含交叉裂隙岩石试样单轴力学特性与破坏机理

为系统性地研究节理岩体在单轴压缩试验条件下其力学特性及破坏机理,利用MTS-815岩石试验装置对完整岩石试样、不同构型单裂隙和交叉裂隙岩石试样进行单轴压缩试验,分析了各构型试样的力学参数及能量演化规律。与完整岩石试样力学参数相比,含单裂隙岩石试样的强度和弹性模量相对较小,含交叉裂隙岩石试样各项参数值最小。在加载过程中,含交叉裂隙岩石试样用于裂纹产生及发展的耗散能远大于完整岩石试样和含单裂隙岩石试样。一般地,含交叉裂隙岩石试样裂纹从预制交叉裂隙尖端起裂,首先贯通同侧预制裂隙形成反翼型裂纹,最终呈拉伸劈裂型破坏。     

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。     

基于三轴压缩试验的煤矿深部地层裂隙岩石力学性能研究

煤矿深部地层岩巷围岩裂隙发育，严重影响围岩完整性和巷道稳定性。为研究深部地层裂隙岩体在掘进扰动条件下的破坏规律与力学性能，在深井岩巷现场取样，加工裂隙岩石试件，开展了不同围压和裂隙倾角条件下的三轴压缩试验，获得了裂隙岩石试件裂隙扩展规律、破坏形态和峰值强度。通过建立颗粒离散单元法数值模型，并根据裂隙岩石试件室内试验结果，标定离散元数值模型细观参数，开展数值试验，进一步研究了裂隙岩石力学性能。研究结果表明，当裂隙倾角为15°时，裂隙对岩石试件力学性质的劣化效应最为明显；当裂隙倾角为15°和90°时，弹性模量分别达到最小值和最大值；当裂隙倾角>15°时，随着围压的增加，裂隙岩石试件的抗压强度和峰值应变均有所增加。     

三轴压缩条件下单裂隙花岗岩破坏特性研究

基于常规三轴压缩室内试验分析不同倾角和张开度的单裂隙花岗岩宏观破坏特性,进一步结合颗粒流离散元分析法,对裂纹扩展、能量转化等规律进行探究,结果表明:裂隙倾角α对岩石力学特性影响显著,随着α增加,弹性模量呈现单调增大趋势,同时三轴抗压强度表现出先减小后增大规律,在约60°时达到最小值;随着裂隙倾角的增加,岩石破坏模式逐渐由拉剪混合破坏向宏观剪切破坏转变;裂隙张开度增大,将导致岩石三轴抗压强度大幅下降,围绕初始预制裂隙形成更宽的破碎带;岩石破坏过程中,裂纹数量整体呈“S”型累积,其突变点与应力 应变曲线的弹、塑性和破坏特征点一致;能量耗散与细观劣化特征具有较好的相关性,岩石结构劣化及失稳破坏本质上是能量储存、耗散、释放的过程。     

3D打印裂隙岩体动态力学性能及能量耗散规律初探

地下岩体结构经常遭受到地震、爆炸、冲击振动等产生的动力扰动，利用3D打印技术的优势研究冲击荷载下岩体动态力学性能对实现3D打印技术在工程领域的应用具有重要意义。采用φ50 mm的变截面霍普金森压杆(SHPB)装置，对含预制裂隙的3D打印岩体试样进行动态单轴压缩试验。研究结果表明：试样的动态抗压强度随着预制裂隙倾角的增大呈现出先减小后增大的趋势，当预制裂隙倾角为30°时试样强度最小，当预制裂隙倾角为90°时试样强度最大。与3D打印岩体试样的静态单轴压缩强度对比发现，3D打印砂性材料具有明显的率效应，当应变率为139.65 s^-1时，3D打印岩体试样的动态抗压强度是静态抗压强度的4.34倍。预制裂隙缺陷在一定程度上加剧了试样的能量耗散和破碎过程，并且30°倾角预制裂隙对试样能量耗散和破碎结果的影响程度最大。同时，3D打印岩体试样的能量耗散过程与破碎块度表现出明显的自相关性，所用的3D打印砂性材料的宏观破碎结果与能量耗散之间的关系与天然岩石材料有一定相似性，为今后3D打印材料模拟天然岩体应用于动态力学试验的可行性奠定了基础。     

