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.     

含弧形裂隙花岗岩裂纹扩展特征PFC模拟

为了研究非直裂隙对岩石强度及破裂特征的影响,对含弧形裂隙岩样进行单轴压缩模拟,探讨弧形裂隙几何参数对试样宏细观力学行为的影响规律。首先,利用颗粒流程序(PFC)构建花岗岩试样数值模型,通过与完整和含单直裂隙试样室内试验结果进行比较,标定1组能够反映花岗岩力学特性的细观参数。在此基础上,对含不同裂隙倾角α和裂隙长短轴比γ的弧形裂隙试样进行单轴压缩模拟。研究结果表明：1)含弧形裂隙试样的峰值强度和弹性模量随着α增大而增大。当α=0°和45°时,试样的峰值强度和弹性模量随着γ的增大而增大;当α=90°时,试样的峰值强度和弹性模量随着γ的增大而减小。2)含弧形裂隙试样主要发生拉伸破坏,初始裂纹在裂隙尖端萌生,随着α增加,试样的破坏程度逐渐增大;γ主要影响裂纹类型、数量和萌生位置。3)首先在弧形裂隙尖端出现应力集中,初始裂纹产生后在裂纹尖端附近出现应力集中,微裂纹逐渐聚集、连通形成宏观裂纹,宏观裂纹的不断扩展导致试样破坏。     

基于颗粒流的大理岩三轴循环加卸载细观损伤特性分析

利用颗粒流程序(PFC)并基于大理岩常规三轴压缩室内试验结果得到一组能够真实反映大理岩宏观力学特性的细观参数,在此基础上进行大理岩三轴循环加卸载试验模拟,研究岩样在循环加卸载作用下的细观损伤特性。研究结果表明:试样内部接触力和平行黏结力在损伤部位产生应力集中,当接触力增大到平行黏结力承载极限时,颗粒间黏结断裂,产生微裂纹;微裂纹数目随应变发展呈阶梯状增加,且在加载初期有良好的"记忆"行为,然后逐渐削弱;微裂纹在加载初期随机分布,然后有序聚集并扩展贯通,加载至峰值附近时形成剪切带;在应变软化阶段反复加载使剪切带扩展贯通形成宏观破裂面,残余强度阶段的裂隙主要由宏观破裂面间的摩擦、滑移产生。     

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.     

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.     

直剪条件下单裂隙岩体力学行为数值模拟试验

为探究单裂隙岩体剪切过程中的力学行为,利用颗粒流程序研究裂隙倾角和法向应力对单裂隙岩体力学行为的影响,分别从岩体力学性能、破坏模式及细观力学特征3方面对非贯通单裂隙岩体试样直剪试验中的力学行为进行数值模拟。研究结果表明:(1)法向应力越大,剪应力峰值及对应剪切位移越大,裂隙倾角为60°时,剪切应力峰值最低,与完整试样相比,裂隙试样黏聚力下降最为明显;(2)剪应力曲线由低法向应力(小于5 MPa)时的"光滑"状转变为高法向应力(大于15MPa)时的"台阶"状,主要是高法向应力时岩体内微裂纹产生的速度快慢相间,致使裂纹扩展具有明显的阶段性;(3)法向应力越大,试样内微裂纹数目越多,剪切裂纹数目逐步增加,但仍以张性裂纹为主,大部分微裂纹在剪应力峰后段形成,单裂隙岩体的破坏主要是由张性裂纹汇聚贯通而形成的宏观拉破坏;(4)单裂隙岩体的剪切破坏是颗粒间最大接触力位置的转移与微裂纹交汇贯通的结果,"压致拉"作用力在剪切过程中作用明显。     

基于PFC~(3D)单轴压缩下含2条裂隙试样力学行为的数值分析

基于离散元数值分析软件PFC3D中的颗粒接触黏结模型,以校核试验数据的方式获得数值模型的细观参数,进一步建立含有2条裂隙的数值计算模型,分别设定岩桥倾角为15°,30°,45°,60°,75°和90°。研究岩桥倾角对裂隙试样的峰值强度、起裂应力、峰值强度时刻轴向应变、弹性模量和破坏模式的影响。研究结果表明:岩桥倾角对含2条裂隙试样弹性模量的变化影响极小,但对峰值强度和起裂应力具有较大影响;随岩桥倾角的变化,裂隙试样单轴抗压强度与起裂应力有相似的变化关系,岩桥倾角影响裂隙试样在峰值应力时的应变。另外,岩桥倾角影响单轴荷载下裂纹的扩展方式,60°岩桥最容易贯通,15°和90°岩桥最难贯通。     

