含预制裂隙大理岩SHPB动态力学破坏特性试验研究

为了研究端部裂隙形态对岩石动态力学特性以及裂纹扩展的影响,利用50 mm×50 mm圆柱形大理岩加工含不同裂隙倾角的试样,在50 mm杆径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验平台上进行冲击加载试验,并使用高速摄影仪实时记录裂纹扩展以及动态破坏全过程。研究表明,大理岩的动态抗压强度、峰值应变、动态弹性模量等力学参数随预制裂隙倾角增大整体呈先减小后增大的趋势;裂纹大多是从裂隙尖端或附近起裂,起裂裂纹为II型剪切裂纹或I–II型复合裂纹(拉剪复合裂纹),起裂角和起裂应力随着预制裂隙角度的增大分别呈M和W型变化,完整和90°裂隙试样最终呈劈裂拉伸破坏,45°裂隙试样呈拉剪复合型破坏,30°和60°裂隙试样呈剪切破坏,存在一个临界角度,临界角两侧裂纹扩展特性表现出较好的对称性;随着预制裂隙角度的增大,岩石的能量吸收率先增大后减小,当端部裂隙与端面成适当角度,会使能量吸收率最大,可以有效提高破岩效率。     

含尖端相交裂隙岩石的破裂特征

依据相似理论选取与白砂岩性质相似的模拟材料,制作含尖端相交裂隙试样并进行单轴压缩试验,分析2条相交裂隙夹角α和α角的角平分线与水平方向的夹角β对白砂岩破坏模式、力学特性的影响。采用离散元软件PFC~(3D)对试样进行建模,模拟试样在单轴压缩下裂纹的扩展,得到了单轴压缩作用下试样的裂纹扩展特征和起裂应力变化规律。结果表明:1)随着α角的增大,试样峰值强度逐渐降低,预制裂隙内尖端裂纹发育水平逐渐提高;2)随着β角的增大,试样峰值强度逐渐提高,预制裂隙内尖端的裂纹发育水平逐渐降低;3)物理试验与数值模拟结果吻合较好,α角对起裂应力影响较大,随着α角的增大,起裂应力逐渐减小,起裂应力的大小几乎不受β角影响。     

拉伸条件下锚杆对含表面裂隙类岩石试样加固效应试验研究

选用改性橡胶粉–水泥砂浆来模拟真实岩石,用玻璃纤维增强塑料作为锚杆材料,研究锚杆对三维表面裂隙岩体的加固止裂效果。结果表明,锚杆提高了裂隙岩体的变形模量和单轴抗拉强度,变形模量随锚固角的增大而增大,而单轴拉伸随锚固角的增大先增大后减小,当锚固角β=45°时,锚杆对单轴抗拉强度的提高幅度最大;锚杆通过其抗滑移和抗剪切性能使裂隙岩体避免发生脆性破坏,并且在预置裂隙起裂之后存在不同程度的残余强度;单轴拉伸条件下加锚或无锚裂隙试件的破坏均以预置裂纹尖端为突破口产生翼裂纹,其扩展方向大致与轴向拉应力方向垂直。当锚固角小于某个临界值时,会有次生裂纹产生;拉伸条件下,含裂隙试件的破坏机制是张拉型裂纹的贯通作用。     

含预制裂纹大理岩的压剪试验分析

采用含预制裂纹大理岩块试件对单轴压缩荷载作用下的裂纹扩展及裂纹搭接进行试验研究。试验表明含预制裂纹试件的临界失稳荷载、破坏时的应变及弹性模量都明显降低,原生裂纹的方位对产生何种裂隙有显著的影响,岩桥区尺寸对翼裂的萌生和扩展有显著的影响,使试件表现出完全不同的破坏方式。试验中观察到预制裂纹尖端萌生的裂纹有张拉型的翼形裂纹、压剪型的二次裂纹和翼裂反向裂纹等多种形态。试验观测还表明大理岩翼形裂纹的起裂角为52°～68°之间,而模型材料试验的结果为77°左右,这表明模型材料并不能完全模拟真实岩体的特性。     

冲击荷载下缺陷介质裂纹扩展的DLDC试验

采用数字激光动态焦散线试验系统,利用落锤冲击含预制裂纹(倾斜角度分别为0°,30°,45°)的缺陷介质,研究裂纹扩展的动态行为.结果表明:冲击荷载下,裂纹会于预制裂纹一端起裂,扩展至整个试件,且扩展路径指向重锤落点;主裂纹尖端的动态应力强度因子振荡增大又减小,然后增大至最大值时主裂纹起裂;次裂纹起裂前,KId振荡变化,起裂后迅速增大后振荡减小;主裂纹起裂后,速度迅速减小;次裂纹扩展速度先增大后振荡减小,与KId的变化趋势保持一致;含缺陷的冲击断裂试验中,主裂纹起裂时间较晚.     

