层理岩体爆破应力波传播规律研究

本文以层理岩体地层隧道开挖爆破为研究背景,通过理论解析和数值模拟分析层理倾角变化对爆破应力波的传播影响。研究发现：层理对应力波具有一定的吸收和反射作用,加速了爆破应力波在层理岩体中衰减;层理倾角越大应力波的透射率越小,应力波透过层理的衰减度越大;当应力波由硬介质入射到软介质中时透射率小于1,反之透射率则大于1。当层理倾角大于30°时,应力波的反射率随层理倾角的增大而变大;小于30°时,应力波反射率随层理倾角的增大而减小。此外,运用公式求解得到质点振动速度衰减度随层理倾角变化关系。     

基于RHT模型的层理分布与爆破损伤关联耦合性分析

在层状围岩隧道钻爆施工中,层理往往会影响爆破效果,导致超欠挖、支护结构受力与设计不符、围岩稳定性不可控等不利后果,为此,基于某白云岩隧道掌子面特征及室内试验结果,通过数值模拟手段,利用RHT模型开展层理数量及分布对岩体爆破损伤关联耦合性影响分析。研究结果表明：用“接触”方式模拟层理能较好反映应力波在层理的反射、透射等力学行为特征,在特定条件下,应力波会在层理处形成应力波叠加,使得局部岩体的应力峰值变大,产生拉伸效应并激发裂纹;当冲击荷载超过层理强度阈值时,层理会被破坏而失去反射和透射作用;利用相邻层理间距的差值?H与损伤占比D_p作为拟合参数来揭示层理疏密程度与岩体爆破损伤的相关性,得到拟合公式D_p=6.54-0.12?H;当炮孔半径为R时,层理与炮孔距离小于18.3R时,层理对岩体爆破损伤演化的影响较小,大于18.3R时,层理对岩体爆破损伤演化的影响较大。     

层状岩体的颗粒流模拟新方法及数值分析

在颗粒流软件PFC2D的基础上,采用新的建模方法建立了层状岩体数值试样,并通过直剪试验验证了新方法的优越性。开展了不同层理倾角下的岩体单轴压缩试验的数值模拟,对层状岩体的变形特性、强度特性以及破坏模式进行了分析。数值结果表明:随着层理倾角的增大,其弹性模量与峰值强度都是呈先减小后增大的趋势,但两者取最小值时的层理倾角并不相同且两者的变化速率也不尽相同。当层理倾角β=0°~30°或者β=90°时,岩石试样的强度主要由基岩控制;而当层理倾角β处于中间角度时,此时岩石试样的强度则主要由层理控制。     

岩体结构面对爆炸冲击工程响应的影响

基于裂隙岩体的结构面是矿山安全生产的重要影响因素,对爆炸冲击应力波的传播规律有重要影响,以铜坑矿岩体力学参数为基础,采用ANSYS/LS-DYNA软件,建立结构面厚度、倾角及结构面充填材料对爆炸冲击工程响应的数值模型,获取结构面对爆炸冲击下的工程响应特性,并基于神经网络构建结构面参数灰关联神经网络预测模型,确定结构面参数在爆破冲击工程响应的重要度。研究结果表明:结构面前、后测点的质点峰值振速的衰减度与结构面厚度呈指数函数,当结构面厚度为0,5,10,15和20 cm时,衰减度分别为0.365,1.508,2.303,2.418和2.443;结构面倾角对爆破冲击工程响应与衰减度呈正相关,当结构面倾角为30°,45°和60°时,衰减度分别为1.580,2.495和2.698;当结构面的充填材料为胶结、碎屑、泥质时,质点峰值振速的衰减度分别为2.303,2.458和2.598,与充填材料的强度呈负相关;3种因素的影响度由大到小依次为结构面厚度、倾角、充填材料强度。     

马蹄形洞室围岩稳定性结构面倾角效应分析

为了分析不同倾角结构面对马蹄形洞室围岩稳定性的控制机理,文章运用数值模拟的方法分析了15°、30°、45°、60°、75°5种典型倾角结构面横穿马蹄形洞室断面时围岩应力分布、围岩位移的特征,探讨了结构面产状控制围岩变形与破坏的机理。通过对应力场和位移场的分析可知:当结构面倾角小于等于60°时,塑性区随结构面倾角的增大不断减小;当结构面倾角大于60°时,塑性区随倾角增大而增大;在结构面倾角为60°时,洞室围岩的塑性区最小,相对稳定。     

