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.     

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.     

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。     

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.     

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。     

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.     

不同高径比石膏试样破坏特性及其能量耗散

采用RMT-150B岩石力学试验机,对七种不同高径比的石膏试样进行了单轴压缩试验,分析其力学特性及其破坏特征.根据单轴压缩力学试验结果,利用能量耗散理论,分析其能量耗散特性.研究结果表明:随轴压应力的增加,石膏试样内部微裂隙先闭合,而后在其尖端产生了新裂隙;新裂隙随轴压应力的增加而逐渐地扩展、贯通、形成破裂面,最终发生剪切滑移破坏;石膏试样的体积应变随轴压应力的增大,经历了先压缩后增加,最后急剧膨胀,表现出明显的非线性变形;石膏试样的峰值应力、弹性模量随高径比的减小而增大;轴向应变和横向应变随高径比的减小而减小;变形模量与高径比之间的关系不明确,不能用其表征石膏试样的变形特性;高径比越大的石膏试样受压后容易发生剪切破坏,破坏时吸收的能量增量越快,属于脆性破坏,而高径比越小的石膏试样则发生压酥破坏,属于塑性破坏.     

平行节理相互作用对节理岩体的力学行为影响

以类岩材料制作平行节理试样并开展压剪实验,采用声发射系统监测试样加载过程,研究节理相互作用对岩体力学行为的影响。研究结果表明:1)节理试样在压剪加载下可分4种破坏模式:共面剪切破坏;沿节理面剪切破坏;沿剪切应力面剪切破坏;类完整型剪切破坏。倾角对试样破坏模式起决定性作用,重叠度影响试样裂隙的发育。2)试样峰值剪切强度随倾角增加先增大后减小并在45°取得最大值;随着节理重叠度的增大,峰值剪切强度逐渐减小;剪切峰值强度对倾角因素更敏感。3)不同倾角试样的剪切应力-位移曲线差异主要体现在破裂后阶段,试样的声发射计数变化规律与破坏模式相对应;不同重叠度试样应力-位移曲线形态相似,试样的声发射计数变化规律相似,但计数峰值随重叠度的增大逐渐减小。     

节理倾角对类岩石试样力学特性影响试验研究

白鹤滩水电站坝基岩体柱状节理十分发育,岩体中存在许多复杂节理面,各向异性特性十分显著.为了研究柱状节理岩体的各向异性特性,采用模型试验方法,考虑横向贯通节理,制作具有不同柱体倾角(β=0~90°)的正四棱柱形试样,通过单轴压缩试验得到柱状节理岩体在不同节理倾角β下的单轴抗压强度、变形模量和峰值应变,分别分析了不同倾角下应力-应变曲线、峰值强度、变形模量、峰值应变及破坏类型的特性,得到以下结论:倾角β=0~15°以及75~90°范围时,应力-应变曲线存在多峰现象,β=30~60°范围时,应力-应变曲线以单峰为主;单轴抗压强度在β=60°时取得最小值,β=90°时取得最大值,试件强度各向异性比K_c为11.12,属于极高各向异性;变形模量在β=60°时取得最小值,β=90°时取得最大值;峰值应变在β=60°时取得最小值,β=30°时取得最大值;试样主要有沿材料的劈裂破坏和沿贯通节理面的滑移破坏两种破坏模式.     

双孔洞裂隙砂岩裂纹扩展特征试验与颗粒流模拟

基于尺寸为80mm×160mm×30mm的双孔洞裂隙长方体砂岩试样单轴压缩试验结果,分析了双孔洞裂隙砂岩裂纹扩展特征,建立了双孔洞裂隙砂岩宏观应力-应变曲线与裂纹扩展过程的关系.利用颗粒流模拟程序,基于试验结果进行细观参数校准,进一步研究了裂隙倾角对双孔洞裂隙试样力学参数及裂纹扩展特征的影响.与完整砂岩试样相比,双孔洞裂隙试样力学参数显著降低,但降低程度与裂隙倾角密切相关.随着裂隙倾角的增大,双孔洞裂隙试样峰值强度先减小后增大,弹性模量呈逐渐增加的趋势,而峰值应变呈非线性变化.完整试样呈轴向劈裂脆性破坏,而双孔洞裂隙试样首先在孔洞上下边缘及裂隙的尖端附近萌生初始裂纹,裂纹的扩展与贯通导致了试样最终失稳破坏.最后探讨了双孔洞裂隙试样裂纹扩展细观机制:首先在裂隙尖端附近和孔洞边缘形成应力集中区,应力提高导致颗粒间黏结断裂,产生微裂纹;在应力集中区转移过程中不断产生新的微裂纹,微裂纹的汇集形成宏观裂纹.     

