角砾岩常规三轴压缩试验研究及模拟

为了研究角砾岩压缩破坏机制,采用先进的岩石全自动三轴压缩伺服仪对角砾岩进行多种围压的常规三轴压缩试验,岩石经历压密阶段、弹性变形阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹非稳定扩展阶段、峰后破坏阶段这5个阶段.随着围压增大,峰值强度和残余强度增大,且残余强度比峰值强度增大的快,应力峰值对应的峰值应变与围压呈现出正线性关系.角砾岩试样破坏为剪切滑移破坏,且基本上呈对角破坏,存在主要贯通裂纹,在主贯通裂纹周围存在多条细小裂纹.从细观角度,建立细观损伤本构模型.运用该模型对角砾岩常规三轴压缩实验进行数值模拟,模拟结果表明,模拟值和实验值具有较好的一致性,从而验证了细观损伤模型对角砾岩模拟的适用性.     

岩石单轴与三轴CT尺度裂纹演化过程观测

结合使用专用三轴压力仪与CT扫描仪,对砂岩和粉砂岩分别进行压缩试验并获得了系列CT图像。发现单轴压缩和三轴压缩时岩石试件均经历压密、扩容、CT尺度裂纹萌生、扩展、扩张、贯通和岩石宏观破坏阶段。在压密阶段和扩容阶段,CT图像无明显变化。采用密度损伤增量定量描述细观裂纹演化的集合效应。在CT尺度裂纹演化阶段,从CT图像出发描述裂纹的空间位置、形态、运动方向分析CT尺度裂纹演化对于岩石变形和强度的影响。裂纹模式图可揭示CT裂纹演化的规律。CT裂纹演化的基本特点是扩展与扩张的交替性。三轴条件下CT裂纹与主应力夹角较大,裂纹面较平直,裂纹扩张困难,呈现剪切破坏特点。     

围压效应对钙泥质胶结砂岩强度和变形的影响

针对西部地区侏罗系砂岩成岩年代新、胶结程度较差,以及煤矿高强度开采的特点,开展恒定围压下三轴压缩实验,不同速率卸围压,以及单块多级加载实验,研究围压路径变化效应对钙泥质胶结砂岩强度和变形特征的影响.实验表明:西部中粒砂岩峰值强度、残余强度、峰值应变、弹性模量、泊松比等力学参数均对围压依赖性较强,且由于其钙泥质胶结的细观特性使其黏聚力、内摩擦角相比其他地区、其他年代的砂岩较低.随着围压的增大,试件由简单平整破裂面向复杂非平整多破裂面破裂模式转化.变围压加载过程中,围压的变化对砂岩的承载能力和变性特征影响显著,围压主要通过束缚试件横向变形和裂纹扩展,以及增大内部摩擦的方式影响岩体的力学特征,围压卸载和加载对岩体力学参数的影响规律可为采场推进速度优化和围岩支护分析提供一定的参考.     

高温作用后黄砂岩三轴压缩及细观破裂机制

为了研究高温损伤作用后黄砂岩的压缩力学性质和细观破裂机制的变化情况,对高温损伤作用后的黄砂岩进行三轴压缩实验,并对黄砂岩压缩断口进行扫描电镜(scanning electron microscope, SEM)试验,系统地分析了高温损伤对黄砂岩压缩破坏特征、压缩强度及断口细观特征的影响。通过三轴压缩实验发现:随着轴压的不断增加,温度对于黄砂岩整体强度影响更为明显;初始高温损伤程度的增加,黄砂岩三轴抗压强度呈现出先上升后下降的趋势,塑性应变程度增加;细观断口形貌主要以脆性断裂为主,局部范围内存在韧性断裂,随着温度的增加,晶体结构内部中裂纹发育更为完整,从而导致岩石宏观破坏越严重。     

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。     

混合花岗岩加载细观力学特性及破裂演化规律

根据室内试验获得的岩石宏观物理力学参数及岩样切片扫描图,基于颗粒流理论和PFC程序建立混合花岗岩颗粒细观几何模型,标定模型材料细观力学参数,采用Fish语言编制加载命令流并调整相应函数,对岩石单轴和三轴压缩试验进行模拟.通过对试验与模拟应力-应变曲线、AE声发射与PFC程序中“Crack”裂纹监测成果等的综合比较研究,获得荷载作用下杏山铁矿-45 m水平混合花岗岩细观力学特性、微破裂行为以及岩石微裂隙发展与宏观破裂演化规律.通过对混合花岗岩单轴和不同围压下三轴压缩PFC模拟曲线与室内试验结果的比较可知,PFC模拟能准确地表征荷载下岩石颗粒的细观力学特性和运动学行为.     

