基于图像分析的节理岩体单轴压缩损伤演化研究

 为定量地研究节理岩体的损伤演化规律,对岩体石膏模型试件单轴压缩试验过程中拍摄的表面数字图像进行处理分析。编制Matlab程序,实现单个裂纹的识别、裂纹长度和方位角、总裂纹面积分数和总裂纹分形维数的计算。对节理倾角和节理连通率这2个参数组合变化下的试件表面裂纹图像的分析结果为：(1) 试件表面总裂纹面积分数和总裂纹分形维数变化规律基本相似,在各节理连通率和各节理倾角下,2个参量都随轴向应变的增加而增大;(2) 可将试件分为两大组,节理倾角为0°,15°,75°,90°试件(劈裂破坏为主)和节理倾角为30°,45°,60°的试件(剪切破坏为主),第1组试件表面的总裂纹面积分数和总裂纹分形维数值都高于第2组试件;(3) 具有相同节理连通率的试件,在试验开始点不同节理倾角的总裂纹面积分数基本相同,在峰值荷载点和试验结束点的总裂纹面积分数随节理倾角的变化曲线基本呈V型(最小值在节理倾角为45°处,最大值在节理倾角为0°处);(4) 表面裂纹在试验开始时和加载过程中的各向异性分布特征,可以用裂纹面积分数沿裂纹方位角的分布图来表征。研究结果表明,表面裂纹图像分析可以有效地定量研究节理岩体试件的各向异性损伤演化特征。     

节理岩体卸荷各向异性力学特性试验研究

 针对节理岩体开挖卸荷所产生的各向异性力学难题,通过制作不同倾角单一预制节理试件,开展节理岩体三轴卸荷试验,研究卸荷条件下节理岩体的应力–应变关系、变形特征、强度特征和破坏模式。得到如下结论：(1) 进入卸荷阶段之后,0°,30°和90°倾角节理试件的应力–应变曲线依次出现屈服、软化和残余变形阶段,而45°和60°倾角节理试件只出现屈服阶段。(2) 节理试件的变形模量随节理倾角呈U型变化,其中,60°倾角节理试件的变形模量最小;随着围压升高,不同倾角节理试件之间的变形特性差异逐渐减小。(3) 0°,30°和90°倾角节理试件的抗压强度降低,而45°和60°倾角节理试件几乎未降低;节理试件的黏聚力随节理倾角呈U型变化,其中,60°倾角节理试件仍为最小;而内摩擦角随节理倾角增大而增大。(4) 0°,30°和90°倾角节理试件的破坏模式均为穿越节理的压剪破坏,且不受节理影响,而45°和60°倾角节理试件的破坏模式均为沿节理面滑动破坏。(5) 揭示节理岩体的卸荷力学特性分为受岩块强度控制和节理面强度控制。     

节理倾角及连通率对岩体强度、变形影响的单轴压缩试验研究

 利用含一组张开预置裂隙石膏试件的单轴压缩试验,系统地研究节理组的产状和节理连通率的连续变化对张开断续节理岩体单轴压缩强度和弹性模量及应力–应变曲线的影响。试验研究发现：(1) 随着节理连通率的增大,应力–应变曲线的延性增强,由单峰曲线变为多峰曲线;(2) 在节理倾角不变时,随着节理连通率的增大,岩体的峰值强度和弹性模量都逐渐降低,且二者变化规律不完全相同,可采用不同幂函数的倒数来表示,其系数与节理倾角有关;(3) 当节理连通率不是很大时,岩体的峰值强度和弹性模量随节理倾角的变化规律大致相同,节理倾角为90°时岩体峰值强度和弹性模量最高,节理倾角为30°和60°时岩体的峰值强度和弹性模量最低,出现2个极小值。当节理连通率较大时,节理倾角为90°时岩体的峰值强度和弹性模量最高,节理倾角为45°时岩体的峰值强度最低,节理倾角为0°～60°时岩体的弹性模量都很低。对试件破坏过程的进一步分析表明,上述岩体宏观力学特性随节理倾角和连通率的变化规律,与预制节理的闭合摩擦、岩桥内拉伸和剪切裂纹产生及与预制节理组合形成宏观组合破坏面等细观损伤力学机制密切相关。     

