冲击荷载下裂隙类煤岩组合体能量演化与分形特征研究

利用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)对预制裂隙类煤岩组合体进行冲击压缩试验,探究不同裂隙形式组合体的能量演化特征,分析裂隙位置与倾角对组合体破碎分形维数的影响。结果表明:裂隙组合体试件能量耗散与分形特性与裂隙倾角及位置有关。相比完整组合体,裂隙位于煤体或结合面处时,裂隙组合体试件破碎耗能占比与破碎耗能密度偏小,位于岩体中时有所偏大,且各裂隙位置下倾角为30°与60°时对其影响较大,90°时影响较小。裂隙位于岩体中或倾角为90°时,试件分形维数与完整组合体接近,其他裂隙位置或倾角下相差较大。裂隙的存在影响组合体试件的破碎特性,在对复合岩体开挖破碎或支护时,应根据复合岩体的强度与裂隙发育特征,合理布置施工参数,以达到更好的掘进或支护效果。     

正交型裂隙岩石单轴压缩作用下的能量演化规律

天然岩体中裂隙主要以交叉形态分布,为了探究交叉型裂隙对岩石力学特征及破坏过程中能量变化规律,预制正交型交叉裂隙,借助GAW-2000刚性试验压力机对单轴加载条件下岩石强度与能量演化规律进行计算与分析,研究结果表明:由于预制裂隙造成了初始损伤,含正交型裂隙岩石的储能能力均明显弱于完整岩石;岩石储能能力受裂隙分布形态影响并与岩石峰值强度保持良好的一致性。当主裂隙倾角为30°和60°时,岩石强度较高,分别为133.56 MPa和129.87 MPa,主裂隙为90°时,岩石试样的储能能力与峰值强度均最低。当岩石耗散能比例增加时,宏观裂隙大量产生,且耗散能占比开始增加的时间点不会晚于岩石峰值强度出现,耗散能占比的转折点可以作为岩石破坏的前兆性指标。     

单轴静–动相继压缩下单裂隙岩样力学响应及能量耗散机制颗粒流模拟

 针对采矿岩柱体等的静–动相继单轴压缩受力特征,采用颗粒流数值模拟试验,探讨初始单轴静态压缩的细观损伤程度对单轴动态压缩下单裂隙岩样力学性质的影响规律,并阐述其能量耗散机制。静载初始损伤程度对后续动态压缩岩样应力–应变曲线形态的影响不大,损伤岩样具有较明显的峰前损伤和峰后裂隙贯通的渐进性突跃特征。相对于全程动态压缩而言,随着初始损伤的增强,岩样强度减小明显。但后续动态压缩对岩体强度的增加起主要贡献。随初始损伤的增强,裂隙尖端法向和切向破裂应力均略有减小。随着裂隙倾角的增大,裂隙尖端法向破裂应力明显减小而切向却明显增加。初始损伤程度并不改变后续动态应变率加载岩体的最终宏观破裂模式,但初始损伤变量越大,微裂纹数量越多且局部化程度越强。能量耗散与岩体细观损伤演化具有较好的相关性。初始损伤越强,吸收相对较小的能量即可达到峰值破坏但峰后耗散能越多。随着裂隙倾角的增大,峰值强度处耗散能和储存弹性应变能更多,峰后破碎程度越高。     

基于3D打印和FDEM算法的层状岩体力学特性研究

为探究层状岩体的强度和变形破坏特征随层理倾角和试样尺寸等因素的变化规律，利用粉末黏结成型3D打印技术制作涵盖多种倾角和尺寸的层理试样，并开展单轴压缩和巴西劈裂试验，利用有限元–离散元耦合算法(FDEM)对室内试验结果进行验证。研究结果表明：(1)抗压强度、弹性模量和变形模量随层理倾角呈“U”型变化，倾角90°试样的测试结果明显大于其他角度的；抗拉强度与层理倾角呈负相关关系，倾角0°试样的抗拉强度明显小于均质试样。(2)单轴压缩试样呈现张拉主导型(0°和90°)和剪切主导型破坏(5°和67.5°)；随着层理倾角的逐渐增大，试样逐渐由延性破坏过渡到脆性破坏；巴西劈裂试样均呈现张拉破坏，裂隙走向呈直线型(0°和90°)和弧线型(45°)。(3)随着试样尺寸的逐渐增大，抗压强度逐渐趋于稳定，峰值应变逐渐减小并稳定在0.005左右；抗拉强度随试样尺寸呈倒“U”型变化，弹性模量和变形模量随试样尺寸在2.1 GPa附近波动，三者均未呈现稳定趋势。     

