上,对比研究了平台加载角对圆盘内应力大小及应力集中程度的影响,其结果表明：平台加载角越大,圆盘加载处的应力集中程度和压拉应力比都急剧降低,而圆盘内的拉应力值和拉伸区却只有一定程度减小;过大或过小的平台加载角都不利于平台巴西试样发生中心拉伸劈裂破坏,其最优平台加载角在20°~30°之间。最后,依据Griffith强度破坏准则,推得岩石抗拉强度的理论计算公式,其结果与已有抗拉强度经验公式及试验所得抗拉强度相符较好。

基于巴西劈裂试验的顺层板岩边坡“滑移-拉裂”破坏研究

怀通高速公路沿线边坡以板岩边坡为主,为揭示板岩边坡的破坏模式与板岩层理角度之间的关系以及获得板岩边坡的稳定性判据,进行针对性的试验研究和理论分析。选取沿线边坡岩样并按照不同层理角θ进行分组,开展巴西圆盘劈裂试验。试验发现:随着层理角度的变化,试样发生5种破坏模式,0°<θ<30°时为拉伸破坏,30°<θ<45时为拉裂-滑移破坏,45°<θ<75°时为滑移-拉裂破坏,75°<θ<90°时为滑移破坏,θ=90°时为压张型破坏;其次,对顺层板岩边坡整体滑移破坏和局部滑移-拉裂破坏判据进行推导,得出发生整体滑移破坏的临界坡高公式以及发生局部滑移-拉裂破坏的临界坡长方程。最后,结合怀通高速公路沿线板岩边坡进行实际应用,与沿线板岩边坡实际稳定性情况相吻合。

花岗岩巴西劈裂试验红外热像特征及颗粒流数值模拟研究

对齐热哈塔尔水电站高地温引水隧洞花岗岩进行了巴西劈裂试验,分析受载过程中红外热像随加载时间的演化特征,同时结合颗粒离散元程序PFC2D研究微观裂纹的扩展规律及能量变化特征。结果表明,花岗岩受载过程中的红外热像特征与应力状态具有明显的对应关系,高温异常带的产生预兆着试样失稳状态的临近。其中张拉破坏模式是花岗岩开裂的主要诱因,破裂过程中能量变化与所处的应力状态联系紧密,反映了花岗岩的细观力学破坏机制。

基于巴西劈裂试验的混凝土细观本构模型参数估计方法

通过力学性能试验确定细观参数取值是离散单元法进一步应用的关键问题。选取5个控制材料宏观响应的细观本构模型参数,建立混凝土材料巴西劈裂试件二维颗粒流程序(particle flow code in two-dimensions,PFC^(2D))计算模型,提出了一种细观参数的估计方法。假定试样的宏观响应与细观参数间为近似线性关系。根据已有研究成果,给出一组细观参数的初始值,利用线性回归得到细观参数对宏观响应的回归系数,建立细观参数与宏观响应的映射关系。定义目标函数为宏观响应的计算值与试验观测值的均方差最小,求解一个约束优化问题,得到细观参数的估计值。以C35混凝土巴西劈裂试验为例进行了模拟,结果表明根据估计的细观参数模拟得到的荷载-位移曲线与实际试验曲线吻合较好,验证了方法的有效性。

基于巴西劈裂试验的冻结膨胀土拉伸特性研究

冻土的抗拉强度参数在涉及拉伸破坏的岩土工程问题中起着重要作用。为研究冻结膨胀土的拉伸特性,采用巴西劈裂试验研究了加载方式、试样高径比、加载速率、温度、干密度和含水率对冻结膨胀土力-位移曲线、抗拉强度的影响。试验结果表明:各试验温度、干密度和含水率工况下,冻结膨胀土试样均呈现为典型的脆性破坏破特征。冻结膨胀土试样的抗拉强度随温度的降低而增大。当试样干密度为最大干密度时,其抗拉强度与温度之间可以采用线性关系来描述。然而,对于干密度小于最大干密度的试样,在试验温度范围内抗拉强度与温度之间的关系更适合用指数函数关系来表达。各含水率工况下,抗拉强度与温度之间均可采用线性关系来表征,且含水率越低,单位温度降低所引起的抗拉强度增量越大。冻结膨胀土试样的抗拉强度随干密度和含水率的增加均增大,并且各温度条件下抗拉强度与干密度和含水率之间均存在良好的线性关系。