岩体轴向抗压强度与变形尺度效应的节理分布影响

 采用相似模拟材料,用预置硫酸纸模拟试件节理,研究5种分形节理岩体的轴向抗压强度和变形的尺度效应,获得同一尺度下岩体强度和变形随节理分形维数变化的试验数据。在分析强度与变形受尺度和节理分布维数单因素影响规律的基础上,建立二维影响关系经验公式。试验结果表明,岩体强度和变形模量均随尺度和节理分形维数的增加而降低,泊松比则随尺度和分形维数增加而增加;试件破坏的总体规律是随尺度和节理分形维数增加,岩石的延性增加,但破坏过程与方式受节理分布的控制。     

不同倾角贯穿节理类岩石试件峰后变形破坏试验研究

用微机控制高刚度伺服试验机,开展预制贯穿节理类岩石试件的单轴压缩试验,系统研究贯穿节理类岩石试件峰后应力-应变曲线、破坏形式、峰后残余强度、峰后视泊松比等与裂隙倾角之间的关系。试验发现：(1)节理倾角为15°时,峰后的应力-应变曲线和完整试件的基本相同,当节理倾角为30°,40°,50°,60°时,峰后应力-应变曲线与完整试件的差别很大;(2)峰值强度随着节理倾角的增大而减小,峰后的残余强度也大致上随节理倾角增大而减小;(3)随着节理倾角的增大,含节理试件的泊松比也随之增大,而峰值强度后破坏阶段的视泊松比则随之变小;(4)试件峰后破坏模式随节理倾角的变化而不同,在倾角为15°时为劈裂破坏,倾角为50°,60°时为剪切破坏,倾角为30°,40°时为劈裂和剪切破坏的混合模式。研究成果可以反映含单组全贯穿节理类岩石材料的加载破坏峰后力学和变形破坏特性。     

单轴压缩条件下柱状节理岩体变形和强度各向异性模型试验研究

 柱状节理岩体作为一种典型的结构岩体,由于柱状节理构造的存在,其变形和强度表现出显著的各向异性特性。为研究柱状节理岩体的力学各向异性,采用模型试验方法,以石膏、水泥和水的混合物为模型材料,制作具有不同柱体倾角(? = 0°～90°)的圆柱形柱状节理岩体试件,通过单轴压缩试验得到柱状节理岩体在不同柱体倾角?下的变形模量和单轴抗压强度。在此基础上绘制出变形和强度随柱体倾角变化的各向异性曲线,分析柱状节理岩体变形和强度的各向异性特性：柱状节理岩体变形和强度各向异性曲线都呈现近似“U”型,单轴抗压强度在? = 30°时取得最小值,在? = 90°时取得最大值,强度各向异性比达到1.5,表现出较显著的各向异性;变形模量在? = 30°～60°范围内取得较小值,侧向应变比大于0.5。同时,根据试验结果,总结柱状节理岩体在单轴压缩应力条件下的4种典型破坏模式,并对其破坏机制进行分析。     

断续节理岩体声学力学特性试验研究

断续节理对岩体强度的影响及其评价方法一直是岩体力学领域研究的热点和难点。采用石膏制作含有不同节理倾角、密度及连通率组合的断续节理岩体试样,共计45组,每组试样先后开展超声波波速测试和单轴压缩试验,分析试样力学参数和声学参数间的关联特性,探索节理分布特征对岩体破坏模式及单轴抗压强度的影响,最终提出断续节理岩体单轴抗压强度的取值方法。结果表明,纵波波速与节理连通率呈正相关,随节理倾角增大近似"V"型先减后增;单轴抗压强度和弹性模量随节理连通率的增大而增大;单轴抗压强度随节理倾角的增大近似"U"型先减后增;总结提出了断续节理岩体的4种破坏模式,并认为节理与加载方向成45°夹角时最易破坏;最终提出了基于岩体及岩石纵波波速、岩石内摩擦角、节理倾角的岩体单轴抗压强度与岩石单轴抗压强度之间的拟合关系。     

