交叉裂隙岩体裂纹扩展试验及混合有限-离散元数值模拟研究

对预制交叉裂隙岩石试样进行裂纹扩展试验,研究了裂纹萌生、扩展、聚合过程,分析了主裂隙和轴向载荷夹角及主次裂隙夹角对裂纹起裂应力和聚合应力的影响,并用混合有限元-离散元程序,即图形处理器并行化的3D Y-HFDEM代码对试验进行了仿真计算,实现了岩石破坏从连续介质向非连续介质的过渡,对裂纹类及损伤破坏模式进行了识别,捕捉到了试验中难以发现的现象。研究表明：随主裂隙与轴向载荷夹角增加,裂纹聚合区的拉伸裂纹数量增加;裂纹起裂和聚合应力与主裂隙与轴向载荷夹角成正比;主次裂隙夹角增加,岩石的破坏模式由拉伸破坏转为剪切破坏,交叉裂隙加剧岩石破碎程度;主裂隙尖端萌生扩展的拉伸-剪切混合裂缝引起的破坏在岩石破坏中占主导地位,是导致岩体失去承载能力的主控裂纹;混合有限元-离散元仿真软件GPGPU并行化的3D Y-HFDEM IDE在岩石裂纹扩展研究中具有优势,可以捕捉实验室难以发现的损伤断裂类型,可以作为岩石裂纹扩展研究的有力工具。     

基于裂隙扩展的多级岩质边坡开挖卸荷破坏路径分析

开挖卸荷作用下裂隙岩体边坡的破坏模式与路径分析是边坡工程灾害研究的热点之一,准确识别边坡的潜在破裂路径对工程安全施工和支护优化设计具有重要意义。依据断裂扩展分析方法,将裂隙扩展判别的理论方法开发并应用于数值模拟分析中,通过裂隙尖端应力强度因子计算、裂隙扩展模式识别、裂隙起裂角演算、裂隙扩展交汇等技术实现了岩体中断续裂隙的起裂、扩展与贯通演化过程的快速模拟;以某高速公路沿线裂隙岩体路堑边坡为对象,采用提出的模拟方法分析了多级开挖卸荷作用下坡体裂隙的扩展机制与边坡的破坏路径。结果表明：裂隙岩体边坡从上至下多级开挖过程中,坡肩裂隙首先起裂,并通过拉张型扩展逐渐发展为优势裂隙;随着边坡下挖,优势裂隙沿坡面向下逐步发生拉张/剪切混合型扩展并与既有裂隙交汇,在边坡中上部形成阶梯状扩展破坏路径;裂隙扩展至边坡下部及坡脚后扩展模式由拉张/剪切混合型转化为剪切型,并最终以弧形剪切面从坡脚出露。研究揭示了裂隙岩体边坡多级开挖卸荷作用下上部阶梯状拉张/剪切混合型破裂-下部弧形剪切型破裂的复合破坏模式,可为边坡工程支护设计和施工稳定性控制提供新思路。     

不同水力荷载路径下煤体微观渗流特征及宏观破坏研究

为探究煤体在不同水力荷载路径下的微观渗流特征,通过CT三维重建技术,建立了基于煤体微观结构的双介质渗流模型,并设计了恒定速度加载（LP1）、常规脉动加载（LP2）和强加载缓卸载加载（LP3）3种水力荷载路径,进行了在不同循环荷载路径下的煤体注水渗流数值模拟试验。另外利用自行搭建的煤体注水装置,探究了3种荷载路径下的宏观损伤情况。结果表明：联通裂隙占孔裂隙结构的73.49%,是影响煤体渗流的主要因素,而孔径为9～23μm的孔隙是孤立孔隙中的主要部分,数量和体积占比均超过了50%;煤体内部孔裂隙结构和荷载路径对渗流速度和压力的分布特征具有重要影响。LP1沿注入方向平均渗流速度的波动较大,LP3则抑制效果明显,且LP3路径较LP1和LP2随时间有较大跨度。LP3的荷载路径相对于LP1具有脉动荷载的疲劳损伤效果,并且造成的损伤程度强于LP2。该研究可为煤体微观结构研究和煤层注水技术参数优化提供方向。     

