单轴压缩荷载下不同倾角三维通透裂隙扩展机理研究

采用红砂岩制作分别含有不同倾角三维通透裂隙的圆柱体标准试件,进行单轴压缩试验,并结合实时监控和数值模拟的方法对其断裂破坏机制进行系统分析。试验发现:单轴压缩荷载下,不同倾角预制裂隙主要以翼裂纹和反翼裂纹两种模式扩展,扩展路径均在一定程度上偏离最大主应力方向,当预制裂隙倾角小于等于45°时,裂隙扩展以反翼裂纹为主,且扩展路径偏离程度随预制裂隙倾角的增大而增加,当预制裂隙倾角大于45°时,裂隙扩展以翼裂纹为主,且扩展路径偏离程度随预制裂隙倾角的增大而降低;含裂隙试件的起裂角度随预制裂隙倾角的增大而减小,起裂强度,峰值强度以及弹性模量均随预制裂隙倾角的增大而增大。数值模拟结果发现,翼裂纹的萌生与扩展主要由拉剪应力主导,反翼裂纹的萌生与扩展主要由压剪应力主导,拉应力集中区域随着预制裂隙倾角的增大而逐渐缩小。     

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。     

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。     

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.     

裂纹长度对裂隙岩体力学特性及破坏模式的影响

采用伺服控制岩石力学试验机对水泥砂浆材料制备的类岩石试件进行单轴加载,利用颗粒流离散元软件对岩体进行单轴加载数值模拟试验,研究不同预制裂纹长度下裂隙试件的力学特征及破坏规律.结果表明:随着裂纹长度的增加,裂隙试件的峰值强度、峰值应变和弹性模量均减小,裂隙模型脆性减弱,延性增强,且随着裂纹长度的增加,弹性模量的降幅逐渐增大,敏感度增强;引入强度劣化系数来定量分析裂隙试件的劣化特征,当裂纹长度从10 mm增加到15 mm时,劣化系数增长迅速,试件强度下跌明显,强度敏感度最大;裂纹长度影响裂隙试件的最终破坏模式,在0°原生裂纹下,随着裂纹长度的增加,裂隙试件的破坏模式由剪切破坏为主变为剪切、张拉复合破坏再转化为出现宏观裂纹的张拉破坏.     

裂隙对含孔洞砂岩力学及损伤演化特征的影响

为研究裂隙对含孔洞岩体力学及损伤演化特征影响,利用颗粒流模拟程序,对存在不同裂隙形态的含孔洞岩样在单轴压缩下的力学性质进行数值试验研究,分析岩样破裂与力学特征随裂隙形态的变化情况,对其损伤演化特性进行探讨。研究结果表明:裂隙的存在会改变原有含孔洞岩样沿孔洞贯通的破坏模式,大多数岩样会形成贯通裂隙的主破裂带;但当裂隙存在于距原主破裂带较远,且倾角较大或长度较小时,岩样依沿孔洞形成主破裂带;岩样的峰值应力随裂隙距孔洞距离或裂隙倾角的增大而增大,随裂隙长度的增大逐渐减小;含孔洞岩样周边存在距孔洞距离越远,长度越大的裂隙,在相同应变下损伤越小;含孔洞岩样的损伤修正系数取值为0.77～0.90。     

双轴压缩下双裂隙类岩石材料破坏试验

通过预制双裂类岩板试件进行双轴压缩破坏试验,分析了不同裂隙倾角和不同岩桥角度对岩体破坏模式的影响。试验结果表明:双轴压缩下双裂隙岩体应力—应变曲线呈现S型,试件裂纹历经闭合阶段、弹性变形阶段、裂纹的萌生和扩展(或试件局部变形)及应变软化阶段;不同的裂隙倾角以及岩桥倾角对试件的破坏模式以及岩桥贯通模式有较大影响;在相同裂隙倾角下,随着岩桥角度的增大,岩桥区域的贯通模式由剪切裂纹贯通模式向翼形裂纹和剪切裂纹的复合贯通模式,再向翼形裂纹贯通模式逐渐转化。     