三轴压缩作用下断续节理砂岩力学特性研究

节理岩体的力学特性直接影响工程岩体的安全。为了研究节理岩体的各向异性力学特性和破坏特征,设计进行了0°,30°,45°,60°,75°和90°等6种角度断续节理砂岩的三轴压缩试验,详细分析了节理倾角对断续节理岩体变形强度特征和破坏模式的影响。研究结果表明：①在加载过程中,随着围压增大,断续节理砂岩应力-应变曲线的屈服阶段逐渐明显,峰值强度和残余强度逐渐提高,破坏时延性特征逐渐明显;②随着节理倾角增大,断续节理砂岩的变形模量、抗压强度、黏聚力和内摩擦角等力学参数均呈现先减小后增大的U型变化趋势;③节理对岩样破坏裂纹的形成与开展具有明显的诱导和控制作用,不同倾角岩样的破裂面均顺节理倾角方向发展,当节理倾角与岩样计算破坏角接近的时候,岩样的破裂面顺节理面开展,变形和强度参数达到极小值;④随着围压增大,不同倾角断续节理岩样的变形和强度参数差别逐渐减小,各向异性特征逐渐减弱;⑤断续节理砂岩的破坏模式可分为张拉破坏、折线型的复合剪张破坏、沿节理面剪切破坏等3种类型,节理倾角的分布决定了断续节理砂岩在加载作用下的变形破坏模式,变形破坏模式的差异决定了断续节理砂岩变形和强度参数的各向异性特征。研究成果可为工程中节理岩体的各向异性特征分析提供较好的参考。     

节理产状对岩石单轴抗压强度的影响研究

运用岩石破坏过程分析RFPA^2D系统,采用控制变量法,分别研究了节理不同位置、方向和迹长对于岩石试件单轴抗压强度的影响。结果表明:试件节理位置对应值(裂纹尖端到受压面的距离)与抗压强度值有近似的线性关系;岩石试件中所含节理倾角不同时,试件的破坏模式不同,随着倾角的增大,试件的强度先降低随后增大;随着节理迹长与试件直径比值的增大,试件强度随之减小。数值模拟结果同物理试验结果相吻合,研究结果对于深入揭示断续节理岩石在单轴压缩下损伤破坏机制具有重要参考价值。     

循环冻融下节理岩体损伤破坏的试验研究

通过预制节理岩体试件,对不同节理倾角、节理贯通度、节理组数、饱和度、节理厚度、循环次数等6种情况进行冻融试验,并进行单轴压缩试验以研究其性质规律。研究表明:试样的表观形态、强度和破坏模式与冻融和节理有密切关系;冻融使节理处粘结强度严重降低,使试样产生损伤,损伤程度与冻融次数呈正相关,与饱和度、节理厚度在一定范围内正相关;节理数、节理倾角对试件强度的影响与非冻融试样有着相似的变化规律;非贯通冻融节理试样的破坏机理比较符合断裂力学理论;在整个过程中,冻融与节理相互作用共同促使试样损伤破坏。     

裂隙倾角及数目对岩体强度和破坏模式的影响

为研究不同裂隙倾角和数目下低强度岩体强度和变形破坏特征,对含不同预制裂隙的类岩石材料试件进行常规单轴压缩试验。结果表明:(1)低强度岩体峰值强度随裂隙数目增加而减小,随裂隙倾角增大而增大,裂隙倾角0°的三裂隙试件单轴压缩强度最低;(2)除90°裂隙试件外,随裂隙数量增加,试件弹性模量减小,而轴向峰值应变先增大后减小;(3)随裂隙倾角增大,试件弹性模量和轴向峰值应变总体呈“凹型”变化,最小值发生在30°裂隙试件,且大倾角裂隙试件(α>45°)的轴向峰值应变对裂隙倾角敏感程度大于小倾角裂隙试件(α<45°);(4)随裂隙数目增加,低强度岩体的破坏模式变化趋势:脆性破坏→塑性破坏→塑性流动变形破坏。     

