双裂隙复合岩层单轴压缩力学性质及损伤机理离散元模拟

针对存在内部裂隙的软硬互层复合岩层力学特性展开研究,采用PFC2D建立层状复合岩层离散元模型,通过对完整复合岩层试验细观参数进行校准并验证其宏观特性,研究分析平行双裂隙复合岩层的岩桥倾角与层理倾角对力学特性与破坏模式的影响,得出双裂隙复合岩层的5类最终破坏模式,揭示裂纹演化规律及位移场变化。研究结果表明：双裂隙复合岩层峰值强度随岩桥倾角增加呈现先减小后增加的趋势,而随层理倾角θ增大表现为“U”型变化规律;与完整试样相比,双裂隙复合岩层峰值强度降低4.4%～42.0%;双裂隙复合岩层破坏模式主要分为5种类型,分别为轴向张拉破坏(Ⅰ型)、穿层理剪切破坏(Ⅱ型)、穿层理拉伸破坏(Ⅲ型)、沿层理面滑移破坏(Ⅳ型)、沿岩层拉伸破坏(Ⅴ型);试样的破坏模式在θ=0°～45°时随岩桥倾角增加从Ⅰ型转变为Ⅱ型最后转变为Ⅲ型破坏模式,在θ=60°～75°和θ=90°时分别表现为Ⅳ型和Ⅴ型破坏模式;在θ=0°～45°时,翼裂纹垂直于主裂隙起裂,随岩桥倾角增大,翼裂纹沿岩桥倾角偏转并扩展成宏观破裂面,导致试样最终被破坏;在θ=60°～75°时,裂纹在层理面扩展形成宏观滑移面,导致试样破坏;在θ=90°时裂纹...     

软硬互层边坡降雨失稳过程力学响应研究

为研究缓倾顺层软硬互层岩质边坡在间歇性循环降雨条件下的破坏过程及内部力学响应规律,结合叠加雾化降雨系统,进行了大型室内降雨地质力学物理模拟试验.通过总结强降雨工况下模型边坡内部特殊位置处孔隙水压力的力学响应规律,并依据坡体实际破坏过程监测资料,探究坡体内部力学性质与坡体破坏之间的内在联系.结果表明:间歇性循环降雨是边坡岩体强度及裂隙变化的一个动态损伤过程的诱因,降雨不均匀入渗导致裂隙的不均匀切割效应,致使坡体浅表层不均匀开裂.随着降雨入渗,裂隙不断扩展延伸,岩层面抗剪强度逐渐下降,坡体内部逐渐形成固定的给、排水通道.缓倾顺层软硬互层边坡的破坏模式可概括为3个阶段:前缘切层裂隙贯通-滑移阶段;中-后部岩体拉裂,后部裂隙发育阶段;后缘滑面贯通-失稳阶段.此外,孔隙水压力数值突变时刻较坡体整体失稳时刻提前约6 min,建议可根据孔隙水压力监测数据对软硬互层边坡进行失稳预警.     

基于软件phase2的软硬互层反倾岩质边坡稳定性与破坏模式研究

反倾岩质边坡的岩性特征、坡角、岩层倾角等自身特性主导了边坡的变形破坏的模式和稳定性.针对这一问题,国内外学者在均质反倾岩质边坡方面已经取得了丰富的研究成果并达成共识,然而,对于软硬互层的反倾岩质边坡其研究工作开展较少.鉴于此,本文以phase2为工具,采用数值模拟手段对软硬互层的反倾岩质边坡的稳定性和破坏模式进行研究.计算结果表明:软硬互层反倾岩质边坡的安全系数随着坡角β的增加逐渐降低.当坡角小于60°时,岩层倾角和软岩/硬岩层厚比的增加均会导致稳定性变差.当坡角大于60°时,岩层倾角和软岩/硬岩层厚比对稳定性影响很小;当坡角或岩层倾角小于45°时,软硬互层反倾岩质边坡破坏的倾倒特征并不明显,当坡角或岩层倾角大于45°时,随着坡角或岩层倾角的增加,边坡破坏的起始区域由边坡坡脚前缘向边坡坡面上部转移,随着软岩/硬岩层厚比的增加边坡的破坏面逐渐由直线型向圆弧形发展.     

