单一闭合中心裂隙对岩石单轴压缩破坏特征的影响

利用颗粒流软件模拟了含单一闭合中心裂隙岩石的单轴压缩数值试验,分析了裂隙宽度、闭合裂隙长度、摩擦系数和倾角对裂隙岩石破坏特征的影响。结果显示裂隙闭合与否对裂隙岩石的强度和破坏特征存在影响;裂隙长度越小,裂隙摩擦系数越大,裂隙倾角越接近于0°或者90°时,裂隙岩石破坏特征越接近于完整岩石状态。翼型裂纹和次生裂纹的扩展形成了岩石的贯通破坏面,其中翼型裂纹表现为Ⅰ型断裂扩展形成贯通破坏面,次生裂纹表现为Ⅱ-Ⅰ型断裂扩展形成贯通破坏面。     

偏置三维内裂纹单轴拉伸裂纹扩展数值模拟

为研究偏置三维内裂纹在单轴应力下的裂纹扩展过程,利用三维裂纹计算软件Franc3d软件进行了数值模拟,得到了裂纹扩展过程及裂纹前缘的应力强度因子变化,计算结果表明:(1)单轴拉力作用下,预制裂纹尖端首先出现翼型裂纹,随后裂纹逐渐向四周扩展,裂纹先贯穿试件左右两面,而后贯穿试件的前后面形成贯穿型裂纹.(2)三维预制内裂纹倾角α=0°、30°时,预制裂纹尖端翼裂纹扩展后期两个翼裂纹呈现相互吸引的规律,而当三维预制内裂纹倾角α=45°、60°时,翼裂纹之间则不存在相互吸引靠近的趋势,预制裂纹内侧尖端的翼裂纹扩展要小于预制裂纹外侧尖端.(3)相对Ⅰ型应力强度因子随着预制裂纹尖端距离的变化(从相对距离0变化到相对距离1)呈现先增大后减小再增大再减小的规律,相对Ⅱ型应力强度因子随着预制裂纹尖端距离的变化呈现先减小后增大再减小再增大的趋势.     

含预制双裂纹试样岩桥贯通模式的数值研究

当双裂纹岩体破坏时,不同裂纹之间的应力场会相互作用,岩桥区域会发生贯通。将应变强度准则嵌入到二次开发的扩展离散元UDEC中,模拟了含预制双裂纹试样的拉伸裂纹及剪切裂纹的扩展。数值模拟结果发现双裂纹试样在单轴压缩过程中会出现4种岩桥基本贯通模式:（1）伴随着2条预制裂纹尖端的翼裂纹独立逐渐扩展,但岩桥区域不发生贯通的不贯通模式;（2）在岩桥区域内,主应力场及切应力场集中,产生剪切裂纹贯通岩桥,切应力对贯通起主导作用的剪切贯通模式;（3）在岩桥区域内,主应力场高度集中,岩桥贯通具有瞬时性,拉伸裂纹贯通岩桥的拉伸贯通模式;（4）在拉力与剪力共同作用下,试样达到强度最高峰值后产生的拉剪混合贯通模式。通过与室内试验对比,将应变强度准则运用到数值模拟分析中可以更准确描述细观破坏时应力应变及岩桥贯通的变化,丰富了多裂纹岩样在细观力学中的贯通机理,为研究岩体细观破坏提供数值模拟参考。     

非贯通裂隙软岩单轴压缩强度特征及贯通机制研究

为了解非贯通裂隙软岩单轴压缩强度特征及其贯通机制,以非贯通裂隙软岩试样为研究对象,进行单轴压缩破坏试验,得到不同裂隙排数、倾角及贯通深度条件下非贯通裂隙软岩试样的强度特征,对破坏试样的裂纹和破坏面进行分析,得到非贯通裂隙软岩试样的裂纹类型和贯通机制。不同裂隙特征参数条件下的对比研究成果表明:不同裂隙排数及贯通深度的非贯通裂隙试样均以30°倾角试样强度为最低,这与贯通裂隙试样存在差异。分析不同裂隙排数及贯通深度的非贯通裂隙试样的强度参数,发现30°倾角试样的黏聚力最低,只有完整岩样黏聚力的43.53%;而倾角相同时,不同裂隙排数的试样强度均随裂隙贯通深度的增加而降低。受荷条件下裂隙间的多次贯通使得非贯通裂隙试样呈现出局部渐进破坏特征,扩展裂纹以次生裂纹为主,翼裂纹初期发育后逐渐停止扩展。裂隙排数对试样贯通机制起主导作用,单排裂隙基本以Ⅰ型张拉破坏为主(60°倾角试样除外),而双排裂隙则以Ⅱ型剪切破坏为主。研究成果对解决实际工程中遇到的破裂岩体强度计算问题和破坏机制问题具有参考价值。     

