不同倾角裂隙粉砂岩扩展过程试验与模拟

为研究裂隙扩展及最终破坏形式,以淮北矿区顶板粉砂岩为例,基于岩石力学伺服试验,结合岩石力学理论概化试验模型,利用离散元PFC~(2D)建立数学模型,通过调整预制裂隙水平角度分析岩石试样裂纹萌生、扩展及最后破坏过程。研究结果表明:采动破坏下,裂隙倾角越大,岩体所受压应力越大,裂隙越容易闭合;不同倾角裂隙岩石破坏形式基本相同且多为轴向裂隙贯通或劈裂;随荷载增加,预置裂隙端部首先萌生微裂纹,达到应力峰值之前微裂纹增长缓慢,微裂纹数目逐渐增加进而发展为包裹状裂纹,最后发展成主生裂纹,微裂纹数目与裂隙倾角呈正相关;荷载继续增加,预置裂隙边界产生反翼裂纹,内部裂隙发生贯通,岩石发生破坏;裂隙扩展程度与裂隙倾角呈负相关。     

煤岩体拉伸失稳破坏电荷感应规律研究

 为研究不同类型煤岩试样拉伸破坏过程自由电荷运移规律,以巴西圆盘劈裂试验为基础建立煤岩拉伸失稳破坏全程电荷监测系统。试验中分别对砂岩、泥岩及煤体拉伸失稳动态破坏过程进行实时电荷监测,得到煤岩体拉伸破坏过程中的力学特征和自由电荷运移规律。研究结果表明：煤岩体拉伸过程中有自由电荷产生,电荷信号异常区域对应于煤岩劈裂试验中应力突变阶段,煤体拉伸破坏所产生的自由电荷相对于砂岩、泥岩更为丰富,煤体断裂后的残余强度依旧使得电荷信号有较大波动,而砂岩、泥岩试样断裂后的残余强度却使得电荷信号波动较小。煤岩体拉伸与压缩破坏电荷感应规律不同,拉伸失稳破坏过程中拉应力造成裂纹扩展进而导致损伤局部化是电荷信号异常的重要原因之一。     

应力波作用下含颗粒脆性材料裂纹扩展数值模拟

运用岩石破裂过程分析软件RFPA-dynamics,对应力波作用下含颗粒脆性材料的裂纹扩展过程进行了数值模拟,分析了软硬颗粒及双向荷载对裂纹扩展的影响。结果表明:(1)软硬颗粒对裂纹扩展方式有一定影响:表现在硬颗粒模型中,裂纹水平扩展长度较长,且出现羽状结构裂纹,软颗粒模型裂纹水平扩展长度较短,未出现明显羽状裂纹,空洞模型出现裂纹绕行现象;(2)颗粒与基质弹性模量比值是影响含颗粒物的岩石材料裂纹路扩展方式的主要因素,而各自弹性模量绝对值对其影响不大;(3)双向动态荷载作用下,裂纹在分支前均会沿着初始裂缝的方向前进一段距离,不同荷载比率下试样的裂纹扩展方式不同,表现在随着荷载比率增大,裂纹分叉的角度增大,裂纹扩展距离减小。     

含裂隙充填节理岩体的压剪断裂机制研究

节理弱面是造成岩体力学性能弱化的主要因素,而充填物质的非均质性将显著影响节理岩体的剪切力学特性。考虑压剪应力作用下贯通性节理充填物中沿节理方向裂隙对节理岩体断裂特性的影响,制取含不同长度初始裂隙的充填砂浆节理岩体试样,在单轴压缩作用下研究含裂隙充填节理岩体的压剪断裂机制及初始裂隙尺寸对节理岩体破裂模式和断裂能的影响规律。试验结果表明:(1)单轴压缩作用下,充填节理岩体的失稳过程分为断裂和摩擦两阶段,前者为节理内裂隙的起裂、扩展到贯通过程,峰值强度后承载力迅速降低,之后因宏观破裂面的压剪摩擦作用而出现强化现象,直至剪应力达到其抗剪强度而失稳破坏;(2)随着充填体内初始裂隙长度增大,试样峰值荷载线性减小,峰值脆性断裂特征更加明显;(3)无初始裂隙节理试样破裂过程中裂隙在节理内分布均匀,而含初始裂隙试样断裂从裂隙尖端开始,向充填体和花岗岩块体黏接面扩展贯通,充填体内裂隙集中而密度较低;(4)采用节理韧带体积Vjc改进断裂能计算公式,计算充填节理岩体压剪断裂能Gf-V;基于充填节理的断裂机制,提出局部断裂能gf-V沿韧带双线性分布的前边界效应模型,解释了平均断裂能Gf-V随初始裂隙长度增大而减小的原因,试验结果验证了模型的正确性。     

