冻融循环作用下岩石表面裂纹扩展过程细观研究

对页岩进行冻融循环试验,借助激光扫描显微镜对岩石在垂直和平行层理两个方向上的表面裂纹的扩展过程展开细观研究。采用数值模拟对冻融循环作用的温度应力分布、裂纹扩展过程及其机制进行研究。研究结果表明：裂纹深度、裂纹宽度和表面积比均随着冻融循环次数的增加而增大。部分颗粒在冻融循环作用下会发生破碎和崩落。垂直层理的岩石表面的裂纹深度、裂纹宽度和表面积比的增幅较小,曲线较平缓。而平行层理的岩石表面的裂纹深度、裂纹宽度和表面积比的增幅较大,曲线较陡。层理面表现出较为明显的弱面特征。裂纹更容易沿着层理面扩展。裂纹的形成和扩展会导致应力场的重分布。应力集中现象出现在层理面与表面的交界处。表面裂纹大都发端于表面层的自由边界,而后向内部扩展。     

球齿滚刀作用下岩石裂纹的数值模拟与试验观测

 在对实际掘进条件做出合理简化的基础上,主要从仿真与试验2个方面对齿刀破岩机制进行研究。首先将Hertz弹性接触理论引入仿真,从而考虑刀具的初始应力分布对裂纹扩展的影响;然后利用基于2D离散法的UDEC软件建立TBM双刃球齿滚刀侵入砂岩的模型,并进行仿真分析;最后在原有线切割试验台的基础上设计观测试验。首次利用高速摄像仪捕捉到岩石崩裂及破碎的现象,并巧妙地使用普通数码相机不连续记录球齿下密实核的产生过程。该模型成功地模拟裂纹的生成与扩展,由仿真结果可知：随着侵深的增加,球齿底部承受压应力过大逐步出现密实核;球齿之间的侧向裂纹由于拉应力失效迅速扩展并趋于交汇,最终裂纹贯穿导致岩体破碎;破碎前刃侧出现的小块岩石崩裂现象是由拉应力失效引起的。仿真结果与实验室观测结果表明,研究成果和施工现场数据存有良好的一致性,可适用于浅地层TBM掘进机破岩机制的研究。     

冲击荷载下层理对页岩内裂纹扩展行为影响规律的研究

为了研究冲击荷载作用下页岩的断裂特性及层理对裂纹扩展行为的影响规律,基于实验–数值法,采用大直径分离式霍普金森压杆(SHPB)加载系统分别对0°,30°,45°,60°及90°层理倾角的页岩侧开单裂纹三角孔板构型试件(single cleavage triangle,SCT)进行动态冲击实验,并借助AUTODYN有限差分软件采用复合层状岩石模型对裂纹扩展过程进行数值模拟。实验结果表明,层理对裂纹扩展方向及试件破坏形态影响显著。裂纹的扩展速度与加载速率整体上呈正相关关系,加载速率较低的情况下裂纹停滞现象容易发生。沿层理面开裂是页岩等层状类岩石主要的破坏形式,但是次生裂纹的起点并不完全随机,实验发现裂纹扩展速度减缓处是次生裂纹起萌的高发区域。     

水力裂缝遇斜交层理弱面的扩展规律解析分析

为研究水力压裂裂纹与层理弱面斜交时的裂纹扩展规律,利用复变函数和保角变换等推导得出任意方向裂纹面尖端的应力集中解答。根据最大拉应力准则,通过比较压裂裂纹面在原扩展方向和层理弱面处以及沿层理扩展的应力状态及相应抗拉强度,得出均质岩体区裂纹稳定扩展遇斜交层理时,即垂直最小地应力方向裂纹遇任意方向层理的扩展规律。建立表示裂纹转向层理弱面扩展难易程度指标,即临界强度比,该指标与地应力状态、层理和岩石基体强度以及层理方位有关,其值越小表示裂纹满足转向层理扩展条件时所对应的层理和岩石基体的抗拉强度比越小。通过对规律解析分析得出:临界强度比随第一、第二与第三主地应力差降低或层理弱面与裂纹面夹角变小而增大;随岩石基体强度降低或层理弱面和裂纹面交线与中间主地应力夹角变小而减小。将解析分析结果与实验数据进行对比验证,规律一致。     