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。     

双轴加卸载条件下含D型孔洞方块砂岩破坏特性

为了揭示深部岩体在复杂应力条件下的强度与破裂特性,构建含不同倾角的D型孔洞砂岩数值试样,并通过单轴压缩试验验证其可靠性;开展双轴加卸载条件下含D型孔洞砂岩破裂过程数值模拟研究,综合考察其力学参数特征以及裂纹扩展特性。研究结果表明：在单轴压缩下,试样峰值强度和弹性模量随孔洞倾角的增大先降低后升高然后再降低,试样最终出现由孔洞左右两侧2条裂纹不断延伸形成的斜向剪切破坏;对于同一倾角孔洞砂岩试样,试样的双轴压缩强度、双轴加卸载强度、单轴压缩强度依次递减;随孔洞倾角增大,试样双轴加卸载破坏时的侧向应力总体呈现下降趋势;D型孔洞倾角对试样的峰值强度影响较小,但对试样裂纹的起裂应力影响较明显;在双轴加卸载条件下,含D型孔洞砂岩的破坏形式较复杂多样,总体呈现出单向剪切、X形剪切和Y形剪切共3种剪切破坏模式。     

含预制裂隙花岗岩破坏的细观多相颗粒流模拟

基于断裂力学理论,分析了单轴压缩条件下,裂隙倾角对岩石裂纹起裂的影响.根据花岗岩矿物组分,建立了包含长石、石英和云母三相结构的细观颗粒流模型,模拟不同裂隙倾角下花岗岩的单轴压缩破坏过程,得到了花岗岩裂纹起裂、强度、应力应变、破坏形态等力学特征.研究结果表明:岩石试样优势起裂角为24°～30°,定向裂隙对裂纹起裂具有导向、促进作用;裂隙花岗岩的起裂应力和峰值强度随裂隙倾角的增大均表现为先减小后增大的变化趋势,当裂隙倾角为45°～60°时,岩石试件强度最低;裂隙花岗岩试样的压缩变形主要为裂隙面的变形,预制裂隙与新生裂隙的连接与贯通形成的宏观破裂面导致岩石破坏;花岗岩矿物组分比例对裂隙花岗岩强度有一定影响.     

含孔洞-双裂隙红砂岩宏细观损伤特征数值试验研究

为研究含孔洞-裂隙缺陷岩石损伤的宏细观特征,利用颗粒流程序PFC^2D,对不同裂隙倾角、裂隙开度的红砂岩试样进行了单轴压缩数值试验,分析了不同类型缺陷试样的峰值强度、弹性模量、声发射特征、裂纹扩展特征随裂隙倾角及裂隙开度的变化情况。试验结果表明：砂岩的峰值强度和弹性模量与裂隙倾角间具有正相关关系,而裂隙开度的增加对试样峰值强度和弹性模量影响较小;随着裂隙倾角的增大,声发射累计振铃计数呈现前期缓慢减少、后期迅速增大的变化趋势;随着裂隙开度的增大,声发射累计振铃计数呈现先减小后增加再减小的变化趋势;随着裂隙倾角的增加剪切裂纹数量逐渐增加至与拉伸裂纹相近,破裂模式也由拉伸破坏变为拉剪混合破坏;不同开度砂岩破裂模式均为拉伸破坏;当裂隙倾角水平或垂直时,仅有一条裂隙参与主裂纹的形成;当裂隙倾角非水平或非垂直时,两裂隙之间产生崩落区,且均参与主裂纹的形成;随着裂隙开度的增大砂岩试样的破碎程度逐渐增大,除裂隙开度为1 mm时因开度太小导致裂隙闭合未形成崩落区外,其余试样均产生崩落区,且崩落区范围逐渐增大,4种开度砂岩裂隙均参与主裂纹的形成。     

循环加卸载条件下脆性岩体裂纹演化规律

采用离散元颗粒流软件对预制双裂隙大理岩的裂纹扩展及力学响应进行分析,在获得一组较完善的岩石细观参数的基础上,模拟含不同预制倾角的双裂隙岩石试样在三轴循环加卸载作用下裂纹的扩展与破坏特征。研究结果表明:裂纹扩展情况不仅受到预制裂隙倾角的影响,而且也随着围压的变化而变化;在三轴循环荷载下,预制的水平裂隙对倾斜裂隙有一定的保护作用,随着倾角α增大,水平预制裂纹对倾斜预制裂纹的保护作用越明显;预制双裂隙大理岩在循环加卸载作用下,裂纹数量随围压增大而增大,且在整个循环加卸载过程中,微裂纹数量曲线呈现相同的增长规律;倾斜裂隙的角度α对试件的峰值强度也有一定影响,当α增大至60°时,在不同围压下的峰值强度均显著提升,α60°时峰值强度增加幅度又变小。     

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.     