雁行双裂隙类砂岩加载条件下裂纹扩展演化规律研究

为了研究裂隙岩体在荷载作用下裂纹扩展演化与破坏规律,以预制含雁行双裂隙类砂岩试样为研究对象,采用单轴压缩试验与DIC技术相结合,探究裂隙倾角和岩桥倾角对试样裂纹产生、扩展和破坏模式的影响。结果表明：(1)裂纹先从试样边界处产生,向试样中心扩展,随加载的进行,裂纹转向从裂隙尖端处产生,向试样上下端面扩展。(2)试样新生裂纹扩展演化过程、破坏模式与裂隙的倾角特征关系密切,随裂隙倾角和岩桥倾角的增加,裂纹扩展的数量分别呈现出先减少再增加后减少、先减少后增加的特点,试样破坏模式呈现出由张拉破坏向张拉-剪切复合破坏转变,但当裂隙倾角增加至90°时,试样破坏模式又呈现出张拉破坏。(3)岩桥贯通取决于其水平投影长度,当岩桥倾角为0°、30°,岩桥水平投影长度较长,岩桥未贯通,当岩桥倾角为60°、90°、120°,岩桥水平投影长度逐渐减小,岩桥发生直接贯通。研究成果可为工程设计及优化提供一定的指导意义。     

裂隙岩体贯通及锚固止裂路径有限元分析

压剪应力作用的裂隙岩体其裂纹尖端附近存在塑性屈服区.将裂隙岩体单元与锚索单元的节点完全重合,应用等效应变与降温法施加锚索单元的预应力,裂纹采用八节点等参单元退化后的奇异单元进行模拟,从应变角度出发,应用塑性区最短距离判据得到了不同锚固条件下含两条不同倾角共线裂纹的裂纹尖端附近的最短塑性区距离、裂纹的扩展方向、裂纹扩展后岩桥之间的有效距离等,并分析了裂隙岩体的锚固止裂机制.结果表明,预应力锚索加固对裂隙岩体的压缩效应远大于剪切效应.锚固条件下倾角为30°～60°的裂纹扩展后岩桥之间有效距离增大,锚固条件越好,裂纹尖端塑性区的最短距离越小,预应力锚索的加固止裂效果越明显.锚固附加应力场使得0°、90°裂纹附近岩体的正应力或侧向应力得到增加,锚固条件越好,裂纹尖端的塑性区最短距离越大,在进行锚固设计时,应合理布置锚固角.     

透明类岩石内蕴裂纹扩展变形试验研究

采用力学试验手段探究岩石受压情况下内部裂纹扩展贯通机理是了解岩石破坏失稳机制的重要手段。由于真实岩体内部裂纹无法直接观察其扩展过程,通过自行研制的透明类岩石材料在RMT-150B多功能全自动刚性岩石伺服试验机上进行单轴压缩力学试验,观察研究透明类岩石内部三维裂纹的扩展贯通机理。这一方法克服了真实岩体不透明的特点,更方便地观察岩体内部裂纹萌生扩展不同阶段的形状。通过对透明岩石内部布置不同长度和角度的裂隙,模拟不同长度和角度的原生节理裂隙对岩体破坏失稳的影响。研究结果表明:含预制裂纹的透明类岩石试件在压缩过程中三维裂纹的起裂扩展要比二维条件下复杂,大致经历了压密,弹性变形,裂纹扩展,脆性破坏四个阶段。含预制裂隙的试件其峰值强度和峰值轴向应变比完整试件均有明显降低,且预制裂隙的长度对峰值强度和峰值轴向应变的降低幅度有一定影响。试验成果无疑对分析真实岩体的破坏失稳机理有着重要的参考价值。     

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.     