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。     

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。     

基于改进力学等效的岩体关键节理倾角特征试验研究

为了在复杂随机节理网络中甄别出对岩体力学特性影响显著的关键节理，实现节理网络的合理简化，以倾角为变量进行含随机节理网络试样破裂力学特性研究。根据Monte Carlo理论构建随机节理网络，分别剔除某一倾角并采用3D打印技术制备7种节理试样，开展单轴压缩试验。采用变异系数法改进力学等效分析方法，综合试样强度、变形和能量特性探究关键节理倾角特征。研究结果表明：(1)试样峰值应力和弹性模量随剔除节理倾角的增加呈增大–减小趋势，而峰值应变呈减小–增大趋势。(2)试样峰前弹性能密度随剔除节理倾角的增加呈增大趋势，耗散能密度呈减小–稳定–增大趋势。(3)基于变异系数法确定7种力学参数所占权重，综合分析力学特性认为各倾角节理均对试样存在显著影响，其中90°和45°倾角影响最为显著，15°倾角影响最小。     

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。     

双裂隙类砂岩冻胀断裂特征与强度损失研究

寒区裂隙岩体受冻融作用的影响经常发生断裂破坏。为了研究岩桥倾角对裂隙岩体冻胀扩展过程、断裂破坏特征以及强度损失的影响机制,利用相似材料制备含不同岩桥倾角的双裂隙类砂岩试样,并开展一系列裂隙注水、不注水的冻融循环和单轴压缩试验,得到冻胀裂纹扩展特性及对类砂岩力学特性的影响规律。研究结果表明:(1)受裂隙冻胀力的驱使,冻胀裂纹不断扩展延伸,并伴随着"枝状"微裂纹的生长;(2)冻胀裂纹的外尖端主要沿着初始裂隙方向扩展,而内尖端受应力干扰作用会朝着另一条预制裂隙外尖端发生偏转,且岩桥倾角?越大,这种偏转效应越明显;(3)试样单轴压缩破坏模式容易受到冻胀裂纹的影响,当岩桥倾角?=90°～135°时,主要沿着冻胀裂纹方向发生剪切破坏,导致试样强度明显降低;而当?=180°时,冻胀裂纹不再是试样单轴压缩破坏的主要诱因,对其强度损失和断裂特征几乎没有影响。     

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。     

不同冲击载荷下层状千枚岩压缩力学特性研究

为研究不同冲击速度下层状岩石动态力学特性,采用分离式霍普金森杆压杆装置对千枚岩进行动态冲击试验。研究冲击速度与层理倾角对层状岩石应力–应变曲线、破坏应变及应变率的影响;并从破碎形态、波传播特性、能量吸收等方面对岩石的破坏模式进行分析。结果表明,层状千枚岩试样破裂面类型分为4类,低冲击速度下,试样大多以单一的破裂面形式破坏,高冲击速度下多种破裂类型混合发生。随着冲击速度的增大,破裂类型增多,岩石平均破碎尺寸减小。岩石的动态破坏强度随倾角增加呈现先减小后增大的趋势,高冲击速度下这一趋势更加显著。同一冲击速度下,随倾角增大,应变率先减小后增大,试样破坏应变随倾角变化先增大后减小,表明低冲击速度下,22.5°倾角试样最易破坏,高冲击速度下,45°～67.5°倾角试样破坏最为容易,0°～22.5°倾角试样最难破坏。在低冲击速度下加载方向与层面处于45°～67.5°夹角时破碎效果较好,能量利用率较高;高冲击速度下加载方向与层面处于90°夹角时破碎效果最佳,能量利用率最高。     