交叉裂隙砂岩样单轴力学特性与扩展破坏

天然岩体中存在大量交叉裂隙,严重影响岩体构筑物的变形、破坏和失稳规律。本文以类砂岩材料制作主、次不同裂隙倾角岩样为研究对象,通过采用单轴压缩和DIC摄像等试验方法,研究交叉裂隙产状对岩样的力学特性和破坏模式的影响,结果表明：(1)与单一裂隙相比,单裂隙岩样的峰值强度和弹性模量总体上大于含交叉裂隙,表明交叉次裂隙会进一步削弱岩样力学性质。(2)当α≤45°和α＝60°且β≤45°,次裂隙尖端裂纹萌生基本上早于主裂隙,次裂隙尖端裂纹未发生扩展贯通,主裂隙尖端裂纹发生贯通;在α＝60°且β≥60°和α＝90°时,主裂隙尖端裂纹萌生基本上早于次裂隙,次裂隙尖端裂纹扩展贯通,主裂隙尖端裂纹未发生贯通;裂纹主要沿上下方向扩展,水平向裂纹较少。(3)岩样以张拉破坏为主,α＝0°和90°时,岩样全部表现为张拉破坏,α＝30°、45°和60°时,岩样随β增大表现为从剪切破坏—拉剪复合破坏—张拉破坏的变化,主破坏裂纹受主、次裂隙水平向投影较长的一条控制。     

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。     

多组非贯通裂隙岩石的压缩特性数值研究

裂隙岩体力学性质研究是非常复杂的课题,非贯通裂隙岩石的力学行为与裂隙的几何产状密切相关,裂纹的扩展贯通直接影响岩石的破坏。采用改进刚体弹簧方法,以随机均布Voronoi图为基础,生成不同裂隙产状的岩石数值模型,模拟含多组非贯通裂隙岩石的细观起裂和扩展过程。从细观和宏观两个方面分析了预制裂隙的贯通模式及其对岩石宏观破坏模式的影响;并得到沿平面破坏、阶梯状破坏、沿次生块体转动破坏三种破坏模式。通过分析岩石渐进破坏过程揭示其破坏机理;且定量分析了裂隙岩石在强度上表现出的各向异性特征。将数值计算结果与已有的岩石试验结果对比分析,表明数值与试验结果吻合较好。     

含裂隙岩石单轴压缩数值试验研究

为探究受压岩石中裂隙数量及倾角对其力学特性的影响,以锦屏二级引水隧洞某洞段岩石的单轴受压实测资料为依据,通过模拟试验反演得到了与之对应的岩石材料模型参数,并以此为基础模拟分析了单轴受压作用下不同倾角单、双裂隙岩样的力学性能和裂纹萌生、扩展及其破坏模式.单裂隙岩样表现出以拉剪破坏为主的渐进破裂模式;由于双裂隙岩石中裂隙间相互作用的影响,其破坏模式较单裂隙岩石更为复杂,表现为拉裂破坏与压剪破坏的组合.与裂隙数量相比,倾角对岩石力学特性的影响更加显著,随倾角增大,单、双裂隙的起裂位置都逐渐由裂隙中央移至尖端,裂纹分别向上下两方向延伸;峰值强度和峰值应变变大,峰后应力"断崖式"下降幅度越大,对应的声发射事件数目也越多.相关研究可为受压裂隙岩体的研究提供参考,也为后续的相关试验与模拟研究工作做了初步探索.     

含层理构造黑云变粒岩单轴压缩试验及数值模拟

应用离散元的接触粘结模型,系统分析了节理单元的强度特性,研究了不同加载方向下节理岩体的强度、破坏模式,并与室内试验结果进行了对比验证.研究发现:对于倾角45°分布层状节理岩体,节理单元强度低于岩石基质强度的15%时,节理对整体力学性质产生显著影响,对比室内试验,节理强度为基质强度约2%~4%时可以有效地模拟节理岩体的力学行为;随着岩层倾角的增加,层状岩体单轴抗压强度逐渐减小到逐渐增大的变化过程,呈"U形"分布.研究结果可为颗粒流离散元方法研究节理岩体力学特性提供参考.     