考虑层理、加载速率与尺寸效应的页岩裂纹扩展机理试验研究

分析裂纹扩展演化机理是认识井壁坍塌失稳的关键,尤其是层理和脆性特征显著的页岩地层,伴有节理与微裂隙发育,研究其裂纹扩展演化机制对于确定钻井导向、钻速及井眼尺寸更显重要。为此利用材料试验机开展了考虑层理倾角、加载速率与试件尺寸的页岩裂纹扩展演化试验研究。结果表明页岩层理平行于载荷时,裂纹沿层理呈张性破坏。层理倾角由0°~30°时,裂纹扩展形态由张性破坏向剪切破坏转变;当层理与轴向应力呈30°倾角时,剪切破坏最为明显,裂纹的平均扩展速率最大,且抗压强度最小;层理倾角由30°~90°时,裂纹由剪切破坏;逐渐转向张性破坏,当层理与轴向载荷垂直时,试件裂纹切割层理片层发生张性破坏。随加载率的增加,页岩峰值应力增大,裂纹长度逐渐减小,但加载速率越小,破坏后的页岩越为碎裂;在侧向尺寸不变的条件下,试件高度越大,越呈现张性破坏,主裂纹越长,且破碎后的页岩越呈现片状。     

考虑层理、加载速率与尺寸效应的页岩裂纹扩展机理试验

分析裂纹扩展演化机理是认识井壁坍塌失稳的关键,尤其是层理和脆性特征显著的页岩地层,伴有节理与微裂隙发育,研究其裂纹扩展演化机制对于确定钻井导向、钻速及井眼尺寸更显重要。为此利用材料试验机开展了考虑层理倾角、加载速率与试件尺寸的页岩裂纹扩展演化试验研究。结果表明页岩层理平行于载荷时,裂纹沿层理呈张性破坏。层理倾角由0°~30°时,裂纹扩展形态由张性破坏向剪切破坏转变;当层理与轴向应力呈30°倾角时,剪切破坏最为明显,裂纹的平均扩展速率最大,且抗压强度最小;层理倾角由30°~90°时,裂纹由剪切破坏;逐渐转向张性破坏,当层理与轴向载荷垂直时,试件裂纹切割层理片层发生张性破坏。随加载率的增加,页岩峰值应力增大,裂纹长度逐渐减小,但加载速率越小,破坏后的页岩越为碎裂;在侧向尺寸不变的条件下,试件高度越大,越呈现张性破坏,主裂纹越长,且破碎后的页岩越呈现片状。     

张开穿透型单裂隙硬岩特征强度试验研究

为研究岩体的特征强度随裂隙角度的变化规律,以制备的裂隙砂岩试样为对象,开展了单轴压缩试验.试验结果表明:裂隙试样的特征强度随裂隙角度的增大基本呈"U"形的变化规律,其值在α=30°时最小,且当α从30°增加至90°时的增大幅度大于α从0°至30°时的减小幅度.各特征强度与对应峰值应力比值随裂隙角度变化不大,且均大于完整试样对应比值.表明当宏观裂隙存在时,试样裂纹闭合阶段占整个应力-应变阶段的比例增大;而一旦进入扩容阶段,将较完整试样更快达到峰值强度而破坏.0～20°的试样是从裂隙面中间而非在裂隙尖端出现拉裂纹开始起裂,这是因为当倾角α较小时,裂隙面上的拉应力较大从而导致裂纹在裂隙中间起裂,因而试验得到的强度值与最大周向应力理论计算值有所区别.     

陡倾角层状岩体中地下洞室围岩的变形

考虑到层状岩体顺层滑移和弯曲变形的特点,将Cosserat介质理论引入到大型地下洞室的开挖模拟中,基于Matlab编制了考虑偶应力的有限元程序,并对一个简单地下洞室模型进行模拟分析。结果表明:洞周围岩的变形随层面间距的增大而减小,洞室变形的不对称性在层面间距越小的情况下越明显;大型洞室高边墙的位移随层面倾角先增大后减小,反倾向一侧的位移在倾角为60°达到最大,而顺倾向侧边墙在30°达到最大;在洞室的同一高度处,当岩层倾角缓时顺倾向侧洞周位移要大于反倾向侧的位移,而当倾角变陡后,顺倾向侧洞周位移要小于反倾向侧的位移;层面的切向刚度对洞周位移影响很大,洞周位移随切向刚度系数的减小而迅速增大,但切向刚度系数减小到一定程度后将趋于稳定。数值模拟表明用Cosserat介质来模拟层状岩体是合适而且方便的。     