应变速率对红砂岩预制隙裂贯通破坏的影响

为了探究应变速率对节理岩体裂纹扩展形态和贯通破坏的影响,提出在室内制作含裂隙的红砂岩试样,采用不同加载速率进行单轴加载试验,观察裂隙起裂、贯通、破坏的全过程,并在物理试验基础上利用数值分析软件对结果进行分析和验证。结果表明:随着加载速率的增加,试样的峰值强度增加,试样发生应力强度跌落时的应变也有一定的增长;裂隙的扩展方式不局限于沿着试件高度方向开展,有部分裂隙发生横向方向的扩展和贯通,导致试样逐渐从局部破坏形式向整体破坏形式发展;裂隙强度在单轴加载时伴随裂隙倾角和加载速率的增加而变大,裂隙贯通强度对裂隙倾角的变化更敏感。     

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。     

单轴压缩下交叉裂隙花岗岩变形与能量演化分析

为了更好地了解交叉裂隙对岩体力学性质和变形特征的影响,对不同主次裂隙夹角的花岗岩试件进行了单轴压缩试验.根据试验结果,对交叉裂隙试件的应力-应变曲线规律、变形与强度特性以及能量演化过程进行了分析.研究结果表明:交叉裂隙试件的力学性质和变形特征与主、次裂隙的夹角密切相关,裂隙试件的应力-应变曲线比完整试件更早进入裂纹萌生和扩展阶段,峰值应力前应力-应变曲线会出现一定的应力波动现象;裂隙试件的峰值强度和弹性模量明显降低,弹性模量随交叉裂隙夹角的增大先减小后增大,但峰值强度受夹角的影响不大;裂隙试件在单轴压缩过程中的总能量、弹性应变能和耗散能相较于完整试件显著降低.     

考虑不同节理倾角和贯通率的类岩材料单轴压缩试验

为研究节理倾角与贯通率对类岩材料力学特性的影响,选用预制贯通节理类岩材料作为研究对象,对以节理倾角和贯通率为单一变量的两组砂浆试样进行单轴压缩试验。试验结果表明:节理倾角为0°时,随着节理贯通率的增大,试样的峰值强度、峰值应变以及弹性模量均不断减小;不同贯通率试样破坏时均呈现出整体张拉破坏的特征;节理贯通率相同时,随着节理倾角的增大,试样峰值强度呈现V字形变化趋势;试样峰值应变先减小后增大再减小,弹性模量先增大后减小再增大,二者呈现良好对应关系。通过对比节理贯通率和不同倾角对力学特性的影响,发现节理贯通率在试样强度、变形破坏过程中起主要影响作用。     

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。     

高应力循环加卸载下不同张开度裂隙类岩体变形损伤及能量演化

为研究高应力循环加卸载作用下不同张开度对裂隙类岩体应力-应变曲线特征、滞回环面积和动弹性模量变化规律以及裂隙类岩体损伤特性的影响。基于RMT-150B岩石力学试验机开展了不同张开度和裂隙倾角下裂隙类岩体高应力循环加卸载试验,获得高应力循环加卸载作用下裂隙类岩体力学性能。结果表明:高应力循环加卸载对类岩体峰值强度有“弱化”作用,“弱化”程度约为11%;以0.4 mm张开度为界限,小于0.4 mm的裂隙岩体滞回环面积随裂隙倾角增大呈先增大后减小规律,动弹性模量随裂隙倾角增大先减小后增大,大于0.4 mm时,滞回环面积和动弹性模量随裂隙倾角增大均呈递减趋势,且张开度增大,张拉裂纹萌生概率随之增加;绝对损伤参数随循环次数增加而增大,45°裂隙倾角涨幅最为显著。     

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。     

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。     

断续裂隙岩体在单向压缩应力状态下的强度与能量特征

【目的】三峡库区边坡岩体内常含断续裂隙,研究探讨这些断续裂隙岩体在压缩应力状态下的岩体强度特征和能量特征,可为三峡库区的防灾减灾提供理论支持。【方法】利用RFPA软件对含不同中、缓裂隙倾角和连通裂隙贯通度变化的岩体在单向压缩应力状态下进行数值模拟试验,分析断续裂隙岩体的强度、声发射能量特征及能量损伤系数特征。【结果】1） 断续裂隙岩体的应力 应变曲线在峰值强度后呈现“台阶式下降”现象,它的峰值强度和峰值应变基本呈2个“V”字型,随着裂隙贯通度的增加,峰值强度低值由裂隙倾角20°向30°转变;2） 选取裂隙贯通度25%的中、缓倾角断续裂隙岩样和完整岩样在破坏过程中的声发射能量,发现裂隙倾角小于20°的前期积累能量的低频次很突出,在达到峰值强度后会经历第二次声发射能量爆发;3） 对于岩体变形破坏阶段的能量损伤系数,在应力峰值前,裂隙贯通度25%岩体的值小于0.1,仅完整岩样的值达0.1,峰后阶段该值急剧上升达到0.8,特别是经历峰后能量释放平台后该值陡升。【结论】研究结果揭示了间断裂隙岩体破坏过程中的强度特征与能量特征,可为三峡库区高边坡断续共线裂隙岩体的合理防治提供重要理论依据。