冲击载荷作用下含孔洞大理岩动态力学破坏特性试验研究

 利用一种大理岩试件加工制备含圆形和椭圆形孔洞的板状试样,试样尺寸为60 mm×60 mm×15 mm,使用75 mm杆径的分离式霍普金森压杆(SHPB)进行冲击压缩试验,通过超动态应变仪监测入射杆和透射杆的应变信号,利用高速摄像仪记录试样完整的裂纹萌生、扩展、贯通直至试样破坏的全过程,分析冲击载荷作用下预制孔洞试样的动态抗压强度、破坏模式和裂纹扩展特性。研究发现,孔洞大小、形状和空间位置对岩石的动态抗压强度都有一定影响,孔洞的存在降低了大理岩试样的动态抗压强度。在冲击载荷作用下,预制中心孔洞的大理岩试样在孔洞周边产生平行于轴向加载方向的初始拉伸裂纹和类X型初始剪切裂纹,在试件破坏中起主导作用。圆形孔洞试样中,随着孔径增大,剪切裂纹扩展速度随之增大,而拉伸裂纹扩展速度则减小;椭圆形孔洞的长短轴比、长轴与加载方向的夹角均是影响裂纹扩展速度和动态抗压强度的因素。在30～45 s－1的加载应变率范围内,大理岩孔洞试样的平均裂纹扩展速度为100～450 m/s。     

不同层理方位影响下板岩各向异性巴西圆盘劈裂试验研究

 通过电镜扫描试验,发现板岩具有明显的变余层理构造和板劈理构造,因而可采用巴西圆盘劈裂试验揭示其力学特征。对7种不同层理角度? 下的圆盘进行劈裂试验,得到圆盘的3种破坏形式：?＜45°为纯拉伸破坏,? = 45°～75°为剪切拉伸破坏,?＞75°为剪切破坏。同时,板岩受内部层理构造的影响,其抗拉强度随?值从0°变化到90°而逐渐降低;垂直于各向同性面的弹性模量和泊松比受层理角度影响不大,且前者比各向同性面的弹性模量值略小。     

花岗岩岩爆试验碎屑分形特征分析

 采用真三轴应力状态下单面突然卸载试验方法,进行莱州花岗岩岩爆试验,获得花岗岩岩爆碎屑。对碎屑特征进行测量,包括碎屑质量、长度、宽度、厚度,并对粗粒、中粒、细粒以及微粒等不同粒径范围内的碎屑数量、质量及粒度分布进行分析。对花岗岩岩爆碎屑分别按照长度、宽度、厚度与累计数量的关系,小于某一等效边长的累计质量与总质量之比与等效边长之间的关系,以及等效边长与累计数量的关系进行分形计算,结果表明花岗岩岩爆碎屑破碎程度较高,片状特征明显。对岩爆后的微粒碎屑(颗粒直径＜0.075 mm)利用激光粒度分析仪进行粒度分析。破坏后微粒碎屑所占百分比以岩爆试验最多,其次为真三轴试验,单轴压缩试验最少。微粒碎屑的粒度分布曲线形状不同,岩爆的平缓,小尺度的多,三轴和单轴压缩的大致相同,粒径大。分布曲线上百分比最大值对应的粒径岩爆的最小,为40和60 μm,三轴的为80 μm,单轴的为100 μm。对微粒碎屑按照粒度–体积分布进行了分形维数计算,结果表明岩爆微粒碎屑符合分形物理意义,三轴和单轴微粒碎屑不具有分形特征。岩爆微粒碎屑较多,反映其破坏时消耗的能量要多于三轴和单轴破坏。     

岩爆实验碎屑分类及其研究方法

 利用中国矿业大学(北京)岩爆过程模拟实验系统,进行一系列的应变岩爆实验。对岩爆碎屑不同尺度,可以采用不同方法提取其信息,包括对面积约为100 mm2的中粒碎屑SEM(扫描电子显微镜)扫描,粗粒碎屑的断口表面形貌三维激光扫描和岩爆碎屑颗粒的尺寸特征测量。测量参数为质量、长度、宽度和厚度。为了便于对不同尺度的岩爆碎屑进行研究的方便,将岩爆碎屑分为粗粒、中粒、细粒和微粒4组,对不同粒组采用不同的研究方法。以花岗岩为例,介绍不同方法计算分形维数的过程及结果。采用倍分长度区间、SEM裂纹图像处理的二值法及小岛法进形分形维数计算时,其线性关系都较好,但不同方法计算获得的分维值不同。根据不同粒组的分形结果,可以分析不同尺度下的岩爆碎屑破碎程度,并为进一步研究岩爆过程的能量变化特征提供基础。     