内置三维裂隙扩展数值模拟研究

文章利用能够反映裂纹扩展贯通的真实破裂过程分析系统(RFPA3D),研究在单轴和双轴压缩条件下裂隙的开裂、扩展和贯通规律。研究结果表明:侧向应力有助于提高试件的峰值强度;单轴加载作用下,首先在预制椭圆形裂隙的两侧端点萌生翼型裂纹,随着轴向应力的不断施加,逐渐出现花瓣状裂纹,最终在峰值强度前后裂纹劈裂贯通;不同方向的侧向压力对试件的裂纹扩展模式具有明显差异,裂纹扩展明显分布于靠近加载面一侧椭圆端点处,而远离加载面预制椭圆裂隙一侧端点处几乎无裂隙扩展。     

基于改进刚体弹簧方法的断续双裂隙砂岩强度及裂纹扩展特征研究

为研究含非共面双裂隙砂岩的强度及裂纹扩展特征,以室内试验结果标定砂岩细观参数,建立含不同岩桥倾角的双裂隙数值计算模型,采用改进刚体弹簧方法对其单轴压缩过程进行模拟。基于模拟结果,研究了岩桥倾角对起裂应力、峰值强度、破坏模式和裂纹扩展特征的影响。结果表明:岩桥倾角60°,起裂应力和峰值强度均随岩桥倾角增大而减小,岩桥倾角60°,均随岩桥倾角增大而增大;根据岩桥倾角不同,裂隙试样破坏模式呈现单一翼裂纹轴向贯通破坏、翼裂纹与翼裂纹搭接贯通破坏和翼裂纹与预制裂纹搭接贯通破坏3种类型;岩桥倾角对岩桥破坏程度有影响,60°岩桥贯通最易,0°和120°岩桥贯通最难。研究结果可为岩土工程的稳定分析提供参考。     

含三维内裂纹试件单轴拉伸裂纹扩展数值模拟研究

以往研究针对三维内裂纹在单轴拉伸下的裂纹扩展与三维内裂纹尖端的应力强度因子变化较少,为定量化研究三维内裂纹单轴拉伸下的裂纹扩展与应力强度因子的变化,对不同预制内裂纹角度在拉伸荷载作用下的裂纹扩展规律进行了数值模拟研究,将裂纹扩展过程及最终破坏形态与已有研究进行了对比。计算结果表明:当预制裂纹角度为0°时,预制裂纹呈现自相似扩展,当预制裂纹为其他角度时,预制裂纹尖端出现翼裂纹扩展,预制裂纹角度为15°、30°、45°、60°时,翼裂纹与原预制裂纹分别呈18°、49°、64°与80°;随着预制裂纹与水平方向的角度增大,Ⅰ型应力强度因子逐渐减小,对于同一预制裂纹角度来说,预制裂纹短轴顶点上的Ⅰ型应力强度因子较其他方向要大;随着预制裂纹角度的增大,Ⅱ型应力强度因子整体上先增大后减小;对于同一种预制裂纹角度来说,预制裂纹的左端与右端(对应于距离为0,0. 5,1处)Ⅱ型应力强度因子达到最大,而预制裂纹短轴处顶点(对应于距离为0. 25和0. 75处)Ⅱ型应力强度因子达到最小为0;数值模拟结果与室内试验结果体现出较好的一致性。研究成果为正确认识轴拉情况下的三维裂纹扩展规律提供了一定的参考。     