高压水射流冲击作用下横观各向同性岩石破碎机制

 基于流体动力学与弹性力学基本理论,分析水射流冲击岩石过程中产生的水锤压力与滞止压力,推导不同压力阶段水射流截面上动压力径向分布函数,建立水射流以不同的夹角?冲击横观各向同性岩石的数学模型,选取? = 0°,45°,90°研究冲击夹角对岩石破碎规律的影响;选择具有良好横观各向同性的砂岩开展不同夹角的冲击实验。理论分析与实验研究表明：水锤压力导致横观各向同性岩石产生冲击破碎坑,滞止压力诱发岩石内部裂纹的产生与扩展;水射流以垂直于、倾斜于、平行于层理冲击横观各向同性岩石导致其分别产生横向裂纹、倾斜裂纹和劈裂裂纹。     

不同围压条件下TBM刀具破岩模式的数值研究

为了研究不同围压条件下TBM刀具在掘进施工过程中的破岩机理,基于2-D离散单元法,利用UDEC仿真软件建立了双把TBM刀具侵入岩石的仿真模型。在此基础上设计了一组数值试验,成功地模拟出了不同围压条件以及不同刀间距下岩石裂纹生成,扩展和岩石破碎的全过程。仿真结果表明：TBM刀具作用下岩石存在四种基本的破碎模式,它们的出现与围压以及刀间距有关;破碎模式对刀具的破岩效率,岩石破碎块度均有影响;随着围压的增加,最优刀间距增大,但围压超过一定值后,最优刀间距反而减小。     

动静载荷耦合作用下岩石破碎理论分析及试验研究

根据压头侵入岩石的断裂特征,确定了动静载荷耦合侵入岩石过程中所形成的中间、径向和侧向裂纹长度与侵入载荷、冲锤质量和冲击速度关系式,分析了冲击–静压切削组合破岩模式下冲击间距(频率)对破岩效果的影响。在自行研制的动静态多功能岩石破碎试验台上,以花岗岩为试验对象分别进行了动静耦合载荷侵入岩石试验和冲击–静压切削破岩试验。结果表明:组合载荷模式能大幅度提高破岩效果,冲击间距与切削深度之比值对破岩比能耗有很大影响,并且存在最优比值可使破岩达到最佳效果;合理的加载方式应是冲击载荷使岩石产生足够大的开裂区,再与之匹配适当的静压和切削力将开裂区岩石切削下来;大冲击能、高冲击频率、小冲击间距对于破碎脆性硬岩有较好的效果。     

不同围压及切削顺序对TBM刀具破岩机理的影响

在综合考虑围压及刀具切削顺序的前提下,利用二维离散单元法建立双把TBM刀具切削节理不发育岩石的仿真模型,模拟出岩石裂纹的生产与扩展全过程。根据获得的裂纹扩展形态以及破碎块形成规则,总结归纳出四种典型破碎模式,并从刀具破岩效率、岩石裂纹扩展能力以及岩石破碎块度三个方面对刀具破岩机理进行进一步研究。仿真结果表明:随着围压的增加,刀具的破岩效率与裂纹扩展能力降低;同时加载方式下破岩效率比先后加载方式要大,而裂纹扩展能力则刚好相反;岩石破碎块度与破碎模式有关。     

高应力状态下穿过层理爆破致裂的动态行为研究

为了研究高应力状态下炮孔穿过层理爆破的裂纹起裂、扩展等动态力学行为,结合动态焦散线方法,采用数字激光动态焦散线实验系统,开展实验室模型实验。结果表明:炮孔穿过层理爆破时,爆生气体能量难以得到有效利用,炮孔周边岩石的破碎效果不甚理想。爆炸应力波对层理端部裂纹的起裂和扩展前期的动力学行为起主导作用,静态应力则对裂纹扩展后期的行为特征产生主要影响。层理走向与静态应力方向之间的夹角对试件的破坏形态和爆生主裂纹的动态应力强度因子、扩展速度等具有明显影响。此外,随着该夹角的增加,爆生主裂纹的扩展时间和沿层理位移均减小,最大偏转角度增大,扩展路径更加曲折。     