含节理大理岩变形和强度特性的试验研究

 锦屏二级水电站处于高地应力区域,引水隧洞开挖后岩体变形和稳定问题十分突出。从辅助洞取样制备含节理试件,采用MTS815.03岩石三轴试验机,开展了含天然节理大理岩试件的常规三轴压缩试验。试验中,节理面与最大主应力夹角θ为29.3°～56.0°,围压为5～40 MPa。通过试验结果分析,主要得到如下结论：(1) 试件共有两类破坏形式：穿切节理面破坏和沿节理面滑移。试件破坏形式主要取决于节理面与最大主应力夹角大小。在试验围压范围内,围压高低对试件破坏形式没有影响。(2) 试件变形特征取决于节理面与最大主应力夹角的大小,并受围压高低影响。(3) 试件轴向变形曲线均具有较好的线性段,但其轴向等效弹性模量均显著低于完整岩石弹性模量。(4) 试件强度首先取决于θ的大小,θ＞40.0°的试件破坏强度与完整岩石相当;θ＜40.0°的试件破坏强度较完整岩石有显著降低,不同节理强度差异是导致不同试件破坏强度差异的主要原因。     

含两条节理岩样压缩破坏行为的颗粒流模拟

利用颗粒流软件中平行粘结方式建立数值计算模型,通过校核室内试验数据确定数值模型的细观参数值,并采用smooth-joint在模型中设置两条断续节理,通过改变岩桥倾角和节理倾角,建立不同节理布置数值模型。从细观和宏观两方面,研究单轴压缩荷载下节理试样内接触力、微裂隙数量和节理岩体的破坏行为发现,峰值轴向应力之前,微裂隙数量增加缓慢,峰值轴向应力之后,微裂隙数量迅速增加;颗粒接触力易在节理端部和岩桥处聚集,在节理中间段附近分布较为稀疏,接触力较大的位置易产生裂纹;峰值轴向应力时刻,岩桥倾角为15°时,岩桥均未贯通,岩桥倾角为45°和75°时,绝大部分试样的岩桥贯通了,节理倾角为90°时,岩桥全部没有贯通。     

含天然贯通弱面石灰岩试样的力学性质研究

 为研究天然弱面对岩石力学特性的影响,对40个完整和含有53°～90°倾角的天然贯通弱面石灰岩试样进行纵波速度测试、单轴和常规三轴压缩试验。试验结果表明：纵波速度与弱面倾角和单轴抗压强度并没有明确的关系。试样破坏有沿弱面滑移、穿切弱面和复合破坏3种形式：弱面倾角为65°～80°时易沿弱面滑移破坏,强度明显偏低;弱面倾角小于65°或大于80°时出现穿切弱面破坏,强度和破裂角大致满足Coulomb 强度准则;有2个试样发生复合破坏,强度介于两者之间。石灰岩充填弱面的材料与主体类似,因而与完整试样具有相同的内摩擦因数 0.944;据此可以从三轴压缩强度扣除围压影响,得到40个试样材料强度为30.3～177.1 MPa,平均值为121.3 MPa,标准差为32.6 MPa,大致服从正态分布规律。因最弱断面的方向随试样而不同,其黏聚力也存在显著差异,引起试样三轴压缩的强度和破坏方式的显著不同。     

软硬互层盐岩变形破损物理模拟试验研究

 针对我国盐岩地层的地质赋存特征,开展一系列物理模拟试验,探讨倾角、夹层和界面对软硬互层盐岩变形破损的影响规律。试验结果及理论分析表明：(1) 软硬互层盐岩的单轴抗压强度随倾角变化呈两边高、中间低的U形变化规律。(2) 软硬互层盐岩的破坏模式：层面倾角θ＜30°时,为脆性硬夹层主控的整体破坏;45°＜θ＜75°时,为弱夹层或弱界面主控的剪切滑移破坏;85°＜θ＜90°时,为硬夹层劈裂破坏,局部弱夹层剪切破坏。(3) 沿弱夹层和弱界面的剪切滑移破坏是软硬互层盐岩单轴抗压强度呈现U形变化规律的内在原因。因此,设定储气库的运行压力时,需要着重考虑腔壁肩部和腰部弱夹层和界面的抗剪强度,防止其达到破坏强度而导致腔体破损,从而避免因气体泄漏而引发事故。