双轴压缩试验下岩石裂纹扩展的离散元分析

基于颗粒离散元理论,研究含2条预制裂纹的Hwangdeung花岗岩在双轴压缩试验下的裂纹扩展及破坏模式。研究结果表明：围压对岩石裂纹扩展及破坏模式有显著影响;水平预制裂纹对倾斜预制裂纹的保护作用随着围压的增大而增强;且倾角越大,水平预制裂纹的保护作用越明显;当预制裂纹倾角α≤75°时,试验停止时微裂纹数目随围压的增加而增大;而当预制裂纹倾角α=90°时,微裂纹数目先增大后减小;试样的起裂应力都随着围压的增加而增大(除α=75°);试样的峰值强度也均随着围压的增大而增大;预制裂纹倾角不同,围压对试样的起裂应力和峰值强度的影响程度不同;相同围压下,不同预制裂纹倾角试样的起裂应力和峰值强度的大小关系无明显规律,而与其具体破坏模式有关;整体来看,当预制裂纹倾角α=60°时,围压对岩体力学特性影响最大。     

岩石动态力学性能试验研究

为了解花岗岩的动态力学性能,采用φ 50 mm Hopkinson压杆对岩石进行动态冲击压缩试验,应变率范围为25.4～193.4 s-1,采用波形整形技术获得平滑的脉冲荷载,得出岩石的动态应力-应变曲线.试验结果表明:岩石抗压强度具有明显的应变率效应,破坏强度随着应变率的增加而增大,相对于静态强度120 MPa,最高动态强度增大至365 MPa,约为静态强度的3倍;冲击荷载较低时,试样内部出现损伤及微小裂纹,荷载强度增大时,试样出现宏观裂纹及破碎成块,当荷载进一步增大时,试样呈粉碎性破坏. 研究结果可为国防工程结构设计提供参考.     

冲击载荷作用下层状砂岩动态拉压力学特性研究EI北大核心CSCD

为研究层理面倾角对层状岩体动态拉压力学特性的影响,加工制备含5组不同层理面倾角的层状砂岩试样,在50 mm杆径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验平台上进行冲击压缩和冲击劈裂拉伸试验,利用高速摄像仪实时记录试样动态裂纹扩展及破坏过程,分析层理面倾角θ或β对层状砂岩动态应力–应变、动态抗压和抗拉强度、破坏模式及能量吸收特性的影响规律。该层状砂岩层理面之间的差异主要来源于层间矿物组成成分含量的不同。研究表明:(1)冲击压缩载荷作用下,层状砂岩主要表现为5种典型破坏模式,随倾角θ增大,层状砂岩动态抗压强度呈倒U型变化;(2)冲击拉伸载荷作用下,巴西劈裂试样均表现为沿加载方向的劈裂拉伸破坏,随倾角β增大,层状砂岩动态抗拉强度增大。层状砂岩的能量吸收率随层理面倾角的不同而不同,选择与层理面合适的加载角(如θ=90°或β=0°),可以有效提高岩石破岩的能量利用率。     

冲击载荷作用下层状砂岩动态拉压力学特性研究

为研究层理面倾角对层状岩体动态拉压力学特性的影响,加工制备含5组不同层理面倾角的层状砂岩试样,在50 mm杆径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验平台上进行冲击压缩和冲击劈裂拉伸试验,利用高速摄像仪实时记录试样动态裂纹扩展及破坏过程,分析层理面倾角θ或β对层状砂岩动态应力–应变、动态抗压和抗拉强度、破坏模式及能量吸收特性的影响规律。该层状砂岩层理面之间的差异主要来源于层间矿物组成成分含量的不同。研究表明:(1)冲击压缩载荷作用下,层状砂岩主要表现为5种典型破坏模式,随倾角θ增大,层状砂岩动态抗压强度呈倒U型变化;(2)冲击拉伸载荷作用下,巴西劈裂试样均表现为沿加载方向的劈裂拉伸破坏,随倾角β增大,层状砂岩动态抗拉强度增大。层状砂岩的能量吸收率随层理面倾角的不同而不同,选择与层理面合适的加载角(如θ=90°或β=0°),可以有效提高岩石破岩的能量利用率。     