岩体裂隙粗糙度表征及其对裂隙渗流特性的影响

岩体裂隙粗糙程度对裂隙渗流特性的影响显著。利用三维光学扫描系统获取岩体裂隙面点云数据,结合SURFER和GEOMAGIC STUDIO等软件计算裂隙面节理粗糙度系数JRC和表面粗糙比率R_s,建立JRC与R_s的定量关系,开展应力、渗流和化学耦合作用下石灰岩裂隙渗流试验,研究JRC和R_s对粗糙裂隙渗流特性的影响。结果表明：JRC与R_s呈对数函数关系,其平方根R²为0.912 8,该表征公式与裂隙渗流试验结果最大相对误差MRE、平均绝对误差MAE和均方根误差RMSE分别为6.93%、0.34和0.27。JRC与渗流量、稳定期渗透率分别呈二次函数和对数函数关系,R_s和各参数的拟合关系与JRC相同。JRC值越大,渗流量和渗透率越小,且三场耦合作用下裂隙面JRC和R_s值均有所增大。该表征方法可用于岩体裂隙面粗糙度估算,由裂隙面JRC值可预测该裂隙渗流量和稳定时刻渗透率。     

花岗岩残积土剪切带上的细观结构损伤规律

剪切带和裂隙演化对土体滑坡至关重要,裂隙是土体中最薄弱的区域,但是当前缺乏用于定量分析剪切带上细观结构损伤规律的方法。为了揭示花岗岩残积土内部裂隙对剪切变形破坏的影响,利用CT扫描获得试样在三轴加载过程中不同加载阶段的数字体图像,基于数字体图像相关方法（digital volume correlation,简称DVC）把复杂三维裂隙的坐标进行转换,根据加载前后的裂隙在三维空间的重叠特征提出改进的裂隙分类方法,将裂隙分为8种：湮灭型裂隙、新生型裂隙、继承型裂隙、拆分型裂隙、合并型裂隙、复合-新生型裂隙、复合-继承型裂隙和复合-混合型裂隙。结果显示：新生型裂隙和复合型裂隙与剪切带演化紧密相关。随着轴向应变的增大,剪切带上的新生型裂隙和复合-新生型裂隙呈增大趋势,当轴向应变为12%时新生型裂隙体积含量超过50%;复合-继承型裂隙呈快速衰减特征,而复合-混合型裂隙呈先增大后衰减的趋势。在剪切带萌生初期,剪切带内部生成少量新生裂隙,但裂隙是材料中最薄弱的区域,因此新生裂隙加速了剪切带的发育;随着剪切带的发育,大量新生裂隙使剪切带上的细观结构损伤更为严重;剪切带与裂隙之间互相耦合影响,最终使土体发...     

基于3D打印的裂隙岩体力学特性尺寸效应及各向异性初探

裂隙岩体力学参数的尺寸效应和各向异性是岩石力学与工程领域亟待解决的难点问题。充分利用3D砂型打印技术快速成型、可批量制备复杂内部结构岩体模型的优势,以石英砂和呋喃树脂为打印基材,制备不同尺寸和旋转角的裂隙网络类岩石试件。通过单轴压缩试验研究裂隙网络岩体力学特性的尺寸效应,揭示裂隙密度与强度之间的相关性,分析表征单元体尺度岩体力学特性的各向异性。结果表明：3D砂型打印试件的力学性能与真实岩体相似,应力-应变曲线可划分为初始压密、弹性变形、裂纹萌生与扩展和峰后破坏4个阶段。试件抗压强度与试件边长之间呈指数衰减关系,存在显著尺寸效应性质。裂隙密度与抗压强度之间呈显著的负指数关系,基于裂隙密度与抗压强度确定的岩体表征单元体尺度具有良好的一致性。裂隙岩体的破坏模式和抗压强度具有显著的各向异性特征。研究方法从3D打印角度为复杂裂隙岩体尺寸效应及各向异性的室内试验研究提供了可靠途径。     