层状砂岩力学行为各向异性与破裂特征

为揭示倾角对层状砂岩力学特性与破裂特征的影响,进行0°,30°,45°,60°和90°等5种倾角的单轴压缩试验,分析倾角对试样物理力学特性和破裂模式的影响,并结合声发射监测,分析微裂纹时空演化规律。研究结果表明:1)不同层理角度试样应力-应变曲线均经历压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和峰后破坏阶段,各阶段区分明显。弹性模量与纵波波速均随层理角度增大而增大,而单轴抗压强度先变小然后增大,曲线整体呈现出"U"形,在层理倾角60°时为最低值;2)倾角从0°增大到90°时,破坏模式由"穿切层理面的劈裂型剪切破坏"转变"复合张剪破坏"再到"剪切滑移破坏",最后转变为"劈裂张拉破坏";3)试样压密段几乎没有声发射事件,在弹性段声发射事件数逐步增加,当加载到峰值强度时,事件数剧烈增加,峰后破坏阶段事件进一步累积,声发射事件阶段变化与应力-应变曲线描述的变形破坏阶段吻合,且声发射事件空间分布与宏观破裂形态基本一致;4)矩张量反演的震源类型T-k值点分布在不同阶段的变化规律反映了剪切、张拉、混合破裂比例变化。试验用层状砂岩横观各向同性性质明显,力学性质随着层理倾角变化而变化,层理倾角变化对试样破坏模式影响明显。     

板岩各向异性蠕变特性试验研究

利用RYL-600微机控制岩石剪切流变仪,对江西九江地区典型板岩进行单轴压缩蠕变试验,研究板岩内部固有各向异性对蠕变特性的影响。研究结果表明:板岩试样蠕变曲线均出现明显的瞬时弹性阶段、衰减蠕变阶段和稳态蠕变阶段,并未出现加速蠕变阶段,且试样在应力水平稳定的状态下突然发生破坏,表现出明显的脆性破坏特征;随着层理面倾角变化,蠕变破坏类型即剪切破坏和张拉破坏也发生变化;在初始应力水平下,层理面倾角为60°时的瞬时弹性应变最大,倾角为90°时的瞬时弹性应变最小,且随着应力水平大,瞬时弹性模量逐渐上升并趋于稳定,瞬时弹性应变则呈逐渐降低的趋势;蠕变速率随应力水平提高而逐渐增大,层理面倾角为60°的试样在高应力下出现最大蠕变速率。     

基于声发射实验层状砂岩力学特性及破坏机理

为了探究层理面影响下砂岩力学特性和破坏机理,采用声发射技术,开展砂岩单轴和巴西劈裂试验,研究砂岩拉压强度分布规律、应力-应变关系、破坏形式与声发射之间的关系。研究结果表明:随着层理角度从0°增加至90°,砂岩单轴抗压强度先减小再增大,呈U型分布,而劈裂拉伸强度呈增大趋势;砂岩在单轴和劈裂试验下应力-应变曲线具有明显的各向异性;在单轴试验下,当层理角度为0°,15°,75°和90°时,砂岩破坏形式为压缩破坏,当层理角度为30°,45°和60°时,砂岩破坏形式为沿弱面剪切破坏;在劈裂试验下,圆盘均沿着中心起裂破坏形式为拉伸破坏;随着层理角度从0°增加至90°,在单轴和劈裂试验下,裂纹发展所对应的轴向应变率降低,裂纹贯通困难,破坏所需峰值应力增大;峰值应力越大,对应的声发射能量率越大。     

层状岩体隧道变形特征数值模拟研究

为研究层状岩体的层厚与倾角对隧道及围岩稳定性的影响,以贵州省栗木山隧道为背景,采用有限元软件ANSYS分析了层状白云质灰岩地层隧道开挖后的围岩与支护结构受力变形特征,得到了不同岩层厚度和结构面倾角时围岩和衬砌的位移云图、关键节点的位移。研究结果表明,隧道拱部竖向位移呈"V"型分布,最大竖向位移出现在隧道拱顶,最大竖向位移随岩层厚度增大而减小,存在明显的临界厚度,当岩层厚度大于0.6m,减小趋势变缓;倾斜岩层隧道围岩与衬砌位移存在明显的非对称性,岩层倾向侧位移小于另一侧,非对称性随倾角增大先增大后减小,倾角45°时最为明显,倾角大于60°时逐渐趋于平稳;拱脚和墙帮的位移受倾角变化小。层状岩体隧道支护设计、施工时应避免拱顶和非对称变形过大造成事故。     

动静荷载下类节理岩体裂纹扩展特性研究

为了研究节理岩体在动静荷载下的裂纹扩展特性,采用室内试验和颗粒离散元程序PFC2D5.0对类节理岩体在动静荷载下的破坏形态进行研究.对比分析不同荷载下节理倾角对破坏形态的影响.结果表明,节理倾角等于45°时为翼裂纹与次生裂纹转变的临界角度值;当倾角小于45°时,新生裂纹主要为翼裂纹,裂纹起裂与岩体破坏主要受张拉应力控制;当倾角大于45°时,新生裂纹主要为次生裂纹.裂纹起裂与岩体破坏主要受剪切应力控制.在冲击荷载下,单节理岩体与双节理岩体的破坏形态类似,都为张拉破坏,主要裂纹形式为翼裂纹.     