预制裂隙类岩石材料的分步卸载试验研究

采用聚乳酸(PLA)树脂材料预先充填开挖卸载区域、预埋云母片的方法制作类岩石裂隙试件,利用聚乳酸的热熔特性进行了分步开挖卸载试验研究。结合微裂纹扩展过程、发育形态、破坏面受力特征以及卸载破坏的应力应变关系,分析了预制裂隙在分步卸载下的起裂、扩展及贯通破坏机制。研究结果表明,靠近开挖断面的预制裂隙尖端最初起裂有拉伸裂纹和剪切裂纹,且极易与开挖断面贯通,而远离开挖断面的尖端最初起裂均为拉伸型翼裂纹。法向应力较低时,裂纹扩展所需的卸载步较多,更易引起裂隙尖端拉伸裂纹的扩展;法向应力较高时,裂纹扩展所需的卸载步较少,更易引起剪切裂纹的萌生与扩展。翼裂纹拉伸贯通与次生倾斜裂纹拉剪复合贯通的速率较慢,表现出明显的塑性屈服特性,而次生共面裂纹的剪切贯通速率较快。     

层理和预制裂纹方向对煤断裂力学性质影响规律试验研究

为研究层理和预制裂纹方向对煤断裂力学性质的耦合影响规律,对半圆(SCB)切槽煤样开展准静态加载试验,并对试样变形破坏过程中的声发射进行监测。将煤视为横观各向同性体,采用有限元软件标定了试样的形状因子,获取了更符合实际情况的断裂韧度。结果表明：不同层理和预制裂纹方向组合试样的加载曲线和断裂载荷差异显著。试样的断裂模式和断裂韧度受层理与预制裂纹方向共同影响。断裂韧度随层理与加载方向夹角变小而降低,而倾斜预制裂纹会进一步削弱试样抵抗裂纹扩展的能力。拉伸破坏主导了预制裂纹的起裂扩展过程,试样的扩展路径表现出显著的各向异性特征。根据最终裂纹形态,可将试样的宏观破坏模式分为4类。加载过程中试样产生的声发射与载荷–时间曲线相对应,由于发生破坏的结构不同,起裂后的撞击数随层理和预制裂纹方向改变发生明显变化。外载作用下,试样内部不断产生拉伸和剪切微裂纹而发生损伤,其损伤演化过程与层理和预制裂纹方向紧密相关。在不同加载水平区间内,拉伸微裂纹占据主导地位,剪切微裂纹占比相对较低;随着加载水平增加,微裂纹持续发育扩展,试样损伤不断累计,最终发生起裂破坏。     

水压作用含贯穿裂隙类岩石试件力学性能研究

裂隙水压的存在,会使节理岩体的力学特性发生变化,从而影响富水地区地下工程围岩的稳定性。因此,需要对含水岩体的力学性质进行研究。以类岩石材料模拟节理岩体,通过室内单轴压缩试验,研究在水压作用下节理岩体的力学特性和破坏规律。针对含贯穿裂隙试件的密封裂隙水压问题,本文设计了一套夹具,成功密封住试件表面处的裂隙水通道,以保证施加水压,进而研究含贯穿裂隙的类岩石试件在不同裂隙水压条件下的裂纹扩展路径和断裂模式。研究结果表明:裂隙水压的存在能够降低含贯穿裂隙试件的起裂应力和峰值强度,且在相同水压情况下,双裂隙试件比单裂隙试件所受破坏影响更大;同时,伴随着裂隙水压的增大,预制裂隙的起裂角度减小,裂纹扩展由反翼裂纹变为翼裂纹形式且起裂时的断裂由Ⅰ型张拉断裂转变为Ⅱ型剪切断裂为主。这对于在工程建设中解决所遇到的裂隙水压问题,具有重要的指导作用。     

