基于室内试验与数值模拟的煤岩围压效应研究

为研究不同围压下煤岩的变形破坏特征,对0、8、16、25 MPa 4种不同围压下的煤岩采用MTS 815岩石力学实验和RFPA 2D数值模拟软件展开应力应变特征、强度特征、声发射特征等研究,旨在揭示不同围压作用下煤岩的围压效应。结果表明:围压对煤岩的变形破坏特征影响显著,随着围压的增大,煤岩最大抗压强度线性增大,煤岩逐渐由脆性破坏向延性破坏转变,破坏形态以单轴压缩下的压剪-劈裂破坏和三轴压缩下的剪切破坏为主;煤岩强度特征参数随围压增大而增大,弹性模量随围压增大呈非线性增大,围压越大,则塑性应变越大,残余应变增大;声发射现象在煤岩单轴压缩状态下十分强烈,但随着围压的升高,声发射现象、应变能释放等声发射特征参数均趋于稳定; RFPA可再现煤岩在不同围压下裂纹萌生、扩展至完全破坏的渐进破坏过程,模拟结果与室内试验耦合度较好,验证了数值模拟的可靠性。     

压-剪复合应力下非球形颗粒材料空心圆柱剪切试验的离散元模拟

采用离散元模拟平台PFC3D构建空心圆柱型数值试样,分析了压-剪复合应力条件下非球形颗粒材料数值试样的宏细观力学响应,重点探讨了颗粒形状和围压对数值试样初始变形模量、抗剪强度、剪切带倾角和组构各向异性演化的影响。结果表明:在保持大主应力方向角α=30°不变的单调剪切条件下,数值试样的初始变形模量能够反映实际砂土的压硬性规律,也即初始变形模量随着围压的增大而增大。数值试样的峰值内摩擦角随着颗粒长短轴比Se的增大而增大,且随着围压的增大而减小。数值试样的剪切带倾角在16°～25°范围内,且随着Se的增大,剪切带倾角越大。无论接触法向初始各向异性分布如何,随着剪切荷载的施加,接触法向各向异性的主方向均逐渐接近大主应力方向,也即试样发现明显的应力诱发各向异性,且在低围压下这一规律更为显著。     

不同卸荷速率下岩石强度变形特性

岩体工程的开挖本质上是岩体的卸荷过程,不同的卸荷速率会显著影响岩体的强度变形特性,开展相关研究对于岩体工程的安全稳定分析具有重要意义。针对岩石开挖卸荷中各种可能的应力路径,开展了普通三轴压缩试验以及恒主应力差卸围压、恒轴压卸围压、升轴压卸围压的3种卸荷试验,重点分析了不同卸荷速率对开挖卸荷岩体力学特性的影响规律。研究得出主要结论如下:（1）不同卸荷方案、不同卸荷速率的岩样,都具有典型的脆性破坏特征,当围压降低到一定程度时,岩样突然破坏,轴压陡降,环向应变显著增大。（2）当围压卸荷速率较高,岩样临近破坏时,变形模量随围压卸荷比的变化曲线几乎成90°直线下降,泊松比随围压卸荷比的变化曲线几乎成90°直线上升;而卸荷速率较低时,变形模量和泊松比下降/增长的趋势相对较缓。这说明围压卸荷速率越大,岩样脆性破坏特征越显著。（3）3种卸荷方案岩样在不同的卸荷速率下,破坏时的应力状态基本都位于普通三轴压缩Mogi-Coulomb强度包络线的下方,即围压卸荷时的岩样比普通三轴压缩状态的岩样更容易破坏。     

