节理倾角对类岩石冲击能量传递影响的试验研究

用砂浆材料模拟不同倾角的节理岩石试件,并借助霍普金森压杆试验系统(SHPB)装置对其进行相似速度下的冲击试验,研究节理倾角对应力波穿越节理面时的波动特性和能量传递及耗散的影响,并给出能量耗散比随节理倾角变化的表达式。研究结果表明:在相似入射能量条件下,随着节理角度增大,反射能量比ER/EI(即反射波能量ER与入射波能量EI之比)先增大后减小,透射能量比ET/EI(即透射波能量ET与入射波能量EI之比)先减小后增大,且在节理倾角等于破坏角时,反射能量比和透射能量比到达极值;能量耗散比ED/EI(即节理试件耗散能量ED与入射波能量EI之比)随节理倾角的变化有所波动,分别在倾角为30°和90°时取得2个极大值。     

节理岩体对P波传播的影响

应力波在节理岩体中的传播规律是十分复杂的,不仅会受到岩石物理力学参数的影响,还会受到节理性质及分布特征的影响.以含平行双节理的岩体作为研究对象,采用数值模拟的方式探讨了平面P波在节理岩体中传播规律.首先,对含平行双节理的岩体进行了分析,探讨了节理刚度、归一化节理间距、节理倾角、节理刚度比对质点振速缩放系数(VSF)在节理前、节理间和节理后分布特征的影响.结果表明:对于节理岩体,节理刚度越大,平面P波的透射性越好,能量衰减的越少;在一定范围内,归一化节理间距越大,能量衰减的越多;节理倾角对不同位置的监测点的影响各不相同;不同刚度比下,对节理2附近的监测点影响较大,其余监测点基本上没有影响.     

节理千枚岩能量传递与动力学特性

采用SHPB装置研究不同节理倾角千枚岩在同一冲击速度下的能量传递规律和强度衰减特征，分析干燥与饱和状态下节理千枚岩的动力学特性.结果表明:节理倾角0°时强度最大，60°时强度最小，饱和状态下千枚岩峰值动强度降低，延性增强；千枚岩的反射能显著大于透射能，且随着节理倾角变化，两者增长变化规律相反；饱和状态下反射能和透射能达到稳定阶段出现时间滞后现象；随着节理倾角的增大，千枚岩反射能比先增后减，透射能比、耗散能比则变化相反，倾角60°时反射能比最大，透射能比、耗散能比最小；随着节理倾角的增长，千枚岩破坏耗能与峰值强度均呈U型分布.     

节理特性对岩体力学性能的影响

采用颗粒流模拟研究单轴压缩下节理特性对试件宏观力学参数、能量及波传播规律的影响,揭示裂纹扩展演化机理及破坏模式的变化规律,定义细观节理刚度比和强度比反映节理力学特性。研究结果表明:峰值强度、弹性模量、起裂应力随节理厚度增加、刚度比的下降而不断减小,泊松比随节理厚度增加而大幅度增加,节理强度比直接影响峰值强度;与张开节理相比,节理充填物降低尖端应力集中,导致试件损伤破坏程度及破坏模式的改变,同时引起宏观力学参数增大,并随节理刚度减小,逐渐趋近前者。通过在模型内设置激发源和接收器,对激发源施加速度脉冲模拟剪切波和压缩波的传播过程,节理对波幅影响远大于波速,充填节理透射系数明显大于张开节理透射系数,前者随厚度增加衰减更快,与纵波相比,横波随节理弱化衰减较快。     

节理岩体中隧洞围岩的损伤破坏机理

结合细观节理形态的变化,在二轴围压条件下,数值模拟了节理岩体中隧洞围岩损伤破坏过程,研究了节理岩体中隧洞围岩体的破坏机理,分析了岩体中节理倾角对隧洞围岩稳定性的影响规律.结果表明:裂隙的产生和发展延伸主要是拉应力的作用,裂隙延伸方向大致与节理面垂直;节理倾角较小时,岩体中破裂以垂直于节理面的拉裂隙为主;节理倾角较大时,岩体裂隙以沿节理面的滑动裂隙为主;不同倾角的节理面对岩体破坏的脆性也有较大影响;岩体破坏前有大量微裂隙产生,同时伴随着声发射能量的释放,利用微震监测技术抓住这些微破裂前兆信息,能够较好地进行隧洞塌方、冒顶、岩爆等灾害预测,提前做好支护等应对措施,以保障人员、设备安全.     