压缩条件下岩石密度损伤增量的CT动态观测

采用医用计算机层析(CT)设备与其配套的三轴压力仪,对压缩条件下岩石细观损伤过程进行了动态观测.以CT数为基础定义了岩石密度损伤增量,提出了CT数与岩石密度损伤增量的定量关系式.采用CT图像分析了岩石细观损伤过程;利用提出的岩石密度损伤增量定量地分析了峰值强度前的裂纹萌生、扩展、连通的细观损伤演化规律.发现岩石在峰值强度前普遍经历压密和扩容两个阶段,不同层位或同一层位的不同部位损伤具有明显的差异性,即在同一应力作用下各部位的压密程度和扩容状态是不同的.密度损伤增量异常带是微裂纹萌生带,在密度损伤增量与应力关系曲线上的拐点是岩石局部破坏的起始点.     

真三轴条件下单裂隙砂岩破坏过程的颗粒流模拟

采用颗粒流程序从细观角度对在真三轴条件下含单裂隙砂岩的裂纹扩展贯通模式、破裂机理展开研究,重点讨论了不同中主应力对单裂隙砂岩裂纹扩展和其力学特性的影响.研究结果表明:在真三轴压缩条件下,中主应力有助于增大含裂隙砂岩的强度,但过高的中主应力会加快裂纹的扩展、贯通,从而形成宏观破裂面;当中主应力的作用方向与裂隙走向垂直时,裂隙岩石的破坏模式为垂直于裂隙走向形成宏观剪切破裂面,含裂隙砂岩在真三轴压缩条件下的破坏主要为伴随拉破坏的剪切破坏机制.     

短时冻区残积土细观破坏过程的离散元模拟

为明确短时冻区残积土体细观破坏规律,以福建省短时冻区典型残积土为例,基于三轴试验数据对不同短时冻融次数下残积土的细观参数进行标定,同时分析围压及冻融次数下残积土细观破坏过程.结果表明:残积土在压缩过程中,逐步呈现出一个菱形区域,最终菱形区域会形成一个剪切面.残积土压缩时破坏过程可分为弹性变形阶段、塑性发展与强度峰值阶段以及峰后破坏三个阶段.残积土的稳定性会因土体周围围压的上升和土体冻融次数的减少而提高,同样也会增加残积土的抗剪强度.     

围压对大理岩力学特性影响的试验研究

在MTS815岩石力学试验系统对大理岩进行不同围压三轴压缩试验的基础上,分析研究在不同围压下大理岩的变形特性和强度特性．研究表明,大理岩在三向应力条件下具有明显塑性变形特征,随围压的升高,变形特性表现为塑性特征增强,弹性模量和泊松比增大,峰前扩容明显增大;强度特性表现为峰值强度和残余强度均随围压的增大而线性增大,残余强度对围压的敏感性高于峰值强度,残余内聚力大大低于峰值,残余内摩擦角与峰值非常接近．     

致密砂岩循环加载试验及能量演化分析

为研究复杂应力路径下致密砂岩的力学行为,采用多功能岩石三轴测试系统开展围压为5 MPa、15 MPa和20 MPa的三轴循环加卸载试验并进行能量演化分析。试验结果表明:砂岩的抗压强度随着围压增加而增大,围压5 MPa、15 MPa、20 MPa下的体积最大压缩点对应的轴向偏应力分别为80.68 MPa、120.72 MPa、152.12 MPa;加卸载过程中会有部分外荷载做功转化成内能和其他形式能量,因而应力-应变曲线形成滞回环,并且随着应力的增加滞回效应逐渐明显;砂岩以剪切破坏形式为主,同时产生轴向和侧向倾斜裂纹。能量演化分析表明:岩石的破坏是弹性能积累到峰值突然释放的结果;岩样破坏前的峰值弹性能会随围压线性增加,围压对峰值弹性能的影响显著。     