单轴压缩条件下预制裂隙类岩石材料实验研究

为研究裂隙类岩石材料在单轴压缩条件下的力学性质及裂纹扩展规律,通过在试样中预埋铁片的方法,制备出含不同裂纹条数和裂纹倾角的裂隙类岩石材料;采用RYL-600剪切流变仪对试样进行以负荷控制方式进行单轴加载,并使用数码相机记录试样加载过程中裂纹的起裂、扩展和贯通过程.着重对60°×18条裂隙类岩石材料的实验结果进行详细分析,观察其轴向应力-轴向位移曲线,曲线呈现出3次明显的应力跌落阶段,结合试样在试验过程中的录像,将裂纹的扩展分为3个阶段.并且,通过FLAC3D数值模拟软件对60°×18条的试样进行数值模拟研究,获得了数值模拟实验加载过程中的轴向应力-轴向位移曲线和模型破坏切片图,分析其破坏方式和破坏模式,并与物理实验对比,两者吻合较好.     

围岩性质对采空区地基稳定性的影响

为了研究围岩性质对采空区建筑物地基稳定性的影响,通过数值模拟的方法分析单一岩层和复合岩层这两种模型.结果表明:在单一岩层中,随着上覆岩层硬度的增加,地表下沉及水平移动值会减小,大变形区(集中变形)范围都变小,破坏程度相应减小,但当上覆岩层为坚硬岩层时、其它条件相同时,上覆岩层硬度的增加,对采空区地基的稳定不利;在复合岩层中,上硬下软型的各地表移动和变形值都要比上软下硬型的小;但从塑性区状态图上看,在岩层内部上硬下软型的破坏程度更大,在软硬岩层界面更易产生顺层面离开的离层裂隙,因此上硬下软型的岩层组合对采空区地基的长期稳定不利.     

三轴压缩条件下单裂隙岩样裂隙扩展研究

为研究岩石中裂纹的起裂、扩展和破坏规律,采用PFC2D数值模拟软件结合室内试验对预制单裂隙岩样进行分析。结果表明：（1）当围压为7MPa时,以剪切-拉伸复合破坏模式为主;当围压为14MPa时,试样以“Y”型剪切破坏、单一斜剪破坏模式为主;当围压为21MPa时,试样以“X”型剪切破坏模式为主。（2）试样的破坏模式与围压的大小密切相关,当裂隙长度一定时,随着围压的增大,试样的破坏越明显;当围压一定时,随着裂隙长度的增加,裂纹扩展的规模越大。（3）随着裂隙长度的增加,岩样的峰值强度、弹性模量、起裂应力与损伤应力均呈下降趋势;随着围压的增大,各力学参数均增大,裂隙长度越大时更易诱发新生裂纹,试样强度特性降低。（4）剪切裂纹在整个模拟加载过程中占主导地位且数量始终占比较大;随着围压的增大,拉裂纹逐步占据主导地位,且当围压为21MPa,裂隙长度为39mm时,拉裂纹是剪裂纹的2.73倍;当围压一定时,随着裂隙长度的增加,拉裂纹占比也逐渐减少。     

断续节理对岩体力学性能的影响

采用颗粒流数值模拟程序,建立不同节理状态的岩石试样模型,对其进行双轴试验模拟,从岩桥长度、节理长度和倾角三个方面对断续节理影响下的岩体破裂形式和力学性质进行了数值模拟分析.岩桥的破裂方式为翼裂纹扩展下的拉剪复合破坏,模型破裂大致经历了翼裂纹的扩展、次生裂纹的延伸以及岩桥的贯通三个过程,而且表现出明显的蠕变特性以及延性破坏.岩桥长度的变化对峰值强度和弹性模量影响较小;相比岩桥长度,节理岩样的力学特性对节理长度更加敏感.对于不同的节理倾角,岩石试件表现出不同的初始破裂形式,0°倾角岩样的破裂方式为翼裂纹的扩展和次生裂纹的延伸,中间岩桥没有被贯通,15°倾角岩样的初裂强度和峰值强度最大.     

