基于改进刚体弹簧方法的断续双裂隙砂岩强度及裂纹扩展特征研究

为研究含非共面双裂隙砂岩的强度及裂纹扩展特征,以室内试验结果标定砂岩细观参数,建立含不同岩桥倾角的双裂隙数值计算模型,采用改进刚体弹簧方法对其单轴压缩过程进行模拟。基于模拟结果,研究了岩桥倾角对起裂应力、峰值强度、破坏模式和裂纹扩展特征的影响。结果表明:岩桥倾角60°,起裂应力和峰值强度均随岩桥倾角增大而减小,岩桥倾角60°,均随岩桥倾角增大而增大;根据岩桥倾角不同,裂隙试样破坏模式呈现单一翼裂纹轴向贯通破坏、翼裂纹与翼裂纹搭接贯通破坏和翼裂纹与预制裂纹搭接贯通破坏3种类型;岩桥倾角对岩桥破坏程度有影响,60°岩桥贯通最易,0°和120°岩桥贯通最难。研究结果可为岩土工程的稳定分析提供参考。     

含预制双裂纹试样岩桥贯通模式的数值研究

当双裂纹岩体破坏时,不同裂纹之间的应力场会相互作用,岩桥区域会发生贯通。将应变强度准则嵌入到二次开发的扩展离散元UDEC中,模拟了含预制双裂纹试样的拉伸裂纹及剪切裂纹的扩展。数值模拟结果发现双裂纹试样在单轴压缩过程中会出现4种岩桥基本贯通模式:（1）伴随着2条预制裂纹尖端的翼裂纹独立逐渐扩展,但岩桥区域不发生贯通的不贯通模式;（2）在岩桥区域内,主应力场及切应力场集中,产生剪切裂纹贯通岩桥,切应力对贯通起主导作用的剪切贯通模式;（3）在岩桥区域内,主应力场高度集中,岩桥贯通具有瞬时性,拉伸裂纹贯通岩桥的拉伸贯通模式;（4）在拉力与剪力共同作用下,试样达到强度最高峰值后产生的拉剪混合贯通模式。通过与室内试验对比,将应变强度准则运用到数值模拟分析中可以更准确描述细观破坏时应力应变及岩桥贯通的变化,丰富了多裂纹岩样在细观力学中的贯通机理,为研究岩体细观破坏提供数值模拟参考。     

不同应变速率下双裂隙红砂岩力学特征试验研究

节理岩体在外力扰动下的失稳破坏往往对工程产生较大影响。为探究应变速率对节理裂隙岩体力学特征的影响,室内采用不同加载速率对含两条预制裂隙的红砂岩试样进行单轴加载试验,在此基础上利用数值分析软件进行模拟和分析,并对试验结果进行验证。试验结果表明：在不同加载速率下,含预制双裂隙红砂岩破坏过程大致相同;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;随着加载速率的增加,在预制裂隙两端萌生的裂隙数量逐渐增多,裂隙的扩展方向更多样,扩展的距离也更远,导致试样逐渐从局部破坏形式向整体破坏形势发展。利用FLAC3D软件数值分析得到,随着加载速率的增加,单轴压缩荷载作用产生的塑性区范围变大。     

直剪条件下不同宽度岩桥破坏特征试验研究

通过直剪条件下的力学模型试验, 结合对模型破坏过程中声发射特征参数的分析,揭示了岩体在不同宽度岩桥和法向应力条件下的破坏特征。结果表明随着岩桥宽度的增加,破坏面起伏度、粗糙度都相应增大;随着法向应力的增加,破坏面的起伏程度和粗糙度减小,峰值剪切应力不断增大;不同岩桥宽度和法向应力导致岩体产生不同方式的破坏,包括剪断破坏、拉剪复合破坏和剪切破坏;声发射阶段性特征与岩桥贯通破坏过程一致,声发射事件数峰值随岩桥宽度和法向应力的增大而增大,其峰值出现时间在剪切应力达到峰值之后。研究结果为判别不同宽度岩桥变形与破坏各个阶段提供依据。     

