拉伸条件下锚杆对含表面裂隙类岩石试样加固效应试验研究

选用改性橡胶粉–水泥砂浆来模拟真实岩石,用玻璃纤维增强塑料作为锚杆材料,研究锚杆对三维表面裂隙岩体的加固止裂效果。结果表明,锚杆提高了裂隙岩体的变形模量和单轴抗拉强度,变形模量随锚固角的增大而增大,而单轴拉伸随锚固角的增大先增大后减小,当锚固角β=45°时,锚杆对单轴抗拉强度的提高幅度最大;锚杆通过其抗滑移和抗剪切性能使裂隙岩体避免发生脆性破坏,并且在预置裂隙起裂之后存在不同程度的残余强度;单轴拉伸条件下加锚或无锚裂隙试件的破坏均以预置裂纹尖端为突破口产生翼裂纹,其扩展方向大致与轴向拉应力方向垂直。当锚固角小于某个临界值时,会有次生裂纹产生;拉伸条件下,含裂隙试件的破坏机制是张拉型裂纹的贯通作用。     

岩石平行偏置裂纹相互作用规律分析

岩石中各种类型裂隙的相互影响是致使其变形破碎的重要原因,基于经典Kachanov法,通过分析所得应力强度因子比变化趋势,分别研究了拉剪和压剪两种状态下平行偏置双裂纹间水平距离、垂直距离、裂纹长度以及裂纹倾角对其相互作用的影响规律,对含不等长平行偏置裂纹的类岩试件进行单轴压缩试验,通过预制裂纹的起裂扩展和起裂荷载变化规律对理论分析进行了对比验证。结果表明:裂纹间的相互影响包括强化、屏蔽和零效应三方面,且随水平距离、垂直距离、裂纹长度和倾角的不同而相互转化;距离裂纹尖端越近,屏蔽和强化作用变化越剧烈,K_Ⅰ,K_Ⅱ分别在裂纹倾角为60°和30°时变化较剧烈。     

渗透水压作用下类岩石材料张开型裂纹启裂特性研究

 在探讨渗透水压和远场应力共同作用下张开型裂纹的启裂规律及裂纹尖端应力强度因子的演化规律的基础上,建立压剪应力场和渗流场共同作用下含预置裂纹类岩石材料的损伤断裂力学模型和裂纹尖端应力强度因子演化方程,提出运用裂纹尖端应力强度因子作为判断压剪岩石裂纹的启裂准则。研究结果表明：张开型裂纹尖端应力强度因子受围压、渗透水压力、裂纹尖端曲率半径以及裂纹倾角等因素的影响;裂纹启裂角随预制裂纹角度的变化不大,其值约为70.5°;裂纹启裂强度与渗透水压力、裂纹长度、裂纹尖端曲率半径成反比,与围压的大小成正比,此外还与裂纹倾角有关。算例验证表明,运用不同的断裂判断准则均可得出岩石裂纹初裂强度随渗透水压力的增大而呈减小的趋势。且进一步的试验也验证了启裂强度与渗透水压成反比而与围压成正比;当裂隙角度为30°时裂纹启裂强度最大,60°次之,45°最小。提高渗透水压可显著降低张开型裂纹的启裂强度,这一结果可为深部高应力岩体诱导破裂提供新的思路。     

