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。     

应力剪胀对浅埋隧道稳定性系数的影响

考虑剪胀对隧道围岩稳定性的影响,对浅埋圆形盾构隧道、浅埋两车道公路隧道和浅埋双线铁路隧道在围岩发生塑性流动时进行力学特征分析.分析圆形盾构隧道围岩的位移,塑性区分布和最大剪切应变率;计算圆形断面、双线铁路隧道、双车道公路隧道等3 种不同断面形状隧道的稳定性系数,分析剪胀角对围岩稳定性系数的影响.研究结果表明剪胀角对围岩位移的影响存在一个临界值;在围岩发生塑性流动时,塑性区随着剪胀角的增大而逐渐增加;剪胀角对围岩剪切破坏带和围岩稳定性系数都有较大影响;随着剪胀角的变化,隧道临界稳定系数也发生变化.     

考虑应变软化特征的层状岩体三轴压缩数值试验分析

考虑岩体应变软化特征,利用快速拉格朗日差分法建立三维数值计算模型,分析岩样在三轴应力作用下应力变形关系和抗剪强度参数的变化情况.研究结果表明:围压对岩体变形性能的影响较显著,其与岩样到达峰值时的变形量呈线性关系;压缩峰值强度与残余强度的比值随围压的增加逐渐减小,岩体破坏类型逐渐由脆性破坏过渡到延性破坏;岩样软、硬夹层之间存在交互作用,在结构面倾角变化过程中,部分岩样的抗剪强度被弱化,部分增强;数值模拟结果与试验分析结果较符合,能够直观和全面地反映层状岩体的破坏和变形特征.     

基于离散元弹性边界模拟的砂土剪切行为分析

采用二维离散元方法开展数值双轴试验研究砂土剪切力学行为。将室内试验中橡皮膜对砂土试样的柔性包裹效应抽象为作用在试样边界颗粒上的指定法向压力,对传统离散元数值双轴试验进行了改进。改进后的离散元双轴试验能有效模拟室内试验中砂土试样剪切破坏后的侧向不均匀变形现象,并以此开展参数研究,探明了围压、颗粒摩擦因数等参数对砂土剪切行为的影响规律,最后从细观角度得到了剪切带形成过程与相关机理。研究结果表明:砂土应变软化与剪缩现象均随围压的增加而增强,剪胀效应则随围压增加而减弱;砂土变形模量随围压增大而增大,但增幅不明显;砂土残余强度基本不受围压影响,但峰值强度受围压影响明显,砂土峰值强度和对应的轴应变均随颗粒摩擦因数增大而增大,围压和颗粒摩擦因数对试样峰值强度的贡献是有限的;剪切带两侧的砂土颗粒均沿相反方向平移,接触力链主要沿加载方向分布,表现出卸载特性;剪切带内部的砂土颗粒出现相互错动,同时绕自身形心转动角位移较大,接触力链相应发生水平向偏转,出现明显的应变局部化现象,应变局部化首先发生在试样中心,此后迅速贯穿整个试样,同时砂土试样到达峰值强度。剪切带内部砂土颗粒结构疏松,颗粒间接触减弱,颗粒配位数减小,土体孔隙率增大。     

非饱和Q2原状黄土工程特性试验

为了研究非饱和Q2原状黄土的破坏形式、变形、强度和屈服特性,采用SJ-1A型三轴剪力仪改造的非饱和土三轴剪切试验测试系统进行了5组非饱和Q2原状黄土的三轴固结排水剪切试验。试验结果表明:非饱和Q2原状黄土在三轴条件下,呈剪切破坏,破裂角一般在55°～61°;非饱和Q2原状黄土在低围压下呈剪胀性,在高围压下呈剪缩性;随着围压增大,应力应变曲线由软化向硬化发展。此外,通过εv-q/p关系曲线可以较好的确定非饱和Q2原状黄土在各围压下的屈服应力(py,qy),且研究发现随着围压的增加,屈服偏应力qy与屈服球应力py呈对数关系。     