页岩结构面原位剪切特性及裂缝扩展试验研究

针对次生断裂构造挤压形成倾角差异的外倾单斜页岩,通过原位直接剪切试验,研究页岩结构面抗剪强度特性与裂缝扩展模式。试验结果表明:页岩结构面剪切应力与剪切位移曲线具有明显的阶段性,当结构面倾角处于24°～30°时,岩体存在峰值强度与残余强度阶段,当结构面倾角处于30°～38°时,岩体处于无残余强度阶段;页岩压剪裂缝扩展形态主要有4种,即沿单一层面开启的单裂缝、沿多个层面开启的裂缝网、贯穿基质体的转向裂缝,以及沿天然裂缝尖端开启的裂缝;胶结较弱的结构面易形成裂缝,岩层薄弱处易发生裂缝方向转向并形成贯穿多个层面的"台阶状"裂缝网,在主裂缝周边会产生定向排列的"雁列式"裂缝,进一步扩展与结构面贯通,使得岩体形成多条贯通性裂缝;页岩结构面压剪试验裂缝贯通模式为结构面剪切贯通裂缝、基质体张拉贯通裂缝、天然裂缝处张拉贯通裂缝、拉剪复合型贯通裂缝。研究成果有利于进一步认识倾斜岩层层面剪切力学特性,为顺层岩质边坡稳定性评价提供参数。     

不同加载速率下端部节理岩桥变形破坏及裂隙扩展试验研究

边坡岩体内部岩桥对边坡稳定性起控制作用,而边坡岩桥破坏由于受开挖速度的影响会产生加载速率效应,探究边坡内部岩桥在加载速率影响下的变形破坏特征和裂隙扩展机制具有重要意义。通过对类岩石材料试样端部预制裂隙以形成中部岩桥,结合数字图像相关技术,分析了不同加载速率下不同岩桥长度试样破坏特征和裂隙起裂、扩展、贯通规律,并利用断裂力学理论揭示了岩桥裂隙扩展机理。结果表明:应力-应变曲线呈现“峰后波动”和“应力陡降”特征;随加载速率的增加,峰值强度增大,峰值位移减小;得出5种裂隙扩展破坏类型,分别是①上裂隙贯通下端面、②岩桥贯通、③下裂隙贯通左端面、④下裂隙贯通下端面、⑤下裂隙贯通上端面;试样破坏时裂隙数量随加载速率的增大而减少,且试样裂隙首先从下部裂隙尖端起裂;推导了单轴压缩条件下考虑闭合效应的裂隙尖端应力强度因子表达式,起裂角理论计算与试验实测结果在误差允许范围内;岩桥试样表面应变场的变化随加载速率的增大而增大,且试样破坏是由前期损伤累积所导致的。研究成果可为揭示不同加载速率下岩质边坡内部的变形破坏机制、分析围岩稳定性提供理论依据。     

翼型裂纹扩展特性的试验和数值分析

采用模型试验研究了受压条件下张开型翼型裂纹的断裂规律,得出了翼型裂纹的扩展路径及翼型裂纹的扩展载荷特性。通过PYTHON语言对有限元软件ABAQUS进行了二次开发,实现了裂纹扩展中网格自动重新划分功能,对裂纹的扩展过程进行了数值模拟,得出了裂纹扩展路径及其复合应力强度因子的大小。计算结果与试验结果吻合良好。结果表明：(1)压缩作用下张开型裂纹,其翼型裂纹路径具有明显渐近特征,其扩展路径的渐近线为过初始裂纹中心点、且平行于最大主应力方向的一条直线;(2)曲线翼型裂纹的复合应力强度因子大体上随翼型裂纹的长度的增加逐渐变小;对有限尺寸的裂纹体,当翼型裂纹长度较大时,其大小受边界效应影响明显。以上结论为研究岩土工程中存在的翼型裂纹扩展和失稳规律提供参考     

围压对岩石裂纹扩展影响的颗粒流模拟研究

采用颗粒流数值软件PFC模拟预设单裂隙岩石在双向压缩状态下裂纹的扩展过程和特征。首先利用黏聚颗粒模型建立岩石试样,并在岩石试样中预置非贯通单裂隙;为研究围压对岩石裂纹扩展的影响,分别在5种围压作用下对预设裂隙岩石进行双轴压缩试验。结果表明在围压为0(单轴压缩)时,翼裂纹扩展方向与预设裂隙基本垂直,随着加载进行沿着主压力方向扩展,而当围压增加时,翼裂纹扩展方向与预设裂隙的交角增大,且长度变短直至围压到达一定值后不再发育;次生裂纹的扩展方向不仅与材料的性质有关,同时受到围压值的影响;围压增大对张性裂纹扩展产生限制,并促进剪性裂纹的扩展和合并,且最终剪切破坏面的宽度随着围压的增大而增大;次生裂纹可以由拉应力产生,但其进一步发育和扩展受到剪应力的控制。     