循环荷载下裂隙对加固体强度及破坏模式影响

盾构端部加固体中的裂隙对加固体的强度及破坏模式具有不同的影响。基于沈阳市地下综合管廊实际工程,用三组不同配比的水泥砂浆模拟端部加固体,用预制PVC片模拟试件中0°、30°、60°、90°的单裂隙和30°、60°的平行双裂隙。对预制裂隙试件进行循环加载试验,研究存在裂隙的端部加固体力学特性和破坏模式。研究结果表明:胶结能力较好的1∶1配比的端部加固体预制裂隙试件具有最大的疲劳峰值强度和疲劳寿命,其疲劳峰值强度和疲劳寿命均会随着胶结能力的减弱而减小;裂隙的存在会使试件的疲劳峰值强度和疲劳寿命降低,尤其当试件出现竖向劈裂破坏时,竖向裂隙对其疲劳强度和疲劳寿命的影响尤为明显;单裂隙试件多为拉―压破坏和剪切破坏,双裂隙试件多为共轭剪切破坏,并伴随有明显的共轭剪节理出现。     

真三轴加卸载下含裂缝砂岩能量演化规律研究

为了探明真三轴循环加卸载过程中含裂缝砂岩能量演化规律,设计了真三轴循环加卸载试验,深入分析了循环加卸载过程中吸收总能量、弹性能、耗散能的演化规律与变化特征,进而探讨了能量耗散与岩石强度之间的关系。结果表明:(1)吸收总能量、弹性能和耗散能变化规律与砂岩试样裂缝角度无关,均随循环次数的增加而增加,且增幅越来越大,临近破坏时最大;(2)不同裂缝角度砂岩的吸收总能量、弹性能和耗散能与应力上限呈二次函数关系增长,吸收总能量、弹性能和耗散能能量增速依次减小,但前两者增速显著大于耗散能增速,且耗散能拟合曲线呈“凹”形;(3)定义了表征岩石储能能力和能量耗散能力的储能系数和能量耗散系数,对比发现岩石裂缝角度越大,储能能力越强,能量耗散能力越弱,岩石的峰值强度越大。     

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。     

三轴应力下致密砂岩的裂纹发育特征与能量机制

 开展致密砂岩三轴压缩试验及CT扫描试验,获得不同围压作用下岩石破坏裂纹的几何形态CT图像;利用图像处理、统计学等方法构建破坏裂纹形态的三维空间模型,分析不同围压对破坏裂纹几何形态和分布特征的影响规律,基于能量理论揭示不同三轴应力下岩石破坏时裂纹扩展的能量机制。研究表明：围压对岩石破坏裂纹的形态、数量和空间分布特征有很大的影响。当围压较低时,破坏裂纹数量众多、形态复杂,最终形成主裂纹和次生裂纹交叉分布的裂纹网络结构;围压较高时,最终形成的破坏主裂纹数量减少,次生裂纹消失,形态复杂的裂纹网络被近似直线的破坏裂纹所取代;围压对岩石破坏裂纹扩展的能量耗散和能量释放特征有显著的影响。随着围压的增加,单位体积内的可释放弹性应变能线性增加,而耗散能则呈线性递减趋势。低围压时破坏裂纹的耗散能较大,从而产生几何形态复杂、数量众多的微裂纹。而高围压时的耗散能较少,产生的破坏裂纹数量减少,几何形态趋于简单化、规则化。     

含交叉多裂隙类岩石材料单轴压缩力学性能研究

 以类岩石材料模拟岩体,考虑了主次多裂隙、等长多裂隙两类交叉多裂隙形式,制作含交叉多裂隙试件,对试件进行单轴压缩实验,研究了含交叉多裂隙岩体在单轴压缩下的力学性能。研究表明：含2条交叉裂隙试件强度高于含单一裂隙试件,当裂隙数量超过2条(不含)时,含主次多裂隙试件峰值强度与含单一裂隙试件接近,含等长多裂隙试件的峰值强度及试件破坏所需外力功都低于含单一裂隙试件;次裂隙数量增加对含主次多裂隙试件强度影响不明显,裂隙数量增加对含等长多裂隙试件的强度降低作用非常明显;绝大部分含交叉多裂隙试件峰值强度对应应变低于含单一裂隙试件;含主次多裂隙试件起裂应力高于含单一裂隙试件,大部分含等长多裂隙试件起裂应力低于含单一裂隙试件;含单一裂隙试件破坏面为剪切裂隙,含交叉多裂隙试件破坏面以张拉裂隙为主。     

节理角度对岩石材料的动态响应影响研究

为探究一维动载下节理角度差异对岩石动态响应的影响规律,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)对预制完整试件及7组不同节理角度的水泥砂浆试件进行冲击试验;试验前后利用核磁共振成像(NMR)系统对试件的孔隙度及孔径分布进行检测。从动态强度、能量耗散和细观损伤等方面系统地分析节理角度对类岩石材料动态响应特征的影响规律,结果表明:节理角度由0°增加至90°时,试件峰值强度呈先降后升的变化趋势,当节理角度处于45°～60°时,相对于其他节理角度试件更容易发生破坏;试件的能量吸收情况与损伤呈正相关,试件的孔隙变化率与能量吸收情况均随节理角度增加呈倒"U"型变化,节理角度45°～60°范围内试件吸收能量最多,冲击前后孔隙变化率最为突出,可知荷载最有利于破碎的作用方向与节理成角为30°～45°。     

