颗粒尺寸对岩石抗拉强度和断裂韧度影响的数值模拟

选取三种粒径(平均尺寸1.02,2.12,3 mm)花岗岩试样,利用自主开发的岩石破裂过程数值计算软件(RFPA-DIP细观版),进行带缺口试样三点弯曲试验.利用虚裂纹模型描述岩石试样达到峰值载荷前的断裂过程区,引入双线性应力分布模型,将试样内部平均颗粒尺寸与虚裂纹模型建立起联系,通过数值模拟可分别计算出不同颗粒尺寸花岗岩的抗拉强度和断裂韧度.通过引入分形维数概念来表达不同颗粒尺寸花岗岩试样内部颗粒分布的特征,得到结论:颗粒尺寸与分维值呈反比例关系,分维值较小的花岗岩试样其抗拉强度和断裂韧度相对较小.     

充填散体材料侧限压缩试验径径比的确定方法

为了使矿山散体材料压缩承载试验结果具有科学性和代表性,确定其侧限压缩试验中合理的径径比D/d(试验钢筒内径D与试验散体最大颗粒粒径d的比值)是保证试验数据可靠性的关键。首先,基于7组不同径径比条件下河卵石颗粒堆积体的侧限压缩试验,探讨河卵石颗粒堆积体的压缩应力-应变曲线非线性行为、堆积体内部结构自组织过程中声发射(AE)振铃计数和侧压系数与径径比的关系;然后,根据散体材料在外载荷作用下所具有的压缩曲线非线性、内部结构自组织行为和侧压系数变化特性,找出颗粒堆积体侧限压缩试验结果同时满足散体材料这三大特征时的合理径径比。研究结果表明：当D/d≥7时,河卵石颗粒堆积体同时满足散体材料上述三大物理力学特征,即该径径比为河卵石散体侧限压缩试验的合理径径比。     

中低围压花岗岩细观破坏机制的数值模拟

采用数字图像处理技术表征花岗岩的细观结构,利用基于数字图像的岩石破裂过程分析系统(RFPA-DIP)建立反映花岗岩内部矿物颗粒分布的数值模型,进行花岗岩压缩数值试验,分析花岗岩压缩荷载作用下破坏机理.研究结果表明,花岗岩非均匀的细观结构起着使试件内部产生了拉应力区的作用;单轴压缩荷载作用下,试件在细观层次上以拉伸破坏为主;中低围压条件下,试件表现为张拉破坏和剪切破坏相互耦合的破坏方式,而且破坏机制随围压的增大是不断变化的,剪切破坏逐渐成为主控破坏方式.     

岩石水压致裂影响参数的仿真

针对影响水压致裂实验中起裂和失稳压力变化的诸多因素,通过RFPA2D-Flow数值仿真实验,建立了水压致裂模型,研究了孔隙水压力系数、围压比及非均匀性等因素对水压致裂的影响.研究结果表明,试件孔隙水压力系数及围压比的变化对水压致裂起裂压力和失稳压力影响明显;随着孔隙水压力系数的增大,岩石试件的起裂压力和失稳压力都随之减小,最大降幅可达37%;而围压比从1.0增加到1.5过程中,起裂压力和失稳压力降低了大约16%.分析结果对水压致裂施工设计及研究具有一定的参考价值.     

基于离散元方法的预制裂纹扩展过程分析

对预制裂纹花岗岩试件进行了单轴压缩试验,得出了不同裂纹倾角下的岩石强度与弹性模量变化规律.建立了不同裂纹倾角下的岩石颗粒流计算模型,并根据室内试验结果标定了计算模型的细观参数.通过编制FISH语言提取了裂纹扩展过程中的裂纹信息,并进行了详细分析.研究结果表明:随着预制裂纹倾角的增大,裂纹起裂应力、起裂角不断增大,裂纹扩展由最初的翼型裂纹占主导向次生裂纹占主导转变;通过定义的裂纹聚集系数分析得出随着裂纹倾角的增大,裂纹聚集系数曲线由光滑变得曲折,裂纹扩展路径由集中向分散过渡.     

节理岩体宏观力学参数尺寸效应的数值试验

基于Mont-Carlo法,建立了节理岩体的结构面网络,采用RFPA2D-DIP数值模拟软件把生成的网络图转化为有限元网格,从而建立能反映材料细观结构的数值模型.对其中6个不同尺寸的节理岩体试件进行单轴受压数值模拟试验,分析了不同尺寸节理岩体应力与应变之间的关系,以及抗压强度和变形模量的尺寸效应,并对岩体的破坏过程进行了研究,描述了1500mm×1500mm岩体的破坏过程.结果表明,随着岩体尺寸的增大其抗压强度和变形模量均减小,但变化幅度却越来越小,抗压强度随尺寸增大趋于稳定的速度更快,并得出了指数衰减的拟合关系式,不同尺寸岩体的破坏过程大致相同.该研究方法为节理岩体宏观力学参数的研究提供了一种新方法.     

侧限条件下充填散体与岩柱相互作用机理

为研究干式充填采矿中充填散体与围岩的相互作用,分析充填散体对矿柱力学性能的影响,利用自制的测试充填散体约束下岩样轴向压缩性能的试验装置模拟充填散体约束矿柱的作用过程,进行不同粒级散体约束下岩柱的压缩试验.结果表明:充填散体改善了岩柱的受力状态,并对岩柱提供被动侧向支撑作用,提高了岩柱轴向应力峰值和残余强度,改变了岩柱的破坏形式;散体与岩柱的相互作用强度随约束散体粒径增大呈先增后减的变化趋势;基于试验分析,建立了充填散体与矿柱相互作用过程中矿柱的承载模型,得到了充填散体变形模量与矿柱弹性模量的关系式.     

凝灰岩破坏全过程渗流演化规律的实验研究

通过对凝灰岩在三轴环境下变参数条件的全应力-应变过程渗透性对比实验,研究了凝灰岩变形、破坏过程中渗透性演化规律,分析了凝灰岩破坏全过程中渗透率与体积应变及围压的关系,得出体积应变与渗透率函数关系.实验结果表明凝灰岩渗透率与应力水平密切相关.当岩样峰值强度之后,内部裂隙进一步扩展、贯通时,才会出现渗透率峰值,渗透率峰值拐点、应力峰值拐点和体积应变拐点很好的对应.该实验结果对于提出岩石破裂过程中更为合理的渗透性演化模型具有重要价值.     

不同孔隙配比人工岩芯试件水力学试验研究

应用电液伺服岩石力学试验系统,研究了不同孔隙配比的人工岩芯试件的应力应变渗流特性,比较系统地分析了孔隙分布配级、孔隙度、渗流作用对强度、刚度的影响.试验得到了孔隙配比、孔隙度与初始渗透性的关系,建立了水压和孔隙度对试件强度弱化的关系方程,对于定量描述孔隙结构与渗流率、试样强度的关系,具有一定的参考价值.试验结果表明,粗颗粒比例和大孔径孔隙对孔隙度和渗透性影响较大,随着孔隙度增加,水对试件的强度弱化程度更加显著.     

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.