循环荷载作用下含缺陷岩石破坏特征试验研究

 采用水泥砂浆材料和充填材料模拟含缺陷岩石,分别对含孔洞、柔性充填物及刚性充填物试样进行低周疲劳试验,观察含缺陷试样的疲劳破坏特征,得出含缺陷试样的轴向不可逆变形阶段性规律,研究不同缺陷对岩石类材料的疲劳寿命、疲劳裂纹萌生及其扩展的影响。试验结果表明：循环荷载作用下含缺陷岩石试样的轴向不可逆变形经历初始变形、等速变形以及加速变形3个阶段;含缺陷试样疲劳裂纹首先在有较大应力集中的缺陷与基体材料界面边缘处萌生及扩展;在相同循环加卸载条件下,预制孔洞直径越大,对应的孔洞试样疲劳寿命越短;刚性充填物试样最容易发生疲劳破坏,孔洞试样次之,柔性充填物试样疲劳寿命最长。     

GFRP锚杆结构预应力锁定装置研制与现场试验

纤维增强聚合物(FRP)筋耐腐蚀,抗拉强度高,弹性模量小,用于边坡加固锚杆结构是解决钢筋锚杆结构耐久性问题的途径之一,预应力FRP锚杆结构是合理型式。FRP筋抗剪强度低,钢筋锚杆施加预应力采用的刚性夹具不能用于FRP锚杆。基于端部封闭的钢套管充填膨胀剂锚固FRP筋法,设计了FRP锚杆预应力施加及锚索装置,并进行了现场试验。试验结果表明:预应力锁定装置的原理可行,结构合理,使用方便,能较好地完成玄武–玻璃纤维增强聚合物(B-GFRP)锚杆的预应力施加和锁定,经历外部环境变化检验,降雨、震动等环境影响产生的预应力损失均缘于杆体界面的黏结蜕化,没有发生锁定装置失效导致荷载明显损失的现象。B-GFRP锚杆的预应力损失百分率在5%~35%间,达到了精轧螺纹钢锚杆预应力损失的控制标准。     

单轴压缩条件下土石混合体开裂特征研究

土石混合体作为一种物质成分和内部结构特征极为复杂的多相多组分散粒材料,其破坏是一个复杂的结构变化过程。应用CT试验和数值模拟方法研究土石混合体的变形破坏特征,指出开裂是土石混合体区别于其他地质体变形破坏的一个显著特征。土石混合体破坏的根本原因是块石与土体的弹性不匹配和土–石界面的差异滑动,破坏的实质是内部裂纹产生、扩展、互锁和贯通的过程。通过对土石混合体开裂机制的研究得出以下结论:(1)基于CT试验的变形特征分析表明试样、块石包裹体及其邻近土体三个感兴趣区域的CT数随应力水平的增加而不断减小,且块石包裹体的CT数变化较土体更为敏感。(2)数值模拟结果表明试样破坏过程经历了土石结合裂纹的萌生、慢裂、快裂致贯通破坏的过程。土石接触面是最薄弱的部位,荷载作用下界面差异滑动引起裂纹的产生,随后裂纹沿块石边界缓慢扩展直至扩展到土体中,受块石形状及分布的影响,裂纹会出现局部化发展和互锁现象。大量裂纹在土体中快速扩展聚集引起试样的破坏。(3)土石混合体的破坏具有渐进性的过程,破坏可分为三级:一是土–石界面的开裂,二是土体中裂纹的扩展、聚集和贯通并且最终导致试样的破坏,三是针对软弱的片岩块石的穿石破坏。     

平行双裂缝圆盘试样裂纹扩展过程的尺寸效应试验研究

针对含多条裂缝不同尺寸的岩石受载时内部裂纹扩展及贯通存在尺寸效应的问题，制作了直径分别为50,100,150和200 mm的平行双裂缝砂岩圆盘试样，其厚度、裂缝长度和裂缝间距随直径等比变化。在GCTS RTX–3000试验机上对圆盘试样进行静态加载试验，采用声发射(acoustic emission,AE)和数字图像相关(digital image correlation,DIC)技术对试样的裂纹扩展过程进行监测。结果表明：随试样尺寸的增加，破坏载荷呈线性增长趋势，预制裂缝对试样承载能力的削弱作用增强，试样破坏单位体积消耗的能量逐渐减小；多裂纹扩展存在相互竞争机制，裂纹的起裂顺序决定着扩展方向，直径50,100和200 mm的试样裂纹扩展具有同方向性，直径150 mm的试样裂纹相向扩展；通过AE准确反映了试样内部的损伤演化过程，运用DIC技术将裂纹扩展过程数值化，能够精确分析裂纹的张开位移和扩展速度；不同尺寸试样裂纹扩展速度的变化规律相似，即裂纹以一个较低的初速度开始扩展，并在很短的距离内达到峰值速度，之后扩展速度急剧下降，末段裂纹扩展速度缓慢减小并趋于稳定。     