含交叉裂隙节理岩体锚固效应及破坏模式

 用相似材料制作含交叉裂隙岩体无锚及加锚试件,以主次裂隙之间角度、锚固位置及锚杆与加载方向之间角度为变化参数制作32组试件,对试件进行单轴压缩试验,研究含交叉裂隙节理岩体的锚固效应及破坏模式。研究表明：在主、次裂隙位置不变的情况下,锚固位置在裂隙交叉点上方或下方时能得到锚固强度最大值,当锚固位置通过裂隙交叉点时,锚固强度不是最大值,但此时锚后试件峰值强度最稳定;大部分含交叉裂隙加锚岩体强度高于含单一裂隙加锚岩体;主、次裂隙夹角影响节理岩体加锚后力学性能,主、次裂隙夹角为30°左右时节理岩体锚固效果最好;锚杆增强了含交叉裂隙节理岩体抵抗裂隙扩展的能力,降低了含交叉裂隙节理岩体劈裂破坏出现的突然性。     

含交叉裂隙岩体力学性质数值模拟研究

岩体中裂隙的起裂、扩展及贯通是岩体破坏的重要原因,交叉裂隙是一种最为典型的基本裂隙网络组成单元,其在复杂应力场条件下的扩展贯通规律目前还缺乏深入的研究。本文采用RFPA2D对含交叉裂隙岩体破坏过程进行研究,探讨主裂纹与加载方向夹角变化、主裂纹与次裂纹的夹角变化对试件破坏模式及破坏力学性质的影响。模拟结果表明,主裂隙与加载方向垂直或者平行时,试件主要沿次裂隙发生剪切破坏;主裂隙与次裂隙夹角较小时,试件主要沿主裂隙发生剪切破坏。主裂隙角度一致时,大部分含交叉裂隙岩体的峰值强度低于含单一裂隙的岩体强度,主裂隙与加载方向夹角为45°时,岩体强度最低;岩体强度最高一般为主次裂隙夹角为0°或90°时;围压条件下,裂纹扩展方式较单轴压缩时更为复杂,很少出现由单条裂隙控制的破裂面,主要破裂面为主次裂隙首先贯通,且裂纹扩展时易产生较多的次生裂隙。数值模拟研究可以避免物理试验中的离散性,获得更为系统性的裂隙扩展贯通规律,对于解释岩体力学物理试验和解决工程问题都有重要的参考价值。     

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。     

受载岩石能量演化的围压效应研究

 能量演化贯穿于岩石变形破坏的全过程,为了探究围压对受载岩石能量演化特征的影响规律,对红砂岩试样进行6种固定围压下的轴向加、卸载试验,揭示岩石弹性能和耗散能演化及分配规律的围压效应,并探讨工程采动岩体的能量演化路径。研究结果如下：(1) 提出岩石储能极限、最大耗散能密度、残余弹性能密度3种特征能量参数,可分别表征岩石的能量积聚、耗散和释放行为特征;(2) 峰前主要表现为能量积聚,峰后主要表现为能量耗散和释放,但随着围压的增高,岩石储能极限大致呈幂指数增长,残余弹性能密度呈线性增加,最大耗散能密度呈幂指数增加,表明围压增大了能量输入的强度,减弱了能量释放的烈度;(3) 围压越大,弹性能比例在峰前阶段越大,在峰值破坏时下降幅度越小,在峰后阶段二次上升所达到数值越接近于峰前值,表明围压提高了能量积聚的效率,提升了岩石破裂重组后的储能能力;(4) 工程采动岩体失稳破坏的能量路径是增加储能水平和降低储能极限2条途径的组合,能量路径斜率越大,越容易因为围压的突然卸载而发生强能量释放行为。     

不同尺寸裂隙岩石损伤破坏特性光弹性试验研究

为了充分认识试件尺寸与裂隙倾角对裂隙岩石损伤破坏的影响,开展了不同试件尺寸、不同裂隙倾角的光弹性单轴压缩试验。利用反射式光弹仪直观形象地记录试件损伤破坏全过程的彩色条纹变化,基于光学-应力定律计算得到裂隙岩石损伤破坏过程中试件表面的全场应力应变,分析岩石裂隙扩展失稳的尺寸效应及裂隙倾角对岩石强度及破坏模式的影响,研究裂隙岩石损伤—扩展—破坏的力学机制。试验结果表明:裂隙岩石单轴压缩的应力应变曲线可分为弹性阶段,塑性阶段,峰后软化阶段,残余阶段不明显;裂隙岩石峰前阶段的弹性模量随着试件高宽比的增加而增大,随着裂隙倾角的增加而减小;单轴抗压强度随着高宽比的增加呈减小趋势;峰后的软化阶段受试件尺寸与裂隙倾角的共同影响,裂隙倾角与高宽比越大,岩石的破坏越具有突然性,即脆性越明显;岩石损失破坏时最大应变与应力分布在预制裂纹中心,损伤首先从预制裂纹处发生。随着加载的不断进行,最大应变与应力的位置转变为裂纹的两端,逐渐向平行于轴向加载方向发展直至试件端部。岩石损失破坏时,最大应变与应力分布在预制裂纹中心,损伤首先从预制裂纹处发生。随着加载的不断进行,最大应变与应力的位置转变到裂纹的两端,裂纹逐渐向平行于轴向加载方向发展直至试件端部。     