某水电站英安岩加卸载力学特性试验研究

针对某水电站高地应力赋存环境,对开挖硐室中英安岩开展了3种不同应力路径下的单轴压缩试验、常规三轴压缩试验、卸围压升轴压试验。试验结果表明:(1)某水电站三叠系中统竹卡组下统英安岩为典型的硬脆性材料,且在卸荷应力路径条件下脆性特征更加明显;(2)在卸围压试验中,岩石的轴向应变仅为其侧向应变的15%~30%左右,其侧向变形较为显著;(3)在卸围压的过程中岩体的变形模量随着围压的减小而逐渐减小,泊松比随围压的降低而增大,且变化趋势相似;(4)与常规三轴压缩试验相比,卸围压试验下岩石的强度参数黏聚力c降低了24.2%左右,而岩石的内摩擦角增加了9.4%左右;(5)在无侧限作用下,岩石主要为张拉破坏,在加载试验中,岩石主要表现为剪切破坏,在卸围压试验中,岩石破坏形态总体上表现为由张性破坏逐渐向剪切破坏过渡。试验中围压从8 MPa到25 MPa,涵盖了大多数工程岩体的应力范围,对解决工程问题具有重要的参考价值。     

水岩作用下裂隙岩体变形特性试验研究

为了解水岩作用对完整岩体及损伤裂隙岩体变形特性的影响,在一定应力状态下将岩样预压损伤后,分别在0 MPa、0.4 MPa、0.8 MPa的水压力缸中密封浸泡30 d再进行重复加载破坏试验。试验结果表明:经预压破坏后,未浸水的裂隙岩样在不同围压下再次加载至完全破坏时,极限应变变化幅度较小,低于7%,弹性模量降低12%~23%,变形模量降低3%~5%,极限应变、模量变化与围压之间没有明显关系;压力水浸泡对岩体软化作用明显,经预压破坏含有裂隙的岩体,浸泡后再次加载时,极限应变增加0%~37%,弹性模量降低28%~61%,变形模量降低32%~57%。相同围压下,含预压裂隙岩样在浸泡后的强度相比完整岩样未浸水时有较大幅度的下降。比较不同水压浸泡后裂隙岩样,随着浸泡水压的增大,岩样强度降低程度越大;随着围压的增大,岩样强度随水压增大降低的程度逐渐减小。含预压裂隙岩样若不考虑压力水浸泡作用,第二次加载强度与第一次加载相比亦有所降低,围压越大,降低程度越小,裂纹对岩体强度的影响越小。与"完整"岩体相比,裂隙岩体对水软化作用更加敏感,长期浸泡后岩体力学性质弱化明显,更易产生不稳定问题。     

大理岩岩体力学特性的水压-应力耦合试验研究

为研究裂隙水压力与应力条件对大理岩裂隙岩体力学特性的影响,利用MTS815 Flex Test GT 岩石力学试验系统,采用特殊的试样制备和地质过程模拟方法,制备成与试验机围压系统、渗压系统融为一体的大理岩裂隙岩体试件,并对其进行了不同水压、不同围压下的水压 应力耦合三轴压缩试验。试验结果表明：大理岩岩体强度性能与变形性能均具随水压升高而减小,随围压升高而增大的特征;水压从0到4 MPa的变化过程中,强度参数f 减小了20%左右,内聚力C大幅降低,变形模量E₀及E₅₀分别减小了7.7%和5.9%;围压从5 MPa到30 MPa的变化过程中,f 值略有降低,C值增大了2倍多,变形模量E₀及E₅₀分别增大了58%和50%。这些成果揭示了大理岩裂隙岩体力学特性的裂隙水压效应与围压效应,对实际工程问题的研究具有重要的参考价值。     

节理岩体脆性破坏过程的有限元模拟

讨论节理岩体的变形破坏概化模型,分析其三种破坏模式:岩块破坏而节理未破坏;节理破坏 而岩块未破坏;节理与岩块同时破坏。根据所提出的破坏模式,建立对应的节理岩体屈服破坏本构关 系;并在此基础上,基于ＡＢＡＱＵＳ二次开发平台编制计算子程序。将所建模型应用于青松电站引水隧洞 围岩的变形破坏分析,证明其可以运用于实际工程,能较好反映脆性节理岩体的变形破坏情况。计算结 果表明该模型可以准确反映围岩的变形量及应力分布,验证了节理面对节理岩体屈服破坏的影响。     