水–力共同作用下预制裂隙类岩石试样裂纹扩展试验研究

为研究裂隙岩体在水–力共同作用下的强度变形特征和裂纹扩展规律,使用高强石膏采用预埋薄片法制作含不同角度裂隙的类岩石试样,在围压6 MPa下,分别施加1,3,5 MPa水压,对完整及含不同角度裂隙的试样进行三轴试验,分析力学特性和破坏形态,揭示裂隙岩体在水–力共同作用下的破坏规律。试验表明,含裂隙试样随着水压的增大由延性破坏向脆性破坏转变,三轴压缩强度、峰后残余强度和弹性模量均随水压增大而减小,随裂纹倾角增大而先减小后增大,且水压对含裂隙试样力学特性的削弱程度受预制裂纹倾角的影响。完整试样破坏断裂角随水压增大而增大,并由剪切破坏向劈裂破坏转化。含裂隙试样的破坏形态主要为剪切破坏,当预制裂纹倾角较小时,含裂隙试样破坏形态受水压影响显著,高水压下试样呈"X"型破坏;当预制裂纹倾角较大时破裂面呈单一倾斜面,且角度基本与预制裂纹倾角一致。     

岩石不等长裂纹应力强度因子及起裂规律研究

天然岩体中含有数量众多的裂隙且绝大多数为不等长裂隙,而那些具有一定尺度和规模的主控裂隙对岩体稳定性起决定作用。为研究不等长裂纹相互作用规律及主控裂纹起裂规律,基于Kachanov法,推导了远场受力的两条拉剪不等长共线裂纹的尖端应力强度因子表达式并从理论上分析了裂纹间距对裂纹相互作用的影响;通过最大周向应力准则,计算了单轴受拉时不同裂纹倾角的主控裂纹起裂角,绘出理论断裂准则曲线;推算滑动裂纹的应力强度因子,对含不等长裂纹的类岩试件进行单轴压缩试验。结果表明:当裂纹间距大于等于小裂纹长度时,小裂纹对主控裂纹的起裂几乎无影响;主控裂纹起裂角只与裂纹角有关,单轴受拉时,起裂角随裂纹角增大而减小,单轴受压时,起裂角随裂纹角增大而增大;当裂纹倾角小于30°时,起裂临界荷载急剧增大。     

弯曲荷载作用下平板贯穿裂纹钻孔止裂试验研究

通过对15个预制裂纹平板试件进行疲劳加载,研究了弯曲荷载作用下钢桥面板钻孔止裂的止裂机理、钢板疲劳性能与影响止裂效果的因素。分析了钻孔后孔边萌生裂纹的起裂点、扩展路径与测点应力变化,对比了不同止裂孔孔位及孔径对试件剩余疲劳寿命的影响。研究结果表明:在弯曲荷载作用下,打孔后的再次开裂点位于原裂纹尖端前方孔壁点,并沿原裂纹方向扩展,孔边裂纹在钢板上、下表面共同扩展;随着裂纹的扩展,裂纹尖端区域能承受的最大应力值逐渐降低;该试验结果表明:止裂孔孔位在0.5 D～1.0 D之间的止裂效果较好,增大孔径可以延长钢板的剩余疲劳寿命。     

预制裂隙类岩石材料板动态压缩破坏试验研究

采用水泥砂浆制作类岩石样品,预制与加载方向成0°~90°夹角裂隙,以霍普金森杆(SHPB)为动力加载系统,结合数字图像相关(DIC)技术,分析多加载率、单裂纹多角度条件下样品失稳破坏特征。结果表明,含预制裂纹样品破坏形式主要以X型拉剪破坏为主,其强度随加载率的增大而增大,裂纹角度变化也对样品强度有一定影响。同时也捕捉了预制裂纹的初始应力场、裂纹萌生起裂全过程,并分析不同加载率、不同节理角度下复合裂纹动态起裂韧度与经典准则的相关性。试验成果对分析含节理裂隙的真实岩体破坏失稳机制有重要的参考价值。     