3D打印混凝土硬化后断裂机理试验研究

为了研究3D打印混凝土硬化后的断裂机理，针对常规浇筑混凝土和三种不同打印路径混凝土，开展了劈裂抗拉强度和三点弯试验，利用声发射技术监测了断裂过程。结果表明：打印混凝土的劈裂抗拉强度、抗弯强度、延性和断裂能均小于常规浇筑混凝土；当平行于荷载方向上条间界面（水平条带之间界面）数量增加时，断裂面上材料完整性被削弱的程度愈大，劈裂抗拉强度、抗弯强度、延性和断裂能愈小；打印混凝土内部界面对微裂缝的开裂模式有影响，随着材料完整性削弱程度的增大，剪切裂缝数量占比愈大；通过衰减系数反映微观断裂与打印混凝土宏观断裂力学性能之间的关系，发现随着剪切微裂缝数量占比衰减系数的增加，抗弯强度、延性、断裂能衰减系数减小，两者近似呈线性关系。     

基于损伤断裂理论的岩石破坏机理研究

首先建立单一微裂纹在单轴压缩荷载作用下的力学模型,求出裂纹端部的应力分量。然后采用最大周向应力理论（σθ准则）,求出岩石的断裂角,得出断裂角只与裂纹和荷载方向的夹角有关。在压-剪复合应力状态下,裂纹将沿着初始断裂角θ0的方向开始扩展。进而得出岩石的宏观断裂模式,即裂纹的发展形状是折线形的,最终详细地阐述了岩石的破坏机理。     

三维裂隙组扩展及贯通过程的试验研究

 采用一种透明性良好、在低温下呈脆性破裂特征的非饱和树脂材料,制作一些含三维裂隙组的试样(原生裂隙采用薄铝片进行模拟),研究单轴压缩条件下平行三维裂隙组的扩展与贯通过程。试验结果表明：试验早期阶段,各裂隙在端部均以包裹式翼裂纹起裂,并独立地扩展。随着各裂纹间相互作用的加强,会引起次生裂纹在预置裂隙端部附近反向扩展的现象,并形成一种新的断裂模式——包裹式反翼裂纹。最终,试样被包裹式翼裂纹与反翼裂纹主导的宏观破裂面所劈裂,并且裂纹在整个断裂过程中能够始终保持一种稳定的扩展。此外,裂隙组的分布方式将影响着三维裂纹的扩展参数,尤其是对裂纹初始扩展角的影响较大,使得包裹式翼裂纹的扩展角约偏转了10°。最后,讨论了三维裂隙组断裂的基本模式与断裂机制。     

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...     

Experimental study on fracture mechanism of hardened 3D printed concrete

为了研究3D打印混凝土硬化后的断裂机理，针对常规浇筑混凝土和三种不同打印路径混凝土，开展了劈裂抗拉强度和三点弯试验，利用声发射技术监测了断裂过程。结果表明：打印混凝土的劈裂抗拉强度、抗弯强度、延性和断裂能均小于常规浇筑混凝土；当平行于荷载方向上条间界面（水平条带之间界面）数量增加时，断裂面上材料完整性被削弱的程度愈大，劈裂抗拉强度、抗弯强度、延性和断裂能愈小；打印混凝土内部界面对微裂缝的开裂模式有影响，随着材料完整性削弱程度的增大，剪切裂缝数量占比愈大；通过衰减系数反映微观断裂与打印混凝土宏观断裂力学性能之间的关系，发现随着剪切微裂缝数量占比衰减系数的增加，抗弯强度、延性、断裂能衰减系数减小，两者近似呈线性关系。     

