岩石破裂过程围压效应的数值试验

运用岩石破裂过程分析系统RFPA2D模拟了岩石在变形破裂过程中围压对岩石变形、强度及声发射特性的影响.研究结果表明:数值试验结果与实验室观察得到的岩石变形、强度(弹性模量、抗压强度等)以及岩石破裂过程声发射的围压效应相吻合;同时,数值试验对在实验室中难以准确监测的声发射现象也进行了准确的模拟,所得结果对于地震预报、岩爆等冲击地压的预测具有一定的指导意义.     

周期水压力作用下砂岩变形试验与小波分析

为了研究周期水压力对岩石的变形特性,利用MTS815岩石力学多功能试验机,对砂岩试样进行了不同轴向应力(峰值强度σmax的60%、70%和80%)条件下孔隙水压力循环试验,还运用Matlab中小波分析对岩石变形曲线中常见的不规则小变形波动干扰曲线进行处理.试验结果表明:随着恒定轴向应力的增大,周期水压力作用下疲劳变形将加速岩石的破坏;随着孔隙水压力循环次数的增加,塑性滞回环呈疏一密一疏的变形演化过程;运用小波分析方法对周期水压力作用下砂岩受多种因素的干扰的变形曲线进行分解、重构处理及评价,从而得到最优分解尺度的基本曲线较好的吻合了试验曲线,更好的揭示了岩石变形的演化规律.     

应力控制法维护巷道的研究

1研究内容与方法(1)根据岩石的实际破坏过程(全应力——应变曲线),建立了描述围岩变形特性的弹塑性本构关系,并编制了一套实用性较强的有限元程序。(2)运用弹性理论、能量守恒定律和数值计算结果,对应力控制法的基本原理进行了系统的阐述。(3)综合数值模拟,相似材料模拟和现场试验结果,对应力控制法维护巷道效果进行了分析验证;考察了在不同的侧压系数下,弱化带的布置方式,对弱化带的参教进行了优化。     

数值模拟在岩石力学常规试验中的应用

用岩石破坏过程分析系统(RFPA)对岩石材料的抗压、抗拉、抗剪等几个基本岩石力学实验项目进行了数值实验,通过数值实验再现了岩石材料的破坏现象和破坏过程.同时也证明了利用数值实验,可以代替在材料试验机上进行的一些基本材料破坏力学实验教学项目,可使学生通过自己动手实验,得到许多在实验室实验中观察不到的重要信息,对实验过程和结果加深印象和理解.     

岩板变形破坏过程加载装置设计及试验验证

浅埋采空区顶板变形破坏过程与灾变机理研究,是目前下伏采空区建(构)筑物工程实践中急待解决的难题。针对国内外在岩板变形破坏试验中存在的不足,自行研发了能够进行岩石类材料矩形板弯曲试验的加载装置。利用MTS岩石力学试验机和研发的加载装置,对单层岩板断裂铰接成拱的过程及其失稳机理进行了分析,并对双层组合岩板进行了变形破坏过程的试验研究。试验结果表明:随着施加荷载的不断增大,单层岩板梁式断裂后铰接形成拱形结构,并在铰接点产生水平反力。双层组合岩板的上层板存在梁式断裂、拱形破坏和板式断裂破坏3种破坏模式。单层岩板和双层岩板的荷载-位移全过程曲线,均存在4个明显的力学响应阶段,并由该曲线分析了岩拱结构形成过程及其失稳的特征。     

基于脆性岩石破裂过程中特征点的能量密度研究

岩石的变形破坏过程分为5个阶段:压密阶段、弹性阶段、稳定破裂阶段、非稳定破裂阶段、峰后阶段.针对各阶段中的力学联系鲜有研究,本文结合重整化群理论与方法,引入岩石脆性度m值分析岩石变形破坏过程,构建岩石应力-应变曲线变形膨胀点与峰值强度点的力学联系,并以此建立岩石变形膨胀点与峰值强度点处能量密度联系,研究发现岩石变形膨胀点与峰值强度点处能量密度之比(E f/E cd)是一个只依赖岩石脆性度m值的常数,并以此建立脆性岩石破坏模型.结合相关脆性岩石单轴压缩试验,结果表明:实测数据(E f/E cd)与理论值趋势较为一致,且符合较好.说明本文建立的能量密度模型能够很好地诠释脆性完整岩石的变形破坏过程.     

基于FLAC3D模拟的岩石单轴 压缩试验应力应变统计规律

在三维数值模拟的基础上,利用FLAC~(3D)模拟了岩石单轴压缩试验过程.根据全应力应变曲线的4个破坏阶段(弹性阶段、微破裂稳定发展阶段、非稳定破裂发展阶段和破裂后阶段),采用内嵌的FISH语言编程提取出模型中相应破坏阶段的全部应力应变数据,并利用统计分析软件@Risk对大量的应力和应变数据进行统计分析,以研究岩石变形各阶段中试样整体的应力和应变概率分布规律.本文不仅验证了大量岩石微单元的受力服从Weibull分布的规律,还得出了径向和轴向应变分别服从Logistic分布和BetaGeneral分布的结论.     