含非共面重叠型微裂隙类岩石试样单轴受压宏细观力学特性颗粒流模拟

为了研究单轴压缩下非共面重叠型微裂隙倾角变化对类岩石试样整体的轴向应力,弹性应变能和局部应力场等的影响,在已有类岩石试样真实参数基础上选用颗粒流数值分析软件PFC~(2D)对其进行数值模拟。研究结果表明:试样抗压强度随裂隙倾角增加而增加;裂隙倾角较小时,试样在单轴压缩过程中具有明显塑性变形,在应变软化阶段能量释放率较大,而裂隙倾角较大时,则表现出明显的弹脆性性质,贮能较大;对裂隙局部应力场分析,最小主应力场随轴向应变呈明显的阶段性变化,大的应力降均与裂纹的加速扩展有关,按应力场变化特征可归纳为3种不同的类型。加载前期裂隙上下两侧部分区域最小主应力表现为拉应力,随裂隙倾角增大裂隙上下两侧拉应力集中程度减小,受拉区向裂隙尖端转移,并且面积逐渐减小,裂纹启裂后拉应力逐渐消失;加载前期裂隙尖端附近虽然应力集中程度较高,但其二维压应力状态使该区域裂纹启裂相对较难。     

卸荷条件下岩石平行偏置双裂隙的扩展规律研究

岩质边坡中存在着大量的非贯通断续节理,对于开挖扰动下的边坡岩体强度及破坏模式起着重要的控制作用。为了研究边坡岩体在开挖扰动下内部节理裂隙的细观扩展规律,基于叠加原理与Kachanov法,推导了卸荷条件下平行偏置双裂隙的尖端应力强度因子表达式并从理论上分析了多种因素对裂隙间相互作用的影响规律,最后对含平行偏置裂隙的类岩试件进行了卸荷试验,结果表明:①主次裂隙间的裂隙错距或岩桥长度愈小、主裂隙长度愈大,裂隙尖端处的相互作用变化愈剧烈;②随着裂隙倾角的增大,裂隙尖端张拉破坏的趋势愈发明显,而剪切破坏趋势减弱;③裂隙间的岩桥长度越大,应力强度因子放大系数受裂隙倾角的影响越敏感。通过对比理论上不同试件在侧向卸荷条件下的裂隙轴向起裂应力与试验测得的实际起裂应力发现,两者相对误差均在4.7%以内,证明了利用提出的理论方法计算裂隙的临界起裂应力是合理可行的。通过本研究揭示的卸荷条件下平行偏置双裂隙的扩展规律,可对露天矿节理岩质边坡在开挖过程中的细观破坏机制提供一定的理论依据。     

渗透压作用下压剪岩石裂纹流变断裂贯通机制及破坏准则探讨

探讨了渗透压作用下黏弹性压剪岩石裂纹的起裂规律及分支裂纹尖端应力强度因子的演变规律,得出:一定轴向压应力下,渗透压、远场侧向应力和裂纹面摩擦系数是影响分支裂纹尖端应力强度因子KI演变的主要因素,渗透压的存在加剧了分支裂纹的扩展,随着裂纹渗透压的增大,分支裂纹扩展由稳定扩展变成不稳定扩展;建立了渗透压作用下压剪岩石裂纹体的轴向贯穿、岩桥剪切贯通两种不同类型的断裂破坏力学模型,引入虚拟应力强度因子KI(LC),提出以分支裂纹临界长度时裂尖虚拟应力强度因子KI(LC)作为黏弹性压剪岩石裂纹的流变断裂破坏准则,通过算例证实了该准则的可行性,得出:在既定裂纹分布、一定轴向应力和裂纹面摩擦系数的条件下,低渗透压、侧向拉应力共同作用下的压剪岩石裂纹趋向于轴向贯穿破坏,而高渗透压作用下会导致分支裂纹尖端岩桥剪切破坏,渗透压、侧向压应力共同作用下压剪岩石裂纹可能会发生具时间效应的流变断裂贯通破坏。为研究水岩相互作用下裂隙岩体的失稳破坏提供了一种新的思路。     