预制裂隙花岗岩动静组合加载力学特性和破坏规律试验研究

为了研究动静组合加载下深部含裂隙岩体的力学特性和破坏规律,选用花岗岩加工制备50 mm×50 mm含裂隙的圆柱形试样,采用改进的霍普金森压杆装置,进行6个典型轴压水平和3个冲击气压水平的动静组合加载试验,并借助三维数字图像相关技术(3D-DIC)记录并分析试样的变形破裂过程。试验结果表明,裂隙的存在降低了花岗岩试样的抗压强度;随着轴压的增大,试样动态强度和动态弹性模量整体呈先上升后下降的趋势,组合强度基本呈上升趋势,动态应变则呈下降趋势;随着冲击气压的增大,试样动态强度和组合强度均增大,表现出显著的应变率效应。试样的能量吸收率随轴压增大呈先上升后下降的趋势,但在常规静载轴压比0.6～0.7时转而释放能量,并且轴压越大,释放能量所需的冲击气压越小,表现出硬岩岩爆特征;随着冲击气压增大,试样能量吸收率有所下降。对于完整试样,局部高应变先在试样端部集中并形成拉伸起裂裂纹,最终呈劈裂拉伸破坏;对含预制裂隙试样,局部高应变大多先在裂隙尖端或附近集中并形成翼裂纹,最终在轴压0～30 MPa动静组合加载下呈拉剪复合型破坏,但受端部效应影响,在轴压50～70 MPa动静组合加载下,裂隙尖端会形成2条近似平行的反翼裂纹,最终试样呈剪切破坏。     

单裂隙岩体冻融力学特性试验分析

采用具有不同几何特征的闭合裂隙类砂岩模型试样,进行冻融后的单轴压缩试验,分析裂隙岩体经不同冻融循环次数后的物理力学特性,以及不同裂隙倾角、不同裂隙长度的岩样对冻融岩体强度及破坏形态的影响。研究发现:预制闭合裂隙对冻融岩样外观破坏特征影响不是很大;同一类岩样在其它条件相同的条件下,单轴抗压强度及弹性模量随着冻融次数的增加而减小,相同的冻融次数,相同裂隙倾角不同裂隙长度的试件,随着裂隙长度的增长,单轴抗压强度有较大幅度降低,且随着裂隙倾角的增大,降低的程度越来越小;而对于相同的冻融次数,相同裂隙长度不同裂隙倾角的试件,倾角的变化对冻融岩样的影响不大;冻融岩样单轴试验破坏形态随着冻融次数的增加,由单一的较平滑的破坏面逐渐发展为多个表面粗糙的破裂面,除完整岩样及倾角为90°的岩样为劈裂破坏外,其余裂隙岩样基本为沿裂隙面的剪切破坏。     

冲击荷载下饱水板岩拉伸力学特性及能耗规律EI北大核心CSCD

为研究饱水状态下层状板岩的动态拉伸力学特性及能量耗散规律,通过压杆直径为50 mm的SHPB系统进行巴西圆盘劈裂试验,研究水、层理倾角及加载率对板岩的动态拉伸强度、破坏模式及能量耗散的影响。研究结果表明:(1)随着加载率的增加,板岩动态拉伸强度及耗散能密度均提高;(2)当加载率低于395 GPa·s-1时,饱水板岩的拉伸强度低于干燥板岩,岩体强度呈现饱水软化现象;当加载率高于395 GPa·s-1时,饱水板岩的拉伸强度高于干燥板岩,岩体强度呈现饱水强化现象;(3)当加载角度θ=0°~15°时,饱水板岩为拉伸破坏;θ=30°~90°时,饱水板岩为拉伸剪切组合破坏;θ=75°和90°时,随着加载率的增加,饱水板岩的动态拉伸强度增幅更快,耗散能及耗散率最高;(4)冲击荷载下饱水板岩的耗散能密度高于干燥板岩。     

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。     

断续裂隙类岩石材料三轴压缩力学特性试验研究

研究三向应力作用下裂隙对岩石力学特性的影响对于确保裂隙岩体工程稳定具有重要的实践意义。通过配制含两条不平行张开贯穿型裂隙类砂岩试样,采用MTS815.02岩石力学伺服试验机进行不同围压下常规三轴压缩试验。基于试验结果,详细分析了完整及断续不平行双裂隙类岩石材料的应力–应变曲线、强度和变形参数以及破裂模式。研究结果表明:1断续裂隙岩样应力–应变曲线呈现多台阶式软化,部分曲线出现双峰值现象;2完整及断续裂隙岩样峰值强度、裂纹损伤阈值和峰值应变均随着围压的增大呈线性增大。完整岩样峰值强度对围压的敏感程度最高,而断续裂隙岩样中由倾角45°,30°和60°依次减小;3断续裂隙岩样宏观破裂模式受裂隙倾角和围压的共同作用。当围压较小时,破裂形态受裂隙倾角的影响较大;当围压增大到一定程度后,裂隙倾角的影响逐渐减弱,围压的作用开始显现,岩样最终呈剪切破坏模式。