层状岩体破坏性质试验研究

层状岩体由于其明显的各向异性特点,以及复杂的破坏机制,严重影响了地下工程的安全施工。通过对层状岩石试件进行全应力-应变三轴加载试验来研究层理对其强度特性和变形特征的影响;同时利用弹性小变形理论对复合层状岩体的变形及弹性模量进行了推导计算。试验研究结果表明,由于层理面之间存在不规整现象,水平层理的存在使得岩石强度以及整体弹性模量有所降低,使得在试件破坏时岩层的整体变形量增大。     

岩石变形全过程冻融损伤模型及其参数

寒区岩石受到荷载及冻融循环的作用,考虑岩石微元破坏的特点,将其简化为冻融损伤、受荷损伤及未损伤3部分组成。基于损伤力学理论,通过探讨冻融损伤变量、受荷损伤变量以及总损伤变量之间的关系,假定岩石微元破坏符合D-P准则,建立冻融与荷载作用下考虑残余强度的岩石损伤本构模型,并由冻融砂岩力学特性试验验证其合理性;在此基础上探讨了模型参数对岩石损伤本构关系的影响。结果表明:不同冻融次数及围压作用下的模型理论曲线与试验曲线较为吻合,较好地描述了岩石变形的全过程;模型参数对岩石损伤前及破坏后残余段的应力应变曲线几乎没有影响,但对损伤阶段的影响较大。研究成果将会对寒区岩石损伤演化认知具有较好的参考价值。     

非线性准则下隧道围岩响应的理论和数值分析

采用Hoek-Brown非线性准则描述岩土破坏特征更能反映岩体固有特点和非线性破坏特征,以及岩石强度、结构面组数、所处应力状态对岩体强度的影响。首先,通过理论分析,得到了围岩开挖后应力和变形情况;然后,利用数值计算软件,建立了Hoek-Brown准则下隧道的数值计算方法和计算模型,分析了隧道在开挖情况下的应力变形情况,得到围岩的径向应力、切向应力、剪应变分布、塑性区分布和位移情况,并将数值计算结果与理论计算结果进行对比,结果表明:①隧道开挖引起岩体的扰动,使其从平衡状态转为不平衡状态。随着时间的推移,不平衡力逐渐在岩体中消散均化,岩体的扰动逐渐减小,最终趋于平衡。②数值解均略大于理论解,但二者差别十分微小,从而验证了数值方法的正确性。     

脆性岩石破裂过程渗透性演化试验

为探讨脆性岩石变形破裂过程中渗透性的演化规律,利用电液伺服控制岩石力学试验系统(MTS815 02)对不同岩性的岩石进行了应力 应变全过程渗透试验·试验结果表明岩石的渗透率与其应力状态密切相关,岩石峰后的渗透率普遍远大于峰前,常在应力 应变曲线峰后区出现"突跳"现象,而造成这一现象的根本原因在于岩石内部细观结构的变化·并根据试验结果建立了峰值前后反映岩石结构变化特征的分段应力 渗透率关系方程,为建立描述岩石破裂过程应力 渗透率耦合数值模型提供了可靠的试验依据·     

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.     

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。     

基于微平面模型和正则化的脆性岩石损伤破裂模拟方法

为解决有限元计算在模拟脆性岩石损伤过程方面的网格依赖性问题,本文基于微平面模型和正则化方法建立了改进的微平面损伤模型,将单轴压缩条件下的岩石实验结果与数值模型进行了对比.引入不同非均质系数对三点弯曲岩石试样的损伤发展进行模拟,结果表明非均质系数越高损伤区域越集中.此外,通过引入高阶梯度正则化方法对不同特征长度的三点弯曲实验进行数值模拟.特征长度为1mm时,在不同网格尺寸下的正则化微平面模型的损伤演化结果基本相同,而没有采用正则化方法的微平面损伤模型在不同网格尺寸下出现明显的网格依赖性.最后,通过对比普通模型和正则化模型的载荷-位移曲线,发现网格密度对采用高阶梯度正则化后的微平面损伤模型损伤演化影响较低.     

加载速率对红砂岩力学效应的试验研究

采用伺服刚性试验机对５４块红砂岩试件进行了９级不同应变加载速率下的单轴压缩室内测试，定量分析了应变速率对材料单轴抗压强度、与峰值强度对应的应变、破坏后的变形模量，以及破裂形式等物理力学性态的影响，按实测数据回归得出的经验公式可用于估算应速率变化剧烈状况下岩石的修正强度和变形量。     

基于数字图像的复合岩石试验与损伤模型研究

为研究层状复合岩石破坏过程和形态,采用相似理论制作出层状复合岩石相似模型,在单轴压缩条件下观测岩石的破坏特征,结合三维数字图像相关技术(3D Digital Image Correlation,以下简称DIC)对试件的整体变形及破坏进行全过程的观测,得到复合岩石三维场的位移和应变,同时基于试件表面应变场的变化,建立了表面损伤程度与损伤因子D之间的量化关系,进而得到基于DIC表征的层状复合岩石损伤演化模型,研究结果表明：(1)层状复合岩石的破坏形态与脆性岩石特征相似,以拉伸劈裂破坏和Y型剪切破坏为主;(2)DIC试验记录的表面应变与损伤因子之间的量化关系可有效反应岩石破坏的全过程,以此为基础建立的损伤演化方程与实验数据拟合效果较好,证明了模型的合理性。     