围压对锦屏深埋大理岩力学特性影响研究

岩石力学特性是正确评价工程岩体稳定性的基础.通过三轴压缩试验,研究了围压对锦屏深埋大理岩弹性模量、泊松比、临界破裂条件和剪胀角的影响规律,提出了弹塑脆性力学模型.结果表明:(1)大理岩弹性模量和泊松比均随围压呈指数增大规律,而剪胀角随围压增大呈指数减小规律;(2)岩石强度达到弹性极限后表现出近似理想塑性承载特性,当其塑性剪应变达到临界条件时产生脆性破坏,且临界塑性剪应变亦随围岩呈指数增大;(3)基于Mohr-Coulomb(M-C)强度准则的峰值强度和残余强度随围压增大而增大,当围压为73.95MPa时两者理论上相等,符合锦屏深埋大理岩脆-延转换特性.基于大理岩弹性和强度参数演变规律的全应力-应变曲线与三轴试验结果具有良好的一致性,可为类似工程岩体稳定性分析和支护结构优化设计提供依据.     

花岗岩高应力强卸荷作用下力学特性试验研究

在对花岗岩岩样进行常规三轴加载试验的基础上,进行了峰前高应力条件下卸围压并维持q=σ1-σ3不变的花岗岩卸荷破坏试验,研究卸荷条件下花岗岩的变形、破裂特征,强度准则.结果表明:1)常规三轴破坏以轴向变形为主,卸荷破坏以径向变形为主,卸荷破坏特征以向卸荷方向发生径向变形和体积扩容为主,卸荷状态下脆性特征较加载状态下明显.2)在加载试验中,岩石基本上表现为剪切破坏,张性破裂成分很少.卸荷破裂时各种级别的张裂隙发育,剪性破裂面以共轭X或局部剪切破坏为主.3)在初始围压相同情况下,卸荷点越大,岩样从卸围压至破坏的时间越短,说明高卸荷点更容易导致岩石破坏.4)Mogi-Coulomb强度准则适合描述花岗岩高应力强卸荷作用破坏下的岩石强度特征.     

红黏土与混凝土接触面剪切特性试验研究

采用大型直剪仪进行红黏土与混凝土接触面的单向直剪试验,研究不同法向应力与混凝土表面、不同粗糙度条件下接触面的力学特性,对红黏土与混凝土接触面的应力、应变及破坏形式进行分析。研究结果表明:随着接触面粗糙度的增大,接触面的抗剪强度以及残余强度增大,黏聚力增大,内摩擦角减小;在剪切初始,法向位移随着切向位移的增大而减小,表现为剪缩,之后随着切向位移的继续增大,法向位移增大,表现为剪胀,剪胀速率基本相同;在剪缩阶段,剪缩速率随着法向应力或粗糙度的增大而增大;在剪胀阶段,剪胀速率也随着粗糙度的增大而增大,随着法向应力的增大,剪胀速率基本不变。     

不同围压下大理岩剪胀试验研究

采用美国MTS815型电流伺服岩石力学试验系统,对大理岩岩石的18块试件进行试验,测定了其在6种不同围压下全应力应变过程中剪胀力及体积应变变化情况,在试验资料分析的基础上,获得了岩石强度、剪胀力及体积应变随围压的变化规律,这些规律对于充分利用破裂岩石本身的自稳性能,对于深入研究围岩破裂带的剪胀变形机制及支护的作用机理,从而揭示高应力大松动圈巷道围岩大变形的力学机理,以及支护与围岩的相互作用关系都具有重要意义。     

温度作用后大理岩加-卸荷破裂特性试验研究

文章开展了常温和200℃作用后锦屏大理岩的单轴、常规三轴及三轴卸围压试验,分析了温度作用对大理岩破裂特征及强度的影响规律。研究表明:温度作用对大理岩破坏形式有较大影响,在相同的应力路径下,温度作用后的试件更容易出现张拉破坏特征。单轴试验中,试件均发生剪切和张拉组合破坏,未受温度作用的试件以剪切破坏为主,而温度作用后的试件以张拉破坏为主;在常规三轴试验中,未受温度作用的试件主要是剪切破坏,而温度作用后的试件有单剪、剪切和张拉组合破坏形式;三轴卸围压试验中,未受温度作用的试件有单剪、共轭剪切、剪切和张拉组合破坏等形式,而温度作用后的试件包括单剪、剪切和张拉组合、共轭剪切和张拉组合破坏等形式;常规三轴试验中,温度作用后试件的内摩擦角基本没有变化,而内聚力略有增加;卸围压试验中,温度作用后试件的内摩擦角有所增加,而内聚力则降低;采用Mogi-Coulomb强度准则对温度作用后的大理岩加、卸荷强度的回归效果优于Mohr-Coulomb强度准则。     