不同粗糙度断续节理岩体直剪试验的颗粒流模拟

为了探究不同粗糙度断续节理岩体直剪试验的裂纹扩展过程及破坏模式,基于颗粒流方法,对试样施加不同法向应力,并探讨了预剪面应力演化过程。研究结果表明:根据微观裂纹的张、剪属性及其演化过程,岩桥破坏模式大体可分为5类,且与法向应力和节理面粗糙度密切相关,法向应力、节理粗糙度的增加都会促使岩桥向剪切破坏方式转变;初始翼裂纹与原节理面的夹角对法向应力变化不敏感,而随着节理粗糙度的增加而减小;在剪切过程中,预剪面上的应力分布不均匀且不断进行重分布,对于平直节理岩体剪应力主要由岩桥承担,且无论水平向还是法向,岩桥部分压应力均大于节理部分;而对于粗糙节理岩体,剪应力由节理和岩桥共同承担,且节理部分的应力均高于岩桥部分。研究成果对进一步明确断续节理岩体的力学参数有参考价值。     

单轴压缩下三维裂纹扩展机理试验与离散元分析

为了加强对三维裂纹扩展机理的认识,采用一种脆度良好的树脂材料制作含预制三维双裂隙的试样,并基于离散元理论,研究在单轴压缩条件下平行双裂隙的扩展、搭接和贯通机理,同时设置测量圆来监测在不同加载阶段模型的应力场变化。研究结果表明:预制裂隙长轴端部C1-E和C2-W萌生的翼裂纹沿垂直裂隙平面方向扩展至一定长度后会保持长时间不变,直到应力达到峰值附近才继续沿着最大主应力方向扩展;在峰值应力附近时,预制裂隙端部C1-W和C2-W的花瓣状翼裂纹和反翼裂纹才相互搭接贯通形成空间卷曲面;随着轴向应力增加至峰值附近,最大主应力主要分布在远离预制裂隙的区域,而压应力却集中在预制裂隙中心区域,因此抑制了翼裂纹的进一步扩展;最大压应力和切应力随着应变增加而增加,最大拉应力却在峰值应力附近发生了跌落,说明在加载后期,裂纹扩展主要受压剪作用力控制。     

曲线翼型裂纹扩展特性的试验和数值分析

采用模型试验研究了受压条件下张开型裂纹的翼型裂纹断裂规律，得出了翼型裂纹的扩展路径及翼型裂纹的扩展载荷特性。通过PYTHON语言对有限元软件ABAQUS进行了二次开发，实现了裂纹扩展中网格自动重新划分功能，对裂纹的扩展过程进行了数值模拟，得出了裂纹扩展路径及其复合应力强度因子的大小，并和试验结果进行了对比。结果表明：(1)压缩作用下张开型裂纹，其翼型裂纹路径具有明显渐近特征，其扩展路径的渐近线为过初始裂纹中心点、且平行于最大主应力方向的一条直线；(2)曲线翼型裂纹的复合应力强度因子大体上随翼型裂纹的长度逐渐变小；对有限尺寸的裂纹体，当翼型裂纹长度较大时，其大小受边界效应影响明显。以上结论为研究真实存在的曲线翼型裂纹扩展和失稳规律提供了基础。     

现场岩体直剪试验声发射特征及其破坏机制

尽管应用声发射对岩石破裂过程的研究取得了诸多成果,但主要集中于小尺寸（≤10 cm）的岩块,对较大尺度（≥50 cm）岩体破坏机理研究还较少。采用最新的SAMOS声发射系统,对节理岩体现场直剪试验过程进行声发射测试。通过现场岩体直剪破坏过程中声发射特征参数与频谱特性研究,揭示了节理岩体破坏机制,深化了对岩体破坏机理的认识。测试结果表明节理岩体破坏过程中,声发射信号的主频范围为40～120 kHz,其直剪破坏过程可分为4个阶段：①弹性变形阶段,岩体内部没有声发射事件;②起裂阶段,声发射事件很少,岩体内部仅有少量的裂纹产生;③扩展阶段,声发射事件缓慢增加,岩体内部微裂纹不断扩展;④破坏阶段,声发射事件大量增加,微裂纹不断扩展贯通,岩体出现宏观破裂。根据研究结果可知：与传统的破裂从前端开始的观点不同,岩体试件中后端最先出现声发射定位事件,表明微破裂开始发生在岩体试件的中后端;随着剪应力的增加,声发射定位事件逐渐前移,当岩体进入破坏阶段后,微破裂集中于剪切面局部,岩体产生局部破裂化。