巖石脆性破壞臨界信息識(shí)別方法研究

巖體脆性破壞是導(dǎo)致眾多工程事故和地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的重要原因。當(dāng)前研究，關(guān)于巖石累進(jìn)性動(dòng)態(tài)破壞過程是仍有待突破的重要問題。本報(bào)告基于應(yīng)變、應(yīng)力、聲發(fā)射、視電阻率、波速等多物理場(chǎng)測(cè)試，提出了反映不同應(yīng)力水平下的巖石累進(jìn)性破壞機(jī)制，闡明了脆性破壞過程中荷載、變形與多物理場(chǎng)參數(shù)等的關(guān)聯(lián)信息，巖石脆性變形破壞過程中多物理場(chǎng)的時(shí)空特征變化，提出巖石脆性破壞臨界信息的識(shí)別方法。 巖石脆性破壞過程可視為逾滲相變過程，假定巖體細(xì)觀微元體強(qiáng)度服從Weibull分布，基于系統(tǒng)在逾滲閾值處有尺度不變的性質(zhì)，建立了巖石破壞二維和三維重正化群模型，并計(jì)算了系統(tǒng)相應(yīng)的逾滲閾值，研究了巖體脆性破壞在逾滲閾值附近的臨界特性：當(dāng)破裂概率遠(yuǎn)離臨界概率 時(shí)，各破裂集團(tuán)短程關(guān)聯(lián)，此時(shí)系統(tǒng)破裂是局部的；在臨界點(diǎn)附近，巖石系統(tǒng)中各破裂單元之間的關(guān)聯(lián)長度驟然增加，致使各破裂單元之間出現(xiàn)協(xié)同作用，宏觀表現(xiàn)為原有隨機(jī)、無序分布的破裂逐漸向未來破裂面集中。 巖石脆性破壞導(dǎo)致的各種現(xiàn)象可以分為兩類：①與物理力學(xué)參數(shù)和結(jié)構(gòu)特征改變有關(guān)，表現(xiàn)為巖石本身變得破碎，承載力降低，變形速率增大，模量變小，滲透率增大，波速參數(shù)與電阻率值突變；②與能量釋放及物理場(chǎng)參數(shù)變化有關(guān)，體現(xiàn)在聲發(fā)射信號(hào)激增，電磁輻射強(qiáng)度增加，紅外輻射加大。試驗(yàn)和理論分析表明：巖石破裂前臨界特征點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力和巖石峰值應(yīng)力比值約在70%~80%之間。本文通過分析得出，巖石脆性破壞的各種信息與巖石微破裂發(fā)展存在特定的關(guān)聯(lián)性，利用綜合信息源可以很好的進(jìn)行脆性破壞臨界點(diǎn)的識(shí)別。 2100433B

巖石脆性破壞失穩(wěn)會(huì)帶來地震、崩塌、巖爆、滑坡、煤礦突水以及地表塌陷地質(zhì)災(zāi)害與工程問題等，造成慘重的損失。當(dāng)前研究中，限于地質(zhì)體固有屬性和力學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜性，使得巖石脆性破壞導(dǎo)致的災(zāi)害的預(yù)測(cè)是非常困難。本項(xiàng)目先采用試驗(yàn)對(duì)不同含水量的花崗巖和灰?guī)r進(jìn)行不同加載速率和圍壓的單軸/三軸加載試驗(yàn)，并進(jìn)行應(yīng)變、應(yīng)力、聲發(fā)射、視電阻率、波速等物理量的同步測(cè)試；針對(duì)同組試樣控制不同加載應(yīng)力水平，進(jìn)行壓汞試驗(yàn)和掃描電鏡分析巖石微裂隙發(fā)育規(guī)律，探索含水量、加載速率和圍壓效應(yīng)對(duì)巖石脆性破壞過程和膨脹點(diǎn)位置的影響及聲發(fā)射、視電阻率等物理信息的變化規(guī)律；同時(shí)利用二維與三維重整化群理論研究巖石脆性破壞過程中臨界破壞概率及膨脹點(diǎn)與脆性破壞前兆信息的關(guān)聯(lián)性，并開發(fā)相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算程序，尋找?guī)r石脆性破壞臨界識(shí)別因子，提出巖石脆性破壞的前兆信息識(shí)別方法。