基于PFC2D的断续岩桥直剪强度特征及能量演化机制研究

针对不同连接率断续节理岩体,基于ＰＦＣ２Ｄ颗粒流程序在不同法向应力下进行直剪试验,研究其剪切破坏过程及强度特性。数值模拟结果表明:断续岩桥的贯通破坏过程具有明显的阶段性,可根据剪切应力曲线以及微观裂纹扩展特征将其大体分为４个阶段;断续岩桥的初裂强度和剪切峰值强度与法向应力成正相关而与节理连通率成负相关,初裂强度百分比对法向应力变化不敏感而随着节理连通率的增加而增加;岩体内部能量的演化过程能较好的匹配断续岩桥的贯通破坏过程,可将应变能、耗散能的突变点作为断续岩桥贯通破坏的标志,耗散能对法向应力的变化较节理连通率更为敏感。     

含平行裂隙节理岩体的破坏规律研究

对含平行裂隙相似材料试件进行单轴压缩试验,并用PFC3D模型进行了模拟。通过试验和DEM结果对比分析,探讨了含平行双裂隙岩体在单轴压缩下的破坏规律。研究结果表明:在变形破坏阶段,当轴向应变达到0. 02后,应力-应变曲线出现"双峰"现象;抗压强度随预制裂隙倾角的增大呈非线性变化。预制裂隙倾角较小时(≤45°),抗压强度随裂隙倾角变化规律不明显。预制裂隙倾角在45°时,试块抗压强度最低。预制裂隙倾角较大时(≥45°),抗压强度随裂隙倾角的增大而增大;裂纹起裂区域均位于两预制裂隙中间区域。随着预制裂隙倾角的增大,萌生裂纹的端点位置从两端点均在预制裂隙中间,向一端点位于裂隙中间另一端点位于预制裂隙顶端,到两端点均位于预制裂隙顶端转变;试件不同预制裂隙倾角对应不同的岩桥倾角,岩桥倾角较大时(≥60°),岩桥倾角与抗压强度呈正相关关系。     

含缺陷岩样三轴压缩变形破坏过程颗粒流模拟

为了研究岩桥倾角α对岩石力学行为和裂纹扩展机制的影响,采用PFC3D程序中的颗粒平行黏结模型,通过“试错法”获得一组能够反映完整花岗岩宏观力学特性的细观参数,并建立不同α下微孔洞与平行裂隙①、②组合的数值模型,对三轴压缩中岩样变形破坏过程进行了模拟分析。结果表明:α对起裂强度与峰值强度的比值未见显著的影响;当α=0°和75°时,裂纹扩展模式相似,裂隙①、②内外尖端均产生翼型裂纹,随后与微孔洞贯通;当α=15°、30°和90°时,裂纹的扩展模式比较接近,裂隙①、②内外尖端也可见翼型裂纹;当α=45°、60°时,裂纹呈类似方式扩展,裂隙①、②与微孔洞之间在剪切面上出现裂纹贯通,且在裂隙①、②外尖端有剪切裂纹,此时平行裂隙和微孔洞在剪切面上;剪切裂纹远多于拉伸裂纹,且微裂纹是从初始损伤部位开始扩展的。     

非贯通裂隙软岩单轴压缩强度特征及贯通机制研究

为了解非贯通裂隙软岩单轴压缩强度特征及其贯通机制,以非贯通裂隙软岩试样为研究对象,进行单轴压缩破坏试验,得到不同裂隙排数、倾角及贯通深度条件下非贯通裂隙软岩试样的强度特征,对破坏试样的裂纹和破坏面进行分析,得到非贯通裂隙软岩试样的裂纹类型和贯通机制。不同裂隙特征参数条件下的对比研究成果表明:不同裂隙排数及贯通深度的非贯通裂隙试样均以30°倾角试样强度为最低,这与贯通裂隙试样存在差异。分析不同裂隙排数及贯通深度的非贯通裂隙试样的强度参数,发现30°倾角试样的黏聚力最低,只有完整岩样黏聚力的43.53%;而倾角相同时,不同裂隙排数的试样强度均随裂隙贯通深度的增加而降低。受荷条件下裂隙间的多次贯通使得非贯通裂隙试样呈现出局部渐进破坏特征,扩展裂纹以次生裂纹为主,翼裂纹初期发育后逐渐停止扩展。裂隙排数对试样贯通机制起主导作用,单排裂隙基本以Ⅰ型张拉破坏为主(60°倾角试样除外),而双排裂隙则以Ⅱ型剪切破坏为主。研究成果对解决实际工程中遇到的破裂岩体强度计算问题和破坏机制问题具有参考价值。     