罗山金矿节理岩体强度的PFC3D模拟及其应用

采用PFC3D数值模拟方法模拟在抗拉、抗压试验下不同倾角层理面的岩体的破坏过程,从颗粒的位移和速度分布等方面出发,阐述了节理岩体的破坏机理,并与实验室条件下获得的节理岩体强度和变形特性进行比较和分析.结果表明,单轴抗压强度在0-60°范围内随倾角α的增加而减小,在60°-90°范围内随倾角的增大而增大;单轴抗拉强度在0...     

高应力循环加卸载下不同张开度裂隙类岩体变形损伤及能量演化

为研究高应力循环加卸载作用下不同张开度对裂隙类岩体应力-应变曲线特征、滞回环面积和动弹性模量变化规律以及裂隙类岩体损伤特性的影响。基于RMT-150B岩石力学试验机开展了不同张开度和裂隙倾角下裂隙类岩体高应力循环加卸载试验,获得高应力循环加卸载作用下裂隙类岩体力学性能。结果表明:高应力循环加卸载对类岩体峰值强度有“弱化”作用,“弱化”程度约为11%;以0.4 mm张开度为界限,小于0.4 mm的裂隙岩体滞回环面积随裂隙倾角增大呈先增大后减小规律,动弹性模量随裂隙倾角增大先减小后增大,大于0.4 mm时,滞回环面积和动弹性模量随裂隙倾角增大均呈递减趋势,且张开度增大,张拉裂纹萌生概率随之增加;绝对损伤参数随循环次数增加而增大,45°裂隙倾角涨幅最为显著。     

考虑节理面法向蠕变的节理岩体蠕变模型

采用Fish语言对FLAC3D软件中的Interface单元进行修正,将Interface单元的法向刚度和切向刚度转化为时间的蠕变函数,便可得到在数值分析中考虑节理面法向蠕变的节理岩体蠕变模型.计算结果表明:节理岩体的单轴蠕变量随着节理面间距的增大而减小;当节理面的倾角小于45°时,节理岩体单轴蠕变量随着节理面倾角的增大而增大,但当节理面倾角大于45°时,轴向蠕变量反而随着节理面倾角的增大而减小;若固定节理面的切向蠕变参数,增加其法向蠕变参数,则节理岩体的轴向蠕变量也会随之减小.     

单轴压缩下单裂隙砂岩试件破坏强度特征的数值分析研究

基于摩尔-库伦理论和统计损伤理论,通过数值计算,模拟了单轴压缩条件下单裂隙砂岩试件的破坏过程,得出了不同倾角(0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°)单裂隙砂岩试件破坏时的单轴抗压强度及影响规律。结果表明:当裂隙倾角α=45°时,岩体试样的强度峰值最低;当裂隙倾角α45°时,随着裂隙倾角的增大,岩体试样的强度峰值呈递减的趋势;当裂隙倾角α45°时,随着裂隙倾角的增大,岩体试样的强度峰值呈递增的趋势;其中,α在15°~75°范围内,岩体试样的强度峰值变化显著。研究对于裂隙岩体工程的稳定与安全具有重要的理论意义。     

页岩层理与含水率对声波传播影响的实验研究

岩石声学特性研究是开展测井岩石力学及储层性质评价的基础工作,而页岩的声波特性受层理及水化程度影响尤为突出。为此,对层理性页岩在不同含水率条件下进行了超声波透射实验,以研究声波的传播速度及能量衰减特征。研究认为,层理倾角越大,纵、横波速度及纵横波速度比越低,而纵、横波衰减系数越高。另外,纵波速度随含水率的增加先减小后增大,纵波衰减系数反之;横波速度在含水率较低时有所减少,含水率较高时基本不变,而横波衰减系数与含水率的关系并不显著。对比分析归一化结果可知,层理倾角对纵、横波速度的影响皆大于含水率的影响。     

层状岩体强度结构面特征的数值分析

运用FLAC3D软件建立层状岩体试件模型,分析单轴压缩情况下的破坏模式和强度各向异性特征.研究结果表明:随着结构面倾角β的增大,试件抗压强度σc呈现先减小后增大的趋势;当结构面倾角为20°～30°和80°～90°时,试件抗压强度对β的灵敏度最大;当β为30°～70°时,σc变化不大;当结构面内摩擦角φj＜β＜90°时,数值计算结果和理论计算结果差别较小;当β≤φj或β=90°时,两者差别较大,数值计算结果明显小于理论计算结果;数值模拟结果能够反映出β≤φj和β=90°对应的岩体抗压强度存在一定差别,与实际情况相符.