基于颗粒流的花岗岩微观破坏机制研究

为研究岩石在单轴压缩条件下的微观破坏机制,利用岩石力学试验机进行花岗岩岩样的室内试验,采用颗粒流分析程序编程建立可靠的数值模型,通过分析试件压缩破坏过程的裂纹演化规律、裂纹数特征和能量耗散规律,讨论其微观破坏机制。结果表明,花岗岩岩样内部拉裂纹分布与宏观破坏面较为吻合,在裂隙发展中起着关键作用;峰值强度前,剪裂纹较拉裂纹发育显著,峰值强度后,拉裂纹数剧烈增加,造成岩样承载力的降低;岩样最终失效形式为沿对角形成宏观剪切面破坏,并有少量张拉襞裂破坏。     

岩桥倾角对岩体能量演化规律影响研究

天然岩体内部常含有各种分布形式和尺寸长度的裂隙，裂隙对岩体破坏模式和强度有重要的影响，从能量角度研究裂隙对岩石压缩破坏模式的影响可以反映裂隙岩体变形破坏的本质特征从而为岩体设计施工提供依据。因此制备了不同裂隙组合形式的相似材料，通过单轴循环加卸荷试验进行加载，探究了双节理裂隙岩桥倾角（裂隙搭接程度）在岩体各受荷阶段中对能量演化规律的影响，揭示了不同岩桥倾角下岩石弹性能和耗散能演化及分配规律。研究表明:随着岩桥倾角的不断增加，即裂隙搭接长度的增加，最终积聚弹性能密度在逐渐减小，易于形成宏观裂纹；耗散能比例曲线的明显转折是岩石失稳破坏的前兆。随着岩桥倾角的变缓，耗散能比例曲线增幅越陡，因此破坏越明显；岩桥倾角越小即裂隙水平距离越远，裂纹发育速度越快。     

微裂隙对灰质泥岩强度的影响分析

通过开展不同围压下灰质泥岩的三轴压缩试验，研究了岩样中的微裂隙对岩石强度的影响。研究认为，岩样应力应变曲线中的压密阶段变形可分为由微裂隙被压密产生的变形和试样的压缩弹性变形两部分，其中前者占主导；同样，压密阶段储存的弹性势能亦可分为由微裂隙被压密储存的势能和由材料压缩变形储存的势能，将两者之比定义为能量裂隙密度。并进一步建立了岩样峰值强度与能量裂隙密度之间的线性关系，数据分析表明，两者的拟合关系较好。     

含天然微裂隙岩石的力学特性试验研究

为研究含天然微裂隙岩石的劈裂力学特性及微观结构,对含天然微裂隙岩石进行单轴压缩试验、劈裂试验与SEM扫描试验。分析了微裂隙岩石单轴压缩试验及劈裂试验的破坏形式、抗拉强度的变化规律,并对劈裂破坏形式中岩石较为破碎部分进行微观结构分析。研究结果表明:在单轴压缩试验中,天然微裂隙岩石破坏形式主要表现为张拉破坏、沿天然裂隙面剪切破坏以及拉剪复合破坏;天然微裂隙倾角对岩石抗拉强度影响较大,其抗拉强度随微裂隙倾角增大而增大;岩样发生劈裂破坏后较为破碎的部分,其劈裂力学特性主要受天然微裂隙岩石的微观结构决定,其微观结构主要分为根状结构、雾区结构、台阶结构3种形式,根状结构微裂隙岩石的力学性质最差,台阶结构微裂隙岩石的力学性质最好。研究成果可为天然微裂隙岩石的力学特性理论研究及其工程应用提供参考依据。     

内置单裂隙相似材料岩样破坏特性及电阻率变化特性试验研究

文章利用四极法进行了含不同倾角内置三维裂隙岩样单轴加载破坏过程中的电阻率变化测试,试验表明:预制内部三维裂隙对峰值强度和弹性模量均有劣化作用,α=0°和90°试件表现为拉伸破坏,0°α90°时,试件整体上属于拉剪破坏;此外,内置裂隙岩样的单轴峰值强度和弹性模量对裂隙倾角非常敏感,0°倾角岩样峰值强度最低,90°倾角岩样峰值强度仅次于完整试件峰值强度。轴向峰值应变受裂隙倾角的影响较大,完整岩样峰值应变较小,α=45°时轴向峰值应变最大。结合电阻率-应力-应变关系,可以看出电阻率变化与裂隙岩石破坏过程密切相关,由此对单轴压缩下裂隙岩石破坏的基本特征有了新的认识,为今后的研究提供了新的思路。     