预制裂隙几何参数对类岩材料破坏模式及强度的影响

采用岩石力学伺服试验机,对混凝土材料预制裂纹试件进行单轴压缩试验,根据试验结果分析裂隙参数(裂隙倾角和岩桥倾角)对试件破坏模式和试件单轴抗压强度的影响规律。研究结果表明,当以岩桥倾角分组时,60°岩桥倾角试件组单轴抗压强度最小;当以裂隙倾角分组时,75°裂隙倾角试件组单轴抗压强度最大。裂隙参数变化对于试件的破坏模式及其单轴抗压强度影响显著,并且不同破坏模式中起主要影响作用的参数不同。对于预制裂隙贯通破坏的试件,其微裂纹的搭接贯通模式及试件的单轴抗压强度主要受岩桥倾角影响;对于单裂隙微裂纹贯通破坏和无微裂纹发育的整体脆性破坏的试件,其破坏模式及单轴抗压强度则主要受到裂隙倾角的影响。     

反倾软硬互层边坡倾倒变形影响因素及破坏机制研究

由于反倾软硬互层边坡集合了软岩和硬岩两种岩性特征,对其变形破坏过程和成因机制研究尚未十分明确.采用不连续体理论,利用离散元软件UDEC,通过室内外试验得到模拟所需参数,建立数值分析模型,研究影响软硬互层边坡倾倒变形的因素和成因机制.分析结果表明,边坡坡脚和岩层倾角在60°~70°范围内发生倾倒变形的可能性大,且边坡坡脚和岩层倾角之和大于120°为发生倾倒变形的一个重要条件;互层岩体层厚和岩体性质决定了倾倒变形的类型;软硬互层边坡的形成过程分为四个阶段:初始变形阶段;软岩弯曲、硬岩折断变形阶段;拉张剪切面贯通阶段;破坏阶段.     

充填与非充填双裂隙巴西圆盘试样力学特性试验研究

在验证类岩石材料可行性的基础上,制作了双裂隙巴西圆盘试样.基于巴西劈裂试验,研究了裂隙充填情况对不同岩桥倾角下双裂隙巴西圆盘试样力学特性的影响规律.结果表明,无论裂隙是否充填,试样的峰值强度和峰值应变随着岩桥倾角的增加都呈现先降低后稳定的变化趋势,但充填双裂隙圆盘试样力学参数整体高于非充填试样.结合声发射和数字散斑应变测量系统分析了试样的裂纹扩展特征,将试样破坏模式分为非贯通破坏、次生裂纹贯通破坏和翼裂纹贯通破坏3类,认为试样表面拉应变集中带的形成方式与最终破坏模式直接相关.最后总结了充填物对双裂隙圆盘试样力学特性的影响规律:当裂隙非重叠时,充填物能够显著影响试样的裂纹扩展行为,强化双裂隙圆盘试样的力学特性;裂隙重叠时,充填物主要提升双裂隙圆盘试样峰后承载能力,而对其破裂模式的影响有限;临界重叠状态时,充填物对试样的力学特性几乎没有影响.     

梯形破断顶板综放面高抽巷层位确定试验

为得到某矿综放工作面在梯形剪切破断顶板情况下的高抽巷的合理布置层位.采用相似材料模拟试验方法对综放工作面回采过程中顶板破断规律进行模拟,得到了随着工作面推进岩层破断的力学结构及覆岩的下沉量.研究结果表明:综放工作面推进过程中竖向贯通裂隙主要由顶板岩层拉剪破坏产生,拉破坏受到岩层碎胀特性的制约,剪破坏形成纵向贯通范围较大的裂隙,剪切裂隙是沟通煤层与高抽巷的主要通道,最大破坏高度受到岩层碎胀性制约,且呈周期性分布特征.高抽巷应布置在剪切裂隙纵向贯通最高位置处,且在开切眼附近高抽巷应向下施工.     