断续预制裂隙脆性大理岩变形破坏特性单轴压缩试验研究

 采用岩石力学伺服试验机,对断续预制裂隙脆性大理岩进行单轴压缩试验,基于全程变形曲线的试验结果,分析裂隙参数(岩桥倾角、裂隙间距、裂隙长度、裂隙数目与裂隙倾角)几何分布对大理岩变形破坏特征的影响规律。研究结果表明,与完整大理岩相比,断续预制裂隙大理岩变形呈现出局部化渐近破坏特征,其峰值强度、弹性模量及峰值轴向应变均明显降低,且降低幅度与预制裂隙参数分布形式密切相关;但变形模量除裂隙间距48 mm(降幅24.8%)、含119°岩桥倾角(降幅23.7%)以及含60°裂隙倾角(降幅43.8%)的岩样以外,其他含2条预制裂隙岩样的变形模量降幅均为－3.8%～7.8%,差异较小。裂隙长度越长、裂隙数目越多及裂隙倾角越大,其峰值强度、弹性模量及峰值轴向应变也越低;而岩桥倾角和裂隙间距与力学参数之间规律性不明显。岩样宏观贯通模式主要呈现出拉贯通、压贯通、剪贯通和混合贯通4种,且与预制裂隙的几何分布密切相关。完整岩样呈典型的轴向劈裂拉贯通模式。含较短裂隙长度(16 mm)及较小裂隙倾角(30°)的岩样呈现出拉贯通模式;而含较长裂隙长度(24 mm)和较大裂隙倾角(60°)的岩样呈现出拉剪混合贯通模式。裂隙间距越小以及裂隙数目越多,岩样的贯通模式趋于复杂,呈现出拉剪压混合贯通模式。     

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。     

注浆裂隙砂质泥岩力学特性和破坏模式研究

为研究含注浆裂隙砂质泥岩试件的力学特性和破坏模式,对类岩石材料制作的裂隙试件进行试验。结果表明:①注浆试件应力-应变曲线峰后“台阶式”下跌现象不及开放型裂隙试件明显,且已不存在水平延伸式缓慢下跌的现象。②注浆的峰值强度、弹性模量峰值应变最高增长率分别达到36.76%、11.41%、12.71%。③裂隙倾角,裂隙数量越少,注浆效果越好。④单、双裂隙试件,裂隙倾角对试件破坏模式的影响明显;0°倾角,裂隙数量可改变试件破裂模式,随着裂隙数量的增加试件逐渐由主剪切破裂向主拉伸破裂转变。⑤裂隙倾角越接近0°或者90°,裂隙长度越小裂隙面摩擦系数黏聚力越大,裂隙试件最终破坏模式越接近完整岩石试件。     

不等幅循环荷载下石灰岩局部微裂隙三维扩展及劣变非线性机制

深部岩体的变形破坏过程受开挖卸载或其他扰动荷载的影响。为探索岩体空间微裂隙扩展规律和渐进破坏过程中的非线性机制,开展预静载低频不等幅加卸载循环条件下石灰岩三维定位声发射实验。结果表明:(1)弹性能与总能量的比值、耗散能与总能量的比值都具有相应的阶段性特征,耗散能的变化与预制裂隙的分布、微裂隙扩展空间位置及扩展速度有关;耗散能和撞击数的变化满足石灰岩灾变临界的幂率变化规律。(2)完整石灰岩试样和含不同倾角的预制裂隙石灰岩试样的峰值强度随预制裂隙数目的增多而下降并受预制裂隙位置的影响;不同试样应力–应变曲线峰后出现不同程度的转折,且出现Ⅰ和Ⅱ类曲线。(3)石灰岩试样内三维裂隙多重性和局部扩展规律受预制裂隙的影响。完整试样和不同预制裂隙试样破坏过程受不同力学机制的主导并从宏观上表现出不同的破坏模式。(4)在深入研究岩石劣化过程的基础上,将数学领域的微积分、物理领域的热力学原理与岩石力学与工程领域的具体问题结合,揭示了能量演化过程的非线性机制。研究结果拓展了热力学研究的深度,利于工程岩体劣化过程瞬时状态热力学机制和破损非线性机制的理解。