节理岩体岩桥断裂扩展机制细观模拟

大量岩土工程的失稳破坏与其内部节理裂隙的扩展、贯通密切相关,因此,研究节理、裂隙的相互作用,分析节理岩体的强度特性及其变形破坏机制,可以合理地预测实际工程的可能破坏模式和评价工程岩体的稳定性。该文采用颗粒流程序从细观尺度模拟了岩桥的剪切破坏、拉剪复合和翼裂纹扩展破坏3种贯通方式,并且分析了其扩展机制。     

PFC~(2D)模拟研究不同工况的异面非贯通节理对岩体力学性质的影响

针对非贯通节理岩体研究中多以共面节理岩体为对象、对异面节理岩体力学性质研究较少的问题,为了更全面的研究非贯通节理岩体的贯通扩展规律,基于直剪模型试验及相关颗粒流理论,利用颗粒离散元数值模拟软件PFC~(2D),研究不同工况的非贯通异面节理岩体。对比异面节理起伏角度、节理倾斜角度(节理与水平剪切方向的夹角)、节理连通率以及试验加载速率和法向应力对异面非贯通节理岩体扩展贯通机理和强度特性的影响。试验结果显示以上五方面对非贯通节理岩体的力学特性影响显著:(1)异面节理的起伏角度越大,非贯通节理岩体的峰值抗剪强度越大,抗剪能力越强。岩体的峰值剪切位移随着节理起伏角度的增大有增大的趋势。(2)非贯通节理岩体的峰值剪切强度、峰值剪切位移会随着试验剪切速率的增大逐渐增大,但增大的速率和幅度会随剪切速率的增大而变小。(3)非贯通节理岩体的峰值抗剪强度会随着法向应力的增大逐渐增大,且增大趋势呈线性。(4)异面节理的连通率越大,非贯通节理岩体的抗剪能力越差,峰值抗剪强度越小。峰值剪切位移亦随连通率的增大而减小,但减小幅度不大。(5)节理的倾角越大,岩体峰值切应力越大,抗剪能力越强。     

含节理泥质粉砂岩强度特征试验研究

为了分析南京秦淮东河工程黄马青组泥质粉砂岩的强度特征,通过钻孔取芯制作标准样对含节理岩石进行单轴和三轴压缩试验,得到不同围压条件下岩石破坏时的应力-应变关系.通过对岩石破坏时不同倾角节理面上的正应力和剪应力进行计算,并根据Mohr-Coulomb强度理论对试验结果按照强度准则进行线性拟合,得到结构面和岩体的摩擦角和内聚力.节理面摩擦角与岩体摩擦角非常接近,而节理面内聚力大大低于岩体内聚力.研究结果表明,试验中含节理样品均沿节理面发生剪切破坏,低应力条件下,理论计算得到的抗压强度指标比实际值偏高,随着围压增大,结构面对岩体的强度影响减小.     

节理倾角对砂岩强度及物理特征的影响

节理岩体广泛存在于实际工程中,深入研究节理倾角对岩体强度和物理特征的影响,对节理岩体工程稳定性研究具有重要的意义。通过完整及含不同节理倾角岩样在不同围压下的三轴加载破坏试验及声波测试试验,探讨了节理倾角对砂岩强度及物理特性的影响规律。试验结果表明①随着节理倾角的变化,岩样纵波波速衰减率有所不同,节理倾角为60°时岩样波速衰减率最大。②节理岩样的弹性模量随倾角大小的变化规律是E_完整>E _90°>E _30°> E _60°。③在同一节理倾角下,岩样峰值强度随着围压的增加而增大;在同一围压下,岩样峰值强度随着节理倾角的变化表现出明显的各向异性。④节理岩样的黏聚力随着节理倾角的变化呈现出U型的变化趋势,且在节理倾角为60°时黏聚力最小;同时内摩擦角随着节理倾角的增大而逐渐增大。由上述成果可知,节理倾角对砂岩强度和物理特性影响较大,节理倾角为60°时,影响程度最大。     