巖石是經(jīng)過漫長地質(zhì)作用形成的各種礦物的天然集合體，具有明顯的非均質(zhì)性和各向異性特性。而巖土工程失穩(wěn)表現(xiàn)為典型的時(shí)效漸進(jìn)破壞過程，探討非均勻性巖石亞臨界裂紋擴(kuò)展速度效應(yīng)勢(shì)在必行。本項(xiàng)目以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究非均勻性巖石在不同載荷條件下裂紋擴(kuò)展的機(jī)制，揭示巖石裂紋擴(kuò)展過程中內(nèi)部缺陷動(dòng)態(tài)演化過程及演化機(jī)理，建立巖石的裂紋擴(kuò)展與宏觀破壞之間的關(guān)系；試驗(yàn)研究非均勻性巖石不同應(yīng)力狀態(tài)亞臨界裂紋擴(kuò)展規(guī)律，獲得相應(yīng)的亞臨界裂紋擴(kuò)展時(shí)間相關(guān)參數(shù)；建立非均勻性巖石裂紋亞臨界擴(kuò)展速率方程，確立裂紋擴(kuò)展優(yōu)勢(shì)方向，建立裂紋亞臨界擴(kuò)展速度與活化能、斷口形貌及破壞模式之間的定量關(guān)系；探討時(shí)間相關(guān)性巖土工程穩(wěn)定性與其力學(xué)性能弱化之間的規(guī)律，預(yù)測(cè)裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展的極限時(shí)間；數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)在不同條件下的應(yīng)力和變形及非均勻性巖石裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展規(guī)律；將研究成果應(yīng)用于實(shí)際工程，檢驗(yàn)其有效性。

本項(xiàng)目組根據(jù)申請(qǐng)書和計(jì)劃書的研究內(nèi)容及研究進(jìn)度計(jì)劃開展研究工作。四年來，項(xiàng)目執(zhí)行順利，達(dá)到了預(yù)期的研究目的，取得了新的研究成果。 其主要內(nèi)容為：考慮巖石非均勻性特性時(shí)的裂紋亞臨界擴(kuò)展速度效應(yīng)，在理論、試驗(yàn)、數(shù)值模擬與應(yīng)用方面進(jìn)行了研究。通過非均勻性巖石雙扭試驗(yàn)，測(cè)定松弛曲線，建立了不同方向的裂紋亞臨界擴(kuò)展速度與裂紋擴(kuò)展參數(shù)的關(guān)系，從擴(kuò)展能量出發(fā)研究裂紋擴(kuò)展，確定不同條件下裂紋擴(kuò)展的起裂條件、門檻值及巖橋貫通方式；通過核磁共振試驗(yàn)，測(cè)定弛豫時(shí)間，探討內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)成像規(guī)律、孔隙度、孔隙尺寸分布規(guī)律、細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化及損傷累積規(guī)律；通過巖石斷裂表面微觀形貌試驗(yàn)，建立裂紋亞臨界擴(kuò)展速度與形貌特征參數(shù)的關(guān)系；以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，探討非均勻性巖石亞臨界裂紋擴(kuò)展的機(jī)制，分析非均勻性巖石結(jié)構(gòu)的在不同載荷條件下的應(yīng)力、變形及巖石裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展規(guī)律，確立三個(gè)主軸方向及其彈性參數(shù)，推導(dǎo)非均勻性巖石初始等效柔度張量及裂紋擴(kuò)展引起的附加柔度張量，探討內(nèi)部缺陷的動(dòng)態(tài)損傷演化效應(yīng)，建立非均勻性巖石本構(gòu)模型，確立裂紋快速擴(kuò)展的條件，預(yù)測(cè)裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展的極限時(shí)間；結(jié)合具體邊坡工程，進(jìn)行穩(wěn)定性分析及加固措施以檢驗(yàn)其有效性。 研究發(fā)現(xiàn)：各個(gè)節(jié)理傾角下的lgKI –lgV關(guān)系都有很好的線性規(guī)律，斷裂韌度KIC、松弛最大荷載Pmax、單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量均隨層理面傾角的增大呈“U”型變化趨勢(shì)；裂紋擴(kuò)展的極限時(shí)間隨拉應(yīng)力的增加而減小，極限時(shí)間對(duì)節(jié)理傾角的變化的靈敏度不同，拉應(yīng)力越小時(shí)，臨界時(shí)間受節(jié)理傾角的影響越大；分形維數(shù)能較好的表述裂紋擴(kuò)展形成的斷口斷面；核磁共振孔隙度與浸泡時(shí)間成指數(shù)衰減函數(shù)關(guān)系，與單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量成線性關(guān)系。

金屬材料以及壓力管道的脆性破壞并不一定都由低溫脆性引起、實(shí)際上，脆性破壞是事故材料的缺陷主要原因，而其中尤以裂紋性缺陷引起的事故所占的比例最高。金屬管道在焊接時(shí)不可避免地帶來許多缺陷，包括夾渣、氣孔、未焊透及裂紋。裂紋是一種平面型的缺陷，因而是一種最危險(xiǎn)的缺陷。裂紋的尖端存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中，而且往往與最大主應(yīng)力相垂直，因此最容易引起低應(yīng)力脆性破壞。