单轴压缩下交叉裂隙花岗岩变形与能量演化分析

为了更好地了解交叉裂隙对岩体力学性质和变形特征的影响,对不同主次裂隙夹角的花岗岩试件进行了单轴压缩试验.根据试验结果,对交叉裂隙试件的应力-应变曲线规律、变形与强度特性以及能量演化过程进行了分析.研究结果表明:交叉裂隙试件的力学性质和变形特征与主、次裂隙的夹角密切相关,裂隙试件的应力-应变曲线比完整试件更早进入裂纹萌生和扩展阶段,峰值应力前应力-应变曲线会出现一定的应力波动现象;裂隙试件的峰值强度和弹性模量明显降低,弹性模量随交叉裂隙夹角的增大先减小后增大,但峰值强度受夹角的影响不大;裂隙试件在单轴压缩过程中的总能量、弹性应变能和耗散能相较于完整试件显著降低.     

初始损伤对岩体力学性质影响的试验研究

为获取不同初始损伤量对岩体力学性质的影响规律,通过室内单轴压缩试验,研究了含不同初始损伤试件在不同阶段的破坏规律,从定量及定性角度分析了裂隙数量及裂隙面间距对试件极限强度、弹性模量的影响,并给出了一定裂隙尺度下的经验公式.所获得的成果,对于工程岩体的安全和稳定性具有重要的参考意义.     

刀具侵入作用下节理岩体位移及应变场演化特征试验研究

为了研究在全断面岩石隧道掘进机(TBM)作用下节理岩体的变形破坏特征,采用DSCM方法,通过对加载过程中试件表面数字散斑图像进行计算分析,获得刀具侵入作用下临界状态不同节理参数(倾角和间距)试件表面的位移场以及应变场分布特征。研究结果表明:节理参数的不同对试件表面位移场和应变场分布有着明显的影响,节理的空间位置控制着试件表面变形局部化特征,进而影响裂纹的扩展模式。试件达到临界破坏状态时,其应变场的分布特征能够很好地反映损伤局部化的特点。     

冲击荷载下平行双裂隙演化的颗粒流分析

为了研究冲击荷载下平行双裂隙对岩石破坏的影响,采用二维颗粒流程序对分离式霍普金森杆一维冲击试验进行模拟。对预制平行双裂隙倾角为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°和完整的花岗岩试样进行冲击加载模拟,全面研究了平行双裂隙试件裂纹的萌生、扩展、贯穿的过程。结果表明：在冲击荷载的作用下,平行双裂隙明显降低了岩石强度。裂隙存在时,裂隙倾角与加载方向一致时,试样峰值强度和起裂强度均达到最大,呈劈裂拉伸破坏模式,在倾角为45°左右达到最小值,呈拉剪复合破坏模式。预先存在缺陷的倾角对裂纹萌生和扩展模式有很大影响。对应力场分析,平行双裂隙对应力波的传播产生阻碍,在岩桥区域变化最为明显。     

水力耦合条件下预制节理砂岩裂纹扩展和能量演化细观数值模拟

为了研究水力耦合作用条件下预制节理砂岩三轴压缩裂纹扩展和能量演化规律,建立预制节理砂岩流固耦合数值模型,得到预制节理砂岩应力-应变曲线.通过分析平行黏结破碎演化过程,获得不同预制节理角度下微裂纹发育规律.基于颗粒流程序(PFC)离散元能量追踪体系,研究得到各细观能量变化响应和能量耗散与转换规律.分析结果表明:预制节理角度越大,试样峰值强度越大,侧向变形和轴向变形峰值应变先增大后减小,在预制节理角度为60°时取得最大值;平行黏结破碎起始于预制节理,进而扩展贯通,次生黏结破碎带始于节理面直至贯穿试样边界;试样的黏结能峰值和应变能峰值均与预制节理角度成正比,黏结强度峰值应变和应变能峰值应变与预制节理角度成反比;耗散能主要表现为摩擦作用,整个加载过程中弹性应变能吸收率最大.     