对矿井工程中的施工技术的探讨

本文对地质构造复杂煤矿区钻进松散、软弱煤岩层段.特别是钻遇断层破碎带、陷落柱等破碎松软岩层时,极易出现孔内垮塌、卡钻、埋钻等事故,提出一些措施.而在工程中施工技术的方法和开工顺序也是影响整个工程开采的关键因素.     

牙轮钻工作参数与岩体强度对应关系的理论分析与实验研究

以露天矿开采为背景,基于牙轮钻单齿冲击压入破岩的机理,借助理论分析及现场实验,建立了牙轮钻的工作参数(进尺速度、钻杆轴压、转速)与岩体强度(黏聚力、内摩擦角)的对应关系。理论分析时,基于布西内斯科问题弹性力学解和Drucker-Prager塑性准则,给出了单齿压入破碎区域的几何形态,建立了单齿破岩体积与钻杆轴压、黏聚力、内摩擦角间的函数关系;并根据钻杆旋转一周单齿破岩体积的累积量和宏观破岩体积相等,建立了进尺速度、转速与单齿破岩体积的对应关系。理论分析的结果表明,单齿作用下,破碎区域基本呈椭球形,并在压入点附近的表层出现薄层破碎;进尺速度与转速呈线性关系,进尺速度与钻杆轴压呈3/2次方的关系,进尺速度与黏聚力呈-3/2次方的关系,内摩擦角对进尺速度的影响可以忽略。在鞍千矿南采区进行了牙轮钻钻进规律的现场实验,研究了进尺速度与钻杆轴压、转速、黏聚力间的对应关系,得到了与理论分析一致的结果。研究成果可以为牙轮钻工作参数的优化设计及岩体强度的动态测试提供依据。     

岩体贯切破坏在不同侧向自由边界的声发射演化

 摘要：采用机械式隧道开挖可提升施工自动化与工程安全性的成效,但因机械式掘削刃口开挖过程的力学机制仍属浑蒙,而掘削机具与弱面位置的互制关系,对于岩体破坏行为有着重要的影响。以脆性岩体为研究目标,探求楔型刃口贯切受测岩体的接触破坏机制,为工程实际提供参考。由正向楔型贯切仪器的建置,并采用非损伤的声发射技术,以楔型刃口为尖状及90°楔角的试验条件下,改变不同贯切位置,以无侧围压方式进行模拟开口不连续的弱面状况,并采用裂缝开口位移控制,使加载于尖峰行为后,不致失稳开裂,以求取完整的贯切加载历程。试验结果显示,不同贯切位置的裂缝开裂路径,存在着几何相似特性;随着逐渐靠近侧向自由边界,其最大贯切力与最大贯切深度均随之降低,但对于标称贯切压力则影响不大。而声发射技术所接收的微震事件,可代表微观裂缝的生成,其与宏观裂缝的初裂与延伸作一比较,证实声发射定位结果十分良好;随着贯切位置逐渐靠近侧向自由边界,丛聚现象发生时机将提早发生,且弹–塑性交界半径则有减小的趋势。     

正交各向异性地层井壁围岩应力新模型

 常规石油工程岩石力学分析中,通常把地层正交各向异性简化为横观各向同性,然而该简化在某些地层条件下并不适用。对实钻岩芯进行的力学性质测试结果表明,在垂直于井眼轴线平面内,不同方向岩石力学性质的差异是客观存在的。在各向异性材料力学的基础上,利用叠加原理,分别考虑钻井液柱压力、水平最大地应力以及水平最小地应力单独作用 种情况,建立正交各向异性地层井壁围岩应力分析新模型。实例计算结果表明,无论水平地应力是否均匀,只要地层力学性质是各向异性的,那么井壁岩石处的周向应力必然呈现非均匀分布特征。而且,地层各向异性条件下的井壁围岩应力极值均比各向同性条件下要大。因此,地层力学性质的各向异性使井壁岩石的受力状态明显恶化。这一特征应该在今后的相关工程问题力学分析中予以重视。     