混凝土骨料影响下裂纹扩展特性的解析计算研究

混凝土骨料-浆体界面是局部裂纹等伤损的多发部位。为探究混凝土骨料影响下裂纹的扩展特性，基于弹性力学复变函数理论，提出骨料影响下裂纹尖端应力强度因子的解析计算方法；建立混凝土多尺度有限元模型并开展了现场试验，对比验证解析解的准确性；基于解析法分析了骨料位置、粒径及外部荷载等因素对应力强度因子及扩展角的影响规律。结果表明，经由解析法、有限元模型与试验结果反映出的裂纹扩展表现为相同的趋势；骨料与裂纹尖端的方位角大于45°时，骨料粒径越大，越加剧裂纹的Ⅰ型扩展，但能减轻Ⅱ型扩展；裂纹扩展在骨料半径为裂纹长半轴2倍、骨料位于裂纹尖端正上方、裂纹尖端与骨料边界重合时达到最不利状态，此时Ⅰ型应力强度因子为未考虑骨料时的1.35倍；裂纹呈偏于骨料方向扩展；当骨料位于裂纹尖端正上方，若荷载角度小于22.5°,骨料位置对裂纹扩展角影响较大；荷载角度为0°、裂纹尖端与骨料边界重合时，裂纹扩展指向骨料中心；若裂纹尖端与骨料边界不重合，扩展角在荷载角度为22.5°时达到最大值60°。     

不同注浆材料填充双裂隙类岩石试样力学特性研究

注浆是裂隙岩体稳定性控制的主要技术之一,不同注浆材料对裂隙岩体的注浆加固效果存在较大差异。选取硫铝酸盐水泥(SAC)、普通硅酸盐水泥(OPC)和环氧树脂(EPR)3种注浆材料,对预制平行双裂隙类岩石试样进行充填,开展单轴压缩试验、声发射以及扫描电镜试验。结果表明：EPR填充对裂隙试样强度最大,OPC水泥次之,SAC水泥最小。试样破坏模式则受填充材料影响突出,EPR填充试样不受预制裂纹控制,而SAC和OPC填充试样则主要由于裂隙扩展贯通发生的拉剪混合破坏。扫描电镜结果表明上述差异主要受控于不同浆液类型的浆–岩胶结特征,SAC和OPC填充浆–岩界面为覆盖型,而EPR填充则为融合型。在上述试验结果基础上,采用颗粒流程序(PFC)建立表征不同胶结模式的数值模型,分析不同注浆填充材料加固机制。数值模拟结果表明,试样加载过程中拉剪微裂纹比例、微裂纹倾角分布以及颗粒位移方向均受填充材料影响。因此,对于不同注浆材料,其自身强度和胶结性能改变了浆–岩胶结模式,影响了裂隙充填试样的受力状态,进而造成加载过程中浆液和周围岩体颗粒运动和微破裂的差异,最终影响了宏观强度特性和破坏模式。     

尾砂胶结充填体裂纹演化多尺度特征

为了研究尾砂胶结充填体在单轴压缩作用下的裂纹演化特征,利用电子万能试验机、声发射、扫描电镜和DIC技术开展单轴受载胶结充填体损伤试验,探究胶结充填体从微裂纹的萌生、扩展、贯通,直至宏观裂纹产生的多尺度演化过程。研究表明：(1)试样单轴压缩过程中破坏模式属于延性破坏,裂纹贯通形式为剪切贯通。(2)胶结充填体内部微裂隙、孔洞呈弥散、随机分布,内部形态多以块状、团状、片网状存在,内部结构较致密,整体性较好。(3)加载初期试样裂纹扩展为张拉裂纹,后期裂纹扩展为剪切裂纹,二者共同作用产生了宏观主裂纹与次裂纹,裂纹间的贯通最终导致试样破坏。(4)同一时刻不同监测点的应变变化与其所处的试样空间位置有关,越靠近试样下端面,应变越大,应变变化幅度也越大;试样存在临界破坏区域,使得弹性与塑性应变、应变增幅之间存在明显的差异性。     

FRP增强预制裂缝混凝土的断裂性能

为了探讨纤维增强复合材料(FRP)增强预制裂缝混凝土的断裂性能,得到单层FRP对不同裂缝深度混凝土的最佳增强效果,通过相同尺寸、不同初始缝高比(0.2、0.3、0.4、0.5)的FRP增强预制裂缝混凝土三点弯曲梁断裂试验,基于FRP-混凝土界面黏结滑移模型,得到了FRP增强预制裂缝混凝土三点弯曲梁的断裂性能参数.结果表明:FRP增强预制裂缝混凝土的荷载-裂缝口张开位移(P-CMOD)曲线的峰值荷载大于普通混凝土的峰值荷载,且FRP增强预制裂缝混凝土峰值荷载随着初始缝高比的增加先增大后减小;初始缝高比从0.2变化到0.5时,FRP增强预制裂缝混凝土的起裂韧度可认为是常数;随着初始缝高比的增加,FRP增强预制裂缝混凝土的失稳韧度呈先增大后减小的趋势,当初始缝高比为0.4时,失稳韧度达到最大值,表明此时增强效果最佳;相比于普通混凝土失稳荷载后的脆性断裂破坏,FRP增强混凝土断裂破坏过程中的延性得到明显提高.     