单轴压缩下不同裂隙张开度岩石破坏数值模拟

为了研究不同张开度裂隙岩体单轴压缩过程中的力学特性,以裂隙试样室内试验结果标定岩体细观参数,采用改进刚体弹簧元法对不同张开度裂隙试样压缩破坏过程进行数值模拟。结果表明:试件峰值强度随着裂隙张开度的增大表现出先增大后减小,最后维持稳定的规律;根据微裂纹起裂位置,将不同张开度裂隙岩体破坏模式总结为3类,并得出最终失稳破坏本质上都是由张拉所致的结论;随轴向应变增加,试件内部微裂纹的发育速度逐渐提高,但剪切裂纹数量远小于张拉裂纹;最后通过位移场演化规律从细观层面揭示了微裂纹开裂的力学机理。     

层理压剪特性及裂纹沿层与穿层破坏数值模拟及其机理研究

针对岩石工程中的节理缺陷,基于统计损伤理论,对含裂隙及层理情况下的小尺寸试样进行了单轴压缩数值模拟。结果表明:不含预制裂纹的节理模型裂隙顺着节理产生,含裂隙及节理模型裂隙沿预制裂纹尖端及节理产生,仅含预制裂隙模型裂隙沿预制裂纹尖端产生;节理倾角较小时,节理发生剪切破坏,预制裂隙的翼裂纹主要发生穿层破坏,节理倾角较大时,节理发生拉伸破坏,预制裂纹的翼裂纹主要发生沿层破坏,且靠近预制裂纹的节理破坏更加剧烈;随着节理倾角的增大,峰值荷载先减小后增大,当节理倾角为45°时试样的峰值荷载最小,含预制裂纹及节理下的模型峰值强度最低,仅含节理的模型峰值强度较大,仅含预制裂隙下的模型峰值强度最高。基于声发射规律推导了层理压剪损伤过程的本构方程,结合数值模拟结果,得到加载过程中岩样的损伤变化一共分为四个阶段,即线弹性变形阶段、裂纹萌生阶段、裂纹加速扩展阶段及损伤平稳发展阶段。同时,讨论了层理裂隙沿层及穿层破坏的理论解释,认为层理抗拉强度及倾角是影响裂隙的沿层及穿层破坏的关键因素。     

层理压剪特性及裂纹沿层与穿层破坏数值模拟及其机理研究

针对岩石工程中的节理缺陷,基于统计损伤理论,对含裂隙及层理情况下的小尺寸试样进行了单轴压缩数值模拟。结果表明: 不含预制裂纹的节理模型裂隙顺着节理产生,含裂隙及节理模型裂隙沿预制裂纹尖端及节理产生,仅含预制裂隙模型裂隙沿预制裂纹尖端产生; 节理倾角较小时,节理发生剪切破坏,预制裂隙的翼裂纹主要发生穿层破坏,节理倾角较大时,节理发生拉伸破坏,预制裂纹的翼裂纹主要发生沿层破坏,且靠近预制裂纹的节理破坏更加剧烈; 随着节理倾角的增大,峰值荷载先减小后增大,当节理倾角为 45°时试样的峰值荷载最小,含预制裂纹及节理下的模型峰值强度最低,仅含节理的模型峰值强度较大,仅含预制裂隙下的模型峰值强度最高。基于声发射规律推导了层理压剪损伤过程的本构方程,结合数值模拟结果,得到加载过程中岩样的损伤变化一共分为四个阶段,即线弹性变形阶段、裂纹萌生阶段、裂纹加速扩展阶段及损伤平稳发展阶段。同时,讨论了层理裂隙沿层及穿层破坏的理论解释,认为层理抗拉强度及倾角是影响裂隙的沿层及穿层破坏的关键因素。     

孔、围压作用下断续单裂隙岩石破坏数值模拟

采用岩石破裂过程分析系统,研究了围压、孔压对含不同单裂隙分布脆性岩石的破坏影响规律,分析了岩样的裂纹扩展特征。结果表明：断续单裂隙的岩石力学性能显著低于完整岩样,但降低程度与裂隙参数密切相关,随着裂隙长度增加,岩石力学参数均呈降低趋势,而随着裂隙倾角的增加,峰值强度以及峰值应变均呈先减小后增加的趋势,且这种规律不受围压与孔压的影响;围压对岩石峰值强度有强化作用,但同等围压时,孔压对岩石峰值强度有弱化作用;裂隙长度越小或裂隙倾角越大的岩样,其裂纹扩展特征越不明显,且扩展过程受围压与孔压影响显著。研究结论对于认识具有断续节理裂隙岩体的变形破坏机理具有参考价值。     