基于透明相似模型试验的主控裂隙边坡变形破坏演化机制研究

岩质边坡灾害孕育期的变形破坏发展过程通常受其内部长大裂隙（主控裂隙）控制,揭示主控裂隙边坡变形破坏演化机制对滑坡灾害防治具有重要意义。基于透明相似模型试验技术,选取2种典型主控裂隙（后缘陡倾角裂隙和前缘缓倾角裂隙）边坡为研究对象,在自研设备上开展了主控裂隙边坡内部变形破坏演化过程的模型试验研究;分别以位移速率和应变速率作为边坡变形和裂隙扩展的表征量,以无裂隙边坡变形破坏演化规律为参照,对比分析了后缘和前缘主控裂隙影响下边坡内部变形破坏的时空演化机制。结果表明：（1）通过模拟无裂隙边坡内部变形累积以及破裂萌生、扩展与贯通的渐进过程,验证了所采用的试验方法在研究边坡内部变形破坏演化过程方面的可靠性;（2）主控裂隙边坡内部变形破坏过程与无裂隙边坡相似,可分为变形累积、破裂带萌生/初始裂隙起裂、破裂带/裂隙扩展调整、破裂带/裂隙快速扩展贯通等4个阶段;（3）在初始主控裂隙滑移变形的作用下,后缘陡倾角裂隙尖端因受推移作用而发生拉张-剪切混合型起裂并向下扩展,前缘缓倾角裂隙尖端因受牵引作用而发生拉张型起裂并向上扩展,裂隙扩展速率随扩展长度的增加而呈指数型增长;（4）裂隙扩展类型随边坡变形与裂隙扩展...     

基于高密度电阻率法的土体干缩裂隙动态发育过程精细监测研究

土体在气候作用下发育干缩裂隙是一种常见的自然现象,裂隙的存在会极大弱化土体的工程性质,诱发许多岩土与地质工程问题。为了实时掌握黏性土中干缩裂隙网络的发展状态,提出了一套基于高密度电阻率层析成像技术（ERT）的土体干缩裂隙动态发展过程精细监测方法。分别开展模型试验及原位试验,利用自行研制的测定系统持续采集电流-电位差数据,随后利用自行开发的有限元法电阻率层析成像（FemERT）系统进行数据处理,获取了裂隙网络在不同发育阶段的空间分布特征。结果表明：（1）ERT可以实现土体裂隙发育过程的精细监测,具备监测三维裂隙网络几何形态的能力,裂隙宽度的识别精度达到毫米级,裂隙深度的识别精度达到厘米级;（2）ERT的感度分布特征解释了裂隙发育对于土体电阻率的影响规律,测定电阻值时程曲线因裂隙产生位置的不同而呈现不同的变化规律;（3）反演电阻率及其相对变化率（Rev）可以直观表征裂隙网络在不同阶段的空间几何形态,凸显裂隙动态发育过程对于土体导电性的影响。     

破坏程度不同煤体失稳过程红外辐射及裂隙演化特征研究

为了探讨破坏程度不同煤体的力学行为、红外辐射及裂隙演化特征,进行了单轴压缩过程中同步红外辐射检测试验,分析了不同试样受载后力学行为及红外辐射响应特征。在试样宏观力学特性的基础上,采用颗粒流PFC2D对试样单轴压缩进行模拟,从细观尺度上分析了试样裂隙的演化特征。研究结果表明：破坏程度影响了试样的强度、变形特征,随着破坏程度的增强,试样表现出弱脆性、强塑性特征;破坏程度不同试样均表现出增温的时变特征,Ⅰ类、Ⅱ类试样临破裂前温度出现骤增的前兆特征,温度突增可达1.7℃左右,而Ⅲ类试样则表现为先骤降后快速上升的变化特征,温度增加0.93℃;加载过程中红外热像出现分异特征,高温或低温异常区域对应着煤岩试样破坏的空间位置;试样破坏区域与红外辐射异常区域大致相同,内部损伤（裂隙发育）与表面损伤（红外辐射）有着密切的关联性。该研究结果可为破坏程度不同煤体采掘过程中的动力灾害预警提供参考。     

含裂隙岩质深基坑桩锚支护结构变形特征研究

由于开挖量大、施工周期长、施工环境复杂等特点,深基坑工程容易发生施工安全事故。以重庆市某含裂隙岩质深基坑工程为背景,采用有限差分软件FLAC3D建立三维数值模型,模拟了在多层预应力锚索桩板挡墙支护下基坑全开挖过程。基于数值结果分析了基坑开挖过程中土体以及支护结构变形特征。数值计算结果及实测数据表明:(1)受裂隙及邻近建筑的影响,基坑支护结构体系变形以及坑外地表沉降分布具有明显的空间效应;(2)基坑角点处冠梁弯矩随开挖深度的变化规律与基坑中部明显不同;(3)基坑北、南侧中部支护桩的桩身变形呈复合式,东、西侧中部呈悬臂式;(4)采用HS土体本构模型获得的结果与工程实测结果更加符合。地表沉降的数值结果与实测数据较为接近,证实了数值模型的可靠性。研究结果可为类似工程提供参考。