基于动荷载作用花岗岩破碎碎块的分形特征与能量的相关性

利用直径50 mm的霍普金森试验装置,研究花岗岩试件冲击破碎碎块的分形特征和耗散能量的关系.结果表明破碎花岗岩每单位体积所需要的能量和岩块尺寸、特征尺寸、均匀性系数、块度分形维数等有较大的相关性,比耗散能量和块度分形维数的关系更接近于自相似的特征;扫描电镜图像和耗散能量与碎块表面的分形维数的关系,显示了较低的耗散能量使花岗岩内部微裂纹沿晶破坏成碎块,较高的耗散能使花岗岩内部的微裂纹既有沿晶破坏又有穿晶破坏,且碎块表面的分形维数反映了碎块表面的破坏程度.     

石灰岩的SHPB试验研究

利用大直径（φ75 mm）分离式Hopkinson 压杆装置（SHPB）实验技术对石灰岩岩石试件进行了循环冲击实验,得到了石灰岩岩石冲击过程中的动态应力-应变曲线,定量研究了冲击过程中的能量耗散. 同时利用岩石损伤的超声波测试技术对应力波作用下的石灰岩损伤进行表征,并探究了不同冲击条件下石灰岩损伤和应力波波幅、石灰岩损伤和耗能值之间的关系. 在子弹长度相同条件下,石灰岩损伤和应力波波幅呈指数关系,且在累次冲击实验中得到印证. 石灰岩损伤与耗能值之间为简单的线性关系.      

不同角度充填节理花岗岩剪切裂纹扩展规律及断裂机制研究

增强型地热系统储层中岩体节理通常含有充填物,充填节理的剪切力学行为直接影响储层渗透性及连通性。基于不同角度充填节理花岗岩直剪试验,研究了充填节理花岗岩剪切破坏的力学特性、损伤变量演化及裂纹扩展规律。结果表明：充填物及节理角度影响花岗岩抗剪强度,表现为充填物改变裂纹扩展介质,节理角度影响花岗岩剪切时节理面的受力状态;充填节理花岗岩损伤破坏过程分为裂纹闭合、裂纹萌生发育、裂纹扩展破坏3个阶段,损伤变量随着损伤过程进行呈不断增大趋势;节理花岗岩剪切裂纹扩展方向可分为水平方向及平行节理方向,0°与90°节理试件剪切裂纹沿水平方向扩展直至贯通试件,30°、45°与60°节理试件剪切裂纹扩展方向与自身节理角度一致。     

相似材料渗流-能量特性真三轴综合实验系统研发及应用

为开展采动覆岩破断与卸压瓦斯运移规律的三维物理相似模拟实验,在渗流系数能量控制模型的基础上,研制出相似材料渗流-能量特性真三轴实验系统,并详细介绍系统的主要结构、功能及实验方法。结果表明,该系统可由液压加载系统控制对试件所施加的三轴应力,利用多元测试系统对试件压缩过程中油缸的推出力、试件压缩轴向变形量、压缩过程的气体流量及主裂隙导通时的能量耗散进行实时监测,通过对不同配比相似材料试件的真三轴加载实验,研究三轴压缩相似材料的渗流-能量特性为进一步开展采动覆岩裂隙演化与卸压瓦斯运移多物理场耦合规律奠定了实验基础。     

裂隙水压力对煤岩体细观结构破坏分析

为了分析裂隙水压力对裂隙煤岩体的结构改造效应及宏观力学性能的影响,在现场调研煤岩体原生节理裂隙分布形态的基础上,采用断裂力学分析了岩体内水压裂隙起裂的最小水压力和分支裂纹的扩展后长度.从能量的角度分析了岩体内原生裂隙及水压分支裂纹扩展产生的应变能.在岩块为各向同性的前提下给出了裂隙扩展前后岩体的总柔度,从能量耗散损伤的角度以柔度为损伤变量分析了裂隙水压力与岩体损伤的关系.实例分析表明裂隙水压力对裂隙煤岩体宏观力学性能的弱化效果明显.图2,参12.     