典型结构面分布型式节理岩体室内直剪试验研究

针对节理岩体变形破坏及抗剪强度参数确定问题,开展了5种包含两条节理的典型节理分布型式的节理岩体试样的室内直剪试验研究。试验结果表明节理岩体的破坏主要表现为节理控制的节理与岩桥间渐进搭接破坏;对比分析了试验得到的25条应力应变全过程曲线,提出了应力应变曲线分类方法,包括滑动型、屈服型、剪断型、脆断型、剪断复合型五种类型,揭示了不同类型曲线间的转化规律;对基于Lajtai岩桥破坏理论的强度准则进行试验验证,验证结果表明基于Lajtai岩桥破坏理论的强度准则计算得到抗剪强度偏低与试验结果相对误差较小(小于9%),可用于节理岩体综合抗剪强度计算。     

承德市双峰寺水库岩体力学指标分析

野外大型混凝土与岩体抗剪强度试验,主要测定混凝土与岩体两者接合部位的抗剪(断)强度,为工程设计提供建筑物表层抗滑稳定与深层抗滑稳定计算中的主要力学参数摩擦系数f值、凝聚力C值。岩体变形试验是测定工程设计中所需要的岩体变形模量与弹性模量力学参数,获得岩体的变形特征。     

填充对节理岩体力学特性及能量演化的影响研究

能量耗散引起节理岩体裂纹启裂、扩展、贯通及最终的破坏。为探寻充填对节理岩体力学及能量特性的影响,基于岩石能量耗散理论及单轴压缩试验结果,研究了充填对节理岩体强度特征、变形特征、破坏模式及能量演化的影响机制。此外,分析了节理岩体的能量演化机制及峰值点各能量指标( 总能量、弹性应变能及耗散能) 的充填效应。研究结果表明: 节理使得岩样的力学参数明显劣化,而充填使得节理岩样的峰值强度、峰值应变及弹性模量均有所增大; 完整岩样损伤演化划分为初始损伤阶段、稳定损伤阶段、损伤平稳阶段、加速损伤阶段及损伤破坏阶段,而节理岩样和充填节理岩样则分为六阶段,即增加了突变损伤阶段; 完整岩样、充填节理岩样及节理岩样峰值点的平均弹性应变能依次在减小,但减小幅度明显降低。研究成果可为岩体工程类环境灾害的预警与防控提供科学依据。     

共面断续岩桥直剪试验破坏过程研究

岩桥对岩质边坡稳定性起控制性作用,而非贯通性节理岩体是广泛存在于岩质边坡中的一种岩桥载体形式。研究共面断续岩桥连通率对岩石抗剪性能的影响,可为岩质高边坡稳定性评价提供理论依据。以直剪试验的形式,通过石英砂、水泥、石膏和水制备直剪试验试样, 并预留相同长度的3条共面断续节理,对共面断续岩桥进行剪切模拟,分析其破坏模式、破坏过程演化机制和力学参数。结果表明:直剪试样呈现张拉破坏、拉剪破坏和剪切破坏3种破坏模式,以剪切破坏为主,节理所在面为控制性结构面;试样破坏过程依次呈现为裂纹稳定、裂纹破坏和残余变形阶段;随连通率增大,抗剪强度降低,黏聚力减小,内摩擦角小幅变动;共面断续岩桥连通率越大,岩石抗剪性能越差,岩质边坡稳定性越低。     

岩体工程力学参数取值方法研究Ⅱ：数值仿真试验

针对复杂节理岩体力学参数确定的瓶颈难题,对复杂节理岩体数值仿真试验开展了深入系统的研究,提出了基于岩体结构面网络计算机模拟的岩体结构定量化表征方法,以及基于拓扑矩阵表达和虚拟节理处理的数值试样快速生成技术,通过在数值流形法中引入断裂力学理论建立了复杂节理岩体受力、变形、破坏、扩展直至贯通的全过程模拟方法,在此基础上构建了节理岩体数值仿真试验平台,为通过仿真试验确定节理岩体的工程力学参数提供了一条新的途径。