含孔洞大理岩破坏特性的颗粒流分析

基于室内单轴压缩试验结果,利用颗粒流程序PFC2D,模拟含预制孔洞大理岩在单轴和双轴压缩条件下的破坏过程,分析预制孔洞形状、围压大小以及岩石非均质性对大理岩力学特性和裂纹扩展的影响.数值结果表明:与完整大理岩试样相比,含孔洞试样的峰值强度显著降低,降低程度与孔洞形状有关;围压对含孔洞大理岩试样的力学特性和裂纹扩展有显著影响,含孔洞试样的峰值强度随围压的增加而增加,但偏应力峰值随围压的增加呈先增大后减小的变化趋势;试样的破坏模式与孔洞形状相关,含圆形孔洞试样为类X型剪切破坏,含矩形孔洞或马蹄形孔洞试样为对角剪切破坏;岩石内部的矿物结核影响了裂纹的扩展路径,从而改变试样的宏观破坏模式.微观机理分析表明:孔洞周边裂纹的萌生与扩展过程伴随着应力集中区的释放与转移;含孔洞试样的宏观裂纹有3种模式:孔壁剥落、拉伸裂纹和压剪裂纹.     

基于多晶离散元法的砂岩三轴压缩损伤特性

利用开源软件Neper生成Voronoi晶粒镶嵌体导入3DEC,建立考虑砂岩矿物成分的三维Voronoi多晶离散元模型.基于砂岩的实验室常规三轴压缩试验结果,进行了砂岩细观模型参数标定,开展了三轴压缩条件下非均质砂岩的细观损伤演化过程模拟.研究结果表明,低围压下岩石中产生的微裂纹主要为拉裂纹,伴随少量剪裂纹,而高围压下剪裂纹的生成数量明显增多,甚至峰值强度前剪裂纹的数量大于拉裂纹.试样内微裂纹的演化反映了砂岩在围压作用下的脆延性转化特性;砂岩出现明显的扩容现象,围压越大,扩容滞后越明显,且相应的扩容点应力占强度百分比增大.     

Particle simulation of the failure process of brittle rock under triaxial compression

In order to investigate the failure process of brittle rock under triaxial compression through both experimental and numerical approaches, the particle simulation method was used in numerical simulations and the simulated results were compared with those of the experiment. The numerical simulation results, such as fracture propagation, microcrack distribution, stress-strain response, and damage patterns, were discussed in detail. The simulated results under various confining pressures (0–60 MPa) are in good agreement with the experimental results. The simulated results reveal that rock failure is caused by axial splitting under uniaxial compression. As the confining pressure increases, rock failure occurs in a few localized shear planes and the rock mechanical behavior is changed from brittle to ductile. Consequently, the peak failure strength, microcrack numbers, and the shear plane angle increase, but the ratio of tensile to shear microcracks decreases. The damage formation during the compression simulations indicates that the particle simulation method can produce similar behaviors as those observed through laboratory compression tests.     