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。     

TBM滚刀破岩动态特性与最优刀间距研究

在对实际工况合理简化的基础上,从岩土细观角度出发,采用颗粒离散元法建立滚刀侵入岩体的二维模拟模型,研究双滚刀作用下岩体的动态响应机制,找出滚刀侵入过程中岩体裂纹、贯入度以及切削力三者的关系。在此基础上,通过数值模拟对常见切深下滚刀最优刀间距问题进行分析,得到不同切深下比能耗与刀间距的规律,并通过试验对双滚刀破岩过程中岩体动态特性以及最优刀间距问题进行验证,最后以工程实例验证研究结论。研究表明：仿真过程中,切削力随贯入度的变化与岩体的跃进破碎特性相一致,岩体破坏服从格里菲斯理论;较小切深下岩体为剪切破坏,较大切深下岩体发生拉应力破坏;切深为10 mm时比能耗有明显拐点,此时刀间距为100 mm;切深为6 mm时,60 mm刀间距下比能耗最小;切深小于2 mm时,实际工况下岩体不能产生贯穿裂纹。     

An analytical drilling model of drag bits for evaluation of rock strength

To evaluate the unconfined compressive strength (UCS) of rocks from drilling data is a promising in-situ method and has been studied by many researchers. In most studies, experimental methods have been used to determine the relationship between UCS and drilling data. In this paper, an analytical model is proposed to describe rock drilling processes using drag bits and rotary drills, and to deduce the relations among rock properties, bit shapes, and drilling parameters (rotary speed, thrust, torque, and stroke). In this model, a drilling process is divided into cycles, each of which includes two motions: feeding and cutting. Feeding is treated as an indentation motion. There is a linear relation between indentation pressure (thrust) and the indentation depth (penetration rate). The cutting forces and friction forces of both the rake surface and the flank surface are examined. Also, a virtual base is set to the model to simulate the contact surface between the flank surface of the bit and the rock.According to this model, drilling torque consists of four parts respectively generated from cutting, friction, feeding, and idle running. Torque caused by friction and idle running is ineffective for drilling, whereas that caused by cutting and indentation is effective. Similar to torque, specific energy also has four parts respectively from cutting, friction, feeding, and idle running. For the purposes of this study, effective specific energy is defined as the sum of specific energy consumed by cutting and feeding. Effective specific energy is independent of the penetration rate. Since it is proportional to the UCS of the rocks, it is not influenced by the penetration rate, and is more useful in the evaluation of UCS than other parameters. Some laboratory and field tests were conducted, and the results verified the usefulness and effectiveness of the proposed model.     

层状围岩中管片衬砌受力特征的模型试验研究

深部层状围岩结构强度具有各向异性特点,此类地层中修建盾构隧道,管片衬砌易受偏压作用,对结构安全构成挑战。开展层状围岩与盾构管片衬砌相互作用关系的相似模型试验研究,研究不同层理倾角下管片衬砌壁后围岩压力、管片衬砌内力和变形分布规律。研究结构表明:管片衬砌受力和变形特征受层理面控制明显,管片衬砌受力极不均匀,弯矩、轴力和变形呈现非对称分布;管片衬砌壁后围岩压力最大值集中在强度最弱的层理面法线方向,该方向上管片衬砌的弯矩最大,轴力最小,变形最大;层理倾角对管片衬砌的受力和变形影响显著,层理倾角不仅影响管片衬砌壁后围岩压力分布形状还影响其量值大小;均质地层中,管片衬砌裂缝主要出在封顶块接头处和其他环向接头处,层状地层中管片衬砌裂缝出现位置受接头位置影响减弱,而受层理倾角影响明显,管片衬砌裂缝出现位置主要集中在层理面法向。研究结果对层状围岩中修建盾构隧道的支护结构型式设计具有一定参考价值。     