黑云母石英片岩巴西劈裂试验的破坏特征研究

为探究拉伸破坏条件下含片理结构岩石的各向异性,对不同加载角度的黑云母石英片岩开展巴西劈裂试验,并借助声发射技术,进行片岩破坏特征的理论和试验分析.结果表明:片岩的破坏规律为压密变形-弹性变形-瞬时破坏,具有典型的塑-弹性变形特征.依据裂纹形态,可分为中央直线劈裂、沿片理斜劈裂、弓形劈裂及沿片理弓形复杂劈裂4类破坏模式.通过分析加载线上各点的应力状态,不同角度下加载线上的点存在纯剪切、压剪和拉剪3种破坏机制.声发射特征参数各向异性显著,累计能量与角度呈"两边大、中间小"的变化规律.引入新参量"能率峰值比"对能率峰值和累计能量进行联合分析,22.5°岩样的能率峰值比最大,最小值则出现在45°,该参量可从能量角度定量地表征岩石破坏强烈程度.

基于多尺度页岩巴西劈裂试验的岩石强度尺度效应根源研究

为探究页岩抗拉强度尺度效应规律及岩石强度尺度效应根源,采集鄂尔多斯盆地延长组长7段陆相页岩野外露头,制作成直径为50 mm,高度分别为15.32 mm,20.39 mm,25.46 mm和30.28 mm四种尺度的岩样并进行巴西劈裂试验,在分析岩样抗拉强度尺度效应规律的基础上,对岩石强度尺度效应根源提出了新的认识。结果表明:页岩最大载荷和破裂面条数随岩样尺度增大而增大,抗拉强度随岩样尺度增大而减小,破裂时间与岩样尺度相关性较差;非均质性和端部摩擦效应是目前解释岩石强度尺度效应根源的主要观点,页岩巴西劈裂试验结果中抗拉强度存在良好的尺度效应现象,这表明岩石强度尺度效应并不是完全根源于试件与压头之间的端部摩擦作用;岩石强度尺度效应由岩石非均质性和端部摩擦效应共同作用而成,对于小尺度岩样,端部摩擦效应占据主导地位,对于大尺度岩样,非均质性占据主导地位,不同类型的岩石,其岩样尺度的“小”与“大”不同。对岩石强度尺度效应规律和根源的研究有助于提高岩体强度预测的准确性,并为揭示岩石破坏机理提供一定借鉴。

高径比对混凝土巴西劈裂试验结果的影响

通过对不同尺寸的混凝土试件进行巴西劈裂试验,研究了混凝土试件高径比对巴西劈裂试验结果的影响,确定了混凝土试件巴西劈裂试验的合理高径比。实验结果表明:混凝土试件在巴西劈裂试验过程中主要分为四种破坏模式。对于不同尺寸的混凝土试件,高径比为0.5或1.0的混凝土试件均可以通过巴西劈裂试验得到抗拉强度。然而,高径比为1.0的混凝土试件稳定性明显优于高径比为0.5的混凝土试件。在试件个数有限的情况下,建议采用高径比为1.0的试件进行混凝土巴西劈裂试验。

花岗岩动态巴西劈裂试验力学特性研究

岩石爆破等许多工程涉及到岩石的动态破坏力学特性,而岩石的应力状态和加载速率对其动态抗拉强度会产生明显的影响。对甘肃北山480~490 m深处的花岗岩进行了动态巴西劈裂试验,研究了岩石强度随加载速率的变化规律及岩石破坏模式。结果表明:随着加载速率的增加,岩石的动态抗拉强度明显增加,并呈现出硬化现象。岩石在动态巴西劈裂试验中,表现为拉伸破坏;在加载局部位置,出现了较小的破碎区。

微生物胶结砂体巴西劈裂试验声发射特性的细观模拟

针对微生物胶结砂体已取得一定研究成果,但关于其材料的细观变形特征和破裂过程尚不清晰。采用离散单元法并引入矩张量理论,构建微生物胶结砂体在巴西劈裂试验中的细观模型,研究其声发射特性。研究结果表明:在试样劈裂过程中,随着应变的逐渐增大,破裂强度从试样顶部和底部开始沿中轴线扩展,且破裂强度的数值不断增大,最终形成主要沿试样中轴线的宏观破裂带;声发射事件比率与破裂强度服从正态分布,且破裂强度分布在-7.52和-5.79之间;声发射事件次数与微破裂数近似呈负指数函数关系。研究成果为探明微生物胶结砂体的破裂过程提供了新的思路。

砂岩巴西劈裂试验离散元分析及破裂机理研究

鉴于离散单元研究方法中细观力学参数对宏观力学变形特性影响较大,开展了岩石巴西劈裂试验与细观力学数值模型分析,针对砂岩试样的巴西劈裂试验结果,建立了单元形状为多边形的离散单元数值模型,探讨了不同细观力学参数对宏观力学变形特性的作用,分析了砂岩内部破裂机理。结果表明,细观力学参数对宏观力学变形特性具有较为规律的影响;宏观层面的贯通裂隙实质为细观微裂隙不断发育的累积结果。