岩样单裂隙几何参数对其破坏模式与强度的影响

在含单裂隙岩体的试验中,对裂纹类型和试样破坏模式的研究可以帮助预测裂纹的萌生、扩展等现象,然而在工程结构设计中,应该更加关注岩体的承载力,即破坏强度。为了研究裂隙与岩体强度的关系,采用FLAC^3D建立相应试样的数值计算模型,同时改变其中单裂隙的倾角、长度等参数,通过对多组试样的加载试验,研究了单裂隙的几何参数(裂隙倾角、长度和张开度)对岩样破坏强度的影响。结果表明:随着裂隙长度的增大,试样峰值应力不断降低;随着裂隙倾角的增大,试样峰值应力整体呈增大趋势,但是当倾角<60°时,增长较缓慢,当倾角>60°时,峰值应力迅速增大;在试验范围内,随着裂隙张开度的增大,试样峰值应力基本保持不变。研究成果可为预测含单裂隙岩体的裂纹扩展和强度提供参考依据。     

渠道防渗混凝土三轴力学破坏特性试验研究

文中利用混凝土材料三轴试验系统,针对前海灌区渠道水工混凝土防渗材料开展力学破坏实验研究.分析研究了混凝土试样三轴应力应变特征与加载速率之间关系,以及围压对混凝土试样三轴力学特征影响特性,分析得出:高加载速率可提升三轴强度,无机材料掺率或砂率愈大,则加载速率促进强度增长效应愈显著;峰值应变随无机材料掺率增大,但随砂率为先增后减变化;三轴强度、峰值应变均与围压为正相关关系,但水胶比参数降低,则围压促进强度增长幅度及峰值应变增长幅度均减小.研究成果可为农业灌区水利工程中混凝土材料设计应用提供重要参考.     

含三维内裂纹透明类岩石材料破坏红外热像试验研究

由于目前针对含三维内裂纹的岩石破坏红外热像特征的研究较少,本文基于预埋浇注法制作含内裂纹类岩石试件,开展了单轴压缩块体试验和巴西圆盘劈拉试验,得到含内裂纹的岩石破坏过程,监测内裂纹扩展及试件破坏过程中的红外热像特征,得到以下结论:(1)含三维内裂纹的块体试件在单轴压缩下,在预制内裂纹面上发生剪切破坏;(2)块体试件在单轴压缩作用下红外热像特征明显,在破坏时,在预制内裂纹面处急剧升温;(3)含三维内裂纹巴西圆盘试件在预制内裂纹尖端发生翼型裂纹扩展,边缘带有针刺状Ⅲ型裂纹参与特征,最终翼型裂纹与上下表面贯穿;(4)巴西圆盘试验的红外热像特征与块体单轴压缩不同,在断裂面处未发生明显变化。研究结果为研究三维内裂纹的扩展规律及内裂纹扩展破裂的红外热像规律可提供一定的试验参考。     

