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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

单轴压缩下单裂隙砂岩试件破坏强度特征的数值分析研究

基于摩尔-库伦理论和统计损伤理论,通过数值计算,模拟了单轴压缩条件下单裂隙砂岩试件的破坏过程,得出了不同倾角(0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°)单裂隙砂岩试件破坏时的单轴抗压强度及影响规律。结果表明:当裂隙倾角α=45°时,岩体试样的强度峰值最低;当裂隙倾角α45°时,随着裂隙倾角的增大,岩体试样的强度峰值呈递减的趋势;当裂隙倾角α45°时,随着裂隙倾角的增大,岩体试样的强度峰值呈递增的趋势;其中,α在15°~75°范围内,岩体试样的强度峰值变化显著。研究对于裂隙岩体工程的稳定与安全具有重要的理论意义。     

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。     

层状砂岩力学行为各向异性与破裂特征

为揭示倾角对层状砂岩力学特性与破裂特征的影响,进行0°,30°,45°,60°和90°等5种倾角的单轴压缩试验,分析倾角对试样物理力学特性和破裂模式的影响,并结合声发射监测,分析微裂纹时空演化规律。研究结果表明:1)不同层理角度试样应力-应变曲线均经历压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和峰后破坏阶段,各阶段区分明显。弹性模量与纵波波速均随层理角度增大而增大,而单轴抗压强度先变小然后增大,曲线整体呈现出"U"形,在层理倾角60°时为最低值;2)倾角从0°增大到90°时,破坏模式由"穿切层理面的劈裂型剪切破坏"转变"复合张剪破坏"再到"剪切滑移破坏",最后转变为"劈裂张拉破坏";3)试样压密段几乎没有声发射事件,在弹性段声发射事件数逐步增加,当加载到峰值强度时,事件数剧烈增加,峰后破坏阶段事件进一步累积,声发射事件阶段变化与应力-应变曲线描述的变形破坏阶段吻合,且声发射事件空间分布与宏观破裂形态基本一致;4)矩张量反演的震源类型T-k值点分布在不同阶段的变化规律反映了剪切、张拉、混合破裂比例变化。试验用层状砂岩横观各向同性性质明显,力学性质随着层理倾角变化而变化,层理倾角变化对试样破坏模式影响明显。     

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...     

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.     

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。     

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.     

SHPB加载下含不同倾角裂隙的类岩石试样力学特性

 为研究裂隙倾角对类岩石试样的强度与变形特性、裂纹扩展规律及破坏过程的变化趋势的影响,对含有不同倾角的预制裂隙类岩石试样进行霍普金森杆（SHPB）加载试验。研究发现,SHPB加载作用下类岩石试样的应变阶段分段不明显,基本不存在应变软化阶段以及残余强度段。SHPB加载作用下,类岩石试样的峰值强度的变化趋势与静载荷作用下基本相同。随着预制裂隙倾角变化呈先变大后减小的V字形变化。在裂隙倾角为45°时,试样的峰值强度最小,0°和90°试样的峰值强度与完整试样极其接近。且SHPB加载作用下的类岩石试样的强度增加比较缓慢,峰值强度基本都小于相同条件下静载荷的峰值强度。随着预制裂隙倾角的增大,起裂角逐渐减小。当预制裂隙倾角较小时（0°,15°）,起裂角接近90°。与静载荷作用下的变化趋势是一致的。SHPB加载过程与静载荷不同,类岩石试样从开始加载至完全破坏总时间为约为2 s,速度极快。     

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.     

基于声发射实验层状砂岩力学特性及破坏机理

为了探究层理面影响下砂岩力学特性和破坏机理,采用声发射技术,开展砂岩单轴和巴西劈裂试验,研究砂岩拉压强度分布规律、应力-应变关系、破坏形式与声发射之间的关系。研究结果表明:随着层理角度从0°增加至90°,砂岩单轴抗压强度先减小再增大,呈U型分布,而劈裂拉伸强度呈增大趋势;砂岩在单轴和劈裂试验下应力-应变曲线具有明显的各向异性;在单轴试验下,当层理角度为0°,15°,75°和90°时,砂岩破坏形式为压缩破坏,当层理角度为30°,45°和60°时,砂岩破坏形式为沿弱面剪切破坏;在劈裂试验下,圆盘均沿着中心起裂破坏形式为拉伸破坏;随着层理角度从0°增加至90°,在单轴和劈裂试验下,裂纹发展所对应的轴向应变率降低,裂纹贯通困难,破坏所需峰值应力增大;峰值应力越大,对应的声发射能量率越大。     

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.     

双轴压缩下缓倾层状砂岩力学特性及损伤本构模型研究

为揭示缓倾层状岩石在双轴应力状态下的力学特征与损伤演化规律,开展15°倾角以内层状砂岩的双轴压缩试验。为准确描述层状岩石的损伤演化过程,采用等效应变原理,结合横观各向同性岩石的弹性本构关系和统计损伤力学理论,建立双轴应力作用下层状岩石的统计损伤本构模型,并对试样压密段进行修正。分别采用解析法和拟合法对统计损伤模型进行求解验证。研究结果表明：缓倾层状砂岩在双轴应力作用下,其峰值强度和弹性模量均随层理倾角的增大而减小,随侧压的增大而增大;试样在破坏时均表现出劈裂和剪切复合型破坏的形态,随着层理倾角增加,试样破坏的主控因素逐渐由穿切层面的剪切裂纹转变为沿层面的剪切裂纹,随着侧压增大,试样破坏时产生的宏观裂纹逐渐增多,试样被这些裂纹切割成块,甚至出现板裂状剥落破坏;在压密段采用拟合法、弹性段和峰值后区采用解析法所得到的模型曲线与试验曲线吻合很好,所建立的损伤本构方程可以较好地反映缓倾层状岩石在双轴压缩下的损伤效应。     

不同煤岩组合体力学特性的数值模拟研究

为研究不同煤岩组合体力学特性和声发射特征,利用RFPA2D数值模拟软件,对不同围压和不同组合倾角条件下的泥岩煤组合体,粉砂岩煤组合体及石灰岩煤组合体进行了模拟。结果表明,单轴压缩时不同煤岩组合体应力应变曲线相似,其峰值强度均接近煤体的单轴抗压强度;煤岩体强度随着组合体间倾角的增大而减小,煤岩体中岩体的强度越高,煤岩体越早出现强度的迅速衰减;煤岩组合体的内摩擦角随着组合体倾角的增大而减小,而内聚力随着倾角增大先增大后减小;随着围压的升高,煤岩组合体的声发射振铃计数最大值经历了一个先减后增的过程,组合体中岩石强度越高,声发射最大振铃计数值越高。     

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。