含尖端相交裂隙岩石的破裂特征

依据相似理论选取与白砂岩性质相似的模拟材料,制作含尖端相交裂隙试样并进行单轴压缩试验,分析2条相交裂隙夹角α和α角的角平分线与水平方向的夹角β对白砂岩破坏模式、力学特性的影响。采用离散元软件PFC~(3D)对试样进行建模,模拟试样在单轴压缩下裂纹的扩展,得到了单轴压缩作用下试样的裂纹扩展特征和起裂应力变化规律。结果表明:1)随着α角的增大,试样峰值强度逐渐降低,预制裂隙内尖端裂纹发育水平逐渐提高;2)随着β角的增大,试样峰值强度逐渐提高,预制裂隙内尖端的裂纹发育水平逐渐降低;3)物理试验与数值模拟结果吻合较好,α角对起裂应力影响较大,随着α角的增大,起裂应力逐渐减小,起裂应力的大小几乎不受β角影响。     

基于单轴压缩试验的岩石单裂纹扩展及损伤演化规律研究

通过室内试验,利用数字图像相关方法(DICM)等研究手段,对含不同预置单裂纹的类岩石材料在单轴压缩下的裂纹扩展规律及岩体细观损伤演化机制进行系统研究。研究表明:预置单裂纹倾角?为15°和30°时,最大应变集中在预置裂纹的尖端靠内侧的位置,新裂纹为翼裂纹,起裂主要受张拉应力控制;当?增大到60°和75°时,最大应变集中区移动到裂纹尖端区域,新裂纹为次生裂纹,起裂主要受剪切应力控制;倾角?=45°时试样包含2条裂纹扩展路径,为2种裂纹类型转变的临界角度值;随着倾角?的增加,试样起裂应力逐渐增大;当?=30°时,试样的单轴抗压强度最低,裂纹的扩展速度最快;裂纹扩展主要受张拉应力控制时,试样的单轴抗压强度和起裂应力均显著低于主要受剪切应力控制时的情况。     

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。     

露天矿含后缘裂隙岩质边坡岩体卸荷断裂机理与稳定性研究

基于边坡实际结构特征，利用断裂力学理论，推导了卸荷作用下后缘裂隙尖端的应力强度因子和临界失稳高度计算公式，考虑分支裂隙扩展长度，构建了边坡岩体裂隙扩展贯通力学模型，提出了边坡稳定性系数计算方法，并通过工程实例来验证。结果表明：(1)卸荷作用越强，后缘裂隙尖端复合应力强度因子越大，边坡的稳定性越差。(2)后缘裂隙倾角越大，临界扩展高度越小，起裂角越大，裂隙越来越趋向于边坡坡面扩展；平均高度越大，临界扩展高度越小，起裂角越大，裂隙越来越偏离边坡坡面扩展；裂隙长度对临界扩展高度和起裂角没有影响。(3)边坡安全系数随后缘裂隙倾角、平均高度和断裂韧度的增加而增大，随裂隙长度、下部裂隙角度和卸荷拉应力的增加而减小。研究成果可为认识和治理卸荷诱发含后缘裂隙岩质边坡崩塌滑坡灾害提供一定理论参考。     

压剪作用下压实黏土断裂破坏机理及断裂准则

土体既有裂缝的开裂问题通常被认为是拉剪应力导致,而实际工程中压实黏土多处于压剪应力状态,为探究压剪作用下压实黏土中既有裂缝的起裂机理,对压剪闭合裂缝应力场和断裂准则进行了理论分析,开展了含中心裂缝压实黏土单轴压缩试验,研究了裂缝倾角、裂缝长度及裂缝形态对压剪断裂性状的影响,揭示了压实黏土中闭合裂缝压剪张拉断裂机理,充分验证了闭合裂缝压剪张拉断裂准则在压实黏土中的适用性。根据试验结果与理论预测曲线对比分析,本文压实黏土的临界尺寸rc为2mm左右,明显小于常用经验公式估算值12mm,讨论了rc经验估算公式存在的问题。此外,尝试性地引入T应力,建立了非闭合裂缝的压剪–张拉断裂准则,解释了闭合裂缝和非闭合裂缝的差异化起裂行为,并说明了其局限性及其产生原因。     