基于PFC~(3D)的岩石单轴压缩变形破坏特征分析

利用INSTRON-1346型电液伺服岩石试验系统对关岭大寨滑坡龙潭组泥质砂岩进行单轴压缩试验。基于室内试验力学参数,通过颗粒流模拟软件PFC3D模拟该单轴试验,得到数值试验的应力-应变曲线,以应力应变曲线作为压缩试验的阶段性参照,研究了岩石在压缩条件下力学及形态的微观特征。研究表明,可以通过岩石微观颗粒的位移特征来表征岩石的体积应变特性;可通过岩石变形破坏过程中的裂纹发展阶段来划分其压缩的阶段性,即岩石微裂隙压密、张拉裂纹增长、剪切裂纹增长、拉剪裂纹同步增长、剪切裂纹超越张拉裂纹增长5个阶段。     

岩样单裂隙几何参数对其破坏模式与强度的影响

在含单裂隙岩体的试验中,对裂纹类型和试样破坏模式的研究可以帮助预测裂纹的萌生、扩展等现象,然而在工程结构设计中,应该更加关注岩体的承载力,即破坏强度。为了研究裂隙与岩体强度的关系,采用FLAC^3D建立相应试样的数值计算模型,同时改变其中单裂隙的倾角、长度等参数,通过对多组试样的加载试验,研究了单裂隙的几何参数(裂隙倾角、长度和张开度)对岩样破坏强度的影响。结果表明:随着裂隙长度的增大,试样峰值应力不断降低;随着裂隙倾角的增大,试样峰值应力整体呈增大趋势,但是当倾角<60°时,增长较缓慢,当倾角>60°时,峰值应力迅速增大;在试验范围内,随着裂隙张开度的增大,试样峰值应力基本保持不变。研究成果可为预测含单裂隙岩体的裂纹扩展和强度提供参考依据。     

裂隙倾角对岩体能量演化规律影响研究

准确预测岩体失稳破坏可为岩体支护设计提供依据。通过单轴循环加卸荷试验探究裂隙倾角在岩体各受荷过程中对能量演化规律的影响,揭示岩体变形破坏过程中能量演化的本质特征。研究表明：加荷初期,弹性能比例为40%~45%,中期为55%左右,临近破坏时为60%~65%,能量比例变化速率和裂隙倾角关系密切。能量密度随荷载增加而增加,裂隙倾角影响能量密度的变化速度;能量密度比例趋势转折越明显,表明岩体越易破坏;耗散能密度增减过程与岩石受荷起裂破坏过程拟合程度较高;裂隙岩体对能量的吸收能力随裂隙倾角的增长先增加后减小。裂隙倾角对能量演化的影响呈非线性,不同受荷阶段的能量关系存在显著特征,此特征能够较好预警岩体失稳破坏。     

华山花岗岩力学特性及能量演化规律研究

为了研究华山花岗岩的强度、变形特征以及能量耗散规律, 采用MTS815岩石力学试验机开展了单轴压缩和常规三轴压缩试验。结果表明:华山花岗岩表现出明显的脆性特征, 在三轴条件下应力应变曲线的上凹现象相比于单轴变得不明显; 随着围压的增加, 花岗岩的弹性模量和峰值应变不断增大, 但增加的速度逐渐变慢; 花岗岩的扩容阈值与围压近似呈线性关系; 单轴压缩条件下, 岩石内部储存的弹性应变能峰值后几乎瞬间都转化为耗散能, 劈裂破坏特征明显, 而三轴压缩下, 岩样的耗散能占吸收能的比例随围压提高逐渐增大, 表现为整体剪切破坏; 三轴压缩下的吸收能、弹性应变能以及耗散能都远大于单轴压缩下的对应值, 并且随着围压的增大而增大; 岩石破坏时的吸收能、耗散能以及储能极限均与围压存在良好的线性关系。     

填充对节理岩体力学特性及能量演化的影响研究

能量耗散引起节理岩体裂纹启裂、扩展、贯通及最终的破坏。为探寻充填对节理岩体力学及能量特性的影响,基于岩石能量耗散理论及单轴压缩试验结果,研究了充填对节理岩体强度特征、变形特征、破坏模式及能量演化的影响机制。此外,分析了节理岩体的能量演化机制及峰值点各能量指标( 总能量、弹性应变能及耗散能) 的充填效应。研究结果表明: 节理使得岩样的力学参数明显劣化,而充填使得节理岩样的峰值强度、峰值应变及弹性模量均有所增大; 完整岩样损伤演化划分为初始损伤阶段、稳定损伤阶段、损伤平稳阶段、加速损伤阶段及损伤破坏阶段,而节理岩样和充填节理岩样则分为六阶段,即增加了突变损伤阶段; 完整岩样、充填节理岩样及节理岩样峰值点的平均弹性应变能依次在减小,但减小幅度明显降低。研究成果可为岩体工程类环境灾害的预警与防控提供科学依据。     