透明脆性材料预制裂纹压缩破坏机制试验研究

自然界中的岩体含有大量的原生裂纹,这些裂纹在外载作用下扩展和相互贯通最终导致岩体失稳破坏。由于真实岩石为不透明材料,观察研究其原生裂纹的扩展演化机制十分困难。最新研制了一种新型材料;该材料透明度高,且具有很好的脆性和单轴压缩剪涨性,可以作为模拟岩石的相似材料,在该材料内部及表面预制裂纹,观察分析预制裂纹不同赋存方式对材料破坏机制的影响。试验中清晰观察到次生裂纹萌生扩展各个阶段的形状及预制裂纹不同的赋存方式对材料破坏模式的影响,以及表面预制裂纹赋存深度与试件强度和次生裂纹裂最终扩展宽度的关系。试验所得的成果对于研究真实岩体的破坏机制具有重要的参考价值。     

基于颗粒流法研究混凝土的劈裂拉伸破坏特性

基于二维颗粒流程序,构建了包含水泥砂浆、不规则多边形骨料和水泥砂浆与骨料的交界面的二维混凝土细观模型,采用标定后的平节理模型参数,对混凝土破坏的裂纹演化和破坏机理进行研究. 模拟结果表明:宏观破坏的细观机制是水泥砂浆、骨料以及交界面内的裂纹扩展和演化造成的;随机骨料的分布会对混凝土的峰值应力和破坏模式有一定的影响;巴西圆盘试件内的裂纹起始于加载端,随着载荷增加裂纹向中心扩展,混凝土试件呈现出劈裂拉伸破坏的模式;随着加载速度的提高,沿加载方向上的主裂纹及其他次生裂纹相互作用,使混凝土试件出现大量的碎块;裂纹统计结果显示,在细观层次上,拉伸型裂纹主导了混凝土试件的劈裂破坏,少量的剪切型裂纹主要集中在试件加载端的骨料附近.      

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.     

围压作用下TBM双刃中心滚刀破岩特性研究

为了研究不同围压作用下双刃中心滚刀破岩规律,运用颗粒离散元建立其破岩数值模型,分析不同围压与刀间距对双刃中心滚刀破岩过程中裂纹扩展、比能耗等规律的影响.研究结果表明:双刃中心滚刀侵入破岩时,围压增加会抑制裂纹沿岩体垂直方向扩展.刀间距不同,围压增加对双刃之间的裂纹扩展影响不同;岩石破碎存在三种破碎模式且刀间距适中时,围压增加会促进破碎模式转变;存在最优刀间距使比能耗最小且最优刀间距随围压增加而增加;实验观测不同围压下双刃中心滚刀破岩过程裂纹扩展、破碎模式转变规律与数值模拟结果具有很好的一致性.     

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。     

考虑裂缝影响的页岩三轴压缩实验研究

为了探究页岩的破坏特征以及力学性质与裂缝之间的关系以及影响机理,本文采用RTR-1000岩石三轴力学测试系统对含不同裂缝（控制单一变量,使裂缝的条数、倾角、深度、填充物分别不同）页岩实施三轴实验,研究了不同裂缝形态下页岩的峰值应力、弹性模量以及破坏形式。实验结果表明：随着裂缝深度的增大,试件的弹性模量和峰值应力越小,同时破裂面与轴向应力的夹角变小;随着试件所含的的裂缝角度逐渐增大,页岩样品的弹性模量以及峰值压力的变化均表现凹型,并且随角度增大破裂面形态发生变化,当倾角为45° 时峰值应力和弹性模量降至最低;随着裂缝条数的增加,试件的弹性模量和峰值应力越小,其破坏形式为张拉和剪切破坏共存;随着裂缝充填物中方解石含量的增大,试件的弹性模量和峰值应力先减小再增大,当充填物中方解石含量为50 % 时值最小,并且岩样破坏主要是剪切破坏,随着方解石含量的增加,破裂面越容易经过填充带。     

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。