半圆弯拉下岩石内裂纹扩展规律数值模拟研究

岩石内部固有缺陷的存在和扩展是导致其断裂的重要因素,半圆弯拉试验是该领域的重要实验。为研究半圆弯拉下含三维内裂纹试件扩展路径及断裂特性,基于Franc3D有限元自适应网格划分技术开展含三维内裂纹SCB试样数值模拟,结果表明:(1)基于Franc3D软件的三维裂纹扩展与室内试验具有较好的一致性,该软件是三维裂纹数值模拟的重要工具。(2)通过M积分得到裂纹尖端应力强度因子,分析得出对称加载模型为K_Ⅰ与底部加载跨距呈正相关的Ⅰ型断裂模式;非对称加载模型中出现复合断裂模式,随着右侧加载跨距的增加,K_Ⅰ先降低再升高,K_Ⅱ及K_Ⅲ先变化至0,再逐渐升高。(3)基于最大拉应力准则得到裂纹扩展路径,对称加载模型在I型断裂模式下进行平面扩展后破坏,非对称加载模型出现复合断裂模式,伴随翼型起裂并扩展至破坏。(4)定量分析对称加载模型裂纹内部扩展规律得出,裂纹下端扩展速率最大,上端扩展速率最小。     

节理软岩压缩破坏后崩解特性试验研究

为了解压缩破坏后节理软岩的崩解特性,对节理软岩进行了三轴压缩破坏试验,得到节理软岩压缩破坏后的试样,通过表面裂缝描图得到破坏试样的宏观裂隙特征,CT扫描得到破坏试样的微观裂隙特征。以压缩破坏后的节理软岩为研究对象进行室内干—湿循环崩解试验,根据试样的崩解率和相关崩解破坏机理,研究节理软岩压缩破坏后的崩解特性。试验结果表明:压缩破坏后的节理软岩一次干—湿循环后的崩解率可高达36.51%,其崩解速度远大于完整软岩。崩解速度最大的试样第一次干—湿循环后的崩解率高达36.51%,而崩解速度最小的试样第一次干—湿循环后的崩解率只有3.16%,几乎不崩解。分析表明节理软岩压缩破坏后的崩解特性是由岩样压缩过程中产生的微观裂纹和宏观节理裂纹共同决定的,且受荷破坏形成的宏观裂纹越多、裂纹越长、裂纹交叉越多则崩解速度越快,崩解性越强。黏土矿物成分占比是决定软岩崩解性和崩解类型的主要内在因素,蒙脱石、绿泥石、伊利石等黏土矿物会加快软岩崩解速度。     

单轴压缩状态下类岩石材料水力劈裂试验

采用自制水泥砂浆作为类岩石材料进行试验,研究内水压力和单轴压缩耦合作用下岩体的破坏规律。制作带有中心预制裂缝的立方体试样,利用自行研发的内水压力与轴向压力加载装置,在固定内水压力加载速度和轴向压力大小的前提下,对不同材料强度和尺寸的试样,以不同轴向压力加载方向进行了水力劈裂试验。试验结果表明:轴向压力加载方向对裂缝尖端的起裂角度有一定影响,在固定内水压力加载速度下,裂缝内水压力上升速度与试样强度正相关;轴向压力方向无论是与预制裂缝走向平行还是垂直,都会加快内水压力上升速度;试样水力劈裂临界水压力与试样强度正相关;轴向压力加载方向对单裂缝试样水力劈裂影响较大,轴向压力方向与裂缝走向垂直时对裂缝开裂起抑制作用,轴向压力方向与裂缝走向平行时对裂缝开裂起促进作用。     

页岩结构面原位剪切特性及裂缝扩展试验研究

针对次生断裂构造挤压形成倾角差异的外倾单斜页岩,通过原位直接剪切试验,研究页岩结构面抗剪强度特性与裂缝扩展模式。试验结果表明:页岩结构面剪切应力与剪切位移曲线具有明显的阶段性,当结构面倾角处于24°～30°时,岩体存在峰值强度与残余强度阶段,当结构面倾角处于30°～38°时,岩体处于无残余强度阶段;页岩压剪裂缝扩展形态主要有4种,即沿单一层面开启的单裂缝、沿多个层面开启的裂缝网、贯穿基质体的转向裂缝,以及沿天然裂缝尖端开启的裂缝;胶结较弱的结构面易形成裂缝,岩层薄弱处易发生裂缝方向转向并形成贯穿多个层面的"台阶状"裂缝网,在主裂缝周边会产生定向排列的"雁列式"裂缝,进一步扩展与结构面贯通,使得岩体形成多条贯通性裂缝;页岩结构面压剪试验裂缝贯通模式为结构面剪切贯通裂缝、基质体张拉贯通裂缝、天然裂缝处张拉贯通裂缝、拉剪复合型贯通裂缝。研究成果有利于进一步认识倾斜岩层层面剪切力学特性,为顺层岩质边坡稳定性评价提供参数。     