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。     

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。     

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。     

不排气条件下低渗透岩石力学特性试验

以低渗透致密红砂岩为研究对象,开展了不同围压和孔隙气压下的常规三轴不排气试验,分析了不同应力路径下,围压与孔隙气压对岩石力学特性的影响。试验结果表明：围压对砂岩具有强化作用;随着围压增大,抗压强度与延性明显增大,多呈现剪切破坏形式;孔隙气压使砂岩的抗压强度降低,脆性提高,砂岩内部张力增大,对砂岩内部连续结构产生破坏,易产生劈裂破坏面。     

岩石剪胀效应的数值模拟研究

应用FLAC 3D数值模拟软件,分别对不同剪胀角与围压作用下,岩样的剪切带分布及强度特征进行模拟研究.结果表明:随着剪胀角的增加,单轴压缩试验岩样由单一剪切破坏向共轭剪切破坏转变,同时韧性有所增强;围压的增加使得剪胀角为零的岩样由单一剪切破坏发展为双"X"形剪切破坏,剪胀角大于零的岩样由复合共轭剪切破坏过度到单一"X"形剪切破坏,剪切带宽度不断增大;岩样的剪切带倾角随着剪胀角的增大而增大,随围压的增加而减小;围压使得岩样峰值强度与残余强度增加,对岩样残余强度的提高显著;相同围压条件下,剪胀角越大岩样的强度越高但增加幅值不大;随着巷道围岩剪胀效应的增强,围岩的变形量增加显著,合理有效地控制巷道围岩的剪胀变形是支护的关键.     

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.     

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。     

孔隙填充型深海能源土的离散元成样

针对孔隙填充型水合物的赋存形态,提出了一种新的制备孔隙填充型能源土试样的数值成样方法.孔隙填充型水合物的砂性能源土试样是由砂粒和水合物颗粒混合而成的特殊的散粒体材料,具有明显的非连续特征.在土骨架的孔隙中,将水合物块体视为由颗粒通过强胶结作用凝聚而成的团簇整体,随机填充生成不同水合物饱和度的沉积物试样,开展能源土宏观力学特性的离散元固结排水三轴压缩试验模拟,并从应力应变、体变、接触组构等方面进行分析.结果表明,水合物饱和度的增大对低饱和度的孔隙填充型能源土试样的初始弹性模量和强度影响较小.有效围压相同时,孔隙填充型能源土试样的体积剪缩量随着水合物饱和度的增大而减小;而水合物饱和度相同时,能源土试样强度及体积剪缩量随着有效围压的增大而增大.能源土试样的剪胀角随有效围压的增大而近似线性减少,随水合物饱和度的增大而趋于线性增大.颗粒间接触方向随着轴向应变的增大而朝竖直方向偏转.     

新延安隧道层状页岩力学性能试验研究

为研究新延安隧道层状页岩的力学特性和破坏特征，分析层理面不同倾角对岩石力学参数的影响，本文分别进行了不同层理角度下的室内单轴压缩、三轴压缩和巴西劈裂试验及数值单轴压缩和三轴压缩试验。通过室内试验分析，峰值强度随倾角增加呈先减小后增大的趋势；抗压强度呈“U”型趋势，弹性模量呈“V”型变化。通过大量数值模拟试验拓展了室内试验范围并分别拟合了抗压强度和弹性模量随倾角变化关系式；围压的增大弱化了页岩各向异性，但随着围压的不断增大弱化程度减小；黏聚力对层状页岩强度的弱化程度远远大于内摩擦角；抗拉强度随倾角的增大逐渐减小；倾角不同层状页岩的破坏模式也不同，单轴压缩时，0°为张拉破坏，30°~60°时发生由弱面控制的沿层理面发生的剪切滑移破坏，90°时产生劈裂张拉破坏。三轴压缩时不同层理面倾角的页岩试件主要发生剪切破坏。