加载角度对弧形加载巴西劈裂试验影响的数值研究

巴西劈裂试验具有试件加工方便、试验易于实现等优点,是测试岩石抗拉强度的主要方法,但是相关规范没有对加载角度作出限定,导致试验的结果较为离散。为研究加载角度对巴西劈裂试验的影响,利用有限元软件ANSYS建立加载角度为0°的集中加载模型,计算得到的应力数值解与理论解误差较小,证明数值模拟的有效性;之后以集中加载模型为原型分别建立不同加载角度的弧形加载模型,分析加载角度对中轴线上应力分布和圆盘破坏模式的影响。结果表明:随着加载角度的增大,圆盘中心处的水平拉应力减小,压拉应力比增加速率加快,圆盘内的最大压拉应力比减小。推荐弧形加载巴西劈裂试验的加载角度范围为18.4°~27.8°,对应的抗拉强度修正系数范围为0.951~0.974。

预制裂隙砂岩巴西劈裂特性试验研究

为研究裂隙对岩石宏观破裂形态的影响,开展了单裂隙、共线双裂隙、平行双裂隙3种裂隙类型下砂岩的巴西劈裂试验,分析3种裂隙类型不同裂隙倾角下的破裂形态并对其分类,同时分析不同裂隙倾角下3种裂隙类型抗拉强度的变化。试验结果表明:裂隙会削弱岩石的抗拉强度,裂隙数量、裂隙倾角及裂隙间几何排布对试样的破裂形态及抗拉强度造成影响;单裂隙、共线双裂隙与平行双裂隙砂岩试样分别存在5种、4种与3种类型的破裂形式,岩石非均质性导致同一裂隙倾角下试样的破裂形态有所不同;单裂隙与共线双裂隙砂岩的抗拉强度总体在0°裂隙倾角时最大,随着裂隙倾角的增大,单裂隙砂岩抗拉强度呈先下降后上升再下降的变化规律,共线双裂隙砂岩抗拉强度呈现下降趋势,而平行双裂隙砂岩的抗拉强度在45°裂隙倾角时最大。

高温水冷作用下花岗岩巴西劈裂试验及启裂模式研究

在深部采矿、超深钻井、增强型地热系统(EGS)等工程中,高温岩体受冷水热冲击产生损伤,热损伤岩体的物理力学性质受到了广泛关注。通过对经200~800℃高温水冷处理后的花岗岩圆盘进行巴西劈裂试验,发现高温水冷作用使花岗岩体积膨胀、P波速度降低、抗拉强度减小。通过对圆盘加载过程中的表面应变场监测和声发射监测,发现高温处理会使花岗岩圆盘的启裂模式发生变化。较低温度(400℃以下)处理后圆盘为端部启裂,较高温度(600℃和800℃)处理后圆盘为中心启裂。热冲击导致花岗岩微裂纹增加,使巴西劈裂过程中的b值随处理温度升高而增大。

高温作用后砂岩巴西劈裂声发射特征试验

为了研究温度对砂岩力学性质的影响规律,对25~500℃区间内5种温度水平下的红色砂岩开展巴西劈裂试验。结果表明:根据抗拉强度变化情况将温度划分为3个区间(25~200、200~400、400~500℃),高温处理后的红色砂岩抗拉强度受温度影响而发生劣化,抗拉强度随着温度升高先缓慢减小而后下降速度加快,200℃是砂岩阈值温度;砂岩的劈裂破坏模式也由单一主裂纹破坏变为主裂纹和伴生裂纹破坏;声发射特征表现出较为显著的阶段性特征,大致经历声发射活跃期、微弱期、平静期。温度导致岩石内部矿物成分、晶体间隔、晶间水状态和结合离子键发生改变,是导致岩石发生热损伤的重要因素。

不同层理方位影响下板岩各向异性巴西圆盘劈裂试验研究

通过电镜扫描试验,发现板岩具有明显的变余层理构造和板劈理构造,因而可采用巴西圆盘劈裂试验揭示其力学特征。对7种不同层理角度下的圆盘进行劈裂试验,得到圆盘的3种破坏形式:<45°为纯拉伸破坏,=45°～75°为剪切拉伸破坏,>75°为剪切破坏。同时,板岩受内部层理构造的影响,其抗拉强度随值从0°变化到90°而逐渐降低;垂直于各向同性面的弹性模量和泊松比受层理角度影响不大,且前者比各向同性面的弹性模量值略小。