单轴压缩下不同裂隙张开度岩石破坏数值模拟

为了研究不同张开度裂隙岩体单轴压缩过程中的力学特性,以裂隙试样室内试验结果标定岩体细观参数,采用改进刚体弹簧元法对不同张开度裂隙试样压缩破坏过程进行数值模拟。结果表明:试件峰值强度随着裂隙张开度的增大表现出先增大后减小,最后维持稳定的规律;根据微裂纹起裂位置,将不同张开度裂隙岩体破坏模式总结为3类,并得出最终失稳破坏本质上都是由张拉所致的结论;随轴向应变增加,试件内部微裂纹的发育速度逐渐提高,但剪切裂纹数量远小于张拉裂纹;最后通过位移场演化规律从细观层面揭示了微裂纹开裂的力学机理。     

基于应力与速度时程分析的边坡开挖爆破裂纹扩展研究

为研究边坡单孔爆破过程中裂纹扩展形态特征,利用ANSYS/LS-DYNA建立边坡单炮孔模型,基于爆破过程中能量释放的2种形式对裂纹形态进行模拟分析,并对3处不同位置的裂纹尖端单元进行应力与速度时程曲线对比分析。研究表明:以连续的裂纹尖端单元应力变化率与速度变化率为参数可用于分析不同裂纹扩展形态,随裂纹尖端处应力变化率增大易产生轴向延伸,随速度变化率增大易产生径向延展;模拟得出两裂纹平均应力波变化率之比约为2.25倍,与不同药包形式的应力波衰减比例关系较为吻合。研究成果可为岩体开挖爆破设计提供一定的参考。     

现场岩体直剪试验声发射特征及其破坏机制

尽管应用声发射对岩石破裂过程的研究取得了诸多成果,但主要集中于小尺寸（≤10 cm）的岩块,对较大尺度（≥50 cm）岩体破坏机理研究还较少。采用最新的SAMOS声发射系统,对节理岩体现场直剪试验过程进行声发射测试。通过现场岩体直剪破坏过程中声发射特征参数与频谱特性研究,揭示了节理岩体破坏机制,深化了对岩体破坏机理的认识。测试结果表明节理岩体破坏过程中,声发射信号的主频范围为40～120 kHz,其直剪破坏过程可分为4个阶段：①弹性变形阶段,岩体内部没有声发射事件;②起裂阶段,声发射事件很少,岩体内部仅有少量的裂纹产生;③扩展阶段,声发射事件缓慢增加,岩体内部微裂纹不断扩展;④破坏阶段,声发射事件大量增加,微裂纹不断扩展贯通,岩体出现宏观破裂。根据研究结果可知：与传统的破裂从前端开始的观点不同,岩体试件中后端最先出现声发射定位事件,表明微破裂开始发生在岩体试件的中后端;随着剪应力的增加,声发射定位事件逐渐前移,当岩体进入破坏阶段后,微破裂集中于剪切面局部,岩体产生局部破裂化。     

岩体尖端裂纹扩展特性研究

岩体在压剪状态下的力学特性研究应用至今已有十余年,发展比较完善。而对于拉剪应力状态下岩体的力学特性,以及在拉剪应力状态下岩体的损伤扩展与演化方面的研究成果较少。为此,对岩体在拉剪应力状态下岩体的损伤扩展与演化进行理论分析研究,在前人提出的裂纹尖端塑性区内方向应变能概念的基础上,基于岩石破坏准则,对复合型裂纹扩展进行了研究,研究成果对解决实际岩体工程问题有一定的参考价值。