页岩微纳观断裂的原位观测

为了准确理解岩石微纳观裂纹起裂、扩展及演化规律,在带有拉伸加载装置的扫描电子显微镜下,对含有预制边缘裂纹的"拱形"页岩试样进行单轴拉伸试验,实时观测预制边缘裂纹尖端部位的微纳观裂纹起裂及扩展过程。在裂纹贯通后,继续原位观测主断裂裂纹边缘次级微纳观分叉裂纹的展布特征。取出样品后,在扫描电子显微镜下观测断口形貌,基于上述显微观测分析了页岩微纳观裂纹扩展的力学过程。研究表明:(1)采用含有预制裂纹的"拱形"试样更易于成功观测到页岩预制裂纹尖端微纳观裂纹的起裂及稳定扩展过程。(2)微纳观裂纹一般从预制裂纹尖端部位萌生、起裂,裂纹的横向伸展与纵向延伸相伴发生,在快速的脆性断裂前,经历短暂的裂纹稳定扩展过程。(3)微纳观次级分叉裂纹一般从主断裂裂纹边缘的天然微裂纹等弱结构面处起裂和扩展,最终在主断裂裂纹边缘区域止裂,或者前缘发生转向并与主断裂裂纹汇合。(4)主断裂面揭露出页岩矿物晶体内部的天然微孔洞和解理面、层片状矿物的层理面以及天然微裂纹,这有利于在微纳观尺度上形成微孔洞和微裂纹网络,为页岩气开采提供有效的微观通道。     

基于数字图像相关法的含填充裂隙大理岩单轴压缩破坏过程研究

采用数字图像相关方法(digital image correlation,DIC)对含不同填充裂隙大理岩单轴压缩破坏过程进行观测,通过分析破裂过程大理岩表面全局变形场的演化,结合电镜扫描(scanning electron microscope,SEM)技术,从定性和定量的角度,总结不同裂隙倾角和不同裂隙填充条件下裂纹起裂、扩展及贯通的规律。结果表明:预制裂隙倾角的变化,会对裂纹的起裂点、起裂角和岩石的强度产生不同程度的影响;而填充物的存在使得岩石的抗压强度有一定程度的提高;无论裂隙填充与否,裂隙大理岩的破坏大都为剪切和张拉共同作用的结果;由于填充物的影响,岩石在宏观上表现为翼裂纹主导的破坏形式,在细观上表现为明显的剪切破坏趋势;但当裂隙中无填充时,大理岩在宏观上则有翼裂纹和反翼裂纹这2种主导破坏形式,在细观上表现为较明显的张拉破坏趋势。因此,采用DIC方法定量描述岩石破裂过程的裂纹位移场演化,直观的判断含填充和未填充裂隙岩石断裂类型,突破了传统以经验为主判断岩石断裂类型存在的局限性,该研究有助于提升人们对含填充裂隙岩体破坏机制的认识。     

液氮致裂层理煤体热–流–固–损伤耦合模型及数值模拟研究

煤体原生层理对煤体力学性质有显著影响,为探究液氮低温致裂层理煤体裂纹扩展及劣化失稳机制,基于细观基元理论和损伤力学理论建立热–流–固–损伤耦合模型,并利用COMSOL软件模拟获得不同应力比下液氮致裂层理煤体裂纹扩展分布特征,分析压裂过程中煤体损伤、渗透率和温度的演化规律。结果表明：液氮注入煤体初期(5 s),钻孔附近与液氮接触煤体温度急剧下降形成小范围超低温区,产生的热应力超过煤体抗拉强度,在钻孔周围产生损伤破坏区域。随着液氮注入压力增加,煤体内部出现多条主裂纹,主裂纹主要沿层理方向发育并生成次生裂隙,且钻孔周围形成复杂破坏区域,煤体损伤开始增大,渗透率也随之增加;注入压力持续增加煤体进入失稳阶段,煤样内部大量裂纹贯通,煤体发生破坏,煤体损伤和渗透率也逐渐达到峰值。煤体损伤、裂隙压力与渗透率随着煤体层理角度增加呈增加后减小趋势,层理角度为45°时达到最大值;煤体损伤、裂隙压力与渗透率在应力比为0.5时达到最大,应力比从0.5增大到1时大幅减小,应力比超过1后逐渐趋于平稳。层理对煤体液氮压裂的起裂压力影响显著,不同层理角度条件下煤体液氮压裂起裂压力变化规律相似,随层理角度增加,起裂压力呈...     