断续三裂隙砂岩单轴压缩裂纹扩展特征颗粒流分析

节理裂隙对岩石的强度破坏及裂纹扩展特征具有显著影响.为了进一步认识预制裂隙对断续裂隙岩石力学行为的影响,本文在一组经过室内试验标定的细观参数的基础上,进行了断续三裂隙砂岩试样单轴压缩颗粒流模拟.基于模拟结果,分析了岩桥倾角对裂隙砂岩试样应力-应变曲线、强度变形参数以及裂纹扩展特征的影响.研究结果表明:(1)峰值强度、弹性模量、峰值应变、裂纹起裂应力和贯通应力均随着岩桥倾角的增大呈先减小后增大再减小变化趋势,而裂纹损伤阈值与岩桥倾角之间无明显相关性;(2)岩桥倾角主要影响中间裂隙2的起裂模式,当岩桥倾角较小时裂隙2尖端不易萌生裂纹;(3)裂纹贯通模式和程度均与岩桥倾角密切相关.当岩桥倾角为0°、30°和60°时只有2处贯通,岩桥倾角为90°和120°时发生4处贯通,而岩桥倾角为150°时有5处贯通.裂纹贯通形式主要分为7类,而且断续三裂隙砂岩贯通模式是其中一类或多类贯通形式的组合.最后,从细观应力场和位移场角度讨论了岩桥倾角较小时中间裂隙2尖端裂纹较难起裂的原因.     

南宁盆地软硬水平互层泥岩强度特性分析

为研究软硬水平互层泥岩的基本物理力学性质、强度特性,选取南宁盆地某典型泥岩层,通过建立水平互层泥岩模型,进行了物理力学试验、单轴抗压强度试验、三轴剪切试验、天然状态下岩石抗剪断强度试验以及现场标准贯入试验研究,着重考察了互层泥岩强度变化规律与物理力学特性的影响因素,结果表明:①互层泥岩强度低,强度变异大,天然状态下的单轴抗压强度为1.0～7.0 MPa,饱和单轴抗压强度为0.4～1.3 MPa。岩石在长期浸泡下,强度将折减约75%。②岩相变化大,裂隙发育,具有吸水膨胀失水收缩,并极易软化,水稳定性极差。③抗扰动性能差,无法准确划分风化带,具有较高的超固结特性。     

单轴压缩作用下含不同倾角裂隙的类岩石试样力学特性

对含有不同倾角的预制裂隙类岩石试样进行单轴静载态压缩试验,研究裂隙倾角对于试样强度、破坏模式、破坏过程及裂纹起裂和扩展规律的影响。研究发现,含有预制裂隙的类岩石试样与完整试样的应力-应变曲线相似,可分为压密段、线弹性段、裂纹稳定扩展段、应变软化段和残余强度段。含裂隙岩石的峰值抗压强度随裂隙倾角的逐渐增大呈V字形变化,裂隙倾角45°时,岩石的峰值抗压强度最低,裂隙倾角0°和90°时,岩石的峰值抗压强度最高。裂纹的起裂角随裂隙倾角的增加而逐渐减小,裂纹的起裂速度和稳定扩展速度随裂隙倾角的增大逐渐增大。裂纹随载荷的逐渐增加,从预制裂隙尖端开始起裂,在初始加载阶段,由于岩石还具有一定的强度,裂隙扩展不明显,达到一定的载荷时,裂隙迅速而稳定扩展,直至完全破坏。     

静载下预制裂隙类岩石材料断裂实验与分析

在伺服控制单轴加载系统下对预制两条贯通裂隙类岩石材料进行加载试验,探索预制裂隙倾角和岩桥倾角对岩桥贯通模式的影响规律.对比实验与数值分析结果发现:随预制裂隙倾角及岩桥倾角的变化,裂隙体呈现出预制裂隙贯通破坏与单裂隙翼裂纹扩展贯通破坏;裂隙体预制裂隙发生贯通破坏时,岩桥倾角对裂隙体微裂纹贯通破坏模式的影响与裂隙倾角有关;裂隙倾角较大时(≥75°),岩桥倾角的影响不明显;裂隙倾角较小时(≤75°),岩桥倾角的影响越来越大,预制裂隙倾角45°附近影响最为显著;预制裂隙倾角较小(25°),岩桥倾角不大时(≤45°),裂隙体呈现出单裂隙翼裂纹扩展贯通破坏现象.裂隙体破坏时,预制裂隙尖端主要发育翼形裂纹和次生共面裂纹.