断续双裂隙砂岩的强度与起裂、贯通模式

对含预制裂隙砂岩试样进行单轴循环加卸载试验,研究循环荷载作用下含预制裂隙砂岩的力学特性与岩桥贯通机理。试验结果表明:单轴循环加卸载作用下,砂岩试样峰值强度与弹性模量呈现出显著的强化现象;与完整砂岩试样对比,含预制裂隙红砂岩试件力学性能表现出明显的降低趋势,且与裂隙几何参数密切相关;试样峰值强度随着岩桥倾角增大呈现出先降低后增加的"V"形波动趋势,而随着裂隙倾角增大,试样峰值强度则表现出了与岩桥倾角相反的增减变化趋势;利用摄像机全程记录了试样裂纹的扩展,揭示了岩桥贯通机理与裂隙几何参数之间的关系。     

断续双裂隙砂岩强度与起裂、贯通模式的研究

本文对含预制裂隙砂岩试样进行单轴循环加卸载试验,研究循环荷载作用下含预制裂隙砂岩的力学特性与岩桥贯通机理。试验结果表明：单轴循环加卸载作用下,砂岩试样峰值强度与弹性模量呈现出显著的强化现象;与完整砂岩试样对比,含预制裂隙红砂岩试件力学性能表现出明显的降低趋势,且与裂隙几何参数密切相关;试样峰值强度随着岩桥倾角增大呈现出先降低后增加的“V”字形波动趋势,而随着裂隙倾角增大,试样峰值强度则表现出了与岩桥倾角相反的增减变化趋势;利用摄像机全程记录了试样裂纹的扩展,揭示了岩桥贯通机理与裂隙几何参数之间的关系。     

脆性砂岩预制裂隙扩展破坏过程试验研究

采用CSS-3940YJ岩石力学试验机,开展单轴压缩条件下岩石预制裂隙扩展破坏过程试验.基于全程变形曲线的试验结果,分析了裂隙倾角对岩石变形、强度、裂隙扩展破坏方式的影响规律.研究结果表明,与完整岩样相比,预制裂隙砂岩变形呈现出局部化渐近破坏特征,其峰值强度、峰值轴向应变均明显降低,且降低幅度随着预制裂隙倾角的增大而减小;岩样宏观破坏模式主要呈现出拉破坏、剪破坏和混合破坏3种,且随着倾角的增加逐渐由剪向拉破坏过渡.值得指出的是:由于在加载过程中预制裂隙两端处于应力集中状态,导致在预制裂隙两端会首先萌生出垂直于裂隙的翼型裂纹,并沿着加载力方向向岩样两端发展,随后在预制裂隙两端会产生反翼型裂纹和次生共面剪切裂纹,裂隙倾角越小产生的次生裂纹数目越多,岩样的贯通破坏模式就会越复杂.     

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...     

基于平行黏结模型的类岩石材料宏细观参数影响

为了研究材料宏观力学特性与细观参数的关系并进行细观参数标定,将平行黏结模型作为颗粒的接触模型,对颗粒流程序中的细观参数进行正交试验设计,结合室内试验确定类岩石材料的细观参数。结果表明:类岩石材料宏观弹性模量主要由颗粒模量、平行黏结模量以及半径乘子影响;法向黏结强度与切向黏结强度共同影响抗压强度,且不同黏结强度比对裂纹的分布有影响;泊松比主要由颗粒刚度控制,且颗粒刚度越大,剪切裂纹占比越大。物理试验与数值模拟的峰值应力接近,应力-应变曲线基本吻合,裂纹扩展形态一致,表明细观参数结果可靠,为其他岩石材料颗粒流模拟提供借鉴。     

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.     

张开与充填四裂隙脆性砂岩强度和贯通模式研究

利用MTS816岩石伺服系统对张开和充填四裂隙脆性砂岩进行单轴压缩试验,研究了应力应变曲线、峰值强度、破裂过程及最终破裂模式随倾角β_1及充填状态的变化规律.应力应变曲线会随倾角β_1的改变发生较大的变化,与完整试样相比存在较多的应力波动,而充填石膏一定程度上减少应力跌落.峰值强度随倾角β_1的增大呈现先增大后减小的趋势,充填石膏会在一定程度上增加试样的峰值强度,但不会改变其随岩桥倾角的变化趋势.破裂过程中由于充填石膏限制了弹性应变能的释放,导致充填试样破坏前的裂纹萌生扩展较少,峰后破裂较突然.将中间裂隙的贯通模式分为2类,中间与外端裂隙的贯通模式分为5类,说明中间裂隙的贯通模式一定程度上受到外端裂隙的分布状态的影响,试样的贯通模式受到裂隙的空间分布影响较大而充填石膏对其影响较小.