中部锁固岩桥脆性断裂特征试验研究

锁固型岩桥的脆性断裂是带裂隙岩体失稳的主要原因,具有较强的突发性和隐蔽性。针对“三段式”“挡墙式”两种典型的中部锁固岩桥类型,开展端部开裂砂岩试件的单轴压缩试验研究。基于能量散耗理论及声发射(acoustic emission, AE)频度-能级指数关系,结合高速工业相机记录信息,探究了岩体受压过程中岩桥脆性断裂机理及其前兆信号特征。研究结果表明：(1)与“三段式”锁固岩桥相比,“挡墙式”锁固岩桥峰值强度和弹性模量降低,但其脆性断裂特征更加明显;(2)“挡墙式”锁固岩桥应变能耗散速率明显高于“三段式”锁固岩桥,其声发射平静期与塑性变形阶段持续时间较短,但AE事件率及声发射能量释放更高,岩桥内部裂纹扩展活动更频繁;(3)定义了“三段式”“挡墙式”锁固岩桥整体频度-能级的关系式,表明脆性破坏程度越剧烈,声发射b值(斜率)越小;(4)声发射b值的快速下降可作为岩桥脆性断裂的前兆信号。锁固岩桥的存在形式与赋存位置影响着裂隙岩体的脆性断裂倾向,研究所得可为端部开裂岩体突发脆性失稳提供理论依据及科学预测方法。     

含陡倾角软弱结构面的花岗岩力学特性及声发射特征

利用MTS 815.03岩石试验机对试件进行三轴压缩试验,采用DISP声发射测试系统进行声发射数据收集,并对含陡倾角软弱结构面的岩体试件和岩石试件进行试验对比.两种试件随围压的增加强度逐渐增加,破坏由脆性向延性转变;岩体试件总是沿结构面滑移破坏,岩石试件为剪切破坏.随着围压的增加,两种试件的弹性模量、变形模量、峰值应变和峰值强度增加;岩体试件弹性模量、变形模量值和峰值强度低于岩石试件,而峰值应变高于岩石试件.岩体试件内摩擦角小于岩石试件,而黏聚力大于岩石试件.随围压的增加,两种试件在峰值应力阶段声发射事件远高于其他阶段,而岩体试件声发射事件集聚量远远高于岩石试件.研究结果表明软弱结构面的存在降低了岩体的力学性质,因此在高放废物地质处置库选址时结构面发育特征是需要考虑的关键因素.     

不同厚度充填体—围岩组合体力学性质及损伤本构

为探究充填体厚度变化对充填体-围岩组合体力学性能的影响规律,开展了5种不同厚度充填体-围岩组合体试件单轴压缩试验,结合数字散斑技术对试件破坏模式的变化进行分析,建立考虑峰后应变软化阶段的分段式损伤本构模型对全过程应力-应变关系进行描述。分析结果表明,充填体厚度变化对组合试件力学性能与破坏模式影响显著。随着充填体厚度由0 mm增加至100 mm,试件峰值强度由94.6 MPa呈指数关系下降至10.1 MPa,峰值应变由0.30下降至0.06,弹性模量呈先下降后上升变化趋势;利用数字散斑技术分析发现,随着充填体厚度增加,破坏模式逐渐由脆性剪切破坏过渡为拉剪复合破坏,最终发展为由充填体内部发生“X”形剪切破坏而引起的拉伸劈裂破坏;通过改变分段式损伤本构模型的分布参数与修正系数,可较好地表征不同充填体厚度试件的全过程应力-应变曲线,验证结果表明模型适用性较好;充填体厚度越大,由充填体存在而引起的试样初始损伤越大,达到峰值应变时,损伤变量D未达到1,试件延性破坏特征越明显,破坏后残余强度越高。     

岩石细观损伤演化与损伤局部化的数值研究

应用岩石破裂过程分析系统(RFPA2D),通过对非均质岩石试样在单轴压缩下损伤演化过程的数值模拟,研究了岩石变形破裂过程中的损伤演化和损伤局部化行为·模拟结果表明岩石的非均匀性及其结构尺度对损伤局部化模式有很大的影响·岩石在压缩条件下的损伤局部化主要有三种模式:平行剪切带,单一剪切带和共轭剪切带·在局部化剪切带出现时,材料所表现出的高度非线性主要是剪切带内的损伤汇合连通滑移引起的,而在剪切带外主要发生弹性卸载回弹作用·岩石应力应变曲线峰值后区的力学响应主要取决于细观单元变形的结构效应,而损伤局部化正是造成应力应变峰后曲线具有尺度效应的原因,非均质岩石的全应力应变曲线不能纯粹地认为是岩石的材料性...