库岸危岩剪切带—基岩界面宏细观剪切贯通机制及力学特性研究

以三峡库区“板壁岩”危岩为研究背景,在总结岸坡危岩内部剪切带形成过程及基本特征的基础上,通过室内剪切试验和数值模拟手段,从宏细观的角度研究该岸坡危岩内部剪切带–基岩界面的剪切贯通机制及其力学特性。研究表明：(1)剪切带为危岩体失稳的主控因素,内部充填物质具有层状无胶结特征;(2)在常法向应力作用下,界面的破坏模式可以总结为台阶根部张裂–台阶爬坡,岩板损伤–台阶剪断,岩板裂纹贯通–台阶剪碎;(3)界面剪切应力–剪切位移曲线分为压密阶段、近加载端台阶根部斜裂缝出现阶段、近似弹性变形及微裂隙扩展阶段、近加载端台阶剪断阶段、剩余台阶剪断阶段及残余阶段6个阶段;(4)界面的峰值剪切强度和残余强度随法向应力、层厚和台阶高度的增加而增加,竖向累积位移随法向应力的增加而减小、随层厚和台阶高度的增加而增加;(5)界面裂纹数量变化曲线呈“S”型,共经历裂纹缓慢增加(岩板表面磨损)–裂纹迅速扩展(台阶剪断)–裂纹数量稳定(残余摩擦)3个发展阶段,试样内部颗粒应变能和胶结应变能变化趋势与剪切应力–剪切位移曲线变化相近,总能量、摩擦能及阻尼能随剪切位移的增加而增加。研究成果对剪切带整体力学性质及含剪切带危岩稳定...     

单轴压缩下单裂纹混凝土力学特性和破坏特征试验研究

为了研究单裂纹混凝土力学强度及其变形特征和破坏模式,对含不同长度的单裂纹混凝土进行单轴压缩试验,利用高清摄像技术监测单轴压缩过程中试样裂纹扩展过程,运用数字图像相关方法(DIC),综合分析单裂纹混凝土力学强度、裂纹演化特征、变形规律,阐释单裂纹混凝土破坏机理。结果表明:(1)混凝土强度随着单裂纹长度增大逐渐降低,且呈良好线性负相关;弹性模量随着单裂纹长度增大先升高后降低。(2)试样破坏模式分为3种:①轴向劈裂破坏(裂纹长度为10 mm);②剪切破坏(裂纹长度为20、30、40 mm);③拉-剪混合破坏(裂纹长度为50 mm)。(3)试样应变场演化规律:随着单裂纹长度的增加,由径向应变场控制绝大部分裂纹产生和扩展,向径向、剪应变场共同控制裂纹产生和扩展(径向应变场影响较明显),再向径向、剪应变场共同控制裂纹产生和扩展,(剪应变场影响较明显)转变。(4)单裂纹混凝土抗压强度与单轴压缩过程中产生的不同类型裂纹长度存在良好的线性关系,且主要受到单裂纹周边产生的裂纹控制(影响系数为0.496)。     

人字形切槽巴西圆盘岩石试样复合型断裂渐进过程数值模拟研究

人字形切槽巴西圆盘(CCNBD)岩石试样由于诸多优点,被国际岩石力学学会确定为岩石I型断裂韧度测试建议方法,并被众多学者应用于复合型(包括纯Ⅱ型)断裂试验研究。然而,CCNBD在复合型荷载下的渐进断裂机理尚未完全获悉,复合型断裂韧度测试基于的穿透直裂纹扩展假设并未严格评估,用于复合型断裂研究的合理性还未得到有效验证。采用细观损伤力学软件首次模拟得到CCNBD在复合型荷载下的渐进破坏过程。结果显示:裂纹不仅萌生于人字形韧带尖端,且易产生于切槽边缘,造成真实裂纹前缘为曲线形,与人字形切槽试样断裂韧度测试所基于的穿透直裂纹假设不符;裂纹并非沿着预制人字形韧带平面扩展到其根部,切槽边缘的破裂方向均朝向加载端,形成扭曲的三维翼形裂纹。数值模拟结果同物理实验对比,十分吻合。CCNBD的裂纹形态和渐进扩展规律不符合当前普遍采用的复合型测试原理,因此采用CCNBD试样进行岩石复合型(包括纯Ⅱ型)断裂韧度测试值得商榷。