圆形洞室模型在双轴加载下的力学特征分析

为探究圆形洞室围岩在不同围压下加载过程中的力学特征变化,对制作的含圆形洞室的类岩石材料进行双轴加压试验,运用数字图像技术记录全场应变演化过程,并根据室内试验建立颗粒流模型,探究了围压对洞室围岩的抗压强度以及裂纹的发育的影响。结果表明：尺寸效应对模型的力学特征影响较大,圆形洞室模型峰值抗压强度随着洞室尺寸的增加而减小;当围压增大时,压剪作用增强,洞室模型的破坏模式由以张拉应变为主向拉剪复合破坏为主转变;圆形洞室应变集中区域会随着围压的增大由洞口上下侧向两帮转移;当围压逐渐增大,张拉作用被抑制,洞口两侧破坏程度逐渐增加,收缩变形程度逐渐增大;最后通过数值模拟验证了圆形洞室围岩在不同围压下加载过程中的力学变化特征。     

单裂隙类岩石强度特性及蠕变模型的实验研究

采用相似材料制作出单裂隙类岩石试件,对单裂隙类岩石试件进行单轴、三轴实验研究。结果表明:(1)单裂隙类岩石试件在单轴压缩下,峰值强度随角度的增加而显著增强;(2)单裂隙类岩石试件在三轴作用下,由于围压作用,试件的峰值强度与单轴压缩的峰值强度呈现不同趋势。当在低围压状态下,峰值强度趋势和单轴压缩下相同;而在高围压状态下,45°裂隙试件的峰值强度最低。通过对比高低围压的应力应变曲线发现围压对45°裂隙的影响最大;(3)通过单裂隙试件的单轴、三轴和围压卸载实验,发现稳态蠕变率都具有相同的趋势:稳态蠕变率随角度的增加先增加后减小,完整试件的稳态蠕变率最低;(4)采用实验法对单裂隙试件的蠕变曲线进行拟合,提出一种适合单裂隙类岩石材料蠕变特性蠕变方程。     

云雾山隧道围岩力学性质研究

对宜万铁路云雾山隧道灰岩进行室内三轴压缩试验研究,分析与比较了自然状态和饱和状态试样在不同围压下应力-应变关系曲线,结果表明,含水状态和围压对岩石的峰值强度、轴向应变及弹性模量均具有一定影响.在主应力空间内,利用线性莫尔-库伦强度准则拟合试验数据得到岩石的强度参数C,φ值,为该隧道工程的计算分析提供参考.对岩样的破坏特征进行分析后得出:在较低围压下,试样基本上为宏观单一断面的剪切破坏,随着围压的增大,试样有向两个相交的剪切面发展的趋势.     

冻融循环作用下黄土抗剪强度劣化试验研究

黄土地区冻融现象时常发生,这一气候现象对土体强度劣化显著,影响工程安全建设和正常使用。针对黄陵地区Q2黄土开展不同条件下的三轴剪切试验,探讨含水率、初始围压等因素对黄土抗剪强度的影响规律。结果表明:黄土土样处于相同的含水率和围压的条件下,冻融循环次数对土体内部应力值有较大的影响;土体的黏聚力随着冻融循环次数的增加不断减小,且变化幅度逐渐变小,而土体内摩擦角变化不大。获得冻融次数、含水量和黏聚力三者之间的曲线关系,得到三者之间的拟合公式。试样破坏特征显示:试验后土样的破坏形式主要为剪胀、劈裂和剪切三种类型,随冻融循环次数的增加,破坏形式从剪胀破坏过渡到劈裂破坏。     

非线性卸荷速率下的硬岩破坏特性与裂纹演化规律

为研究硬岩卸荷阶段速率非线性变化时的破坏特性,利用室内三轴压缩试验和颗粒流数值模拟开展余弦型、直线型和指数型三种卸荷速率变化方式的硬岩破坏研究.结果表明: 指数型卸荷的硬岩首先失稳破坏,余弦型卸荷的硬岩则不易发生破坏,前期较快的卸荷速率对整个卸荷过程的损伤积累影响更大; 硬岩卸载过程中的承载强度受初始围压和卸荷方式的共同影响,且围压愈高则卸荷方式影响愈显著; 根据Mogi-Coulomb准则,指数型卸荷通过内摩擦角影响硬岩强度,而直线型和余弦型卸荷的硬岩强度主要受黏聚力影响;指数型卸荷因前期快速卸荷易在端部产生部分破碎,直线型卸荷随围压升高由陡倾角剪切破裂带过渡多个“V”型剪切破坏,余弦型卸荷随围压增大呈塑性破坏特征趋势.