类岩石材料有序多裂纹体单轴压缩破断试验与翼形断裂数值模拟

为研究断续岩石裂纹产状特性对岩体强度的影响和岩桥破断规律,在水泥砂浆中预制有序多裂纹体,开展单轴压缩下类岩石材料有序多裂纹体破断试验。研究发现：有序多裂纹体破断模式主要为排间翼形拉裂纹贯通、排间拉伸—剪切裂纹贯通和排内倾斜剪切裂纹贯通。当裂纹倾角较小（如倾角为25°和45°）时,随裂纹密度的增加,试件表征峰值强度总体上呈衰减趋势,而残余强度总体上呈增加走势;裂纹倾角较大（如倾角为75°和90°）时,裂纹密度对表征峰值强度无显著影响,其残余强度特性表现不明显;相同裂纹密度下倾角从25°变化到90°,试件表征峰值强度总体上呈增加趋势。提出主控岩桥贯通模式的概念,倾角25°试件的主控岩桥贯通模式大都是斜对角线上排间拉伸-剪切裂纹贯通;倾角45°试件的主控岩桥贯通模式为：翼形裂纹贯通和斜对角线方向上共面次生剪切裂纹贯通两种模式。裂纹尖端应力-应变集中特性揭示了压剪裂纹尖端的拉应变集中是岩石翼形裂纹萌生的本质原因,而裂纹端部的双向压应力-应变集中导致次生剪切裂纹萌生。从岩石断裂力学基本理论出发,引入点剪切安全系数,构建基于ANSYS的岩石多裂纹体翼形断裂扩展的数值分析模型,阐明了单轴压缩下有序多裂纹体翼形断裂贯通的力学机制,其数值结论与物理试验基本相吻合。     

次裂纹几何分布对裂纹岩体破坏机制影响研究

通过对含有裂纹的类岩石试件进行单轴压缩试验,研究次裂纹角度、长度以及岩桥尺寸对多裂纹岩体的破坏机制和裂纹扩展特征的影响规律。结果表明:次裂纹角度增加,初裂强度和峰值强度呈递增趋势,主、次裂纹闭合速度和宽度突增值减小,裂纹张开速度和剪切滑动变化值均增大。主、次裂纹之间岩桥贯通路径变短;次裂纹长度增加,初裂强度和峰值强度呈递减趋势,主、次裂纹宽度变化值和剪切滑动变化值均增加,次裂纹长度的增加降低了试件的完整度,岩桥贯通区域的椭圆形核体增大;岩桥尺寸增加,初裂强度呈递增趋势,峰值强度呈递减趋势,主、次裂纹宽度突增值和剪切应变增长值减小,裂纹张开速度和剪切应变突增值增加。分析总结了次裂纹几何分布对岩桥贯通的影响规律。     

卸荷条件下岩体裂隙扩展贯通及能量演化机制

采用颗粒流软件PFC模拟了单轴压缩、双轴压缩和卸围压条件下裂隙倾角和岩桥倾角分别对含单裂隙和双裂隙岩体的裂纹扩展贯通的影响,对比分析了不同应力路径下裂隙岩体破裂演化过程,总结了裂纹扩展贯通模式,揭示了裂纹扩展贯通的细观力学机制和裂隙岩体损伤破裂的能量机制。研究表明:卸围压条件下岩样张性破坏略弱于单轴压缩条件但远强于双轴压缩条件,而剪性破坏远强于单轴压缩条件但略弱于双轴压缩条件;裂隙尖端应力集中导致岩体开裂,随后张性翼裂纹受拉应力场驱使沿拉应力释放区与压应力区边界延伸扩展,剪切裂纹受压应力场驱使,其扩展路径处压应力释放;裂隙岩体发生卸荷破坏时,内部损伤和贯通裂隙的产生会导致耗散能的急剧增加。     