北山预选区新场地段岩体节理几何特征及评价

 准确分析和评价BS17,BS18和BS19钻孔周边岩体节理几何特征,是我国高放废物处置北山预选区新场地段场址筛选及适宜性评价的重点内容和关键步骤之一。通过现场调查、数理统计和概率分析等方法,对该地区的岩体节理几何特性进行研究,结果表明：(1) 各钻孔均发育4个节理优势组,尤以NE向和NW向最发育;(2) 节理倾角以陡倾角的剪节理为主,节理产状服从正态分布函数,节理间距可用负指数函数进行有效拟合;(3) 节理平均间距宽,迹长长,中点面密度小。基于岩体节理在高放废物处置库工程安全运行中的重要性。采用 法对岩体节理发育特征进行综合评价,发现新场地段3个钻孔周围岩体节理发育程度轻微、区域差异性小、岩体完整性好,断层对其两侧岩体的节理发育有促进作用,研究结果可为北山预选区处置库场址筛选和场址适宜性评价提供必要的数据支持。     

简单复合岩体中TBM多滚刀破岩机理离散元分析

采用引入考虑胶结尺寸的微观接触模型的PFC^2D离散元软件,对全断面岩石掘进机（TBM）盘形滚刀作用下简单形式的复合岩体破岩机理进行数值模拟研究。进行了单滚刀、双滚刀和三滚刀作用下的复合岩体破碎过程的模拟。模拟结果表明：滚刀破岩过程可以分为三个阶段：加载阶段、卸载阶段和残余跃进阶段。通过双滚刀和三滚刀侵入复合岩体的推力-侵深曲线分析,软岩上的滚刀比硬岩上的滚刀进入各阶段稍慢,略有滞后;不同滚刀间的峰值法向推力相差较大,易造成滚刀磨损。对于花岗岩-绿片岩复合岩体,破岩时接触力链被岩体分界面分割,硬岩区胶结破坏数目较多,双滚刀、三滚刀侵入时易形成贯通裂缝;破岩效率由大到小为双滚刀效率、三滚刀效率、单滚刀效率,而且双滚刀能够将效率提高一倍左右。     

Study on the influence of joint spacing on rock fragmentation under TBM cutter by linear cutting test

Joint spacing is one of the most important geological factors influencing rock fragmentation by TBM cutters and TBM performance. In order to study the influence of joint spacing, full-scale linear cutting tests have been conducted for the Beishan granite samples with different joint spacing (i.e. one intact sample, two jointed samples with joint spacing of 100 mm and 400 mm). For different joint spacing, the influence of penetration depth on rock fragmentation was also explored by varying the penetration depth with an interval of 0.5 mm. During the test process, the three directional forces acting on the TBM cutter were recorded, and the rock chips formed by each cutting pass were weighed, respectively. By analysing the cutting force, crack initiation/propagation and rock chips, the influences of joint spacing on rock fragmentation process by TBM cutter were investigated. The test results showed that the increase of penetration depth cannot improve the TBM breakage efficiency after reaching a certain value for the intact rock sample, and the normal force for intruding the intact rock is larger than that for intruding the rock jointed samples. It is also found that the sample part below the joint plane is intact, thus joint can restrain the crack propagating cross the joint plane and facilitates the chips formation on the cutting surface. For the rock sample with joint spacing of 100 mm, two rock fragmentation modes were found during the cutting process. One mode is that the cracks initiate from the crushed zone under TBM cutter, and the cracks propagate to the joint plane, consequently form large rock chips. The other one is that the cracks initiate from the joint plane and then propagate to the rock cutting surface, and the cracks initiate before the formation of the crushed zone under the cutter. For the rock sample with joint spacing of 400 mm, there are two rock fragmentation stages, i.e., the normal rock fragmentation stage and the joint-controlled rock fragmentation stage. There is a transitional process between these two stages, and also the median crack can be promoted to propagate vertically to joint plane due to the joint existence. This study can provide useful guidance for operation optimization and performance prediction for TBM operating in jointed rock masses.