开放型岩桥裂纹贯通机理及脆性破坏特征研究

端部开裂的裂隙岩体内部岩桥贯通是导致岩体突发失稳破坏的主要原因,脆性破坏特征明显。利用声发射仪和岩石力学刚性试验机,对不同长度开放岩桥开展单轴压缩试验,结合高速摄像机记录信息,分析了开放岩桥裂纹起裂、扩展、贯通规律及脆性破坏过程力学特性和声发射特征,并通过三维断裂力学理论揭示了开放岩桥裂纹起裂扩展贯通机理。研究结果表明:与闭合裂纹相比,开放裂纹岩桥主裂纹从下部预制裂纹内尖端起裂,往上部拐折扩展贯通岩桥和上端面,贯通过程岩桥发生逐次多级破坏,次裂纹主要沿主裂纹拐折处起裂扩展贯通岩桥及下端面;应力曲线表现出峰前"波动上升"和峰后"滞留–突降"特征,声发射参数"多峰值"现象明显,阶段性和突发性特征突出;同时,三维理论分析表明裂纹起始扩展方向与岩桥长度无关,沿最大压应力方向扩展。研究所得开放岩桥裂纹扩展贯通特征可为裂隙岩体突发失稳破坏过程提供理论依据。     

含预制裂隙大理岩破坏过程声发射特征研究

采用含预制裂隙大理岩块试件 ,对压剪应力场中试件破坏过程声发射特征进行研究 ,试验表明预制裂纹对试件的影响是显著的。试验观测到不同试件的不同声发射特征 ,这表明它们的损伤断裂过程的不同机制 ,对于一些以张拉型翼裂萌生、扩展为破坏机理的岩样 ,还表现出明显的二次峰值现象。锯齿型裂纹的情况较为复杂 ,其破坏具有不同于其他试件的特征 ,破坏之前有相当长一段时间 ,声发射也较为活跃 ,且增幅越来越大 ,破坏时出现最高峰值 ,破坏一瞬间的振铃累积数几乎达到全过程的一半 ,这表明含锯齿形裂纹的材料的破坏更具有突然性和不可预测性 ,对岩石材料强度以及岩体稳定性有关键的影响     

张开度影响的水平裂隙类岩试件破断试验与分析

为探究张开度影响的水平裂隙岩体破断机理,利用水泥砂浆制备不同张开度水平单裂隙类岩体试件,基于RMT-150B岩石力学试验机对制备的类岩体试件进行单轴加载试验。结果表明:同一预制裂隙长度下,随着裂隙张开度的减小,微裂纹萌生位置由预制裂隙中部向尖端转移。为验证此现象,基于PFC数值仿真平台的平行黏结接触单元构建了裂隙体数值模型进行分析,在数值计算边界条件与试验测试环境相一致的条件下,得到了与试验测试结果相一致的微裂纹起裂模式与破断特征。为进一步探究水平裂隙岩体微裂纹起裂扩展机制,结合微裂纹起裂扩展过程中数值模型颗粒位移场演化规律,基于裂纹面变形屈服特征,提出了固支梁简化计算力学模型,对不同张开度下水平裂隙岩体出现的微裂纹起裂扩展机制进行了分析和阐释。     

含预制裂隙大理岩破坏过程声发射特征研究

采用含预制裂隙大理岩块试件，对压剪应力场中试件破坏过程声发射特征进行研究，试验表明预制裂纹对试件的影响是显著的。试验观测到不同试件的不同声发射特征，这表明它们的损伤断裂过程的不同机制，对于一些以张拉型翼裂萌生、扩展为破坏机理的岩样，还表现出明显的二次峰值现象。锯齿型裂纹的情况较为复杂，其破坏具有不同于其他试件的特征，破坏之前有相当长一段时间，声发射也较为活跃，且增幅越来越大，破坏时出现最高峰值，破坏一瞬间的振铃累积数几乎达到全过程的一半，这表明含锯齿形裂纹的材料的破坏更具有突然性和不可预测性，对岩石材料强度以及岩体稳定性有关键的影响。     

含多裂隙岩体裂隙扩展与贯通的室内试验研究

采用石膏配制类岩石材料,制作了含五裂隙的中尺寸试件进行室内单轴压缩试验。采用PMLAB DIC-3D系统进行试验过程的图像采集和试验后的数据分析,对最终裂隙扩展形式、裂隙宽度及起裂应力等方面开展研究,探讨了含多裂隙岩体在单轴加载条件下预制裂隙扩展和贯通规律。结果表明:所有试件在破坏时均产生主裂隙;预制裂隙的存在对新生裂隙的生成条件、宽度以及分布有很大的影响;虽然新生裂隙产生的先后次序规律并不明显,但是开裂荷载与对应峰值荷载的比值随着预制裂隙角度的增加而呈现出先增大后减小的趋势。