裂纹线场分析方法在岩石力学中的应用

 将岩体破坏主控结构面上的裂纹视为共线等间距裂纹,利用裂纹线上的合理条件将共线裂纹受压剪应力的问题简化为有限宽岩体内含有一条裂纹受压剪应力的问题;把岩体材料的屈服准则作为求解该问题的基本方程,运用线场分析方法在裂纹线附近区域得到弹塑性解析解。分析裂纹面闭合所产生的裂纹面上的摩擦强度对裂纹线附近应力场的影响,通过在裂纹线上提出的合理条件和弹塑性应力场在其边界上的匹配条件,得出裂纹线上塑性区范围与压剪荷载的关系,并获得岩体沿主控结构面的裂纹贯通破坏的强度准则。通过与试验结果的对比分析后发现所提出理论是合理的,研究结果可为岩体断裂力学的发展提供有力依据。     

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。     

考虑T应力的岩石压剪裂纹起裂机理

传统断裂理论在研究岩石压剪裂纹起裂机理时,往往仅考虑裂纹尖端应力场Williams展开式中的r~(1/2)奇异应力项,而忽略了非奇异应力项(T应力)的影响,造成理论预测值与试验结果不符。在对压剪应力下裂纹受力特征进行分析的基础上,将T应力引入传统断裂力学的最大周向应力准则,提出了考虑T应力的修正最大周向应力准则。同时考虑压剪应力下的裂纹应力传递特点,在上述准则中又引入裂纹面法向刚度及切向刚度等变形参数。最终建立了能够同时考虑岩石性质和裂纹几何参数(如裂纹倾角、长度等)、强度参数(裂纹面摩擦系数)及变形参数(裂纹面法向及切向刚度)的最大周向应力准则,更好地反映了岩石压剪裂纹起裂机理。算例表明由该方法计算得到的翼裂纹起裂角与试验结果吻合较好,同时通过参数敏感性分析发现裂纹尖端相对临界尺寸对翼裂纹起裂角的影响最大。     

单轴压缩条件下锚杆影响脆性岩体破裂的细观机制

锚杆支护系统是控制深部脆性围岩动力灾害的重要措施,但锚固理论研究仍滞后,锚杆支护下的脆性岩体破坏问题困扰着深部岩体工程实践。根据实际工程中锚杆支护下脆性围岩的浅表局部破坏特点,通过室内相似模型试验研究单轴压缩条件下锚杆杆径影响完整脆性岩体的破坏特性,试验表明,锚杆杆径对脆性岩体弹性模量和强度的提升存在最优匹配的特点,一味强调增大锚杆直径并不能达到理想的围岩控制效果;锚杆改变了脆性岩体单轴压缩破坏模式,宏观上由劈裂破坏转为剪切破坏,杆径对试样剪切破坏的程度有所影响。从细观角度,建立了含两条固有主裂纹的裂纹扩展分析模型,加锚试样单轴压缩破裂模式的改变,可以归结为锚杆锚固止裂效应对试样内部裂纹扩展的抑制作用,使翼裂纹与主裂纹长度比η变小。根据最易开裂角度ζ的计算结果,翼裂纹较长时,翼裂纹朝外载作用方向扩展,产生劈裂破坏,翼裂纹较短时,翼裂纹偏离外载作用方向扩展,产生剪切破坏。从细观上很好地解释了锚杆改变脆性岩体破裂模式的作用机制。     

三峡花岗岩起裂机制研究

从三峡花岗岩常规三轴实验出发,通过研究裂纹应变的变化规律,得到不同围压下花岗岩的起裂应力。结果表明,起裂应力与围压变化幅度一致,与峰值强度相比,起裂应力一般保持在峰值应力的25%～50%。进一步的实验与理论分析认为,三峡花岗岩在单轴、三轴压缩条件下的微观破裂机制主要是拉伸破裂,从起裂至裂纹稳定扩展阶段,其内部裂纹属I型裂纹,由此通过对压应力下椭圆裂纹的拉伸破坏分析,研究起裂应力、起裂角与围压的关系。比较基于裂纹应变分析得到的结论发现,二者在一定围压区间是比较接近的。