冲击荷载作用下软硬互层类岩石力学特性

基于三峡库区砂泥岩互层岩体的实测数据,采用相似材料以分层浇筑的方法制作软硬互层类岩石试样,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,探究不同冲击速度下,不同厚度比和岩层组合方式岩样的应力波传播特性、力学性能、能量耗散特征及分形特征。研究结果表明：受波阻抗匹配效果影响,透射波率随着硬岩体积占比增大而增大;透射波率越大的岩样,其破碎时的耗散能密度越大;随着冲击速度增大,各岩样透射波率先增大后减小,动态抗压强度呈近线性增长的规律,其破坏程度逐渐加剧;在冲击荷载作用下,强度较大的类砂岩在层间面力作用下易产生沿加载方向的张拉破坏,而强度较小的类泥岩易产生与沿加载方向呈一定倾角的剪切破坏;互层岩石软岩体积占比越大,其碎块分形维数随耗散能密度增加而增加的趋势越缓。对于互层岩体的破岩施工,应选在软岩体积占比多、硬岩在外表层且交界面数量少的位置,并根据软硬岩占比情况,应该选择合适的炸药量或掘进速度,以达到更好的破岩效果。     

裂隙砂岩破坏过程中的能量耗散与破碎分形特征研究

对不同裂隙倾角的裂隙砂岩试件进行单轴压缩试验,分析了试件变形破裂过程中的应变能演化特征,基于分形理论定量描述了最终破坏后碎屑尺度分布的分形特征,初步探究了能量耗散与破碎分形维数之间的力学机制。研究结果表明：随着裂隙倾角增加,裂隙砂岩试件的抗压强度和耗散应变能均呈现出先减小后增大的变化规律;数据拟合结果表明两者之间存在正相关关系。试件破坏后的碎屑尺度分布具有分形特征,不同裂隙倾角试件的分形维数介于2.58～2.64;分形维数随裂隙倾角的变化规律与抗压强度类似,两者近似呈线性相关关系。此外,试件的抗压强度越高,破坏时释放的耗散应变能越多,试件破碎程度越严重,所产生的微、细粒碎屑占比增大,导致分形维数变大;数据拟合结果表明耗散应变能和分形维数之间具有线性正相关关系。     

节理岩体中纵波传播特性数值研究

利用通用离散元程序(UDEC)研究应力波在单个和多个平行节理中的传播规律,为了简化问题,其中的应力波为垂直节理入射的P波.数值模拟的结果表明,在单个节理的情况下,透射系数的大小只与节理的法向刚度有关,而与节理的剪切刚度和内摩擦角无关;在多个平行节理的情况下,节理数影响应力波的透反射情况,节理数增加,透射系数随着节理间距减小的变化值增大.     

矿山岩层细观尺度破坏数值模拟研究若干进展

为了揭示岩石细观尺度破裂演化及其力学特征，研究获得的力学元胞自动机（MCA）方法能够基于能量传递及耗散规则，有效模拟细胞岩石破坏演化过程及其能量释放规律；开发的细观二维颗粒元（2D-bail）模拟方法实现了对煤岩动力过程及其能量变化的有效模拟；研究改进的Boltzmann方法实现了对裂隙煤体内瓦斯运移规律及解吸附特征的有效模拟。     

不同充填厚度节理面剪切破坏宏细观机理研究

为了研究不同充填厚度下节理面的剪切破坏行为和强度特性,综合前人对充填节理的试验与理论成果,考虑天然岩体复合结构的不规则粗糙表面形态,对实验室制备的类岩石材料充填节理试件进行室内剪切试验,并采用数值方法进行模拟验证。对比实验结果和模拟结果,从宏观和细观角度分析了充填节理的变形特性及破坏行为,研究了充填厚度对节理面剪切强度的影响关系。研究结果表明:在同一粗糙度下,不同厚度充填节理的破坏模式没有明显区别,主要表现为粘结面的破坏;在较小粗糙度下,充填节理的剪切峰值强度和残余强度均随着充填厚度的增加有一定程度的降低,但变化不大;在较小粗糙度和较小充填厚度下,试件沿与节理面起伏较大处成一定角度产生裂隙并逐渐贯通至试件底部,充填厚度增加,仍会产生裂隙,但不会贯通。