加卸荷条件下大理岩变形特征及能量演化

为揭示深埋大理岩在不同应力路径下的变形特征和能量演化特征,基于大理岩的常规三轴试验和卸荷三轴试验,分析了大理岩变形破坏过程中变形和能量演化的围压效应和应力路径影响。结果表明:大理岩在加卸荷条件下均表现出显著的围压效应;卸荷条件下大理岩的损伤扩容应力阈值和峰值强度较加载条件下的低;加载应力路径下能量耗散阶段占比更大,卸荷应力路径下能量聚集阶段占比更大;加卸荷条件下损伤扩容点对应的总能量和弹性应变能与围压具有良好的线性关系;针对峰值应力对应的总能量、弹性应变能及耗散能,加载应力路径下其均与围压具有正线性关系,而卸荷应力路径下均与围压成指数关系。基于以上结论,提出了确定大理岩破坏点的定量方法,结合应力-应变关系曲线,有效地解决了高围压作用下大理岩破坏点难以确定的问题,为深埋洞室围岩的稳定性分析提供依据。     

土石混合体单轴压缩试验的三维颗粒流数值模拟

为探究不同含石量土石混合体在单轴压缩荷载下的变形破坏机理,在不规则颗粒三维离散元精细建模技术的基础上,提出了一种不规则块石三维离散元模型随机生成技术,并建立了符合宏观统计规律的土石混合体三维颗粒流数值模型。进行了低、中、高不同含石量(0,10%,30%,50%,70%,90%)的土石混合体单轴压缩试验颗粒流数值模拟,获得了各种含石量的土石混合体在单轴压缩荷载下的应力应变特征和变形破坏特征,并对其变形破坏的细观机理进行了深入的分析探讨。结果表明:随着含石量的增加,土石混合体试样单轴抗压强度和弹性模量随之减小;中低含石量(0,10%,30%,50%)土石混合体的应力-应变曲线表现出典型的应变软化特征,而高含石量(70%,90%)土石混合体在达到峰值应力后表现出一定程度的塑性流动特征;中低含石量土石混合体试样中形成的微裂纹主要是张拉裂纹,宏观上表现出来的是拉裂破坏,而高含石量土石混合体试样中微裂纹很少,主要是剪切裂纹,宏观上表现出来的是剪切破坏。     

矿物相互作用对岩石单轴抗压强度的影响研究

针对岩石矿物颗粒之间的相互作用程度不同的特点,采用弯矩贡献因子β〖TX-〗模拟了岩石矿物颗粒之间的相互作用力的强弱。依据花岗岩室内单轴压缩试验曲线对细观参数进行了识别。在此基础上,定量研究了β〖TX-〗对岩石类材料的变形、强度特征以及微裂纹行为的影响。以4种室内单轴压缩应力应变曲线来验证弯矩贡献因子的适用性。结果表明：β对峰值强度、拉剪裂纹比重以及破坏模式的影响很大;随β的增加,峰值强度呈现线性减小的规律,拉剪裂纹比重呈现指数型增长规律,破坏模式也从对角型破坏面逐渐发展为“V”型破坏面;通过调整β,模拟得到的曲线与室内试验应力应变曲线良好吻合。     

岩石破裂与能量释放过程的FLAC3D数值模拟

针对以往研究只注重岩石材料裂纹发育和破裂范围模拟的局限性,提出了一种考虑弹性模量劣化的CWFS(cohesion weakening and frictional strengthening)改进本构模型。基于该模型,结合局部能量释放率(LERR)和弹性释放能(ERE)等能量指标,利用FLAC^3D进行二次开发,实现了单轴压缩下岩石破裂过程和能量释放过程的细观模拟。研究表明,岩石破坏强度大小与均质度密切相关。随着均质度的提高,岩石的单轴抗压强度不断增大,破坏模式由延性破坏转变成脆性破坏,岩石裂纹及弹性能释放的时空分布逐渐集中,破坏强度逐渐增大。     

西部弱胶结泥岩的三轴压缩试验分析

为解决西部弱胶结软岩巷道支护难题,在内蒙古鲁新煤矿对典型弱胶结泥岩取样,并对其进行不同状态(天然状态、饱和状态和烘干状态)和不同围压水平的室内三轴压缩试验,分析其强度特征和基本力学指标与围压的变化关系。试验数据表明①自然状态下弱胶结泥岩峰值强度和残余强度非常低,随着围压的增加,泥岩的峰值强度和残余强度均有较大提高,且峰值强度与围压呈对数变化关系;②泥岩对水非常敏感,随着含水率的增加峰值强度和残余强度均降低,峰值强度降低幅度更明显;③通过引入三轴软化系数进行分析,结果表明泥岩的软化系数随围压增加而下降,泥岩3种状态下的弹性模量与围压增加呈线性增大变化。最后通过泥岩三轴压缩四阶段应力-应变曲线的拟合分析,建立了泥岩三轴压缩全应力-应变关系。